РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГРУЗОК
IMPELLER OF ROTOR OF GAS TURBINE ENGINE WITH COMPENSATION OF CENTRIFUGAL LOADS

Изобретение относится к области турбомашиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов барабанно-дискового типа осевых компрессоров и турбин.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя, включающее лопатки, закрепленные на диске барабана с помощью кольцевых замков «ласточкин хвост», и уплотнительные кольца. Уплотнительные кольца размещены в канавках. В процессе работы двигателя центробежная сила воздействует на уплотнительные кольца таким образом, что заставляет их перемещаться и образовывать плотный контакт со стенками канавки. Это позволяет снизить разницу давлений и утечку рабочего тела, что в конечном итоге способствует понижению износа внутренней поверхности полки лопатки. /US 637429 B1, F01D 5/22, 23.04.2002/ - прототип.
Однако конструкция рабочего колеса ротора по прототипу не предусматривает компенсацию центробежных сил, действующих на ротор от лопаток, что увеличивает массу ротора.
Задачей изобретения является повышение удельных характеристик компрессора и турбины.
Технический результат - снижение массы и габаритов элементов ротора.
Технический результат достигается тем, что рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя содержит лопатки, закрепленные на диске ротора с помощью кольцевых замков «ласточкин хвост», уплотнительные кольца, по крайней мере одно компенсационное отверстие и по крайней мере одну уплотнительную пластину, расположенную на внутренней поверхности полки лопатки, повторяющей ее форму и выполненную с возможностью перекрытия зазоров между лопатками. Компенсационное отверстие выполнено в ободе диска и соединяет полость замка с внутренней полостью ротора, имеющей давление, пониженное по сравнению с давлением в проточной части. Уплотнительные кольца выполнены разъемными и имеют z-образный замок.
Для снижения массы и габаритов конструкции необходимо снизить силы, действующие на элементы конструкции. Основной силой, действующей на рабочее колесо ротора, является центробежная сила. Кроме того, конструкция роторов и опор компрессоров и турбин современных газотурбинных двигателей обеспечивает наличие внутри ротора полости с пониженным относительно проточной части давлением воздуха. Частичная компенсация центробежных нагрузок в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет создания в полости замковой части рабочего колеса ротора зоны пониженного давления по сравнению с давлением в проточной части компрессора или турбины. В результате этого возникает сила, частично компенсирующая центробежные силы, воздействующие на рабочие лопатки компрессора или турбины. Зона пониженного давления в полости замковой части ротора организуется путем сообщения ее, при помощи компенсационных отверстий, выполненных в ободе диска, с внутренней полостью ротора, в которой создано пониженное давление (по сравнению с давлением в проточной части компрессора или турбины) за счет установки уплотнений в опорах ротора. Компенсационные отверстия наиболее целесообразно размещать с внешней стороны относительно контактных выступов замкового паза. Количество компенсационных отверстий обусловлено габаритами рабочего колеса, но, по крайней мере, одно на рабочее колесо.
Для герметизации полости замковой части рабочего колеса ротора под полки лопаток устанавливают уплотнительные кольца (по одному со стороны входа и выхода), а на внутренние поверхности полок рабочих лопаток закрепляют уплотнительные пластины, форма которых повторяет форму внутренней поверхности полки лопатки. В одном из вариантов исполнения уплотнительная пластина выполнена в виде двух стыкующихся элементов, один из которых имеет паз под второй элемент, а уплотнительные кольца выполнены разъемными и имеют z-образный замок. Данные элементы перекрывают зазоры между полками соседних лопаток и поверхностями диска и за счет этого устраняют перетечки рабочего тела из проточной части в замковую полость. Кроме того, стыки уплотнительных колец и пластин выполнены с возможностью перекрытия друг друга после сборки рабочего колеса, что способствует наилучшей герметизации замковой полости со стороны проточной части. Количество устанавливаемых уплотнительных пластин соответствует количеству стыков между лопатками.
Реализация предлагаемого изобретения целесообразна в конструкции роторов газотурбинных двигателей с замком типа кольцевой «ласточкин хвост», поскольку она требует минимального количества уплотнений компенсационных отверстий.
Изобретение проиллюстрировано фиг. 1-3:
фиг. 1 - фрагмент внешней части ротора;
фиг. 2 - замковое соединение в поперечном сечении А-А ротора;
фиг. 3 - вид Б на внутреннюю поверхность полки лопатки.
1 - ротор; 2 - диск; 3 - хвостовик лопатки; 4 - замковая часть лопатки; 5 - лопатка; 6 - компенсационное отверстие; 7 - полка лопатки; 8 - уплотнительные кольца, 9 -уплотнительная пластина.
Ротор 1 имеет диск 2, на котором посредством хвостовиков 3 в замковой части 4 закреплены лопатки 5. В ободе диска 2 выполнено компенсационное отверстие 6, сообщающее между собой замковую часть 4 и внутреннюю полость ротора 1. Под полками 7 лопаток 5 размещены уплотнительные кольца 8, на внутренней поверхности полок 7 закреплены уплотнительные пластины 9.
Предлагаемое изобретение реализуют следующим образом. При работе турбомашины на детали и элементы ротора 1 воздействуют центробежные силы. Внутреннюю полость ротора 1 отделяют от проточной части с помощью уплотнений в опорах ротора, что обеспечивает в ней пониженное давление. Частичную компенсацию центробежной нагрузки, действующей на ротор 1 от рабочих лопаток 5 компрессора, обеспечивают за счет снижения давления в полости замковой части 4 ротора 1. Для этого замковую часть 4 лопатки 5 и внутреннюю полость ротора 1 сообщают друг с другом при помощи компенсационных отверстий 6. При этом на полке 7 рабочей лопатки 5 возникают перепад давления и сила, направленная противоположно центробежной. Для исключения утечек рабочего тела из проточной части через зазоры между полками 7 соседних лопаток 5 и диском 2 под полки 7 рабочих лопаток 5 в проточки в диске 2 устанавливают уплотнительные кольца 8. На внутренних поверхностях полок 7 рабочих лопаток 5 закрепляют уплотнительные пластины 9, повторяющие их форму, которые после сборки рабочего колеса устанавливают с перехлестом.
2
2
На хвостовиках 3 рабочих лопаток 5 устанавливают тензодатчики и на рабочих оборотах замеряют механические напряжения в хвостовиках, значение которого составляет 52 кгс/мм. Для прототипа механическое напряжение в хвостовиках рабочих лопаток компрессора составляет 60 кгс/мм.
Таким образом, реализация предлагаемого изобретения позволяет уменьшить результирующую силу, воздействующую на лопатки 5. Это позволяет уменьшить габариты и массу хвостовиков 3 лопаток 5 и дисков 2 ротора 1 при сохранении требуемой прочности и, следовательно, повысить удельные параметры компрессора и турбины, что приводит к снижению расхода топлива, увеличению дальности полета для летательного аппарата, повышению его ресурса.
Реализация предлагаемого изобретения в конструкциях роторов газотурбинных двигателей обеспечивает снижение их массы до 20%.