РОТОРНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ROTOR ASSEMBLY FOR GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к турбомашинам для газотурбинных двигателей, а более точно касается роторного узла для газотурбинного двигателя, оборудованного системой лопаток.
Известно колесо газотурбинного двигателя, оборудованное системой лопаток (патент РФ №2333366, МПК F02C 1/00, опубл. 2008 г.). Лопатки удерживаются в периферийной кольцевой канавке рабочего колеса при помощи узлов крепления молоткообразной формы. Каждая лопатка дополнительно содержит платформу, наружная в радиальном направлении поверхность которой ограничивает канал потока газов.
Известен ротор вентилятора турбореактивного двигателя (патент РФ №2221169, МПК F04D 29/26, опубл. 2004 г.), содержащий множество съемных лопаток вентилятора, закрепленных на ободе диска. Каждая из лопаток вентилятора содержит корневую часть лопатки, которая устанавливается в канавку в ободе диска. Каждая из лопаток удерживается в канавке при помощи шпонки, размещенной под каждой корневой частью лопатки, и средства для удержания шпонок и корневых частей лопаток в канавках. Шпонки имеют на одном из своих концов утолщение, а упомянутые средства содержат фланец, прикрепленный к диску при помощи средств крепления, которые содержат множество шпилек, параллельных оси вращения данного диска.
Известен узел диска ротора газотурбинного двигателя, содержащий ряд кольцевых ступиц, множество разнесенных по окружности пазов в форме ласточкина хвоста, множество лопаток вентилятора и множество распорных вставок лопаток (патент РФ №2281403). Лопатки вентилятора имеют хвостовики в форме ласточкина хвоста, расположенные в пазах в форме ласточкина хвоста. Каждая из распорных вставок расположена внутри каждого из пазов в форме ласточкина хвоста между донной стенкой паза в форме ласточкина хвоста и проходящей в осевом направлении нижней поверхностью хвостовика в форме ласточкина хвоста.
Известен роторный узел, содержащий рабочее колесо ротора, имеющее множество пазов, и множество лопаточных узлов, каждый из которых имеет лопатку и секцию с ласточкиным хвостом, зацепляемую с соответствующим пазом рабочего колеса (заявка РФ №2007134116, опубл. 2009).
Известные конструкции роторных узлов не обладают высокой прочностью, так как материал в устройствах крепления (арматуре) и лопатках при удерживании лопаток испытывает нагрузку (работает) на сдвиг.
В основу изобретения положена задача повышения долговечности и надежности роторов легких турбомашин.
Техническим результатом является повышения долговечности и надежности роторов легких турбомашин за счет создание конструкции, в которой композиционный материала в устройствах крепления при удержании лопаток работает на срез. Другим техническим результатом является улучшение передачи крутящего момента
Поставленная задача решается тем, что роторный узел для газотурбинного двигателя содержит пару металлических дисков с центральным отверстием под вал ротора и множеством прецизионно обработанных сквозных отверстий под штифт, равномерно распределенных по длине двух концентрических окружностей, и лопаточный узел, содержащий множество сдвоенных лопаток из слоистого композиционного материала, размещенных между металлическими дисками, каждая из которых имеет пару аэродинамически профилированных перьевых частей и единую корневую часть в виде U-образного седла, форма которого обеспечивает его посадку в штифте, объединенных двумя концентрическими несущими кольцами первого и второго ряда относительно вала, межлопаточными вставками из слоистого композиционного материала, размещенными на поверхности несущего кольца второго ряда между каждой парой перьевых частей сдвоенной и соседних сдвоенных лопаток, причем межлопаточная вставка имеет коробчатую форму с отверстием под штифт на одном конце и аэродинамическим профилированием на другом конце, составляющим совместно с перьевой частью лопаток аэродинамическую рабочую поверхность роторного узла, причем металлические диски и лопаточный узел скреплены в роторный узел штифтами первого и второго ряда, при этом штифты входят в отверстия обоих дисков и выступают концами для закрепления на них дисков, штифты первого ряда входят в эти отверстия сквозь седло сдвоенной лопатки и сопрягают его внутреннюю поверхность и несущее кольцо первого ряда, а штифты второго ряда - сквозь отверстие межлопаточных вставок и сопрягают перьевые части лопаток и несущее кольцо второго ряда и опираются на поверхность несущего кольца второго ряда.
В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется описанием и чертежами, на которых
фиг.1 - колесо турбины газотурбинного двигателя согласно изобретению в сечении, общий вид,
фиг.1а - фрагмент сечения колеса турбины (вид А) в увеличенном масштабе,
фиг.2 - осевой разрез колеса турбины фиг.1 согласно изобретению,
фиг.3 - межлопаточная вставка колеса турбины (вид сбоку),
фиг.4 - межлопаточная вставка колеса турбины (вид сверху),
фиг.5 - диск колеса турбины.
Роторный узел для газотурбинного двигателя (фиг.1) содержит пару металлических дисков 11 с центральным отверстием 12 (фиг.5) под вал 9 ротора. Каждый диск 11 имеет множество прецизионно обработанных сквозных отверстий 13 под штифт. Сквозные отверстия 13 выполнены и равномерно распределены по длине двух концентрических окружностей в два ряда.
Роторный узел содержит также лопаточный узел, размещенный между металлическими дисками 11.
Лопаточный узел содержит множество сдвоенных, лопаток 14 из слоистого композиционного материала.
Каждая такая сдвоенная лопатка 14 имеет пару аэродинамически профилированных перьевых частей 5 и единую корневую часть 6 в виде U-образного седла. Форма корневой части 6 приспособлена под размещаемый в ней штифт 1.
Сдвоенные лопатки объединены двумя концентрическими несущими кольцами первого и второго ряда (относительно вала 9 ротора, устанавливаемого в центральном отверстии 12) - несущим кольцом 3 первого ряда и несущим кольцом 4 второго ряда.
Лопаточный узел содержит также множество межлопаточных вставок 7 из слоистого композиционного материала.
Межлопаточная вставка 7 (фиг.3 и 4) имеет коробчатую форму с отверстием 10 под штифт на одном конце. На другом конце поверхность 8 межлопаточной вставки аэродинамически профилирована и составляет совместно с перьевой частью лопаток аэродинамическую рабочую поверхность роторного узла. Каждая вставка 7 размещена на поверхности несущего кольца 4 второго ряда между каждой парой перьевых частей 5 сдвоенной лопатки, а также между перьевыми частями соседних сдвоенных лопаток. Размер вставки 7 обеспечивает нужные промежутки между ветвями лопатки и соседних лопаток, причем межлопаточные вставки 7, расположенные как внутри сдвоенной лопатки, так и между двумя соседними сдвоенными лопатками, имеют одинаковые геометрические параметры.
Межлопаточные вставки 7 обеспечивают точный наружный промежуток между соседними сдвоенными лопатками 11 и внутри лопаток и наружную аэродинамически профилированную поверхность.
Металлические диски 11 и лопатки скреплены друг с другом в монолитный роторный узел штифтами первого и второго ряда, входящими в отверстия обоих дисков, причем штифты 1 первого ряда входят в отверстия 13 первой концентрической окружности (относительно центрального отверстия 12) сквозь седло 6 сдвоенной лопатки и сопрягают его внутреннюю поверхность и несущее кольцо 3 первого ряда, а штифты 2 второго ряда входят в отверстия 13 второй концентрической окружности сквозь отверстия межлопаточной вставки 7 и сопрягают перьевые части лопаток и несущее кольцо второго ряда и опираются на поверхность несущего кольца 4 второго ряда.
Диски 11 (фиг.5) содержат сквозные отверстия 13, выполненные под штифты 1 и 2 соответственно несущим кольцам первого 3 и второго 4 ряда.
При работе газотурбинного двигателя поток газа, проходящий через двигатель на конечном этапе, попадает на профилированные части 5 лопатки 11. При давлении рабочего потока газа на поверхность сдвоенных лопаток 14 происходит передача усилий. Сдвоенная лопатка 14 работает под нагрузкой центробежных сил, которая воспринимается несущим кольцом 3, штифтами 1 первого ряда и металлическим диском 11 в отверстиях 13. Затем крутящий момент передается на металлический диск 11, который, в свою очередь, передает крутящий момент на вал 9, который вставлен в отверстие 12. Межлопаточные вставки 7 воспринимают нагрузки с помощью несущего кольца 4 и штифтов 2 второго ряда. Весть крутящий момент передается на вал 9, вставленный в отверстие 12.
В заявляемой конструкции волокно композиционного материала вставок и лопаток работает на срез.
2
В известных конструкциях неметаллических рабочих колес турбины материал хвостовиков типа «ласточкин хвост», закрепленные в замковом пазе диска, работает на межслоевой сдвиг. Характеристики прочности на сдвиг слоистых композиционных материалов низки. Они изменяются в пределах от 1 до 3 кг/мм в зависимости от уровня температуры. Разрушения хвостовика является причиной ранней потери несущей способности лопаток. В предложенных сдвоенных лопатках, которые огибают штифты первого порядка и закрепляются с их помощью, материал работает на срез в поперечном направлении. Характеристики композиционных материалов на срез в 5-10 раз превышают характеристики прочности на межслоевой сдвиг. Кроме того, хвостовик типа «ласточкин хвост» находится в области, более близкой, чем штифт 1 сдвоенной лопатки, к профильной части лопатки, где температура является наиболее высокой. Поэтому в предыдущих конструкциях влияние температуры на характеристики прочности достаточно большое. Таким образом, предложенная конструкция позволяет получить изделие с повышенными характеристиками прочности.
Одной из трудно решаемых проблем в конструкциях рабочих колес из неметаллических материалов является передача крутящего момента от лопаток на вал 12. В предложенной конструкции передача крутящего момента улучшается за счет того, что крутящий момент на вал передается с помощью двух металлических дисков 11, посаженных на выступы (шлицы) штифтов в прецизионно обработанных отверстиях 13.
Большое число штифтов разгружает каждый штифт. Однако для того чтобы все штифты были одинаково и одновременно нагружены, необходима достаточно точная посадка их в отверстиях 13 дисков 11.
Хорошая посадка достигается прецизионной обработкой отверстий 13 в дисках 11 и точным выполнением штифтов.
Следует заметить, что при вращении лопатки в виде жесткой посадки межлопаточных вставок крутящий момент от лопаток передается на эти вставки, которые, в свою очередь, передают крутящий момент на штифты 2 ряда, тем самым частично разгружая от нагрузок штифты 1 ряда. Совокупность этих мер позволяет решить поставленную задачу с получением указанного технического результата.