Результат интеллектуальной деятельности: РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ВТОРОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 C1, опубл. 10.02.2006).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 C1, опубл. 27.02.2013).

Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (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. 257-263).

К недостаткам известных решений относятся непроработанность 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 рабочего колеса 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.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке 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 в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению содержит диск и лопаточный венец, при этом диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, а лопатки содержат каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_п уменьшения толщины в указанном направлении, равным

,

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, кроме того, пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой , и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, кроме того, входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_у.х. увеличения соединяющей их хорды, равным

,

где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; H_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом пазы в ободе диска могут быть выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна может быть выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки снабжена элементами лабиринтного уплотнения и выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Перо лопатки может быть выполнено переменным по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

,

где C_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; C_п - то же, периферийного сечения; H_ср - средняя высота пера лопатки;

Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, с контактными торцами, которые выполнены под углом (26÷32)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению, содержит диск и лопаточный венец, число лопаток в котором принято от 34 до 48 лопаток, при этом диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, а лопатки содержат каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°, кроме того, пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, а перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ_к=(68,8÷74,8)°, кроме того, лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси вала ротора с градиентом G_у.п, имеющем значения в диапазоне

,

где γ_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ_п - то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом пазы в ободе диска выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна может быть выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки снабжена элементами лабиринтного уплотнения и выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_у.х. увеличения соединяющей их хорды, равным

,

где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; H_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

,

где C_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; C_п - то же, периферийного сечения; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, с контактными торцами, которые выполнены под углом (26÷32)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса второй ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображено рабочее колесо второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса второй ступени, поперечный разрез;

на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса второй ступени, вид сверху;

на фиг. 5 - паз обода диска первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Рабочее колесо второй ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, содержит диск 1 и лопаточный венец, наделенный рабочими лопатками 2.

Диск 1 выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, полотно 5 и обод 6, наделенный пазами 7 для заведения лопаток 2 рабочего колеса. Обод 6 выполнен с фронтальной полкой 8 и тыльной полкой 9. Полотно 5 снабжено в периферийной части расположенными под ободом 6 с двух сторон наклонными полками 10, 11, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала.

Каждая лопатка 2 содержит хвостовик 12 и перо 13 с профилем, образованным вогнутым корытом 14 и выпуклой спинкой 15, сопряженными входной и выходной кромками 16 и 17.

Полотно 5 диска 1 выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 3 к ободу 6 с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

,

где δ_п.п - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; Н_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом;

Внешняя поверхность 18 обода 6 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода 6 на ось 19 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела.

Пазы 7 для заведения хвостовиков 12 лопаток 2 равномерно разнесены по периметру обода 6 диска с угловой частотой . Пазы 7 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 20, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 12 лопатки. Расположенная в плоскости, параллельной оси вала ротора, продольная ось подошвы каждого паза 7 образует с осью 19 вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика 12 лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°. Пазы 7 в ободе 6 диска выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 20, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 12 лопатки по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 20 паза 7 выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью 20 и подошвой 21 паза 7, равных β=(63÷78)°. Переход от боковой грани 20 к подошве 21 выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Входная и выходная кромки 16 и 17 пера 13 выполнены расходящимися к периферийному торцу 22 лопатки с градиентом G_у.х. увеличения соединяющей их хорды 23, равным

,

где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; H_ср - средняя высота пера лопатки.

Фронтальная полка 8 обода 6 диска выполнена с кольцевым выступом 24 в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами 7 для хвостовиков 12 глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика 12 лопатки. Не менее чем на одном участке между пазами 7 в створе канавки в зоне выступа 24 в полке обода 6 диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия 25 соответственно для фиксации стопорным элементом 26 и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна 5 диска под наклонной полкой 11 полотна выполнен кольцевой прилив 27 для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки 10, 11, расположенные под ободом 6 диска, выполнены отходящими от полотна 5 в верхней части последнего с углом наклона относительно оси 19 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части. Фронтальная по ходу потока рабочего тела наклонная полка 10 выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полка 11 снабжена элементами 28 лабиринтного уплотнения и выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Перо 13 лопатки 2 выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 15 и корыта 14 относительно хорды 23, соединяющей входную и выходную кромки 16, 17 пера лопатки. Максимальная толщина профиля пера 13 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 22 с градиентом G_у.т., равным

,

где C_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; C_п - то же, периферийного сечения; H_ср - средняя высота пера лопатки;

Каждая лопатка 2 снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой 28, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца 22 пера 13 лопатки, с контактными торцами 29. Торцы 29 выполнены под углом (26÷32)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта 14 профиля пера. Хвостовик 12 лопатки 2 снабжен канавкой 30 для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо 13 лопатки выполнено с корытом 14, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и со спинкой 15 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариантно перо 13 лопатки выполнено с корытом 14, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и со спинкой 15 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец 22 пера 13 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

По второму варианту рабочее колесо второй ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, содержит диск 1 и лопаточный венец, наделенный рабочими лопатками 2, число которых принято от 34 до 48 лопаток.

Диск 1 выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, полотно 5 и обод 6, наделенный пазами 7 для заведения лопаток 2 рабочего колеса. Обод 6 выполнен с фронтальной полкой 8 и тыльной полкой 9. Полотно 5 снабжено в периферийной части расположенными под ободом 6 с двух сторон наклонными полками 10, 11, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала.

Каждая лопатка 2 содержит хвостовик 12 и перо 13 с профилем, образованным вогнутым корытом 14 и выпуклой спинкой 15, сопряженными входной и выходной кромками 16 и 17.

Полотно 5 диска 1 выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 3 к ободу 6. Ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна 5, нормальной к оси 19 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна 5 в (3,7÷5,1) раза.

Внешняя поверхность 18 обода 6 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода 6 на ось 19 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела. Угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°.

Пазы 7 для заведения хвостовиков 12 лопаток 2 равномерно разнесены по периметру обода 6 диска. Пазы 7 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 20, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 12 лопатки.

Перо 13 лопатки 2 выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки 16, 17 профиля хордой 23 и фронтальной линией 31 решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ_к=(68,8÷74,8)°, а в периферийном сечении значение γ_п=(19,9÷27,9)°.

Лопатка 2 выполнена с переменным по высоте пера 13 углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии 31 решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси вала ротора с градиентом G_у.п, имеющем значения в диапазоне

,

где γ_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ_п - то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки.

Пример реализации изобретения.

Рабочее колесо второй ступени КНД ТРД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 2. Диск второй ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 3, полотно 5 и обод 6. Профили полотна 5 и ступицы 3 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 44 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 132 мм; толщина полотна - 9,9 мм на диаметре 250 мм, толщина полотна - 6,3 мм на диаметре 372 мм; ширина обода - 54 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 465 мм и 490 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности обода диска - 13°.

Лопатку 2 рабочего колеса второй ступени ротора КНД ТРД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участках расположения хвостовика 12 и антивибрационной полки 29. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 15 пера 13 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 14 пера 13 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 1.

Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 13 и антивибрационной полки 29 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 30 антивибрационной полки 29 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 13 с хвостовиком 12 и антивибрационной полкой 29, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса второй ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера 13 лопатки 2 имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=5,2 мм; длина хорды пера - 55,2 мм; угол γ_к установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 16 и 17 профиля хордой 23 и фронтальной линией 32 решетки лопаточного венца составляет 71°; угол α установки профиля пера 13 к оси вращения ротора составляет 19°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=2,2 мм; длина хорды пера принята 68,6 мм; угол γ_п установки профиля пера составляет 24°;

- средняя высота H_ср профиля пера составляет 181,5 мм.

Антивибрационная полка 29 лопатки выполнена с толщиной стенки 4,5 мм и размещена на среднем радиусе от оси ротора 367 мм, с контактными торцами 30, выполненными под углом 29° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.

На внешней стороне обода 6 выполняют протягиванием замковые пазы для крепления лопаток 2 в количестве 42 штук. Пазы 7 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона боковых граней 20 к подошве 21 паза составляет 70°; ширина подошвы - 20 мм.

Лопатки 3 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Каждую лопатку 3 удерживают в диске 1 от перемещения в направлении протяжки паза 7 с помощью разрезного кольца. Лопатки 3 сопрягают по ответным торцам 30 смежных антивибрационных полок.

Таким образом, рабочее колесо второй ступени имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 465 мм и 490 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 847,5 мм и 832,5 мм; максимальная ширина второй ступени ротора - 54 мм.

В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса второй ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора КНД с включением в работу лопаток 2 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 14 пера 13 каждой лопатки 2 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 15 пера 13, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 3 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора второй ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 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 6, принятого сочетания конического полотна 5 с заявленным градиентом G_у.т.=(0,05÷0,07) и осевой ширины ступицы 3, компенсирующих ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 4, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Выполнение ширины ступицы 3, превышающей толщину прикорневой части полотна 5 в (3,7÷5,1) раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 3 принят достаточным для пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

На внешней стороне обода 6 диска выполняют протягиванием систему пазов 8 для закрепления лопаток в количестве 42 шт. Пазы 7 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (17÷25)°, 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 8 диске лопаток рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α_o>25° отклонения оси паза 7 диска от оси 19 вала 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 7 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, встречно наклонными одна к другой под углом β=(63÷78)°, к подошве паза и сопряженные с подошвой через скругления, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 7 на ободе 6 диске для закрепления хвостовиков 12 лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<5,4 [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>7,7 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом. Кроме того, заявленная геометрия паза 7 обеспечивает повышение концентрации при действии эксплуатационных нагрузок, точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками и повышает ресурс рабочего колеса.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов угла γ между соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 профиля хордой 20 и фронтальной линией 21 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γ_уст.к=(68,8÷74,8)°, а в периферийном сечении значение γ_п=(19,9÷27,9)°, а также найденных в изобретении границ диапазонов градиента по высоте H_ср пера 13 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера 13 лопатки со значениями градиента G_у.п<207,3 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 15 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 23 пера 13 по высоте лопатки до значений градиента G_у.п., превышающих верхний предел G_у.п.>297,3 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 13 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы второй ступени ротора с предыдущей и последующими ступенями КНД.

Градиент G_у.х. увеличения хорды 23 пера 13 лопатки 2 по средней высоте H_ср пера лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 16 и 17 пера 13 от втулки до периферийного торца 22. Парусность пера 13 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G_х углового расширения хорды 23 пера с заявленным диапазоном , при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 13 к средней высоте H_ср пера приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 15 пера 13 лопатки. Увеличение приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 13 лопатки и к снижению КПД компрессора.

Технический результат повышения ресурса рабочего колеса в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 13 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 8 лопатки. При значениях градиента возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части пера лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя. При значениях градиента требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 13 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса второй ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости.