RU144432U1

RU144432U1 - Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя

Info

Publication number: RU144432U1
Application number: RU2014115945/06U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Еричев; Андрей Валерьевич Узбеков; Николай Павлович Селиванов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Уфимское Моторостроительное Производственное Объединение" (Оао "Умпо")
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2014-08-20

Abstract

1. Диск второй 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 25% превышает радиус шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет 0,42÷0,70 от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод диска асимметрично соединён с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных фронтальной и тыльной полок, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части корпуса двигателя, кроме того, обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим 10-20°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части, монотонно изменяющейся в упомянутом

Description

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 2267030С1, 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. Пайкиц, 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 второй 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 второй 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, диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, радиус которого не менее чем на 25% превышает радиус шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных фронтальной и тыльной полок, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора, при этом внешняя поверхность обода образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части корпуса двигателя, кроме того обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим (10÷20)°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

[м/м], где

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода; причем обод диска снабжен 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, системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

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

Фронтальная полка обода диска может быть выполнена превышающей ширину тыльной полки не менее чем в 1,07 раза.

Диск может быть выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы до верхней поверхности обода в условной средней плоскости полотна диска, практически совмещенной с осевой продольной плоскостью пера лопатки, не менее чем в 1,15 раза меньшим радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного рабочего вращения системы «диск-лопатка».

Внутренняя поверхность проточной части двигателя в зоне расположения указанного диска может быть образована участками внешней поверхности обода диска между пазами для установки лопаток.

Тыльная полка обода диска может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием с возможностью установки фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой, снабженной элементами лабиринтного уплотнения и выполненной с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец, предпочтительно, снабженный системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения с полотном диска последующей ступени вала ротора.

Тыльная полка обода диска конструктивно может быть выполнена с возможностью неразъемного, предпочтительно, посредством электроннолучевой сварки присоединения к ней цилиндрической проставки.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке диска второй 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 и цилиндрической проставкой, 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 второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй 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 второй 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 25% превышает радиус шлицевой трубы 3.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 8, 9. Фронтальная полка 8 превышает ширину тыльной полки 9 не менее, чем в 1,07 раза.

Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 и образующим вторую ступень силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени (на чертежах не показано) для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора. Внешняя поверхность 10 обода 4 диска образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Радиус диска от оси 11 до внешней поверхности 10 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части 2 двигателя.

Обод 4 диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности 10 обода 4 относительно оси 11 вала, составляющим (10÷20)°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части 2, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

[м/м], где

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 10 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 ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера рабочей лопатки на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера рабочей лопатки, снабжен системой пазов 12 для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза 12 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷28)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад]. Пазы 12 выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями 13, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

Замковое соединение пазов 12 обода 4 диска с хвостовиками, имеющими конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную конфигурации поперечного сечения пазов, выполнено по типу «ласточкин хвост».

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 10 обода 4 в осевой продольной плоскости пера лопатки с условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,15 раза меньшим аналогичной радиальной величины рабочей лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части 2 корпуса 1 двигателя с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части 2 с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного рабочего вращения системы «диск-лопатка».

Внутренняя поверхность проточной части 2 корпуса 1 двигателя в зоне расположения диска образована участками внешней поверхности 10 обода 4 диска между пазами 12 для установки лопаток.

Тыльная полка 9 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием (на чертежах не показано) с возможностью установки фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка 9 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой 14. Проставка 14 снабжена элементами 15 лабиринтного уплотнения. Проставка 14 выполнена с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец 16, предпочтительно, снабженный системой отверстий 17 для пропуска элементов разъемного соединения с полотном присоединяемого диска последующей ступени вала ротора.

Тыльная полка 9 обода 4 диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного, предпочтительно, посредством электроннолучевой сварки присоединения к ней цилиндрической проставки 14.

Пример реализации полезной модели.

В процессе работы турбореактивного двигателя диск второй 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.

Claims

1. Диск второй 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 25% превышает радиус шлицевой трубы, а радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет 0,42÷0,70 от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем обод диска асимметрично соединён с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных фронтальной и тыльной полок, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень силовой барабанно-дисковой оболочки вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части корпуса двигателя, кроме того, обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим 10-20°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части, 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 снабжён 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, системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определённый в диапазоне значений α=21÷28°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Υ_п=5,882÷7,962 [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, по меньшей мере, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

2. Диск второй ступени 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".

3. Диск второй ступени по п.1, отличающийся тем, что фронтальная полка обода диска выполнена превышающей ширину тыльной полки не менее чем в 1,07 раза.

4. Диск второй ступени по п.1, отличающийся тем, что диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы до верхней поверхности обода в условной средней плоскости полотна диска, практически совмещенной с осевой продольной плоскостью пера лопатки, не менее чем в 1,15 раза меньшим радиальной величины лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного рабочего вращения системы "диск-лопатка".

5. Диск второй ступени по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность проточной части двигателя в зоне расположения указанного диска образована участками внешней поверхности обода диска между пазами для установки лопаток.

6. Диск второй ступени по п.1, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием с возможностью установки фиксатора хвостовика лопатки.

7. Диск второй ступени по п.1, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жёсткого силового соединения с цилиндрической проставкой, снабженной элементами лабиринтного уплотнения и выполненной с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец, предпочтительно, снабжённый системой отверстий для пропуска элементов разъёмного соединения с полотном диска последующей ступени вала ротора.

8. Диск второй ступени вала по п.7, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска конструктивно выполнена с возможностью неразъёмного, предпочтительно, посредством электронно-лучевой сварки присоединения к ней цилиндрической проставки.