Результат интеллектуальной деятельности: ДИСК ТРЕТЬЕЙ СТУПЕНИ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

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

Известен диск третьей 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 третьей 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. Москва. 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 третьей ступени ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации 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 третьей 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 третьей 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 третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции, задняя опора которого включает цапфу, переходящую в силовую коническую диафрагму, предназначенную для передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) на вал, радиальных и осевых усилий на опору вала, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу, выполненную с центральным отверстием и снабженную в нижней части с тыльной стороны диска по ходу потока рабочего тела кольцевым коническим силовым элементом с углом наклона образующей и радиусом выходной контактной кромки, равными ответным параметрам упомянутой конической диафрагмы цапфы задней опоры вала, кроме того, диск включает обод, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в верхней части расположенными под ободом с двух сторон кольцевыми полками, выполненными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (3,5÷5,0) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,51÷0,73) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя; причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, минимально возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(5÷7)°, кроме того, пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(7,3÷10,4) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(18÷26)°.

При этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

Кольцевой конический силовой элемент ступицы может быть выполнен с углом γ наклона образующей к оси вала ротора, составляющим γ=(42÷57)°.

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

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

Кольцевые полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части и снабжены гребнями лабиринта.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции, задняя опора которого включает цапфу, переходящую в силовую коническую диафрагму, предназначенную для передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) на вал, радиальных и осевых усилий на опору вала, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу, выполненную с центральным отверстием и снабженную в нижней части с тыльной стороны диска по ходу потока рабочего тела кольцевым коническим силовым элементом с углом γ наклона образующей к оси вала ротора, составляющим γ=(42÷57)°, и радиусом выходной контактной кромки, равными ответным параметрам упомянутой конической диафрагмы цапфы задней опоры вала, кроме того, диск включает обод, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в верхней части расположенными под ободом с двух сторон кольцевыми полками, выполненными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала и снабженными гребнями лабиринтного уплотнения, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,51÷0,73) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя; при этом внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, минимально возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(5÷7)°, кроме того, пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(18÷26)°.

При этом пазы для заведения хвостовиков лопаток могут быть равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(7,3÷10,4) [ед/рад], при этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

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

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

Кольцевые полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

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

на фиг. 2 - фрагмент диска третьей ступени вала ротора КНД, вид сбоку;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 4 - паз обода диска третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с проточной частью 2, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции, задняя опора которого включает цапфу, переходящую в силовую коническую диафрагму, предназначенную для передачи крутящего момента от турбины низкого давления на вал, радиальных и осевых усилий на опору вала.

Диск рабочего колеса третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3, выполненную с центральным отверстием 4 и снабженную в нижней части с тыльной стороны диска по ходу потока рабочего тела кольцевым коническим силовым элементом 5. Угол наклона образующей силового элемента 5 и радиус выходной контактной кромки 6 равен ответным параметрам конической диафрагмы цапфы задней опоры вала. Диск включает также обод 7, наделенный пазами 8 для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно 9, снабженное в верхней части расположенными под ободом 7 с двух сторон кольцевыми полками 10. Полки 10 выполнены для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала и снабженными гребнями 11 лабиринтного уплотнения.

Полотно 9 диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 3 к ободу 7. Ступица 3 выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна 9, нормальной к оси 12 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна 9 в (3,5÷5,0) раза.

Средний радиус R_ср диска от 12 оси вала ротора до внешней поверхности 13 обода 7 в условной плоскости симметрии полотна 9 составляет (0,51÷0,73) от радиуса R_пр периферийного контура проточной части 2 двигателя. Внешняя поверхность 13 обода 7 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части 2 с осевой длиной, равной проекции образующей обода 7 на ось 12 вала ротора, и с радиусом, минимально возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела. Угол наклона образующей внешней поверхности 13 обода 7 диска к оси вала ротора составляет φ=(5÷7)°.

Пазы 8 для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода 5 диска с угловой частотой Y_п=(7,3÷10,4) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 14, образующими элемент замкового соединения. Подошва 15 каждого паза 8 расположена в плоскости, параллельной оси 12 вала ротора. Продольная ось подошвы 15 паза 8 образует с осью 12 вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(18÷26)°. Конфигурация поперечного сечения каждого паза 8 в ободе 7 диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 14 паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью 14 и подошвой 15 паза 8, равных β=(63÷78)°.

Кольцевой конический силовой элемент 5 ступицы 3 выполнен с углом γ наклона образующей к оси 12 вала ротора, составляющим γ=(42÷57)°.

Обод 7 диска выполнен с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками 16 и 17 соответственно. Фронтальная полка 16 обода 7 диска выполнена с кольцевым выступом 18 в верхней части полки 16, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами 8 для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца (на чертежах не показано) в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки. Не менее чем на одном участке между пазами 8 в створе канавки в зоне выступа в полке 16 обода 7 диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия 19 соответственно для фиксации стопорным элементом 20 и демонтажа контровочного кольца. Под тыльной полкой 17 обода 7 в верхней части полотна 9 диска выполнен кольцевой прилив 21 для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Кольцевые полки 10, расположенные под ободом 7 диска, выполнены отходящими от полотна 9 в верхней части последнего с углом наклона относительно оси 12 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

Диск третьей ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 3, полотно 9 и обод 7. Профили полотна 9 и ступицы 3 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 40 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 292 мм; средняя толщина полотна - 9 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 - 5,5°.

На внешней стороне обода 7 выполняют протягиванием замковые пазы 8 для крепления лопаток в количестве 57 штук. Пазы 8 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона боковых граней к подошве паза составляет 70°; ширина подошвы - 18 мм.

При запуске турбореактивного двигателя диск третьей 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 5 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 третьей ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 7, принятого сочетания сужающего полотна 9 и осевой ширины ступицы 3, компенсирующей ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 4. Выполнение ширины ступицы 3, превышающей толщину прикорневой части полотна 9 в (3,5÷5,0) раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 3 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска третьей ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус R_ср диска от оси 12 вала ротора до внешней поверхности 13 обода 5 в средней плоскости полотна 9 составляет (0,51÷0,73) от радиуса R_пр периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_ср/R_пр)<0,51 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предыдущих и последующей ступеней и как следствие к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_ср/R_пр)>0,73 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне третьей ступени компрессора при неоправданном повышении материалоемкости диска и, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 8 для закрепления лопаток. Пазы 8 расположены под углом к оси 12 вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов 8, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (18÷26)°, 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 приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 8 диске лопаток рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α_о>26° отклонения оси паза 8 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 8 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,3÷10,4) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 14, встречно наклонными одна к другой под углом β=(63÷78)° к подошве 15 паза и сопряженные с подошвой 15 через скругления, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 8 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<7,3 [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>10,4 [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. Кроме того, заявленная геометрия паза 8 обеспечивает повышение концентрации при действии эксплуатационных нагрузок, точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками и повышает ресурс диска.

Ступица 3 снабжена кольцевым коническим силовым элементом 5, выполненным с углом γ наклона образующей к оси 12 вала ротора. Выполнение угла γ, принятым в диапазоне γ=(42÷57)°, обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения ступицы 3 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 γ<42° 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. Выполнение угла γ>57° превышающим найденный в изобретении допустимый угловой диапазон величин γ, приводит к неоправданному повышению концентрации напряжений от односторонних внеосевых динамических нагрузок на полотно диска и к снижению ресурса диска.

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