ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.
Известен осевой компрессор двигателя, содержащий статор и ротор барабанно-дискового типа, включающий рабочие колеса. Каждое рабочее колесо содержит лопатки, состоящие из профилированного пера и хвостовика. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости и клиновидными кольцевыми выступами. На дисках 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).
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).
Известна профилированная лопатка компрессора для диска рабочего колеса, имеющего аксиальную, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны повышенного и низкого давления, простирающиеся в радиальном направлении от хвостовика к вершине и в аксиальном направлении между передней и задней кромками, поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и линии изгиба, проходящие между передней и задней кромками, и центры тяжести, выровненные по оси укладки, имеющей двойной изгиб. Сторона низкого давления изогнута вдоль задней кромки вблизи хвостовика для уменьшения разделения потока на нем (RU 2000130594 A, опубл. 27.01.2003).
Известна рабочая лопатка компрессора, включающая перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером размещена полка, формирующая проточную часть двигателя (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 неопределенность соотношений радиальных и угловых параметров лопаток, включая параметры, выражающие конфигурацию формы пера лопатки и угловой установки в рабочем колесе, что снижает определение эффективности взаимодействия лопатки с потоком рабочего тела, сжимаемого в компрессоре, полезной материалоемкости, технологичности и ресурса работы лопатки в компрессоре.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в разработке лопатки рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя с улучшенными геометрической конфигурацией, пространственной жесткостью, силовыми и аэродинамическими параметрами, обеспечивающими возможность увеличенной подачи в компрессор сжимаемого воздушного потока на всех режимах работы двигателя, а также увеличение ресурса в сочетании со снижением материалоемкости лопатки, трудоемкости установки в рабочее колесо и упрощение ремонтопригодности в процессе эксплуатации двигателя.
0
0
з.п.
Поставленная задача решается тем, что лопатка снабженного пазами диска рабочего колеса ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), включающего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, согласно полезной модели, содержит перо с радиальной осью и хвостовик с продольной осью и предназначена для установки в любой из пазов диска рабочего колеса второй ступени, для чего хвостовик лопатки имеет продольную ось, соосную или параллельную геометрической оси паза и образующую с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки α, определенный в диапазоне α=(21÷27)°; а перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси вала ротора с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на упомянутую условную осевую плоскость, определенным в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(159,2÷245,8) [град/м],
к
п
ср
где α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки; кроме того лопатка снабжена антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца пера лопатки.
у.х.
При этом перо лопатки может быть выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G,
у.х.
п.х.
к.х.
ср.
-2
G=(L-L)/L=(1,6÷2,5)·10 [м/м],
п.х
к.х.
ср
где L - длина периферийной хорды, соединяющей кромки пера лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера лопатки.
Антивибрационная полка может быть ориентирована вдоль потока рабочего тела, а каждый торец антивибрационной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.
к
Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера, практически не менее угла α установки хвостовика лопатки.
Перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.
Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен с переменным радиусом по ширине торца, повторяющего с минимальным зазором, обеспечивающим возможность вращения колеса, кривизну внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КНД и с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке лопатки рабочего колеса второй ступени вала ротора КНД ТРД с улучшенными геометрической конфигурацией, пространственной жесткостью, силовыми и аэродинамическими параметрами, что достигается разработанным в полезной модели оптимальным варьированием радиальных значений и толщин пера лопатки, а также градиентами изменяющихся по длине лопатки осевой закрутки и расширения пера от корневого к периферийному сечению лопатки, что обеспечивает возможность повышенной подачи в компрессор сжимаемого воздуха при относительном минимуме расхода энергии на всех режимах работы двигателя и повышение ресурса в сочетании со снижением материалоемкости лопатки, трудоемкости установки в рабочее колесо и обеспечивает упрощение ремонтопригодности разработанной конструкции лопатки в процессе эксплуатации двигателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена лопатка рабочего колеса второй ступени, вид сбоку;
на фиг. 2 - лопатка рабочего колеса второй ступени, вид сверху;
на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса второй ступени, поперечный разрез;
на фиг. 4 - фрагмент диска рабочего колеса второй ступени, фронтальная проекция.
Турбореактивный двигатель включает корпус с проточной частью, ограниченной по периферийному контуру корпусом двигателя. Вал ротора КНД выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков с рабочими лопатками.
0
0
Лопатка содержит перо 1 с радиальной осью и хвостовик 2 с продольной осью. Лопатка предназначена для установки в любой из пазов 3 диска 4 рабочего колеса второй ступени. Для чего хвостовик 2 лопатки имеет продольную ось, соосную или параллельную геометрической оси паза 3 диска 4 и образующую с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера 1 лопатки, угол установки хвостовика лопатки α, определенный в диапазоне α=(17÷27)°.
з.п
Перо 1 лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси вала ротора с градиентом закрутки пера G, определенным в проекции на упомянутую условную осевую плоскость в диапазоне
з.п.
п
к
ср
G=(α-α)/L=(159,2÷245,8) [град/м],
к
п
ср
где α - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера 1 лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси лопатки; α - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой; L - средняя радиальная длина пера лопатки.
у.х.
Перо 1 лопатки выполнено с боковыми кромками 5, расходящимися к периферийному торцу 6 с градиентом увеличения хорды G,
у.х.
п.х.
к.х.
ср
-2
G=(L-L)/L=(1,6÷2,5)·10 [м/м], где
п.х
к.х.
ср
L - длина периферийной хорды, соединяющей кромки 5 пера 1 лопатки; L - длина корневой хорды, соединяющей кромки 5 пера 1 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L - средняя осевая длина пера 1 лопатки.
Лопатка снабжена антивибрационной полкой 7, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца 6 пера 1 лопатки и ориентированной вдоль потока рабочего тела. Каждый торец 8 указанной полки 7 выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.
к
Перо 1 лопатки выполнено выпукло-вогнутым, с вогнутой поверхностью в виде корыта 9, наделенного функцией нагнетания, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 10 пера 1 с функцией разрежения давления и всасывания потока рабочего тела при вращении рабочего колеса. Хорда, соединяющая боковые кромки 5 пера 1 в корневой зоне 11, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 1, практически не менее угла α установки хвостовика 2 лопатки.
Перо 1 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера 1 толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 10 и корыта 9 относительно условной хорды 12, соединяющей боковые кромки 5 пера 1 лопатки.
Периферийный торец 6 пера 2 лопатки выполнен с переменным радиусом по ширине торца, повторяющего с минимальным зазором, обеспечивающим возможность вращения колеса, кривизну внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне второй ступени КНД и с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела.
Работа осуществляется следующим образом.
При работе турбореактивного двигателя рабочие лопатки вращающегося рабочего колеса указанной ступени КНД взаимодействуют с рабочим телом. При этом на вогнутой поверхности в виде корыта 9 пера 1 каждой лопатки создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 10 пера 1, создается зона пониженного давления. За счет чего возникает направленный поток рабочего тела. Вращающиеся рабочие лопатки ротора передают энергию рабочему телу, направляя сжимаемый воздушный поток на лопатки статора второй ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД.