ВАЛ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.
Известен вал ротора многоступенчатой турбины двигателя, включающий диски первой, второй и третьей ступени с возможностью оснащения рабочими лопатками. Диски контактируют между собой нижними фланцами. В окружном направлении зафиксированы штифтами, образую внутренний силовой пояс. Диск третьей ступени с помощью фланца прикреплен к валу (RU 2211337 C1, опубл. 27.08.2003)
К недостаткам известного решения относятся низкая жесткость вала компрессора и недостаточная адаптация к конфигурации проточной части двигателя.
Известен осевой компрессор двигателя, содержащий статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа, включающий в себя отдельные рабочие колеса. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками, расположенными последовательно по потоку в продольной плоскости сечения барабана. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска в полотне второго диска. Кольцевой бурт второго диска образует трактовую барабанную оболочку, выполняя роль проставки между вторым и первым дисками каждой последующей рабочей ступени. На ободах дисков рабочих колес выполнены 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).
Известен вал ротора компрессора низкого давления (КНД), включающий систему из четырех дисков, каждый из которых содержит обод для установки и привидения 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 неопределенность соотношений радиальных и угловых параметров дисков, включая параметры, выражающие соотношения величин полок и радиусов ободов дисков как силовых элементов конструкции вала и силовой оболочки последнего, а также угловой частоты и осевой ориентации пазов для установки рабочих лопаток ротора.
Задача группы объектов полезной модели, связанных единым творческим замыслом, состоит в разработке вала ротора барабанно-дисковой конструкции КНД ТРД с улучшенными геометрической конфигурацией, пространственной жесткостью узлов соединения дисков вала ротора, а также силовыми и аэродинамическими параметрами при повышении общей компактности, технологичности, ремонтопригодности и снижении материалоемкости и трудоемкости сборки вала ротора.
Поставленная задача в части первого объекта полезной модели решается тем, что вал ротора компрессора низкого давления (КНД), имеющего диски с рабочими лопатками, наделенными хвостовиком и пером, и сообщенного с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, согласно полезной модели, выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков, каждый из которых имеет снабженную центральным отверстием массивную ступицу, сообщенную с полотном диска, имеющим толщину, не менее чем в три раза меньшую осевой ширины ступицы, и опертый на полотно обод, снабженный системой наклонных относительно оси вала пазов, предназначенных для установки хвостовиков рабочих лопаток, при этом продольная ось каждого из пазов, по меньшей мере, диска третьей ступени образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷27) [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска, причем ободы первых трех дисков образуют относительно средней плоскости полотна две неравноплечие полки, которыми непосредственно или через цилиндрические проставки диски объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора, сообщенную с опорами КНД и с валом ТНД с возможностью передачи от последней крутящего момента, при этом вал собран из неразъемных монтажных секций, число которых в барабанно-дисковой конструкции вала принято от одной до трех, кроме того вал выполнен с радиальной и угловой конфигурацией внешней поверхности ободов дисков, совмещенной с внутренней поверхностью проточной части двигателя, по меньшей мере, на осевом участке обтекания потоком рабочего тела совокупности ободов дисков вала ротора, для чего диски выполнены со ступенчато нарастающим по ходу рабочего тела в условной средней плоскости полотна радиусом обода, с соотношением величин радиусов, считая от оси вала ротора до внешней поверхности обода диска, (1,0÷1,15):(1,04÷1,4):(1,11÷1,51):(1,14÷1,54), и с углами наклона ободов, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.
При этом полотно диска первой ступени с фронтальной стороны и полотно диска третьей ступени с тыльной стороны могут быть снабжены коническими кольцевыми элементами, расположенными каждый под ободом соответствующего диска, и неразъемно соединенными с ответными коническими диафрагмами цапф передней и задней опоры, замыкающими силовую оболочку с образованием силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала; причем образующая конического элемента диска третьей ступени наклонена к оси вала под углом β=(35°÷65°).
Радиальная величина диска четвертой ступени от внешней поверхности обода до центрального отверстия в ступице и дополняющий ее радиус центрального отверстия могут быть приняты обеспечивающими возможность свободного размещения с зазором относительно внешней поверхности конической диафрагмы задней цапфы.
Пазы дисков вала могут быть выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки типа «ласточкин хвост», а длина пазов принята соизмеримой с длиной хвостовиков лопаток.
В первую неразъемную секцию вала ротора последовательно могут быть включены передняя цапфа, объединенные полками ободов - диск первой ступени и диск второй ступени, к которому в свою очередь неразъемно присоединена цилиндрическая проставка с фланцем, посредством которой первая монтажная секция разъемно соединена с входящим во вторую монтажную секцию диском третьей ступени, для чего в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад], причем в упомянутую вторую монтажную секцию кроме диска третьей ступени включены неразъемно соединенные задняя цапфа и цилиндрическая проставка, а в замыкающую секцию вала, включен диск последней ступени, полотно которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой предшествующей ступени.
Кольцевой конический элемент диска третьей ступени может быть выполнен имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов полок обода.
Каждый из конических элементов дисков первой и третьей ступеней могут быть выполнены с возможностью силового соединения с ответными коническими диафрагмами передней и задней цапф и с возможностью передачи диском крутящего момента от ТНД, а также радиальных и осевых усилий на опоры валы ротора.
Диск четвертой ступени может быть выведен за контур силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала ротора.
ф
Поставленная задача в части второго объекта полезной модели решается тем, что узел соединения дисков вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, согласно полезной модели, объединяет объединяет диск третьей ступени с дисками второй и четвертой ступеней вала ротора посредством прикрепленных к нему с двух сторон кольцевых проставок между указанными дисками с образованием соответствующего участка силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора, причем первая из указанных проставок неразъемно соединена с тыльной полкой обода диска второй ступени и разъемно прикреплена соединительными элементами к полотну диска третьей ступени, а вторая проставка неразъемно, предпочтительно, посредством электронно-лучевой сварки прикреплена к тыльной полке обода диска третьей ступени и разъемно прикреплена соединительными элементами к полотну диска четвертой ступени, причем количество соединительных элементов, которыми к диску третьей ступени прикреплена первая из указанных проставок, в (1,26÷2,14) раза превышает количество соединительных элементов, которыми прикреплена к диску четвертой ступени вторая из указанных проставок, при этом каждая из указанных проставок снабжена Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец с системой отверстий для образования разъемного соединения и пропуска соединительных элементов, радиально разнесенных по периметру фланца с угловой частотой, которая, по меньшей мере, для первой из указанных проставок составляет Y=(5,095÷7,643) [ед/рад], кроме того с идентичными радиусом и угловой частотой аналогичные ответные отверстия, выполнены с разнесением по окружности в полотне присоединяемого диска, и при осевом совмещении с отверстиями проставки упомянутые диски посредством указанных элементов разъемного соединения объединены с возможностью передачи крутящего момента, радиальных и осевых усилий, возникающих в указанном стыке вала ротора КНД.
При этом первая из проставок может быть выполнена кольцевой с радиусом, соответствующим радиусу тыльной полки обода диска второй ступени вала ротора в зоне неразъемного соединения с последней и меньшим радиуса нижней грани, обращенной в сторону стыка фронтальной полки обода диска третьей ступени
Элементы разъемного соединения проставки с диском соответствующей ступени могут быть выполнены в виде призонных болтов.
Технический результат, обеспечиваемый группой объектов полезной модели, связанных единым творческим замыслом, состоит в разработке вала ротора КНД ТРД барабанно-дисковой конструкции повышенной компактности, технологичности, ремонтопригодности с геометрической конфигурацией внешней поверхности обода дисков вала, конгруэнтной потоку рабочего тела и образующей поверхность внутренней стенки проточной части двигателя, и с конструктивным решением вала, обеспечивающим при найденных в полезной модели параметрах повышение ресурса при улучшенной возможности передачи на рабочие лопатки дисков повышенных величин крутящего момента и передачи на элементы опор КНД радиальных и осевых усилий через барабанную оболочку, образованную системой ободов дисков вала с заявленным решением узла соединения дисков, цилиндрических проставок с фланцем с отверстиями для разъемного соединения дисков, конических элементов силового соединения дисков первой и третьей ступеней с ответными коническими диафрагмами цапф передней и задней опор, и выполненную с образованием силового ядра пространственной жесткости при одновременном снижении материале-, энерго- и трудоемкости сборки вала ротора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен компрессор низкого давления ТРД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент диска третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - фрагмент обода диска третьей ступени вала ротора КНД, вид сбоку.
Вал 1 ротора КНД сообщен с валом турбины низкого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью.
Вал 1 ротора КНД выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков 2, 3, 4, 5 с рабочими лопатками 6. Рабочие лопатки 6 наделены хвостовиком 7 и пером 8. Каждый диск 2, 3, 4, 5 имеет массивную ступицу 9 с центральным отверстием 10. Ступица 9 сообщена с полотном 11 диска, имеющим толщину, не менее чем в три раза меньшую осевой ширины ступицы 9. Каждый диск 2, 3, 4, 5 включает также опертый на полотно 11 диска обод 12, снабженный системой наклонных относительно оси вала 1 пазов 13. Пазы 13 предназначены для установки хвостовиков 7 рабочих лопаток 6.
Продольная ось каждого из пазов 13, по меньшей мере, диска 4 третьей ступени образует с осью вала 1 ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера 8, угол α установки хвостовика 7 рабочей лопатки 6, определенный в диапазоне значений α=(21÷27) [град]. Пазы 13 равномерно разнесены по периметру диска 2.
Ободы 12 дисков 2, 3, 4, образуют относительно средней плоскости полотна 11 две неравноплечие полки 14, 15. Непосредственно полками 14, 15 или через цилиндрические проставки 16, 17 диски 2, 3, 4, 5 вала 1 объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора, сообщенную с опорами КНД и с валом ТНД с возможностью передачи от последней крутящего момента. Вал 1 собран из неразъемных монтажных секций, число которых в барабанно-дисковой конструкции вала 1 принято на единицу меньшим числа дисков.
Полотно 11 диска 2 первой ступени с фронтальной стороны и полотно 11 диска 4 третьей ступени с тыльной стороны снабжены коническими кольцевыми элементами 18, 19, расположенными каждый под ободом 12 соответствующего диска 2 и 4. Конические элементы 18, 19 неразъемно соединены с ответными коническими диафрагмами 20 цапф 21 и 22 соответственно передней и задней опоры, замыкающими силовую оболочку с образованием силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала. Образующая конического элемента 19 диска 4 третьей ступени наклонена к оси вала под углом β=(35°÷65°).
Вал 1 ротора выполнен с радиальной и угловой конфигурацией внешней поверхности 23 ободов 12 дисков 2, 3, 4, 5, совмещенной с внутренней поверхностью проточной части двигателя, по меньшей мере, на осевом участке обтекания потоком рабочего тела совокупности ободов 12 дисков вала ротора. Для этого диски 2, 3, 4, 5 выполнены со ступенчато нарастающим по ходу рабочего тела в условной средней плоскости полотна радиусом обода 12, с соотношением величин радиусов, считая от оси вала 1 ротора до внешней поверхности 23 обода 12 диска, (1,0÷1,15):(1,04÷1,4):(1,11÷1,51):(1,14÷1,54), и с углами наклона ободов 12, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.
Ступицы 9 дисков 2, 3, 4, 5 вала выполнены каждая с центральным отверстием 10 с радиусом, ступенчато радиально нарастающим от первого диска 2 к четвертому диску 5 с соотношением радиусов 1:(1,1÷1,5):(1,06÷1,44):(1,7÷2,3).
Радиальная величина диска 5 четвертой ступени от внешней поверхности 23 обода 12 до центрального отверстия 10 в ступице 9 и дополняющий ее радиус центрального отверстия 10 приняты обеспечивающими возможность свободного размещения с зазором относительно внешней поверхности конической диафрагмы 20 задней цапфы 22.
Пазы 13 дисков 2, 3, 4, 5 вала 1 выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями 24, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 7 лопатки 6 типа «ласточкин хвост». Длина пазов 13 принята соизмеримой с длиной хвостовиков 7 лопаток 6.
В первую неразъемную секцию вала ротора последовательно включены передняя цапфа 21, объединенные полками 14 и 15 ободов 12 - диск 2 первой ступени и диск 3 второй ступени, к которому в свою очередь неразъемно присоединена цилиндрическая проставка 16 с фланцем 25. Посредством проставки 16 первая монтажная секция разъемно соединена с входящим во вторую монтажную секцию диском 4 третьей ступени. Для чего в полотне 11 диска 4 под ободом 12 выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад]. Во вторую монтажную секцию кроме диска 4 третьей ступени включены неразъемно соединенные задняя цапфа 22 и цилиндрическая проставка 17. В замыкающую секцию вала 1 включен диск 5 последней ступени, полотно 11 которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой 17 предшествующей ступени.
Кольцевой конический элемент 19 диска 4 третьей ступени выполнен имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов тыльной полки 15 обода 12 диска 4.
Каждый из конических элементов 18, 19 диска 2 и диска 4 вала выполнены с возможностью силового соединения с ответными коническими диафрагмами 20 передней и задней цапф 21 и 22 соответственно и с возможностью передачи диском крутящего момента от ТНД, а также радиальных и осевых усилий на опоры валы ротора.
Диск 5 четвертой ступени выведен за контур силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала 1 ротора.
По второму объекту полезной модели узел соединения дисков вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя объединяет диск 4 третьей ступени с дисками 3 и 5 соответственно второй и четвертой ступеней вала ротора посредством прикрепленных к нему с двух сторон кольцевых проставок 16, 17 между указанными дисками с образованием соответствующего участка силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора.
Проставка 16 неразъемно соединена с тыльной полкой 15 обода 12 диска 3 второй ступени и разъемно прикреплена соединительными элементами 26 к полотну 11 диска 4 третьей ступени. Вторая проставка 17 неразъемно, предпочтительно, посредством электронно-лучевой сварки прикреплена к тыльной полке 15 обода 12 диска 4 третьей ступени и разъемно прикреплена соединительными элементами 26 к полотну 11 диска 5 четвертой ступени. Количество соединительных элементов 26, которыми к диску 4 прикреплена проставка 16, в (1,26÷2,14) раза превышает количество соединительных элементов 26, которыми прикреплена к диску 5 проставка 17.
Для чего проставка 16 выполнена кольцевой с радиусом, соответствующим радиусу тыльной полки 15 обода 12 диска 3 второй ступени вала ротора в зоне неразъемного соединения с последней и меньшим радиуса нижней грани, обращенной в сторону стыка фронтальной полки 14 обода 12 диска 4 третьей ступени.
ф
Проставки 16, 17 выполнены шириной, развитой в осевом направлении на величину, достаточную в совокупности с консольным участком полки диска, к которому прикреплена неразъемно, для размещения между соединяемыми дисками системы стационарных лопаток соответствующего направляющего аппарата КНД. Проставки 16, 17 снабжены Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец 25 с системой отверстий для образования разъемного соединения и пропуска соединительных элементов 26, радиально разнесенных по периметру фланца 25 с угловой частотой, которая, по меньшей мере, для проставки 16 составляет Y=(5,095÷7,643) [ед/рад]. С идентичными радиусом и угловой частотой аналогичные ответные отверстия, выполнены с разнесением по окружности в полотне 11 присоединяемого диска 4, 5, и при осевом совмещении с отверстиями проставки 16, 17 упомянутые диски посредством указанных элементов разъемного соединения объединены с возможностью передачи крутящего момента, радиальных и осевых усилий, возникающих в указанном стыке вала ротора КНД.
Элементы 26 разъемного соединения проставки с диском 4, 5 соответствующей ступени выполнены в виде призонных болтов.
Пример реализации полезной модели.
При работе ТРД вал 1 ротора компрессора низкого давления передает крутящий момент от вала ротора турбины низкого давления к дискам 2, 3, 4, 5 всех ступеней КНД. При этом вал ротора обеспечивает стабильность проектной формы и положение дисков всех ступеней в составе барабанно-дисковой конструкции вала ротора КНД на всех возможных режимах работы ТРД за счет восприятия силовой оболочкой вала сочетания нагрузок, возникающих в процессе работе компрессора.