Диск четвёртой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя



Диск четвёртой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя
Диск четвёртой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя

 


Владельцы патента RU 2603307:

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками, разделенными кольцевым пазом, и полотно. Фронтальная полка обода снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта, а торец кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом третьей ступени. Полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу. Ступица выполнена с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (5,5÷7,3) раза. Средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,54÷0,78) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса последней четвертой ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известен диск четвертой ступени ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск четвертой ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва, Наука, 2011, стр. 249-259).

К недостаткам известных решений относятся отсутствие системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия диска четвертой 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 диска.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД ступени, согласованности в предыдущими ступенями КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками, разделенными по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, при этом фронтальная полка обода диска снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени, а торец указанного кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (5,5÷7,3) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,54÷0,78) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, кроме того, внешняя поверхность обода диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора.

При этом полотно с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела может быть снабжено кольцевым приливом для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

Кольцевой элемент с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки обода диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, может быть выполнен с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.

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

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен диск четвертой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с проточной частью 2, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу. Диск рабочего колеса четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, обод 5 с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками 6 и 7 соответственно, разделенными по периметру обода 5 кольцевым пазом 8 для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно 9.

Фронтальная полка 6 обода 5 диска снабжена понизу кольцевым элементом 10 с гребнями 11 лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта (на чертежах не показано) с истираемым покрытием внутреннего кольца - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени. Торец 12 кольцевого элемента 10 диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени.

Полотно 9 диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы 3 к ободу 5. Ступица 3 выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна 8, нормальной к оси 13 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части 14 полотна 8 в (5,5÷7,3) раза.

Средний радиус Rcp диска от оси 13 вала ротора до внешней поверхности 15 обода 5 в условной плоскости симметрии полотна 9 составляет (0,54÷0,78) от радиуса Rпр периферийного контура проточной части двигателя. Внешняя поверхность 15 обода 5 диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз 8 лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода 5 на ось 13 вала ротора.

Полотно 9 с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела снабжено кольцевым приливом 16 для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

Кольцевой элемент 10 с лабиринтом выполнен отходящим от нижней части фронтальной полки 6 обода 5 диска в направлении навстречу потоку рабочего тела и выполнен с углом наклона относительно оси 13 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части 2.

Диск последней ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 32 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 290 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 57 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска -524 мм и 528 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 2°.

На внешней стороне обода 5 диска расположен кольцевой паз 8 для крепления лопаток в количестве 38 штук. Паз 8 изготовлен точением. Паз 8 выполнен со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 35°; ширина основания паза - 50 мм.

При запуске турбореактивного двигателя диск последней ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5 с кольцевыми полками 6 и 7, принятого сочетания сужающего полотна 9 и осевой ширины ступицы 3, компенсирующей ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 4. Выполнение ширины ступицы 3, превышающей толщину прикорневой части полотна 9 в (5,5÷7,3) раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 3 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска четвертой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус Rcp диска от оси 13 вала ротора до внешней поверхности 15 обода 5 в средней плоскости полотна 9 составляет (0,54÷0,78) от радиуса Rпр периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (Rcp/Rпр)<0,54 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предыдущих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (Rcp/Rпр)>0,78 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне последней четвертой ступени компрессора при неоправданном повышении материалоемкости диска и, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя.

В кольцевом пазу имеется заводное отверстие прямоугольной формы для монтажа 38 лопаток (на чертежах не показано). При уменьшении числа лопаток нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске четвертой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

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

1. Диск рабочего колеса четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками, разделенными по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, при этом фронтальная полка обода диска снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени, а торец указанного кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (5,5÷7,3) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,54÷0,78) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, кроме того, внешняя поверхность обода диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора.

2. Диск четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что полотно с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела снабжено кольцевым приливом для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.

3. Диск четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой элемент с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки обода диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, выполнен с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления ГТД 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 турбореактивных двигателей. Диск третьей ступени выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием и снабженную кольцевым коническим силовым элементом с углом наклона образующей и радиусом выходной контактной кромки, равными ответным параметрам упомянутой конической диафрагмы цапфы задней опоры вала.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ГТД 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 турбореактивных двигателей. Диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ТРД диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса и полотно, снабженное наклонными полками.

Лопатка турбомашины включает перо, вытянутое в радиальном направлении между ножкой и вершиной, в осевом направлении - между передней кромкой и задней кромкой, а в тангенциальном направлении - между корытом и спинкой.

Изобретение относится к турбореактивным или турбовинтовым самолетам. Лопаточное колесо турбомашины, содержащее диск, внешняя периферия которого образована по меньшей мере с одним гнездом для установки ножек лопаток и вставкой (7), установленной между каждой ножкой лопатки и дном гнезда.

Настоящее изобретение относится к крыльчатке. Лопасть вентилятора по своей радиальной длине имеет по меньшей мере подобные сечения профиля, если смотреть в сечении цилиндра через лопасти вентилятора.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления ГТД 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 турбореактивных двигателей. Диск третьей ступени выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием и снабженную кольцевым коническим силовым элементом с углом наклона образующей и радиусом выходной контактной кромки, равными ответным параметрам упомянутой конической диафрагмы цапфы задней опоры вала.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ГТД 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 турбореактивных двигателей. Диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ТРД диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса и полотно, снабженное наклонными полками.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и теплоэнергетики и может быть использовано при разработке паротурбинных энергоустановок. Валопровод турбоагрегата содержит скрепленные между собой соединительными муфтами и установленные на подшипниковых опорах роторы многоцилиндровой паровой турбины и электрогенератора.

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины, содержащий корпус в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси и выполненный в нем один и более венец со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных по наружной поверхности через равные промежутки в поперечном направлении, при этом корпус содержит металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон, средства для крепления хвостовиков лопатки выполнены в виде корневого элемента под сварку по форме профиля лопатки, а металломатричный композит сформирован по всей наружной поверхности тела вращения слоем толщиной, не превышающей высоту корневого элемента.

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины выполнен в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси с одним и более венцами, со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных через равные промежутки по наружной поверхности, при этом барабан выполнен из металломатричного композита с перекрестной укладкой армирующих волокон, а средства для крепления хвостовиков лопаток выполнены в виде корневых элементов под сварку по форме профиля лопатки, при этом на внутренней поверхности барабана из композита выполнены наплывы, фланцы или цапфы с закладными элементами под сварку, причем наплывы расположены под корневыми элементами.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Рабочее колесо первой ступени вала ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (КНД ГТД) содержит диск, включающий ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие, каждая, хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой. Обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения Gоб=(0,32÷0,46) [м/м]. Обод диска снабжен равномерно разнесенной по периметру диска 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 α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°. Лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом Gу.п=(144,9÷208,3) [град/м]. Кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной. Максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом Gу.т.=(1,0÷1,44)·10-2 [м/м]. Изобретение позволяет повысить КПД и увеличить запас газодинамической устойчивости на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса ротора КНД без увеличения материалоемкости. 2 и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх