Результат интеллектуальной деятельности: СЕКЦИЯ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

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

Известен вал ротора многоступенчатой турбины двигателя, включающий диски первой, второй и третьей ступени с возможностью оснащения рабочими лопатками. Диски контактируют между собой нижними фланцами. В окружном направлении зафиксированы штифтами, образуя внутренний силовой пояс. Диск третьей ступени с помощью фланца прикреплен к валу (RU 2211337 С1, опубл. 27.08.2003).

Известен вал ротора барабанно-дискового типа осевого компрессора двигателя с дисками, попарно объединенными в ступени и расположенными последовательно по потоку в продольной плоскости сечения барабана. Оба диска каждой ступени соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска в полотне второго диска. Кольцевой бурт второго диска образует трактовую барабанную оболочку, выполняя роль проставки между вторым и первым дисками каждой последующей рабочей ступени. На ободах дисков выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток ротора (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен вал ротора компрессора низкого давления (КНД), включающий систему из четырех дисков, каждый из которых содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011, с. 249-259).

К недостаткам известных решений относятся отсутствие системы выбора совокупности необходимых параметров дисков, образующих конфигурацию вала ротора и влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе диска пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия вала ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации дисков и угловой ориентации пазов в ободах дисков, 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 вала ротора при минимуме материалоемкости дисков и их соединений в конструкции вала.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке предназначенной для сборки вала второй секции вала ротора барабанно-дисковой конструкции КНД ТРД, с диском третьей ступени улучшенной аэродинамической конфигурации, пространственной жесткости узлов и элементов соединения дисков предшествующих и последующей ступеней вала ротора, обеспечивающими получение параметров вала, а также внутреннего контура и проходного сечения проточной части, формируемых дисками и проставками вала, необходимыми для повышения КПД, газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости компрессора.

Поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве второй секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает диск третьей ступени и снабженную фланцем цилиндрическую проставку, при этом секция выполнена неразборной, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов для соединения с лопатками ротора, причем продольная ось каждого из пазов диска третьей ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад], при этом обод указанного диска выполнен с возрастающим по направлению потока рабочего тела радиусом с градиентом радиального расширения G_o6, определенным в диапазоне

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

При этом обод диска третьей ступени может быть асимметрично соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в 1,7 раза, при этом радиус диска от оси вала ротора до верха обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,54÷0,77) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Конфигурация поперечного сечения пазов обода диска третьей ступени может быть выполнена по типу «ласточкин хвост».

Расположенные между пазами участки внешней поверхности обода диска третьей ступени могут быть выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя в зоне расположения диска.

Тыльная полка обода диска третьей ступени в составе второй секции может быть выполнена развитой на ширину, достаточную для обеспечения контакта через цилиндрическую проставку с полотном входящего в третью секцию диска четвертой ступени, при этом цилиндрическая проставка развита на ширину, достаточную для размещения на ней элементов лабиринтного уплотнения.

По второму варианту поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве второй секции вала ротора КНД ТРД по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные диск третьей ступени и кольцевую цилиндрическую проставку, снабженную фланцем для разъемного соединения с последующей секцией вала ротора, при этом вторая секция выполнена неразборной, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов, обеспечивающих возможность замкового соединения с лопатками ротора, кроме того, обод диска третьей ступени выполнен с возрастающим к выходу из секции радиусом, а образующая внешней грани обода диска составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(3÷9)°.

При этом обод диска третьей ступени в составе второй секции вала ротора может быть выполнен с возрастающим к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_oб, определенным в диапазоне

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

Обод может быть асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в 1,7 раза, при этом радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,54÷0,77) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Обод диска третьей ступени может быть снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов для последующего размещения лопаток ротора, при этом продольная ось каждого из пазов образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(194÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад].

Полотно диска третьей ступени с тыльной стороны может быть снабжено в зоне, примыкающей к ободу, расположенным под ободом коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней грани обода, и принятым в диапазоне β=(35÷65)°, а также выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы задней опоры.

Технический результат группы изобретений, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков вала ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении запаса газодинамической устойчивости в полном диапазоне режимов работы компрессора на 2,2% при повышении ресурса вала ротора в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображен вал ротора компрессор низкого давления ТРД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент обода диска третьей ступени второй секции вала ротора КНД, вид сверху.

Секция вала ротора с рабочими лопатками 1 компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве второй секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает диск 2 третьей ступени и снабженную фланцем 3 цилиндрическую проставку 4.

Вторая секция выполнена неразборной. Диск 2 выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 5, переходящий в кольцевое полотно 6, усиленное ступицей 7, снабженной центральным отверстием 8. Обод 5 диска 3 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 9 для соединения с лопатками 1 ротора.

Продольная ось каждого из пазов 9 указанного диска 2 третьей ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза 9, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)°. Пазы 9 равномерно разнесены по периметру диска 2 с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад].

Обод 5 диска 2 выполнен с возрастающим по направлению потока рабочего тела радиусом с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 12 обода 5 диска 3, а В_об - осевая ширина обода диска 2.

Обод 5 диска 2 асимметрично соединен с полотном 6 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10, 11. Тыльная полка 11 превышает ширину фронтальной полки не менее чем в 1,7 раза. Радиус диска 2 от оси вала ротора до внешней поверхности 12 обода 5 в средней плоскости полотна 6 диска 2 составляет (0,54÷0,77) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Конфигурация поперечного сечения пазов 9 обода 5 диска 2 третьей ступени выполнена по типу «ласточкин хвост».

Расположенные между пазами 9 участки внешней поверхности 12 обода 5 диска 2 выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя в зоне расположения диска.

Тыльная полка 11 обода 5 диска 2 третьей ступени в составе второй секции выполнена развитой на ширину, достаточную для обеспечения контакта через цилиндрическую проставку 4 с полотном 13 входящего в третью секцию диска 14 четвертой ступени с возможностью силового соединения с последним и передачи крутящего момента от ТНД. Цилиндрическая проставка 4 развита на ширину, достаточную для размещения на указанной проставке элементов 15 лабиринтного уплотнения.

По второму варианту секция вала ротора с рабочими лопатками 1 компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью выполнена в качестве второй секции вала ротора КНД ТРД по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные диск 2 третьей ступени и кольцевую, преимущественно, цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 3 для разъемного соединения с последующей секцией вала ротора. Вторая секция выполнена неразборной. Диск 2 третьей ступени выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 5, переходящий в кольцевое полотно 6, усиленное ступицей 7, снабженной центральным отверстием 8. Обод 5 диска 2 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 9, обеспечивающих возможность замкового соединения с лопатками 1 ротора. Обод 5 диска 2 третьей ступени выполнен с возрастающим к выходу из секции радиусом. Образующая внешней поверхности 12 обода 5 диска 2 составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(3÷9)°.

Обод 5 диска 2 третьей ступени в составе второй секции вала ротора выполнен с возрастающим к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 12 обода 5 диска 3, а В_об - осевая ширина обода диска 2.

Обод 5 диска 2 асимметрично соединен с полотном 6 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10, 11. Тыльная полка 11 превышает ширину фронтальной полки не менее чем в 1,7 раза. Радиус диска 2 от оси вала ротора до внешней поверхности 12 обода 5 в средней плоскости полотна 6 диска 2 составляет (0,54÷0,77) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Во второй секции обод 5 диска 2 третьей ступени снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов 9 для последующего размещения лопаток 1 ротора. Продольная ось каждого из пазов 9 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(194÷28)°. Пазы 9 равномерно разнесены по периметру диска 2 с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад].

Полотно 6 диска 2 третьей ступени с тыльной стороны снабжено в зоне, примыкающей к ободу 5, расположенным под ободом 5 коническим кольцевым элементом 16. Конический кольцевой элемент 16 выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска 2, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности 12 обода 5 и принятым в диапазоне β=(354÷65)°. Конический кольцевой элемент 16 выполнен также с возможностью силового соединения с коническим элементом 17 цапфы 18 задней опоры и передачи через указанный конический элемент диска 3 радиальных, осевых усилий и крутящего момента на элементы опор вала ротора.

Пример реализации изобретения.

Вал ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкцией.

Входящий во вторую секцию вала ротора КНД ТРД диск третьей ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 7, полотно 6 и обод 5. Профили полотна 6 и ступицы 7 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 150 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 5°.

На внешней стороне обода 5 выполняют протягиванием замковые пазы 9 для крепления лопаток ротора.

Вторую секцию вала ротора изготавливают, соединяя неразъемно на сварке сборочные единицы - цапфу 18 задней опоры с диском 2 третьей ступени и цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 3 с радиально разнесенными отверстиями, для последующего соединения с полотном 13 диска 14 четвертой ступени, входящего в третью секцию. Соединение сборочных единиц выполняют электронно-лучевой сваркой под глубоким вакуумом.

При запуске двигателя вал ротора, объединяющий диски всех ступеней, приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД через объединенные в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора КНД ободы дисков, и включает в работу лопатки ротора. В результате происходит нагнетание потока рабочего тела в КНД. При этом вал ротора КНД обеспечивает стабильность проектной формы и положение дисков всех ступеней в составе барабанно-дисковой конструкции на всех возможных режимах работы ТРД за счет восприятия силовой оболочкой вала сочетания нагрузок, возникающих в процессе работы компрессора, и через конические кольцевые элементы передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора с меньшими потерями энергии и при пониженных вибрациях.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска третьей ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 6 и осевой ширины ступицы 7, компенсирующей ослабление полотна 6 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 шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 7 не менее чем на 10% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Функциональное назначение диска третьей ступени второй секции вала ротора - обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса - достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R_д от оси ротора до внешней поверхности 12 обода 5 в средней плоскости полотна 6 составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.к. периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.к.)<0,54 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой остальных ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/R_п.к.)>0,77 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне третьей ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска. Кроме того, при таком ассиметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10, 11 обода 5 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 6 диска фронтальная полка 10 и участок тыльной полки 11 обода 5 диска. Дополнительное уширение тыльной полки 11 обода 5 диска относительно ширины фронтальной полки 10 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора третьей ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска.

На внешней стороне обода 5 диска выполняют протягиванием систему пазов 9 для закрепления лопаток. Пазы 9 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (19÷28)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса третьей ступени ротора КНД и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона (19÷28)° приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 9 диске лопаток рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>28° отклонения оси паза 9 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 9 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,7÷11,5) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 9 на диске 2 для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 9 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<6,7 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y_п>11,5 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске третьей ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 6 снабжено коническим кольцевым элементом 16, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим β=(35÷65)°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 6 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<35° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров диска третьей ступени второй секции вала ротора достигают повышение КПД и увеличение запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска третьей ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.