РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЧЕТВЁРТОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F04D29/32 F01D5/06 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 C1, опубл. 10.02.2006).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 C1, опубл. 27.02.2013).

Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (Н.Н. Сиротин, А.С.Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 257-263).

К недостаткам известных решений относятся непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса четвертой ступени ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации упомянутых пазов в ободе диска, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений кпд, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и, как следствие, сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, кпд четвертой ступени, согласованности в предыдущими ступенями КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что рабочее колесо четвертой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению содержит диск и лопаточный венец, число лопаток в котором принято от 32 до 43 лопаток, при этом каждая лопатка содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, а диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками, разделенными по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, при этом фронтальная полка обода диска снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце-обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени, а торец кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени; кроме того, полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу, при этом ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в 5,5÷7,3 раза, причем перо лопатки выполнено с углом у установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ_к=(49,7÷57,7)°, при этом лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G_у.п., имеющим значения в диапазоне

G_у.п.=(γ_к-γ_п)/Н_ср=152,3÷218,9 [град/м],

где γ_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ_п – то же, в периферийном сечении; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении.

При этом толщина профиля пера лопатки может быть выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G _у.т., равным

G_у.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,6÷2,3)⋅10^-2 [м/м],

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п – то же, периферийного сечения; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_у.х.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(4,3÷6,2)⋅10^-2 [м/м],

где L_п.x. - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Внешняя поверхность обода диска может быть выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора.

Полотно с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела может быть снабжено кольцевым приливом для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

Кольцевой элемент с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки обода диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, может быть выполнен с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

Лопатка может быть снабжена полкой, формирующей сектор конической втулочной поверхности проточной части на осевом участке четвертой ступени ротора КНД, при этом хвостовик лопатки выполнен с возможностью образования в кольцевом пазе по окружности обода диска замкового соединения типа «ласточкин хвост».

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении кпд и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг. 1 изображено рабочее колесо четвертой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса четвертой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса четвертой ступени, поперечный разрез;

на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса четвертой ступени, вид сверху.

Рабочее колесо четвертой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, содержит диск 1, наделенный пазами 2, и лопаточный венец. Число лопаток 3 в лопаточном венце принято от 32 до 43 лопаток.

Каждая лопатка 3 содержит хвостовик 4 и перо 5 с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 6 и выпуклой спинкой 7, сопряженными входной и выходной кромками 8 и 9. Лопаточный венец имеет решетку профилей пера 5 лопатки с фронтальной линией 10.

Диск 1 выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 11 с центральным отверстием 12, полотно 13 и обод 14 с фронтальной полкой 15 и тыльной полкой 16. Полки 15 и 16 разделены по периметру обода 14 кольцевым пазом 17 для заведения хвостовиков 4 лопаток 3 рабочего колеса. Фронтальная полка 15 обода 14 диска снабжена понизу кольцевым элементом 18 с гребнями 19 лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце-обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени. Торец 20 кольцевого элемента 18 диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени.

Полотно 13 диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы 11 к ободу 14. Ступица 11 выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна 13, нормальной к оси 21 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (5,5÷7,3) раза.

Перо 5 лопатки 3 выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки 9 и 10 профиля хордой 22 и фронтальной линией 10 решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ_к=(49,7÷57,7)°, а в периферийном сечении значение γ_п=(25,9÷33,9)°. Лопатка 3 выполнена с переменным по высоте пера 5 углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии 10 решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G_y.п., имеющим значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_к-γ_п)/Н_ср=152,3÷218,9 [град/м],

где γ_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ_п – то же, в периферийном сечении; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо 5 лопатки 3 выполнено переменной по ширине и высоте пера 5 толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 7 и корыта 6 относительно хорды 22, соединяющей входную и выходную кромки 8 и 9 пера 5 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 5 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 23 с градиентом G_y.т., равным

G_y.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,6÷2,3)⋅10^-2 [м/м],

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п – то же, периферийного сечения; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки 8 и 9 пера 5 выполнены расходящимися к периферийному торцу 23 лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды 22, равным

G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х./H_cp=(4,3÷6,2)⋅10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Внешняя поверхность 24 обода 14 диска 1 выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками 15 и 16 заводимых в кольцевой паз 17 лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода 14 на ось 21 вала ротора.

Полотно 13 с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела снабжено кольцевым приливом 25 для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

Кольцевой элемент 18 с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки 15 обода 14 диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, выполнен с углом наклона относительно оси 21 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

Лопатка 3 снабжена полкой 25, формирующей сектор конической втулочной поверхности проточной части на осевом участке четвертой ступени ротора КНД. Хвостовик 3 лопатки выполнен с возможностью образования в кольцевом пазе по окружности обода диска замкового соединения типа «ласточкин хвост».

Перо 5 лопатки 3 выполнено с корытом 6, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой 7 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариатно перо 5 лопатки выполнено с корытом 6, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой 7 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец 23 пера 5 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД.

Пример реализации изобретения.

Рабочее колесо четвертой ступени КНД ТДР состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 2. Диск четвертой ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 10, полотно 12 и обод 13. Профили полотна 12 и ступицы 10 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы 32 мм; диаметр центрального отверстия ступицы 290 мм; средняя толщина полотна 5 мм; ширина обода 57 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска 524 мм и 528 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска 2°.

Лопатку рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД ТРД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участке расположения хвостовика 3. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 6 пера 4 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 5 пера 4 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 3. Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 4 производят фрезерованием с последующей полировкой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 4 с хвостовиком 3, выполненная как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера 4 лопатки имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С_max=4,2 мм; длина хорды пера 40,4 мм; угол γ_п установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 7 и 8 профиля хордой 21 и фронтальной линией 9 решетки лопаточного венца составляет 53°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С_max=2,2 мм; длина хорды пера принята 69,5 мм; угол γ_п установки профиля пера составляет 30°;

- средняя высота Н_ср профиля пера составляет 125,5 мм.

На внешней стороне обода 13 диска расположен кольцевой паз 16 для крепления лопаток 2 в количестве 38 штук. Паз 16 изготовлен точением. Лопатки 2 удерживаются от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка, расположенных под углом 35° к подошве хвостовика 3 лопатки и к донной поверхности паза 16 диска, а от окружных сил лопатки в диске удерживается с помощью девяти фиксаторов (на чертежах не показано). Ширина основания паза 50 мм.

При запуске турбореактивного двигателя диск 1 последней четвертой ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки 2 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки.

Таким образом, рабочее колесо четвертой ступени имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 524 мм и 528 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса 780 мм и 773 мм; максимальная ширина четвертой ступени ротора 53,5 мм.

В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса четвертой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) и включает в работу лопаток 2 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 5 пера 4 каждой лопатки 2 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 6 пера 4, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 2 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора четвертой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает далее во входной направляющий аппарат компрессора высокого давления. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 13 с кольцевыми полками 9 и 10, принятого сочетания сужающего полотна 12 и осевой ширины ступицы 10, компенсирующей ослабление полотна 12 диска центральным отверстием 11. Выполнение ширины ступицы 10, превышающей толщину прикорневой части полотна 12 в 5,5÷7,3 раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 10 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции лопатки рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 4 под углом γ между соединяющей входную и выходную кромки 7 и 8 профиля хордой 21 и фронтальной линией 9 решетки лопаточного венца, составляющим в корневом сечении γ_к=(49,7÷57,7)° в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации и градиентов их изменения по высоте пера лопатки. При назначении угла γ в корневом сечении пера лопатки, принятого из найденного в изобретении интервала значений γ_к с учетом углов установки профиля пера предыдущих ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения кпд, ГДУ компрессора и ресурса лопатки. При уменьшении угла γ_к ниже заявленного значения существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает кпд ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 6 пера 4 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла γ_к выше заявленного значения также возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 5 пера 4 лопатки и снижается кпд, а также неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в изобретении границ диапазонов градиентов G_у.п.=(152,3÷218,9) [град/м] по высоте Н_ср пера 4 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G_у.п.<152,3 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает кпд ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 6 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 21 пера 4 по высоте лопатки до значений градиента G_y.п., превышающих верхний предел G_y.п.>218,9 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 4 лопатки, что, в свою очередь, приводит к снижению кпд, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы четвертой ступени ротора с предыдущими ступенями КНД.

Градиент G_y.x. увеличения хорды 21 пера 4 лопатки по средней высоте Н_ср пера 4 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной кромок 7 и 8 пера 4 от втулки до периферийного торца 22. Парусность пера по высоте лопатки спрофилирована по градиенту G_y.x. углового расширения хорды 21 пера 4 с заявленным диапазоном G_y.x.=(4,3÷6,2)⋅10^-2 [м/м], что обеспечивает получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 4 к средней высоте Н_ср пера (G_у.х.<4,3⋅10^-2) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера 4 лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие, возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению кпд за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 6 пера 4 лопатки. Увеличение (G_y.x.>6,2⋅10^-2) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 4 лопатки и к снижению кпд компрессора.

Технический результат повышения ресурса рабочего колеса в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 4 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G_у.т.=(1,6÷2,3)⋅10^-2 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 4 лопатки. При значениях градиента G_у.т.<1,6⋅10^-2 [м/м] возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части пера 4 лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя. При значениях градиента G_y.т.>2,3⋅10^-2 [м/м] требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 4 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров лопатки рабочего колеса четвертой ступени достигают повышение кпд и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Рабочее колесо четвертой ступени вала ротора КНД ТРД содержит диск, включающий ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой. Обод диска соединен с полотном с образованием кольцевых полок, разделенных по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса. Ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в 5,5÷7,3 раза. Лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G_y.п.=152,3÷218,9 [град/м]. Перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки. Изобретение обеспечивает повышение кпд и увеличение запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса последней четвертой ступени КНД без увеличения материалоемкости. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее колесо четвертой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, характеризующееся тем, что содержит диск и лопаточный венец, число лопаток в котором принято от 32 до 43 лопаток, при этом каждая лопатка содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, а диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками, разделенными по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, при этом фронтальная полка обода диска снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени, а торец кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени; кроме того, полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу, при этом ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в 5,5÷7,3 раза, причем перо лопатки выполнено с углом у установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ_к =(49,7÷57,7)°, при этом лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G_у.п, имеющим значения в диапазоне

G_у.п.=(γ_к - γ_п)/Н_ср=152,3÷218,9 [град/м],

где γ_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ_п – аналогичный угол в периферийном сечении; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении.

2. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

G_у.т.=(С_к - С_п)/Н_ср=(1,6÷2,3)⋅10^-2 [м/м],

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п – аналогичная толщина периферийного сечения; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

3. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_у.х. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_у.х.=(L_п.х. - L_к.х.)/H_cp=(4,3÷6,2)⋅10^-2 [м/м],

где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - аналогичная длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

4. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что внешняя поверхность обода диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора.

5. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что полотно с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела снабжено кольцевым приливом для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

6. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой элемент с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки обода диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, выполнен с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

7. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что лопатка снабжена полкой, формирующей сектор конической втулочной поверхности проточной части на осевом участке четвертой ступени ротора КНД, при этом хвостовик лопатки выполнен с возможностью образования в кольцевом пазе по окружности обода диска замкового соединения типа «ласточкин хвост».

8. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

9. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

10. Рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.