УСТРОЙСТВО ОТБОРА ВОЗДУХА В РОТОРЕ КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F04D29/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции ротора компрессора авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), в частности, к роторной системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора.

В известных системах отбора, расположенных между передним и задним дисками (рабочими колесами), одним из важных элементов является способ крепления труб отбора воздуха.

Известен ротор компрессора газотурбинного двигателя, в котором трубы отбора выполнены двойными с креплением к специальному фланцу по патенту US №5275534, также известен способ, где установка труб отбора осуществляется через отверстия, расположенные во фланцах переднего или заднего дисков по патентам RU 245840 и RU 2386864. Недостатком таких конструкций является сложность фланцевого соединения и наличие дополнительных 3D концентраторов напряжений, которые дают высокий уровень напряжений и низкую циклическую долговечность в отверстиях для установки труб, что ограничивает ресурс дисков.

Известны патенты US 2009282834, US 2008159861, в которых описано использование в системе отбора дополнительной детали, по крайней мере одного кольца под постановку труб отбора воздуха, расположенного между двумя дисками. Недостатками таких конструкций является низкая технологичность изготовления и избыточная масса.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению и принятым за прототип является ротор компрессора авиационного двигателя с использованием одного двухъярусного кольца под постановку труб отбора, по патенту RU 2728550, опубликован 31.07.2020.

Согласно прототипу, система отбора воздуха расположена между передним и задним рабочими колесами ротора компрессора и включает в себя одно двухъярусное кольцо с равномерно расположенными в окружном направлении отверстиями (в нижнем и верхнем ярусе), совмещенными по центру. Количество отверстий в каждом ярусе кольца совпадает с количеством труб отбора воздуха. Трубы отбора воздуха установлены в радиальном направлении в нижнее и верхнее отверстия кольца. В нижнем ярусе кольца для однозначной постановки труб отбора в конструкции предусмотрены сектора с плоскими площадками, для сопряжения которых используются бурты со стороны внутреннего диаметра кольца. В известной конструкции для перехода буртов к внутреннему диаметру кольца выполняются радиусы скругления. Из-за сложной конфигурации кольца и особенностей конструкции, радиусы скругления R не могут быть выполнены более, чем R1 (а фактически могут исполняться меньше, чем R1), без нарушения необходимой площади контакта между кольцом и трубками отбора. Радиусы перехода буртов к внутреннему диаметру кольца являются самой нагруженной зоной кольца, сложны в исполнении с технологической точки зрения, плохо поддается контролю при изготовлении.

Наличие в существующей конструкции буртов приводит к низкой циклической долговечности кольца в этих зонах и является недостатком известной конструкции, так как значительно ограничивают циклический ресурс кольца. Трубы отбора также имеют низкую циклическую долговечность в зонах перехода от полки к овальной заглушке в трубе и телу трубы из-за невозможности в существующей конструкции выполнить радиусы скругления, необходимые для снижения уровня напряжений в этих зонах.

Известная конструкция не обеспечивает достаточную надежность деталей конструкции системы отбора, в частности комплекта кольца с трубками отбора воздуха, из-за низких ресурсных характеристик кольца и труб требуется их периодическая замена на новый комплект, что в эксплуатации приведет к внеплановой отправке в ремонт ГТД.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается только при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является снижение работоспособности узла компрессора и ГТД, уменьшение межремонтного ресурса (ремонт двигателя с заменой кольца и труб отбора существующей конструкции потребуется раньше, чем предусмотрено для других деталей).

На преодоление данной проблемы направлено заявляемое изобретение. Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы ротора компрессора турбореактивного двигателя за счет улучшения его работоспособности и увеличения межремонтного периода.

Техническая проблема решается тем, что в устройстве отбора воздуха в роторе компрессора высокого давления, состоящем из труб отбора воздуха (1), установленных в радиальном направлении в кольцо, выполненных с выступами и с верхними и нижними скосами, кольцо расположено между передним рабочим колесом и задним рабочим колесом с пазами отбора, согласно изобретению, кольцо (2) выполнено фигурным «С-образным» с круглыми отверстиями (5) в наружном ярусе (6) и овальными отверстиями (7) во внутреннем ярусе (8), причем внутренний ярус выполнен секторами (9), которые соединяются между собой плавными переходами (10), а овальные отверстия вытянуты в окружном направлении с соотношением длины L отверстия к размеру Е, определяемому как расстояние от оси отверстия (5) наружного яруса (6) до ближайшей касательной (17), проведенной к скруглению овального отверстия, перпендикулярной длине L, равным 2,69…2,73, с соотношением длины L отверстия к ширине Н отверстия, равным 1,34…1,38, и соотношением ширины В внутренней площадки кольца к ширине Н отверстия, равным 1,7…1,8, где трубы отбора выполнены со скруглением (11) между полкой (12) диаметром D, овальной заглушкой (13) и скруглением (14) между овальной заглушкой и основным телом (15) трубы, при этом выполняется соотношение длины L₁ овальной заглушки к размеру E₁, определяемому как минимальное расстояние от оси отверстия до касательной (16), перпендикулярной длине L₁, проведенной к ближайшему скруглению овальной заглушки (13), равное 2,69…2,73, соотношение длины L₁ овальной заглушки к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,34…1,37, соотношение диаметра D круглой полки (12) к длине L₁ заглушки, равное 1,46…1,49 и соотношение скосов шириной S круглой полки (12) к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,62…1,66.

На фиг. 1 изображен продольный разрез ротора компрессора высокого давления турбореактивного двигателя в зоне отбора воздуха.

На фиг. 2 изображена труба отбора в разрезе.

На фиг. 3 изображен вид сверху трубы отбора воздуха.

На фиг. 4 изображен сектор кольца отбора воздуха.

На фиг. 5 изображен продольный разрез кольца отбора воздуха.

На фиг. 6 изображен вид снизу кольца отбора воздуха.

Таким образом, в роторе компрессора газотурбинного двигателя, для системы отбора воздуха предлагаемой конструкции, в каждом секторе кольца, располагаемого между передним рабочим колесом (3) и задним рабочим колесом (4), под постановку труб отбора (1) исключаются бурты со стороны внутреннего диаметра кольца (2) за счет вводимых скруглений (10) (радиусом 5…15 мм) между секторами (9) под постановку трубок отбора и асимметрии расположения овального отверстия (7) во внутреннем ярусе (8) относительно круглого отверстия (5) в наружном ярусе (6) до получения межосевого расстояния от оси верхнего отверстия до оси овального отверстия равного 1,5 мм для однозначности сборки. Асимметрия расположения на плоской площадке нижнего овального отверстия относительно верхнего круглого выполняется соотношением длины L к размеру Е, определяемому как расстояние от оси круглого отверстия наружного яруса до ближайшей касательной (17), проведенной к скруглению овального отверстия, перпендикулярно длине L, с соотношением L/E=2,69…2,73.

При этом овальное отверстие вытянуто в окружном направлении и обязательно выполнение соотношения L/H=l,34-1,38.

В случае, если L/H<1,34, форма отверстия стремится к окружности, возрастает уровень окружных напряжений, следовательно снижается циклическая долговечность.

В случае, если L/H>1,38, отверстие больше вытянуто в окружном направлении, возрастает уровень радиальных напряжений, снижая циклическую долговечность в отверстии.

При этом, ширина отверстия не должна превышать определенного значения, по отношению к ширине внутренней площадки кольца и удовлетворять условию В/Н=1,7-1,8.

В случае, если В/Н<1,7, ширина стенок уменьшается, контакт между поверхностями кольца и трубки уменьшается, следовательно, снижается циклическая долговечность.

В случае, если В/Н>1,8, отверстие больше вытянуто в окружном направлении, возрастает уровень радиальных напряжений на концах овального отверстия, снижается циклическая долговечность в отверстии.

В соответствии с предлагаемой конструкцией кольца в трубках отбора круглая полка (12) диаметром D со скосами шириной S выполняется через скругление (11) с овальной заглушкой (13) длиной L₁, шириной H₁, расположенной асимметрично относительно тела трубки (15) (для сборки с новой конструкцией). Переход между овальной заглушкой (13) и телом трубки выполнен скруглением (14). При этом сохраняется расстояние E₁ от оси отверстия до ближайшей касательной, перпендикулярной длине L₁. Сохраняются соотношение длины L₁ овальной заглушки (13) к расстоянию E₁ от оси тела трубки до ближайшей касательной (16), перпендикулярной длине L₁ овальной заглушки (13) и соотношение длины L₁ овальной заглушки (13) к ширине H₁ овальной заглушки (13), аналогичные значениям для отверстия фигурного кольца. При этом выполняется соотношение диаметра круглой полки D к длине заглушки L₁, равное 1,46…1,49 и соотношение ширины полки S к ширине Н овальной заглушки, равное 1,62…1,66.

В случае, если S/H₁>l,66, ширина свободных частей полки увеличивается, вплоть до радиуса D, следовательно, увеличивается масса трубки, что для авиационного двигателя нежелательно.

В случае, если S/H₁<l,62, ширина свободных частей полки уменьшается, вплоть до образования зазора между кольцом и трубкой в овальном отверстии, а также уменьшается контакт между поверхностями кольца и трубки, следовательно, снижается циклическая долговечность.

Это позволяет исключить из конструкции острый концентратор напряжений в виде буртов, снизить уровень нагруженности в критической зоне кольца (в предлагаемой конструкции - это овальное отверстие), и, следовательно, повысить надежность работы ротора компрессора в составе газотурбинного двигателя: увеличатся значения циклической долговечности для условий эксплуатации (по сравнению с существующей конструкцией) для кольца - более чем в 2,1 раза, для трубок отбора - более чем в 7,9 раза. В зонах скругления (10), заменяющих бурты кольца исходной конструкции, циклическая долговечность увеличивается в 7,6 раза.

Предлагаемое изобретение не нарушит эффективности работы системы отбора воздуха за счет одновременно вводимых изменений сборки кольца и трубок отбора новой конфигурации.

Устройство работает следующим образом. При работе двигателя воздух из тракта компрессора высокого давления отбирается через пазы (без позиции) в заднем рабочем колесе (4), проходит через трубы отбора воздуха (1) и далее под ступицами (без позиции) рабочих колес компрессора направляется в сторону турбины для ее охлаждения.

Компрессор высокого давления состоит из ротора и статора, в которых имеются системы отбора воздуха. Отборы воздуха через статор используются для нужд компрессора, отбор воздуха через ротор используется для охлаждения турбины высокого давления. Данное изобретение относится к системе отбора воздуха через ротор компрессора. При сборке устройства трубы отбора (1) в количестве 24 штук поочередно вставляются в «Сообразное» кольцо (2) через отверстия (7) таким образом, чтобы трубы отбора проходили через отверстия (5) наружного яруса (6), овальные заглушки (13) вставлялись в отверстия (7), а полки (12) упирались в сектора (9) внутреннего яруса (8). После этого полученная конструкция собирается с передним рабочим колесом (3) и задним рабочим колесом (4) с пазами отбора.

Конструкция предлагаемого к защите устройства ротора компрессора высокого давления по результатам успешных испытаний в составе опытного газогенератора внедрена в конструкцию базового компрессора высокого давления газотурбинного двигателя.

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить эффективность работы ротора компрессора высокого давления турбореактивного двигателя за счет улучшения его работоспособности и увеличения межремонтного периода.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции ротора компрессора авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), в частности к роторной системе отбора воздуха для охлаждения турбины из проточной части компрессора. Устройство состоит из труб отбора воздуха, установленных в радиальном направлении в кольцо, выполненных с выступами и с верхними и нижними скосами, кольцо расположено между передним рабочим колесом и задним рабочим колесом с пазами отбора. Кольцо выполнено фигурным «С-образным» с круглыми отверстиями в наружном ярусе и овальными отверстиями во внутреннем ярусе, причем внутренний ярус выполнен секторами, которые соединяются между собой плавными переходами, а овальные отверстия вытянуты в окружном направлении с соотношением длины L отверстия к размеру Е, равным 2,69…2,73, и соотношением длины L отверстия к ширине Н отверстия, равным 1,34…1,38, и соотношением ширины В внутренней площадки кольца к ширине Н отверстия, равным 1,7…1,8, где трубы отбора выполнены со скруглением между полкой диаметром D, овальной заглушкой и скруглением между овальной заглушкой и основным телом (15) трубы, при этом выполняется соотношение длины L₁ овальной заглушки к размеру E₁, равное 2,69…2,73, а соотношение длины L₁ овальной заглушки к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,34…1,37, а также соотношение диаметра D круглой полки к длине L₁ заглушки, равное 1,46…1,49, и соотношение скосов шириной S круглой полки к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,62…1,66. Изобретение позволяет повысить эффективность работы ротора компрессора высокого давления ГТД за счет улучшения его работоспособности и увеличения межремонтного периода. 6 ил.

Устройство отбора воздуха в роторе компрессора высокого давления, состоящее из труб отбора воздуха (1), установленных в радиальном направлении в кольцо, выполненных с выступами и с верхними и нижними скосами, кольцо расположено между передним рабочим колесом и задним рабочим колесом с пазами отбора, отличающееся тем, что кольцо (2) выполнено фигурным «С-образным» с круглыми отверстиями (5) в наружном ярусе (6) и овальными отверстиями (7) во внутреннем ярусе (8), причем внутренний ярус выполнен секторами (9), которые соединяются между собой плавными переходами (10), а овальные отверстия вытянуты в окружном направлении с соотношением длины L отверстия к размеру Е, определяемому как расстояние от оси отверстия (5) наружного яруса (6) до ближайшей касательной (17), проведенной к скруглению овального отверстия, перпендикулярной длине L, равным 2,69…2,73, и соотношением длины L отверстия к ширине Н отверстия, равным 1,34…1,38, и соотношением ширины В внутренней площадки кольца к ширине Н отверстия, равным 1,7…1,8, где трубы отбора выполнены со скруглением (11) между полкой (12) диаметром D, овальной заглушкой (13) и скруглением (14) между овальной заглушкой и основным телом (15) трубы, при этом выполняется соотношение длины L₁ овальной заглушки к размеру E₁, определяемому как минимальное расстояние от оси отверстия до касательной (16), перпендикулярной длине L₁, проведенной к ближайшему скруглению овальной заглушки (13), равное 2,69…2,73, а соотношение длины L₁ овальной заглушки к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,34…1,37, а также соотношение диаметра D круглой полки (12) к длине L₁ заглушки, равное 1,46…1,49, и соотношение скосов шириной S круглой полки (12) к ширине H₁ овальной заглушки, равное 1,62…1,66.