Меню

Лопатка компрессора низкого давления

РАБОЧИЕ ЛОПАТКИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство с особенностями конструкции рабочих лопаток осевых турбомашин.

Рабочие лопатки осевых компрессоров и турбин — одни из наиболее ответственных деталей, от конструктивного совершенства и долговечности которых зависит надежность и ресурс ГТД.

Рабочие лопатки должны обладать:

· высокой прочностью, так как на них действуют значительные центробежные и газодинамические силы и моменты, вызывающие напряжения растяжения, кручения и изгиба;

· низким уровнем вибраций, что необходимо для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток на рабочих режимах двигателя;

· высокой точностью изготовления и низкой шероховатостью поверхностей для уменьшения аэродинамических потерь;

· технологичностью изготовления, необходимой при массовом производстве.

Рабочие лопатки состоят из следующих конструктивных элементов: хвостовика или замковой части, полки хвостовика и пера.

Вогнутую поверхность лопатки принято называть корытом, выгнутую — спинкой.

Кромку лопатки со стороны входа газов называют входной, а противоположную — выходной.

Форма лопатки характеризуется рядом геометрических параметров, к числу которых относятся:

· средняя линия профиля — кривая, представляющая собой геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;

· хорда профиля — расстояние между крайними точками средней линии;

· угол установки профиля — угол между хордой профиля и фронтальной линией решетки;

· угол закрутки лопатки — разность между углами установки профилей пера в корневом и периферийном сечениях;

· высота лопатки — расстояние между концевыми поверхностями лопатки, измеряемое по радиусу;

· изогнутость профиля — наибольшая ордината средней линии профиля;

· максимальная толщина лопатки.

При профилировании рабочих лопаток важно учитывать влияние на статическую и динамическую прочность таких её конструктивных параметров, как трапецевидность и клиновидность.

Трапециевидность характеризуется отношением длины хорды профиля периферийного сечения к длине хорды в корневом сечении.

Клиновидность лопаток определяется отношением максимальной толщины профиля в периферийном сечении к максимальной толщине профиля пера в корневом сечении.

Важной характеристикой лопатки является относительная толщина профиля

.

Выбор минимального значения толщины профиля определяется условиями прочности, жесткости и технологией изготовления лопаток.

Удлинение лопатки представляет собой отношение длины (высоты) лопатки к хорде на среднем диаметре.

Лопатки крепятся к наружным поверхностям роторов при помощи замковых соединений, которые должны обеспечивать:

· возможность размещения необходимого числа лопаток,

· легкость сборки и замены лопаток,

Существует два основных типа замковых соединений с хвостовиками лопаток: «ласточкин хвост» и «елочка», причем первый тип применяется в основном в компрессорах, а второй — в турбинах.

Рабочие лопатки изготавливаются штамповкой или точным литьем с последующей механической обработкой.

Чистота обработки пера лопатки оказывает большое влияние на прочность и на величину аэродинамических, прежде всего профильных потерь энергии.

С целью повышения КПД ступени на концах профильной части компрессорных лопаток иногда выполняются бандажные полки с одним либо несколькими уплотнительными гребнями. Благодаря этому удается предотвратить перетекание газа от корыта к спинке лопаток и между их наружными торцами и корпусом турбомашины.

Для рабочих лопаток турбины наличие бандажных полок является, чаще всего, обязательным.

При монтаже между бандажными полками соседних лопаток создают натяг, что позволяет уменьшить их колебания.

При работе ГТД лопатки испытывают высокие статические и динамические нагрузки. Например центробежная сила, возникающая при вращении рабочего колеса компрессора, достигает 300 — 600 кН. Поэтому для снижения напряжений площадь концевого сечения лопатки меньше площади корневого сечения.

Лопатки, особенно первой ступени компрессора, подвержены значительному износу при эксплуатации в результате попадания на них пыли, капель жидкости, посторонних предметов.

Рабочие лопатки компрессоров отличаются тонкой входной кромкой, малыми углами поворота потока.

Для изготовления длинных рабочих лопаток первых ступеней компрессора применяются алюминиевые и титановые сплавы.

В высоконапорных компрессорах температура лопаток последних ступеней может достигать 1000 К и более. Для их изготовления применяют легированные стали 30ХГСА, 40ХНМА и др.

Рабочие лопатки турбины состоят из тех же конструктивных элементов, что и лопатки компрессора, но имеют другие геометрические параметры и форму.

Профильная часть турбинных лопаток имеет большую относительную толщину и кривизну; у нее резче выражено изменение площади сечений по высоте лопатки и более развита замковая часть.

Угол закрутки рабочих лопаток турбины достигает 30 0 и более градусов.

Лопатки турбин работают в более тяжелых условиях, чем компрессорные. Температура газов на выходе из камеры сгорания достигает 950 К …1600 К .

При температуре газов менее 1000 К для обеспечения надежной работы лопаток, изготовленных из современных жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе (ЖС6-К, ХН77ТЮР и др.), достаточно обеспечить отвод тепла от пера лопаток в диск рабочего колеса турбины. Для увеличения отвода тепла рабочие лопатки могут иметь удлиненные принудительно охлаждаемые хвостовики.

С повышением температуры газа снижается надежность и ресурс рабочих лопаток, растет влияние термоусталостных процессов и высокотемпературной газовой коррозии.

Поэтому в современных высокотемпературных ГТД рабочие лопатки одной или нескольких первых ступеней турбины выполняются охлаждаемыми.

В современных высокотемпературных ГТУ наибольшее распространение получило внутреннее конвективное воздушное охлаждение рабочих лопаток. Охлаждение чаще всего происходит по следующей схеме: воздух подводится вдоль диска рабочего колеса турбины к корневым сечениям лопаток. Далее через хвостовик вводится в перо лопаток и охлаждает их. Нагретый воздух отводится из лопаток через их выходные или периферийные кромки.

Идут активные исследования по созданию высокотемпературных неохлаждаемых лопаток из керамических и металлокерамических материалов. Их механические свойства практически не изменяются при нагреве до 1500 К. Однако эти материалы пока не обладают необходимой долговечностью из-за повышенной чувствительности к вибрациям и местным концентраторам напряжений.

Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию рабочих лопаток турбины и компрессора (основные элементы, способ охлаждения, способ крепления и т.д.)

2. Выполнить эскизы рабочих лопаток турбины и компрессора.

3. Определить геометрические параметры лопаток, заполнить таблица 2.

4. Выявить различия в конструкции компрессорных и турбинных лопаток и объяснить причины их вызвавшие.

Геометрическая характеристика Лопатка турбины Лопатка компрессора
Высота (длина) L, мм
Длина хорды b, мм
Удлинение l =L/b, мм
Максимальная толщина профиля в периферийном сечении С, мм
Относительная толщина в переферийном сечении .

1. Какие требования предъявляются к рабочим лопаткам компрессоров и турбин?

2. Из каких основных частей состоит рабочая лопатка?

3. Какими геометрическими параметрами характеризуется форма пера лопатки?

4. Какие требования предъявляются к замковым соединениям?

5. Для чего служат бандажные полки?

6. Каким образом охлаждаются рабочие лопатки ГТД?

Источник

Лопатка компрессора низкого давления

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно, к осевым компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.

Известна профилированная лопатка компрессора для диска рабочего колеса, имеющего аксиальную, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны повышенного и низкого давления, простирающиеся в радиальном направлении от хвостовика к вершине и в аксиальном направлении между передней и задней кромками, поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и линии изгиба, проходящие между передней и задней кромками, и центры тяжести, выровненные по оси укладки, имеющей двойной изгиб. Сторона низкого давления изогнута вдоль задней кромки вблизи хвостовика для уменьшения разделения потока на нем (RU 2000130594 А, опубл. 27.01.2003).

Известна рабочая лопатка компрессора, включающая перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент — ножку. Между ножкой и пером размещена полка, формирующая проточную часть 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. 257-263).

К недостаткам известных решений относятся неопределенность достижения эффективного взаимодействия лопаток с потоком рабочего тела вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации пера и угловой установки лопатки в рабочем колесе первой ступени ротора, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и как следствие сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса лопатки.

Задача группы изобретений состоит в разработке лопатки рабочего колеса первой ступени ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации и жесткостью пера лопатки, обеспечивающими возможность увеличения расхода сжимаемого рабочего тела — воздуха в первой ступени и подачи воздушного потока в последующие ступени КНД на всех режимах работы двигателя, а также увеличение газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости лопатки.

Читайте также:  Как поменять давление в гидробаке

Поставленная задача решается тем, что лопатка первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо первой ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γк=(69,7÷77,7)°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; кроме того, лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом Gy.п, имеющем значения в диапазоне

где γк — угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γп — то же, в периферийном сечении; Нср — средняя высота пера лопатки; при этом входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом Gy.x увеличения соединяющей их хорды, равным

где Lп.x — длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; Lк.х — то же, длина корневой хорды; Нср — средняя высота пера лопатки; причем лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде Lcp, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющем h/Lcp=(2,7÷3,8).

При этом перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот сцинки 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 Gy.т, равным

где Ск — максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; Сп — то же, периферийного сечения; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

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.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что лопатка первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо первой ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющим в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γк=(69,7÷77,7)°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; при этом лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом Gу.п, имеющим значения в диапазоне

где γк — угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γп — то же, в периферийном сечении; Нср — средняя высота пера лопатки; кроме того входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки, а лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде Lcp, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющем h/Lcp=(2,7÷3,8).

При этом входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом Gy.х увеличения соединяющей их хорды, равным

где Lп.х — длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; Lк.х — то же, длина корневой хорды; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

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.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что лопатка первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо первой ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γк=(69,7÷77,7)°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; причем входная и выходная кромки пера выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом Gy.x увеличения соединяющей их хорды, равным

где Lп.х — длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; Lк.х — то же, длина корневой хорды; Нср — средняя высота пера лопатки; кроме того, лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде Lcp, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющем h/Lcp=(2,7÷3,8).

Читайте также:  Что дает датчик абсолютного давления

При этом лопатка может быть выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом Gу.п, имеющем значения в диапазоне

где γк — угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γп — то же, в периферийном сечении; Hср — средняя высота пера лопатки.

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 с градиентом Gy.т, равным

где Ск — максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; Сп — то же, периферийного сечения; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

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.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что лопатка первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью и рабочее колесо первой ступени с диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией, согласно изобретению содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, причем перо лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки профиля хордой и фронтальной линией решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γк=(69,7÷77,7)°, а хвостовик лопатки имеет подошву с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении; кроме того, перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей 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 Gу.т, равным

где Ск — максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; Сп — то же, периферийного сечения; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом Gу.п, имеющим значения в диапазоне

где γк — угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; γп — то же, в периферийном сечении; Нср — средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом Gy.х увеличения соединяющей их хорды, равным

где Lп.х — длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; Lк.х — то же, длина корневой хорды; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

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.

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков лопатки рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса лопатки в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображена лопатка рабочего колеса первой ступени, вид сбоку;

на фиг. 2 — лопатка рабочего колеса первой ступени, фронтальная проекция;

на фиг. 3 — перо лопатки рабочего колеса первой ступени, поперечный разрез;

на фиг. 4 — лопатка рабочего колеса первой ступени, вид сверху.

Рабочее колесо первой ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, содержащего корпус с проточной частью, снабжено диском, наделенным пазами, и лопаточным венцом, имеющим решетку профилей пера с фронтальной линией.

Лопатка рабочего колеса содержит хвостовик 1 и перо 2 с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3 и выпуклой спинкой 4, сопряженными входной и выходной кромками 5 и 6 соответственно. Перо 2 лопатки выполнено с углом γ установки профиля, определенным как угол между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца, имеющий в проекции на условную плоскость, перпендикулярную к оси пера, в корневом сечении профиля значение γк=(69,7÷77,7)°. В качестве соединяющей входную и выходную кромки профиля хорды 7 принята общая касательная к входной и выходной кромкам 5 и 6 профиля пера 2 лопатки. Хвостовик 1 лопатки имеет подошву 9 с продольной осью, расположенной в условной плоскости, параллельной оси 10 ротора, с отклонением от последней в проекции на указанную плоскость на угол αк=(12÷20)°, соответствующий углу установки профиля пера к оси ротора в корневом сечении. В качестве оси пера 2 лопатки принята продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля. В качестве оси 10 ротора принята ось вращения ротора.

Лопатка выполнена с переменным по высоте пера 2 углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии 8 решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси 10 ротора с градиентом Gу.п, имеющим значения в диапазоне

где ук — угол установки профиля пера лопатки, в корневом сечении; уп — то же, в периферийном сечении; Нср — средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки 5 и 6 пера 2 выполнены расходящимися к периферийному торцу 11 лопатки с градиентом Gy.x увеличения соединяющей их хорды 7, равным

где Lп.x — длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси пера лопатки; Lк.х — то же, длина корневой хорды; Нср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки 5 профиля пера 2 к средней хорде Lcp, разделяющей площадь рабочей поверхности профиля на две равные части, составляющем h/Lcp=(2,7÷3,8).

Перо 2 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 3 и корыта 4 относительно хорды 7, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 2 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 2 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера 2 к периферийному торцу 11 с градиентом Gy.т, равным

Читайте также:  Функции группа давления интересов

где Ск — максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; Сп — то же, периферийного сечения; Hср — средняя высота пера лопатки.

Лопатка снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой 12, расположенной в зоне одной трети высоты пера 2 от периферийного торца 11 пера 2 лопатки. Хвостовик 1 лопатки снабжен канавкой 13 для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом, заводимым в канавку 13 хвостовика, и ответными ей канавками, выполненными в ободе диска между пазами. Групповую фиксацию всех лопаток рабочего колеса производят одним контровочным кольцом.

Перо 2 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. — направлению полета), и выпуклой спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариантно перо 2 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3 профиля, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.), и выпуклой спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец 11 пера 2 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне первой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Лопатку рабочего колеса первой ступени ротора КНД 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 хвостовика 1 и антивибрационной полки 12. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 4 пера 2 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 3 пера 2 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 1.

Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 2 и антивибрационной полки 12 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 14 антивибрационной полки 12 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 2 с хвостовиком 1 и антивибрационной полкой 12, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса первой ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера 2 лопатки имеет следующие геометрические параметры:

— в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmах=5,9 мм; длина хорды пера — 67,4 мм; угол γк установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца составляет 73,7°; угол αк установки профиля пера 2 к оси вращения ротора составляет 16°;

— в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля Сmах=2,2 мм; длина хорды пера принята 92 мм; угол γп установки профиля пера составляет 23°;

— средняя высота Нср профиля пера составляет 258 мм.

Антивибрационная полка 12 лопатки выполнена с толщиной стенки 5 мм и размещена на среднем радиусе от оси ротора 405 мм, с контактными поверхностями, выполненными под углом 25° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.

Лопатка выполнена для фиксации на диске рабочего колеса вала ротора путем установки хвостовика 1 в пазу обода диска.

При работе компрессора каждая лопатка рабочего колеса первой ступени ротора КДД взаимодействует с рабочим телом, передавая последнему кинетическую и потенциальную энергию. В результате возникает направленный к выходу из лопаточного венца рабочего колеса поток сжимаемого рабочего тела, который поступает из межлопаточных каналов лопаточного венца рабочего колеса ротора на лопатки и в межлопаточные каналы направляющего аппарата статора первой ступени. После выравнивания в направляющем аппарате поток поступает в последующие ступени КНД.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции лопатки рабочего колеса первой ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 2 под углом у между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γк=(69,7÷77,7)°, в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации и градиентов их изменения по высоте пера лопатки. При назначении угла γк в корневом сечении лопатки, принятом из найденного в изобретении интервала значений γк с учетом углов установки профиля пера последующих ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, ГДУ компрессора и ресурса лопатки. При уменьшении угла γк 77,7° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 3 пера 2 лопатки и снижается КПД, а также неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в изобретении границ диапазонов градиентов Gу.п=(157,1÷225,9) [град/м] по высоте Нср пера 2 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента Gу.п 225,9 [град/М], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка 15 пера 2 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы первой ступени ротора с последующими ступенями КНД.

Градиент Gy.x увеличения хорды 7 пера 2 лопатки по средней высоте Нср пера 1 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной кромок 5 и 6 пера 2 от втулки до периферийного торца 11. Парусность пера по высоте лопатки спрофилирована по градиенту Gy.x углового расширения хорды 7 пера 2 с заявленным диапазоном Gy.x=(9,3÷13,3)·10 -2 [м/м], что обеспечивает получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 2 к средней высоте Нср пера (Gу.х -2 ) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками 15 пера 2 лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенное снижение КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 4 пера 2 лопатки. Увеличение (Gy.x>13,3÷10 -2 ) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 2 лопатки и к снижению КПД компрессора.

Технический результат повышения ресурса лопатки в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 2 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента Gу.т=(1,3÷2,1)·10 -2 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 2 лопатки. При значениях градиента Gу.т -2 [м/м] возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части пера лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя. При значениях градиента Gy.т>2,1·10 -2 [м/м] требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 2 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров лопатки рабочего колеса первой ступени достигают повышения КПД и расширения диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.

Источник

Adblock
detector