Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (варианты)

Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен диск третьей 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 C1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск третьей 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 единых творческим замыслом, состоит в разработке диска рабочего колеса третьей 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 третьей ступени, подачи воздушного потока в последующую ступень КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск третьей 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 (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора, при этом тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад], 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 хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

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.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что диск третьей 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 (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч.. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора, 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 хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки.

При этом полотно диска может быть снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [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 третьей 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 третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

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

на фиг. 3 - фрагмент диска третьей ступени вала ротора КНД, вид сбоку;

на фиг. 4 - паз в ободе диска третьей 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 третьей 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 (0,59÷0,84) 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 третьей ступени вала ротора. Тыльная полка 11 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку (не показано) с полотном последующего диска четвертой ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиальных и осевых усилий от диска четвертой ступени. Для разъемного соединения через проставку (не показано) с диском предшествующей ступени в полотне 5 диска под ободом 4 выполнены отверстия 12 под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

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 13 для хвостовиков лопаток. Продольная ось подошвы 14 каждого из пазов 13 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=(17÷25)°. Пазы 13 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой

Y_п=N/2π=(7,7÷10,6) [ед/рад],

где N - число пазов в ободе диска.

Пазы 13 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 15, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Полотно 5 диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом 16 для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора. Конический элемент 16 выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

Конфигурация поперечного сечения каждого паза 13 в ободе 4 диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 15 паза 13 встречно наклонены одна к другой с образованием углов γ между боковой гранью 15 и подошвой 14 паза γ=(56÷80)°. Переход от боковой грани 15 к подошве 14 выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Диск третьей 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 - 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 150 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности 9 обода 4 диска - 6°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 13 для крепления лопаток в количестве 57 штук. Пазы 13 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона к донной плоскости контактных с хвостовиком лопатки боковых граней 15 паза составляет 70°; ширина подошвы паза - 16,5 мм; угол оси α паза 13 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 22°.

При запуске газотурбинного двигателя диск третьей 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 и через конический кольцевой элемент 16 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса третьей 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 3 при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска третьей 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 (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.ч.)<0,59 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предшествующих и последующей 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.)>0,84 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне третьей ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 13 для закрепления лопаток. Пазы 13 расположены под углом α к оси вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (17÷25)°, 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 третьей 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 13 диске лопаток рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>25° отклонения оси паза 13 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 13 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [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 13 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 13 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<7,7 [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>10,6 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске третьей ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 5 снабжено коническим кольцевым элементом 16, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим не менее 48°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 5 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<48° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

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

1. Диск третьей 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 (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора, при этом тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад], 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 хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

2. Диск третьей 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 третьей 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 (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, причем обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических полок обода и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора, 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 хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки.

4. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 3, отличающийся тем, что полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

5. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 3, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

6. Диск третьей ступени ротора компрессора низкого давления по п. 3, 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.