ВАЛ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРОСТАВКА УЗЛА 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 и элементов 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 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, второго диска образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера, угол установки хвостовика лопатки α, 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, при этом с фронтальной стороны диск первой ступени и с тыльной стороны диск третьей ступени снабжены расположенными каждый под ободом диска коническим кольцевым элементом, соединенным с соответствующей конической диафрагмой цапфы передней и задней опоры с образованием в совокупности силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала, причем вал собран из монтажных секций, в первую из которых включены объединенные полками ободов диски первой и второй ступеней, передняя цапфа и замыкающая секцию цилиндрическая проставка с фланцем, неразъемно присоединенная к полке диска второй ступени и разъемно соединенная с полотном обода диска третьей ступени, при этом диск третьей ступени, неразъемно соединенный с задней цапфой и цилиндрической проставкой, входит в состав второй монтажной секции, а в замыкающую секцию вала включен диск последней ступени, полотно которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой предшествующей ступени.
При этом вал может быть 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÷1,04):(1,11÷1,4):(1,15÷1,51):(1,16÷1,54), и с углами наклона ободов, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.
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 с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки типа «ласточкин хвост», а длина пазов принята соизмеримой с длиной хвостовиков лопаток.
Фронтальная полка обода диска первой ступени и диск последней ступени могут быть выведены вне контура упомянутого 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, выполнен объединяющим диски второй и третьей ступеней вала ротора, при этом диски соединены соответственно полкой обода первого и полотном последующего из указанных дисков через кольцевую проставку в составе силовой барабанной оболочки вала ротора, причем первый в направлении потока рабочего тела кольцевой стык полки обода диска второй ступени и проставки выполнен неразъемным, а следующий за ним второй кольцевой стык проставки и диска третьей ступени выполнен разъемным с фланцевым присоединением противоположного кольцевого торца проставки к полотну соответствующего из указанных дисков, при этом проставка снабжена Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец с системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения, радиально разнесенных по периметру фланца с угловой частотой 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 третьей ступени 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 проставка 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 полки обода диска третьей ступени.
Элементы разъемного соединения проставки с диском третьей ступени могут быть выполнены в виде призонных болтов.
ф
Поставленная задача в части третьего объекта полезной модели решается тем, что проставка узла соединения дисков вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, согласно полезной модели, выполнена кольцевой конфигурации для соединения дисков второй и третьей ступеней с радиусом, соответствующим радиусу полки обода диска второй ступени вала ротора в зоне неразъемного соединения с последней, и меньшим радиуса нижней грани полки обода диска третьей ступени, обращенной в сторону стыка, при этом проставка снабжена Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец с системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения с диском третьей ступени, радиально разнесенных по периметру фланца с угловой частотой Y=(5,095÷7,643) [ед/рад].
При этом проставка может быть снабжена со стороны, обращенной к проточной части, системой кольцевых гребневых элементов лабиринтного уплотнения.
Технический результат, обеспечиваемый группой объектов полезной, 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 элементами лабиринтного уплотнения и 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 материало-, 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 второй ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй 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 3 второй 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 3 с угловой частотой Y=(0,1÷0,18) [рад].
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.
С фронтальной стороны диск 2 первой ступени и с тыльной стороны диск 4 третьей ступени снабжены расположенными каждый под ободом 12 диска коническим кольцевым элементом 18, 19. Конические элементы 18, 19 соединены с ответными коническими диафрагмами 20 цапф 21 и 22 соответственно передней и задней опоры с образованием в совокупности силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала.
Вал 1 собран из монтажных секций. В первую монтажную секцию включены объединенные полками 14 и 15 ободов 12 диски 2 и 3 соответственно первой и второй ступеней, передняя цапфа 21 и замыкающая секцию цилиндрическая проставка 16 с фланцем 25, неразъемно присоединенная к полке диска 3 второй ступени и разъемно соединенная с полотном 11 обода 12 диска 4 третьей ступени. Диск 4 третьей ступени, неразъемно соединенный с задней цапфой 22 и цилиндрической проставкой 17, входит в состав второй монтажной секции. В замыкающую секцию вала включен диск 5 последней ступени, полотно 11 которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой 17 предшествующей ступени. Общее число секций в барабанно-дисковой конструкции вала 1 принято на одну меньше числа дисков.
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÷1,04):(1,11÷1,4):(1,15÷1,51):(1,16÷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:(1,06÷1,5):(1,1÷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 6 лопаток 6.
Образующая каждого из кольцевых конических элементов 18, 19 соответственно первого диска 2 и предпоследнего диска 4 вала ротора наклонна к геометрической оси вала 1 ротора под углом, превышающим больший из углов наклона внешней поверхности полок 14, 15 обода 12 каждого из упомянутых дисков, и имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов фронтальной полки 14 обода 12 диска 2 и 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 крутящего момента диском крутящего момента от ТНД, а также радиальных и осевых усилий на опоры валы ротора.
Фронтальная полка 14 обода 12 диска 2 первой ступени и диск 5 последней ступени выведены вне контура упомянутого силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала 1 ротора.
По второму объекту полезной модели узел соединения дисков вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя выполнен объединяющим диск 3 второй ступени и диск 4 третьей ступени вала 1 ротора.
Диски 3, 4 соединены соответственно тыльной полкой 15 обода 12 диска 3 и полотном 11 диска 4 через кольцевую проставку 16 в составе силовой барабанной оболочки вала 1 ротора.
Первый в направлении потока рабочего тела кольцевой стык 26 полки 15 обода 12 диска 3 второй ступени и проставки 16 выполнен неразъемным. Следующий за ним второй кольцевой стык 27 проставки 16 и диска 4 третьей ступени выполнен разъемным с фланцевым присоединением противоположного кольцевого торца проставки 16 к полотну 11 диска 4.
ф
Проставка 16 снабжена Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец 25 с системой отверстий для пропуска элементов 28 разъемного соединения с диском 4 третьей ступени, радиально разнесенных по периметру фланца 25 с угловой частотой 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 третьей ступени и при осевом совмещении с отверстиями проставки 16 диски 3, 4 посредством элементов 28 разъемного соединения объединены с возможностью передачи крутящего момента, радиальных и осевых усилий, возникающих в стыке 27 вала 1 ротора КНД.
Для чего проставка выполнена кольцевой с радиусом, соответствующим радиусу тыльной полки 15 обода 12 диска 3 второй ступени вала 1 ротора в зоне неразъемного соединения с последней и меньшим радиуса нижней грани, обращенной в сторону стыка 27, фронтальной полки 14 обода 12 диска 4 третьей ступени.
Элементы 28 разъемного соединения проставки 16 с диском 4 третьей ступени выполнены в виде призонных болтов с возможностью прикрепления к ним, при необходимости, балансировочных грузов вала ротора.
По третьему объекту полезной модели проставка 16 узла соединения дисков вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя выполнена кольцевой конфигурации для соединения дисков 3 и 4 соответственно второй и третьей ступеней с радиусом, соответствующим радиусу тыльной полки 15 обода 12 диска 3 второй ступени вала 1 ротора в зоне неразъемного соединения с последней и меньшим радиуса нижней грани, обращенной в сторону стыка 27, фронтальной полки 14 обода 12 диска 4 третьей ступени.
ф
Проставка 16 снабжена Г-образным в поперечном сечении консольным отгибом, образующим кольцевой фланец 25 с системой отверстий для пропуска элементов 29 разъемного соединения с диском 4 третьей ступени, радиально разнесенных по периметру фланца 25 с угловой частотой Y=(5,095÷7,643) [ед/рад]. Проставка 16 со стороны, обращенной к проточной части, снабжена системой кольцевых гребневых элементов 29 лабиринтного уплотнения, снижающего турбулизацию потока рабочего тела в зоне примыкания с зазором к торцам комплекта лопаток, соответствующего направляющего аппарата КПД.
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.