Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых полок. Тыльная полка выполнена с возможностью неразъемного соединения с проставкой, обращенной к диску следующей ступени. Для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска выполнены отверстия под крепежные элементы. Обод диска снабжен системой пазов для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с заявленной угловой частотой и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Полотно снабжено коническим кольцевым элементом, выполненным с углом наклона образующей к геометрической оси диска. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса третьей ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.

Известен диск третьей ступени ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. На ободе диска выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (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. 249-259).

К недостаткам известных решений относится отсутствие 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 диска третьей ступени ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации 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 диска.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса третьей ступени 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 третьей ступени, подачи воздушного потока в последующие ступени КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода, тыльная из которых выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой, обращенной к диску следующей ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад], причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримом с проекцией ширины корневого сечения пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью лопатки, снабжен системой пазов для крепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)° [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,7÷11,5) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того, полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

При этом обод диска может быть выполнен выходящим в проточную часть и образующим третью ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового соединения диска третьей ступени для передачи крутящего момента от ТНД, радиальных и осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора через цилиндрические проставки, при этом проставки снабжены со стороны, выходящей в проточную часть, кольцевыми гребневыми элементами лабиринтного уплотнения, выполненными с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения с цилиндрической проставкой.

Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост» и снабжено кольцевой проточкой с возможностью заведения в него разрезного кольца для фиксации лопаток.

Радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна может составлять (0,49÷0,75) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен диск третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент диска третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска третьей ступени вала ротора КНД, вид сбоку.

Турбореактивный двигатель выполнен с корпусом 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора (на чертежах не показано). Вал выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления.

Диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в кольцевое полотно 5, усиленное ступицей 6. Ступица 6 снабжена центральным отверстием 7.

Обод 4 диска соединен с полотном 5 с образованием разноплечих кольцевых конических полок 8, 9 обода 4. Тыльная полка 9 обода 4 выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой (на чертежах не показано), обращенной к диску следующей ступени. Для разъемного соединения через цилиндрическую проставку (на чертежах не показано) с диском предшествующей ступени в полотне 5 диска под ободом 4 выполнены отверстия 10 под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад].

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримом с проекцией ширины корневого сечения пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью лопатки, снабжен системой пазов 11 для крепления лопаток. Продольная ось каждого паза 11 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)°. Пазы 11 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,7÷11,5) [ед/рад]. Пазы 11 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 12, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Полотно 5 диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом 13 для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора (на чертежах не показано). Конический элемент 13 выполнен с наклоном образующей к оси 14 вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть и образующим третью ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового соединения диска третьей ступени для передачи крутящего момента от ТНД, радиальных и осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора через цилиндрические проставки. Внешняя поверхность 15 обода 4 образует соответствующий осевой участок силовой оболочки вала. Проставки снабжены со стороны, выходящей в проточную часть кольцевыми гребневыми элементами лабиринтного уплотнения, выполненными с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора.

Тыльная полка 9 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения с цилиндрической проставкой. Тыльная полка 9 обода диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного присоединения цилиндрической проставки посредством электронно-лучевой сварки.

Замковое соединение пазов 11 обода 4 диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост» и снабжено кольцевой проточкой (на чертежах не показано) с возможностью заведения в него разрезного кольца для фиксации лопаток.

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до внешней поверхности 15 обода в условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,1 раза большим радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного вращения системы «диск-лопатка».

Внутренняя поверхность проточной части двигателя в зоне расположения диска образована участками внешней поверхности 15 обода 4 диска между пазами 11 для установки лопаток.

Радиус центрального отверстия ступицы не менее чем на 10% превышает радиус упомянутой шлицевой трубы. Радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,49÷0,75) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Диск третьей ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 150 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 5°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 11 для крепления лопаток в количестве 57 штук. Пазы 11 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 16 мм; угол оси паза относительно оси вращения ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вращения ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза составляет 22°.

При запуске турбореактивного двигателя диск третьей ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 13 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса третьей ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 8 и 9, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 6 не менее чем на 10% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Функциональное назначение диска третьей ступени - обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса, достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R_д от оси ротора до внешней поверхности 15 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,49÷0,75) от радиуса R_п.к. периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.к.)<0,49 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой остальных ступеней и как следствие к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/R_п.к.)>0,75 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне третьей ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска. Кроме того, при таком ассиметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 8 и 9 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска фронтальная полка 8 и участок тыльной полки 9 обода 4 диска. Дополнительное уширение тыльной полки 9 обода 4 диска относительно ширины фронтальной полки 8 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора третьей ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 11 для закрепления лопаток. Пазы 11 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (19÷28)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса третьей ступени ротора КНД, и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона (19÷28)° приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 11 диска лопаток рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α₀>28° отклонения оси паза 11 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск - лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Кроме того, пазы 11 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,7÷11,5) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 11, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 11 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 11 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<6,7 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y_п>11,5 [ед/рад] и соответствующее увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске третьей ступени, приводят к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 5 снабжено коническим кольцевым элементом 13, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим не менее 35°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 5 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<35° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров диска рабочего колеса третьей ступени достигают повышение КПД и увеличение запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса третьей ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.

1. Диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода, тыльная из которых выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой, обращенной к диску следующей ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад], причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримом с проекцией ширины корневого сечения пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью лопатки, снабжен системой пазов для крепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)° [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,7÷11,5) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того, полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

2. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что обод диска выполнен выходящим в проточную часть и образующим третью ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового соединения диска третьей ступени для передачи крутящего момента от ТНД, радиальных и осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора через цилиндрические проставки, при этом проставки снабжены со стороны, выходящей в проточную часть, кольцевыми гребневыми элементами лабиринтного уплотнения, выполненными с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора.

3. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения с цилиндрической проставкой.

4. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост» и снабжено кольцевой проточкой с возможностью заведения в него разрезного кольца для фиксации лопаток.

5. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,49÷0,75) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.