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

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.