Патент на изобретение №2270937

(54) ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к осевым компрессорам газотурбинных двигателей. Выполнение конструкции рабочих колес ротора осевого компрессора газотурбинного двигателя сварной конструкции обеспечивает наименьшую массу и наибольшую жесткость из всех возможных конструктивных типов роторов компрессора, а конструктивное выполнение ободов дисков из составных частей дает возможность использовать разный материал для изготовления лопаток и дисков компрессора и тем самым дополнительно снизить вес конструкции ротора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к осевым компрессорам газотурбинных двигателей.

Серьезными факторами, определяющими эксплуатационные характеристики, в том числе ресурс современных роторов осевых компрессоров, являются прочность и масса рабочих лопаток и дисков рабочих колес. В настоящее время комплексное решение проблемы обеспечения требуемых параметров прочности и массы рабочих лопаток и дисков рабочих колес достигается применением рабочих колес, в которых диски и рабочие лопатки выполнены за одно целое, получившее название “блиск” (см. книгу “Иностранные авиационные двигатели”, издание XIII, ЦИАМ, Москва, 2000 г., стр.85…86, двигатель F119).

Существенными недостатками таких конструкций является высокая стоимость изготовления, наличие массивного обода диска и выполнение за одно целое лопаток и дисков рабочих колес компрессора. Таким образом, известное направление разработок является неэкономичным и не позволяет значительно улучшить весовые характеристика компрессора в целом. Поэтому создание конструкции отдельно выполненных рабочих лопаток, соединенных с ротором традиционными методами, например, ротор неразъемной конструкции с креплением рабочих колес с помощью сварки, например электронно-лучевым методом (см. книгу “Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей” под редакцией Хронина Д.В. М.: Машиностроение, 1989 г., стр.94…95), по-прежнему остается актуальным.

Это известное устройство является наиболее близким решением, выбранным за прототип, и содержит статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа, включающий в себя отдельные рабочие колеса, соединенные между собой последовательно с помощью сварки, каждое рабочее колесо состоит из лопаток, включающих в себя профилированное перо и хвостовик, и дисков, имеющих обод, полотно, ступицу и центрирующие кольцевые пояски под сварку.

Однако наличие на диске в известном осевом компрессоре массивного обода Т-образной формы, выполненного за одно целое с полотном диска с кольцевым пазом для размещения и крепления в нем хвостовиков рабочих лопаток, а также невозможность изготовления, где это целесообразно, из разного материала рабочих лопаток и дисков рабочего колеса значительно утяжеляет конструкцию ротора.

Задачей изобретения является снижение веса конструкции ротора осевого компрессора газотурбинного двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что осевой компрессор газотурбинного двигателя, содержащий статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа с рабочими колесами, соединенными между собой последовательно с помощью сварки, каждое рабочее колесо состоит из лопаток с профилированным пером и хвостовиком и дисков с ободами, диафрагмами и ступицами, при этом хвостовики рабочих лопаток выполнены в виде полок и сваркой соединены по боковым сторонам между собой в трактовую втулочную барабанную оболочку рабочих колес, снабженную кольцевыми центрирующими поясками на переднем и заднем по потоку торцах полок, между рабочими колесами установлены междисковые кольцевые проставки, образующие трактовую барабанную оболочку под лопатками спрямляющих аппаратов и несущие на переднем и заднем торцах по потоку кольцевые центрирующие пояски, упорные торцы которых с помощью сварки соединены с упорными торцами кольцевых центрирующих поясков полок рабочих лопаток последовательно, кроме того, полки рабочих лопаток каждого рабочего колеса на своей внутренней стороне имеют ступенчатые выступы, образующие центрирующий цилиндрический поясок, расположенный по направлению продольной оси компрессора в средней части полки, а обод диска выполнен в виде кольцевого утолщения с центрирующим цилиндрическим пояском шириной, равной ширине центрирующего цилиндрического пояска полок рабочих лопаток, центрирующий цилиндрический поясок полок рабочего колеса и центрирующий цилиндрический поясок обода диска соединены между собой посредством сварки.

В случаях, когда материалы лопаток и дисков разнородны, обод диска рабочего колеса может быть выполнен в виде кольцевого утолщения и кольцевого выступа, смещенного по направлению оси компрессора с передней по потоку стороны, в основании выступа со стороны диафрагмы выполнена кольцевая канавка, в которую введена нижняя часть двутаврового кольцевого профиля, прижатого с противоположной стороны кольцом с зеркально расположенной канавкой под второй выступ нижней части двутаврового профиля, при этом кольцо своим нижним основанием приваривается к кольцевому утолщению, кроме того, кольцо объединяется вместе с двутавровым профилем и кольцевым выступом в общий обод диска посредством штифтового или болтового соединения, а периферийная наружная поверхность верхней части двутаврового профиля образует центрирующий поясок, равный центрирующему пояску полок рабочего колеса, и приварен к нему.

При этом вертикальная стенка двутаврового кольцевого профиля имеет толщину не менее толщины диафрагмы

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен продольный разрез принципиальной схемы ротора осевого компрессора газотурбинного двигателя.

На фиг.2 представлен в увеличенном масштабе элемент I фиг.1, поясняющий соединение полок хвостовиков рабочих лопаток с ободом диска рабочего колеса ротора осевого компрессора (вариант 1).

На фиг.3 представлен в увеличенном масштабе элемент II фиг.1, поясняющий соединение полок хвостовиков рабочих лопаток с ободом диска рабочего колеса, изготовленного из другого материала, чем рабочие лопатки (вариант 2).

Осевой компрессор газотурбинного двигателя содержит статор 1 с лопатками 2 спрямляющих аппаратов, ротор барабанно-дискового типа с рабочими колесами 3, лопатками 4 с профилированным пером и хвостовиком, дисками 5 с ободами 6, диафрагмами 7 и ступицами 8. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки 9 с центрирующими поясками 10 и 11, междисковые кольцевые проставки 12 с центрирующими поясками 13 и 14, ступенчатые выступы 15 полок 9 с центрирующими поясками 16, кольцевые утолщения 17 обода 6 с центрирующими поясками 18.

Кроме того, обод 6 диска 5 рабочего колеса 3 может быть выполнен в виде кольцевого утолщения 19 и кольцевого выступа 20, смещенного по направлению оси компрессора с передней по потоку стороны. В основании выступа выполнена кольцевая канавка 21, в которую введена нижняя часть двутаврового кольцевого профиля 22, прижатого с противоположной стороны кольцом 23 с зеркально расположенной канавкой 24 под второй выступ нижней части двутаврового профиля 22. Кольцо 23 своим нижним основанием приваривается к кольцевому утолщению 19. Кроме того, кольцо объединяется вместе с двутавровым профилем 22 и кольцевым выступом 20 в общий обод диска посредством штифтового или болтового соединения 25. Периферийная наружная поверхность верхней части двутаврового профиля 22 образует центрирующий поясок 26, равный центрирующему пояску 16 полок 9 рабочего колеса 3, и приварен к нему.

При этом вертикальная стенка 27 двутаврового кольцевого профиля 22 имеет толщину не менее толщины диафрагмы 7.

При работе двигателя на величину напряжений в диафрагмах и ступицах дисков 5 и на закон их распределения в направлении радиуса дисков влияют наличие и размеры ободов 6 и величины центробежных сил рабочих лопаток 4, а также величины собственной массы дисков 5 и присоединенных к дискам элементов конструкций рабочего колеса 3 ротора компрессора. Выполнение хвостовиков рабочих лопаток 4 в виде полок 9 и соединение их сваркой по боковым сторонам образует трактовую втулочную барабанную оболочку рабочих колес 3 с кольцевыми центрирующими поясками 10 и 11 на переднем и заднем торцах. Размещение между рабочими колесами 3 междисковых кольцевых проставок 12 образует трактовую барабанную оболочку под лопатками 2 спрямляющих аппаратов с центрирующими кольцевыми поясками 13 и 14 на переднем и заднем торцах. Соединение сваркой торцов центрирующих поясков 10 и 11 с торцами центрирующих поясков 13 и 14, а также боковых сторон полок лопаток образует ротор барабанного типа с рабочими колесами типа “блиск”, но при этом с возможностью поштучного изготовления лопаток.

Известно, что сварной ротор имеет наименьшую массу и наибольшую жесткость из всех возможных конструктивных типов роторов компрессора. Наличие на внутренней поверхности полок 9 хвостовиков рабочих лопаток 4 ступенчатых выступов 15 с центрирующими поясками 16 и выполнение ободов 6 дисков 5 рабочих колес 3 в виде кольцевых выступов 17 с центрирующими поясками 18, равных по ширине центрирующим пояскам 16, и соединение центрирующих поясков 16 и 18 сваркой обеспечивает надежное соединение рабочих лопаток 4 ротора с ободами дисков с меньшими размерами и массой.

Изменение размеров в меньшую сторону ободов 6 дисков 5, хвостовиков в виде полок 7 рабочих лопаток 4 и трактовых барабанных оболочек ротора приводит к снижению нагрузок на диски 5, а следовательно, и к уменьшению их толщин, что в целом приводит к снижению веса ротора осевого компрессора на 25…30% при сравнении с выполнением крепления лопаток, как в прототипе.

Выполнение ободов 6 дисков 5 в виде кольцевого утолщения 19 и кольцевого выступа 20 в сочетании с канавками 21 и 24, с кольцом 23, приваренным к утолщению 19, и в сочетании со штифтами (болтами) 25 позволяет в этих ободах надежно закрепить двутавровый кольцевой профиль из разнородного с диском материала, но однородного с лопатками. Благодаря последнему двутавровый профиль по утолщению 6 с центрирующим пояскам 26 на своей верхней части может быть сварен с лопатками (по центрирующему пояску 16). В целом получается конструкция колеса типа “блиск”, у которого материалы лопаток и несущего диска не могут быть сварены между собой непосредственно. Так, например, на последних ступенях компрессора в проточной части, где высокая температура, целесообразно изготавливать лопатки компрессора из стали, а внутри барабана ротора, где температура воздуха ниже, чем в проточной части, изготавливать диски из титановых сплавов, что значительно снижает вес ротора осевого компрессора.

Выполнение хвостовиков рабочих лопаток в виде полок, которые сваркой соединены между собой по боковым сторонам в трактовую втулочную барабанную оболочку рабочих колес с центрирующими поясками на торцах, и наличие между рабочими колесами междисковых кольцевых проставок с центрирующими поясками на торцах, образующих трактовую барабанную оболочку под лопатками спрямляющих аппаратов, позволяет с помощью сварки последовательно соединить их между собой в жесткий и прочный ротор барабанно-дискового типа, а наличие на внутренней поверхности полок хвостовиков рабочих лопаток кольцевых выступов с центрирующими поясками, расположенных вдоль продольной оси компрессора, и выполнение обода рабочего колеса в виде кольцевого выступа в поперечной плоскости диска с центрирующими цилиндрическим пояском вдоль продольной оси компрессора позволяет с помощью сварки получить надежное соединение хвостовиков лопаток каждого рабочего колеса с соответствующим этому рабочему колесу диском без массивного обода и тем самым значительно уменьшить вес ротора осевого компрессора в целом.

Таким образом, выполнение конструкции рабочих колес ротора осевого компрессора газотурбинного двигателя сварной конструкции обеспечивает наименьшую массу и наибольшую жесткость из всех возможных конструктивных типов роторов компрессора, а присоединение дисков к хвостовикам рабочих лопаток с помощью сварки позволяет обеспечить надежное крепление рабочих лопаток без использования массивного обода на дисках и при этом снизить массу ротора осевого компрессора газотурбинного двигателя на 20…25%, а конструктивное выполнение ободов дисков из составных частей дает возможность использовать разный материал для изготовления лопаток и дисков компрессора и тем самым дополнительно снизить вес конструкции ротора на 25…30%.

Формула изобретения

1. Осевой компрессор газотурбинного двигателя, содержащий статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа с рабочими колесами, соединенными между собой последовательно с помощью сварки, каждое рабочее колесо состоит из лопаток с профилированным пером и хвостовиком и дисков с ободами, диафрагмами и ступицами, при этом хвостовики рабочих лопаток выполнены в виде полок и сваркой соединены по боковым сторонам между собой в трактовую втулочную барабанную оболочку рабочих колес, снабженную кольцевыми центрирующими поясками на переднем и заднем по потоку торцах полок, между рабочими колесами установлены междисковые кольцевые проставки, образующие трактовую барабанную оболочку под лопатками спрямляющих аппаратов и несущие на переднем и заднем торцах по потоку кольцевые центрирующие пояски, упорные торцы которых с помощью сварки соединены с упорными торцами кольцевых центрирующих поясков полок рабочих лопаток последовательно, кроме того, полки рабочих лопаток каждого рабочего колеса на своей внутренней стороне имеют ступенчатые выступы, образующие центрирующий цилиндрический поясок, расположенный по направлению продольной оси компрессора в средней части полки, а обод диска выполнен в виде кольцевого утолщения с центрирующим цилиндрическим пояском шириной, равной ширине центрирующего цилиндрического пояска полок рабочих лопаток, центрирующий цилиндрический поясок полок рабочего колеса и центрирующий цилиндрический поясок обода диска соединены между собой посредством сварки.

2. Осевой компрессор газотурбинного двигателя, содержащий статор с лопатками спрямляющих аппаратов и ротор барабанно-дискового типа с рабочими колесами, соединенными между собой последовательно с помощью сварки, каждое рабочее колесо состоит из лопаток с профилированным пером и хвостовиком и дисков с ободами, диафрагмами и ступицами, при этом хвостовики рабочих лопаток выполнены в виде полок и сваркой соединены по боковым сторонам между собой в трактовую втулочную барабанную оболочку рабочих колес, снабженную кольцевыми центрирующими поясками на переднем и заднем по потоку торцах полок, между рабочими колесами установлены междисковые кольцевые проставки, образующие трактовую барабанную оболочку под лопатками спрямляющих аппаратов и несущие на переднем и заднем торцах по потоку кольцевые центрирующие пояски, упорные торцы которых с помощью сварки соединены с упорными торцами кольцевых центрирующих поясков полок рабочих лопаток последовательно, кроме того, полки рабочих лопаток каждого рабочего колеса на своей внутренней стороне имеют ступенчатые выступы, образующие центрирующий цилиндрический поясок, расположенный по направлению продольной оси компрессора в средней части полки, при этом обод диска рабочего колеса выполнен в виде кольцевого утолщения и кольцевого выступа, смещенного по направлению оси компрессора с передней по потоку стороны, в основании выступа со стороны диафрагмы выполнена кольцевая канавка, в которую введена нижняя часть двутаврового кольцевого профиля, прижатого с противоположной стороны кольцом с зеркально расположенной канавкой под второй выступ нижней части двутаврового профиля, при этом кольцо своим нижним основанием приваривается к кольцевому утолщению, кроме того, кольцо объединяется вместе с двутавровым профилем и кольцевым выступом в общий обод диска посредством штифтового или болтового соединения, а периферийная наружная поверхность верхней части двутаврового профиля образует центрирующий поясок, равный центрирующему пояску полок рабочего колеса и приваренный к нему.

3. Осевой компрессор по п.2, отличающийся тем, что вертикальная стенка двутаврового кольцевого профиля имеет толщину не менее толщины диафрагмы.

РИСУНКИ