РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
GAS TURBINE ENGINE LOW PRESSURE COMPRESSOR ROTOR IMPELLER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).
Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 С1, опубл. 27.02.2013).
Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (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. -М.:. Наука 2011, стр. 257-263).
К недостаткам известных решений относятся непроработанность 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 рабочего колеса 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.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, 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.
об
Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению выполнено в качестве рабочего колеса первой ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом обод диска соединен с полотном 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
у.т.
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B - осевая ширина обода; кроме того, 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)°, a пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(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 перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G=(С-С)/Н=(1,0÷1,44)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного; Н - средняя высота пера лопатки.
При этом 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, а фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска 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, 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)°, причем конический кольцевой элемент полотна выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.
Конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост».
у.х.
Входная и выходная кромки пера лопатки могут быть выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
у.х.
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/Н=(8,4÷12,1)·10 [м/м],
п.x.
к.x.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки;
ср
Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной на среднем радиусе R от оси ротора, составляющем (0,77÷0,92) от среднего радиуса лопатки, считая от оси ротора, с контактными торцами, которые расположены под углом (22÷28)° к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
уст
уст.к.
уст.п.
уст
у.п.
уст.
Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению выполнено в качестве рабочего колеса первой ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом обод диска соединен с полотном 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, кроме того, 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 равномерно разнесенных по периметру диска пазов для установки хвостовиков лопаток, число которых принято от 32 до 48 лопаток, при этом пазы выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем перо лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ=(67,5÷75,5)°, а в периферийном сечении - значение γ=(36,9÷44,9)°, при этом угол γ установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G изменения угла γ, имеющем значения в диапазоне
у.п.
уст.к.
уст.п.
ср
G=(γ-γ)/H=(144,9÷208,3) [град/м],
уст.к
уст.п
ср
где γ - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ - то же, в периферийном сечении пера лопатки; Н - средняя высота пера лопатки.
При этом 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, а фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска 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, 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)°, причем конический кольцевой элемент полотна выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.
Конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», 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 базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.
у.т.
Перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G=(C-С)/H=(1,0÷1,44)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного; Н - средняя высота пера лопатки;
у.х.
Входная и выходная кромки пера лопатки могут быть выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
у.х.
п..х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/H=(8,4÷12,1)·10 [м/м],
п.x.
к.x.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки;
ср
Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной на среднем радиусе R от оси ротора, составляющем (0,77÷0,92) от среднего радиуса лопатки, считая от оси ротора, с контактными торцами, которые расположены под углом (22÷28)° к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса первой ступени ротора КНД ГТД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,2% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено рабочее колесо первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса первой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - фрагмент обода диска рабочего колеса первой ступени, фронтальная проекция;
на фиг. 4 - фрагмент обода диска рабочего колеса первой ступени, фронтальная проекция;
на фиг. 5 - лопатка рабочего колеса первой ступени, вид сверху;
на фиг. 6 - паз обода диска первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.
Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, выполнено в качестве рабочего колеса первой ступени вала ротора.
Рабочее колесо первой ступени содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, полотно 4 и обод 5, а также лопатки 6. Каждая лопатка 6 включает хвостовик 7 и перо 8 с профилем, образованным вогнутым корытом 9 и выпуклой спинкой 10, сопряженными входной и выходной кромками 11 и 12.
Обод 5 диска соединен с полотном 4 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 13 и тыльной полки 14. Обод 5 диска 1 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.
об
Внешняя поверхность 15 обода 5 выполнена с углом наклона образующей относительно оси 16 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.
к
к
Обод 5 диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера 8 на условную осевую плоскость, проходящую через ось 16 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера 8 лопатки 6, снабжен системой пазов 17 для хвостовиков 7 лопаток. Продольная ось подошвы 18 каждого из пазов 17 образует с осью 16 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера 8 лопатки, угол α установки хвостовика 7 лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°. Пазы 17 равномерно разнесены по периметру диска 1 с угловой частотой
п
Y=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад],
где N - число пазов в ободе диска.
Пазы 17 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 19, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 7 лопатки по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 19 паза 17 встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью 19 и подошвой 18 паза γ=(56÷80)°. Переход от боковой грани 19 к подошве 18 выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.
уст
уст.к.
уст.п.
Перо 8 лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12, образуя хорду 20 профиля, и фронтальной линией 21 решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ=(67,5÷75,5)°, а в периферийном сечении значение γ=(36,9÷44,9)°. В качестве оси пера 8 лопатки принята продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля.
уст
у.п
уст
Угол γ установки профиля пера 8 выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G изменения угла γ, имеющем значения в диапазоне
у.п.
уст.к.
уст.п
ср
G=(γ-γ)/H=(144,9÷208,3) [град/м],
уст.к.
уст.п.
ср
где γ - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ - то же, в периферийном сечении пера лопатки; Н - средняя высота пера лопатки.
у.т.
Перо 8 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 10 и корыта 9 относительно хорды 20, соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 пера 8 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 8 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера 8 к периферийному торцу 22 с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G=(С-С)/H=(1,0÷1,44)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного; Н - средняя высота пера лопатки.
у.х.
Кроме того, входная и выходная кромки 11 и 12 пера 8 лопатки выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу 22 лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды 20, равным
у.х.
п.х
к.х.
ср
-2
G=(L.-L)/H=(8,4÷12,1)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки.
Тыльная полка 14 обода 5 диска развита до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени и выполнена выступающей за габарит пера 8 рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в полке 14 элементов 23 лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с диском первой ступени ротора по рабочему телу. Фронтальная полка 13 обода 5 диска снабжена в подошве 18 каждого паза 17 сквозным отверстием (на чертежах не показано) для пропуска фиксатора хвостовика 7 лопатки.
Полотно 4 с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу 5, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 24. Кольцевой элемент 24 выполнен с углом β наклона образующей к оси 12 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 15 обода 5 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°. Кольцевой элемент 24 полотна 4 выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.
ср
Каждая лопатка 6 снабжена с двух сторон пера 8 антивибрационной полкой 25, расположенной на среднем радиусе R, от оси 12 вала ротора, составляющем (0,77÷0,92) от среднего радиуса лопатки 6, считая от оси вала ротора, с контактными торцами 26. Торцы выполнены под углом (22÷28)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 8 лопатки, и наклонены в сторону корыта 9 профиля пера 8.
Перо 8 лопатки выполнено с корытом 9, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.- направлению полета) и со спинкой 10 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо 8 лопатки выполнено с корытом 9, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой 10 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Периферийный торец 22 пера 8 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
Пример реализации изобретения
Рабочее колесо первой ступени КНД ГТД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 6. Диск первой ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 2, полотно 4 и обод 5. Профили полотна 4 и ступицы 2 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 наклона внешней поверхности обода диска - 21°.
Лопатку рабочего колеса первой ступени ротора КНД ГТД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участках расположения хвостовика 7 и антивибрационной полки 25. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 10 пера 8 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 9 пера 8 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 7.
Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 8 и антивибрационной полки 25 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 26 антивибрационной полки 25 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.
Изготовленная таким образом лопатка 6 состоит из объединенных в одно целое пера 8 с хвостовиком 7 и антивибрационной полкой 25, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса первой ступени ротора КНД ГТД.
Профиль пера 8 лопатки имеет следующие геометрические параметры:
max
уст.к
- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C=4,6 мм; длина хорды пера - 59 мм; угол γ установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 профиля хордой 20 и фронтальной линией 21 решетки лопаточного венца составляет 71,5°;
max
уст.п
- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C=2,6 мм; длина хорды пера принята 75 мм; угол γ установки профиля пера составляет 40,9°;
- средняя высота профиля пера составляет 172,6 мм.
Антивибрационная полка 25 лопатки выполнена с толщиной стенки 5 мм и размещена на среднем радиусе от оси ротора 339 мм, с контактными торцами 26, выполненными под углом 25° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.
На внешней стороне обода 5 диска 1 выполняют протягиванием замковые пазы 17 для крепления лопаток 6 путем установки хвостовика 7 в пазу 17 обода 5 диска. В рабочем колесе первой ступени устанавливают 37 лопаток. Пазы 17 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 20 мм.
Лопатки 6 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Каждую лопатку 6 удерживают в диске 1 от перемещения в направлении протяжки паза 17 с помощью штифта. Лопатки 6 сопрягают по ответным торцам смежных антивибрационных полок.
Таким образом, рабочее колесо первой ступени имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 364 мм и 415 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 742,5 мм и 729,5 мм; максимальная ширина первой ступени ротора - 63 мм.
В процессе работы ГТД диск 1 рабочего колеса первой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора КНД с включением в работу лопаток 6 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 9 пера 8 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 10 пера 8, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 6 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора первой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 24 и фронтальную полку 13 обода 5 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 5 с разноплечими кольцевыми полками 13 и 14, принятого сочетания тонкого полотна 4 и осевой ширины ступицы 2, компенсирующей ослабление полотна 4 диска центральным отверстием 3, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 3 в ступице 2 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.
об
об
Функциональное назначение диска первой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 5 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 13 и 14 обода 5 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 4 диска фронтальная полка 13 и кольцевой участок тыльной полки 14 обода 5 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение тыльной полки 14 обода 5 диска относительно ширины фронтальной полки 13 необходимо и достаточно для размещения в полке 14 элементов 23 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.
к
к
к
к
п
п
п
На внешней стороне обода 5 диска выполняют протягиванием систему пазов 17 для закрепления лопаток 6. Пазы 17 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 7 и пера 8 лопатки 1 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 17 диске лопаток 6 рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>24,1° отклонения оси паза 17 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 17 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(5,1÷6,8) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 19, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток 6 и соответственно пазов 17 на диске 1 для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 17 на ободе 5 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 6 в лопаточном венце, образуемом на диске 1, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.
уст.к.
уст.п.
у.п.
ср
у.п
у.п.
у.п.
Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов угла γ между соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 профиля хордой 20 и фронтальной линией 21 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γ=(65,7÷75,5)° и в периферийном сечении значение γ=(36,9÷44,9)°, а также найденных в изобретении границ диапазонов градиентов G=(144,9÷208,3) [град/м] по высоте Н пера 8 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера 8 лопатки со значениями градиента G<144,9 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 10 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 20 пера 8 по высоте лопатки до значений градиента G, превышающих верхний предел G>208,3 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 8 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы первой ступени ротора с последующими ступенями КНД.
у.х.
ср
х
у.х.
ср
у.х.
у.х.
-2
-2
-2
Градиент G увеличения хорды 20 пера 8 лопатки 6 по средней высоте Н пера 8 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 11 и 12 пера 8 от втулки до периферийного торца 22. Парусность пера 8 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G углового расширения хорды 20 пера с заявленным диапазоном G=(8,4÷12,1)·10 [м/м], при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 8 к средней высоте Н пера (G<8,4·10) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие, возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 10 пера лопатки. Увеличение (G>12,1·10) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера лопатки и к снижению КПД компрессора.
у.т.
у.т.
у.т.
-2
-2
-2
Технический результат повышения ресурса рабочего колеса в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 8 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G=(1,0÷1,44)·10 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 8 лопатки. При значениях градиента G<1,0·10 [м/м] возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части пера лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя. При значениях градиента G>1,44·10 [м/м] требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 8 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.
Кроме того, полотно 4 снабжено коническим кольцевым элементом 24, выполненным с углом β наклона образующей к оси 16 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 15 обода 5 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, что обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 4 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 рабочего колеса первой ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.