РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).
Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск с пазами, расположенными под углом к оси компрессора и установленными в них лопатками. Между входным торцом диска рабочего колеса и торцом упорного выступа лопатки устанавливают металлическую пластину, имеющую наружные размеры, превышающие контур паза диска для перекрытия зазоров в замковом соединении. Внутренний контур повторяет контур хвостовика лопатки. Торцевые поверхности диска, прилегающие к металлической пластине, выполнены под углом к оси компрессора, равным или меньшим 90°, обеспечивающим плотное прилегание пластины к диску под действием центробежных сил (RU 2368814 С1, опубл. 27.09.2009).
Известен осевой компрессор двигателя, включающий в себя отдельные рабочие колеса. Рабочее колесо состоит из лопаток, состоящих из профилированного пера и хвостовика, дисков, имеющих обод, полотно, 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).
Известен осевой компрессор двигателя, содержащий статор и ротор барабанно-дискового типа, включающий рабочие колеса. Каждое рабочее колесо содержит лопатки, состоящие из профилированного пера и хвостовика. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости и клиновидными кольцевыми выступами. На дисках рабочих колес выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа ″ласточкин хвост″ для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 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).
Известна профилированная лопатка компрессора для диска рабочего колеса, имеющего аксиальную, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны повышенного и низкого давления, простирающиеся в радиальном направлении от хвостовика к вершине и в аксиальном направлении между передней и задней кромками, поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и линии изгиба, проходящие между передней и задней кромками, и центры тяжести, выровненные по оси укладки, имеющей двойной изгиб. Сторона низкого давления изогнута вдоль задней кромки вблизи хвостовика для уменьшения разделения потока на нем (RU 2000130594 А, опубл. 27.01.2003).
Известна рабочая лопатка компрессора, включающая перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером размещена полка, формирующая проточную часть 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.257-263).
К недостаткам известных технических решений рабочих колес КНД относится неясность или нераскрытость взаимосвязи заявленных в качестве существенных признаков приведенных аналогов с достигаемым техническим результатом, а также отсутствие информации о том, каким образом и в каких диапазонах значений указанные в аналогах основные конструкционные и эксплуатационные параметры влияют на улучшение технологичности изготовления и ремонтопригодности конструкции или на увеличение производительности компрессора, ресурса работы рабочих колес и КНД в целом, а также на снижение материалоемкости, трудо- и энергоемкости выполнения технологических операций.
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке рабочего колеса четвертой ступени вала ротора КНД ТРД с рабочими лопатками повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности, при одновременном снижении материалоемкости и увеличении ресурса КНД ТРД в целом.
о.п.
0
0
з.п
Поставленная задача в части первого объекта решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, согласно полезной модели, выполнено в качестве рабочего колеса четвертой ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего снабженную центральным отверстием ступицу, сопряженную с полотном, на которое оперт обод с выполненными выпукло-вогнутыми в поперечном сечении рабочими лопатками, имеющими каждая перо с радиальной осью, боковыми кромками и хвостовик с продольной осью, при этом обод симметрично соединен с полотном диска с образованием двух равноплечих полок - фронтальной и тыльной, выполненных конически расширяющимся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела и снабжен пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, а полотно диска снабжено системой равноудаленных от оси ротора отверстий, обеспечивающих возможность соединения через кольцевую проставку с полкой диска предшествующего рабочего колеса конструкции вала, при этом отверстия разнесены по условной окружности в полотне диска рабочего колеса с угловой частотой Y=(3,03÷4,62) [ед/рад], причем продольная ось каждого из упомянутых пазов диска образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(20÷32)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом хорда, соединяющая в корневой зоне боковые кромки пера каждой лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера G, принятым в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(151,7÷274,0) [град/м],
к
п
ср
где α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки.
Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера.
х
Перо лопатки может быть выполнено расширяющимся к периферийному торцу с градиентом расширения хорды G
х
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/L=(2,1÷3,4)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера лопатки.
Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, квазиконгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД.
1
0
1
2
Площадь F ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо может быть выполнена составляющей (0,39÷0,51) от полной площади F, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, при этом площадь F принята превышающей в свою очередь площадь F на выходе из колеса у выходной кромки лопаток в (1,03÷1,19) раза.
з.п
Поставленная задача по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, согласно полезной модели, содержит лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе четвертой ступени КНД, количество которых принято от 52 до 89 лопаток, при этом каждая лопатка содержит перо, длина которого по радиальной оси принята перекрывающей с зазором поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины четвертой ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к радиальной оси пера, с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(151,7÷274,0) [град/м], где
к
п
ср
α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки; кроме того каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком, имеющим продольную ось, размещенную под углом к оси ротора.
0
0
При этом продольная ось хвостовика каждой лопатки может быть размещена относительно оси ротора под углом α, составляющим в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, α=(20÷32)°.
х
Перо каждой лопатки комплекта может быть выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G
х
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/L=(2,1÷3,4)·10 [м/м], где
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера лопатки.
0
Перо каждой лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера, практически не менее угла α установки хвостовика лопатки.
Перо каждой лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков группы полезных моделей, связанных единым творческим замыслом, состоит в разработке рабочего колеса четвертой ступени вала ротора КНД ТРД с рабочими лопатками повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности при снижении материалоемкости. Это достигается совокупностью разработанных в полезной модели конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов рабочего колеса, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода с разноплечими кольцевыми полками, принятого сочетания тонкого полотна и осевой ширины и радиальных параметров ступицы, компенсирующих ослабляющее рабочего колесо центральное отверстие, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых напряжений в элементах диска. Найденная в полезной модели ориентация относительно оси вала и угловая частота пазов диска с возможностью размещения, фиксации и простоты взаимозаменяемости рабочих лопаток с принятой системой замкового соединения обеспечивает в совокупности повышенную эффективность функциональной работы и ресурса КНД в целом. Улучшенная геометрическая конфигурация и пространственная жесткость конструкции лопаток для рабочего колеса с заявленными силовыми и аэродинамическими параметрами достигается разработанным в полезной модели оптимальным варьированием радиальных значений и толщин пера лопатки, а также градиентами изменяющихся по длине лопатки осевой закрутки и расширения пера от корневого к периферийному сечению лопатки. Это в свою очередь обеспечивает возможность повышенной подачи в компрессор сжимаемого воздушного потока при относительном минимуме расхода энергии на всех режимах работы двигателя и повышение ресурса ТРД в сочетании со снижением материалоемкости и улучшением ремонтопригодности разработанной конструкции рабочих лопаток в процессе эксплуатации двигателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено рабочее колесо четвертой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса четвертой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - лопатка рабочего колеса четвертой ступени, вид сверху;
на фиг. 4 - перо лопатки рабочего колеса четвертой ступени, поперечный разрез;
на фиг. 5 - фрагмент обода диска рабочего колеса четвертой ступени, фронтальная проекция.
Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, выполнено в качестве рабочего колеса четвертой ступени вала ротора. Рабочее колесо содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, сопряженную с полотном 4. На полотно 4 оперт обод 5 с рабочими лопатками 6. Лопатки 6 выполнены выпукло-вогнутыми в поперечном сечении и имеют каждая перо 7 с радиальной осью, боковыми кромками 8 и хвостовик 9 с продольной осью.
о.п.
Обод 5 соединен симметрично с полотном 4 диска 1 с образованием двух равноплечих полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11, выполненных конически расширяющимся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела и снабжен пазами 12 с заведенными в них хвостовиками 9 лопаток 6. Полотно 4 диска 1 снабжено системой равноудаленных от оси ротора отверстий 13, обеспечивающих возможность соединения через кольцевую проставку с полкой диска предшествующего рабочего колеса конструкции вала. Отверстия 13 разнесены по условной окружности в полотне 4 диска 1 рабочего колеса с угловой частотой Y=(3,03÷4,62) [ед/рад].
0
0
Продольная ось каждого из упомянутых пазов 12 диска 1 образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера 7 лопатки, угол α установки хвостовика 9 лопатки 6, определенный в диапазоне значений α=(20÷32)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска 1 и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 9 лопатки 6.
з.п
з.п
Хорда, соединяющая в корневой зоне 14 боковые кромки 8 пера 7 каждой лопатки 6, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7 лопатки 6, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера G, принятым в диапазоне G:
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(151,7÷274,0) [град/м],
к
п
ср
где α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки.
Перо 7 лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым - с вогнутой поверхностью в виде корыта 15, наделенного функцией нагнетания, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7, наделенную функцией всасывания потока рабочего тела при вращении рабочего колеса.
х
Перо 7 лопатки 6 выполнено расширяющимся к периферийному торцу 17 с градиентом расширения хорды G
х
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/L=(2,1÷3,4)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера лопатки.
Периферийный торец 17 пера 7 лопатки 6 выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, квазиконгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД.
1
0
1
2
Площадь F ометания воздушного потока лопатками 6 на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,39÷0,51) от полной площади F, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя. Площадь F принята превышающей в свою очередь площадь F на выходе из рабочего колеса у выходной кромки лопаток 6 в (1,03÷1,19) раза.
По второму объекту полезной модели рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, содержит лопатки 6, предназначенные для установки в имеющем диск 1 с пазами 12 рабочем колесе четвертой ступени КНД. Количество лопаток 6 принято от 52 до 89 лопаток.
Каждая лопатка 6 включает перо 7. Длина пера 7 по радиальной оси принята перекрывающей с зазором поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины четвертой ступени КНД.
з.п
Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к радиальной оси пера 7, с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(151,7÷274,0) [град/м],
к
п
ср
где α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки.
0
Каждая лопатка 6 снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов 12 диска 1 хвостовиком 9 с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера 7 лопатки, составляет α=(20÷32)°.
х
Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено с боковыми кромками 8, расходящимися к периферийному торцу 17 с градиентом увеличения хорды G
х
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/L=(2,1÷3,4)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера лопатки.
0
Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта 15, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7. Хорда, соединяющая боковые кромки пера 7 в корневой зоне 14 образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7, практически не менее угла α установки хвостовика 9 лопатки.
Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 16 и корыта 15 относительно условной хорды 18, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки 6.
Работа рабочего колеса осуществляется следующим образом.
В процессе работы турбореактивного двигателя диск 1 рабочего колеса четвертой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через силовую барабанно-дисковую оболочку 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 15 пера 7 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 16 пера 7, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся рабочие лопатки 6 ротора передают энергию рабочему телу, направляя сжимаемый воздушный поток на лопатки статора четвертой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в сдвоенный спрямляющий аппарат последней ступени статора КНД и далее во входной направляющий аппарат компрессора высокого давления.