ДИСК ПЕРВОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
GAS TURBINE ENGINE LOW-PRESSURE COMPRESSOR ROTOR FIRST STAGE DISC (VERSIONS)

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления стационарных газотурбинных двигателей.
Известен диск первой 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. На ободе диска 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 диск первой 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 двигателя (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 первой 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 группой изобретений, объединенных единых творческим замыслом, состоит в разработке диска рабочего колеса первой ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими сохранение диском геометрии в процессе эксплуатации при действии эксплуатационных нагрузок, обеспечение точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД первой ступени, подачи воздушного потока в последующие ступени КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.
д
п.ч.
об
Поставленная задача решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) стационарного газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД) с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G, определенным в диапазоне
,
max
min
об
п
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, при этом конический кольцевой элемент полотна выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.
При этом фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.
Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.
Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».
д
п.ч.
п
Поставленная задача по второму варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.
При этом замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».
Фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.
Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.
об
Внешняя поверхность обода может быть выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G, определенным в диапазоне
,
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В - осевая ширина обода.
Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.
д
п.ч.
об
Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G, определенным в диапазоне
,
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска.
п
При этом продольная ось подошвы каждого из пазов может образовывать с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.
Фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.
Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».
Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.
Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.
п
Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того, тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.
д
п.ч.
При этом радиус диска R от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна может составлять (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости.
Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».
Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.
об
Внешняя поверхность обода может быть выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G, определенным в диапазоне
,
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B - осевая ширина обода.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД ГТД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,1% при повышении ресурса диска в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен диск первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент диска первой ступени вала ротора КНД, вид сбоку;
на фиг. 3 - фрагмент обода диска первой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 4 - паз обода диска первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.
Стационарный газотурбинный двигатель имеет корпус 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью. Вал ротора выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента.
д
п.ч.
Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в полотно 5, усиленное ступицей 6 с центральным отверстием 7. Радиус диска R от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 6 составляет (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части 2 в указанной плоскости.
Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11. Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени.
об
Внешняя поверхность 9 обода 4 выполнена с углом наклона образующей относительно оси 8 вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части 2. Радиус обода 4 монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G, определенным в диапазоне
,
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B - осевая ширина обода.
Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось 8 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов 12 для хвостовиков лопаток. Продольная ось подошвы 13 каждого из пазов 12 образует с осью 8 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой
п
Y=N/2π=(4,8÷6,7) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска.
Пазы 12 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 14, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.
Полотно 5 с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу 4, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 15. Кольцевой элемент 15 выполнен с углом β наклона образующей к оси 8 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°. Кольцевой элемент 15 полотна 5 выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.
Фронтальная полка 10 обода 3 диска снабжена в подошве 13 каждого паза 12 сквозным отверстием (не показано) для пропуска фиксатора хвостовика лопатки. Тыльная полка 11 обода 4 диска развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов 16 лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу. Тыльная полка 11 обода 4 диска первой ступени выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.
Замковое соединение пазов 12 обода 4 диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».
Диск первой ступени КНД ГТД 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 - 34 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 120 мм; средняя толщина полотна - 9 мм; ширина обода - 61 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 364 мм и 415 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности 9 обода 4 диска - 21°.
На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 37 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол γ наклона к донной плоскости контактных с хвостовиком лопатки боковых граней 14 паза составляет 70°; ширина подошвы паза - 20 мм; угол оси α паза 12 относительно оси 8 вала ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вала ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза составляет 21°.
При запуске газотурбинного двигателя диск первой 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 и через конический кольцевой элемент 15 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.
Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.
д
п.ч.
д
п.ч.
д
п.ч.
Функциональное назначение диска первой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,42÷0,61) от радиуса R периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R/R)<0,42 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой последующих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R/R)>0,61 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне первой ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.
об
об
Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 4 диска. Выход градиента G за пределы заявленного диапазона G=(0,32÷0,46) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части первой ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком асимметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10 и 11 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска фронтальная полка 10 и кольцевой участок тыльной полки 11 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение тыльной полки 11 обода 4 диска относительно ширины фронтальной полки 10 необходимо и достаточно для размещения в полке 11 элементов 16 лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора и работает на технический результат изобретения, повышая ресурс диска.
п
п
п
На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом α к оси вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (16,8÷24,1)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса первой ступени ротора КНД и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 12 диске лопаток рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>24,1° отклонения оси паза 12 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск-лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя. Кроме того, пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(5,1÷6,8) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 14, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 12 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 12 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y<5,1 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y>6,8 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске первой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.
Полотно 5 снабжено коническим кольцевым элементом 15, выполненным с углом β наклона образующей к оси 8 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, что обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 5 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выход Δ за пределы заявленного диапазона приводит к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента передней опоры диска, а также к неоправданному повышению концентрации напряжений от односторонних внеосевых динамических нагрузок на полотно и к снижению ресурса диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров диска рабочего колеса первой ступени достигают повышение КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса первой ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.