Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя

Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен диск последней 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 последней 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 изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса последней 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 ступени, согласованности с предыдущими ступенями КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск последней 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, причем обод диска соединен с полотном диска с образованием равноплечих кольцевых полок, а полотно диска выполнено с возможностью разъемного соединения через проставку с полкой диска предшествующей ступени с образованием барабанно-дисковой конструкции вала ротора, при этом обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД в направлении потока рабочего тела радиусом и с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(1,8÷3,4)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части двигателя, кроме того, обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для крепления лопаток, при этом продольная ось каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений (20,1÷29,2)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,8÷7,9) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, которым придана конфигурация элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

При этом диск может быть выполнен с возможностью разъемного соединения с диском предшествующей ступени, для чего в периферийной части полотна данного диска выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой Y_o.п.=(3,4÷4,9) [ед/рад].

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.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса последней 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 последней ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент диска последней ступени вала ротора КНД, вид сбоку;

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

на фиг. 4 - паз в ободе диска последней 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 последней ступени вала ротора компрессора низкого давления выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в полотно 5, усиленное ступицей 6 с центральным отверстием 7.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 8 и тыльной полки 9. Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 с образованием внутреннего контура последней на осевой длине последней ступени вала ротора. Полотно 5 диска выполнено с возможностью разъемного соединения через проставку с полкой диска предшествующей ступени с образованием барабанно-дисковой конструкции вала ротора.

Обод 4 диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД в направлении потока рабочего тела радиусом и с углом φ образующей внешней поверхности 10 обода относительно оси 11 вала ротора, составляющим φ=(1,8÷3,4)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части 2 двигателя.

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 11 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов 12 для хвостовиков лопаток. Продольная ось подошвы 13 каждого из пазов 12 образует с осью 11 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(20,1÷29,2)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой:

Y_п=N/2π=(5,8÷7,9) [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.

Диск выполнен с возможностью разъемного соединения с диском предшествующей ступени, для чего в периферийной части полотна 5 диска выполнены отверстия 15 под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой Y_o.п.=(3,4÷4,9) [ед/рад].

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.

Диск последней ступени КНД ГТД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно 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 - 28 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 240 мм; средняя толщина полотна - 4 мм; ширина обода - 48 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 522 мм и 528 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 3°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 43 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 16 мм; угол оси паза относительно оси вращения ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вращения ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза составляет 25°.

При запуске газотурбинного двигателя диск последней 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 последней ступени ротора КНД, а именно, радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с кольцевыми полками 8 и 9, 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 последней ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД в направлении потока рабочего тела радиусом к R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 двигателя и с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(1,8÷3,4)°. Выход за указанный диапазон угла φ приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предшествующих и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне последней ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (20,1÷29,2)°, 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 последней 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 диска лопаток рабочего колеса последней ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α_о 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=(5,8÷7,9) [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<5,8 [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>7,9 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске последней 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 последней ступени достигают повышение КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса последней ступени КНД без увеличения материалоемкости диска.

1. Диск последней 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, причем обод диска соединен с полотном диска с образованием равноплечих кольцевых полок, а полотно диска выполнено с возможностью разъемного соединения через проставку с полкой диска предшествующей ступени с образованием барабанно-дисковой конструкции вала ротора, при этом обод диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД в направлении потока рабочего тела радиусом и с углом φ образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора, составляющим φ=(1,8÷3,4)° и идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части двигателя, кроме того, обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для крепления лопаток, при этом продольная ось каждого из которых образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений (20,1÷29,2)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,8÷7,9) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, которым придана конфигурация элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

2. Диск последней ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что диск выполнен с возможностью разъемного соединения с диском предшествующей ступени, для чего в периферийной части полотна данного диска выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой Y_ο.п.=(3,4÷4,9) [ед/рад].

3. Диск последней 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.