Результат интеллектуальной деятельности: Ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (варианты), узел соединения вала ротора с диском ТНД, тракт воздушного охлаждения ротора ТНД и аппарат подачи воздуха на охлаждение лопаток ротора ТНД

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к роторам турбины низкого давления стационарного газотурбинного двигателя авиационного типа в составе газоперекачивающих агрегатов.

Известен ротор турбины низкого давления газотурбинного двигателя, включающий вал и рабочее колесо с трактом воздушного охлаждения теплонапряженных элементов - диска и лопаток рабочего колеса. Лопатки выполнены пространственной формы с выпукло-вогнутым профилем пера с охлаждаемой полостью и хвостовиком, включающим елочный замок. Полость лопатки снабжена стержневыми перемычками (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. 495-522).

Известен ротор турбины низкого давления газотурбинного двигателя, включающий вал и рабочее колесо с трактом воздушного охлаждения теплонапряженных элементов - диска и лопаток рабочего колеса. Охлаждаемая лопатка содержит перо, расположенное в направлении потока между передней и задней кромками и ограниченное стенками. Между стенками в полости расположены поперечно направлению потока воздуха стрежневые элементы (RU 2538978 С2, опубл. 10.01.2015)

К недостаткам известных решений относятся повышенная конструктивная сложность турбины, недостаточная конструктивная проработанность системы охлаждения наиболее теплонапряженных участков рабочего колеса турбины, неадаптированность конкретно к техническим решениям ГТД газоперекачивающего агрегата, сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД и ресурса двигателя с одновременным повышением компактности и снижением материало- и энергоемкости.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в повышении эффективности охлаждения элементов рабочего колеса ротора ТНД, ресурса и надежности турбины и двигателя в целом, используемого в составе газоперекачивающих агрегатов.

Поставленная задача решается тем, что ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), согласно изобретению содержит вал ротора низкого давления (РНД) с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток, размещенных с угловой частотой γ_л.=(12,1÷17,2) [ед/рад], диск рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включает ступицу с центральным отверстием, полотно с ободом и снабжен аппаратом подачи воздуха на охлаждение лопаток, содержащем тыльное напорное кольцо, консольно прикрепленное к полотну диска с образованием кольцевого напорного кармана и наделенное воздухозаборной крыльчаткой, причем с тыльной стороны диск рабочего колеса ТНД снабжен выполненным за одно целое со ступицей консольным кольцевым элементом с полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем для разъемного соединения с ответным фланцем цапфы вала ротора ТНД, наделенным отверстиями под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой, размещенными через один с каналами тракта воздушного охлаждения ротора ТНД с угловой частотой γ_{отв.ф.т.}=(4,8÷7,3) [ед/рад], а с фронтальной стороны ступица диска в том же радиальном диапазоне наделена цилиндрическим фланцем для разъемного соединения с кольцевым элементом ротора, огибающим ступицу диска, кроме того ступица диска рабочего колеса выполнена массивной с центральным отверстием радиусом, достаточным для свободного пропуска задней опоры ТВД и вала РНД, при этом максимальная осевая ширина ступицы с консольными элементами кольцевых фланцев выполнена не менее чем в 1,24 раза меньшей радиуса центрального отверстия ступицы, а полотно диска в корневом поперечном сечении имеет осевую ширину, меньшую не более чем в 1,8 раза ширины ступицы без консольных элементов кольцевых фланцев, при этом полотно диска рабочего колеса ТНД выполнено с градиентом G_п.д. убывания осевой толщины В полотна от ступицы к ободу, по меньшей мере, на большей части радиуса ΔR диска, определенным в диапазоне значений

G_п.д.=(В_п.к.-В_п.п./ΔR=(0,13÷0,18), где В_п.к. и В_п.п.- осевая толщина полотна в прикорневой части над кольцевым элементом ротора и периферийной части под цилиндрическим фланцем крепления напорного кольца; ΔR=(R_п.п.-R_п.кк), где R_п.к. и R_п.п. - радиус полотна диска в прикорневой и периферийной части полотна; а высота проточной части лопаточного венца ротора ТНД выполнена в радиальном диапазоне ΔR_п.ч.л.в. рабочего колеса, определенном из выражения

ΔR_п.ч.л.в.=(R_{max п.ч.}-R_{min п.ч.})/R_{max п.ч.}=(0,26÷0,37), где R_{max п.ч.} и R_{min п.ч.} - максимальный и минимальный радиусы проточной части ротора ТНД, равные периферийному и корневому радиусам лопатки лопаточного венца рабочего колеса ротора ТНД.

При этом напорное кольцо аппарата подачи воздуха может быть установлено на тыльном кольцевом элементе полотна диска и совмещает не менее трех функций, а именно, первую функцию - рабочего органа, наделенного крыльчаткой для подачи охлаждающего воздуха в обод диска и в полость охлаждаемой лопатки; вторую функцию - кольцевого диска, совмещенного с держателем лабиринта, отделяющего полость тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от проточной части турбины, и третью функцию - кольцевого диска, снабженного расположенным с нерабочей стороны лабиринта балансировочным кольцом с пазом для локального размещения балансировочных грузиков.

Поставленная задача решается тем, что по второму варианту ротор турбины низкого давления ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, согласно изобретению содержит вал РНД с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток ТНД, размещенных с угловой частотой γ_л.=(12,14÷17,2) [ед/рад]; диск рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно с ободом, а вал РНД соединен со ступицей диска с тыльной стороны через консольный кольцевой элемент, выполненный за одно целое со ступицей и снабженный полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем, разъемно соединенным с ответным фланцем цапфы вала РНД, при этом лопатка содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем стенок, сопряженных входной и выходной кромками, а в ободе диска выполнены пазы под елочные замки хвостовика лопатки с радиальной плоскостью симметрии, проходящей через ось двигателя, причем перо лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте угол ϕ_уст.л. установки профиля пера, определенный как угол между хордой, проведенной по центрам входной и выходной кромок, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, при этом угол ϕ_у.п. установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_у.п. изменения угла ϕ_у.п., определенном из выражения в диапазоне значений

G_у.п.=(ϕ_у.п.к.-ϕ_у.п.п.)/Н_л.=(0,47÷0,62) [рад/м],

где ϕ_у.п.к. и ϕ_у.п.п. - угол установки профиля в корневом и периферийном сечениях пера лопатки; Н_л. - средняя высота пера лопатки; кроме того перо лопатки выполнено с отрицательной парусностью по высоте лопатки, определяемой градиентом G_пар.л. парусности лопатки

G_пар.л=(В_{пар.л.п.}-В_{пар.л.к.})/Н_л.=[-(3,4÷4,8)×10^-2] [м/м]

где В_{пар.л.к.} и В_{пар.л.п.} - соответственно корневая и периферийная хорды пера, проведенные по центрам входной и выходной кромок профиля пера; а внутренняя полость пера в средней ее части снабжена совокупностью выполненных за одно целое с оболочкой пера лопатки стержневых элементов с поперечными и продольными рядами, наделенных функцией высокотеплопроводной перемычки между стенками пера лопатки.

При этом периферийный торец лопатки может быть выполнен с бандажной полкой, наделенной, по меньшей мере, одним зубом лабиринтного уплотнения и имеющей Z-образные контактные торцы зацепления с бандажными полками смежных лопаток в бандажном кольце, а хвостовик лопатки с фронтальной стороны наделен пазом для заведения разрезного кольца, фиксирующего лопатки от осевых смещений, причем тракт воздушного охлаждения лопатки ротора ТНД на входе в полость лопатки проложен через хвостовик лопатки, включая последовательные участки канала тракта в елочном замке, ножке и полке к диффузорному выходу из полости в проточную часть турбины через каналы в периферийном торце, выполненные с площадью проходного сечения не менее чем в 3,35 раза превышающей площадь проходное сечение каналов на входе в полость лопатки.

Поставленная задача в части узла соединения вала ротора с диском рабочего колеса ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА решается тем, что согласно изобретению узел соединения образован сочетанием двух кольцевых элементов - радиального фланца тыльного консольного кольцевого элемента, выполненного за одно целое со ступицей диска и ответного фланца цапфы вала РНД, при этом фланцевое соединение выполнено полифункциональным, совмещающем конструктивную функцию разъемного силового соединения двух указанных элементов с функцией аэропрозрачного многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения теплонапряженных элементов рабочего колеса ротора ТНД, при этом для выполнения первой из указанных функций фланец наделен отверстиями под крепежные элементы разъемного соединения с валом РНД, выполненными с угловой частотой γ_{отв.ф.т.}=(4,8÷7,3) [ед/рад], а для выполнения второй функции в указанном фланцевом соединении выполнены каналы тракта воздушного охлаждения, размещенные с регулярным чередованием не менее чем через одно отверстие под крепежные элементы, с суммарной выходной площадью F_вых. поперечного сечения указанного участка тракта воздушного охлаждения ротора, составляющую не менее одной пятой части от суммарной площади входных отверстий F_вх., выполненных в образующем канал подвода охлаждающего воздуха кольцевом элементе, огибающим ступицу диска ротора ТНД и сообщенном на входе через фронтальную промежуточную полость с расположенным под сопловым венцом лопаток соплового аппарата ТНД транзитным коллектором тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.

Поставленная задача в части тракта воздушного охлаждения ротора ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА решается тем, что согласно изобретению тракт воздушного охлаждения на входе включает узел подачи охлаждающего воздуха из воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ) во входной коллектор соплового аппарата (СА) ТНД, размещенный в полом корпусе наружного кольца СА, функционально совмещенного с входным узлом тракта воздушного охлаждения сопловых лопаток СА, при этом входной коллектор наделен не менее чем двумя входными отверстиями, а тракт охлаждения ротора ТНД продолжен совокупностью транзитных трубок, пропущенных через центральную часть полости средней лопатки соплового блока с угловой частотой γ_т.т. в сопловом венце, определенной в диапазоне значений γ_т.т.=(1,43÷2,34) [ед/рад], и выведенных в промежуточный транзитный коллектор тракта, образованный внутренним кольцом СА, разъемно соединенным с элементами корпуса подшипника задней опоры ТВД, включая выполненную, по меньшей мере, частично за одно целое с ним фронтальную коническую диафрагму, наделенную кольцевым рядом напорных отверстий, и тыльную коническую диафрагму - крышку коллектора, имеющую ряд пропускных отверстий тракта, выполненных с угловой частотой γ_отв.к., определенной в диапазоне значений γ_отв.к.=(1,59÷2,86) [ед/рад], причем тракт воздушного охлаждения ротора ТНД пролонгирован каналом, который образован кольцевым элементом, огибающем ступицу диска рабочего колеса ТНД, запитан на входе охлаждающим потоком через ряд пропускных отверстий, выполненных в кольцевом элементе с угловой частотой γ_о.к.э., определенной в диапазоне значений γ_о.к.э.=(3,82÷5,73) [ед/рад], и на выходе сообщен через аэропрозрачное полифункциональное фланцевое соединение ступицы диска и цапфы вала ротора ТНД с примыкающей к диску ТНД промежуточной тыльной кольцевой полостью, посредством которой тракт сообщен с аппаратом подачу воздуха, подаваемого на охлаждение лопаток рабочего колеса ротора ТНД, включающим напорное кольцо, выполненное в виде моноколеса, наделенное с внутренней стороны крыльчаткой, образованной системой воздухозаборных лопаток, дифференцированных по конфигурации и длине, а также наделено функциями консольного держателя лабиринта и балансировочного кольца, расположенных с тыльной стороны кольца, при этом аппарат подачи воздуха сообщен с совокупностью входных каналов тракта охлаждения лопаток ТНД, выполненных в ободе диска рабочего колеса с плоским клиновидным расширением ко входу в полость лопатки с угловой частотой γ_к.о.д., определенной в диапазоне значений γ_к.о.д.=(12,1÷17,2) [ед/рад], а завершен тракт воздушного охлаждения ротора ТНД в полых лопатках рабочего колеса, открытых на проток по торцам, наделенным каждый парой разнесенных по ширине пера лопатки каналов с выходом нагретого воздуха в проточную часть турбины.

Поставленная задача части аппарата подачи воздуха в тракта воздушного охлаждения лопаток ротора ТНД газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА, решается тем, что аппарат подачи воздуха согласно изобретению включает напорное кольцо, прикрепленное посредством цилиндрического фланца к полотну диска рабочего колеса дискретными крепежными элементами с угловой частотой γ_к.э.а.з., определенной в диапазоне значений γ_к.э.а.з.=(7,64÷11,46) [ед/рад], причем напорное кольцо выполнено в виде моноколеса, наделенного со стороны, обращенной к диску рабочего колеса ротора крыльчаткой, состоящей из системы наклонных воздухозаборных лопаток, дифференцированных по конфигурации и длине, а также конструктивно и функционально совмещено с кольцевым консольным держателем лабиринта и с балансировочным кольцом, расположенным с внешней стороны последнего, при этом лопатки в напорном кольце аппарата подачи воздуха выполнены двух типов, различающихся по длине и по форме, расположены с чередованием через одну с одинаковым наклоном в сторону вращения рабочего колеса под углом ϕ_л.а.х. с вершиной в точке пересечения касательной к контуру напорного кольца с осью более длинной лопатки, выполненной с постоянной шириной поперечного сечения, и/или с биссектрисой угла между гранями другой более короткой лопатки, выполненной клиновидной, а угол ϕ_л.а.з. в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, определен в диапазоне значений ϕ_л.а.з.=(0,42÷0,64) [рад], причем длина L₁ более длинных лопаток выполнена достаточной для пересечения под указанным углом полной радиальной ширины напорного кольца, а длина L₂ более коротких клиновидных лопаток принята не менее 0,4 длины L₁ более длинных лопаток L₂>0,4L₁ кроме того угол между гранями клиновидных лопаток принят обеспечивающим параллельность смежных граней длинной и более короткой лопатки крыльчатки аппарата подачи воздуха.

При этом аппарат подачи воздуха может быть сообщен с совокупностью входных каналов воздуха, подаваемого в тракт охлаждения лопаток рабочего колеса ротора ТНД, выполненных в ободе диска рабочего колеса с угловой частотой γ_к.о.д., определенной в диапазоне значений γ_к.о.д.=(12,14÷17,2) [ед/рад].

Технический результат, достигаемый группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, заключается в повышении эффективности охлаждения рабочего колеса ротора ТНД, ресурса и надежности ТНД за счет улучшения аэродинамических и конструктивных параметров элементов ротора турбины, а именно, пространственной конфигурации диска и лопаток, обеспечивающих возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части турбины, а также выполнения диска рабочего колеса с радиальным фланцем, совмещающем конструктивную функцию силового соединения с валом РНД с функцией многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения ротора ТНД, конструктивной проработанности аппарата подачи воздуха во внутреннюю полость лопатки, достигая тем самым повышения жесткости турбины и снижения утечек воздуха, а также повышения эффективности охлаждения теплонапряженных элементов ротора ТНД в процессе работы двигателя, и как следствие, повышение КПД, надежности и ресурса турбины, а также технологической простоты изготовления без увеличения материало- и энергоемкости и технического обслуживания в процессе эксплуатации и двигателя.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен ротор турбины низкого давления с сопловым аппаратом ГТД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса ТНД с аппаратом подачи воздуха, подаваемого в полость лопатки, продольный разрез;

на фиг. 3 - вид по А на фиг. 2, фрагмент полифункционального аэропрозрачного радиального фланца ступицы диска рабочего колеса ротора ТНД, вид спереди;

на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 3;

на фиг. 5 - вид по В-В на фиг. 2, фрагмент обода диска рабочего колеса ротора ТНД и аппарата подачи воздуха с крыльчаткой в разрезе; на фиг. 6 - лопатка рабочего колеса ротора ТНД, вид сбоку; на фиг. 7 - лопатка рабочего колеса ротора ТНД, продольный разрез.

В группе изобретений ротор турбины низкого давления газогенератора газотурбинного двигателя в составе ГТУ ГПА включает вал 1 ротора низкого давления (РНД) с цапфой 2 и рабочее колесо 3 турбины.

Рабочее колесо 3 содержит диск 4 и лопаточный венец с системой лопаток 5, размещенных с угловой частотой у_л, определенной в диапазоне значений γ_л. =N_л./2π=(12,1÷17,2) [ед/рад], где N„.- число лопаток в лопаточном венце рабочего колеса ТНД. Диск 4 рабочего колеса 3 выполнен в виде моноэлемента и включает ступицу 6 с центральным отверстием, полотно 7 с ободом 8. Диск 4 рабочего колеса 3 снабжен аппаратом 9 подачи воздуха на охлаждение лопатки. Аппарат 9 подачи воздуха включает тыльное напорное кольцо 10, которое консольно прикреплено к полотну 7 диска 4 с образованием кольцевого напорного кармана 11. Напорное кольцо 10 наделено крыльчаткой, состоящей из системы наклонных воздухозаборных лопаток 12 и 13, дифференцированных по конфигурации и длине. С тыльной стороны диск 4 рабочего колеса 3 снабжен выполненным за одно целое со ступицей 6 консольным кольцевым элементом 14 с полифункциональным аэропрозрачным радиальным фланцем 15 для разъемного соединения с ответным радиальным фланцем 16 цапфы 2 вала 1 ротора ТНД. Фланец 15 наделен отверстиями 17 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2, размещенными через один с каналами 18 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД с угловой частотой γ_{отв.ф.т.}, определенной в диапазоне значений γ_{отв.ф.т.}=N_{отв.ф.т.}/2π=(4,84÷7,3) [ед/рад],

где N_{отв.ф.т.} - число отверстий во фланце 16 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2.

С фронтальной стороны ступица 6 диска 4 в том же радиальном диапазоне наделена цилиндрическим фланцем 19 для разъемного соединения с кольцевым элементом 20 ротора, огибающем ступицу 6 диска ТНД.

Ступица 6 диска 4 рабочего колеса ТНД выполнена массивной с центральным отверстием радиусом, достаточным для свободного пропуска задней опоры 21 ТВД и вала 1 РНД. Максимальная осевая ширина ступицы 6 с консольными элементами кольцевых фланцев 15 и 19 выполнена не менее чем в 1,24 раза меньшей радиуса центрального отверстия ступицы 6. Полотно 7 диска 4 в корневом поперечном сечении имеет осевую ширину, меньшую не более чем в 1,8 раза ширины ступицы 6 без консольных элементов кольцевых фланцев 15 и 19.

Полотно 7 диска 4 рабочего колеса ТНД выполнено с градиентом G_п.д. убывания осевой толщины В полотна от ступицы к ободу, по меньшей мере, на большей части радиуса ΔR диска, определенным в диапазоне значений

G_п.д.=(В_п.к.-В_п.п.)/ΔR=(0,13÷0,18),

где В_п.к. и В_п.п. - осевая толщина полотна в прикорневой части над кольцевым элементом 20 ротора и периферийной части под цилиндрическим фланцем 22 крепления напорного кольца 10 аппарата подачи воздуха на охлаждение лопаток;

ΔR=(R_п.п.-R_п.кк), где R_п.к. и R_п.п. - радиус полотна 7 диска в прикорневой и периферийной части полотна.

Высота проточной части лопаточного венца ротора ТНД выполнена в радиальном диапазоне AR_n.₄^._B. рабочего колеса 3, определенном из выражения

ΔR_п.ч.л.в.=( R_{max п.ч.}-R_{min п.ч.})/R_{max п.ч.}=(0,26÷0,37),

где R_{max п.ч.} и R_{min п.ч.} - максимальный и минимальный радиусы проточной части ротора ТНД, равные периферийному и корневому радиусам лопатки 5 лопаточного венца рабочего колеса ротора ТНД.

Лопатка 5 рабочего колеса ротора ТНД содержит хвостовик 23 и перо 24 с выпукло-вогнутым профилем стенок, сопряженных входной и выходной кромками 25 и 26. В ободе 8 диска 4 выполнены пазы под елочные замки 27 хвостовика 23 лопатки с радиальной плоскостью симметрии, проходящей через ось двигателя.

Перо 24 лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте угол ϕ_уст.л. установки профиля пера, определенный как угол между хордой, проведенной по центрам входной и выходной кромок 25 и 26, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца. Угол ϕ_уст.п. установки профиля пера 24 выполнен убывающим по высоте лопатки 5 с градиентом G_уст.п изменения угла ϕ_уст.п, определенном из выражения в диапазоне значений

G_уст.п.=(ϕ_{уст.п.к.}-ϕ_{уст.п.п.})/Н_л.=(0,47÷0,62) [рад/м],

где ϕ_{уст.п.к..}и ϕ_{уст.п.п.} - угол установки профиля в корневом и периферийном сечении пера лопатки; Н_л. - средняя высота пера лопатки.

Перо 24 лопатки 5 выполнено с отрицательной парусностью по высоте лопатки, определяемой градиентом G_пар.л. парусности лопатки

G_пар.л=(В_{пар.л.п.}-В_{пар.л.к.})/Н_л.=[-(3,4÷4,8)×10^-2] [м/м]

где В_{пар.л.к.} и В_{пар.л.п.} - соответственно корневая и периферийная хорды пера, проведенные по центрам входной и выходной кромок профиля пера.

Внутренняя полость 28 пера 24 лопатки 5 в средней ее части снабжена совокупностью выполненных за одно целое с оболочкой пера лопатки стержневых элементов 29 с поперечными и продольными рядами, наделенных функцией высокотеплопроводной перемычки между стенками пера лопатки.

Периферийный торец 30 лопатки 5 выполнен с бандажной полкой 31, имеющей Z-образные контактные торцы 32 зацепления с бандажными полками смежных лопаток в бандажном кольце. Бандажная полка 31 лопатки наделена, по меньшей мере, одним зубом 33 лабиринтного уплотнения для уменьшения радиального зазора между ротором и статором ТНД. Хвостовик 23 лопатки 5 с фронтальной стороны наделен пазом 34 для заведения разрезного кольца, фиксирующего лопатки 5 от осевых смещений.

Тракт воздушного охлаждения лопатки 5 ротора ТНД на входе в полость 28 лопатки проложен через хвостовик 23 лопатки, включая последовательные участки канала 35 тракта в елочном замке 27, ножке 36 и полке 37 к диффузорному выходу из полости 28 в проточную часть турбины через каналы 38 в периферийном торце 30 пера 24. Выходные каналы 38 в периферийном торце 30 пера выполнены с площадью проходного сечения не менее чем в 3,35 раза превышающей площадь проходное сечение каналов 39 на входе в полость 28 лопатки.

Узел соединения вала 1 ротора с диском 4 рабочего колеса 3 ТНД образован сочетанием двух кольцевых элементов - радиального фланца 15 тыльного консольного кольцевого элемента 14, выполненного за одно целое со ступицей 6 диска 4, и ответного фланца 16 цапфы 2 вала РНД. Фланцевый узел выполнен полифункциональным, совмещающем конструктивную функцию разъемного силового соединения фланцев 15 и 16 с функцией аэропрозрачного многоканального переходного участка тракта воздушного охлаждения теплонапряженных элементов рабочего колеса 3 ротора ТНД.

Для выполнения первой из указанных функций фланец 14 наделен отверстиями 17 под крепежные элементы разъемного соединения с цапфой 2 вала РНД, выполненными с угловой частотой γ_{отв.ф.т.}=(4,8÷7,3) [ед/рад].

Для выполнения второй функции во фланцевом соединении выполнены каналы 18 тракта воздушного охлаждения, размещенные с регулярным чередованием не менее чем через одно отверстие 17 под крепежные элементы. Суммарная выходная площадь F_вых. поперечного сечения указанного участка тракта воздушного охлаждения ротора составляет не менее одной пятой части от суммарной площади F_вх. входных отверстий 40, выполненных в образующем канал подвода охлаждающего воздуха кольцевом элементе 20, огибающим ступицу 6 диска 4 ротора ТНД и сообщенном на входе через фронтальную промежуточную полость 41 с расположенным под сопловым венцом лопаток 42 соплового аппарата 43 ТНД транзитным коллектором 44 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД.

Предлагаемый изобретением тракт воздушного охлаждения ротора ТНД на входе включает узел подачи охлаждающего воздуха из ВВТ во входной коллектор 45 соплового аппарата 43 ТНД. Входной коллектор 45 размещен в полом корпусе наружного кольца 46 СА, наделен не менее чем двумя входными отверстиями и функционально совмещен с входным узлом тракта воздушного охлаждения сопловых лопаток 42 СА.

Тракт воздушного охлаждения ротора ТНД продолжен совокупностью транзитных трубок (на чертежах не показано), пропущенных через центральную часть полости средней лопатки 42 трехлопаточного соплового блока СА с угловой частотой у_тт.в сопловом венце, определенной в диапазоне значений

γ_т.т.=N_т.т./2π=(1,43÷2,34) [ед/рад],

где N_т.т. - количество транзитных трубок.

Транзитные трубки выведены в транзитный коллектор 44 тракта охлаждения. Коллектор 44 образован внутренним кольцом 47 СА, разъемно соединенным с элементами корпуса 48 подшипника задней опоры 21 ТВД, включая выполненную, по меньшей мере, частично за одно целое с ним фронтальную коническую диафрагму 49 и тыльную коническую диафрагму -крышку 50 транзитного коллектора 44. Фронтальная диафрагма 49 наделена кольцевым рядом напорных отверстий 51. Крышка 50 коллектора 44 наделена рядом пропускных отверстий 52, сообщающих транзитный коллектор 44 с промежуточной полостью 41 тракта охлаждения и выполненных с угловой частотой γ_отв.к., определенной в диапазоне значений

γ_отв.к.=N_отв.к./2π=(1,59÷2,86) [ед/рад],

где N_отв.к. - количество отверстий в крышке транзитного коллектора.

Тракт воздушного охлаждения пролонгирован каналом 53, который образован кольцевым элементом 20, огибающим ступицу 6 диска 4 рабочего колеса ротора ТНД. Канал 53 тракта запитан на входе охлаждающим потоком через ряд пропускных входных отверстий 40, выполненных в кольцевом элементе 20 с угловой частотой γ_о.к.э., определенной в диапазоне значений

γ_о.к.э.=N_о.к.э./2π=(3,82÷5,73) [ед/рад],

где N_о.к.э. - количество пропускных отверстий в кольцевом элементе 20.

На выходе канал 53 сообщен через аэропрозрачное полифункциональное соединение посредством фланцев 15 и 16 ступицы 6 диска 4 и цапфы 2 вала РНД с примыкающей к диску 4 ТНД тыльной промежуточной кольцевой полостью 54. Посредством тыльной полости 54 тракт охлаждения ротора ТНД сообщен с аппаратом 9 подачи воздуха, подаваемого на охлаждение лопаток 5 рабочего колеса 3 ротора ТНД. Завершен тракт воздушного охлаждения ротора ТНД в полых лопатках 5 рабочего колеса 3 ротора ТНД, открытых на проток по торцам, наделенным каждый парой разнесенных по ширине пера лопатки каналов 39 на входе и каналов 38 в периферийном торце 30 пера лопатки с выходом нагретого воздуха в проточную часть турбины.

Заявленный аппарат подачи воздуха в тракт воздушного охлаждения лопатки ротора ТНД включает напорное кольцо 10, прикрепленное посредством цилиндрического фланца 55 к полотну 7 диска 4 рабочего колеса 3 дискретными крепежными элементами 56 с угловой частотой γ_к.э.а.з., определенной в диапазоне значений

γ_к.э.а.з.=N_к.э.а.з./2π=(7,64π11,46) [ед/рад],

где N_к.э.а.з. ^_ количество крепежных элементов фланцевого соединения аппарата подачи воздуха.

Напорное кольцо 10 выполнено в виде моноколеса, наделенного со стороны, обращенной к диску 4 рабочего колеса ротора воздухозаборной крыльчаткой, а также конструктивно и функционально совмещено с кольцевым консольным держателем 57 лабиринта и с балансировочным кольцом 58, расположенным с внешней стороны последнего.

Крыльчатка состоит из системы наклонных воздухозаборных длинных и коротких лопаток 12 и 13, дифференцированных по конфигурации и длине. Длинные лопатки 12 выполнены с постоянной шириной поперечного сечения, короткие лопатки 13 выполнены клиновидной формы. Лопатки 12 и 13 расположены с чередованием через одну с одинаковым наклоном в сторону вращения рабочего колеса 3 под углом ϕ_л.а.з. с вершиной в точке пересечения касательной к контуру напорного кольца 10 с осью более длинной лопатки 12 и/или с биссектрисой угла между гранями другой более короткой лопатки 13. Угол ϕ_л.а.з. в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя определен в диапазоне значений ϕ_л.а.з.=(0,42÷0,64) [рад]. Длина L₁ длинных лопаток 12 выполнена достаточной для пересечения под указанным углом ϕ_л.а.з. полной радиальной ширины напорного кольца 10 ротора ТНД. Длина L₂ коротких клиновидных лопаток 13 принята не менее 0,4 длины Li длинных лопаток L₂≥0,4L₁. Угол между гранями клиновидных лопаток 13 принят обеспечивающим параллельность смежных граней длинной и короткой лопаток 12 и 13 напорного кольца 10 аппарата 9 подачи воздуха на охлаждение лопаток.

Аппарат 9 подачи воздуха сообщен с совокупностью каналов 59 воздуха, подаваемого на охлаждения лопаток 5 рабочего колеса ротора ТНД, выполненных в ободе 8 диска 4 рабочего колеса с плоским клиновидным расширением ко входу в полость 28 лопатки с угловой частотой γ_к.о.д., определенной в диапазоне значений γ_к.о.д.=(12,1÷17,2) [ед/рад].

Напорное кольцо 10 совмещает не менее трех функций, а именно, первую функцию рабочего органа, наделенного крыльчаткой для подачи охлаждающего воздуха в обод 8 диска и в полость 28 охлаждаемой лопатки 5; вторую функцию - кольцевого диска, совмещенного с держателем 57 лабиринта, отделяющего полость 54 тракта воздушного охлаждения ротора ТНД от проточной части турбины, и третью функцию кольцевого диска, снабженного расположенным с нерабочей стороны лабиринта балансировочным кольцом 58 с пазом для локального размещения балансировочных грузиков.

Технический результат группы изобретений достигают совокупностью разработанных в изобретении аэродинамических конструктивных и аэродинамических решений и геометрических параметров основных элементов рабочего колеса ТНД, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода с каналом подачи воздуха в полость лопатки, принятого сочетания тонкого полотна и осевой ширины ступицы с консольными элементами кольцевых фланцев, компенсирующей ослабление полотна диска центральным отверстием, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия в ступице принят достаточным для свободного пропуска вала РНД и задней опоры ТВД. Литая конструкция лопаток, выполненных со спиральной закруткой с соблюдением парусности пера по высоте и объемной решеткой во внутренней полости лопатки из высокотеплопроводных стрежней, обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность установки лопатки и снижение утечек воздуха. Технический результат достигают при выполнении лопаток с заявленным диапазоном градиента G_yст.п. осевой закрутки пера лопатки и градиентом G_пар.л. парусности лопатки, выход за пределы интервала в большую или меньшую сторону приводит к рассогласованию эффективности работы лопатки в периферийной и при корневой зонах лопатки и к снижению эффективности охлаждения лопатки. Конструктивные параметры многофункционального напорного кольца аппарата подачи воздуха на охлаждение лопаток, установленного на тыльном кольцевом элементе полотна диска, также обладая высокой жесткостью, обеспечивает стабильность и эффективность работы ТНД.

Рабочее колесо ротора ТНД выполняют следующим образом. Диск 4 рабочего колеса выполняют в виде моноэлемента, включающего ступицу 6 с центральным отверстием и консольными кольцевыми элементами 15 и 19, полотно 7 с ободом 8. Рабочая лопатка 5 ТНД - литая, охлаждаемая с радиальным течением охлаждающего воздуха. Во внутренней полости 28 размещают высокотеплопроводные стержни 29. Периферийная бандажная полка 31 обеспечивает уменьшение радиального зазора, что ведет к повышению КПД турбины. За счет трения контактных поверхностей бандажных полок соседних рабочих лопаток происходит снижение вибрационных нагрузок. Перо 24 лопатки 5 отделено от замковой части полкой 37 в хвостовике 23, формирующей границу потока и защищающую диск от нагрева. Для осевой фиксации лопатки от перемещения против потока на ней выполнен зуб 33. Для осевой фиксации лопатки от перемещения по потоку в хвостовике лопатки выполнен паз, в который входит разрезное кольцо 60 со вставкой.

Охлаждают ротор ТНД газотурбинного двигателя следующим образом. В процессе работы ГТД охлаждающий воздух из ВВТ через два входных отверстия подают во входной коллектор 45 соплового аппарата 43 ТНД. Из входного коллектора 45 часть потока охлаждающего воздуха (~60%) через одиннадцать транзитных трубок поступает в промежуточный транзитный коллектор 44. Из транзитного коллектора 44 через двенадцать пропускных отверстий 52 в крышке 50 коллектора 44 воздух поступает в промежуточную полость 41, охлаждая с фронтальной стороны диск 4 рабочего колеса ТНД. Далее охлаждающий воздух через тридцать отверстий 40 в кольцевом элементе 20 ротора, огибающем ступицу 6 рабочего колеса поступает в канал 53 тракта охлаждения ротора ТНД. На выходе из канала 53 воздух через каналы 18 во фланце 15 ступицы 6 рабочего колеса и цапфы 2 вала РНД поступает в тыльную промежуточную кольцевую полость 54, охлаждая диск 4 рабочего колеса с тыльной стороны и одновременно направляя поток воздуха в напорное кольцо 10 аппарата 9 подачи воздуха на охлаждение лопаток 5. В напорном кольце 10 воздух, проходя через систему воздухозаборных лопаток 12 и 13 крыльчатки и получая подпор давления, поступает в каналы 35 в хвостовике 23 лопатки и заполняет на проток полость 28 пера 24 лопатки. Охлаждающий воздух проходит через решетку стержней 29, увеличивая теплосъем с пера 24 лопатки в средней наиболее теплонапряженной части лопатки, и через отверстия 38 в периферийном торце 30 пера 24 нагретый теплосъемом воздух выходит в проточную часть турбины. При этом стержни создают в потоке охлаждающего воздуха уменьшение проходного сечения и увеличение теплосъема с пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров элементов ротора ТНД достигают повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов ТНД, надежности и ресурса ТНД и двигателя в целом, используемого в составе ГТУ ГПА и в том числе на компрессорных станциях нефтегазовой и энергетической промышленности.