Результат интеллектуальной деятельности: Рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области турбо-машиностроения, в частности к авиационному моторостроению, и может быть использовано в рабочих колесах осевых компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД).

Для уменьшения динамических напряжений в рабочих лопатках осевых компрессоров, имеющих большое удлинение, применяются бандажные и антивибрационные полки. Бандажная антивибрационная полка, являясь частью конструкции пера лопатки, под действием центробежных сил создает дополнительную нагрузку на лопатки и диски роторов турбомашин, снижая их ресурс. Для уменьшения вибрационных напряжений используют методы аэродинамического демпфирования вибрационных полок в газовом потоке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя, включающее установленные на диске ротора рабочие лопатки, каждая из которых содержит хвостовик и перо, ограниченное выпуклой и вогнутой поверхностями с выполненными на них в средней части по высоте пера лопатки бандажными полками, бандажные полки смежных лопаток соединены между собой с образованием не менее одного антивибрационного бандажного кольца несимметричного профиля, выпуклая сторона которого расположена со стороны диска вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале.

/RU 2013 148 589 А МПК F04D 29/00, F04D 29/38 Опубликовано 10.05.2015 г./

В известном рабочем кольце антивибрационные полки выполнены как одно целое с пером лопатки. Полки образуют кольцо несимметричного профиля, выпуклая сторона которого расположена со стороны диска вдоль линий тока воздуха. При работе газотурбинного двигателя на таких полках образуется аэродинамическая сила, направленная в сторону диска, которая частично компенсирует нагрузку на детали ротора от воздействия на них центробежных сил, создаваемых антивибрационной полкой. Однако величина образующейся на бандажном кольце аэродинамической силы недостаточна для более эффективной компенсации дополнительной нагрузки на детали ротора от центробежных сил.

Задача изобретения - разработать рабочее колесо с лопатками с бандажными полками, которые при работе осевого компрессора снижают дополнительную нагрузку на детали ротора за счет воздействия на них центробежных сил.

Ожидаемый технический результат - снижение массы, габаритов и стоимости изготовления рабочего колеса ступени, повышение надежности работы антивибрационных полок и качества демпфирования колебаний лопаток.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе осевого компрессора газотурбинного двигателя, включающем установленные на диске ротора рабочие лопатки, каждая из которых содержит хвостовик и перо, ограниченное выпуклой и вогнутой поверхностями с выполненными на них в средней части по высоте пера лопатки бандажными полками, бандажные полки смежных лопаток соединены между собой с образованием не менее одного антивибрационного бандажного кольца несимметричного профиля, выпуклая сторона которого расположена со стороны диска вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале, согласно изобретению кольцо снабжено компенсационными ребрами симметричного аэродинамического профиля, выполненными по меньшей мере на одной из бандажных полок каждой лопатки и расположенных вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале, при этом размер ребер в радиальном направлении равен сумме 0,1 длины лопатки и величины зазора между торцом лопатки и стационарным корпусом. Профиль полок, образующих антивибрационное бандажное кольцо, выполнен в виде профиля крыла, на выпуклой и вогнутой поверхностях пера каждой лопатки могут быть выполнены расположенные по высоте две и более бандажные полки, образующие бандажные кольца, а бандажные полки выполнены в средней части пера на расстоянии от торца лопатки, равном 0,2…0,7 ее длины.

Наличие антивибрационных (бандажных) полок аэродинамического профиля, образующих бандажное кольцо, позволяет снизить уровень механических напряжений в перьях рабочих лопаток, замках и дисках ротора за счет частичной компенсации центробежных сил аэродинамической силой, возникающей при обтекании рабочей лопатки воздухом (газом) при работе двигателя. Вместе с тем выше и ниже бандажного кольца образуется вихревое движение газовых потоков, приводящее к возникновению аэродинамической силы, совпадающей по направлению с направлением центробежных сил от верхнего потока и уравновешивающей ее силы от нижнего потока. Для нейтрализации аэродинамической силы от вихревого движения газового потока выше бандажного кольца предусмотрены компенсационные ребра аэродинамического профиля, выполненные по меньшей мере на одной из бандажных полок каждой лопатки. Компенсационные ребра предотвращают образование вихревого движения и возникновение аэродинамической силы, совпадающей по направлению с направлением центробежных сил, при этом уравновешивающая аэродинамическая сила от нижнего вихревого потока, направленная в сторону хвостовика лопатки, позволяет дополнительно снизить уровень механических напряжений в перьях рабочих лопаток, замках и дисках ротора.

Бандажные полки, образующие антивибрационное бандажное кольцо, выполняют на расстоянии от торца лопатки, определяемом исходя из условия равновесия динамически уравновешенных колебаний диска с лопатками при двух и большем числе узловых диаметров. Для всех форм колебаний дисков все окружности узловых диаметров оптимально должны располагаться на расстоянии от торца лопатки, равном 0,2…0,7 ее длины. При расположении бандажной полки на расстоянии от торца лопатки, меньшем 0,1 ее длины, компенсационные ребра будут касаться стационарного корпуса, а при расстоянии от торца лопатки более 0,7 ее длины дополнительное демпфирование вибраций и нейтрализация аэродинамической силы от вихревого движения газового потока выше бандажного кольца практически не осуществляется. На выпуклой и вогнутой поверхностях пера каждой лопатки по ее высоте могут быть выполнены две и более бандажные полки, образующие бандажные кольца. Число колец выбирается из необходимости демпфирования вибраций.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - рабочее колесо ступени осевого компрессора;

Фиг. 2 - антивибрационные бандажные полки на лопатке;

Фиг. 3 - сечение аэродинамического профиля полок.

Рабочее колесо ступени осевого компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) содержит диск 1 с установленными на нем рабочими лопатками 2, каждая из которых содержит хвостовик и перо, ограниченное выпуклой и вогнутой поверхностями с выполненными на них в средней части по высоте пера лопатки бандажными полками 3. Полки ограничены выпуклой 4 расположенной со стороны диска вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале и вогнутой 5 поверхностями и входной и выходной кромками 6. Бандажные полки смежных лопаток соединены между собой по контактной поверхности 7 с образованием не менее одного антивибрационного бандажного кольца несимметричного профиля. По меньшей мере на одной из бандажных полок каждой лопатки выполнены компенсационные ребра 8, расположенные вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале.

При работе газотурбинного двигателя в межлопаточных каналах компрессора образуется высокоскоростное течение воздуха (газа), а на рабочие лопатки 2 компрессора воздействуют центробежные, аэродинамические силы и вибрационные нагрузки. При обтекании антивибрационных бандажных полок 3, образующих кольцо, потоком воздуха (газа) вследствие разницы длин выпуклой 4 расположенной со стороны диска вдоль линий тока воздуха в межлопаточном канале и вогнутой 5 поверхностей на них начинает воздействовать аэродинамическая сила, направленная в сторону оси вращения ротора, возникающая вследствие того, что внутренние поверхности антивибрационной полки, ограничивающие профиль в сечении, имеют большую площадь, чем наружные поверхности 7.

Компенсационные ребра, выполненные бандажных полках, предотвращают образование вихревого движения, а уравновешивающая аэродинамическая сила от нижнего вихревого потока позволяет дополнительно снизить уровень механических напряжений в перьях рабочих лопаток, замках и дисках ротора.

Предложенная конструкция рабочего колеса ступени компрессора ГТД позволяет снизить уровень механических напряжений в перьях рабочих лопаток, замках и дисках ротора газотурбинного двигателя за счет частичной компенсации центробежных сил аэродинамической силой, возникающей на антивибрационных полках рабочих лопаток при обтекании их воздухом (газом). При этом снижение уровня механических напряжений, в свою очередь, влечет снижение массы, габаритов и стоимости узлов, повышение надежности работы из-за улучшения условий работы антивибрационных бандажных полок рабочих лопаток.