ДИСК ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
FIRST STAGE DISC OF TURBOJET ENGINE LOW-PRESSURE COMPRESSOR ROTOR SHAFT (VERSIONS)

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных 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 С1, 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 (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 недостаточная проработанность и сложность выбора необходимых радиальных и угловых параметров дисков, в том числе соотношений величин полок и радиусов ободов как силовых элементов дисков, а также угловой частоты и осевой ориентации, размещаемых на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия диска первой ступени вала 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 изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (ТРД) 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.
у.т.
Поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, вал, выполненный полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и рабочее колесо ротора, диск которого наделен пазами для заведения хвостовиков лопаток, содержащих перо с продольной осью, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п.п.
к.п.
ср
об
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; H - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД, при этом средний радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,37÷0,49) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(17÷25)°, а градиент радиального расширения обода G, определен в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне первой ступени; B - осевая ширина обода; кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°, при этом обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, тыльная из которых снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени.
п
При этом пазы могут быть равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)° и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Цапфа диска может быть выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, выполненному для установки подшипника передней опоры вала ротора КНД и контактного уплотнения для минимизации утечек масляно-воздушной смеси из масляной полости в систему суфлирования опоры, кроме того на указанном участке в теле оболочки цапфы выполнена система сквозных отверстий, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры, при этом примыкающий к опорному промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения упомянутых подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, а промежуточный участок цапфы предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува указанного уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в указанное двухъярусное лабиринтное уплотнение, возможность осевой фиксации которого предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска.
п
По второму варианту поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, вал, выполненный полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и рабочее колесо ротора, диск которого наделен пазами для заведения хвостовиков лопаток, содержащих перо с продольной осью, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД, при этом средний радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,37÷0,49) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, а внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, кроме того пазы в ободе диска равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем подошва каждого паза обода диска расположена в плоскости, параллельной оси ротора, при этом продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°, а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)° и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
об
При этом радиент радиального расширения обода диска G может быть определен в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне первой ступени; В - осевая ширина обода.
Пазы в ободе диска могут быть выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост».
у.т.
Полотно диска может быть выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; H - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.
Тыльная полка обода диска может быть снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени, а фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Цапфа диска может быть выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, выполненному для установки подшипника передней опоры вала ротора КНД и контактного уплотнения для минимизации утечек масляно-воздушной смеси из масляной полости в систему суфлирования опоры, кроме того на указанном участке в теле оболочки цапфы выполнена система сквозных отверстий, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры, при этом примыкающий к опорному промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения упомянутых подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, а промежуточный участок цапфы предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува указанного уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в указанное двухъярусное лабиринтное уплотнение, возможность осевой фиксации которого предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска.
об
По третьему варианту поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, вал, выполненный полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и рабочее колесо ротора, диск которого наделен пазами для заведения хвостовиков лопаток, содержащих перо с продольной осью, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД, при этом средний радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,37÷0,49) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, а внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(17÷25)°, а градиент радиального расширения обода G определен в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне первой ступени; В - осевая ширина обода.
п
При этом пазы в ободе диска могут быть равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», причем подошва каждого паза обода диска расположена в плоскости, параллельной оси ротора, при этом продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°, а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равным β=(63÷78)° и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
у.т.
Полотно диска может быть выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; H - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.
Тыльная полка обода диска может быть снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени, а фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Цапфа диска может быть выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, выполненному для установки подшипника передней опоры вала ротора КНД и контактного уплотнения для минимизации утечек масляно-воздушной смеси из масляной полости в систему суфлирования опоры, кроме того на указанном участке в теле оболочки цапфы выполнена система сквозных отверстий, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры, при этом примыкающий к опорному промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения упомянутых подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, а промежуточный участок цапфы предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува указанного уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в указанное двухъярусное лабиринтное уплотнение, возможность осевой фиксации которого предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска.
у.т.
По четвертому варианту поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, вал, выполненный полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и рабочее колесо ротора, диск которого наделен пазами для заведения хвостовиков лопаток, содержащих перо с продольной осью, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; H - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД, при этом обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, тыльная из которых снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени, а фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, а цапфа диска выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, выполненному для установки подшипника передней опоры вала ротора КНД и контактного уплотнения для минимизации утечек масляно-воздушной смеси, при этом промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, кроме того промежуточный участок цапфы выполнен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения и снабжен системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы для подачи воздуха в лабиринтное уплотнение, а осевая фиксация лабиринтного уплотнения предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска, при этом средний радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,37÷0,49) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.
об
При этом внешняя поверхность обода диска может быть выполнена составляющей участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(17÷25)°, а градиент радиального расширения обода G, определен в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне первой ступени; В - осевая ширина обода.
п
Пазы в ободе диска могут быть равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», при этом подошва каждого паза обода диска расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°, при этом базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)° и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска могут быть выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% 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 второй ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 4 - узел передней опоры вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 5 - паз обода диска второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез.
Турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с проточной частью 2, вал, выполненный полым, с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и рабочее колесо ротора КНД, диск которого наделен пазами для заведения хвостовиков лопаток, содержащих перо с продольной осью.
у.т.
Диск рабочего колеса первой ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, обод 5 и полотно 6 с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 3 к ободу 5 с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; H - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом;
cp
пр
об
Ступица 3 выполнена как одно целое с цапфой 7 передней опоры 8 вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД. Средний радиус R диска от оси 10 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 5 в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,37÷0,49) от радиуса R периферийного контура проточной части 2 двигателя. Внешняя поверхность 9 обода 5 диска выполнена составляющей участок внутреннего контура проточной части 2 с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось 10 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела. Угол наклона образующей внешней поверхности 9 обода 5 диска к оси 10 вала ротора составляет φ=(17÷25)°. Градиент радиального расширения обода G, определен в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне первой ступени; В - осевая ширина обода.
п
Пазы 11 для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода 5 диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 12, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост». Подошва 13 каждого паза 11 расположена в плоскости, параллельной оси 10 вала ротора. Продольная ось подошвы 13 паза 11 образует с осью 10 вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°. Базовые поверхности боковых граней 12 паза 11 выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью 12 и подошвой 13 паза, равных β=(63÷78)° и сопряжены с подошвой 13 через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья 14 паза 11.
Обод 5 соединен с полотном 6 диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок 15 и 16 соответственно. Тыльная полка 16 обода 5 снабжена кольцевым элементом 17, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени. Фронтальная полка 15 обода 5 диска выполнена с кольцевым выступом 18 в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца (на чертежах не показано) в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки. Не менее чем на одном участке между пазами 11 в створе канавки в зоне выступа в полке 15 обода 5 диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия 19 соответственно для фиксации стопорным элементом 20 и демонтажа контровочного кольца. Фронтальная полка 15 обода 5 диска снабжена понизу в зоне примыкания к полотну 6 кольцевым пазом 21 для установки балансировочных грузов, и отверстиями 22 во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Цапфа 7 диска выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа 23 от полотна 6 диска к опорному концевому участку 24 цапфы 7. Опорный участок 24 выполнен для установки подшипника 25 передней опоры 8 вала ротора КНД и контактного уплотнения 26 для минимизации утечек масляно-воздушной смеси из масляной полости в систему суфлирования опоры. На опорном участке 24 в теле оболочки цапфы 7 выполнена система сквозных отверстий 27, объединенных с внутренней стороны цапфы 7 кольцевой проточкой 28, выполненной с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения 26 передней опоры 8. Примыкающий к опорному участку 24 промежуточный участок 29 цапфы 7 выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка 24 на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения подшипника 25 и контактного уплотнения 26 на опорном участке 24 цапфы 7. Промежуточный участок 29 цапфы 7 предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения 30, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий 31 по периметру промежуточного участка 29 цапфы. Система сквозных отверстий 31 объединены с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой 32, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в лабиринтное уплотнение. Осевая фиксация лабиринтного уплотнения предусмотрена соответствующим радиальным уступом 23, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка 33 цапфы 7, объединенного со ступицей 3 диска.
Диск первой ступени КНД ТРД 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 цапфы и ступицы - 164 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 75 мм; толщина полотна - 16,5 мм на диаметре 167 мм, толщина полотна - 11 мм на диаметре 252 мм; ширина обода - 71 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 365 мм и 413 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности обода диска - 19°.
На внешней стороне обода выполняют протягиванием замковые пазы для крепления лопаток в количестве 34 штук. Пазы выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 22 мм.
При запуске турбореактивного 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 обеспечивает передачу рабочим лопаткам механической энергии, а через цапфу передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.
у.т.
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, принятого сочетания сужающегося полотна 5 с заявленным градиентом G=(0,11÷015) и осевой ширины ступицы 6 с цапфой, компенсирующих 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 пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.
cp
пр
ср
пр
ср
пр
Функциональное назначение диска первой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда средний радиус R диска от оси 10 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 5 в условной плоскости симметрии полотна 6 составляет (0,37÷0,48) от радиуса R периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R/R)<0,37 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)>0,48 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 5 диска. Выход градиента G за пределы заявленного диапазона G=(0,28÷0,38) 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.
о
п
п
п
На внешней стороне обода 5 диска выполняют протягиванием систему пазов 11 для закрепления лопаток. Пазы 11 расположены под углом к оси 10 вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (16÷22)°, 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 11 диске лопаток рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>22° отклонения оси паза 11 диска от оси 10 вала 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 11 равномерно разнесены по периметру обода 5 диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 12, встречно наклонными одна к другой под углом β=(63÷78)° к подошве 13 паза и сопряженные с подошвой 13 через скругления, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 11 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y<4,6 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y>6,2 [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. Кроме того, заявленная геометрия паза обеспечивает повышение концентрации при действии эксплуатационных нагрузок, точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками и повышает ресурс диска.
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 без увеличения материалоемкости.