Рабочее колесо второй ступени ротора компрессора высокого давления (КВД) турбореактивного двигателя (варианты), диск рабочего колеса ротора КВД, лопатка рабочего колеса ротора КВД, лопаточный венец рабочего колеса ротора КВД
SECOND STAGE IMPELLER WHEEL OF HIGH PRESSURE COMPRESSOR (HPC) ROTOR OF TURBOCHARGER ENGINE (VARIANTS), HPC ROTOR IMPELLER WHEEL DISC, HPC ROTOR IMPELLER WHEEL BLADE, HPC ROTOR IMPELLER WHEEL BLADE RING

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам высокого давления (КВД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).
Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик (Ю.С. Елисеев и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. 2-е изд. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000. стр. 621-624).
Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки и паз в ободе диска имеют трапециевидный профиль. Перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером выполнена полка с формированием проточной части (А.А. Иноземцев и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 2. Москва. Машиностроение 2008, стр. 39-42).
Известно рабочее колесо компрессора, имеющее диск с установленными в пазу рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Паз диска выполнен с уширением по глубине в поперечном сечении паза (US 2013/0171343, 04.07.2013 г., фиг. 1, 2). Аналогичные решения известны из US 2005/0025622 А1, фиг. 1, US 2009/0246029 А1, фиг. 5, US 2005/0129522 А1, фиг. 1, US 1606029, фиг. 3, 4.
К недостаткам известных решений относятся непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска рабочего колеса, влияющих на формирование конфигурации, и площадь проходного сечения проточной части и размещение в пазу обода диска лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой установки лопатки в рабочем колесе второй ступени ротора, что затрудняет получение оптимального сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора, а также обеспечение оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.
Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке рабочего колеса второй ступени ротора компрессора высокого давления ТРД с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации диска и лопаток, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД во второй ступени КВД, подачи воздушного потока в последующие ступени КВД с повышенным запасом ГДУ на всех режимах работы и ресурса двигателя без увеличения материалоемкости.
к
п
з.п
Поставленная задача решается тем, что лопатка рабочего колеса второй ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления КВД турбореактивного двигателя ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления (ТНД) с валом, турбину высокого давления (ТВД) и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками и лопаточными венцами, при этом обод диска рабочего колеса наделен пазом для установки лопаток, согласно изобретению лопатка содержит перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, а также выполненные за одно целое с пером лопатки хвостовик и корневая полка с конической поверхностью по обе стороны пера, образующей фрагмент втулочной поверхности проточной части двигателя второй ступени КВД, причем хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α=(27,2÷39,1)°, а в периферийном сечении пера значение α=(38,8÷55,8)°, при этом перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/Н=(150,2÷216,2) [град/м],
к
п
ср
у.т.
где α - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки; кроме того, 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=(1,8÷2,5)⋅10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; С – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
1
2
При этом хвостовик лопатки может иметь подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси ротора, и может содержать уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами, верхние грани каждого из которых наклонены к условной плоскости подошвы хвостовика на угол β=(29÷40)°, а нижние грани выполнены встречно наклонными и образуют каждая с условной плоскостью подошвы хвостовика угол β=(48÷69)°.
ср
cp
ср
cp
Лопатка может быть выполнена с отношением средней высоты Н профиля пера лопатки к средней высоте h хвостовика, составляющим Н/h=(5,0÷6,8).
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.).
л
Поставленная задача в части лопаточного венца решается тем, что лопаточный венец рабочего колеса второй ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, обод которых наделен пазом для установки рабочих лопаток, согласно изобретению содержит лопатки, равномерно разнесенные по периметру диска с угловой частотой Y=(8,28÷11,78) [ед./рад], при этом каждая лопатка лопаточного венца второй ступени ротора КВД выполнена с конфигурацией и параметрами, описанными выше, кроме того, торцы корневой полки каждой лопатки выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части, для чего полка каждой лопатки выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода диска и составляющим ϕ=(11÷17)°.
д
п.ч.
R.об.
Поставленная задача в части диска ротора компрессора решается тем, что диск рабочего колеса второй ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, снабженных лопатками, включающими хвостовик, корневую полку и перо, согласно изобретению диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно, при этом радиус диска R от оси ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна, составляет (0,59÷0,85) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а обод диска снабжен по контуру кольцевым пазом для размещения в нем хвостовиков рабочих лопаток и разделен пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча с периферийными кольцевыми коническими полками с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок лопаток втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска второй ступени ротора КВД; кроме того, внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G, определенным в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска; В - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом.
ц.о.с.
д
При этом радиус R центрального отверстия ступицы может быть выполнен достаточным для размещения передней опоры КВД и вариантно составляющим (0,53÷0,81) от радиуса R диска, считая последний от оси ротора до внешней поверхности обода в средней радиальной плоскости полотна.
Паз диска может быть снабжен не менее чем одним заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток и фиксирующих элементов для фиксации положения лопаток в пазе.
Паз обода диска может быть выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной части паза и разделенным заужением, образованным двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами, выполненными со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика лопатки, при этом нижнее уширение кольцевого паза обода диска выполнено с гранями, образующими замковую конфигурацию типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным поверхностям хвостовика лопатки, а верхнее уширение паза выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки лопатки, выходящей в проточную часть, который, в свою очередь, выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска второй ступени КВД.
л
л
Длина периметра кольцевого паза в ободе диска выполнена достаточной для размещения в нем хвостовиков лопаток с угловой частотой Y, определенной в диапазоне значений Y=(8,28÷11,78) [ед./рад].
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена не менее чем двумя отверстиями для сброса отработанного масла, конденсата и моющей жидкости.
д
п.ч.
ц.о.с.
д
R.об.
Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо второй ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, согласно изобретению содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат каждая хвостовик, перо, выполненное с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а лопатки венца содержат каждая хвостовик для размещения в пазу диска с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз», перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, образующей фрагмент втулочной поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КВД, при этом радиус R диска от оси ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна, составляет (0,59÷0,85) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а радиус R центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для размещения передней опоры КВД и вариантно составляющим (0,53÷0,81) от радиуса R диска в средней радиальной плоскости полотна диска, при этом обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска второй ступени ротора КВД; кроме того, внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G, определенным в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска; В - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом; кроме того, для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД диск рабочего колеса выполнен с возможностью неразъемного соединения фронтальной полкой обода с ответной тыльной полкой обода диска рабочего колеса первой ступени и тыльной полкой с ответной фронтальной полкой диска последующей третьей ступени с возможностью включения диска второй ступени в качестве консольного элемента в силовую оболочку вала ротора, выполненного на осевой длине КВД барабанно-дисковой конструкции.
л
При этом лопатки равномерно могут быть разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(8,28÷11,78) [ед./рад].
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена не менее чем двумя отверстиями для сброса отработанного масла, конденсата и моющей жидкости.
1
Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющему β=(29÷40)°, а от смещения в окружном направлении в кольцевом пазу лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.
к
п
л
з.п
Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо второй ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, согласно изобретению содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат каждая хвостовик, перо, выполненное с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α=(27,2÷39,1)°, а в периферийном сечении пера значение α=(38,8÷55,8)°, при этом лопатки равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(8,28÷11,78) [ед./рад], причем обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска второй ступени ротора КВД с углом ϕ наклона образующей внешней поверхности к оси ротора, идентичным внешней поверхности корневой полки лопатки, кроме того, перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/Н=(150,2÷216,2) [град/м],
к
п
ср
д
ср
д
ср
где α - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки; при этом рабочее колесо выполнено с отношением радиуса R диска от оси вала ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода диска в средней радиальной плоскости полотна диска к средней высоте Н профиля пера лопатки, составляющим R/Н=(2,3÷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=(1,8÷2,5)⋅10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; С – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
д
п.ч.
Радиус R диска от оси ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна, может быть выполнен составляющим (0,59÷0,85) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости.
Для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД диск рабочего колеса может быть выполнен с возможностью неразъемного соединения фронтальной полкой обода с ответной тыльной полкой обода диска рабочего колеса первой ступени и тыльной полкой с ответной фронтальной полкой диска последующей третьей ступени с возможностью включения диска второй ступени в качестве консольного элемента в силовую оболочку вала ротора, выполненного на осевой длине КВД барабанно-дисковой конструкции, при этом кольцевые полки обода диска выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора.
Фронтальная полка обода диска может быть снабжена не менее чем двумя отверстиями для сброса отработанного масла, конденсата и моющей жидкости.
1
Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющему β=(29÷40)°, от смещения в окружном направлении в кольцевом пазу лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса второй ступени ротора КВД ТРД, включающего диск и рабочие лопатки, в совокупности составляющие лопаточный венец рабочего колеса, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,5% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено рабочее колесо второй ступени ротора КВД ТРД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент обода диска рабочего колеса с лопатками, вид сбоку;
на фиг. 3 - фрагмент лопаточного венца рабочего колеса, вид сверху;
на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса, вид сверху;
на фиг. 5 - перо лопатки рабочего колеса, поперечный разрез;
на фиг. 6 - хвостовик лопатки рабочего колеса, вид спереди;
на фиг. 7 - обод диска рабочего колеса, продольный разрез;
на фиг. 8 - фрагмент обода диска с заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток, продольный разрез;
на фиг. 9 - фрагмент обода диска с фиксирующим элементом для фиксации положения лопаток в пазу, продольный разрез.
Многоступенчатый компрессор высокого давления турбореактивного двигателя включает корпус с проточной частью, турбину низкого давления с валом, турбину высокого давления и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с передней опорой и с трубчатой частью вала ротора с другой стороны.
В группе изобретений, объединенных единым творческим замыслом, рабочее колесо второй ступени ротора компрессора (фиг. 1) содержит диск 1, наделенный пазом 2 для установки рабочих лопаток 3, в совокупности составляющих лопаточный венец рабочего колеса.
л
Лопатки лопаточного венца содержат каждая выполненные за одно целое хвостовик 4, перо 5 и корневую полку 6 с конической поверхностью по обе стороны пера 5. Диск 1 рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 7 с центральным отверстием 8, полотно 9 и обод 10, наделенный пазом 2 для установки хвостовиков 4 лопаток. Полотно 9 диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 7 к ободу 10. Лопатки 3 равномерно разнесены по периметру диска 1 с угловой частотой Y=(8,28÷11,78) [ед./рад]. Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 и выпуклой спинкой 12, сопряженными входной и выходной кромками 13 и 14.
к
п
Хвостовик 4 лопатки выполнен для установки в паз 2 обода 10 диска 1, имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза 2 с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера 5 к оси 15 ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α=(27,2÷39,1)°, a в периферийном сечении пера значение α=(38,8÷55,8)°.
з.п.
Перо 5 лопатки (фиг. 4) выполнено с переменной относительно оси 15 ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/Н=(150,2÷216,2) [град/м],
к
п
ср
где α - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
у.т.
Перо 5 лопатки (фиг. 5) выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 12 и корыта 11 относительно хорды 16, соединяющей входную и выходную кромки 13 и 14 пера лопатки. Максимальная толщина профиля пера 5 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 17 с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G=(С-С)/Н=(1,8÷2,5)⋅10 [м/м],
к
п
ср
где С - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; С – то же, в периферийном сечении; Н - средняя высота пера лопатки.
1
2
Хвостовик 4 лопатки (фиг. 6) имеет подошву 18 с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси 15 ротора, и содержит уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами. Верхние грани 19 каждого выступа наклонены к условной плоскости подошвы 18 хвостовика на угол β=(29÷40)°. Нижние грани 20 выполнены встречно наклонными и образуют каждая с условной плоскостью подошвы 18 хвостовика угол β=(48÷69)°.
Торцы 21 корневой полки 6 каждой лопатки (фиг. 3) выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части. Для этого корневая полка 6 лопатки 3 выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки 6 к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода 10 диска и составляющим ϕ=(11÷17)°.
ср
cp
ср
cp
Лопатка 3 выполнена с отношением средней высоты Н профиля пера 5 лопатки к средней высоте h хвостовика 4, составляющим Н/h=(5,0÷6,8).
Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой 12 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариантно перо лопатки 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.).
д
п.ч.
ц.о.с.
д
Радиус R диска 1 рабочего колеса второй ступени от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, соосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9, составляет (0,59÷0,85) от радиуса R периферийного контура проточной части в указанной плоскости. Радиус R центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для размещения передней опоры КВД и вариантно составляющим (0,53÷0,81) от радиуса R диска от оси 15 ротора КВД до верхней поверхности обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9 диска.
Для размещения хвостовиков лопаток 3 обод 10 диска 1 снабжен по контуру кольцевым пазом 2. Обод 10 разделен пазом 2 на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча 22, 23 с периферийными кольцевыми коническими полками 24 и 25 соответственно с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок 6 лопаток 3 втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска второй ступени ротора КВД.
д
ср
д
cp
При этом рабочее колесо выполнено с отношением радиуса R диска 1 от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода 10 диска в средней радиальной плоскости полотна 9 диска к средней высоте Н профиля пера 5 лопатки, составляющим R/H=(2,3÷3,6).
R об.
Внешняя поверхность обода 10 выполнена с углом наклона образующей 26 относительно оси 15 ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G, определенным в диапазоне
max
min
об
где R и R - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска; В - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом.
Паз 2 обода 10 диска (фиг. 7) выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной частях 27 и 28 паза и разделенным заужением, которое образовано двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами 29. Выступы 29 выполнены со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика 4 лопатки. Уширение в нижней придонной части 28 паза 2 обода диска выполнено с гранями 30 с образованием замковой конфигурации типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней 30, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным граням 19 и 20 хвостовика 4 лопатки. Уширение в верхней части 27 паза 2 выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза 2, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки 6 лопатки, выходящей в проточную часть, который, в свою очередь, выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска второй ступени КВД.
1
Паз 2 обода 10 диска 1 снабжен не менее чем одним заходным отверстием 31 для установки в паз хвостовиков 4 лопаток (фиг. 8) и фиксирующих элементов 32 для фиксации положения лопаток в пазу. Для радиально-угловой фиксации положения лопаток 3 в ободе 10 диска кольцевой паз 2 выполнен с контактными выступами 29 с возможностью удерживания лопаток от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил. Нижняя грань выступа 29 расположена под углом к условной плоскости придонной части паза, идентичным углу β наклона ответной грани 20 хвостовика 4 лопатки к его подошве 18. От смещения в окружном направлении (фиг. 9) в кольцевом пазу 2 лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами 32. Фиксирующие элементы 32 выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза 2, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта 33.
Фронтальная полка 24 обода 10 диска снабжена не менее чем двумя отверстиями 34 для сброса отработанного масла, конденсата и моющей жидкости.
Для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД диск 1 рабочего колеса второй ступени выполнен с возможностью неразъемного соединения фронтальной полкой 24 обода 10 с ответной тыльной полкой обода диска рабочего колеса первой ступени и тыльной полкой 25 с ответной фронтальной полкой диска последующей третьей ступени с включением диска второй ступени в качестве консольного элемента в силовую оболочку вала ротора, выполненного на осевой длине КВД барабанно-дисковой конструкции. Кольцевые полки 24 и 25 обода 10 диска 1 выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки 3 на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора.
Пример реализации изобретения.
Рабочее колесо второй ступени КВД двигателя состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 3. Диск 1 изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 7, полотно 9 и обод 10.
Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 28 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 285 мм; толщина полотна - 4 мм; ширина обода, ограниченного межлопаточным каналом - 31 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 456 мм и 440 мм соответственно; угол ϕ наклона внешней поверхности обода диска - 14°.
Лопатку 3 рабочего колеса второй ступени ротора КВД 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 корневой полки 6. 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 12 пера 5 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 11 пера 5 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 4.
Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 5 и корневой полки 6 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 21 корневых полок 6 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.
Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 5 с хвостовиком 4 и корневой полкой 6, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса второй ступени ротора компрессора ТРД.
Профиль пера 9 лопатки имеет следующие геометрические параметры:
max
к
- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С=3,2 мм; длина хорды 16, соединяющей входную и выходную кромки 13 и 14 пера лопатки - 36 мм; угол α установки профиля пера к оси ротора составляет 32°;
max
п
- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С=1,4 мм; длина хорды пера принята 36 мм; угол α установки профиля пера составляет 48°;
ср
- средняя высота Н профиля пера составляет 79 мм;
cp
- средняя высота h хвостовика составляет 15 мм.
Корневая полка 6 лопатки выполнена с шириной в окружном направлении 23 мм с контактными торцами 21, выполненными параллельно оси ротора и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки 6 к оси 15 ротора ϕ=14°.
На внешней стороне обода 10 выполняют протягиванием кольцевой паз 2 для крепления лопаток. Паз выполнен с двумя заходными отверстиями 31. Лопатки 3 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов 29. Лопатки 3 удерживают в диске 1 от перемещения в окружном направлении 2 с помощью фиксирующих элементов 32. Лопатки 3 сопрягают по ответным торцам 21 смежных корневых полок.
В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса второй ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от ТВД через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора компрессора с включением в работу лопаток 3 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в компрессоре. На вогнутой поверхности в виде корыта 11 пера 5 лопатки 3 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 12 пера 5, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 3 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора второй ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени компрессора. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через кольцевые полки 24 и 25 обода 10 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.
л
л
Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в группе изобретений конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса второй ступени ротора компрессора, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 10, сочетания сужающегося полотна 9 и осевой ширины ступицы 7, компенсирующих ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 8, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 8 в ступице 7 принят достаточным для установки передней опоры вала ротора и пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. На внешней стороне обода 10 диска выполняют протягиванием кольцевой паз 2 для крепления лопаток, обеспечивая при этом возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса второй ступени ротора компрессора, 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 пазу 2 диска 1 лопаток 3 рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы компрессора, 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. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток ниже нижнего предела указанного диапазона Y<8,28 [ед./рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y>11,78 [ед./рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй 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 и повышает ресурс рабочего колеса.
з.п
ср
з.п
з.п.
Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов G=(150,2÷216,2) [град/м] по высоте Н пера 5 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G<150,2 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 12 пера 5 лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 16 пера 5 по высоте лопатки до значений градиента G, превышающих верхний предел, приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 9 лопатки, что, в свою очередь, приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы второй ступени ротора с последующими ступенями 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 5 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G=(1,8÷2,5)⋅10 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера лопатки. При значениях градиента G<1,8⋅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>2,5⋅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 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.
д
п.к.
д
ср
R.об
Технический результат группы изобретений достигается также при реализации изобретения с заявленным диапазоном соотношений (R/R) и (R/Н), т.к. уменьшение значений указанных отношений приведет к неоправданному уменьшению радиуса диска, нерасчетному увеличению радиальной высоты рабочих лопаток, что, как следствие, нарушит входные и выходные аэродинамические параметры конструкции рабочего колеса и потока рабочего тела - воздуха, а также ухудшит газодинамическую устойчивость на переходных режимах работы двигателя. Увеличение значений указанных отношений приведет к аэродинамически недопустимому уменьшению площади проходного сечения проточной части двигателя в зоне второй ступени компрессора ТРД, что нарушит требуемый динамический баланс расхода рабочего тела и потребует перепроектирования геометрических параметров проточной части последующих ступеней КВД. Кроме того, уменьшение градиента G<0,21 приведет к недопустимому негативно малому приросту радиуса диска второй ступени и соответственно не обеспечит требуемое уменьшение проходного сечения проточной части на осевом участке ширины обода диска, что не позволит получить необходимый прирост давления рабочего тела, которое должно быть получено во второй ступени КВД ТРД для достижения технического результата при реализации изобретения.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса второй ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора двигателя без увеличения материалоемкости.