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

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

Известен диск первой ступени ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. На ободе диска выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск первой ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. - М.: Наука, 2011. Стр. 249-259).

К недостаткам известных решений относятся отсутствие системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия диска первой ступени ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации упомянутых пазов в ободе диска, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и как следствие сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости диска.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса первой 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 первой ступени, подачи воздушного потока в последующие ступени КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,284÷0,48) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, при этом обод диска выполнен выходящим в проточную часть с возможностью образования первой ступени барабанно-дисковой конструкции вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем внешняя поверхность обода выполнена образующей соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части двигателя, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для закрепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, причем полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода, и принятый в диапазоне β=(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры и передачи радиальных и осевых усилий и крутящего момента на элементы передней опоры ротора.

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

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

Тыльная полка обода диска может быть развита выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

Тыльная полка обода диска первой ступени может быть выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен диск первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - фрагмент обода диска первой ступени вала ротора КНД, вид сбоку.

Турбореактивный двигатель выполнен с корпусом 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора (на чертежах не показано). Вал выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления.

Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в кольцевое полотно 5, усиленное ступицей 6. Ступица 6 снабжена центральным отверстием 7, радиус которого не менее чем на 10% превышает радиус шлицевой трубы 3. Радиус диска от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 диска в средней плоскости полотна 5 составляет (0,28÷0,48) от радиуса периферийного контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Обод 4 диска первой ступени выполнен выходящим в проточную часть 2 с возможностью образования силовой оболочки первой ступени барабанно-дисковой конструкции вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени. Внешняя поверхность 9 обода 4 выполнена образующей соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя. Образующая внешнюю поверхность 9 обода 4 выполнена с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности 9 обода 4 относительно оси 8 вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 9 обода 4 диска, В_об - осевая ширина обода 4.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2 корпуса 1 двигателя, на участке осевой шириной, соизмеримой с проекцией ширины пера рабочей лопатки на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера рабочей лопатки, снабжен системой пазов 10 для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза 10 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°. Пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад]. Пазы 10 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 11, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

Обод 4 асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12, 13.

Полотно 5 с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу 4, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 14. Конический элемент 14 выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4, и принятый в диапазоне β=(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры (на чертежах не показано) и передачи радиальных и осевых усилий и крутящего момента на элементы передней опоры ротора.

Замковое соединение пазов 10 обода 4 диска с хвостовиками рабочих лопаток выполнено по типу «ласточкин хвост».

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 9 обода 4 в условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,6 раза меньшим аналогичной радиальной величины кольцевого просвета проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Участки внешней поверхности 9 обода 4 диска между пазами 10 для установки рабочих лопаток выполнены образующими внутренний контур проточной части 2 корпуса 1 двигателя в зоне расположения диска первой ступени ротора КНД.

Фронтальная полка 12 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза 10 сквозным отверстием (на чертежах не показано) с возможностью пропуска фиксатора хвостовика лопатки и установки при необходимости балансировочных грузов диска.

Тыльная полка 13 обода 4 диска развита выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке 13 элементов лабиринтного уплотнения 15. Лабиринтные уплотнения 15 выполнены с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора КНД, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени по рабочему телу.

Тыльная полка 13 обода 4 диска выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

Тыльная полка 13 обода 4 диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного посредством электронно-лучевой сварки соединения с ответной полкой обода диска последующей ступени.

Диск первой ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 34 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 120 мм; средняя толщина полотна - 9 мм; ширина обода - 61 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 364 мм и 415 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 21°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 10 для крепления лопаток в количестве 37 штук. Пазы 10 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 20 мм; угол оси паза относительно оси вращения ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вращения ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза, составляет 21°.

При запуске турбореактивного двигателя диск первой ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 14 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 12 и 13, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 6 не менее чем на 10% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Функциональное назначение диска первой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R_д от оси ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,28÷0,48) от радиуса R_п.к периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.к)<0,28 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой последующих ступеней и как следствие к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/R_п.к)>0,48 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне первой ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 4 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона G_oб=(0,31÷0,52) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части первой ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком ассиметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12 и 13 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска фронтальная полка 12 и кольцевой участок тыльной полки 13 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение тыльной полки 11 обода 4 диска не менее чем в 1,6 раза относительно ширины фронтальной полки 10 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора первой ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 10 для закрепления лопаток. Пазы 10 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (19÷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 первой ступени ротора КНД, и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона (19÷25)° 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 10 диска лопаток рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α₀>25° отклонения оси паза 10 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск - лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Кроме того, пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 11, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 10 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 10 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<4,777 [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>6,688 [ед/рад] и соответствующее увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске первой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 5 снабжено коническим кольцевым элементом 14, выполненным с углом β=(52÷72)° наклона образующей к геометрической оси диска. Выполнение угла β, принятым в диапазоне β=(52÷72)°, обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 5 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<52° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента передней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения. Выполнение угла β>72° превышающим найденный в изобретении допустимый угловой диапазон величин β приводит к неоправданному повышению концентрации напряжений от односторонних внеосевых динамических нагрузок на полотно и к снижению ресурса диска.

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