Результат интеллектуальной деятельности: ДИСК ВТОРОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

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

Известен диск 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 второй 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 относятся 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 второй 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 диска.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса второй 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 второй 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 второй 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, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, фронтальная из которых превышает ширину тыльной не менее чем в 1,07 раза, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора, причем внешняя поверхность обода выполнена образующей соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим (10÷20)°, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В_об - осевая ширина обода; причем обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, системой пазов для хвостовиков 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=(21÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

При этом замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».

Радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна может составлять (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Тыльная полка обода диска может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой, снабженной элементами лабиринтного уплотнения и выполненной с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец, предпочтительно, снабженный системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения с полотном диска последующей ступени вала ротора.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса второй 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 второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй 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 второй 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, радиус которого не менее чем на 25% превышает радиус шлицевой трубы 3.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 8, 9. Фронтальная полка 8 превышает ширину тыльной полки 9 не менее чем в 1,07 раза.

Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 и образующим вторую ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени (на чертежах не показано) для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора. Внешняя поверхность 10 обода 4 диска образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Обод 4 диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности 10 обода 4 относительно оси 11 вала, составляющим (10÷20)°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части 2, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 10 обода 4 диска, В_об - осевая ширина обода 4.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2 корпуса 1 двигателя, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера рабочей лопатки на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера рабочей лопатки, снабжен системой пазов 12 для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза 12 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=(21÷28)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад]. Пазы 12 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 13, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки. Замковое соединение пазов 12 обода 4 диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

Радиус диска от оси 11 до внешней поверхности 10 обода 4 в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части 2 двигателя.

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 10 обода 4 в осевой продольной плоскости пера лопатки с условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,15 раза меньшим аналогичной радиальной величины рабочей лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части 2 корпуса 1 двигателя с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части 2 с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного рабочего вращения системы «диск-лопатка».

Внутренняя поверхность проточной части 2 корпуса 1 двигателя в зоне расположения диска образована участками внешней поверхности 10 обода 4 диска между пазами 12 для установки лопаток.

Тыльная полка 9 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием (на чертежах не показано) для установки фиксатора хвостовика лопатки. Тыльная полка 9 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой 14. Проставка 14 снабжена элементами 15 лабиринтного уплотнения и выполнена с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец 16, предпочтительно, снабженный системой отверстий 17 для пропуска элементов разъемного соединения с полотном присоединяемого диска последующей ступени вала ротора. Тыльная полка 9 обода 4 диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного присоединения к ней цилиндрической проставки 14 посредством электронно-лучевой сварки.

Диск второй ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно 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 - 30 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 157 мм; средняя толщина полотна - 6 мм; ширина обода - 50 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 464 мм и 491 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 15°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 45 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 18 мм; угол оси паза относительно оси вращения ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через ось вращения ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза, составляет 24°.

При запуске турбореактивного двигателя диск второй 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.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса второй 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 25% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 4 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона (0,23÷0,33) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части второй ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. 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 тыльная полка 9 и участок фронтальной полки 8 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение фронтальной полки 8 обода 4 диска не менее чем в 1,07 раза относительно ширины тыльной полки 9 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора второй 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 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (21÷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 второй 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 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 12 диска лопаток рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α₀>28° отклонения оси паза 12 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 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 13, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 12 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 12 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<5,882 [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>7,962 [ед/рад] и соответствующее увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

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