Рабочее колесо компрессора газотурбинного двигателя
GAS TURBINE ENGINE COMPRESSOR IMPELLER

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к осевым компрессорам авиационных газотурбинных двигателей.
Лопатки рабочего колеса высокооборотных компрессоров газотурбинных двигателей работают в условиях больших окружных скоростей, достигающих 520-550 м/сек. Нагрузка на механизм крепления лопатки в пазу диска рабочего колеса от действия центробежных сил в зависимости от диаметра рабочего колеса, скорости вращения и угла подъема хвостовика может достигать десяти тонн. При этом надежность механизма крепления лопатки компрессора должна сочетаться с возможностью замены одной или нескольких лопаток в рабочем колесе первой ступени без извлечения его из газотурбинного двигателя.
Известно рабочее колесо осевых компрессоров газотурбинных двигателей, содержащее диск с конусообразной наружной поверхностью, ориентированной меньшим основанием к входному торцу рабочего колеса, и рабочие лопатки, хвостовики которых устанавливаются в пазы диска под углом к оси компрессора и фиксируются с помощью штифтов и разрезных колец («Конструкция и проектирование авиационных ГТД», Вьюнов С.А. и др., стр. 75-77, 1989 г.). Такое крепление лопаток на диске рабочего колеса не обеспечивает надежную работу рабочего колеса в современных скоростных газотурбинных двигателях.
Известно рабочее колесо компрессора газотурбинного двигателя, содержащее диск с конусообразной наружной поверхностью, рабочие лопатки с хвостовиками, размещенными в выполненных на наружной поверхности диска пазах с образованием радиального зазора между нижней поверхностью хвостовика и внутренней поверхностью паза, фиксирующие вставки, размещенные в радиальном зазоре и выполненные по форме этого зазора из материала более пластичного, чем материал, из которого изготовлены лопатки и диск, и ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза, причем поверхность вставки, контактирующая с нижней поверхностью хвостовика, имеет выступы (патент США №6837686).
В известном рабочем колесе фиксирующая вставка выполнена пружинной и предназначена для поджатия хвостовика рабочей лопатки с целью компенсации осевого зазора между лопаткой и диском при износе торцевой части лопатки. Надежность механизма крепления лопатки этого рабочего колеса недостаточна для использовании его в современных скоростных газотурбинных двигателях в связи с тем, что ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза выполнены в виде отгибаемых концов самой вставки, поэтому вставка должна быть изготовлена из материала с высокой пластичностью. При этом под действием высоких нагрузок может происходить самопроизвольное разгибание ограничителя, что приведет к перемещению хвостовика вдоль паза и к аварийному выходу из строя всего компрессора.
Известно рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащее диск с наружной поверхностью, рабочие лопатки с хвостовиками, размещенными в выполненных на наружной поверхности диска пазах с образованием радиального зазора между нижней поверхностью хвостовика и внутренней поверхностью паза, фиксирующие вставки, размещенные в радиальном зазоре и выполненные по форме этого зазора из материала более пластичного, чем материал, из которого изготовлены лопатки и диск, и ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза, причем вставка на поверхности, контактирующей с нижней поверхностью хвостовика, имеет, по меньшей мере, один выступ, а хвостовик имеет, по меньшей мере, одну впадину, соответствующую по форме выступу вставки (патент США №2641443).
В известном рабочем колесе фиксирующая вставка установлена в несквозном пазу, выполненном в нижней части хвостовика рабочей лопатки со стороны выходного торца рабочего колеса, а ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза выполнены в виде отгибаемых концов самой вставки. Недостатком известного рабочего колеса является то, что ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза выполнены в виде отгибаемых концов самой вставки, поэтому вставка должна быть изготовлена из материала с высокой пластичностью, чем снижается надежность фиксации рабочей лопатки в диске.
Кроме того, фиксирующая вставка в известном рабочем колесе не предназначена для передачи радиальной нагрузки от рабочей лопатки через хвостовик к нижней поверхности паза, т.к. вставка контактирует с этой поверхностью только поверхностью выступа 29 (фиг. 4 патента), что в условиях высоких динамических нагрузок может привести к разрушению самой вставки и повреждению поверхности паза диска.
Наиболее близким аналогом изобретения является рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя, которое содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемого изобретения, а именно: содержащее диск с конусообразной наружной поверхностью, ориентированной меньшим основанием к входному торцу рабочего колеса, рабочие лопатки с хвостовиками, размещенными в выполненных на наружной поверхности диска пазах с образованием радиального зазора между нижней поверхностью хвостовика и внутренней поверхностью паза, фиксирующие вставки, размещенные в радиальном зазоре и выполненные по форме этого зазора из материала, более пластичного, чем материал, из которого изготовлены лопатки и диск, и ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза, причем пазы на наружной поверхности диска ориентированы под острым углом к диаметральной плоскости продольного сечения диска и под острым углом к поверхности выходного торца рабочего колеса, фиксирующая вставка имеет, по меньшей мере, один выступ, а хвостовик - по меньшей мере, одну соответствующую выступу по форме впадину, расположенные на взаимно контактирующих поверхностях (патент США №8974188).
В известном рабочем колесе выступ фиксирующей вставки выполнен в виде головки с шейкой, размещенных во впадине хвостовика рабочей лопатки, что позволяет увеличить площадь контакта между вставкой и хвостовиком и повысить равномерность передачи радиальной нагрузки от лопатки к диску.
Однако при таком выполнении выступа фиксирующей вставки в основании шейки образуется ослабленное сечение в отношении осевой нагрузки, возникающей от действия аэродинамических сил на рабочую лопатку, что ограничивает практическое применение таких фиксирующих вставок в рабочих колесах с углом подъема конусообразной наружной поверхности диска более 4°.
Также к недостаткам известного рабочего колеса относится то, что ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза выполнены в виде отгибаемых концов самой вставки, поэтому вставка должна быть изготовлена из материала с высокой пластичностью и низким пределом текучести, чем снижается надежность фиксации рабочей лопатки в диске.
Техническая проблема заключается в необходимости повышения нагрузочной способности узла крепления рабочей лопатки на диске рабочего колеса компрессора.
Техническим результатом изобретения является повышение равномерности распределения контактных напряжений по контактным поверхностям хвостовика лопатки и диска рабочего колеса.
Этот технический результат достигается за счет того, что рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя содержит диск с конусообразной наружной поверхностью, ориентированной меньшим основанием к входному торцу рабочего колеса, рабочие лопатки с хвостовиками, размещенными в выполненных на наружной поверхности диска пазах с образованием радиального зазора между нижней поверхностью хвостовика и внутренней поверхностью паза, фиксирующие вставки, размещенные в радиальном зазоре и выполненные по форме этого зазора из материала более пластичного, чем материал, из которого изготовлены лопатки и диск, и ограничители перемещения фиксирующих вставок вдоль паза, причем пазы на наружной поверхности диска ориентированы под острым углом к диаметральной плоскости продольного сечения диска и под острым углом к поверхности выходного торца рабочего колеса, фиксирующая вставка имеет по меньшей мере один выступ, а хвостовик - по меньшей мере одну соответствующую выступу по форме впадину, расположенные на взаимно контактирующих поверхностях.
Согласно изобретению пазы диска выполнены глухими со стороны выходного торца рабочего колеса, торцевые сопряженные поверхности пазов и фиксирующих вставок выполнены сферическими, а образующая поверхности каждого выступа вставок в плоскости поперечного сечения диска имеет форму части окружности, расположенной со стороны входного торца и сопряженной с отрезком прямой, наклонным относительно плоской поверхности вставки и плавно сопряженным с ней.
Фиксирующие вставки могут быть жестко соединены с хвостовиками рабочих лопаток разъемным соединением, а ограничители перемещения вставок могут быть выполнены в виде установленных в диске вкладышей с отгибаемым стопором.
Существенность отличительных признаков рабочего колеса осевого компрессора газотурбинного двигателя подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение нагрузочной способности узла крепления рабочей лопатки на диске рабочего колеса компрессора за счет равномерного распределения контактных напряжений по контактным поверхностям хвостовика лопатки и диска.
Пример реализации изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан общий вид сектора рабочего колеса осевого компрессора в сборе с продольным разрезом хвостовика;
на фиг. 2 - сечение А-А сектора наружной поверхности диска с пазом;
на фиг. 3 - общий (а) и боковой (б) виды фиксирующей вставки;
на фиг. 4 - общий вид хвостовика рабочей лопатки;
на фиг. 5 - общий вид вкладыша с отгибаемым стопором.
Рабочее колесо осевого компрессора газотурбинного двигателя содержит диск 1 с конусообразной наружной поверхностью 2, ориентированной меньшим основанием 3 к входному торцу 4 рабочего колеса (фиг. 1). На наружной поверхности 2 диска 1 расположены пазы 5, выполненные глухими со стороны выходного торца 6 рабочего колеса и ориентированные под острым углом α к диаметральной плоскости продольного сечения диска 1 (фиг. 2) и под острым углом λ к поверхности выходного торца 6 рабочего колеса.
Рабочие лопатки 7 крепятся к диску 1 с помощью хвостовиков 8, размещенных в пазах 5 с образованием радиального зазора 9 между нижней поверхностью 10 хвостовика 8 и внутренней поверхностью 11 паза 5, и фиксирующих вставок 12, размещенных в радиальном зазоре 9 и выполненных по форме этого зазора из материала более пластичного, чем материал, из которого изготовлены рабочие лопатки 7 и диск 1.
Фиксирующая вставка 12 (фиг. 3) имеет на поверхности 13, контактирующей с поверхностью 10 хвостовика 8, по меньшей мере один выступ 14, а хвостовик 8 - по меньшей мере одну впадину 15, расположенную на поверхности 10 и соответствующую по форме выступу 14 (фиг. 4). Торцевая поверхность 16 паза 5 и торцевая поверхность 17 фиксирующей вставки 12, сопряженные между собой, выполнены сферическими. Форма поверхности 18 выступа 14 выполнена такой, что ее образующая в плоскости поперечного сечения диска 1 имеет форму части окружности 19, расположенной со стороны входного торца 4 и сопряженной с отрезком прямой 20, наклонным относительно плоской поверхности 13 фиксирующей вставки 12 и плавно сопряженным с ней.
Фиксирующая вставка 12 жестко соединена с хвостовиком 8 рабочих лопаток 7 с помощью разъемного соединения 21. Ограничитель перемещения фиксирующей вставки 12 вдоль паза 5 диска 1 выполнен в виде вкладыша 22 с отгибаемым стопором 23 (фиг. 5), установленного в выемке 24.
При сборке рабочего колеса перед размещением лопатки 7 в пазу 5 диска 1 фиксирующая вставка 12 устанавливается на нижней поверхности 10 хвостовика 8 до совмещения поверхностей выступов 14 с поверхностями впадин 15 хвостовика 8 и крепится к ней с помощью разъемного соединения 21. В выемку 24 паза 5 устанавливается вкладыш 22 с отгибаемым стопором 23.
Рабочая лопатка 7 хвостовиком 8 вместе с фиксирующей вставкой 12 вставляется со стороны входного торца 4 в паз 5 и перемещается вдоль него до соприкосновения торцевой поверхности 17 фиксирующей вставки 12 с торцевой поверхностью 16 паза 5. Для фиксации хвостовика 8 от перемещения вдоль паза 5 в сторону входного торца 4 загибается стопор 23 вкладыша 22.
В процессе работы компрессора контактные напряжения, возникающие под действием центробежных сил от вращения рабочего колеса между контактирующими поверхностями диска 1, фиксирующей вставки 12 и хвостовика 8, достигают значений 600-800 Мпа, особенно на торцевой поверхности 16 паза 5 и торцевой поверхности 17 фиксирующей вставки 12, а также на поверхности выступа 14 и поверхности впадины 15. При этом на поверхности фиксирующей вставки 12, выполненной из материала более пластичного, чем материал, из которого изготовлены рабочие лопатки 7 и диск 1, возникают пластические деформации, заполняя имеющиеся технологические зазоры, контактирующие поверхности плотнее прилегают одна к другой, тем самым уменьшая значения максимальных напряжений в рабочем колесе.
Выполнение образующей поверхности выступа 14 фиксирующей вставки 12 в плоскости поперечного сечения диска 1 в форме части окружности 19, сопряженной с отрезком прямой 20, наклонным относительно плоской поверхности 13 фиксирующей вставки 12 и плавно сопряженным с ней, позволяет увеличить поверхность контакта между хвостовиком 8 и фиксирующей вставкой 12 и тем самым повысить равномерность распределения контактных напряжений по контактным поверхностям хвостовика 8 лопатки 7 и диска 1.
При необходимости замены лопатки 7 в рабочем колесе без разборки двигателя отгибается стопор 23 и вынимается лопатка 7 с фиксирующей вставкой 12.
Таким образом, описываемое изобретение позволяет обеспечить равномерное распределение контактных напряжений на уровне 600-800 МПа по контактным поверхностям хвостовика лопатки и диска рабочего колеса.