Вид РИД
Изобретение
Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам высокого давления (КВД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).
Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. (Ю.С. Елисеев и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. 2-е изд. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000. стр. 621-624).
Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки и паз в ободе диска имеет трапециевидный профиль. Перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером выполнена полка с формированием проточной части (А.А. Иноземцев и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 2. М.: Машиностроение 2008, стр. 39-42).
Известно рабочее колесо компрессора, имеющее диск с установленными в пазе рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Паз диска выполнен с уширением по глубине в поперечном сечении паза. (US 2013/0171343, 04.07.2013 г., фиг. 1, 2). Аналогичные решения известны из US 2005/0025622 А1, фиг. 1, US 2009/0246029 А1, фиг. 5, US 2005/0129522 А1, фиг. 1, US 1606029, фиг. 3, 4.
К недостаткам известных решений относятся непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска рабочего колеса, влияющих на формирование конфигурации и площадь проходного сечения проточной части и размещение в пазу обода диска лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой установки лопатки в рабочем колесе четвертой ступени ротора, что затрудняет получение оптимального сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора, а также обеспечение оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.
Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора высокого давления ТРД с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации диска и лопаток, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД в четвертой ступени КВД, подачи воздушного потока в последующие ступени КВД с повышенным запасом ГДУ на всех режимах работы и ресурса двигателя без увеличения материалоемкости.
Поставленная задача решается тем, что лопатка рабочего колеса четвертой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления КВД турбореактивного двигателя ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления (ТНД) с валом, турбину высокого давления (ТВД) и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками и лопаточными венцами, при этом обод диска рабочего колеса наделен пазом для установки лопаток, согласно изобретению, лопатка содержит перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, а также выполненные за одно целое с пером лопатки хвостовик и корневая полка с конической поверхностью по обе стороны пера, образующей фрагмент втулочной поверхности проточной части двигателя четвертой ступени КВД, причем хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение αк=(29,4÷42,2)°, a в периферийном сечении пера значение αп=(36,8÷52,9)°, при этом перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера Gз.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
Gз.п.=(αп-αк)/Нср=(148,2÷214,4) [град/м],
где αк - угол установки профиля пера лопатки в корневом сечении; αп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки 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 максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом Gу.т., равным
Gу.т.=(Ск-Сп)/Нср=(2,5÷3,6)⋅10-2 [м/м],
где Ск - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; Сп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки.
При этом хвостовик лопатки может иметь подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси ротора, и может содержать уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами, верхние грани каждого из которых наклонены к условной плоскости подошвы хвостовика на угол β1=(29÷40)°, а нижние грани выполнены встречно наклонными и образуют, каждая, с условной плоскостью подошвы хвостовика угол β2=(48÷69)°.
Хвостовик может быть выполнен с соотношением средней высоты Нср профиля пера лопатки к средней высоте hcp хвостовика, составляющим Нср/hсp=(4,5÷6,1).
Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Поставленная задача в части лопаточного венца решается тем, что лопаточный венец рабочего колеса четвертой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, обод которых наделен пазом для установки рабочих лопаток, согласно изобретению, содержит лопатки, равномерно разнесенные по периметру диска с угловой частотой Yл=(12,73÷17,52) [ ед./рад], при этом каждая лопатка лопаточного венца четвертой ступени ротора КВД выполнена с конфигурацией и параметрами, описанными выше, кроме того, торцы корневой полки каждой лопатки выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части, для чего полка каждой лопатки выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода диска и составляющим ϕ=(10÷16)°.
Поставленная задача в части диска ротора компрессора решается тем, что диск рабочего колеса четвертой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, снабженных лопатками, включающими хвостовик, корневую полку и перо, а также имеющий переднюю опору, снабженную цапфой с обращенной раструбом к указанному диску конической диафрагмой, согласно изобретению, диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно, при этом радиус диска Rд от оси ротора до внешней поверхности обода в средней радиальной плоскости полотна составляет (0,67÷0,93) от радиуса Rп.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а обод диска снабжен по контуру кольцевым пазом для размещения в нем хвостовиков рабочих лопаток и разделен пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча с периферийными кольцевыми коническими полками с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок лопаток втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска четвертой ступени ротора КВД, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом GR.об., определенным в диапазоне,
где Rmax и Rmin - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска Воб - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом; кроме того, для обеспечения возможности передачи крутящего момента от ТВД диск снабжен коническим кольцевым элементом в виде осесимметричной оболочки, общим или объединенным с полотном диска, обращенным к диску третьей ступени и переходному кольцевому фрагменту составной конической диафрагмы цапфы передней опоры с возможностью неразъемного силового соединения с последним.
При этом радиус Rц.о.с. центрального отверстия ступицы может быть выполнен достаточным для свободного пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,31÷0,49) от радиуса Rд диска, считая последний от оси ротора до внешней поверхности обода в средней радиальной плоскости полотна.
Паз диска может быть снабжен не менее чем одним заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток и фиксирующих элементов для фиксации положения лопаток в пазе.
Угол наклона образующей конического кольцевого элемента диска и конической диафрагмы может быть выполнен единым, вариантно определенным в диапазоне (44÷65)°, а длина образующей конического элемента принята не выходящей за радиальный габарит обода диска, при этом кольцевой фрагмент составной конической диафрагмы снабжен фланцем для разъемного соединения с полотном диска третьей ступени, для чего во фланце выполнены отверстия под крепежные детали типа призонных болтов, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Yкреп=(3,82÷5,25) [ ед./рад].
Паз обода диска может быть выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной части паза и разделенным заужением, образованным двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами, выполненными со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика лопатки, при этом нижнее уширение кольцевого паза обода диска выполнено с гранями, образующими замковую конфигурацию типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным поверхностям хвостовика лопатки, а верхнее уширение паза выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки лопатки, выходящей в проточную часть, который в свою очередь выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска четвертой ступени КВД.
Длина периметра кольцевого паза в ободе диска может быть выполнена достаточной для размещения в нем хвостовиков лопаток с угловой частотой Yл, определенной в диапазоне значений Yл=(12,73÷17,52) [ ед./рад].
Обод диска может быть выполнен с возможностью разъемного соединения фронтальной полки с ответной тыльной полкой обода диска третьей ступени, причем в зоне стыка участки полок указанных дисков выполнены с возможностью соединения внахлест и скреплены по контуру силовой барабанно-дисковой оболочки фиксирующими элементами типа штифтов.
Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо четвертой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, а также имеющий переднюю опору, снабженную цапфой с обращенной раструбом к указанному рабочему колесу конической диафрагмой, согласно изобретению, содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат, каждая, хвостовик, перо, выполненное с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, при этом радиус Rд диска от оси ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна составляет (0,67÷0,93) от радиуса Rп.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а радиус Rц.o.c. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для свободного пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,31÷0,49) от радиуса Rд диска в средней радиальной плоскости полотна диска; при этом обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска четвертой ступени ротора КВД, а внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом GR.oб., определенным в диапазоне,
где Rmax и Rmin - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска; Воб - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом; кроме того, диск снабжен кольцевым коническим элементом в виде осесимметричной оболочки, общим или объединенным с полотном диска, обращенным к диску третьей ступени и переходному кольцевому фрагменту конической диафрагмы цапфы передней опоры, при этом для обеспечения передачи крутящего момента от вала ТВД обод диска выполнен с возможностью разъемного соединения фронтальной полки с ответной полкой обода диска рабочего колеса третьей ступени и неразъемного соединения тыльной полки с ответной полкой диска рабочего колеса пятой ступени с образованием при этом объединенного кольцевого участка внутреннего контура проточной части КВД и дублированного включения диска четвертой ступени в состав силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора как непосредственно через ободы предшествующих дисков барабанно-дисковой оболочки вала ротора, так и через коническую диафрагму и полотно диска третьей ступени.
Лопатки могут быть равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Yл=(12,73÷17,52) [ ед./рад].
Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющему β1=(29÷40)°, а от смещения в окружном направлении в кольцевом пазе лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены, каждый, сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.
Конический кольцевой элемент диска может быть выполнен с углом наклона образующей к условной средней плоскости полотна, идентичным по величине углу наклона образующих конического участка от тыльной полки обода к полотну диска и переходного кольцевого фрагмента конической диафрагмы, который снабжен фланцем для силового соединения с диском рабочего колеса третьей ступени с возможностью передачи крутящего момента от ТВД, при этом угол наклона образующей конического кольцевого элемента диска и конической диафрагмы выполнен, вариантно определенным в диапазоне (44÷65)°, а длина образующей конического элемента принята не выходящей за радиальный габарит обода диска.
Перо лопатки может быть выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера Gз.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
Gз.п.=(αп-αк)/Нср=(148,2÷214,4) [град/м],
где αк - угол установки профиля пера лопатки в корневом сечении; αп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки 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 максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу.
Кольцевые полки обода диска могут быть выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора, при этом в зоне стыка участки ответных полок дисков третьей и четвертой ступеней выполнены с возможностью соединения внахлест и скреплены по контуру силовой барабанно-дисковой оболочки фиксирующими элементами типа штифтов.
Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо четвертой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, а также имеющий переднюю опору, снабженную цапфой с обращенной раструбом к указанному рабочему колесу конической диафрагмой, согласно изобретению, содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат, каждая, хвостовик, перо, выполненное с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, причем хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение αк=(29,4÷42,2)°, а в периферийном сечении пера значение αп=(36,8÷52,9)°, кроме того, перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера Gз.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
Gз.п.=(αп-αк)/Нср=(148,2÷214,4) [град/м],
где αк - угол установки профиля пера лопатки в корневом сечении; αп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки; а лопатки равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Yл=(12,73÷17,52) [ ед./рад], причем обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска четвертой ступени ротора КВД с углом ϕ наклона образующей внешней поверхности к оси ротора, идентичным внешней поверхности корневой полки лопатки; для обеспечения передачи крутящего момента от вала ТВД обод диска выполнен с возможностью разъемного соединения фронтальной полки с ответной полкой обода диска рабочего колеса третьей ступени и неразъемного соединения тыльной полки с ответной полкой диска рабочего колеса пятой ступени с образованием при этом объединенного кольцевого участка внутреннего контура проточной части; при этом рабочее колесо выполнено с отношением радиуса Rд диска от оси вала ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода диска в средней радиальной плоскости полотна диска, к средней высоте Нср профиля пера лопатки, составляющим Rд/Нср=(5,1÷7,4).
При этом диск может быть выполнен с радиусом Rд от оси ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна, составляющим (0,67÷0,93) от радиуса Rп.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а радиус Rц.o.c. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для свободного пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,31÷0,49) от радиуса Rд диска в средней радиальной плоскости полотна диска.
Диск может быть снабжен кольцевым коническим элементом в виде осесимметричной оболочки, общий или объединенный с полотном диска, обращенным к диску третьей ступени и переходному кольцевому фрагменту конической диафрагмы цапфы передней опоры с возможностью неразъемного силового соединения с последним и обеспечения передачи крутящего момента от вала ТВД с дублированным включением диска четвертой ступени в состав силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора как непосредственно через ободы предшествующих дисков барабанно-дисковой оболочки вала ротора, так и через коническую диафрагму и полотно диска третьей ступени.
Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющему β1=(29÷40)°, а от смещения в окружном направлении в кольцевом пазе лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены, каждый, сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.
Кольцевые полки обода диска могут быть выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора, при этом в зоне стыка участки ответных полок дисков третьей и четвертой ступеней выполнены с возможностью соединения внахлест и скреплены по контуру силовой барабанно-дисковой оболочки фиксирующими элементами типа штифтов.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса четвертой ступени ротора КВД ТРД, включающего диск и рабочие лопатки, в совокупности составляющие лопаточный венец рабочего колеса, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,5% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено рабочее колесо четвертой ступени ротора КВД ТРД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент обода диска рабочего колеса с лопатками, вид сбоку;
на фиг. 3 - фрагмент лопаточного венца рабочего колеса, вид сверху;
на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса, вид сверху;
на фиг. 5 - перо лопатки рабочего колеса, поперечный разрез;
на фиг. 6 - хвостовик лопатки рабочего колеса, вид спереди;
на фиг. 7 - обод диска рабочего колеса, продольный разрез;
на фиг. 8 - фрагмент обода диска с заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток, продольный разрез;
на фиг. 9 - фрагмент обод диска с фиксирующим элементом для фиксации положения лопаток в пазе, продольный разрез.
Многоступенчатый компрессор высокого давления турбореактивного двигателя включает корпус с проточной частью, турбину низкого давления с валом, турбину высокого давления и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с передней опорой и с трубчатой частью вала ротора с другой стороны. Передняя опора вала ротора снабжена цапфой с обращенной раструбом к указанному рабочему колесу конической диафрагмой.
В группе изобретений, объединенных единым творческим замыслом, рабочее колесо четвертой ступени ротора компрессора (фиг. 1) содержит диск 1, наделенный пазом 2 для установки рабочих лопаток 3, в совокупности составляющих лопаточный венец рабочего колеса.
Лопатки лопаточного венца содержат, каждая, выполненные за одно целое хвостовик 4, перо 5 и корневую полку 6 с конической поверхностью по обе стороны пера 5. Диск 1 рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 7 с центральным отверстием 8, полотно 9 и обод 10, наделенный пазом 2 для установки хвостовиков 4 лопаток. Лопатки 3 равномерно разнесены по периметру диска 1 с угловой частотой Yл=(12,73÷17,52) [ ед./рад]. Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 и выпуклой спинкой 12, сопряженными входной и выходной кромками 13 и 14.
Хвостовик 4 лопатки выполнен для установки в паз 2 обода 10 диска 1, Хвостовик 4 выполнен с конфигурацией боковых и опорной поверхностей, конгруэнтной профилю ответных поверхностей паза 2 с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера 5 к оси 15 ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение αк=(29,4÷42,2)°, а в периферийном сечении пера значение αп=(36,8÷52,9)°.
Перо 5 лопатки (фиг. 4) выполнено с переменной относительно оси 15 ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера Gз.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
Gз.п.=(αп-αк)/Нср=(148,2÷214,4) [град/м],
где αк - угол установки профиля пера лопатки в корневом сечении; αп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки.
Перо 5 лопатки (фиг. 5) выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 12 и корыта 11 относительно хорды 16, соединяющей входную и выходную кромки 13 и 14 пера лопатки. Максимальная толщина профиля пера 5 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 17 с градиентом Gу.т., равным
Gу.т.=(Ск-Сп)/Нср=(2,5÷3,6)⋅10-2 [м/м],
где Ск - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; Сп – то же, в периферийном сечении; Нср - средняя высота пера лопатки.
Хвостовик 4 лопатки (фиг. 6) имеет подошву 18 с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси 15 ротора. Хвостовик 4 содержит уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами. Верхние грани 19 каждого выступа наклонены к условной плоскости подошвы 18 хвостовика на угол β1=(29÷40)°. Нижние грани 20 выполнены встречно наклонными и образуют, каждая, с условной плоскостью подошвы 18 хвостовика угол β2=(48÷69)°.
Торцы 21 корневой полки 6 каждой лопатки (фиг. 3) выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части. Для этого корневая полка 6 лопатки 3 выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки 6 к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода 10 диска и составляющим ϕ=(10÷16)°.
Лопатка 3 выполнена с отношением средней высоты Нср профиля пера 5 лопатки к средней высоте hcp хвостовика 4, составляющим Нср/hcp=(4,5÷6,1).
Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой 12 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Диск 1 рабочего колеса четвертой ступени выполнен с радиусом Rд от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9, составляющим (0,67÷0,93) от радиуса Rп.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости. Радиус Rц.о.c. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для свободного пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,31÷0,49) от радиуса Rд диска от оси 15 ротора КВД до верхней поверхности обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9 диска.
Для размещения хвостовиков лопаток 3 обод 10 диска 1 снабжен по контуру кольцевым пазом 2. Обод 10 разделен пазом 2 на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча 22, 23 с периферийными кольцевыми коническими полками 24 и 25 соответственно с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок 6 лопаток 3 втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска четвертой ступени ротора КВД.
Внешняя поверхность обода 10 выполнена с углом наклона образующей 26 относительно оси 15 ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом GR об., определенным в диапазоне,
где Rmax и Rmin - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска Воб - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом.
При этом рабочее колесо выполнено с отношением радиуса Rд диска 1 от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода 10 диска в средней радиальной плоскости полотна 9 диска к средней высоте Нср профиля пера 5 лопатки, составляющим Rд/Нср=(3,1÷4,6).
Паз 2 обода 10 диска (фиг. 7) выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной частях 27 и 28 паза и разделенным заужением, которое образовано двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами 29. Выступы 29 выполнены со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика 4 лопатки. Уширение в нижней придонной части 28 паза 2 обода диска выполнено с гранями 30 с образованием замковой конфигурации типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней 30, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным граням 19 и 20 хвостовика 4 лопатки. Уширение в верхней части 27 паза 2 выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза 2, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки 6 лопатки, выходящей в проточную часть, который в свою очередь выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска четвертой ступени КВД.
Паз 2 обода 10 диска 1 снабжен не менее чем одним заходным отверстием 31 для установки в паз хвостовиков 4 лопаток (фиг. 8) и фиксирующих элементов 32 для фиксации положения лопаток в пазе. Для радиально-угловой фиксации положения лопаток 3 в ободе 10 диска кольцевой паз 2 выполнен с контактными выступами 29 с возможностью удерживания лопаток от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил. Нижняя грань выступа 29 расположена под углом к условной плоскости придонной части паза, идентичным углу β1 наклона ответной грани 20 хвостовика 4 лопатки к его подошве 18. От смещения в окружном направлении (фиг. 9) в кольцевом пазе 2 лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами 32. Фиксирующие элементы 32 выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза 2, и наделены, каждый, сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта 33.
Для обеспечения передачи крутящего момента от вала ТВД обод 10 диска 1 выполнен с возможностью разъемного соединения фронтальной полки 24 с ответной полкой обода диска рабочего колеса третьей ступени и неразъемного соединения тыльной полки 25 обода с ответной полкой диска рабочего колеса пятой ступени с образованием при этом объединенного кольцевого участка внутреннего контура проточной части КВД. Кольцевые полки 24 и 25 обода 10 диска выполнены выступающими за габарит пера 5 рабочей лопатки 3 на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора. В зоне стыка участки ответных полок дисков третьей и четвертой ступеней выполнены с возможностью соединения внахлест и скреплены по контуру силовой барабанно-дисковой оболочки фиксирующими элементами типа штифтов, для чего в полке 24 обода выполнены отверстия 34 под фиксирующие элементы.
Кроме того, диск 1 снабжен коническим кольцевым элементом 35, который выполнен в виде осесимметричной оболочки, общим или объединенным с полотном 9 диска. Кольцевой элемент 35 выполнен обращенным к диску третьей ступени и переходному кольцевому фрагменту 36 составной конической диафрагмы цапфы передней опоры с возможностью неразъемного силового соединения с последним. Конический кольцевой элемент 35 диска выполнен с углом наклона образующей к условной средней плоскости полотна 9, идентичным по величине углу наклона образующих конического участка от тыльной полки 25 обода 10 к полотну 9 диска и переходного кольцевого фрагмента 36 конической диафрагмы. Угол наклона образующей конического кольцевого элемента 35 диска и конической диафрагмы выполнен, вариантно определенным в диапазоне (44÷65)°. Длина образующей конического элемента 35 принята не выходящей за радиальный габарит обода 10 диска 1. При этом переходный кольцевой фрагмент 36 диафрагмы снабжен фланцем 37 для разъемного соединения с полотном диска третьей ступени. Для чего во фланце 37 выполнены отверстия 38 под крепежные детали типа призонных болтов, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Yкреп=(3,82÷5,25) [ ед./рад].
Таким образом, разъемное соединение фронтальной полки 24 обода 10 диска рабочего колеса четвертой ступени с ответной полкой обода диска рабочего колеса третьей ступени выполнено с обеспечением дублированного включения диска четвертой ступени в передачу крутящего момента, как непосредственно через ободы предшествующих дисков барабанно-дисковой оболочки вала ротора, так и через коническую диафрагму и полотно диска третьей ступени.
Пример реализации изобретения.
Рабочее колесо четвертой ступени КВД двигателя состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 3. Диск 1 изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 7, полотно 9 и обод 10.
Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 21 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 198 мм; толщина полотна - 4 мм; ширина обода, ограниченного межлопаточным каналом - 23 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 498 мм и 508 мм соответственно; угол ϕ наклона внешней поверхности обода диска - 13°.
Лопатку 3 рабочего колеса четвертой ступени ротора КВД 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 корневой полки 6. 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 12 пера 5 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 11 пера 5 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 4.
Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 5 и корневой полки 6 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 21 корневых полок 6 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.
Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 5 с хвостовиком 4 и корневой полкой 6, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора ТРД.
Профиль пера 9 лопатки имеет следующие геометрические параметры:
- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmах=2,6 мм; длина хорды 16, соединяющей входную и выходную кромки 13 и 14 пера лопатки - 25 мм; угол αк установки профиля пера к оси ротора составляет 36,1°;
- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmах=0,94 мм; длина хорды пера принята 36 мм; угол αп установки профиля пера составляет 45°;
- средняя высота Нср профиля пера составляет 47 мм;
- средняя высота hcp хвостовика составляет 9 мм.
Корневая полка 6 лопатки выполнена с шириной в окружном направлении 18 мм с контактными торцами 21, выполненными параллельно оси ротора и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки 6 к оси 15 ротора ϕ=13°.
На внешней стороне обода 10 выполняют протягиванием кольцевой паз 2 для крепления лопаток. Паз выполнен с двумя заходными отверстиями 31. Лопатки 3 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов 29. Лопатки 3 удерживают в диске 1 от перемещения в окружном направлении 2 с помощью фиксирующих элементов 32. Лопатки 3 сопрягают по ответным торцам 21 смежных корневых полок.
В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса четвертой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от ТВД через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора компрессора с включением в работу лопаток 3 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в компрессоре. На вогнутой поверхности в виде корыта 11 пера 5 лопатки 3 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 12 пера 5, 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 четвертой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени компрессора. Одновременно диск 1 четвертой ступени воспринимает центробежные нагрузки и через дублированное включение диска в передачу крутящего момента, как непосредственно через ободы предшествующих дисков барабанно-дисковой оболочки вала ротора, так и через коническую диафрагму и полотно диска третьей ступени передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.
Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в группе изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 10, сочетания сужающегося полотна 9 и осевой ширины ступицы 7, компенсирующих ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 8, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 8 в ступице 7 принят достаточным для свободного пропуска вала ТВД и ремонтно-технологического доступа к соединениям вала компрессора. На внешней стороне обода 10 диска выполняют протягиванием кольцевой паз 2 для крепления лопаток, обеспечивая при этом возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора 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 пазу 2 диска 1 лопаток 3 рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы компрессора, 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. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток ниже нижнего предела указанного диапазона Yл<12,73 [ ед./рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Yл>17,52 [ ед./рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске четвертой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом. Кроме того, заявленная геометрия паза обеспечивает повышение концентрации при действии эксплуатационных нагрузок 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 Gз.п=(148,2÷214,4) [град/м] по высоте Нср пера 5 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента Gз.п<148,2 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 12 пера 5 лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 16 пера 5 по высоте лопатки до значений градиента Gз.п, превышающих верхний предел, приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 9 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы четвертой ступени ротора с предыдущими и последующими ступенями компрессора.
Технический результат повышения ресурса рабочего колеса в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 5 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента Gу.т.=(2,5÷3,6)⋅10-2 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера лопатки. При значениях градиента Gу.т.<2,5⋅10-2 [м/м] 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 Gу.т.>3,6⋅10-2 [м/м] требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.
Технический результат группы изобретений достигается также при реализации изобретения с заявленным диапазоном соотношений (Rд/Rп.к.) и (Rд/Нср), т.к. уменьшение значений указанных отношений приведет к неоправданному уменьшению радиуса диска, нерасчетному увеличению радиальной высоты рабочих лопаток, что как следствие нарушит входные и выходные аэродинамические параметры конструкции рабочего колеса и потока рабочего тела - воздуха, а также ухудшит газодинамическую устойчивость на переходных режимах работы двигателя. Увеличение значений указанных отношений приведет к аэродинамически недопустимому уменьшению площади проходного сечения проточной части двигателя в зоне четвертой ступени компрессора ТРД, что нарушит требуемый динамический баланс расхода рабочего тела и потребует перепроектирования геометрических параметров проточной части последующих ступеней КВД. Кроме того, уменьшение градиента GR.oб<0,17 приведет к недопустимому негативно малому приросту радиуса диска четвертой ступени и соответственно не обеспечит требуемое уменьшение проходного сечения проточной части на осевом участке ширины обода диска, что не позволит получить необходимый прирост давления рабочего тела, которое должно быть получено в четвертой ступени КВД ТРД для достижения технического результата при реализации изобретения.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса четвертой ступени достигают повышения КПД и расширения диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора двигателя без увеличения материалоемкости.