ДИСК ТРЕТЬЕЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.
Известна ступень осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные венцы рабочего колеса и его внешнее силовое кольцо, в котором внутренняя часть имеет пазы. В пазах посредством замков крепятся концы пера лопатки. В замках крепления лопатки в зазоре между боковыми стенками пазов и концами замковой части торцевых концов лопатки установлены виброизоляционные, амортизационные элементы (RU 2264561 C1, опубл. 20.11.2005).
Известна ступень осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные венцы рабочего колеса и опорное силовое кольцо для крепления хвостовиков лопаток. Для крепления хвостовиков концевого сечения лопатки на внутренней металлической поверхности силового кольца выполнены шлицы (RU 2267030С1, опубл. 27.12.2005).
Известен осевой компрессор двигателя, включающий рабочие колеса, снабженные дисками. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. На ободах дисков 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 C1, опубл. 10.02.2006).
Известен вал ротора компрессора низкого давления (КНД), включающий систему из четырех дисков. Диск содержит обод для установки и привидения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 249-259)
К недостаткам известных решений относятся неоптимальность соотношений и недостаточная проработанность радиальных и угловых параметров дисков, включая параметры, выражающие соотношения величин полок и радиусов ободов дисков как силовых элементов конструкции вала, а также угловой частоты и осевой ориентации пазов для установки рабочих лопаток ротора.
Задача полезной модели состоит в разработке диска третьей ступени вала ротора КНД ТРД повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности при снижении материалоемкости и повышении допустимых напряжений в элементах диска.
п
Поставленная задача решается тем, что диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), согласно полезной модели, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, при этом обод диска ассиметрично соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода, фронтальная из которых превышает осевую ширину тыльной не менее чем в 1,07 раза, причем тыльная полка выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой, обращенной к диску следующей ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад], причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримом с проекцией ширины корневого сечения пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью лопатки, снабжен системой пазов для крепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим β=(35÷65)°, и с длиной образующей не выходящей за осевой габарит полки диска.
При этом обод диска может быть выполнен, выходящим в проточную часть и образующим третью ступень силовой оболочки вала ротора, которая выполнена барабанно-дисковой с возможностью силового соединения диска третьей ступени через упомянутые цилиндрические проставки, при этом внешняя поверхность обода образует соответствующий осевой участок силовой оболочки вала, а обе проставки снабжены со стороны, выходящей в проточную часть кольцевыми гребневыми элементами лабиринтного уплотнения, выполненными с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора.
Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения с цилиндрической проставкой.
Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками, имеющими конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную конфигурации поперечного сечения пазов, может быть выполнено по типу «ласточкин хвост» и снабжено кольцевой проточкой с возможностью заведения в него разрезного кольца для фиксации лопаток.
Диск может быть выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы до верхней поверхности обода в условной средней плоскости полотна диска, не менее чем в 1,15 раза меньшим радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного вращения системы «диск-лопатка».
Внутренняя поверхность проточной части двигателя в зоне расположения диска может быть образована участками внешней поверхности обода диска между пазами для установки лопаток.
Тыльная полка обода диска конструктивно может быть выполнена с возможностью неразъемного присоединения цилиндрической проставки.
Радиус центрального отверстия ступицы не менее чем на 10% может превышать радиус упомянутой шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,49÷0,75) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке диска третьей ступени вала ротора КНД ТРД повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности при снижении материалоемкости. Это достигается совокупностью разработанных в полезной модели конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода с разноплечими кольцевыми полками, принятого сочетания тонкого полотна и осевой ширины ступицы, компенсирующей диаметр центрального отверстия, 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 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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен диск третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент диска третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - фрагмент обода диска третьей ступени вала ротора КНД, вид сбоку.
Турбореактивный двигатель выполнен с корпусом 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора (на чертежах не показано). Вал выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления.
Диск третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в кольцевое полотно 5, усиленное ступицей 6. Ступица 6 снабжена центральным отверстием 7.
Обод 4 диска ассиметрично соединен с полотном 5 с образованием разноплечих кольцевых конических полок 8, 9 обода 4. Осевая ширина фронтальной полки 8 превышает осевую ширину тыльной полки 9 не менее чем в 1,07 раза. Тыльная полка 9 обода 4 выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой (на чертежах не показано), обращенной к диску следующей ступени. Для разъемного соединения через цилиндрическую проставку с диском предшествующей ступени в полотне 5 диска под ободом 4 выполнены отверстия 10 под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,095÷7,643) [ед/рад].
п
Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримом с проекцией ширины корневого сечения пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью лопатки, снабжен системой пазов 11 для крепления лопаток. Продольная ось каждого паза 11 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷28)°. Пазы 11 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(6,7÷11,5) [ед/рад]. Пазы 11 выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями 12, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки.
Полотно 5 диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом 13 для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора (на чертежах не показано). Конический элемент 13 выполнен с наклоном образующей к оси 14 вала ротора под углом β, составляющим β=(35÷65)°, и с длиной образующей не выходящей за осевой габарит полки 9 диска.
Обод 4 диска выполнен, выходящим в проточную часть и образующим третью ступень силовой оболочки вала ротора, которая выполнена барабанно-дисковой с возможностью силового соединения диска третьей ступени для передачи крутящего момента от ТНД, радиальных и осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора через упомянутые цилиндрические проставки. Внешняя поверхность 15 обода 4 образует соответствующий осевой участок силовой оболочки вала. Проставки снабжены со стороны, выходящей в проточную часть кольцевыми гребневыми элементами лабиринтного уплотнения, выполненными с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора.
Тыльная полка 9 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения с цилиндрической проставкой. Тыльная полка 9 обода диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного, предпочтительно, посредством электронно-лучевой сварки присоединения цилиндрической проставки.
Замковое соединение пазов 11 обода 4 диска с хвостовиками, имеющими конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную конфигурации поперечного сечения пазов, выполнено по типу «ласточкин хвост» и снабжено кольцевой проточкой (на чертежах не показано) с возможностью заведения в него разрезного кольца для фиксации лопаток.
Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 15 обода в условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,15 раза меньшим радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного вращения системы «диск-лопатка».
Внутренняя поверхность проточной части двигателя в зоне расположения диска образована участками внешней поверхности 15 обода 4 диска между пазами 11 для установки лопаток.
Радиус центрального отверстия ступицы не менее чем на 10% превышает радиус упомянутой шлицевой трубы. Радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,49÷0,75) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.
Пример реализации полезной модели.
В процессе работы турбореактивного двигателя диск третьей ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от ТНД через силовую барабанно-дисковую оболочку вала ротора КНД с включением в работу лоток рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 13 передает радиальную и осевую нагрузки на опоры вала ротора.