ДИСК ЧЕТВЁРТОЙ СТУПЕНИ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
FOURTH STAGE DISC OF TURBOJET ENGINE LOW-PRESSURE COMPRESSOR ROTOR SHAFT (VERSIONS)

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.
Известен диск четвертой ступени ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).
Известен диск четвертой ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения 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 отсутствие системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия диска четвертой ступени 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 диска.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса четвертой ступени 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 ступени, согласованности в предыдущими ступенями КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.
Поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками, разделенными по периметру обода кольцевым пазом для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, при этом фронтальная полка обода диска снабжена понизу кольцевым элементом с гребнями лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта на внутреннем кольце - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени, а торец указанного кольцевого элемента диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части полотна в (5,5÷7,3) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,54÷0,78) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, кроме того, внешняя поверхность обода диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора.
При этом полотно с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела может быть снабжено кольцевым приливом для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.
Кольцевой элемент с лабиринтом, отходящий от нижней части фронтальной полки обода диска в направлении навстречу потоку рабочего тела, может быть выполнен с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части.
Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса диска в 2 раза.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен диск четвертой ступени вала ротора КНД, продольный разрез.
Турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с проточной частью 2, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу. Диск рабочего колеса четвертой ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, обод 5 с фронтальной и тыльной по ходу потока рабочего тела полками 6 и 7 соответственно, разделенными по периметру обода 5 кольцевым пазом 8 для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно 9.
Фронтальная полка 6 обода 5 диска снабжена понизу кольцевым элементом 10 с гребнями 11 лабиринта для подвижного соединения с крышкой лабиринта (на чертежах не показано) с истираемым покрытием внутреннего кольца - обечайке лопаточного венца направляющего аппарата третьей ступени. Торец 12 кольцевого элемента 10 диска выполнен под неразъемную стыковку с ответным кольцевым соединительным элементом - тыльной полкой полотна диска предшествующей третьей ступени.
Полотно 9 диска выполнено с переменным по высоте сечением, сужающимся от ступицы 3 к ободу 5. Ступица 3 выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна 8, нормальной к оси 13 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину прикорневой части 14 полотна 8 в (5,5÷7,3) раза.
cp
пр
Средний радиус R диска от оси 13 вала ротора до внешней поверхности 15 обода 5 в условной плоскости симметрии полотна 9 составляет (0,54÷0,78) от радиуса R периферийного контура проточной части двигателя. Внешняя поверхность 15 обода 5 диска выполнена с возможностью последующего образования осевого участка внутреннего контура проточной части КНД полками заводимых в кольцевой паз 8 лопаток с осевой длиной, равной проекции образующей обода 5 на ось 13 вала ротора.
Полотно 9 с тыльной стороны по ходу потока рабочего тела снабжено кольцевым приливом 16 для последующей калибровки толщины и длины участков дуги последнего при балансировке диска.
Кольцевой элемент 10 с лабиринтом выполнен отходящим от нижней части фронтальной полки 6 обода 5 диска в направлении навстречу потоку рабочего тела и выполнен с углом наклона относительно оси 13 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части 2.
Диск последней ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.
Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 32 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 290 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 57 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска -524 мм и 528 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 2°.
На внешней стороне обода 5 диска расположен кольцевой паз 8 для крепления лопаток в количестве 38 штук. Паз 8 изготовлен точением. Паз 8 выполнен со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 35°; ширина основания паза - 50 мм.
При запуске турбореактивного двигателя диск последней ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки.
Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5 с кольцевыми полками 6 и 7, принятого сочетания сужающего полотна 9 и осевой ширины ступицы 3, компенсирующей ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 4. Выполнение ширины ступицы 3, превышающей толщину прикорневой части полотна 9 в (5,5÷7,3) раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 3 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.
cp
пр
cp
пр
cp
пр
Функциональное назначение диска четвертой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус R диска от оси 13 вала ротора до внешней поверхности 15 обода 5 в средней плоскости полотна 9 составляет (0,54÷0,78) от радиуса R периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R/R)<0,54 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предыдущих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R/R)>0,78 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне последней четвертой ступени компрессора при неоправданном повышении материалоемкости диска и, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя.
В кольцевом пазу имеется заводное отверстие прямоугольной формы для монтажа 38 лопаток (на чертежах не показано). При уменьшении числа лопаток нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске четвертой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров диска рабочего колеса четвертой ступени достигают повышение КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса четвертой ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.