Рабочее колесо осевого турбокомпрессора

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, а конкретно к выполнению конструкции рабочего колеса осевых высокооборотных вентиляторов или компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.
Одной из основных проблем в разработке конструкции рабочего колеса со вставными лопатками и отдельными полками является закрепление полки, которая образует газодинамический тракт турбомашины. Наиболее актуальна данная проблема для рабочих колес с лопатками из композиционного материала, так как изготовление полки совместно с пером лопатки, по аналогии с лопаткой из металла, не представляется возможным по технологическим причинам.
Известно рабочее колесо осевого турбокомпрессора, содержащее диск ротора, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы с наклонными боковыми стенками и сужающимся к открытой части паза поперечным сечением, лопатки из композиционного материала, имеющие перо с профилированными боковыми поверхностями и жестко связанное с пером основание с хвостовиком, выполненным в поперечном сечении по форме паза диска ротора и размещенным в пазе диска ротора, и покрывной диск, закрепленный на входной торцевой поверхности диска ротора, причем лопатки имеют обтекатели, выполненные в виде полок, состоящих из крышки с обтекаемой поверхностью и плоской опорной ножки, закрепленной на днище крышки, при этом одна из боковых поверхностей каждой крышки сопряжена с профилированной поверхностью пера лопатки и с боковой поверхностью крышки другого обтекателя, другая боковая поверхность крышки сопряжена с профилированной поверхностью пера соседней лопатки, а торцевая поверхность крышки со стороны входной торцевой поверхности дискового ротора сопряжена с покрывным диском (US 8801382, 2014).
В известном рабочем колесе обтекатели фиксируются от радиального перемещения с помощью удерживающих выступов, выполненных на опорной ножке обтекателя и входящих в прорезь крюка, закрепленного на роторе диска, а от осевого перемещения обтекатели фиксируются с помощью радиального упора, размещенного между прижимным диском и входной торцевой поверхностью ротора диска. Такое выполнение обтекателей обеспечивает их надежную фиксацию на роторе диска и удержание от смещения во всех направлениях. Однако при этом в известном рабочем колесе не решается задача одновременного удержания от смещения лопатки и обтекателя, т.е. для удержания лопатки требуются дополнительные технические средства, что усложняет конструкцию рабочего колеса и снижает надежность его работы.
Кроме того, в известном рабочем колесе могут быть использованы лопатки только с прямолинейными пером, основанием и хвостовиком, т.к. в случае выполнения пазов на диске ротора и оснований лопаток с хвостовиками круговыми монтаж или демонтаж одной лопатки или нескольких лопаток на диске ротора без дополнительных усовершенствований невозможен.
Известно рабочее колесо осевого турбокомпрессора, содержащее диск ротора, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы с коническими боковыми стенками, сужающимся к открытой части паза поперечным сечением, лопатки из композиционного материала, имеющие перо с профилированными боковыми поверхностями и жестко связанное с пером основание с хвостовиком, выполненным в поперечном сечении по форме паза диска ротора и размещенным в пазе, и покрывной диск, закрепленный на входной торцевой поверхности диска ротора, причем каждая лопатка имеет обтекатель, состоящий из двух охватывающих перо лопатки полок, состоящих из крышки с обтекаемой поверхностью и пластинчатой опорной ножки, расположенной вдоль паза диска ротора, закрепленной на днище крышки и размещенной в выемке паза, при этом одна из боковых поверхностей каждой крышки сопряжена с профилированной поверхностью пера лопатки и с боковой поверхностью крышки второй полки обтекателя, другая боковая поверхность крышки сопряжена с боковой поверхностью крышки обтекателя соседней лопатки, торцевая поверхность крышки со стороны входной торцевой поверхности диска ротора сопряжена с покрывным диском, а боковые поверхности опорной ножки со стороны противоположной днищу крышки выполнены сопряженными с одной стороны с боковой стенкой паза, а с другой стороны - с боковой поверхностью основания лопатки (ЕР 2713014, 2014).
В известном рабочем колесе полки обтекателя крепятся к перу лопатки с помощью клеящих веществ или резьбовым соединением, расположенным в отверстиях, выполненных в пластинчатых опорных ножках и в основании лопатки, что позволяет предотвратить перекосы и смещение обтекателей в процессе работы под действием центробежных сил. Но при этом жесткое крепление отражателей к лопатке с помощью клеящих веществ или резьбового соединения затрудняет монтаж и демонтаж отдельных лопаток на диске ротора, например, при замене поврежденной лопатки, т.к. при установке лопатки совместно с обтекателями в пазе необходимо обеспечить возможность их ограниченного относительного перемещения.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является рабочее колесо осевого турбокомпрессора, содержащее диск ротора, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы с коническими боковыми стенками, сужающимся к открытой части паза поперечным сечением и выемками, расположенными по всей длине паза в открытой части боковых стенок пазов, лопатки из композиционного материала, имеющие перо с профилированными боковыми поверхностями и жестко связанное с пером основание с хвостовиком, выполненным в поперечном сечении по форме паза диска ротора и размещенным в пазе, и покрывной диск, закрепленный на входной торцевой поверхности диска ротора, причем каждая лопатка имеет обтекатель, состоящий из двух охватывающих перо лопатки полок, состоящих из крышки с обтекаемой поверхностью и пластинчатой опорной ножки, расположенной вдоль паза диска ротора, закрепленной на днище крышки и имеющей бурт, расположенный на конце ножки, противоположном днищу крышки, и размещенный в выемке паза, при этом одна из боковых поверхностей каждой крышки сопряжена с профилированной поверхностью пера лопатки, другая боковая поверхность крышки сопряжена с боковой поверхностью крышки обтекателя соседней лопатки, торцевая поверхность крышки со стороны входной торцевой поверхности диска ротора сопряжена с покрывным диском, а боковые поверхности опорной ножки со стороны, противоположной днищу крышки выполнены сопряженными с одной стороны с боковой стенкой паза, а с другой стороны - с поверхностью основания лопатки (US 5791877, 1998).
В известном рабочем колесе у полок обтекателя, выполненных с буртом на опорной ножке, отсутствуют средства для предотвращения перемещения полок относительно лопатки по ее высоте и вдоль профилированной поверхности пера, как в процессе монтажа и демонтажа лопаток на диске ротора, так и в процессе работы осевого турбокомпрессора, что может привести к деформации обтекателя и снижению эффективности работы всего турбокомпрессора.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в необходимости обеспечить фиксацию полок обтекателя относительно основания лопатки при монтаже и демонтаже лопаток и в процессе работы осевого турбокомпрессора.
Техническим результатом полезной модели является снижение трудозатрат на техническое обслуживание осевого турбокомпрессора за счет фиксации полок обтекателя относительно основания лопатки при ее монтаже и демонтаже.
Технический результат достигается за счет того, что рабочее колесо осевого турбокомпрессора содержит диск ротора, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы с коническими боковыми стенками, сужающимся к открытой части паза поперечным сечением и выемками, расположенными по всей длине паза в открытой части боковых стенок пазов, лопатки из композиционного материала, имеющие перо с профилированными боковыми поверхностями и жестко связанное с пером основание с хвостовиком, выполненным в поперечном сечении по форме паза диска ротора и размещенным в пазе, и покрывной диск, закрепленный на входной торцевой поверхности диска ротора, причем каждая лопатка имеет обтекатель, состоящий из двух охватывающих перо лопатки полок, состоящих из крышки с обтекаемой поверхностью и пластинчатой опорной ножки, расположенной вдоль паза диска ротора, закрепленной на днище крышки и имеющей бурт, расположенный на конце ножки, противоположном днищу крышки, и размещенный в выемке паза, при этом одна из боковых поверхностей каждой крышки сопряжена с профилированной поверхностью пера лопатки, другая боковая поверхность крышки сопряжена с боковой поверхностью крышки обтекателя соседней лопатки, торцевая поверхность крышки со стороны входной торцевой поверхности диска ротора сопряжена с покрывным диском, а боковые поверхности опорной ножки со стороны противоположной днищу крышки выполнены сопряженными с одной стороны с боковой стенкой паза, а с другой стороны - с поверхностью основания лопатки. На конце каждого бурта со стороны входной торцевой поверхности диска ротора выполнен упорный выступ, сопряженный с торцевой поверхностью диска ротора, а на другом конце каждого бурта выполнен фиксирующий выступ, сопряженный с фиксирующим выступом бурта второй полки обтекателя и выходной торцевой поверхностью основания лопатки.
Боковые поверхности крышек обтекателей соседних лопаток могут быть снабжены замковыми соединениями, расположенными по всей длине сопряженных между собой боковых поверхностей крышек, причем замковые соединения могут быть снабжены опорными ножками с хвостовиками, установленными в дополнительных пазах, выполненных на внешней цилиндрической поверхности диска ротора.
Существенность отличительных признаков рабочего колеса осевого турбокомпрессора подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая полезную модель, позволяет обеспечить достижение технического результата полезной модели - снижение трудозатрат на техническое обслуживание турбокомпрессора.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции рабочего колеса осевого турбокомпрессора, а также его сборки со ссылками на фиг. 1-6:
на фиг. 1 изображен общий вид рабочего колеса осевого турбокомпрессора;
на фиг. 2 показано рабочее колесо в сечении А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 показано перо лопатки в сечении Д-Д на фиг. 2;
на фиг. 4 показано основание лопатки с пластинчатыми опорными ножками в сечении Е-Е на фиг. 2;
на фиг. 5 изображен обтекатель с замковым соединением, имеющим опорные ножки с хвостовиками в сечении Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 6 показан общий вид полки обтекателя со стороны выходной торцевой поверхности диска ротора.
Рабочее колесо осевого турбокомпрессора содержит диск ротора 1 (фиг. 1), на внешней цилиндрической поверхности 2 которого выполнены круговые пазы 3 с коническими боковыми стенками 4, сужающимся к открытой части кругового паза 3 поперечным сечением и выемками 5, расположенными по всей длине кругового паза 3 в открытой части боковых стенок 4 круговых пазов 3. На входной торцевой поверхности 6 диска ротора 1 закреплен покрывной диск 7 (фиг. 2).
На диске ротора 1 установлены лопатки 8 из композиционного материала, имеющие перо 9 с профилированными боковыми поверхностями 10 и жестко связанное с пером 9 основание 11 с круговым хвостовиком 12, выполненным в поперечном сечении по форме кругового паза 3 диска ротора 1 и размещенным в пазе 3.
Каждая лопатка 8 имеет обтекатель 13, состоящий из двух охватывающих перо 9 лопатки 8 полок 14, состоящих из крышки 15 с обтекаемой поверхностью 16 и пластинчатой опорной ножки 17, расположенной вдоль кругового паза 3 диска ротора 1, закрепленной на днище крышки 15. На конце опорной ножки 17, противоположном днищу крышки 15, выполнен бурт 18, размещенный в выемке 5 кругового паза 3 (см. фиг. 3-6).
Одна из боковых поверхностей 19 каждой крышки 15 сопряжена с профилированной поверхностью 10 пера 9 лопатки 8, другая боковая поверхность 20 крышки 15 сопряжена с боковой поверхностью 21 крышки 22 обтекателя 23 соседней лопатки 24. Торцевая поверхность 25 крышки 15 со стороны входной торцевой поверхности 6 диска ротора 1 сопряжена с покрывным диском 7, а боковые поверхности 26 опорной ножки 17 со стороны противоположной днищу крышки 15 выполнены сопряженными с одной стороны с боковой стенкой 4 кругового паза 3, а с другой стороны - с поверхностью основания 11 лопатки 8.
На одном конце каждого бурта 18 со стороны входной торцевой поверхности 6 диска ротора 1 выполнен упорный выступ 27, сопряженный с входной торцевой поверхностью 6 диска ротора 1, а на другом конце каждого бурта 18 выполнен фиксирующий выступ 28, сопряженный с аналогичным фиксирующим выступом 28 бурта 18 второй полки 14 обтекателя 13 и выходной торцевой поверхностью 29 основания 11 лопатки 8 (фиг. 4).
Боковые поверхности крышек обтекателей 13 соседних лопаток 8 и 24 снабжены замковыми соединениями 30, расположенными по всей длине сопряженных между собой боковой поверхности 20 крышки 15 и боковой поверхности 21 крышки 22 (фиг. 5). Замковые соединения 30 могут быть снабжены опорными ножками 31 с хвостовиками 32, установленными в дополнительных круговых пазах 33, выполненных на внешней цилиндрической поверхности 2 диска ротора 1 (фиг. 5). Во избежание повреждения лопатки из композиционного материала при монтаже и в процессе эксплуатации, а также для снижения перетечек воздуха в месте соприкосновения боковых поверхностей 19 крышки 15 с профилированной поверхностью 10 пера 9 лопатки 8 установлено уплотнение 34 из фторопласта, резины или любого другого уплотняющего материала.
Полки 14 выполнены из металла и имеют боковые ребра 35, которые увеличивают жесткость обтекателя 13 и позволяют уменьшить его массу (фиг.6).
Сборка рабочего колеса осуществляется следующим образом.
Перед установкой лопаток 8 в круговые пазы 3 диска ротора 1 на боковых поверхностях основания 11 лопатки 8 размещаются полки 14 обтекателя 13 и фиксируются от перемещения с помощью боковых поверхностей 26 опорных ножек 26 и фиксирующих выступов 28. В собранном виде лопатка 8 с обтекателем 13 вставляется круговым хвостовиком 12 в пазы 3, а буртом 18 - в выемку 5 и перемещается вдоль кругового паза 3 до тех пор, пока упорные выступы 27 не войдут в контакт с входной торцевой поверхностью 6 диска ротора 1.
Аналогично собирается и устанавливается соседняя лопатка 24 с обтекателем 23, состоящим из двух полок с крышками 22. На сопряженных между собой боковой поверхности 20 крышки 15 и боковой поверхности 21 крышки 22 устанавливается замковое соединение 30, расположенное по всей длине крышек 15 и 22. Если замковое соединение 30 выполнено с опорной ножкой 31 и круговым хвостовиком 32, последний вводится в круговой паз 33, выполненный на внешней цилиндрической поверхности 2 диска ротора 1.
После последовательной установки всех лопаток 8 и 24 рабочего колеса на входную торцевую поверхность 6 диска ротора 1 закрепляется покрывной диск 7, контактирующий своей периферийной поверхностью с торцевой поверхностью 25 крышек 15 обтекателей 13, ограничивая осевое перемещение обтекателя 13 и лопатки 8 в сторону входной торцевой поверхности 6 диска ротора 1. Также покрывной диск 7 частично снимает с крышек 15 обтекателя 13 нагрузку от действия центробежных сил, предотвращая деформацию обтекаемой поверхности 16 в процессе работы.
Для демонтажа лопатки 8, например, в случае необходимости ее замены из-за повреждения, достаточно снять покрывной диск 7, снять замковые соединения 30 с обеих полок 14 обтекателя 13 и перемещая лопатку 8 совместно с обтекателем 13 вдоль кругового паза 3 в сторону входной торцевой поверхности 6 снять поврежденную лопатку 8 с диска ротора 1 рабочего колеса.
В процессе работы осевого турбокомпрессора лопатки совместно с обтекателем надежно зафиксированы от осевого смещения в круговом пазе с помощью упорных и фиксирующих выступов бурта, воспринимающего все осевые нагрузки, разгружая тем самым крышки обтекателя и предотвращая деформацию обтекаемой поверхности в процессе работы.
Таким образом, за счет фиксации полок обтекателя относительно основания лопатки техническое решение обеспечивает снижение трудозатрат на техническое обслуживание осевого турбокомпрессора, а также повышает надежность и эффективность его работы за счет одновременной фиксации лопатки и обтекателя на диске ротора.