ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
IMPELLER VANE OF TURBOJET ENGINE LOW-PRESSURE COMPRESSOR ROTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к осевым компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.
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 A, 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 решений относятся неопределенность достижения эффективного взаимодействия лопаток с потоком рабочего тела вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации пера и угловой установки лопатки в рабочем колесе третьей ступени ротора, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и, как следствие, сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса лопатки.
Задача группы изобретений состоит в разработке лопатки рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации и жесткостью пера лопатки, обеспечивающими возможность увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха в третьей ступени и подачи воздушного потока в последующую ступень КНД на всех режимах работы двигателя, а также увеличение газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости лопатки.
к
у.п
Поставленная задача решается тем, что лопатка третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо третьей ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ = 64÷72°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; кроме того, лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G, имеющим значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G = (γ-Т)/Н = 206,4÷296,8 [град/м],
к
п
ср
у.х.
где γ - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ - то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки; при этом входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
у.х.
п.х.
к.х.
cp
-2
G = (L-L)/H = (6,9÷9,9)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
cp.
cp.
где L - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки; причем лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющим h/L = 2,5÷3,6.
у.т.
При этом 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 = (С-С)/Н = (1,4÷2,1)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного сечения; Н - средняя высота пера лопатки.
Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой 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 третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
к
у.п
Поставленная задача по второму варианту решается тем, что лопатка третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо третьей ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ = 64÷72°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; при этом лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G, имеющим значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G = (γ-γ)/H = 206,4÷296,8 [град/м],
к
п
ср
cp.
cp.
где γ - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ - то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки; кроме того, входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки, а лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющим h/L = 2,5÷3,6.
у.х.
При этом входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
у.х.
п.х.
к.x.
cp
-2
G = (L-L)/H = (6,9÷9,9)·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 пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки.
Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой 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 третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
к
у.х.
Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что лопатка третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо третьей ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ = 64÷72°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; причем входная и выходная кромки пера выполнены 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 = (6,9÷9,9)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
cp.
cp.
где L - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки; кроме того, лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющим h/L = 2,5÷3,6.
у.п
При этом лопатка может быть выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G, имеющим значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G = (γ-γ)/Н = 206,4÷296,8 [град/м],
к
п
ср
где γ - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ - то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
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 = (С-С)/Н = (1,4÷2,1)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного сечения; Н - средняя высота пера лопатки.
Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой 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 третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
к
у.т.
Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что лопатка третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо третьей ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ = 64÷72°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей 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 = (1,4÷2,1)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного сечения; Н - средняя высота пера лопатки.
у.п
Лопатка может быть выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G, имеющим значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G = (γ-γ)/Н = 206,4÷296,8 [град/м],
к
п
ср
где γ - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ - то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
у.х.
Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
у.х.
п.х.
к.х.
cp
-2
G = (L-L)/H = (6,9÷9,9)·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 пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки.
Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей 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, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков лопатки рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,5% при повышении ресурса лопатки в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сбоку;
на фиг. 2 - лопатка рабочего колеса третьей ступени, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса третьей ступени, поперечный разрез;
на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сверху.
Рабочее колесо третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью, снабжено диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией.
к
к
Лопатка рабочего колеса содержит хвостовик 1 и перо 2 с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3 и выпуклой спинкой 4, сопряженными входной и выходной кромками 5 и 6 соответственно. Перо 2 лопатки выполнено с углом γ  установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ = 64÷72°. В качестве соединяющей входную и выходную кромки профиля хорды 7 принята общая касательная к входной и выходной кромкам 5 и 6 профиля пера 2 лопатки. Хвостовик 1 лопатки имеет подошву 9 с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси 10 ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол α = 18÷26°, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении. В качестве оси пера 2 лопатки принята продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля. В качестве оси 10 ротора принята ось вращения ротора.
у.п
Лопатка выполнена с переменным по высоте пера 2 углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии 8 решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси 10 ротора с градиентом G, имеющим значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G = (γ-γ)/Н = 206,4÷296,8 [град/м],
к
п
ср
где γ - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γ - то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
у.х.
Входная и выходная кромки 5 и 6 пера 2 выполнены расходящимися к периферийному торцу 11 лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды 7, равным
у.х.
п.х.
к.х.
cp
-2
G = (L-L)/H = (6,9÷9,9)·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 пера лопатки; L - то же, длина корневой хорды; Н - средняя высота пера лопатки.
cp.
cp.
Лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки 5 профиля пера 2 к средней хорде L, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющем h/L = 2,5÷3,6.
у.т.
Перо 2 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 3 и корыта 4 относительно хорды 7, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 2 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 2 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера 2 к периферийному торцу 11 с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G = (С-С)/Н = (1,4÷2,1)·10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С - то же, периферийного сечения; Н - средняя высота пера лопатки.
Лопатка снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой 12, расположенной в зоне одной трети высоты пера 2 от периферийного торца 11 пера 2 лопатки. Хвостовик 1 лопатки снабжен канавкой 13 для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом, заводимым в канавку 13 хвостовика и ответные ей канавки, выполненные в ободе диска между пазами. Групповую фиксацию всех лопаток рабочего колеса производят одним контровочным кольцом.
Перо 2 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо 2 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3 профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Периферийный торец 11 пера 2 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
Лопатку рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД 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 1 и антивибрационной полки 12. 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 4 пера 2 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 3 пера 2 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 1.
Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 2 и антивибрационной полки 12 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 14 антивибрационной полки 12 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.
Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 2 с хвостовиком 1 и антивибрационной полкой 12, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД.
Профиль пера 2 лопатки имеет следующие геометрические параметры:
max
к
к
- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C = 4,2 мм; длина хорды пера - 40,4 мм; угол γ установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца составляет 68°; угол α установки профиля пера 2 к оси вращения ротора составляет 22°;
max
п
- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C = 1,2 мм; длина хорды пера принята 51 мм; угол γ установки профиля пера составляет 30°;
ср
- средняя высота Н профиля пера составляет 145,4 мм.
Антивибрационная полка 12 лопатки выполнена с толщиной стенки 4 мм и размещена на среднем радиусе от оси ротора 358 мм, с контактными поверхностями, выполненными под углом 26° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.
Лопатка выполнена для фиксации на диске рабочего колеса вала ротора путем установки хвостовика 1 в пазу обода диска.
При работе компрессора каждая лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора КНД взаимодействует с рабочим телом, передавая последнему кинетическую и потенциальную энергию. В результате возникает направленный к выходу из лопаточного венца рабочего колеса поток сжимаемого рабочего тела, который поступает из межлопаточных каналов лопаточного венца рабочего колеса ротора на лопатки и в межлопаточные каналы направляющего аппарата статора третьей ступени. После выравнивания в направляющем аппарате поток поступает в последующую ступень КНД.
к
к
к
к
к
В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции лопатки рабочего колеса третьей ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 2 под углом γ между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γ = 64÷72°, в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации и градиентов их изменения по высоте пера лопатки. При назначении угла γ в корневом сечении лопатки, принятом из найденного в изобретении интервала значений γ с учетом углов установки профиля пера предыдущих и последующей ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, ГДУ компрессора и ресурса лопатки. При уменьшении угла γ < 64° существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 4 пера 2 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла γ > 72° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 3 пера 2 лопатки и снижается КПД, а также неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.
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 изобретении границ диапазонов градиентов G = 206,4÷296,8 [град/м] по высоте Н пера 2 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G < 206,4 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 4 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 7 пера 2 по высоте лопатки до значений градиента G, превышающих верхний предел G > 296,8 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка 15 пера 2 лопатки, что, в свою очередь, приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы третьей ступени ротора с последующей ступенью КНД.
у.х.
ср
у.х
у.х.
ср
у.х.
у.х.
-2
-2
-2
Градиент G увеличения хорды 7 пера 2 лопатки по средней высоте Н пера 1 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной кромок 5 и 6 пера 2 от втулки до периферийного торца 11. Парусность пера по высоте лопатки спрофилирована по градиенту G углового расширения хорды 7 пера 2 с заявленным диапазоном G = (6,9÷9,9)·10 [м/м], что обеспечивает получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 2 к средней высоте Н пера (G < 6,9·10) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками 15 пера 2 лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие, возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенное снижение КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 4 пера 2 лопатки. Увеличение (G > 9,9·10) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 2 лопатки и к снижению КПД компрессора.
у.т.
у.т.
у.т.
-2
-2
-2
Технический результат повышения ресурса лопатки в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 2 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G = (1,4÷2,1)·10 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 2 лопатки. При значениях градиента G < 1,4·10 [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 > 2,1·10 [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 2 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров лопатки рабочего колеса третьей ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.