РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ПЕРВОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
TURBOJET ENGINE LOW-PRESSURE COMPRESSOR FIRST STAGE ROTOR IMPELLER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).
Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 C1, опубл. 10.02.2006).
Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 C1, опубл. 27.02.2013).
Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (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 непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска рабочего колеса, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации упомянутых пазов в ободе диска, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и как следствие сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД первой ступени, согласованности всех ступеней КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.
n
Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению, содержит диск, наделенный пазами, и лопаточный венец, при этом диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки содержат каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
n
п.п.
к.п.
ср
G=(δ-δ)/Н=(0,11÷0,15) [м/м],
п.п.
к.п.
ср
п
y.x.
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; Н - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; а ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД и выполненной с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, кроме того внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, причем обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, тыльная из которых снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени, а пазы равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад] и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°, а входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
y.x.
п.х.
к.х.
cp
-2
G=(L-L)/H=(9,3÷13,3)·10 [м/м],
п.x
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.
При этом пазы в ободе диска могут быть выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°, и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца, кроме того фронтальная полка обода диска снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, с контактными торцами, которые выполнены под углом (22÷28)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
y.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 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
сз
-2
G=(С-С)/Н=(1,3÷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.
Опорной концевой участок цапфы может быть выполнен с системой сквозных отверстий, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры, при этом примыкающий к опорному промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, а промежуточный участок цапфы предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува указанного уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в двухъярусное лабиринтное уплотнение, возможность осевой фиксации которого предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со 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 первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
п
Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению, содержит диск, наделенный пазами и лопаточным венцом, число лопаток в котором принято от 29 до 39 лопаток, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки содержат каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
п
п.п.
к.п.
cp
G=(δ-δ)/H=(0,11÷0,15) [м/м],
п.п.
к.п.
ср
к
у.п.
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; Н - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; а ступица выполнена как одно целое с цапфой передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД и выполненной с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа от полотна диска к опорному концевому участку цапфы, кроме того внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(17÷25)°, причем обод соединен с полотном диска с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок, тыльная из которых снабжена кольцевым элементом, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени, а пазы равномерно разнесены по периметру обода диска и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом перо лопатки выполнено с углом у 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=(69,7÷77,7)°, 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 вала ротора с градиентом G, имеющем значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G=(γ-γ)/H=(157,1÷225,9) [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.
При этом пазы в ободе диска могут быть выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°, и сопряжены с подошвой через скругления радиусом r, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца, кроме того фронтальная полка обода диска снабжена понизу в зоне примыкания к полотну кольцевым пазом для установки балансировочных грузов, и отверстиями во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Каждая лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, с контактными торцами, которые выполнены под углом (22÷28)° к оси вала ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта профиля пера, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.
у.х.
Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G увеличения соединяющей их хорды, равным
y.x.
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/Н=(9,3-13,3)·10 [м/м],
п.х.
к.x.
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.
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 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=(1,3÷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.
Опорной концевой участок цапфы может быть выполнен с системой сквозных отверстий, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры, при этом примыкающий к опорному промежуточный участок цапфы выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы, а промежуточный участок цапфы предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува указанного уплотнения, снабженного системой сквозных отверстий по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в двухъярусное лабиринтное уплотнение, возможность осевой фиксации которого предусмотрена соответствующим радиальным уступом, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка цапфы, объединенного со ступицей диска.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со 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 первой 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 изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено рабочее колесо первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез;
на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса первой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;
на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса первой ступени, поперечный разрез;
на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса первой ступени, вид сверху;
на фиг. 5 - паз обода диска первой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.
Рабочее колесо первой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, содержит диск 1, наделенный пазами 2, и лопаточный венец, наделенный рабочими лопатками 3.
Диск 1 выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 4 с центральным отверстием 5, полотно 6 и обод 7. Каждая лопатка 3 содержит хвостовик 8 и перо 9 с профилем, образованным вогнутым корытом 10 и выпуклой спинкой 11, сопряженными входной и выходной кромками 12 и 13.
у.т.
Полотно 6 диска 1 выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 4 к ободу 7 с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
у.т.
П.П.
к.п.
ср
G=(δ-δ)/Н=(0,11÷0,15) [м/м],
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; Н - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.
Ступица 7 выполнена как одно целое с цапфой 14 передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД. Цапфа 14 передней опоры выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа 15 от полотна 6 диска 1 к опорному концевому участку 16 цапфы.
Внешняя поверхность 17 обода 7 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось 18 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела.
п
Обод 7 соединен с полотном 6 диска 1 с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок - фронтальной полки 19 и тыльной полки 20. Тыльная полка 20 снабжена кольцевым элементом 21, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени. Пазы 2 равномерно разнесены по периметру обода 7 диска 1 с угловой частотой Y=(4,6÷6,2) [ед/рад]. Пазы 2 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 22, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 8 лопатки 3. Расположенная в плоскости, параллельной оси вала ротора, продольная ось подошвы каждого паза 2 образует с осью 18 вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16÷22)°.
y.x.
Входная и выходная кромки 12 и 13 пера 9 выполнены расходящимися к периферийному торцу 23 лопатки 3 с градиентом G увеличения соединяющей их хорды 24, равным
у.х.
п.x.
к.x.
cp
-2
G=(L-L)/H=(9,3÷13,3)·10 [м/м],
п.x.
к.x.
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.
Пазы 2 в ободе 7 диска 1 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 22, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 8 лопатки по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 22 паза 2 выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью 22 и подошвой 25 паза, равных β=(63÷78)°, и сопряжены с подошвой 25 через скругления радиусом г, равным (0,33÷0,38) ширины устья паза.
Фронтальная полка 19 обода 7 диска выполнена с кольцевым выступом 26 в верхней части полки. Кольцевой выступ снабжен понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами 2 для хвостовиков 8 глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца (на чертежах не показано) в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки. Не менее чем на одном участке между пазами 2 в створе канавки в зоне выступа во фронтальной полке 19 обода 7 диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия 27 соответственно для фиксации стопорным элементом 28 и демонтажа контровочного кольца. Фронтальная полка 19 обода 7 диска снабжена понизу в зоне примыкания к полотну 6 кольцевым пазом 29 для установки балансировочных грузов, и отверстиями 30 во фронтальной стенке паза для фиксации указанных грузов.
Каждая лопатка 3 снабжена с двух сторон пера 9 антивибрационной полкой 31, расположенной в зоне одной трети высоты пера 9 от периферийного торца 23 пера лопатки, с контактными торцами 32. Контактные торцы 32 выполнены под углом (22÷28)° к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, и наклонены в сторону корыта 10 профиля пера 9. Хвостовик 8 лопатки 3 снабжен канавкой 33 для фиксации лопатки 3 в диске 3 от смещения хвостовика 8 вдоль оси паза 2 разрезным контровочным кольцом со стопором.
y.x.
Перо 9 лопатки 3 выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 11 и корыта 10 относительно хорды 24, соединяющей входную и выходную кромки 12 и 13 пера лопатки. Максимальная толщина профиля пера 9 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 23 с градиентом G, равным
у.т.
к
п
ср
-2
G=(С-С)/Н=(1,3÷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.
Опорной концевой участок 16 цапфы 14 выполнен с системой сквозных отверстий 34, объединенных с внутренней стороны цапфы кольцевой проточкой с возможностью образования масляного коллектора для охлаждения втулки контактного уплотнения передней опоры. Примыкающий к опорному промежуточный участок 35 цапфы 14 выполнен с диаметром, превышающем диаметр опорного участка 16 на радиальную величину, достаточную для образования упора и предотвращения осевого смещения подшипника и контактного уплотнения на опорном участке цапфы. Промежуточный участок 35 цапфы 14 предназначен для размещения двухъярусного бесконтактного лабиринтного уплотнения, уменьшающего утечки в проточную часть воздуха наддува. Промежуточный участок 35 цапфы 14 снабжен системой сквозных отверстий 36 по периметру указанного участка цапфы, объединенных с внутренней стороны цилиндрической оболочки тела цапфы кольцевой проточкой, выполненной с возможностью образования подводящего коллектора, предназначенного для подачи воздуха в двухъярусное лабиринтное уплотнение. Осевая фиксация лабиринтного уплотнения предусмотрена соответствующим радиальным уступом 15, образованным увеличенным диаметром выполненного свободным прикорневого участка 37 цапфы 14, объединенного со ступицей 4 диска.
Перо 9 лопатки 3 выполнено с корытом 10, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой 11 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.
Вариатно перо 9 лопатки 3 выполнено с корытом 10, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой 11 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).
Периферийный торец 23 пера 9 лопатки 3 выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.
По второму варианту изобретения рабочее колесо первой ступени ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, содержит диск 1, наделенный пазами 2, и лопаточный венец. Число лопаток 3 в лопаточном венце принято от 29 до 39 лопаток.
Диск 1 выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 4 с центральным отверстием 5, полотно 6 и обод 7. Каждая лопатка 3 содержит хвостовик 8 и перо 9 с профилем, образованным вогнутым корытом 10 и выпуклой спинкой 11, сопряженными входной и выходной кромками 12 и 13. Лопаточный венец имеет решетку профилей пера 9 лопатки с фронтальной линией 38 (фиг. 6).
у.т.
Полотно 6 диска 1 выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 4 к ободу 7 с градиентом G уменьшения толщины в указанном направлении, равным
y.x.
п.п.
к.п.
ср
G=(δ-δ)/Н=(0,11÷0,15) [м/м],
п.п.
к.п.
ср
где δ - толщина периферийной части полотна диска; δ - толщина прикорневой части полотна; Н - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.
Ступица 7 выполнена как одно целое с цапфой 14 передней опоры вала ротора, односторонне развитой ко входу в КНД. Цапфа 14 передней опоры выполнена с переменным диаметром, ступенчато уменьшающимся не менее чем через два уступа 15 от полотна 6 диска 1 к опорному концевому участку 16 цапфы.
Внешняя поверхность 17 обода 7 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось 18 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела. Угол наклона образующей внешней поверхности 17 обода 7 диска к оси 18 вала ротора составляет φ=(17÷25)°.
Обод 7 соединен с полотном 6 диска 1 с образованием фронтальной и тыльной кольцевых конических полок - фронтальной полки 19 и тыльной полки 20. Тыльная полка 20 снабжена кольцевым элементом 21, выполненным для последующего неразъемного соединения с фронтальной полкой полотна диска второй ступени. Пазы 2 равномерно разнесены по периметру обода 7 диска 1 и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 22, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 8 лопатки 3.
к
п
Перо 9 лопатки 3 выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки 12 и 13 профиля хордой 24 и фронтальной линией 38 решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γ=(69,7÷77,7)°, а в периферийном сечении значение γ=(19,2÷27,2)°.
y.п
Лопатка 3 выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии 38 решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси вала ротора с градиентом G, имеющем значения в диапазоне
у.п.
к
п
ср
G=(γ-γ)/Н=(157,1÷225,9) [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.
Пример реализации изобретения.
Рабочее колесо первой ступени КНД ТРД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 3. Диск 1 изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 4, полотно 6 и обод 7.
Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина цапфы и ступицы - 164 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 75 мм; толщина полотна - 16,5 мм на диаметре 167 мм, толщина полотна - 11 мм на диаметре 252 мм; ширина обода - 71 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска -365 мм и 413 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности обода диска - 19°.
Лопатку рабочего колеса первой 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 8 и антивибрационной полки 31. 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 11 пера 9 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 10 пера 9 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 8.
Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 9 и антивибрационной полки 31 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 32 антивибрационной полки 31 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.
Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 9 с хвостовиком 8 и антивибрационной полкой 31, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД.
Профиль пера 9 лопатки имеет следующие геометрические параметры:
max
к
- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С=5,9 мм; длина хорды пера - 67,4 мм; угол γ установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 12 и 13 профиля хордой 24 и фронтальной линией 38 решетки лопаточного венца составляет 73,7°; угол α установки профиля пера 9 к оси вращения ротора составляет 16°;
max
п
- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля С=2,2 мм; длина хорды пера принята 92 мм; угол γ установки профиля пера составляет 23°;
ср
- средняя высота Н профиля пера составляет 258 мм.
Антивибрационная полка 31 лопатки выполнена с толщиной стенки 5 мм и размещена на среднем радиусе от оси ротора 405 мм, с контактными торцами 32, выполненными под углом 25° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.
На внешней стороне обода выполняют протягиванием замковые пазы для крепления лопаток в количестве 34 штук. Пазы выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 22 мм.
Лопатки 6 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Лопатки 3 удерживают в диске 1 от перемещения в направлении протяжки паза 2 с помощью штифта. Лопатки 3 сопрягают по ответным торцам смежных антивибрационных полок.
Таким образом, рабочее колесо первой ступени имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 364 мм и 413 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 915 мм и 897 мм; максимальная ширина первой ступени ротора - 71 мм.
В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса первой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора КНД с включением в работу лопаток 3 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 10 пера 9 каждой лопатки 3 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 11 пера 9, 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 первой ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 21 и фронтальную полку 19 обода 7 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.
п
Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 7, принятого сочетания сужающегося полотна 6 с заявленным градиентом G=(0,11÷015) и осевой ширины ступицы 4 с цапфой, компенсирующих ослабление полотна 6 диска центральным отверстием 5, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 5 в ступице 4 принят достаточным для пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.
п
п
п
На внешней стороне обода 7 диска выполняют протягиванием систему пазов 2 для закрепления лопаток. Пазы 2 расположены под углом к оси 18 вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под утлом α, принятым из заявленного диапазона (16÷22)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса первой ступени ротора КНД 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 пазах 2 диска 1 лопаток 3 рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>22° отклонения оси паза 2 диска от оси 18 вала ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, 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. Кроме того, пазы 2 равномерно разнесены по периметру обода 75 диска с угловой частотой Y=(4,64÷6,2) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 22, встречно наклонными одна к другой под углом β=(63÷78)° к подошве 25 паза и сопряженные с подошвой 25 через скругления, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 2 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y<4,6 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y>6,2 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске первой 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, точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками и повышает ресурс рабочего колеса.
уст.к
п
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 группе изобретений границ диапазона градиентов угла γ между соединяющей входную и выходную кромки 12 и 13 профиля хордой 24 и фронтальной линией 38 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γ=(69,74÷77,7)°, а в периферийном сечении значение γ=(19,2÷27,2)°, а также найденных в изобретении границ диапазонов градиентов G=(157,1÷225,9) [град/м] по высоте Н пера 9 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера 9 лопатки со значениями градиента G<157,1 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 11 пера 9 лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 24 пера 9 по высоте лопатки до значений градиента G, превышающих верхний предел G>225,9 [град/м], 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 первой ступени ротора с последующими ступенями КНД.
y.x.
ср
x
y.x.
ср
y.x.
y.x.
-2
-2
-2
Градиент G увеличения хорды 24 пера 9 лопатки 3 по средней высоте Н пера 9 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 12 и 13 пера 9 от втулки до периферийного торца 23. Парусность пера 9 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G углового расширения хорды 24 пера с заявленным диапазоном G=(9,3÷13,3)·10 [м/м], при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 9 к средней высоте Н пера (G<9,3·10) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 11 пера лопатки. Увеличение (G>13,3·10) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера лопатки и к снижению КПД 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 9 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G=(1,3÷2,1)·10 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 9 лопатки. При значениях градиента G<1,3·10 [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 9 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса первой ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.