Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)



Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)
Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)
Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)
Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)
Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (варианты)

 


Владельцы патента RU 2565091:

Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ОАО "УМПО") (RU)

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД. Рабочее колесо первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя содержит диск со ступицей, центральным отверстием, полотно и обод, а также выпукло-вогнутых в поперечном сечении лопатки. Каждая лопатка включает перо и хвостовик. Обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока фронтальной и тыльной конических полок. Суммарная равноплечая часть ширины полок снабжена пазами, в которые заведены хвостовики лопаток. Тыльная полка обода дополнена выступающим за габарит пера лопатки кольцевым уширением, превышающим ширину фронтальной полки. Продольная ось каждого из пазов образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера, угол α0 установки хвостовика в диапазоне значений α0=(17÷27)°. Пазы равномерно разнесены по периметру диска. При этом хорда боковых кромок пера в корневой зоне лопатки образует с осью ротора в проекции угол установки пера αк, нарастающий по радиальной высоте пера с градиентом закрутки пера, составляющим Gз.п.=(124,0÷186,8) [град/м]. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса первой ступени КНД без увеличения материалоемкости. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные 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).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 С1, опубл. 27.02.2013).

Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (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. 257-263).

К недостаткам известных решений относятся непроработанность 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 рабочего колеса 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.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса 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 в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, согласно изобретению, выполнено в качестве рабочего колеса первой ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая перо с осью, боковыми кромками и хвостовик с продольной осью; при этом перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым в поперечном сечении лопатки с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, а обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока рабочего тела фронтальной и тыльной конических полок, суммарная равноплечая часть ширины которых выполнена с пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, кроме того, тыльная полка обода дополнена выступающим за габарит пера лопатки кольцевым уширением, превышающим ширину фронтальной полки, и развита до силового контакта с ответной полкой обода диска следующей ступени ротора и соединения с ней с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из указанных пазов диска образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера лопатки, угол α0 установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α0=(17÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом хорда, соединяющая в корневой зоне боковые кромки пера лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера Gз.п., принятым в диапазоне

Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м],

где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

При этом ширина тыльной конической полки обода диска может превышать ширину фронтальной полки не менее чем в два раза, а полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, предназначенным для силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры ротора и выполненным с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней грани обода, и принятый в диапазоне β=(52÷72)°.

Уширение тыльной полки может быть снабжено по внешней грани обода элементами лабиринтного уплотнения, выполненными для газодинамического взаимодействия с элементами периферийного торца неподвижной лопатки расположенного за рабочим колесом направляющего аппарата статора КНД.

Перо лопатки может быть выполнено расширяющимся к периферийному торцу с градиентом расширения хорды Gx

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],

где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД.

Площадь F1 ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо может быть выполнена составляющей (0,75÷0,86) от полной площади F0, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, при этом площадь F1 принята превышающей площадь F2 на выходе из колеса у выходной кромки лопаток в (1,05÷1,34) раза.

Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, согласно изобретению, содержит лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе первой ступени КНД, число которых принято от 29 до 44 лопаток, а каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины первой ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальном к радиальной оси пера, с градиентом закрутки пера Gз.п., определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне

Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м],

где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки; кроме того, каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком, имеющим продольную ось, размещенную под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки составляет α0=(17÷27)°.

При этом перо каждой лопатки может быть выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды Gx

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],

где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

Перо каждой лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым - с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того, хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера не менее угла α0 установки хвостовика лопатки.

Каждая лопатка может быть снабжена антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

Перо каждой лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображено рабочее колесо первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - лопатка рабочего колеса первой ступени, вид сверху;

на фиг. 4 - перо лопатки рабочего колеса первой ступени, поперечный разрез;

на фиг. 5 - фрагмент обода диска рабочего колеса первой ступени, фронтальная проекция.

Рабочее колесо первой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, полотно 4 и обод 5, а также комплект лопаток 6. Лопатки 6 выполнены выпукло-вогнутыми в поперечном сечении и имеют каждая перо 7 с осью, боковыми кромками 8 и хвостовик 9 с продольной осью.

Обод 5 ассиметрично соединен с полотном 4 диска 1 с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока рабочего тела фронтальной и тыльной конических полок 10 и 11 соответственно. Суммарная равноплечая часть ширины полок 10 и 11 выполнена с пазами 12 с заведенными в них хвостовиками 9 лопаток 6. Тыльная полка 11 обода 5 дополнена выступающим за габарит пера 7 лопатки 6 кольцевым уширением 13, превышающим ширину фронтальной полки 10. Тыльная полка 11 развита до силового контакта с ответной полкой обода диска следующей ступени ротора и соединения с ней с возможностью передачи крутящего момента.

Продольная ось каждого из указанных пазов 12 диска 1 образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера 7 лопатки 6, угол α0 установки хвостовика 9 лопатки 6, определенный в диапазоне значений α0=(17÷27)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска 1 и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 9 лопатки 6.

Хорда, соединяющая в корневой зоне 14 боковые кромки 8 пера 7 каждой лопатки 6, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7 лопатки 6, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера 7 Gз.п., принятым в диапазоне

Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м],

где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

Ширина тыльной конической полки 11 обода 5 диска 1 превышает ширину фронтальной полки 10 не менее чем в два раза. Полотно 4 с фронтальной стороны диска 1 в зоне, примыкающей к ободу 5, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 15. Кольцевой элемент 15 выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска 1, превышающим угол наклона образующей внешней грани обода 5, и принятый в диапазоне β=(52÷72)°. Кольцевой элемент 15 выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры ротора и передачи через конический элемент 15 диска 1 радиальных, осевых усилий и крутящего момента на элементы передней опоры.

Перо 7 лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым - с вогнутой поверхностью в виде корыта 16 и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 17 пера 7. Полотно 4 диска 1 рабочего колеса, усиленное ступицей 2, выполнено с центральным отверстием 3, имеющим диаметр, достаточный для обеспечения свободного пропуска через указанное отверстие в процессе монтажа шлицевой трубы двигателя.

Кольцевое уширение 13 тыльной полки 11 снабжено по внешней грани обода 5 элементами 18 лабиринтного уплотнения, выполненными для газодинамического взаимодействия с элементами периферийного торца неподвижной лопатки, расположенного за рабочим колесом направляющего аппарата статора КНД.

Перо 7 лопатки 6 выполнено расширяющимся к периферийному торцу 19 с градиентом расширения хорды Gx

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],

где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера 7 лопатки.

Периферийный торец 19 пера 7 лопатки 6 выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД.

Площадь F1 ометания воздушного потока лопатками 6 на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,75÷0,86) от полной площади F0, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата, в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя. Площадь F1 принята превышающей площадь F2 на выходе из колеса у выходной кромки лопаток 6 в (1,05÷1,34) раза.

По второму варианту настоящего изобретения рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, содержит лопатки 6, предназначенные для установки в имеющем диск 1 с пазами 12 рабочем колесе первой ступени КНД. Каждая лопатка 6 включает перо 7 с осью. Длина пера 7 по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины первой ступени КНД.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к радиальной оси пера 7, с градиентом закрутки пера Gз.п., определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне

Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м],

где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

Каждая лопатка 6 снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов 12 диска 1 хвостовиком 9, имеющим продольную ось, размещенную под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 7 лопатки составляет α0=(17÷27)°.

Перо 7 каждой лопатки 6 комплекта выполнено с боковыми кромками 8, расходящимися к периферийному торцу 19 с градиентом увеличения хорды Gx

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],

где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера 7 лопатки.

Количество лопаток 6 рабочего колеса первой ступени ротора принято от 29 до 44 лопаток.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым - с вогнутой поверхностью в виде корыта 16 и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 17 пера 7. Хорда, соединяющая боковые кромки 8 пера 7 в корневой зоне 14, образует с осью ротора в проекции на условную плоскость угол установки пера 7 не менее угла α0 установки хвостовика 9 лопатки 6.

Каждая лопатка 6 снабжена антивибрационной полкой 20, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца 19 пера 7 лопатки 6. Каждый торец 21 указанной полки 20 выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 17 и корыта 16 относительно условной хорды 22, соединяющей боковые кромки 8 пера лопатки.

Рабочее колесо первой ступени КНД ТРД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 6. Диск первой ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 2, полотно 4 и обод 5. Профили полотна 4 и ступицы 2 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°.

Лопатку рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участках расположения хвостовика 9 и антивибрационной полки 20. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 17 пера 7 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 16 пера 7 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 9.

Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 7 и антивибрационной полки 20 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 21 антивибрационной полки 20 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 7 с хвостовиком 8 и антивибрационной полкой 20, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера лопатки имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера 1 лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmax=5,6 мм; длина хорды пера - 61,5 мм; угол αк установки профиля пера 1 к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 22°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmax=2,08 мм; длина хорды пера принята 82 мм; угол αп установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 60°;

- средняя осевая длина Lcp профиля пера 1 составляет 245 мм.

На внешней стороне обода 5 диска 1 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток путем установки хвостовика 9 в пазу 12 обода 5 диска. В рабочем колесе первой ступени устанавливают 37 лопаток. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 20 мм.

Лопатки удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Каждую лопатку удерживают в диске от перемещения в направлении протяжки паза с помощью штифта. Лопатки сопрягают по ответным торцам смежных антивибрационных полок.

Антивибрационная полка 20 лопатки выполнена с максимальной толщиной 5 мм и размещена на среднем радиусе от оси вращения ротора, принятым 388 мм, с контактными поверхностями, выполненными под углом 25° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.

Рабочее колесо имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 364 мм и 415 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 892 мм и 869 мм; максимальная ширина первой ступени ротора - 63 мм.

В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса первой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора КНД с включением в работу лопаток 6 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 16 пера 7 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 17 пера 7, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 6 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора первой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 15 и тыльную полку 11 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции рабочего колеса первой ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 7 в корневом сечении лопатки под углом αк к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 7, в диапазоне угловых значений αк=(17÷27)° в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации пера 7 и градиентов их изменения по высоте лопатки 6. В качестве оси пера 7 лопатки принята единственная прямая продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля. В качестве оси ротора принята ось вращения ротора. При назначении угла αк в корневом сечении лопатки, принятом из интервала значений αк=(17÷27)°, найденного в изобретении с учетом углов установки профиля пера последующих ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса рабочего колеса.

При уменьшении угла αк<17° существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 17 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла αк>27° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 16 пера 7 лопатки и снижается КПД. Кроме того, при увеличении угла αк>27° неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости рабочего колеса и в конечном счете к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов Gз.п. по длине Lcp пера 7 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента Gз.п.<124,0 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 17 лопатки 6 с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды пера 7 по длине лопатки до значений градиента Gз.п., превышающих верхний принятый по изобретению предел Gз.п.>186,8 [град/М], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 7 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы первой ступени ротора с последующими ступенями компрессора низкого давления.

Градиент Gx увеличения хорды 22 пера 7 лопатки 6 по средней длине Lcp пера 7 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 8 пера 1 от втулки до периферийного торца 19. Парусность пера 7 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту Gx углового расширения хорды 22 пера с заявленным диапазоном Gx=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м], при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 7 к средней длине Lcp пера (Gx<7,2÷10-2) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 17 лопатки. Увеличение (Gx>10,7÷10-2) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера лопатки и к снижению КПД компрессора.

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 5 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 4 и осевой ширины ступицы 2, компенсирующей ослабление полотна 4 диска центральным отверстием 3, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 3 в ступице 2 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 2 не менее чем на 10% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Полотно 4 снабжено коническим кольцевым элементом 15, 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 4 с конической диафрагмой и ресурса диска 1 в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, одновременно обеспечивая 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 рабочего колеса.

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

1. Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, характеризующееся тем, что выполнено в качестве рабочего колеса первой ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая перо с осью, боковыми кромками и хвостовик с продольной осью; при этом перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым в поперечном сечении лопатки с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, а обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока рабочего тела фронтальной и тыльной конических полок, суммарная равноплечая часть ширины которых выполнена с пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, кроме того тыльная полка обода дополнена выступающим за габарит пера лопатки кольцевым уширением, превышающим ширину фронтальной полки, и развита до силового контакта с ответной полкой обода диска следующей ступени ротора и соединения с ней с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из указанных пазов диска образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера лопатки, угол α0 установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α0=(17÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом хорда, соединяющая в корневой зоне боковые кромки пера лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера Gз.п., принятым в диапазоне
Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м], где
αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что ширина тыльной конической полки обода диска превышает ширину фронтальной полки не менее чем в два раза, а полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, предназначенным для силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры ротора и выполненным с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней грани обода, и принятый в диапазоне β=(52÷72)°.

3. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что уширение тыльной полки снабжено по внешней грани обода элементами лабиринтного уплотнения, выполненными для газодинамического взаимодействия с элементами периферийного торца неподвижной лопатки расположенного за рабочим колесом направляющего аппарата статора КНД.

4. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что перо лопатки выполнено расширяющимся к периферийному торцу с градиентом расширения хорды Gx
Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],
где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

5. Рабочее колесо по п. 4, отличающееся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД.

6. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что площадь F1 ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,75÷0,86) от полной площади F0, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, при этом площадь F1 принята превышающей площадь F2 на выходе из колеса у выходной кромки лопаток в (1,05÷1,34) раза.

7. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, характеризующееся тем, что содержит лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе первой ступени КНД, число которых принято от 29 до 44 лопаток, а каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины первой ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно о си ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальном к радиальной оси пера, с градиентом закрутки пера Gз.п., определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне
Gз.п.=(αпк)/Lcp=(124,0÷186,8) [град/м],
где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; αп - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки; кроме того каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком, имеющим продольную ось, размещенную под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки составляет α0=(17÷27)°.

8. Рабочее колесо по п. 7, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды Gx
Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(7,2÷10,7)·10-2 [м/м],
где Lп.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lк.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; Lcp - средняя осевая длина пера лопатки.

9. Рабочее колесо по п. 7, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено выпукло-вогнутым - с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того, хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера не менее угла α0 установки хвостовика лопатки.

10. Рабочее колесо по п. 7, отличающееся тем, что каждая лопатка снабжена антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

11. Рабочее колесо по п. 9, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных ТРД. Вал компрессора низкого давления выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков.

Дозвуковая лопасть осевой турбомашины, предназначенная располагаться радиально на указанной машине, содержит переднюю кромку, заднюю кромку и две аэродинамические поверхности.

Ротор компрессора турбомашины включает диск, несущий лопатки. Стенка диска на его радиально внешнем конце выполнена из нескольких угловых секторов, каждый из которых ограничен между спинкой первой лопатки и корытом второй лопатки, следующей за первой в окружном направлении.

Газотурбинный двигатель (1) включает в себя диск (13) вентилятора (2) и конусный вал (8) компрессора низкого давления (3), закрепленные радиальными фланцами (9) и (16) на радиальном фланце (11) общего вала (12) вентилятора призонными болтами (19).

Газотурбинный двигатель (1) включает в себя корпус приводов (2) с расположенным за ним ниже по потоку воздуха (3) компрессором (4) с передними по потоку спрямляющими (8) и рабочими (9) титановыми лопатками.

Предлагаемое изобретение относится к втулке воздушного винта с лопастями с изменяемым углом установки для газотурбинного двигателя, в частности для газотурбинного двигателя с вентилятором, не закрытым обтекателем.

Изобретение относится к компрессорной рабочей лопатке (10) для компрессоров с осевым потоком предпочтительно стационарных газовых турбин. Предусмотрено, что для уменьшения потерь в радиальном зазоре средняя линия (32) расположенных на стороне вершины лопатки профилей (30) пера (12) компрессорной рабочей лопатки (10) имеет по меньшей мере две точки (36, 38) перегиба.

Настоящее изобретение относится к области очистки и сжатия воздуха, а именно к циркуляционному форсированному и вентиляционному воздушному компрессору. Циркуляционный форсированный и вентиляционный воздушный компрессор, включающий корпус компрессора и ротор, отличается тем, что ротор состоит из лопаточного колеса и ведущего вала; лопаточное колесо состоит из ступицы вала, диска лопаточного колеса и рабочих лопаток; лопаточное колесо соединено с диском лопаточного колеса с помощью хвостовиков рабочих лопаток и сформировано сложением множества ярусов перьев рабочих лопаток; воздушный канал выполнен между двумя смежными перьями рабочих лопаток и имеет вход воздушного канала и выход воздушного канала.

Направляющая лопатка компрессора или рабочая лопатка осевого компрессора с осевым направлением, радиальным направлением (R), ступицей компрессора и корпусом компрессора.

Изобретение относится к вентиляторостроению, а именно к осевым турбомашинам, и может быть использовано в осевых вентиляторах для проветривания шахт, рудников и метрополитенов.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных ТРД. Вал компрессора низкого давления выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков.

Газотурбинный двигатель включает вентилятор и компрессор низкого давления, рабочие колеса которых установлены на общем валу с помощью осевых болтов с гайками. На осевые болты между гайкой и фланцем крепления рабочего колеса вентилятора к валу установлены балансировочные удлинительные втулки, во внутренней полости которых расположен участок перехода от резьбовой части хвостовика болта к цилиндрической.

Изобретение относится к области турбомашиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов осевых компрессоров и турбин. Ротор газотурбинного двигателя содержит диски рабочего колеса, сопряженные поверхностями внутреннего и внешнего кольцевых посадочных элементов, а также втулки с установленными в них штифтами.

Прямозубое цилиндрическое зацепление между роторами движущихся деталей турбомашины содержит два зубчатых венца. Каждый зубчатый венец расположен на конце движущейся детали и находится в зацеплении с другим зубчатым венцом, оставляя свободным проход для воздуха между горловинами охватывающих частей и концами охватываемых частей зубьев.

Изобретение относится к турбинам двухконтурных газотурбинных двигателей авиационного применения. Турбина двухконтурного газотурбинного двигателя включает турбины высокого и низкого давлений с опорами ротора турбин.

Изобретение относится к роторам высокотемпературных турбомашин газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. В роторе (1) высокотемпературной турбомашины между первым (7) и вторым (8) и предпоследним (9) и последним (10) по потоку газа (11) уплотнительными гребешками в ободе (6) промежуточного диска 5 выполнены радиальные каналы (13) и (14), соединяющие воздушную междисковую полость (4) с газовой полостью (12) турбины.

Турбина низкого давления газотурбинного двигателя содержит лопаточные диски, соединенные с валом турбины через конусную цапфу. Лопаточные диски и конусная цапфа содержат на своей внутренней и наружной периферии, соответственно, кольцевые фланцы с выступами, образованными чередованием сплошных частей и полых частей.

Предложен вкладыш (10) и способ изменения уравновешивающего пар сквозного отверстия (54) в рабочем колесе (52) ротора паровой турбины. Вкладыш (10) содержит корпус (12), имеющий продольную ось (14) и противоположно расположенные первый и второй концы (16, 18).

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в конструкциях осевых компрессоров и турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Настоящее изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в конструкциях многоступенчатых компрессоров и турбин газотурбинных двигателей, энергетических установках паро- и гидротурбинах.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод симметрично соединен с полотном диска с образованием равноплечих кольцевых полок. Полотно диска выполнено с возможностью разъемного соединения через проставку с полкой диска предшествующей ступени. Обод диска выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора. Обод диска снабжен системой пазов для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с заявленной угловой частотой и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса последней ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх