Результат интеллектуальной деятельности: КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известен компрессор газотурбинного двигателя, ротор которого состоит из шлицевого вала и дисков, установленных на шлицевом валу и стянутых по ступицам гайками /1/.

Недостатком такой конструкции является низкая надежность из-за возможности образования трещин по шлицам, расположенным на ступицах дисков, так как шлицы являются концентраторами напряжений.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция компрессора газотурбинного двигателя, в роторе которого установлены диски со шлицами на ступицах, стянутые гайками по ступицам, причем по меньшей мере один из дисков выполнен с двумя рядами шлиц. Остальные диски выполнены с одним рядом шлиц, а у дисков с ограниченной шириной ступицы выполнены под ступицы соседних с ними дисков /2/.

Недостатком такой конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность и повышенный вес компрессора из-за увеличенного расстояния между опорами компрессора, неоптимального расстояния между шлицами и полотнами дисков, а также из-за неоптимальной длины шлиц.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности и уменьшения веса компрессора за счет увеличения радиальной жесткости и снижения веса ротора путем сокращения расстояния между опорами компрессора и оптимизации размещения шлиц дисков ротора в ненагруженной зоне.

Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя, ротор которого включает шлицевой вал и установленные на нем диски, стянутые по ступицам гайками, часть дисков выполнена с одним рядом шлиц, которые выполнены под ступицы соседних с ними дисков, согласно изобретению шлица по меньшей мере одного диска первой ступени с одним рядом шлиц выполнена со стороны выхода из компрессора, при этом D/L=2-8; L/1=3-12, где

D - внутренний диаметр ступицы диска;

L - расстояние от шлиц до полотна диска;

1 - осевая длина шлиц диска по среднему диаметру.

Поскольку шлицы являются концентраторами напряжений, для повышения ресурса и исключения поломки дисков компрессора возникает необходимость выноса шлиц в ненагруженную зону по отношению к полотну диска.

В связи с этим для уменьшения расстояния между подшипниками компрессора диски первых ступеней выполняются с одним рядом шлиц с задней стороны по потоку воздуха в проточной части компрессора, т.е. со стороны выхода из компрессора, а диски последних ступеней - одним рядом шлиц с передней стороны по потоку воздуха в проточной части компрессора, т.е. со стороны входа в компрессор.

При этом расстояние между гайками, стягивающими диски компрессора по ступицам, выполняют минимальным, что позволяет уменьшить расстояние между подшипниками ротора, тем самым увеличивая радиальную жесткость ротора, снизить вес ротора и повысить его надежность.

При этом величина расстояния от шлиц до полотна диска L (вынос шлиц) зависит от размерности компрессора, т.е. от величины внутреннего диаметра D ступиц его дисков. Соотношение D/L необходимо поддерживать в интервале 2-8.

При D/L<2 излишне увеличивается вес ротора компрессора, что снижает его критические обороты. При D/L>8 снижается надежность дисков компрессора из-за попадания шлиц в нагруженную зону диска.

Осевую длину шлиц 1 назначают из условий обеспечения необходимых запасов прочности при передаче крутящего момента с вала на диск компрессора, а также из условий обеспечения работоспособности шлицевых соединений вал-диск в условиях повышенных вибраций ротора компрессора, т.е. из условия отсутствия наклепов и износа шлиц по ресурсу.

При L/1<3 излишне увеличивается длина шлиц дисков, что приводит к увеличению веса ротора компрессора.

При L/1>12 возможен износ шлицевых соединений из-за повышенных контактных напряжений.

На фиг.1 представлен продольный разрез компрессора газотурбинного двигателя, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

Компрессор 1 газотурбинного двигателя состоит из статора 2 и ротора 3, на шлицевом валу 4 которого шлицами 5 установлены диски 6 с рабочими лопатками 7, расположенными в проточной части 8. Воздух в проточной части 8 движется от входа 9 к выходу 10 компрессора 1. Диски первых ступеней 11 по течению воздуха выполнены со шлицами 5 со стороны выхода из компрессора. Диски последних ступеней 12 по течению воздуха выполнены со шлицами 5 со стороны входа в компрессор и по ступицам 13 стянуты между собой передней 14 и задней 15 гайками.

В статоре 2 ротор установлен с помощью переднего радиального подшипника 16 и заднего радиального подшипника 17, примыкающих через лабиринтные уплотнения 18 и 19 к гайкам 14 и 15.

Шлицы 5 осевой длины 1 по среднему диаметру 20 выполнены на выносных элементах 21 ступиц 13 на расстоянии L от полотна 22 дисков 11, 12.

Данное устройство работает следующим образом.

При работе двигателя на ротор 3 компрессора 1 действуют неуравновешенные центробежные силы, вызывающие радиальный прогиб ротора 3, в результате чего увеличиваются радиальные зазоры между статором и ротором и снижается надежность компрессора из-за возможности задевания ротора о статор.

Расположение шлиц 5 на выносных элементах 21 у дисков первых ступеней со стороны выхода из компрессора, а у дисков последних ступеней со стороны входа в компрессор уменьшает расстояние между передней 14 и задней 15 гайками, стягивающими диски, и соответственно между подшипниками 16 и 17, что повышает радиальную жесткость ротора и способствует уменьшению радиальных зазоров между статором 2 и ротором 3. Снижение веса ротора 3 компрессора 1 из-за оптимального выбора расстояния от шлиц до полотна диска L и осевой длины 1 шлиц также способствует уменьшению радиального прогиба ротора и повышению надежности компрессора.

Так как шлицы 5 расположены на оптимальном расстоянии от полотна диска, они работают вне зоны повышенных напряжений ступицы 13, что способствует существенному увеличению ресурса дисков 11, 12.

На газотурбинных установках ГТУ-12П ресурс таких дисков достигает 30000 часов без ремонта.

Источники информации

1. Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1981, с. 89, рис.3.27.

2. Патент РФ №2106538, МКИ F 04 D 29/32, 1998.