Рабочее колесо шестой ступени ротора компрессора высокого давления (квд) турбореактивного двигателя (варианты), диск рабочего колеса ротора квд, лопатка рабочего колеса ротора квд, лопаточный венец рабочего колеса ротора квд

Рабочее колесо шестой ступени ротора компрессора высокого давления (квд) турбореактивного двигателя (варианты), диск рабочего колеса ротора квд, лопатка рабочего колеса ротора квд, лопаточный венец рабочего колеса ротора квд

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения, а именно, к компрессорам высокого давления (КВД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик (Ю.С. Елисеев и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. 2-е изд. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000. стр. 621-624).

Известно рабочее колесо многоступенчатого компрессора, имеющее диск с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки и паз в ободе диска имеет трапециевидный профиль. Перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером выполнена полка с формированием проточной части (А.А. Иноземцев и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 2. Москва. Машиностроение 2008, стр. 39-42).

Известно рабочее колесо компрессора, имеющее диск с установленными в пазе рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Паз диска выполнен с уширением по глубине в поперечном сечении паза (US 2013/0171343, 04.07.2013 г., фиг. 1, 2). Аналогичные решения известны из US 2005/0025622 A1, фиг. 1, US 2009/0246029 A1, фиг. 5, US 2005/0129522 A1, фиг. 1, US 1606029, фиг. 3, 4.

К недостаткам известных решений относятся непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска рабочего колеса, влияющих на формирование конфигурации и площадь проходного сечения проточной части и размещение в пазу обода диска лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса шестой ступени ротора компрессора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой установки лопатки в рабочем колесе шестой ступени ротора, что затрудняет получение оптимального сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора, а также обеспечение оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке рабочего колеса шестой ступени ротора компрессора высокого давления ТРД с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации диска и лопаток, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД в шестой ступени КВД, подачи воздушного потока в последующие ступени КВД с повышенным запасом ГДУ на всех режимах работы и ресурса двигателя без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что лопатка рабочего колеса шестой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления КВД турбореактивного двигателя ТРД, имеющего корпус с проточной частью, турбину низкого давления (ТНД) с валом, турбину высокого давления (ТВД) и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками и лопаточными венцами, при этом обод диска рабочего колеса наделен пазом для установки лопаток, согласно изобретению, лопатка содержит перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, а также выполненные за одно целое с пером хвостовик и корневая полка с конической поверхностью по обе стороны пера, образующей фрагмент втулочной поверхности проточной части двигателя шестой ступени КВД, причем хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(30,4÷43,7)°, а в периферийном сечении пера значение α_п=(36,3÷52,1)°, при этом перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне

G_з.п.=(α_п-α_к)/H_ср=(170,2÷242,9) [град/м],

где α_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α_п – то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

G_у.т.=(C_к-C_п)/H_ср=(1,9÷2,8)⋅10^-2 [м/м],

где C_к - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; C_п – то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом хвостовик лопатки может иметь подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси ротора, и содержит уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами, верхние грани каждого из которых наклонены к условной плоскости подошвы хвостовика на угол β₁=(29÷40)°, а нижние грани выполнены встречно наклонными и образуют каждая с условной плоскостью подошвы хвостовика угол β₂=(48÷69)°.

Хвостовик может быть выполнен с соотношением средней высоты H_ср профиля пера лопатки к средней высоте h_cp хвостовика, составляющим H_ср/h_cp=(4,3÷5,8).

Перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариантно перо лопатки может быть выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Поставленная задача в части лопаточного венца решается тем, что лопаточный венец рабочего колеса шестой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, обод которых наделен пазом для установки рабочих лопаток, согласно изобретению, содержит лопатки, равномерно разнесенные по периметру диска с угловой частотой Y_л=(13,68÷18,79) [ед./рад], при этом каждая лопатка лопаточного венца шестой ступени ротора КВД выполнена с конфигурацией и параметрами, описанными выше, кроме того, торцы корневой полки каждой лопатки выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части, для чего полка каждой лопатки выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне шестой ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода диска и составляющим ϕ=(6÷12)°.

Поставленная задача в части диска ротора компрессора решается тем, что диск рабочего колеса шестой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с дисками рабочих колес, снабженных лопатками, включающими хвостовик, корневую полку и перо, согласно изобретению, диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, ступицу с центральным отверстием и полотно, при этом радиус диска R_д от оси ротора до внешней поверхности обода в средней радиальной плоскости полотна составляет (0,71÷0,96) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а обод диска снабжен по контуру кольцевым пазом для размещения в нем хвостовиков рабочих лопаток и разделен пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча с периферийными кольцевыми коническими полками с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок лопаток втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска шестой ступени ротора КВД, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G_R.об., определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска B_об - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом; кроме того, для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД диск снабжен со стороны, обращенной к диску седьмой ступени, кольцевым коническим элементом, выполненным за одно целое с полотном диска и с углом наклона образующей к условной средней плоскости полотна, идентичным по величине углу наклона образующих конического участка от фронтальной полки обода к полотну диска и конической диафрагмы с возможностью неразъемного силового соединения с последней.

При этом радиус центрального отверстия ступицы R_ц.о.с. может быть выполнен достаточным для пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,21÷0,30) от радиуса R_д диска, считая последний от оси ротора до внешней поверхности обода в средней радиальной плоскости полотна.

Паз диска может быть снабжен не менее чем одним заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток и фиксирующих элементов для радиально-угловой фиксации положения лопаток в пазе.

Длина образующей конического кольцевого элемента диска может быть принята невыходящей за радиальный габарит обода диска, а угол наклона образующей конического элемента диска выполнен, вариантно определенным в диапазоне (44÷65)°, при этом коническая диафрагма снабжена фланцем для разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринта с возможностью передачи крутящего момента от ТВД, для чего во фланце выполнены отверстия под крепежные элементы типа призонных шпилек и гаек с тарированным моментом закрутки, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Y_креп=(3,18÷4,46) [ед./рад].

Паз обода диска может быть выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной части паза и разделенным заужением, образованным двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами, выполненными со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика лопатки, при этом нижнее уширение кольцевого паза обода диска выполнено с гранями, образующими замковую конфигурацию типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным поверхностям хвостовика лопатки, а верхнее уширение паза выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки лопатки, выходящей в проточную часть, который в свою очередь выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска шестой ступени КВД.

Длина периметра кольцевого паза в ободе диска может быть выполнена достаточной для размещения в нем хвостовиков лопаток с угловой частотой Y_л, определенной в диапазоне значений Y_л=(13,68÷18,79) [ед./рад].

Обод диска может быть выполнен с возможностью разъемного соединения тыльной полкой с ответной фронтальной полкой обода диска седьмой ступени и неразъемного соединения собственной фронтальной полкой с тыльной полкой обода диска пятой ступени, причем в зоне разъемного стыка участки полок указанных дисков выполнены с возможностью соединения внахлест.

Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо шестой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, согласно изобретению, содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат каждая хвостовик, перо, выполненное с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, при этом радиус R_д диска от оси ротора КВД до условной конической поверхности, сосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна составляет (0,71÷0,96) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а радиус R_ц.о.с. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,21÷0,30) от радиуса R_д диска в средней радиальной плоскости полотна диска, при этом обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска шестой ступени ротора КВД, причем внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G_R.об., определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска; B_об - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом; для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД обод диска выполнен с возможностью разъемного соединения тыльной полки с фронтальной полкой обода диска седьмой ступени и неразъемного соединения собственной фронтальной полкой с ответной полкой обода диска пятой ступени, причем в зоне разъемного стыка участки полок указанных дисков выполнены с возможностью соединения внахлест, кроме того, диск снабжен кольцевым коническим элементом в виде осесимметричной оболочки, общий или объединенный с полотном диска, обращенным к диску седьмой ступени и конической диафрагме с возможностью неразъемного силового соединения с последней и последующего разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринтом и с углом наклона образующей конического элемента диска, составляющим (44÷65)°.

При этом лопатки могут быть равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_л=(13,68÷18,79) [ед./рад].

Длина образующей конического кольцевого элемента диска может быть принята невыходящей за радиальный габарит обода диска, при этом коническая диафрагма снабжена фланцем для разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринта с возможностью передачи крутящего момента от ТВД, для чего во фланце выполнены отверстия под крепежные элементы типа призонных шпилек и гаек с тарированным моментом закрутки, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Y_креп=(3,18÷4,46) [ед./рад].

Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющим β₁=(29÷40)°, а от смещения в окружном направлении в кольцевом пазе лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.

Перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне

G_з.п.=(α_п-α_к)/H_ср=(170,2÷242,9) [град/м],

где α_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α_п - то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того, перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу.

Кольцевые полки обода диска могут быть выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора.

Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо шестой ступени в составе ротора многоступенчатого компрессора высокого давления ТРД, имеющего корпус с проточной частью, ТНД с валом, ТВД и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции, согласно изобретению, содержит лопаточный венец и диск, наделенный кольцевым пазом для установки лопаток венца, причем диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а лопатки венца содержат каждая хвостовик, перо, выполненное с профилем переменной по ширине и высоте пера толщиной и образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, и корневую полку с конической поверхностью по обе стороны пера, причем хвостовик лопатки выполнен с возможностью установки в паз обода диска и имеет конфигурацию боковых и опорной поверхностей, конгруэнтную профилю ответных поверхностей паза с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(30,4÷43,7)°, a в периферийном сечении пера значение α_п=(36,3÷52,1)°, при этом перо лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне

G_з.п.=(α_п-α_к)/H_ср=(170,2÷242,9) [град/м],

где α_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α_п – то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки; при этом лопатки равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_л=(13,68÷18,79) [ед./рад], причем обод диска разделен кольцевым пазом на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча, периферийные участки кольцевых полок которых совместно с внешней поверхностью корневых полок лопаток образуют втулочную поверхность контура проточной части двигателя в пределах осевой длины обода диска шестой ступени ротора КВД с углом ϕ наклона образующей внешней поверхности обода к оси ротора, идентичным внешней поверхности корневой полки лопатки; для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД обод диска выполнен с возможностью разъемного соединения тыльной полки с фронтальной полкой обода диска седьмой ступени и неразъемного соединения собственной фронтальной полкой с ответной полкой обода диска пятой ступени, кроме того, рабочее колесо выполнено с отношением радиуса R_д диска от оси вала ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода диска в средней радиальной плоскости полотна диска к средней высоте H_ср профиля пера лопатки, составляющим R_д/H_ср=(5,4÷8,1).

При этом диск может быть выполнен с радиусом R_д от оси ротора КВД до условной конической поверхности, сосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода в средней радиальной плоскости полотна, составляющим (0,71÷0,96) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, а радиус R_ц.о.с. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для пропуска вала ТВД и вариантно составляющим (0,21÷0,30) от радиуса R_д диска в средней радиальной плоскости полотна диска.

Диск может быть снабжен кольцевым коническим элементом в виде осесимметричной оболочки, общий или объединенный с полотном диска, обращенным к диску седьмой ступени и конической диафрагме с возможностью неразъемного силового соединения с последней и последующего разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринтом, при этом длина образующей конического кольцевого элемента диска принята невыходящей за радиальный габарит обода диска, а угол наклона образующей конического элемента диска выполнен, вариантно определенным в диапазоне (44÷65)°, при этом коническая диафрагма снабжена фланцем для разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринта с возможностью передачи крутящего момента от ТВД, для чего во фланце выполнены отверстия под крепежные элементы типа призонных шпилек и гаек с тарированным моментом закрутки, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Y_креп=(3,18÷4,46) [ед./рад].

Для радиально-угловой фиксации положения лопаток кольцевой паз может быть выполнен с контактными выступами, нижняя грань каждого из которых расположена под углом к условной плоскости в придонной части паза, идентичным углу наклона ответной грани хвостовика лопатки к подошве хвостовика, составляющим β₁=(29÷40)°, а от смещения в окружном направлении в кольцевом пазе лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами, которые выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта.

Кольцевые полки обода диска могут быть выполнены выступающими за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора, причем в зоне разъемного стыка участки полок дисков пятой и шестой ступеней выполнены с возможностью соединения внахлест.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса шестой ступени ротора КВД ТРД, включающего диск и рабочие лопатки, в совокупности составляющих лопаточный венец рабочего колеса, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,5% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображено рабочее колесо шестой ступени ротора КВД ТРД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент обода диска рабочего колеса с лопатками, вид сбоку;

на фиг. 3 - фрагмент лопаточного венца рабочего колеса, вид сверху;

на фиг. 4 - лопатка рабочего колеса, вид сверху;

на фиг. 5 - перо лопатки рабочего колеса, поперечный разрез;

на фиг. 6 - хвостовик лопатки рабочего колеса, вид спереди;

на фиг. 7 - обод диска рабочего колеса, продольный разрез;

на фиг. 8 - фрагмент обода диска с заходным отверстием для установки в паз хвостовиков лопаток, продольный разрез;

на фиг. 9 - фрагмент обод диска с фиксирующим элементом для фиксации положения лопаток в пазе, продольный разрез.

Многоступенчатый компрессор высокого давления турбореактивного двигателя включает корпус с проточной частью, турбину низкого давления с валом, турбину высокого давления и ротор КВД, включающий вал барабанно-дисковой конструкции с передней опорой и с трубчатой частью вала ротора с другой стороны.

В группе изобретений, объединенных единым творческим замыслом, рабочее колесо шестой ступени ротора компрессора (фиг. 1) содержит диск 1, наделенный пазом 2 для установки рабочих лопаток 3, в совокупности составляющих лопаточный венец рабочего колеса.

Лопатки лопаточного венца содержат каждая выполненные за одно целое хвостовик 4, перо 5 и корневую полку 6 с конической поверхностью по обе стороны пера 5. Диск 1 рабочего колеса выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 7 с центральным отверстием 8, полотно 9 и обод 10, наделенный пазом 2 для установки хвостовиков 4 лопаток. Лопатки 3 равномерно разнесены по периметру диска 1 с угловой частотой Y_л=(13,68÷18,79) [ед./рад]. Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 и выпуклой спинкой 12, сопряженными входной и выходной кромками 13 и 14.

Хвостовик 4 лопатки выполнен для установки в паз 2 обода 10 диска 1. Хвостовик 4 лопатки выполнен с конфигурацией боковых и опорной поверхностей, конгруэнтной профилю ответных поверхностей паза 2 с образованием замкового соединения типа «кольцевой паз» и обеспечением угла α установки профиля пера 5 к оси 15 ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(30,4÷43,7)°, а в периферийном сечении пера значение α_п=(36,3÷52,1)°.

Перо 5 лопатки (фиг. 4) выполнено с переменной относительно оси 15 ротора осевой закруткой, нарастающей с радиальным удалением от оси ротора с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость в диапазоне

G_з.п.=(α_п-α_к)/H_ср=(170,2÷242,9) [град/м],

где α_к - угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; α_п - то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо 5 лопатки (фиг. 5) выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 12 и корыта 11 относительно хорды 16, соединяющей входную и выходную кромки 13 и 14 пера лопатки. Максимальная толщина профиля пера 5 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 17 с градиентом G_у.т., равным

G_у.т.=(C_к-C_п)/H_ср=(1,9÷2,8)⋅10^-2 [м/м],

где C_к - максимальная толщина профиля пера лопатки в корневом сечении; C_п - то же, в периферийном сечении; H_ср - средняя высота пера лопатки.

Хвостовик 4 лопатки (фиг. 6) имеет подошву 18 с продольной осью, расположенной в условной плоскости, нормальной к оси 15 ротора, и содержит уширение по глубине, выполненное в поперечном сечении двумя ответными зеркально симметричными двухгранными выступами. Верхние грани 19 каждого выступа наклонены к условной плоскости подошвы 18 хвостовика на угол β₁=(29÷40)°. Нижние грани 20 выполнены встречно наклонными и образуют каждая с условной плоскостью подошвы 18 хвостовика угол β₂=(48÷69)°.

Торцы 21 корневой полки 6 каждой лопатки (фиг. 3) выполнены с возможностью плотного примыкания к обращенным к ним ответным торцам полки смежных лопаток венца рабочего колеса, формируя втулочную поверхность проточной части. Для этого корневая полка 6 лопатки 3 выполнена наклонной с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне шестой ступени КВД с увеличением радиуса в направлении потока рабочего тела и углом ϕ наклона образующей внешней поверхности полки 6 к оси ротора, идентичным образующей внешней поверхности обода 10 диска и составляющим ϕ=(6÷12)°.

Лопатка 3 выполнена с отношением средней высоты H_ср профиля пера 5 лопатки к средней высоте h_cp хвостовика 4, составляющим H_ср/h_cp=(4,3÷5,8).

Перо 5 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 11 профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета), и выпуклой спинкой 12 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариантно перо лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Диск 1 рабочего колеса шестой ступени выполнен с радиусом R_д от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, сосной с валом ротора и описывающей верхнюю поверхность обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9, составляющим (0,71÷0,96) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости. Радиус R_ц.о.с. центрального отверстия ступицы выполнен достаточным для размещения передней опоры КВД и вариантно составляющим (0,21÷0,30) от радиуса R_д диска от оси 15 ротора КВД до верхней поверхности обода 10 в средней радиальной плоскости полотна 9 диска.

Для размещения хвостовиков лопаток 3 обод 10 диска 1 снабжен по контуру кольцевым пазом 2. Обод 10 разделен пазом 2 на два несимметричных разновысоких кольцевых плеча 22, 23 с периферийными кольцевыми коническими полками 24 и 25 соответственно с образованием совместно с верхней поверхностью корневых полок 6 лопаток 3 втулочной поверхности контура проточной части двигателя в пределах осевой ширины обода диска шестой ступени ротора КВД.

Внешняя поверхность обода 10 выполнена с углом наклона образующей 26 относительно оси 15 ротора и радиусом, возрастающим в сторону движения потока рабочего тела в осевом сечении КВД с градиентом G_{R об.}, определенным в диапазоне,

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы образующей верхней поверхности обода диска B_об - осевая ширина обода диска, ограниченного межлопаточным каналом.

При этом рабочее колесо выполнено с отношением радиуса R_д диска 1 от оси 15 ротора КВД до условной конической поверхности, описывающей верхнюю поверхность обода 10 диска в средней радиальной плоскости полотна 9 диска к средней высоте H_ср профиля пера 5 лопатки, составляющим R_д/H_cp=(5,4÷8,1).

Паз 2 обода 10 диска (фиг. 7) выполнен с двойным уширением по глубине, расположенным соответственно в верхней и в придонной частях 27 и 28 паза и разделенным заужением, которое образовано двумя зеркально симметричными ответными кольцевыми выступами 29. Выступы 29 выполнены со скругленными оппозитными торцевыми участками профиля в поперечном сечении паза, расположенными на расстоянии, обеспечивающем возможность опорного заведения между ними хвостовика 4 лопатки. Уширение в нижней придонной части 28 паза 2 обода диска выполнено с гранями 30 с образованием замковой конфигурации типа «кольцевой паз» с углом взаимного наклона боковых граней 30, составляющим (91÷98)°, и конгруэнтную по доминантным точкам опорных поверхностей ответным граням 19 и 20 хвостовика 4 лопатки. Уширение в верхней части 27 паза 2 выполнено соответствующим по конфигурации, ширине и осевому перепаду высот фронтальной и тыльной кромок паза 2, осевому наклону основной части площади верхней поверхности корневой полки 6 лопатки, выходящей в проточную часть, который в свою очередь выполнен идентичным требуемому наклону внутреннего контура проточной части на осевом участке расположения диска шестой ступени КВД.

Паз 2 обода 10 диска 1 снабжен не менее чем одним заходным отверстием 31 для установки в паз хвостовиков 4 лопаток (фиг. 8) и фиксирующих элементов 32 для фиксации положения лопаток в пазе. Для радиально-угловой фиксации положения лопаток 3 в ободе 10 диска кольцевой паз 2 выполнен с контактными выступами 29 с возможностью удерживания лопаток от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил. Нижняя грань выступа 29 расположена под углом к условной плоскости придонной части паза, идентичным углу β₁ наклона ответной грани 20 хвостовика 4 лопатки к его подошве 18. От смещения в окружном направлении (фиг. 9) в кольцевом пазе 2 лопатки зафиксированы не менее чем пятью фиксирующими элементами 32. Фиксирующие элементы 32 выполнены в виде призматического вкладыша с конфигурацией в поперечном сечении, конгруэнтной профилю кольцевого паза 2, и наделены каждый сквозным резьбовым отверстием для фиксирующего винта 33.

Для обеспечения передачи крутящего момента от ТВД обод 10 диска 1 выполнен с возможностью разъемного соединения тыльной полки 25 с фронтальной полкой обода диска седьмой ступени (на чертежах не показано) и неразъемного соединения собственной фронтальной полкой 24 с ответной полкой обода диска пятой ступени (на чертежах не показано). В зоне разъемного стыка участки полок указанных дисков выполнены с возможностью соединения внахлест. Кроме того, диск 1 снабжен кольцевым коническим элементом 34 в виде осесимметричной оболочки, общий или объединенный с полотном 9 диска. Конический элемент 34 обращен к диску седьмой ступени и конической диафрагме 35 с возможностью неразъемного силового соединения с последней и последующего разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринтом (на чертежах не показано). Длина образующей конического кольцевого элемента 34 диска принята невыходящей за радиальный габарит обода 10 диска. Угол наклона образующей к условной средней плоскости полотна выполнен идентичным по величине углу наклона образующих конического участка от фронтальной полки обода 25 к полотну 9 диска и конической диафрагме 35 с возможностью неразъемного силового соединения с последней, составляющий (44÷65)°. Коническая диафрагма 35 снабжена фланцем 36 для разъемного соединения с пакетом дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней и диском лабиринта. Для чего во фланце 36 выполнены отверстия 37 под крепежные элементы типа призонных шпилек и гаек с тарированным моментом закрутки, разнесенные по периметру фланца с угловой частотой Y_креп=(3,18÷4,46) [ед./рад].

Кольцевые полки 24, 25 обода 10 диска выполнены выступающими за габарит пера 5 рабочей лопатки 3 на ширину, достаточную для взаимодействия по рабочему телу с лопатками направляющего аппарата статора.

Пример реализации изобретения.

Рабочее колесо шестой ступени КВД двигателя состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 3. Диск 1 изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 7, полотно 9 и обод 10.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 23 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 145 мм; толщина полотна - 5 мм; ширина обода, ограниченного межлопаточным каналом - 18 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 528 мм и 532 мм соответственно; угол ϕ наклона внешней поверхности обода диска - 9°.

Лопатку 3 рабочего колеса шестой ступени ротора КВД ТРД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участках расположения корневой полки 6. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя ш