Ротор многоступенчатого компрессора газотурбинного двигателя, многоступенчатый роторный компрессор газотурбинного двигателя, двухпоточное рабочее колесо газотурбинного двигателя и способ изготовления ротора компрессора для газотурбинного двигателя
Настоящее изобретение относится к компрессорам, в частности к многоступенчатому ротору компрессора для газотурбинного двигателя. Ротор (10) многоступенчатого компрессора для газотурбинного двигателя содержит осевую часть (12) ротора, за которой следует центробежная часть (14) ротора. Осевая часть (12) ротора и центробежная (14) часть ротора скреплены друг с другом диффузионным соединением, образуя единое двухпоточное рабочее колесо, имеющее лопатки (22, 36), причем секции осевой ступени и центробежной ступени переходят одна в другую без разрывов. Благодаря исключению зазора между ступенью с осевым потоком и центробежной ступенью, предотвращаются беспорядочные отклонения воздушного потока между последовательно расположенными рядами лопаток, в результате чего аэродинамические характеристики ротора (10) компрессора улучшаются. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к компрессорам, в частности к многоступенчатому ротору компрессора для газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Известны многоступенчатые компрессоры, содержащие последовательно расположенные ступень с осевым потоком и центробежную ступень. Такие многоступенчатые компрессоры обычно содержат осевой ротор (с осевым потоком) и центробежный ротор или рабочее колесо, соответствующие дискообразные части которых скреплены друг с другом посредством болтов либо иным подобным способом. Осевой ротор и центробежный ротор изготавливаются отдельно и затем соединяются друг с другом с наличием осевого зазора между соответствующими рядами (решетками) разнесенных по окружности лопаток. При изготовлении осевого ротора и центробежного ротора широко используется ковка, а осевой зазор между соответствующими рядами лопаток этих роторов может привести к беспорядочному отклонению потока воздуха при переходе от одной ступени к другой и, таким образом, негативно повлиять на общие аэродинамические рабочие характеристики многоступенчатого компрессора.
Поэтому существует потребность в создании нового ротора многоступенчатого компрессора, требующего меньшего использования кузнечных операций в процессе изготовления и в то же время имеющего улучшенные аэродинамические характеристики.
Сущность изобретения
В соответствии с изложенным задачей настоящего изобретения является создание нового ротора многоступенчатого компрессора с улучшенными аэродинамическими характеристиками.
Задачей настоящего изобретения также является расширение возможностей в части увеличения размеров ротора компрессора.
Другой задачей настоящего изобретения является создание ротора многоступенчатого компрессора, конструкция которого обладает сравнительно небольшим весом.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание многоступенчатого компрессора, простого и дешевого в изготовлении.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается встроенный ротор многоступенчатого компрессора газотурбинного двигателя, содержащий последовательно установленные осевую часть ротора и центробежную часть ротора, причем упомянутые части ротора имеют соответственно совмещенные ряды лопаток, которые соединены друг с другом в виде единого целого с образованием единого ряда лопаток объединенных секциями осевой и центробежной ступеней.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения каждая лопатка осевой части ротора соединена своей задней кромкой с передней кромкой соответствующей лопатки центробежной части ротора. Осевая и центробежные части ротора имеют, соответственно, заднюю и переднюю концевые соединяемые взаимодополняющие (комплементарные) поверхности, снабженные отходящими в радиальном направлении соединяемыми стенками, образованными задними и передними кромками лопаток осевой и центробежной частей ротора, соответственно.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор содержит полость, образованную на стыке осевой и центробежной частей ротора. Полость имеет сплошную кольцевую форму и образована двумя вырезами, один из которых выполнен в задней концевой соединяемой поверхности осевой части ротора, а второй, выполненный дополняющим первый вырез (комплементарным первому вырезу), - в передней концевой соединяемой поверхности центробежной части ротора.
В соответствии с еще одним общим аспектом настоящего изобретения предложен многоступенчатый роторный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий последовательно установленные осевой ротор и центробежный ротор, имеющие соответствующие ряды разнесенных по окружности лопаток, причем каждая лопатка упомянутого центробежного ротора соединена в виде единого целого с соответствующей лопаткой упомянутого осевого ротора с образованием ряда лопаток объединенных секциями осевой и центробежной ступеней.
В соответствии с другим общим аспектом настоящего изобретения предложено двухпоточное рабочее колесо газотурбинного двигателя, содержащее дискообразную часть, имеющую переднюю и заднюю секции, соединенные друг с другом, и ряд разнесенных по окружности лопаток, образованных в упомянутых передней и задней секциях, причем каждая упомянутая лопатка имеет непрерывную профильную часть, включающую в себя секцию входной осевой ступени, соединенную с образованием единого целого с секцией центробежной ступени. В предпочтительном варианте выполнения изобретения упомянутые передняя и задняя секции имеют взаимодополняющие вырезы, выполненные на их соединяемых поверхностях и образующие совместно в упомянутом дискообразном элементе полость кольцевой формы.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления ротора компрессора для газотурбинного двигателя из первой и второй секций ротора, каждая из которых имеет ряд отходящих от нее лопаток, причем упомянутые первую и вторую секции ротора плотно соединяют с образованием объединенной единой детали и при этом плотно соединяют лопатки первой секции ротора с соответствующими лопатками второй секции ротора, а затем придают единой детали окончательную форму и получают составной ротор с объединенными лопатками.
В предпочтительных вариантах осуществления способа в упомянутой первой секции ротора формируют упомянутый первый ряд лопаток, соответствующий по числу лопаток и их расположению второму ряду лопаток, который формируют в упомянутой второй секции ротора, и упирают лопатки упомянутых первого и второго рядов друг в друга при стыковке упомянутых первого и второго ротора перед их объединением. Первая и вторая секции ротора плотно соединяют посредством горячего изостатического прессования. В другом осуществлении способа первую и вторую секции ротора изготавливают по отдельности посредством кузнечной обработки.
Окончательную форму единой детали придают посредством ее механической обработки. В еще одном осуществлении способа первую и вторую секции ротора изготавливают из разных материалов.
Задние кромки лопаток упомянутого первого ряда лопаток плотно соединяют с передними кромками лопаток упомянутого второго ряда лопаток.
При изготовлении первой и второй секций ротора образуют два выреза, один вырез - в задней поверхности упомянутой первой секции ротора и второй, дополняющий первый вырез, - в упомянутой второй секции ротора, а при осуществлении плотного соединения упомянутых первой и второй секций ротора совмещают упомянутые первый и второй вырезы с образованием закрытой полости после соединения первой и второй секций ротора.
Перечень чертежей и иных материалов
На прилагаемом чертеже представлен вид частичного продольного сечения одной половины ротора многоступенчатого компрессора, в котором осевой ротор и центробежный ротор скреплены диффузионным соединением в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Далее со ссылкой на чертеж будет описан ротор 10 многоступенчатого компрессора, предназначенного для использования в газотурбинном двигателе. Ротор 10 многоступенчатого компрессора в общем содержит осевой ротор 12 (осевую часть, или первую секцию ротора, направляющую поток в осевом направлении), за которым установлен центробежный ротор 14 (центробежная часть, или вторая секция ротора, направляющая поток в радиальном направлении). Осевой ротор 12 образует первую ступень сжатия, в то время как центробежный ротор 14 образует вторую ступень сжатия для дальнейшего сжатия воздуха, поступающего из первой ступени сжатия. Как будет пояснено ниже, осевой ротор 12 и центробежный ротор 14 плотно соединены или объединены посредством диффузионного соединения, образуя единое двухпоточное рабочее колесо, как это изображено на чертеже.
Осевой ротор 12 содержит дискообразный кольцевой корпус 16, приспособленный для установки на вал и вращения вместе с ним. Дискообразный кольцевой корпус 16 имеет переднюю, или входную, концевую поверхность 18 и противоположную заднюю концевую поверхность 20. Лопатки 22, ряд которых разнесен по окружности (только одна показана на чертеже), расходятся в радиальном направлении наружу от дискообразного кольцевого корпуса 16. Каждая лопатка 22 имеет концевую кромку 24, проходящую между передней кромкой 26 и задней кромкой 28.
Центробежный ротор 14 содержит дискообразный кольцевой корпус 30, приспособленный для установки на тот же вал, что и дисковый кольцевой корпус 16, для совместного с ним вращения. У дискообразного кольцевого корпуса 30 имеется передняя концевая поверхность 32 и противоположная задняя концевая поверхность 34. От дискообразного кольцевого корпуса 30 в радиальном направлении наружу расходятся лопатки 36 (на чертеже показана только одна), ряд которых разнесен по окружности и число которых равно числу лопаток 22 осевого компрессора. Каждая лопатка 36 имеет скругленную концевую кромку 38, проходящую между передней кромкой 40 и выходной кромкой 42.
Задняя концевая поверхность 20 осевого ротора 12 и передняя концевая поверхность 32 центробежного ротора 14 представляют собой, соответственно, заднюю и переднюю концевые соединяемые комплементарные поверхности, снабженные отходящими в радиальном направлении соединяемыми стенками, образованными задними 28 и передними кромками 40 лопаток осевого и центробежного ротора соответственно. Как показано на чертеже, передняя концевая поверхность 32 центробежного ротора 14 соединена с задней концевой поверхностью 20 осевого ротора 12, причем передняя кромка 40 каждой лопатки 36 центробежного компрессора соединена с задней кромкой 28 соответствующей лопатки 22 осевого компрессора. Это может быть выполнено посредством изостатического прижатия (прессования) осевого ротора 12 к центробежному ротору 14 при высокой температуре, благодаря чему достигается диффузионное соединение по линии раздела (стыка), определяемой соединяемой поверхностью, образуемой задними кромками 28 лопаток 22 и задней концевой поверхностью 20 осевого ротора 12, и комплементарной соединяемой поверхностью, образуемой передними кромками 40 лопаток 36 и передней концевой поверхностью 32 центробежного ротора 14.
При таком соединении лопаток 22 с лопатками 36, устраняется имеющийся обычно зазор между двумя ступенями лопаток, в результате чего предотвращается хаотическое отклонение воздуха при переходе потока воздуха от одной ступени к другой. Преимуществом этого является улучшение общих аэродинамических характеристик ротора 10 многоступенчатого компрессора по сравнению с обычным ротором многоступенчатого компрессора. Улучшение аэродинамических характеристик также приводит к снижению вибраций и уровня шума, создаваемых ротором 10 многоступенчатого компрессора в процессе работы.
Как показано на чертеже, при объединении осевого ротора 12 с центробежным ротором 14, в роторе 10 многоступенчатого компрессора, на стыке этих частей, образуется полость 44, имеющая сплошную кольцевую форму. Полость 44 образуется двумя комплементарными вырезами (углублениями) 46 и 48, имеющими кольцевую форму и сформированными соответственно в задней поверхности 20 осевого ротора 12 и передней поверхности 32 центробежного ротора 14 (т.е. соответственно в упомянутых задней и передней концевых соединяемых поверхностях). Наличие полости 44 способствует снижению веса ротора 10 многоступенчатого компрессора и, тем самым, его инерции и, соответственно, повышению запаса по работоспособности ротора 10 компрессора. Наличие полости 44 также способствует снижению напряжений в области центрального отверстия 52 ротора 10 многоступенчатого компрессора. Наконец, наличие полости 44 способствует выполнению диффузионного соединения и улучшает его результаты. В самом деле, в отсутствие полости 44 размер области соединения будет больше, осуществление соединения будет более дорогим и потребует существенного усложнения технологии. Создание такой полости было бы невозможно, если ротор 10 компрессора изготавливался бы из цельного куска материала. Для изготовления ротора 10 многоступенчатого компрессора сначала изготавливаются две заготовки первой и второй секций ротора, т.е. кованые заготовки осевого ротора 12 и центробежного ротора 14 с начерно отформованными лопатками 22 и 36. Причем при изготовлении первой и второй секций ротора образуют два выреза, один вырез - в задней поверхности первой секции ротора и второй, комплементарно первому вырезу, - во второй секции ротора. Затем осуществляют плотное соединение первой и второй секций ротора, при котором совмещают первый и второй вырезы с образованием закрытой полости после соединения первой и второй секций ротора, для чего две заготовки плотно сжимаются под действием изостатического давления при высокой температуре, в результате чего из двух частей получается объединенная единая деталь. При этом упирают в друг друга и плотно соединяют лопатки первой секции ротора с соответствующими лопатками второй секции ротора. После операции горячего изостатического прессования, полученная кованая заготовка подвергается механической обработке до достижения окончательной формы, т.е. получения составного ротора многоступенчатого компрессора с объединенными лопатками, показанного на чертеже.
Благодаря предварительно выполняемой операции соединения кольцевых дисковых корпусов 16 и 30, снижается объем кузнечных операций для получения окончательной формы по сравнению с обычным многоступенчатым компрессором, состоящим из роторов отдельных ступеней компрессора. Это связано с тем, что каждый отдельный кольцевой диск 16, 30 имеет толщину меньше, чем единое рабочее колесо, имеющее размеры, сходные с размерами собранного ротора 10 компрессора. Поэтому кольцевые диски 16 и 30 могут быть более просто откованы по отдельности, после чего их плотно соединяют друг с другом. Вследствие этого многоступенчатому компрессору присущи лучшие механические свойства, и, следовательно, более высокая достижимая скорость и увеличенная тяга. Более того, сокращение объема кузнечных операций, необходимых для изготовления (формования) горячей секции ротора 10 многоступенчатого компрессора, то есть центробежного ротора 14, повышает возможности увеличения размеров ротора 10 многоступенчатого компрессора, которые обычно ограничены размерами горячей секции ротора, формуемой посредством ковки. Более того, сокращение объема кузнечных операций, необходимых для формования ротора 10 многоступенчатого компрессора, способствует снижению производственных затрат.
Кроме этого, продолжительность механической обработки, необходимой для изготовления ротора 10 многоступенчатого компрессора, меньше, чем обычно необходимое время механической обработки для изготовления обычного ротора многоступенчатого компрессора, в котором осевой компрессор и центробежный компрессор представляют собой раздельные узлы. И, наконец, благодаря соединению в единое целое осевого ротора 12 с центробежным ротором 14, требуется меньше компонентов, в результате чего сокращается стоимость изготовления ротора 10 многоступенчатого компрессора и, в то же время, улучшаются его показатели надежности.
Преимуществом соединения двух частей в единое целое является возможность использования при этом двух различных материалов. Соответственно, менее дорогой материал может быть использован для осевого ротора 12, где воздействие высоких температур меньше сказывается.
В качестве дополнительного средства для скрепления осевого ротора 12 и центробежного ротора 14 могут использоваться болты (не показаны). В этом случае основным назначением соединения осевого ротора 12 с центробежным ротором 14 является обеспечение окончательной механической обработки лопаток 22 и 36. Кроме технологического назначения, соединение может играть важную роль в конструкции для удержания осевого ротора 12 и центробежного ротора 14 в плотно скрепленном состоянии.
В процессе работы, поступающий воздух, направляемый кожухом (не показан), окружающим ротор 10 многоступенчатого компрессора, сначала попадает на переднюю кромку 26 лопаток 22 первого ряда, как показано стрелкой 50. Воздух далее проходит от лопаток 22 прямо на лопатки 36 второго ряда вдоль непрерывной поверхности, образуемой лопатками первой и второй ступени, благодаря чему предотвращается беспорядочное отклонение воздуха между ступенями. Наконец, воздух выбрасывается на выходных концах 42 лопаток 36.
В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения, дисковые корпуса 20 и 30 соединяются друг с другом до того, как на них были предварительно отформованы лопатки. Затем, после того как корпуса дисков соединены друг с другом, в соединенных дисках 20 и 30 механической обработкой вырезаются лопатки, образующие ряд разнесенных по окружности лопаток, осевая и центробежная секции (части) которых не имеют между собой разрывов.
1. Встроенный ротор многоступенчатого компрессора газотурбинного двигателя, содержащий последовательно установленные осевую часть ротора и центробежную часть ротора, отличающийся тем, что упомянутые части ротора имеют соответственно совмещенные ряды лопаток, которые соединены друг с другом в виде единого целого с образованием единого ряда лопаток, объединенных секциями осевой и центробежной ступеней.
2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что каждая упомянутая лопатка осевой части ротора соединена своей задней кромкой с передней кромкой соответствующей лопатки упомянутой центробежной части ротора.
3. Ротор по п.2, отличающийся тем, что упомянутые осевая и центробежные части ротора имеют соответственно заднюю и переднюю концевые соединяемые комплементарные поверхности, снабженные отходящими в радиальном направлении соединяемыми стенками, образованными упомянутыми задними и передними кромками лопаток осевой и центробежной частей ротора, соответственно.
4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что он содержит полость, образованную на стыке упомянутых осевой и центробежной частей ротора.
5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что упомянутая полость образована двумя вырезами, один из которых выполнен в задней концевой соединяемой поверхности упомянутой осевой части ротора, а второй, выполненный комплементарным первому вырезу, - в передней концевой соединяемой поверхности упомянутой центробежной части ротора.
6. Ротор по п.5, отличающийся тем, что упомянутая полость имеет сплошную кольцевую форму.
7. Многоступенчатый роторный компрессор газотурбинного двигателя, содержащий последовательно установленные осевой ротор и центробежный ротор, имеющие соответствующие ряды разнесенных по окружности лопаток, отличающийся тем, что каждая лопатка упомянутого центробежного ротора соединена в виде единого целого с соответствующей лопаткой упомянутого осевого ротора с образованием ряда лопаток, объединенных секциями осевой и центробежной ступеней.
8. Компрессор по п.7, отличающийся тем, что каждая упомянутая лопатка осевого ротора соединена своей задней кромкой с передней кромкой соответствующей лопатки упомянутого центробежного ротора.
9. Компрессор по п.7, отличающийся тем, что упомянутые осевой ротор и центробежный ротор имеют соответственно заднюю и переднюю концевые соединяемые комплементарные поверхности, снабженные отходящими в радиальном направлении соединяемыми стенками, образованными упомянутыми задними и передними кромками лопаток осевого и центробежного роторов соответственно.
10. Компрессор по п.7, отличающийся тем что он содержит полость, образованную на стыке упомянутых осевого ротора и центробежного ротора.
11. Компрессор по п.10, отличающийся тем, что упомянутая полость образована двумя вырезами, один из которых выполнен в задней концевой соединяемой поверхности упомянутого осевого ротора, а второй, выполненный комплементарным первому вырезу, - в передней концевой соединяемой поверхности упомянутого центробежного ротора.
12. Двухпоточное рабочее колесо газотурбинного двигателя, содержащее дискообразную часть, имеющую переднюю и заднюю секции, соединенные друг с другом, и ряд разнесенных по окружности лопаток, образованных в упомянутых передней и задней секциях, отличающееся тем, что каждая упомянутая лопатка имеет непрерывную профильную часть, включающую в себя секцию входной осевой ступени, соединенную с образованием единого целого с секцией центробежной ступени.
13. Рабочее колесо по п.12, отличающееся тем, что упомянутые передняя и задняя секции имеют комплементарные вырезы, выполненные на их соединяемых поверхностях и образующие совместно в упомянутом дискообразном элементе полость кольцевой формы.
14. Способ изготовления ротора компрессора для газотурбинного двигателя из первой и второй секций ротора, каждая из которых имеет ряд отходящих от нее лопаток, отличающийся тем, что упомянутые первую и вторую секции ротора плотно соединяют с образованием объединенной единой детали и при этом плотно соединяют лопатки первой секции ротора с соответствующими лопатками второй секции ротора, а затем придают единой детали окончательную форму и получают составной ротор с объединенными лопатками.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что в упомянутой первой секции ротора формируют упомянутый первый ряд лопаток, соответствующий по числу лопаток и их расположению второму ряд лопаток, который формируют в упомянутой второй секции ротора, и упирают лопатки упомянутых первого и второго рядов друг в друга при стыковке упомянутых первого и второго ротора перед их объединением.
16. Способ по п.14, отличающийся тем, что первую и вторую секции ротора плотно соединяют посредством горячего изостатического прессования.
17. Способ по п.14, отличающийся тем, что первую и вторую секции ротора изготавливают по отдельности посредством кузнечной обработки.
18. Способ по п.14, отличающийся тем, что придают окончательную форму единой детали посредством ее механической обработки.
19. Способ по п.14, отличающийся тем, что первую и вторую секции ротора изготавливают из разных материалов.
20. Способ по п.14, отличающийся тем, что задние кромки лопаток упомянутого первого ряда лопаток плотно соединяют с передними кромками лопаток упомянутого второго ряда лопаток.
21. Способ по п.14, отличающийся тем, что при изготовлении первой и второй секции ротора образуют два выреза, один вырез - в задней поверхности упомянутой первой секции ротора и второй - комплементарно первому вырезу в упомянутой второй секции ротора, а при осуществлении плотного соединения упомянутых первой и второй секций ротора совмещают упомянутые первый и второй вырезы с образованием закрытой полости после соединения первой и второй секций ротора.
