Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя

Авторы патента:

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, радиус которого превышает радиус шлицевой трубы. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Фронтальная полка не менее чем в два раза превышает ширину тыльной полки. Обод диска выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора. Обод диска снабжен системой пазов для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с заявленной угловой частотой и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Полотно снабжено коническим кольцевым элементом, выполненный с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода. Технический результат, достигаемый полезной моделью, состоит в повышении компактности, технологичности и ремонтопригодности диска первой ступени вала ротора КНД, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых напряжений в элементах диска. 1 н.п. ф-лы, 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

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

Известна ступень осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные венцы рабочего колеса и его внешнее силовое кольцо, в котором внутренняя часть имеет пазы. В пазах посредством замков крепятся концы пера лопатки. В замках крепления лопатки в зазоре между боковыми стенками пазов и концами замковой части торцевых концов лопатки установлены виброизоляционные, амортизационные элементы (RU 2264561 C1, опубл. 20.11.2005).

Известна ступень осевого компрессора газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные венцы рабочего колеса и опорное силовое кольцо для крепления хвостовиков лопаток. Для крепления хвостовиков концевого сечения лопатки на внутренней металлической поверхности силового кольца выполнены шлицы (RU 2267030 C1, опубл. 27.12.2005).

Известен осевой компрессор двигателя, включающий рабочие колеса, снабженные дисками. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. 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. Диск 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 неоптимальность соотношений и недостаточная проработанность радиальных и угловых параметров дисков, включая параметры, выражающие соотношения величин полок и радиусов ободов дисков как силовых элементов конструкции вала, а также угловой частоты и осевой ориентации пазов для установки рабочих лопаток ротора.

Задача настоящей полезной модели состоит в разработке диска первой ступени вала ротора КНД ТРД повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности при снижении материалоемкости и повышении допустимых напряжений в элементах диска.

Поставленная задача решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), согласно полезной модели, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, радиус которого не менее чем на 10% превышает радиус шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,28÷0,48) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод диска выполнен выходящим в проточную часть с возможностью силового объединения с ободом диска последующей ступени и образования первой ступени силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора, а внешняя поверхность обода при этом образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя, кроме того обод диска первой ступени выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части двигателя, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для закрепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений =(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним дополнительным коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода, и принятый в диапазоне =(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с внешним коническим силовым элементом цапфы передней опоры.

Обод диска асимметрично может быть соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок.

Замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками, имеющими конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную конфигурации поперечного сечения пазов, может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».

Диск может быть выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы до верхней поверхности обода в осевой продольной плоскости пера лопатки, практически совмещенной с условной средней плоскостью полотна диска, не менее чем в 1,6 раза меньшим аналогичной радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части.

Участки внешней поверхности обода диска между пазами для установки лопаток могут быть выполнены, образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя, по меньшей мере, в зоне расположения указанного диска первой ступени ротора КНД.

Фронтальная полка обода диска может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка обода диска может быть развита выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени по рабочему телу.

Тыльная полка обода диска первой ступени может быть выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней.

Тыльная полка обода диска первой ступени конструктивно может быть выполнена с возможностью неразъемного соединения с ответной полкой обода диска последующей ступени.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке диска первой ступени вала ротора КНД ТРД повышенной компактности, технологичности и ремонтопригодности при снижении материалоемкости. Это достигается совокупностью разработанных в полезной модели конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода с разноплечими кольцевыми полками, принятого сочетания тонкого полотна и осевой ширины ступицы, компенсирующей диаметр центрального отверстия, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых напряжений в элементах диска. Найденная в полезной модели ориентация относительно оси вала и угловая частота пазов с возможностью размещения, фиксации и простоты взаимозаменяемости рабочих лопаток с принятой системой замкового соединения обеспечивает в совокупности повышенную эффективность функциональной работы и ресурса КНД в целом.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен диск первой ступени вала ротора КНД, 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.

Турбореактивный двигатель выполнен с корпусом 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора (на чертежах не показано). Вал выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления.

Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в кольцевое полотно 5, усиленное ступицей 6. Ступица 6 снабжена центральным отверстием 7, радиус которого не менее чем на 10% превышает радиус шлицевой трубы 3. Радиус диска от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 диска в средней плоскости полотна 5 составляет (0,28÷0,48) от радиуса периферийного контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Обод 4 диска первой ступени выполнен выходящим в проточную часть 2 с возможностью силового объединения с ободом диска последующей ступени и образования первой ступени силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора. Внешняя поверхность 9 обода 4 при этом образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Обод 4 диска выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности 9 обода 4 относительно оси 8 вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_1об, определенным в диапазоне

[м/м], где

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 9 обода 4 диска, B_об - осевая ширина обода 4.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2 корпуса 1 двигателя, на участке осевой шириной, соизмеримой с проекцией ширины пера рабочей лопатки на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера рабочей лопатки, снабжен системой пазов 10 для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза 10 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений =(19÷25)°. Пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад]. Пазы 10 выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями 11, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

Обод 4 асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12, 13.

Полотно 5 с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу 4, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 14. Конический элемент 14 выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4, и принятый в диапазоне =(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с внешним коническим силовым элементом цапфы передней опоры (на чертежах не показано) и передачи через конический элемент 14 диска радиальных, осевых усилий и крутящего момента на элементы передней опоры ротора.

Замковое соединение пазов 10 обода 4 диска с хвостовиками рабочих лопаток, имеющими конфигурацию поперечного сечения, ответную конфигурации поперечного сечения пазов 10, выполнено по типу «ласточкин хвост».

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 9 обода 4 в осевой продольной плоскости пера лопатки, практически совмещенной с условной средней плоскостью полотна 5 диска, не менее чем в 1,6 раза, предпочтительно, в два раза меньшим аналогичной радиальной величины рабочей лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Участки внешней поверхности 9 обода 4 диска между пазами 10 для установки рабочих лопаток выполнены, образующими внутреннюю поверхность проточной части 2 корпуса 1 двигателя, по меньшей мере, в зоне расположения указанного диска первой ступени ротора КНД.

Фронтальная полка 12 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза 10 сквозным отверстием (на чертежах не показано) для пропуска фиксатора хвостовика лопатки и установки при необходимости балансировочных грузов диска.

Тыльная полка 13 обода 4 диска развита выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке 13 элементов лабиринтного уплотнения 15. Лабиринтные уплотнения 15 выполнены с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора КНД, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени по рабочему телу.

Тыльная полка 13 обода 4 диска выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

Тыльная полка 13 обода 4 диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного, предпочтительно, посредством электроннолучевой сварки соединения с ответной полкой обода диска последующей ступени.

Пример реализации полезной модели.

В процессе работы турбореактивного двигателя диск первой ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от ТНД через силовую барабанно-дисковую оболочку вала ротора КНД с включением в работу лопаток рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 14 передает радиальную и осевую нагрузки на опоры вала ротора.

1. Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщён с турбиной низкого давления (ТНД), характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабжённой центральным отверстием, радиус которого не менее чем на 10% превышает радиус шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,28÷0,48) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод диска выполнен выходящим в проточную часть с возможностью силового объединения с ободом диска последующей ступени и образования первой ступени силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора, а внешняя поверхность обода при этом образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя, кроме того, обод диска первой ступени выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части двигателя, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определённым в диапазоне:

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска; В_об - осевая ширина обода; причём обод диска со стороны, обращённой к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, снабжён системой пазов для закрепления лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений =(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним дополнительным коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода, и принятый в диапазоне =(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с внешним коническим силовым элементом цапфы передней опоры.

2. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок.

3. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками, имеющими конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную конфигурации поперечного сечения пазов, выполнено по типу «ласточкин хвост».

4. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы до верхней поверхности обода в осевой продольной плоскости пера лопатки, практически совмещенной с условной средней плоскостью полотна диска, не менее чем в 1,6 раза меньшим аналогичной радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части.

5. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что участки внешней грани обода диска между пазами для установки лопаток выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя, по меньшей мере, в зоне расположения указанного диска первой ступени ротора КНД.

6. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 2, отличающийся тем, что фронтальная полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

7. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 2, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска развита выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени по рабочему телу.

8. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 2, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска первой ступени выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска следующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней.

9. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 8, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска первой ступени конструктивно выполнена с возможностью неразъемного соединения с ответной полкой обода диска последующей ступени.