Рабочее колесо турбомашины
Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может найти применение в конструкции турбомашин с высоконагруженными рабочими колесами, преимущественно в колесах компрессоров с широкохордными лопатками. Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является снижение массы рабочего колеса с обеспечением его циклической долговечности, вибропрочности и устойчивости к изгибающему моменту за счет оптимального распределения нагрузки между несколькими полотнами диска. Технический результат достигается тем, что рабочее колесо турбомашины содержит лопатки и диск с полотном и ободом, имеющим неразъемное соединение с лопатками. Новым в полезной модели является то, что колесо содержит, по крайней мере, еще одно полотно, соединенное с ободом диска, при этом между полотнами образована полость. Количество полотен и место их соединения с ободом диска определяется расчетным или экспериментальным путем, исходя из минимизации напряжений в ободе и полотнах диска при минимальной массе колеса.
Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может найти применение в конструкции турбомашин с высоконагруженными рабочими колесами, преимущественно в колесах компрессоров с широкохордными лопатками.
Известно рабочее колесо компрессора низкого давления, содержащее лопатки и диск с полотном и ободом. Лопатки имеют замковое соединение с диском с помощью хвостовиков, расположенных в пазах обода диска (Ю.С.Елисеев и др. «Испытания, обеспечение надежности и ремонт авиационных двигателей и энергетических установок», Москва, МАИ, 2005 г., стр.165, рис.3.5).
К недостаткам такого рабочего колеса относится необходимость надежно удерживать лопатки в замковом соединении при вращении рабочего колеса от действия больших центробежных сил. Поскольку сопрягаемые поверхности лопатки и диска не имеют стопроцентного прилегания друг к другу из-за биений, неперпендикулярности, неплоскостности, шероховатости и т.д., образующихся при их обработке, в замковом соединении лопатки и диска возникают большие контактные и растягивающие напряжения, что приводит к необходимости увеличения габаритов и массы диска и лопаток для повышения их прочности, либо к необходимости ограничения его ресурса.
Еще одним недостатком такого рабочего колеса 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, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) турбомашины.
Основным недостатком такого рабочего колеса является размещение ограниченного количества лопаток на ободе диска из-за недостаточной прочности замкового соединения, что лимитирует производимую работу колеса.
Для обеспечения требуемой производительности, увеличения количества лопаток в колесе, требуемого КПД в современном газотурбинном двигателестроении все чаще используются широкохордные лопатки, в которых использование традиционных замковых соединений в виде ласточкина хвоста или елочного замка крайне затруднительно из-за проблем прочностного характера и в этом случае наиболее выгодным является использование рабочих колес, где лопатки выполнены за одно целое с диском (блиск).
Известно рабочее колесо турбомашины, содержащее широкохордные лопатки и диск с одним полотном и ободом, имеющим неразъемное соединение с лопатками. Радиальная ось симметрии полотна проходит через центр тяжести корневого сечения пера лопаток (Л.Б.Уваров «Технология производств лопаток компрессора современных газотурбинных установок» РГАТА, Рыбинск, 2005 г., стр.72, рис 3.26).
Такое рабочее колесо частично лишено недостатков предыдущего. У него отсутствуют пазы в ободе диска. Отсутствие пазов в диске позволяет разместить большее количество лопаток, что увеличивает производительность колеса. Однако, на переднем и заднем торцах обода возникают большие радиальные деформации и напряжения на кромках лопаток, что ограничивает малоцикловую долговечность колеса и снижает вибрационную прочность лопаток в месте соединения кромок пера с ободом диска, что также приводит к необходимости увеличения массы и габаритов колеса из-за необходимости развития ободной части диска для компенсации отсутствия конструкционного демпфирования и изгибающего момента от осевой силы, действующей на лопатку.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является снижение массы рабочего колеса с обеспечением его циклической долговечности, вибропрочности и устойчивости к изгибающему моменту за счет оптимального распределения нагрузки между несколькими полотнами диска.
Технический результат достигается тем, что рабочее колесо турбомашины содержит лопатки и диск с полотном и ободом, имеющим неразъемное соединение с лопатками.
Новым в полезной модели является то, что колесо содержит, по крайней мере, еще одно полотно, соединенное с ободом диска, при этом между полотнами образована полость. Количество полотен и место их соединения с ободом диска определяется расчетным или экспериментальным путем, исходя из минимизации напряжений в ободе и полотнах диска при минимальной массе колеса.
На прилагаемых чертежах изображено:
фиг.1 - рабочее колесо, диск которого имеет два полотна;
фиг.2 - рабочее колесо, диск которого имеет три полотна.
Рабочее колесо турбомашины содержит лопатки 1 и диск с двумя полотнами 2 и ободом 3. Обод 3 имеет неразъемное соединение с лопатками 1. Между полотнами 2 образована полость 4.
Полотна 2 диска расположены по разные стороны относительно радиальной оси, проходящей через центр 5 тяжести корневого сечения лопатки 1.
Для минимизации напряжений в местах крепления лопаток 1 к ободу 3 крайние полотна 2 могут быть максимально приближены к торцам обода 3.
Диск рабочего колеса также может содержать три и более полотен 2. Количество полотен 2 и место их соединения с ободом 3 диска определяется расчетным или экспериментальным путем, исходя из минимизации напряжений в ободе 3 и полотнах 2 диска при минимальной массе колеса.
При работе двигателя на величину напряжений и закон их распределения в диске влияют величина собственной массы диска, в частности его обода 3, величины центробежных сил рабочих лопаток 1, а также изгибающий момент от осевой силы от перепада давлений перед и за колесом.
Наличие в диске нескольких полотен 2 требует меньшей массы обода 3 диска за счет оптимального распределения нагрузки между ними. Определение количества полотен 2 и выбор их места соединения с ободом 3 диска, исходя из минимизации напряжений в ободе, позволяет обеспечить его циклическую долговечность, вибропрочность и устойчивость к изгибающему моменту.
Т.о., изменение размеров обода 3 диска приводит к снижению нагрузок на диск, а, следовательно, и к уменьшению его геометрических размеров и снижению массы с обеспечением его прочности.
Рабочее колесо турбомашины, содержащее лопатки и диск с полотном и ободом, имеющим неразъемное соединение с лопатками, отличающееся тем, что колесо содержит, по крайней мере, еще одно полотно диска, соединенное с ободом, между полотнами образована полость, при этом количество полотен и место их соединения с ободом диска определяется расчетным или экспериментальным путем, исходя из минимизации напряжений в ободе и полотнах диска при минимальной массе колеса.
