Вал ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных ТРД. Вал компрессора низкого давления выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков. Каждый диск включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное массивной ступицей, снабженной центральным отверстием, ступенчато радиально нарастающим от первого к четвертому диску. Толщина полотном диска не менее чем в три раза меньше осевой ширины ступицы. Опертый на полотно обод снабжен системой наклонных относительно оси вала пазов для установки хвостовиков рабочих лопаток. Пазы равномерно разнесены по периметру диска, при этом продольная ось каждого паза, по меньшей мере, диска первой ступени образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера, угол установки хвостовика лопатки. Пазы равномерно разнесены по периметру диска. Ободы, по меньшей мере, первых трех дисков образуют относительно средней плоскости полотна две неравноплечие полки, которыми непосредственно или через цилиндрические проставки диски объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора. Вал собран из монтажных секций. Полотно диска первой ступени с фронтальной стороны и полотно диска третьей ступени с тыльной стороны снабжены коническими кольцевыми элементами, неразъемно соединенными с ответными коническими диафрагмами цапф передней и задней опоры. Технический результат состоит в улучшении геометрической конфигурации, пространственной жесткости и силовых параметров барабанно-дисковой конструкции вала ротора КНД ТРД при повышении общей компактности, технологичности, ремонтопригодности и снижении материалоемкости и трудоемкости сборки вала ротора. 1 н.п. ф-лы, 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.

Известен вал ротора многоступенчатой турбины двигателя, включающий диски первой, второй и третьей ступени с возможностью оснащения рабочими лопатками. Диски контактируют между собой нижними фланцами. В окружном направлении зафиксированы штифтами, образую внутренний силовой пояс. Диск третьей ступени с помощью фланца прикреплен к валу (RU 2211337 C1, опубл. 27.08.2003)

К недостаткам известного решения относятся низкая жесткость вала компрессора и недостаточная адаптация к конфигурации проточной части двигателя.

Известен осевой компрессор двигателя, содержащий статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа, включающий в себя отдельные рабочие колеса. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками, расположенными последовательно по потоку в продольной плоскости сечения барабана. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска в полотне второго диска. Кольцевой бурт второго диска образует трактовую барабанную оболочку, выполняя роль проставки между вторым и первым дисками каждой последующей рабочей ступени. На ободах дисков 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).

Известен вал ротора компрессора низкого давления (КНД), включающий систему из четырех дисков, каждый из которых содержит обод для установки и привидения 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 неопределенность соотношений радиальных и угловых параметров дисков, включая параметры, выражающие соотношения величин полок и радиусов ободов дисков как силовых элементов конструкции вала и силовой оболочки последнего, а также угловой частоты и осевой ориентации пазов для установки рабочих лопаток ротора.

Задача настоящей полезной модели состоит в разработке вала ротора барабанно-дисковой конструкции КНД ТРД с улучшенными геометрической конфигурацией, пространственной жесткостью, силовыми и аэродинамическими параметрами при повышении общей компактности, технологичности, ремонтопригодности и снижении материалоемкости и трудоемкости сборки вала ротора.

Поставленная задача решается тем, что вал ротора компрессора низкого давления (КНД), имеющего диски с рабочими лопатками, наделенными хвостовиком и пером, и сообщенного с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, согласно полезной модели, выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков, каждый из которых имеет массивную ступицу с центральным отверстием, сообщенную с полотном диска, имеющим толщину, не менее чем в три раза меньшую осевой ширины ступицы, и опертый на полотно обод, снабженный системой наклонных относительно оси вала пазов, предназначенных для установки хвостовиков рабочих лопаток, при этом продольная ось каждого из пазов диска первой ступени образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера, угол установки хвостовика лопатки , определенный в диапазоне значений =(19÷25) [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска, причем ободы первых трех дисков образуют относительно средней плоскости полотна диска две неравноплечие полки, которыми непосредственно или через цилиндрические проставки диски объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора, сообщенную с опорами КНД и с валом ТНД, кроме того вал собран из монтажных секций, число которых в барабанно-дисковой конструкции вала принято на единицу меньшим числа дисков, при этом полотно диска первой ступени, входящего в первую монтажную секцию, с фронтальной стороны и полотно диска предпоследней ступени из предпоследней монтажной секции с тыльной стороны снабжены коническими кольцевыми элементами, расположенными каждый под ободом соответствующего диска, и неразъемно соединенными с ответными коническими диафрагмами цапф передней и задней опоры, замыкающими силовую оболочку с образованием силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала; причем образующая конического элемента диска первой ступени наклонена к оси вала под углом =(52°÷72°).

При этом вал может быть выполнен с радиальной и угловой конфигурацией внешней поверхности ободов дисков, совмещенной с внутренней поверхностью проточной части двигателя, по меньшей мере, на осевом участке обтекания потоком рабочего тела совокупности ободов дисков вала ротора, для чего диски выполнены со ступенчато нарастающим по ходу рабочего тела в условной средней плоскости полотна радиусом обода, с соотношением величин радиусов, считая от оси вала ротора до внешней поверхности обода диска, (1,0÷1,15):(1,04÷1,4):(1,11÷1,51):(1,14÷1,54), и с углами наклона ободов, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.

Радиальная величина диска четвертой ступени от внешней поверхности обода до центрального отверстия в ступице и дополняющий ее радиус центрального отверстия могут быть приняты обеспечивающими возможность свободного размещения с зазором относительно внешней поверхности конической диафрагмы задней цапфы.

Пазы дисков вала могут быть выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки типа «ласточкин хвост», а длина пазов принята соизмеримой с длиной хвостовиков лопаток.

В первую монтажную секцию вала ротора последовательно могут быть включены передняя цапфа, объединенные полками ободов - диск первой ступени и диск второй ступени, к которому в свою очередь неразъемно присоединена цилиндрическая проставка с фланцем; в следующую за первой монтажную секцию последовательно включены неразъемно соединенные диск третьей ступени, задняя цапфа и цилиндрическая проставка, а в замыкающую секцию вала включен диск последней ступени, полотно которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой предшествующей ступени.

Каждый из кольцевых конических элементов первого и предпоследнего дисков вала ротора может быть выполнен имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов полок обода.

Фронтальная полка обода диска первой ступени и диск последней ступени могут быть выведены вне контура упомянутого силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала ротора.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке вала ротора КНД ТРД барабанно-дисковой конструкции повышенной компактности, технологичности, ремонтопригодности с геометрической конфигурацией внешней поверхности обода дисков вала, конгруэнтной потоку рабочего тела и образующей поверхность внутренней стенки проточной части двигателя, и с конструктивным решением вала, обеспечивающим при найденных в полезной модели параметрах повышение ресурса при улучшенной возможности передачи на рабочие лопатки от дисков повышенных величин крутящего момента и передачи на элементы опор КНД радиальных и осевых усилий через барабанную оболочку, образованную системой ободов дисков вала, цилиндрических проставок и конических элементов, и выполненную с образованием силового ядра пространственной жесткости оболочки при одновременном снижении материале-, энерго- и трудоемкости сборки вала ротора.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен компрессор низкого давления ТРД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент диска первой ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска первой ступени вала ротора КНД, вид сбоку.

Вал 1 ротора КНД сообщен с валом турбины низкого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью.

Вал 1 ротора КНД выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков 2, 3, 4, 5 с рабочими лопатками 6. Рабочие лопатки 6 наделены хвостовиком 7 и пером 8. Каждый диск 2, 3, 4, 5 имеет компенсационно развитую в осевом направлении массивную ступицу 9 с центральным отверстием 10. Радиус центрального отверстия 10 каждой ступицы 9 выполнен ступенчато нарастающим от первого диска 2 к четвертому диску 5 с соотношением радиусов 1:(1,1÷1,5):(1,06÷1,44):(1,7÷2,3). Ступица 9 сообщена с полотном 11 диска, имеющим толщину, не менее чем в три раза меньшую осевой ширины ступицы 9. Каждый диск 2, 3, 4, 5 включает также опертый на полотно 11 диска обод 12, снабженный системой наклонных относительно оси вала 1 пазов 13. Пазы 13 предназначены для установки хвостовиков 7 рабочих лопаток 6.

Продольная ось каждого из пазов 13 диска 2 первой ступени образует с осью вала 1 ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера 8, угол установки хвостовика 7 рабочей лопатки 6 , определенный в диапазоне значений =(19÷25) [град]. Пазы 13 равномерно разнесены по периметру диска 2.

Ободы 12 дисков 2, 3, 4, образуют относительно средней плоскости полотна 11 две неравноплечие полки 14, 15. Непосредственно полками 14, 15 или через цилиндрические проставки 16, 17 диски 2, 3, 4, 5 вала 1 объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора, сообщенную с опорами КНД и с валом ТНД с возможностью передачи от последней крутящего момента. Вал 1 собран из монтажных секций, число которых в барабанно-дисковой конструкции вала 1 принято на единицу меньшим числа дисков.

Полотно 11 диска 2 первой ступени, входящего в первую монтажную секцию, с фронтальной стороны и полотно 11 диска 4 предпоследней ступени из предпоследней монтажной секции с тыльной стороны снабжены коническими кольцевыми элементами 18, 19, расположенными каждый под ободом 12 соответствующего диска 2 и 4. Конические элементы 18, 19 неразъемно соединены с ответными коническими диафрагмами 20 цапф 21 и 22 соответственно передней и задней опоры, замыкающими силовую оболочку с образованием силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала. Образующая конического элемента 18 диска 2 первой ступени наклонена к оси вала под углом =(52°÷72°).

Вал 1 ротора выполнен с радиальной и угловой конфигурацией внешней поверхности 23 ободов 12 дисков 2, 3, 4, 5, совмещенной с внутренней поверхностью проточной части двигателя, по меньшей мере, на осевом участке обтекания потоком рабочего тела совокупности ободов 12 дисков вала ротора. Для этого диски 2, 3, 4, 5 выполнены со ступенчато нарастающим по ходу рабочего тела в условной средней плоскости полотна радиусом обода 12, с соотношением величин радиусов, считая от оси вала 1 ротора до внешней поверхности 23 обода 12 диска, (1,0÷1,15):(1,04÷1,4):(1,11÷1,51):(1,14÷1,54), и с углами наклона ободов 12, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.

Ступицы 9 дисков 2, 3, 4, 5 вала выполнены с центральным отверстием 10, ступенчато радиально нарастающим от первого диска 2 к четвертому диску 5 с соотношением радиусов 1:(1,1÷1,5):(1,06÷1,44):(1,7÷2,3).

Радиальная величина диска 5 четвертой ступени от внешней поверхности 23 обода 12 до центрального отверстия 10 в ступице 9 и дополняющий ее радиус центрального отверстия 10 приняты обеспечивающими возможность свободного размещения с зазором относительно внешней поверхности конической диафрагмы 20 задней цапфы 22.

Пазы 13 дисков 2, 3, 4, 5 вала 1 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 24, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 7 лопатки 6 типа «ласточкин хвост». Длина пазов 13 принята соизмеримой с длиной хвостовиков 7 лопаток 6.

В первую монтажную секцию вала ротора последовательно включены передняя цапфа 21, объединенные полками 14 и 15 ободов 12 - диск 2 первой ступени и диск 3 второй ступени, к которому в свою очередь неразъемно присоединена цилиндрическая проставка 16 с фланцем 25. В следующую за первой монтажную секцию последовательно включены неразъемно соединенные диск 4 третьей ступени, задняя цапфа 22 и цилиндрическая проставка 17. В замыкающую секцию вала 1 включен диск 5 последней ступени, полотно 11 которого консольно разъемно соединено с замыкающей проставкой 17 предшествующей ступени.

Каждый из кольцевых конических элементов 18, 19 соответственно первого диска 2 и предпоследнего дисков 4 вала ротора выполнен имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов фронтальной полки 14 обода 12 диска 2 и тыльной полки 15 обода 12 диска 4.

Каждый из конических элементов 18, 19 первого диска 2 и предпоследнего диска 4 вала выполнены с возможностью силового соединения с ответными коническими диафрагмами 20 передней и задней цапф 21 и 22 соответственно и с возможностью передачи крутящего момента, а также радиальных и осевых усилий на опоры валы ротора.

Фронтальная полка 14 обода 12 диска 2 первой ступени и диск 5 последней ступени выведены вне контура упомянутого силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала ротора.

Пример реализации полезной модели.

При работе ТРД вал 1 ротора компрессора низкого давления передает крутящий момент от вала ротора турбины низкого давления к дискам 2, 3, 4, 5 всех ступеней КНД. При этом вал ротора обеспечивает стабильность проектной формы и положение дисков всех ступеней в составе барабанно-дисковой конструкции вала ротора КНД на всех возможных режимах работы ТРД за счет восприятия силовой оболочкой вала сочетания нагрузок, возникающих в процессе работе компрессора.

1. Вал ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего диски с рабочими лопатками, наделенными хвостовиком и пером, и сообщенного с валом турбины низкого давления (ТНД) ТРД, имеющего корпус с проточной частью, характеризующийся тем, что вал выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкции, включающей не более четырех дисков, каждый из которых имеет массивную ступицу с центральным отверстием, сообщенную с полотном диска, имеющим толщину, не менее чем в три раза меньшую осевой ширины ступицы, и опертый на полотно обод, снабженный системой наклонных относительно оси вала пазов, предназначенных для установки хвостовиков рабочих лопаток, при этом продольная ось каждого из пазов диска первой ступени образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера, угол установки хвостовика лопатки , определенный в диапазоне значений =(19÷25) [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска, причем ободы первых трех дисков образуют относительно средней плоскости полотна диска две неравноплечие полки, которыми непосредственно или через цилиндрические проставки диски объединены в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора, сообщенную с опорами КНД и с валом ТНД, кроме того, вал собран из монтажных секций, число которых в барабанно-дисковой конструкции вала принято от одной до трех, при этом полотно диска первой ступени, входящего в первую монтажную секцию, с фронтальной стороны и полотно диска предпоследней ступени из предпоследней монтажной секции с тыльной стороны снабжены коническими кольцевыми элементами, расположенными каждый под ободом соответствующего диска и неразъемно соединенными с ответными коническими диафрагмами цапф передней и задней опоры, замыкающими силовую оболочку с образованием силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала; причем образующая конического элемента диска первой ступени наклонена к оси вала под углом =(52°÷72°).

2. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что вал выполнен с радиальной и угловой конфигурацией внешней поверхности ободов дисков, совмещенной с внутренней поверхностью проточной части двигателя, по меньшей мере, на осевом участке обтекания потоком рабочего тела совокупности ободов дисков вала ротора, для чего диски выполнены со ступенчато нарастающим по ходу рабочего тела в условной средней плоскости полотна радиусом обода, с соотношением величин радиусов, считая от оси вала ротора до внешней поверхности обода диска, (1,0÷1,15):(1,04÷1,4):(1,11÷1,51):(1,14÷1,54), и с углами наклона ободов, формирующих конфигурацию упомянутой поверхности проточной части с практически плавным сопряжением смежных торцов.

3. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что радиальная величина диска четвертой ступени от внешней поверхности обода до центрального отверстия в ступице и дополняющий ее радиус центрального отверстия приняты обеспечивающими возможность свободного размещения с зазором относительно внешней поверхности конической диафрагмы задней цапфы.

4. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что пазы дисков вала выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки типа «ласточкин хвост», а длина пазов принята соизмеримой с длиной хвостовиков лопаток.

5. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1 отличающийся тем, что в первую монтажную секцию вала ротора последовательно включены передняя цапфа, объединенные полками ободов - диск первой ступени и диск второй ступени, к которому, в свою очередь, неразъемно присоединена цилиндрическая проставка с фланцем; в следующую за первой монтажную секцию последовательно включены неразъемно соединенные диск третьей ступени, задняя цапфа и цилиндрическая проставка, а в замыкающую секцию вала включен диск последней ступени, полотно которого консольно разъемно-соединено с замыкающей проставкой предшествующей ступени.

6. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что каждый из кольцевых конических элементов первого и предпоследнего дисков вала ротора выполнен имеющим длину конической образующей, не выходящую за пределы осевых габаритов полок обода.

7. Вал ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что фронтальная полка обода диска первой ступени и диск последней ступени выведены вне контура упомянутого силового ядра жесткости барабанно-дисковой конструкции вала ротора.