РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
GAS TURBINE AXIAL COMPRESSOR IMPELLER (VERSIONS)

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано в рабочих колесах осевых компрессоров газотурбинных двигателей.
В рабочих колесах осевых компрессоров газотурбинных двигателей со вставными лопатками всегда стоит задача уменьшения до минимума перетекания воздуха или газа из области повышенного давления (за колесом) на вход по зазорам в замковом соединении. Кроме того, в конструкциях рабочих колес компрессоров, в которых хвостовики лопаток устанавливаются в пазы диска под углом или углами к оси компрессора(см. например: «Конструирование и проектирование авиационных ГТД» авт. Вьюнов С.А. и др., стр.79, 1989 г., ОСТ 100025-72 «Лопатки осевых компрессоров и турбин. Типовое оформление чертежей рабочих лопаток») с подъемом от входа к выходу необходимо надежно удерживать лопатку в замковом соединении при вращении рабочего колеса от действия больших центробежных сил (достигающих, в зависимости от величины рабочего колеса, окружных скоростей и угла подъема хвостовика, десятков тонн).
Известны различные способы удержания лопаток в замковом соединении, например, при помощи упорного выступа, расположенного на входном торце хвостовика лопатки, опирающегося своим торцем на сопряженную часть диска, воспринимающего нагрузку при вращении рабочего колеса.
С целью снижения массы рабочего колеса упорный выступ стремятся выполнить минимально возможных размеров при допустимых напряжениях.
Для уменьшения растягивающих напряжений, возникающих в упорном выступе от центробежных сил необходимо их максимально возможное прилегание по всей площади контакта. Однако после механической обработки (без применения весьма дорогих доводочных операций) достичь полного прилегания сопряженных поверхностей не удается (из-за биений поверхностей, неплоскостности, неперпендикулярности и т.д.). В результате на отдельных выступающих участках контактных поверхностей относительно теоретических могут возникать сжимающие или растягивающие усилия, превышающие предел текучести материала диска или хвостовика лопатки, что снижает ресурс рабочего колеса и уменьшает период межосмотрового технического обслуживания и, как следствие, увеличивает эксплуатационные расходы.
Известно рабочее колесо осевого компрессора (см. патент US 7,153,102 В2 от 26.12.2006, поз.52 на фигуре), у которого имеется упорный выступ для фиксации лопатки от осевого перемещения. Однако, торцевые сопряженные поверхности упорного выступа лопатки и диска не имеют 100% прилегания друг к другу из-за биений, неперпендикулярности, неплоскостности, шероховатости и т.д., образующихся при их обработке. Вследствие этого в упорном выступе лопатки и диске возникают большие контактные и растягивающие напряжения тем больше, чем больше угол подъема замка лопатки относительно оси компрессора. Чтобы получить допустимые расчетные напряжения приходится либо переразмеривать упорный выступ и диск колеса, что приводит к увеличению массы рабочего колеса, либо ограничивать его ресурс.
Известно также устройство, патент РФ № 2225538 от 30.05.2002, содержащее ротор и статор с установленными в них рабочими и направляющими лопатками с помощью осевых замковых соединений типа «ласточкин хвост», в которых со стороны подошвы замка лопатки выполнена выборка, работающая как полость внезапного расширения, где перетекающий воздух расширяется и, следовательно, тормозится, теряя свою энергию.
Недостатком данного устройства является неполное перекрытие перетекания воздуха из области проточной части с более высоким давлением через зазоры между хвостовиком лопатки и пазом диска в область с меньшим давлением. Кроме того, расчеты показывают, что в высоко нагруженных лопатках выполнение выборок в замках недопустимо.
Задачей предлагаемого технического решения является равномерное распределение контактной нагрузки, возникающей при вращении рабочего колеса от центробежных сил по всей контактной поверхности торца упорного выступа хвостовика лопатки с торцем диска, а также устранение перетечек или сведение их к минимуму из области повышенного давления (за рабочим колесом осевого компрессора) в область пониженного давления (перед рабочим колесом осевого компрессора).
Технический результат достигается тем, что в заявляемом рабочем колесе осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащего диск с пазами, расположенными под углом или углами к оси компрессора с подъемом от входа к выходу и установленными в них лопатками, имеющими на входном торце упорный выступ для восприятия усилия, действующего на лопатку от возникающих при вращении колеса центробежных сил, между входным торцом диска рабочего колеса и торцом упорного выступа лопатки устанавливают металлическую пластину из пластичного материала, например, из стали 12Х18Н9Т или никелиевого сплава ХН60ВТ, с толщиной больше или равной 0,3 мм и имеющую наружные размеры, превышающие контур паза диска для перекрытия зазоров в замковом соединении, а ее внутренний контур повторяет контур хвостовика лопатки при ее установке на лопатку со стороны выхода, причем торцевые поверхности диска, прилегающие к металлической пластине, выполнены под утлом к оси компрессора равном или меньшим 90°, обеспечивающим плотное прилегание пластины к диску под действием центробежных сил, и, таким образом, предотвращающей перетекания воздуха (газа) по зазорам в замковом соединении.
А также технический результат достигается тем, что в заявляемом рабочем колесе осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащего диск с пазами, расположенными под углом или углами к оси компрессора с подъемом от входа к выходу и установленными в них лопатками, имеющими на входном торце упорный выступ, размеры которого меньше ширины и высоты торца хвостовика, для восприятия усилия, действующего на лопатку от возникающих при вращении колеса центробежных сил, между входным торцом диска рабочего колеса и торцом упорного выступа лопатки устанавливают металлическую пластину из пластичного материала, например, из стали 12Х18Н9Т или никелиевого сплава ХН60ВТ, с толщиной больше или равной 0,3 мм и имеющую наружные размеры, превышающие контур паза диска для перекрытия зазоров в замковом соединении, при этом металлическая пластина имеет замкнутую прорезь шириной равной расположенному на входном торце хвостовика лопатки упорному выступу и высотой, обеспечивающей установку металлической пластины на упорный выступ, а прилегающие к пластине торец диска и остальная, свободная от упорного выступа поверхность входного торца хвостовика лопатки выполнены под углом к оси компрессора равном или меньшим 90° с целью плотного прилегания металлической пластины к входным торцам диска и хвостовика под действием центробежных сил, и, таким образом, предотвращающей перетекания воздуха (газа) по зазорам в замковом соединении.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в различных замковых соединениях (как прямолинейных, так и круговых), например, типа «ласточкин хвост», «елочка» и других.
На фиг.1 изображен фрагмент рабочего колеса с установленными металлическими пластинами между диском и упорным выступом каждой лопатки рабочего колеса.
На фиг.2 показан вариант установки пластины со стороны выходного торца хвостовика лопатки.
На фиг.3 изображена одна из возможных конструкций металлической пластины для замкового соединения типа «ласточкин хвост» в изометрии.
На фиг.4 показан вариант установки пластины со стороны входного торца хвостовика лопатки.
На фиг.5 изображена одна из возможных конструкций металлической пластины с замкнутой прорезью в изометрии.
Рабочее осевое колесо компрессора газотурбинного двигателя на фиг.1 содержит диск 1 с пазами 2, расположенными под углом или углами к оси компрессора с подъемом от входа к выходу, лопатку 3 с хвостовиком 4, имеющим на входном торце упорный выступ 5 и металлическую пластину 6, наружный контур которой больше наружного контура паза диска 2, и установленную между торцом диска 1 и торцом упорного выступа 5.
Устанавливаемая металлическая пластина 6 на фиг.2, в зависимости от конструкции замкового соединения, имеет внутреннюю прорезь 7, точно соответствующую наружному контуру хвостовика лопатки (типа «ласточкин хвост», «елочка» и другие). Наружный контур металлической пластины 6 имеет размеры больше размеров контура паза 2 диска 1, показанного на фиг.1. При монтаже металлическая пластина 6, своей прорезью 7, имеющей конфигурацию контура хвостовика 4 лопатки 3, насаживается на выходной торец хвостовика 4 лопатки 3 и протягивается по хвостовику 4 до упора в торец упорного выступа 5.
Устанавливаемая металлическая пластина 6 на фиг.4, в зависимости от конструкции замкового соединения, имеет замкнутую прорезь 7, имеющую ширину, равную расположенному на входном торце хвостовика лопатки 4 упорному выступу 5. Наружный контур металлической пластины 6 имеет размеры больше размеров контура паза 2 диска 1, показанного на фиг.1. При монтаже металлическая пластина 6, своей прорезью 7, имеющей конфигурацию упорного выступа 5 хвостовика 4 лопатки 3, насаживается на входной торец хвостовика 4 лопатки 3 до касания нижней кромки прорези 7 с галтелью подошвы хвостовика 4 и прилегания к торцу упорного выступа 5.
Хвостовики 4 лопаток 3 с уже насаженными металлическими пластинами 6 устанавливаются в пазы 2 диска 1 рабочего колеса осевого компрессора газотурбинного двигателя и фиксируются от выпадения из пазов диска при дальнейших операциях по сборке компрессора газотурбинного двигателя известными способами (на фигурах не показано). Например, установкой Т-образной пластины в Т-образный паз, расположенный на выходном торце хвостовика с последующим загибом кончика Т-образной пластины на выходной торец диска.
При вращении рабочего колеса осевого компрессора под действием центробежных сил торец упорного выступа 5 прижимает металлическую пластину 6 к торцу диска 1. В случае, если удельная сила достигает значений, превышающих предел текучести материала металлической пластины 6 при сжатии, материал металлической пластины 6 начинает растекаться между контактными поверхностями упорного выступа 5 и диска 1, заполняя все их неровности и выравнивая перекосы и биения поверхностей, неизбежные при их механической обработке. Когда площадь контакта достигает величины, при которой удельная нагрузка становится равной или меньшей значения предела текучести материала, при сжатии нагрузка на единицу площади торца диска 1 и упорного выступа 5 соответственно уменьшается. Минимального значения удельная нагрузка на диск 1 и упорный выступ 5 достигает тогда, когда материал металлической пластины 6 распределится по всей контактной поверхности.
В результате снижения удельной нагрузки на диск 1 увеличивается ресурс рабочего колеса, а следовательно, уменьшаются затраты на техническое обслуживание двигателя.
Одновременно металлическая пластина 6 перекрывает зазоры между поверхностями хвостовика 4 лопатки и паза 2 диска 1, неизбежные из-за особенностей замкового соединения. Так как угол между торцом диска 1 и осью компрессора меньше или равен 90°, то металлическая пластина 6 под действием центробежных сил плотно прижимается к торцу диска 1 и, таким образом, надежно перекрывает все имеющиеся зазоры, предотвращая перетекание воздуха с выхода на вход в рабочее колесо.
Таким образом, предлагаемое техническое решение, в отличие от известных, обеспечивает одновременное выполнение равномерного распределения осевой нагрузки по всей контактной поверхности между торцом упорного выступа и торцом диска рабочего колеса осевого компрессора газотурбинного двигателя, а также сведения до минимума перетекания газа через зазоры в замковом соединении из области повышенного давления в область пониженного давления (на вход в колесо).