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 2565137:

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 третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя содержит диск со ступицей, центральным отверстием, полотно и обод, а также рабочие лопатки, выполненные выпукло-вогнутыми в поперечном сечении. Каждая лопатка включает перо и хвостовик. Обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока конических полок. Суммарная равноплечая часть ширины полок снабжена пазами, в которые заведены хвостовики лопаток. Выступающие за габарит пазов консольные участки полок обода развиты до контакта с ответными полками ободов дисков предшествующей и последующей ступеней. 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=(21÷26)°. Пазы 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=(169,5÷248,4) [град/м]. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса третьей ступени КНД без увеличения материалоемкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение 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 C1, 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 C1, 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. стр. 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 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 третьей ступени, подачи воздушного потока в последующую ступень КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача в части рабочего колеса решается тем, что рабочее колесо ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, согласно изобретению, выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего снабженную центральным отверстием ступицу, сопряженную с полотном, на которое оперт обод, Снабженный рабочими лопатками, имеющими 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, конически расширяющихся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела полок - фронтальной и тыльной, суммарная равноплечая часть ширины которых снабжена пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, а выступающий за габарит пазов консольный участок тыльной полки обода развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из упомянутых 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=(21÷26)°, 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 каждой лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси колеса с градиентом закрутки пера Gз.п, принятым в диапазоне

Gз.п.=(απк)/Lcp=(169,5÷248,4) [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 полотно диска может быть снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

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

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(6,1÷8,6)·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 третьей ступени КНД.

Площадь F1 ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо может быть выполнена составляющей (0,38÷0,55) 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 (1,04÷1,21) раза.

Поставленная задача 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 третьей ступени КНД, число которых принято от 39 до 57 лопаток, при этом каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины третьей ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к оси пера, с градиентом закрутки пера Gз.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне

Gз.п.=(απк)/Lcp=(169,5÷248,4) [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, причем каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, составляет α0=(21÷26)°.

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=(6,1÷8,6)·10-2 [м/м], где

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 третьей 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 третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

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

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

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

Рабочее колесо третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, сопряженную с полотном 4. На полотно 4 оперт обод 5 с рабочими лопатами 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 соединен ассиметрично с полотном 4 диска 1 с образованием двух разноплечих, конически расширяющихся вдоль оси ротора в направлении потока рабочего тела полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11. Суммарная равноплечая часть ширины полок 10 и 11 снабжена пазами 12, в которые заведены хвостовики 9 лопаток 6. Выступающий за габарит пазов 12 консольный участок тыльной полки 11 обода 5 развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора 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=(21÷26)°. 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 13 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.=(απк)/Lcp=(169,5÷248,4) [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.

Полотно 4 диска 1 снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом 14 для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора с возможностью передачи крутящего момента от ТНД, а также радиальных и осевых усилий на элементы, преимущественно, задней опоры вала ротора. Конический элемент 14 выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

Перо 7 лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта 15, наделенного функцией нагнетания, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7, наделенную функцией всасывания потока рабочего тела при вращении рабочего колеса.

Полотно 4 диска 1 рабочего колеса, усиленное ступицей 2, выполнено с центральным отверстием 3, имеющим диаметр, достаточный для обеспечения свободного пропуска через указанное отверстие двигателя.

Перо 7 лопатки 6 выполнено расширяющимся к периферийному торцу 17 с градиентом расширения хорды Gx

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(6,1÷8,6)·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 лопатки.

Периферийный торец 17 пера 7 лопатки 6 выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД.

Площадь F1 ометания воздушного потока лопатками 6 на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,38÷0,55) 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. Площадь F1 принята превышающей площадь F2 на выходе из рабочего колеса у выходной кромки лопаток в (1,04÷1,21) раза.

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

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

Gз.п.=(απк)/Lcp=(169,5÷248,4) [град/м],

где αк - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной 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 с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 7 лопатки, составляет α0=(21÷26)°.

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

Gx=(Lп.х.-Lк.х.)/Lcp=(6,1÷8,6)·10-2 [м/м],

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

Количество лопаток 6 рабочего колеса третьей ступени ротора принято от 39 до 57 лопаток.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта 15 и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7. Хорда, соединяющая боковые кромки 8 пера 7 в корневой зоне 13 образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7 не менее угла α0 установки хвостовика 9 лопатки.

Каждая лопатка 6 снабжена антивибрационной полкой 18, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца 17 пера 7 лопатки 6. Каждый торец 19 указанной полки 18 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 7 толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 16 и корыта 15 относительно условной хорды 20, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки 6.

Рабочее колесо третьей ступени КНД ТРД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 6. Диск третьей ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно 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 - 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 150 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 5°.

Лопатку рабочего колеса третьей 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 18. 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 16 пера 7 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 15 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 18 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 19 антивибрационной полки 18 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 7 с хвостовиком 9 и антивибрационной полкой 18, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера 7 лопатки 6 имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Cmax=4,2 мм; длина хорды пера - 40,4 мм; угол αк установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 24°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Cmax=1,95 мм; длина хорды пера принята 51 мм; угол αп установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 55°;

- средняя длина Lcp профиля пера составляет 145,7 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 третьей ступени устанавливают 57 лопаток. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 16 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 18.

Антивибрационная полка 18 лопатки выполнена с максимальной толщиной 4 мм и размещена на среднем радиусе от оси вращения ротора, принятым 358 мм, с контактными поверхностями, выполненными под углом 26° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.

Рабочее колесо имеет следующие геометрические параметры: входной и выходной диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 508 мм и 517 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 808 мм и 800 мм; максимальная ширина третьей ступени ротора - 43 мм.

В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса третьей ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через силовую барабанно-дисковую оболочку 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 15 пера 7 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 16 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 третьей ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 14 и фронтальную полку 10 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции рабочего колеса третьей 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=(21÷26)° 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=(21÷26)°, найденного в изобретении с учетом углов установки профиля пера предыдущих и последующей ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса рабочего колеса.

При уменьшении угла αк<21° существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 16 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла αк>26° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 15 пера 7 лопатки и снижается КПД. Кроме того, при увеличении угла αк>26° 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<169,5 [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.>248,4 [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 третьей ступени ротора с предыдущими и последующей ступенями компрессора низкого давления.

Градиент Gx увеличения хорды 20 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 17. Парусность пера 7 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту Gx углового расширения хорды 20 пера с заявленным диапазоном Gx=(6,1÷8,6)·10-2 [м/м], при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 7 к средней длине Lср пера (Gx<6,1·10-2) 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 16 лопатки. Увеличение (Gx>8,6·10-2) 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 третьей 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 14, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим не менее 35°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 4 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<35° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса третьей 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 компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, характеризующееся тем, что выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего снабженную центральным отверстием ступицу, сопряженную с полотном, на которое оперт обод, снабженный рабочими лопатками, имеющими 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, конически расширяющихся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела полок - фронтальной и тыльной, суммарная равноплечая часть ширины которых снабжена пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, а выступающий за габарит пазов консольный участок тыльной полки обода развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из упомянутых 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=(21÷26)°, a 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 каждой лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси колеса с градиентом закрутки пера Gз.п., принятым в диапазоне
Gз.п.=(αпк)/Lср=(169,5÷248,4) [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 полотно диска снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

3. 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=(6,1÷8,6)·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.

4. Рабочее колесо по п. 3, отличающееся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД.

5. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что площадь F1 ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,38÷0,55) 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 (1,04÷1,21) раза.

6. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, характеризующееся тем, что содержит рабочие лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе третьей ступени КНД, число которых принято от 39 до 57 лопаток, при этом каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины третьей ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к оси пера, с градиентом закрутки пера Gз.п., определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне
Gз.п.=(αпк)/Lcp=(169,5÷248,4) [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, причем каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, составляет α0=(21÷26)°.

7. Рабочее колесо по п. 6, 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=(6,1÷8,6)·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.

8. Рабочее колесо по п. 6, 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.

9. Рабочее колесо по п. 6, 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.

10. Рабочее колесо по п. 8, 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 турбореактивных двигателей. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

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.

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД.

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.

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.

Рабочее колесо второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя содержит диск со ступицей, центральным отверстием, полотно и обод, а также рабочие лопатки, выполненные выпукло-вогнутыми в поперечном сечении.

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД.

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.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

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.

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД.

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.

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.

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД.

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 области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Фронтальная полка превышает ширину тыльной полки. 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 второй ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх