RU2603218C1

RU2603218C1 - Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (варианты)

Info

Publication number: RU2603218C1
Application number: RU2015132486/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Балабан; Виктор Викторович Куприк; Ирик Усманович Манапов; Андрей Валерьевич Узбеков; Игорь Сергеевич Кузнецов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Уфимское Моторостроительное Производственное Объединение" (Оао "Умпо")
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-11-27

Abstract

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. 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, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части. Радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости. 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 α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Достигается повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,1% при повышении ресурса диска в 2 раза. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления стационарных газотурбинных двигателей.

Известен диск второй ступени ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. На ободе диска выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск второй ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления двигателя (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 отсутствие системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия диска ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации упомянутых пазов в ободе диска, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и, как следствие, сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости диска.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке диска рабочего колеса второй ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими сохранение диском геометрии в процессе эксплуатации при действии эксплуатационных нагрузок, обеспечение точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД второй ступени, подачи воздушного потока в последующие ступени КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) стационарного газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД) с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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, и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

При этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

При этом обод диска может быть выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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.

Обод диска может быть выполнен с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(12÷17)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части.

Конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска и выполненных в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

При этом продольная ось подошвы каждого паза может образовать с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад].

Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(12÷17)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска и выполненных в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

Обод диска может быть выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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;

Продольная ось подошвы каждого паза может образовать с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад].

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса второй ступени ротора КНД ГТД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,1% при повышении ресурса диска в 2 раза.

Сущность изобретения 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, вид сбоку;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 4 - паз в ободе диска второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Стационарный газотурбинный двигатель имеет корпус 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью. Вал ротора выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента.

Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в полотно 5, усиленное ступицей 6 с центральным отверстием 7. Радиус диска R_д от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 6 составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 в указанной плоскости.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11. Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 с образованием внутреннего контура последней на осевой длине второй ступени вала ротора. Обод 4 диска выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора.

Внешняя поверхность 9 обода 4 выполнена с углом наклона образующей относительно оси 8 вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси 8 образующей внутреннего контура проточной части 2. Радиус обода 4 монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела 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.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось 8 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов 9 для хвостовиков лопаток. Продольная ось подошвы 13 каждого из пазов 12 образует с осью 8 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой

Y_п=N/2π=(6,04÷8,2) [ед./рад],

где N - число пазов в ободе диска.

Пазы 12 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 14, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Конфигурация поперечного сечения каждого паза 12 в ободе 4 диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 14 паза 12 встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью 14 и подошвой 13 паза γ=(56÷80)°. Переход от боковой грани 14 к подошве 13 выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

По ходу потока рабочего тела тыльная полка 11 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием (на чертежах не показано) для установки фиксатора хвостовика лопатки.

Вариантно диск выполнен с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(12÷17)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части.

Диск второй ступени КНД ГТД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 34 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 155 мм; средняя толщина полотна - 6 мм; ширина обода - 50 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 463 мм и 490 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности 9 обода 4 диска - 15°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 45 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона к донной плоскости контактных с хвостовиком лопатки боковых граней 14 паза составляет 70°; ширина подошвы паза - 18 мм; угол оси α паза 12 относительно оси 8 вала ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вала ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза составляет 24°.

При запуске двигателя диск второй ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса второй ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска второй ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R_д от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.ч.)<0,54 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предшествующей и последующих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/R_п.ч.)>0,77 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне второй ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 4 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона G_об=(0,22÷0,32) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части второй ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком асимметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10 и 11 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска, фронтальная полка 10 и кольцевой участок тыльной полки 11 обода 4 диска выходят в проточную часть. Дополнительное уширение фронтальной полки 10 обода 4 диска относительно ширины тыльной полки 11 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора второй ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом α к оси вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (19÷27)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса второй ступени ротора КНД, и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 12 диске лопаток рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>27° отклонения оси паза 12 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск - лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя. Кроме того, пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 14, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 12 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 12 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<6,0 [ед./рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y_п>8,2 [ед./рад] при соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров диска рабочего колеса второй ступени достигают повышения КПД и увеличения запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса второй ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.

Claims

1. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) стационарного газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с продольной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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, и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

2. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

3. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

4. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с продольной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

5. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 4, отличающийся тем, что обод диска выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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.

6. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 4, отличающийся тем, что обод диска выполнен с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(12÷17)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части.

7. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 4, отличающийся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

8. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 4, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

9. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с продольной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска и выполненных в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

10. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 9, отличающийся тем, что продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад].

11. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 9, отличающийся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

12. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 9, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

13. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с продольной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,54÷0,77) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(12÷17)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, кроме того, обод выполнен с возможностью силового объединения с полкой обода диска предшествующей ступени и через проставку с полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности объединенных в барабанно-дисковую конструкцию ступеней вала ротора, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость вала ротора, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска и выполненных в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

14. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 13, отличающийся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью и подошвой паза γ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

15. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 13, отличающийся тем, что обод диска выполнен образующим внутренний контур проточной части на осевом участке второй ступени вала ротора с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела 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;

16. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 13, отличающийся тем, что продольная ось подошвы каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(19÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(6,0÷8,2) [ед./рад].

17. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 13, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.