Высоконагруженный диск турбины или компрессора

Изобретение относится к высоконагруженным дискам турбин или компрессоров, применяемых в авиационных и наземных газотурбинных двигателях. Высоконагруженный диск турбины или компрессора содержит ступицу с замкнутой полостью. Замкнутая полость в ступице является незаполненной и выполнена тороидальной, с образующей тора в форме замкнутой плоской кривой - эллипса, с большой и малой осями. Большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, а соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6. Изобретение позволяет снизить напряженность и повысить циклическую долговечность высоконагруженного диска турбины или компрессора. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к высоконагруженным дискам турбин или компрессоров, применяемых в авиационных и наземных газотурбинных двигателях.

Известен диск турбины или компрессора, выполненный с замкнутой полостью, принятый за прототип (Патент ЕР №1739282, МПК C22C 47/14, опубл. 03.01.2007).

Недостатком известной конструкции ЕР 1739282 является необходимость заполнения полости, расположенной в ступице, композитными кольцами. При этом прочность диска возрастает за счет переноса части нагрузки на композитные кольца, однако различие коэффициентов теплового расширения разных материалов может вызвать дополнительные тепловые напряжения в конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение циклической долговечности высоконагруженного диска турбины или компрессора путем снижения напряженности ступицы диска.

Техническая задача решается за счет того, что высоконагруженный диск турбины или компрессора, содержащий ступицу с замкнутой полостью, причем замкнутая полость в ступице является незаполненной и выполнена тороидальной, с образующей тора в форме замкнутой плоской кривой -эллипса с большой и малой осями, согласно изобретению, большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, а соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6.

В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6, что обеспечивает снижение напряженности в ступице диска.

Эффективность перераспределения нагрузки и снижения напряженности диска достигается за счет подбора положения полости, ее размеров и формы: за счет выбора положения и размера полости снижается напряженность на цилиндрической поверхности ступицы, а за счет выбора формы полости снижается концентрация напряжений на границах самой полости.

На фиг. 1 показано меридиональное сечение традиционного диска 1 турбины или компрессора с цельной ступицей 2.

На фиг. 2, 3 показано меридиональное сечение диска 1 турбины или компрессора, в ступице 2 которого размещена замкнутая полость 3 в форме эллипса в поперечном сечении.

На фиг. 1-3 показаны геометрические параметры диска и полости:

R - наружный радиус диска;

R₁ - радиус центрального отверстия в ступице диска;

Н - осевой размер ступицы диска;

h, h' - центральная, наиболее нагруженная часть ступицы (h'>h);

3 - замкнутая полость;

А - малая ось эллипса в сечении полости;

В - большая ось эллипса в сечении полости;

r₁, r₂ - характеристики формы полости;

L - размер, определяющий осевое положение полости;

R₂ - размер, определяющий радиальное положение полости.

Высоконагруженный диск 1 турбины или компрессора характеризуется тем, что осевой размер Н ступицы 2 оказывается достаточно большим в сравнении с радиусом диска R. Увеличение размера Н связано с необходимостью обеспечения несущей способности диска в условиях высоких нагрузок. Однако увеличение размера Н приводит к неравномерному нагружению ступицы 2 диска 1: средняя часть h ступицы 2 оказывается более напряженной, чем края ступицы, поскольку именно в эту зону h передается основная нагрузка от полотна и обода диска. Размещение внутри ступицы 2 замкнутой полости 3 (фиг. 2) позволяет разделить передачу усилий от обода и полотна диска 1 на два потока меньшей интенсивности и распределить это усилие на большую зону h' (фиг. 2). В результате нагруженной оказывается большая часть поверхности ступицы 2 (h'>h), но величина напряжений оказывается меньше, что позволяет повысить циклическую долговечность диска.

Наряду со снижением напряжений в ступице диска возникает концентрация напряжений вблизи поверхности самой полости. Для того чтобы эффект снижения напряжений в ступице преобладал над эффектом концентрации напряжений на границах полости, необходимо подобрать положение и размеры полости.

В тех случаях, когда размер Н диска достаточно мал, что характерно для малонагруженных дисков, эффект концентрации напряжений на границах полости будет преобладать над снижением напряжений в ступице и введение полости в конструкцию диска не даст повышения его циклической долговечности.

В поперечном сечении полость выполнена в форме эллипса с соотношением большой и малой осей эллипса 1,3…1,6, причем большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска.

Для высоконагруженного диска, представленного на фиг. 1-2, приведены сравнительные результаты расчета напряжений и циклической долговечности в отсутствие и при наличии полости (таблица 1). В данном случае оптимальное соотношение размеров полости составляет B/A=1,3. При введении полости циклическая долговечность диска увеличилась на 25%.

Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет снизить напряженность и повысить циклическую долговечность высоконагруженного диска турбины или компрессора.

Высоконагруженный диск турбины или компрессора, содержащий ступицу с замкнутой полостью, причем замкнутая полость в ступице является незаполненной и выполнена тороидальной, с образующей тора в форме замкнутой плоской кривой - эллипса, с большой и малой осями, отличающийся тем, что большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, а соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6.