RU2235922C2 - Gas-turbine engine compressor - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas-turbine engines.

SUBSTANCE: invention relates to compressors of gas-turbine engines of aircraft and ground application. According to invention, in compressor of gas-turbine engine whose rotor includes splined shaft and fitted-on disks tightened on hubs by nuts, part of disks is provided with one row of splines made for hubs of adjacent disks, spline of at least one disk of first stage with one row of splines is made form side of compressor outlet and D/L-2-8; L/l=3-12 where D is inner diameter of disk hub; L is distance from splines to disk plate; 1 is axial length of disk spline in middle diameter.

EFFECT: improved reliability and reduced weight of compressor owing to increase of radial rigidity and reduction of rotor weight by decreasing distance between compressor support and optimization of arrangement of rotor disk splines in non-loaded zone.

3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.The invention relates to compressors for gas turbine engines of aviation and ground applications.

Известен компрессор газотурбинного двигателя, ротор которого состоит из шлицевого вала и дисков, установленных на шлицевом валу и стянутых по ступицам гайками /1/.A known compressor of a gas turbine engine, the rotor of which consists of a spline shaft and disks mounted on a spline shaft and tightened by hubs with nuts / 1 /.

Недостатком такой конструкции является низкая надежность из-за возможности образования трещин по шлицам, расположенным на ступицах дисков, так как шлицы являются концентраторами напряжений.The disadvantage of this design is the low reliability due to the possibility of cracking along the slots located on the hubs of the disks, since the slots are stress concentrators.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция компрессора газотурбинного двигателя, в роторе которого установлены диски со шлицами на ступицах, стянутые гайками по ступицам, причем по меньшей мере один из дисков выполнен с двумя рядами шлиц. Остальные диски выполнены с одним рядом шлиц, а у дисков с ограниченной шириной ступицы выполнены под ступицы соседних с ними дисков /2/.Closest to the claimed is the design of the compressor of a gas turbine engine, in the rotor of which there are disks with splines on the hubs, tightened by nuts on the hubs, and at least one of the disks is made with two rows of splines. The remaining disks are made with one row of slots, and for disks with a limited width, the hubs are made under the hubs of the disks adjacent to them / 2 /.

Недостатком такой конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность и повышенный вес компрессора из-за увеличенного расстояния между опорами компрессора, неоптимального расстояния между шлицами и полотнами дисков, а также из-за неоптимальной длины шлиц.The disadvantage of this design, adopted as a prototype, is the low reliability and increased weight of the compressor due to the increased distance between the compressor supports, the non-optimal distance between the slots and the blade webs, and also because of the non-optimal length of the slots.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности и уменьшения веса компрессора за счет увеличения радиальной жесткости и снижения веса ротора путем сокращения расстояния между опорами компрессора и оптимизации размещения шлиц дисков ротора в ненагруженной зоне.The technical problem that the invention solves is to increase the reliability and reduce the weight of the compressor by increasing the radial stiffness and reducing the weight of the rotor by reducing the distance between the compressor supports and optimizing the placement of the spline of the rotor disks in the unloaded zone.

Сущность изобретения заключается в том, что в компрессоре газотурбинного двигателя, ротор которого включает шлицевой вал и установленные на нем диски, стянутые по ступицам гайками, часть дисков выполнена с одним рядом шлиц, которые выполнены под ступицы соседних с ними дисков, согласно изобретению шлица по меньшей мере одного диска первой ступени с одним рядом шлиц выполнена со стороны выхода из компрессора, при этом D/L=2-8; L/1=3-12, гдеThe essence of the invention lies in the fact that in the compressor of a gas turbine engine, the rotor of which includes a spline shaft and disks installed on it, tightened by hubs with nuts, part of the disks is made with one row of slots, which are made under the hubs of adjacent disks, according to the invention of a slot of at least at least one disk of the first stage with one row of slots is made on the outlet side of the compressor, with D / L = 2-8; L / 1 = 3-12, where

D - внутренний диаметр ступицы диска;D is the inner diameter of the hub of the disk;

L - расстояние от шлиц до полотна диска;L is the distance from the slot to the blade web;

1 - осевая длина шлиц диска по среднему диаметру.1 - axial length of the disc spline in the average diameter.

Поскольку шлицы являются концентраторами напряжений, для повышения ресурса и исключения поломки дисков компрессора возникает необходимость выноса шлиц в ненагруженную зону по отношению к полотну диска.Since the slots are stress concentrators, in order to increase the resource and eliminate damage to the compressor disks, it becomes necessary to remove the slots in an unloaded zone with respect to the disk web.

В связи с этим для уменьшения расстояния между подшипниками компрессора диски первых ступеней выполняются с одним рядом шлиц с задней стороны по потоку воздуха в проточной части компрессора, т.е. со стороны выхода из компрессора, а диски последних ступеней - одним рядом шлиц с передней стороны по потоку воздуха в проточной части компрессора, т.е. со стороны входа в компрессор.In this regard, to reduce the distance between the compressor bearings, the disks of the first stages are made with one row of slots from the rear side along the air flow in the compressor flow path, i.e. on the outlet side of the compressor, and the disks of the last stages - one row of slots on the front side along the air flow in the compressor flow path, i.e. from the compressor inlet side.

При этом расстояние между гайками, стягивающими диски компрессора по ступицам, выполняют минимальным, что позволяет уменьшить расстояние между подшипниками ротора, тем самым увеличивая радиальную жесткость ротора, снизить вес ротора и повысить его надежность.At the same time, the distance between the nuts tightening the compressor disks along the hubs is kept to a minimum, which reduces the distance between the rotor bearings, thereby increasing the radial stiffness of the rotor, reducing the weight of the rotor and increasing its reliability.

При этом величина расстояния от шлиц до полотна диска L (вынос шлиц) зависит от размерности компрессора, т.е. от величины внутреннего диаметра D ступиц его дисков. Соотношение D/L необходимо поддерживать в интервале 2-8.In this case, the distance from the slot to the blade web L (removal of the slot) depends on the dimension of the compressor, i.e. from the value of the inner diameter D of the hubs of its disks. The ratio of D / L must be maintained in the range of 2-8.

При D/L<2 излишне увеличивается вес ротора компрессора, что снижает его критические обороты. При D/L>8 снижается надежность дисков компрессора из-за попадания шлиц в нагруженную зону диска.When D / L <2, the compressor rotor weight unnecessarily increases, which reduces its critical speed. At D / L> 8, the reliability of the compressor disks decreases due to the splines getting into the loaded zone of the disk.

Осевую длину шлиц 1 назначают из условий обеспечения необходимых запасов прочности при передаче крутящего момента с вала на диск компрессора, а также из условий обеспечения работоспособности шлицевых соединений вал-диск в условиях повышенных вибраций ротора компрессора, т.е. из условия отсутствия наклепов и износа шлиц по ресурсу.The axial length of the slot 1 is assigned from the conditions for ensuring the necessary safety margins when transmitting torque from the shaft to the compressor disk, as well as from the conditions for ensuring the operability of splined shaft-disk joints in conditions of increased vibration of the compressor rotor, i.e. from the condition of absence of hardening and wear of the slot on the resource.

При L/1<3 излишне увеличивается длина шлиц дисков, что приводит к увеличению веса ротора компрессора.When L / 1 <3, the length of the disc slots unnecessarily increases, which leads to an increase in the weight of the compressor rotor.

При L/1>12 возможен износ шлицевых соединений из-за повышенных контактных напряжений.For L / 1> 12, splined joints may wear due to increased contact stresses.

На фиг.1 представлен продольный разрез компрессора газотурбинного двигателя, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.Figure 1 shows a longitudinal section of the compressor of a gas turbine engine, figure 2 - element I in figure 1 in an enlarged view, figure 3 shows element II in figure 1 in an enlarged view.

Компрессор 1 газотурбинного двигателя состоит из статора 2 и ротора 3, на шлицевом валу 4 которого шлицами 5 установлены диски 6 с рабочими лопатками 7, расположенными в проточной части 8. Воздух в проточной части 8 движется от входа 9 к выходу 10 компрессора 1. Диски первых ступеней 11 по течению воздуха выполнены со шлицами 5 со стороны выхода из компрессора. Диски последних ступеней 12 по течению воздуха выполнены со шлицами 5 со стороны входа в компрессор и по ступицам 13 стянуты между собой передней 14 и задней 15 гайками.The compressor 1 of the gas turbine engine consists of a stator 2 and a rotor 3, on the spline shaft 4 of which slots 5 are installed disks 6 with rotor blades 7 located in the flow part 8. The air in the flow part 8 moves from the input 9 to the output 10 of the compressor 1. The disks of the first steps 11 for the flow of air are made with slots 5 on the outlet side of the compressor. The disks of the last stages 12 along the air flow are made with slots 5 from the compressor inlet side and along the hubs 13 are pulled together by the front 14 and rear 15 nuts.

В статоре 2 ротор установлен с помощью переднего радиального подшипника 16 и заднего радиального подшипника 17, примыкающих через лабиринтные уплотнения 18 и 19 к гайкам 14 и 15.In the stator 2, the rotor is installed using the front radial bearing 16 and the rear radial bearing 17 adjacent through the labyrinth seals 18 and 19 to the nuts 14 and 15.

Шлицы 5 осевой длины 1 по среднему диаметру 20 выполнены на выносных элементах 21 ступиц 13 на расстоянии L от полотна 22 дисков 11, 12.Slots 5 of axial length 1 along the average diameter 20 are made on remote elements 21 of the hub 13 at a distance L from the web 22 of the disks 11, 12.

Данное устройство работает следующим образом.This device operates as follows.

При работе двигателя на ротор 3 компрессора 1 действуют неуравновешенные центробежные силы, вызывающие радиальный прогиб ротора 3, в результате чего увеличиваются радиальные зазоры между статором и ротором и снижается надежность компрессора из-за возможности задевания ротора о статор.When the engine is running, unbalanced centrifugal forces act on the rotor 3 of the compressor 1, causing a radial deflection of the rotor 3, as a result of which the radial clearances between the stator and the rotor increase and the reliability of the compressor is reduced due to the possibility of hitting the rotor against the stator.

Расположение шлиц 5 на выносных элементах 21 у дисков первых ступеней со стороны выхода из компрессора, а у дисков последних ступеней со стороны входа в компрессор уменьшает расстояние между передней 14 и задней 15 гайками, стягивающими диски, и соответственно между подшипниками 16 и 17, что повышает радиальную жесткость ротора и способствует уменьшению радиальных зазоров между статором 2 и ротором 3. Снижение веса ротора 3 компрессора 1 из-за оптимального выбора расстояния от шлиц до полотна диска L и осевой длины 1 шлиц также способствует уменьшению радиального прогиба ротора и повышению надежности компрессора.The location of the slot 5 on the remote elements 21 at the first stage disks on the compressor outlet side, and at the last stage disks on the compressor inlet side, reduces the distance between the front 14 and rear 15 nuts tightening the disks and, respectively, between the bearings 16 and 17, which increases the radial stiffness of the rotor and helps to reduce the radial gaps between the stator 2 and the rotor 3. The decrease in the weight of the rotor 3 of the compressor 1 due to the optimal choice of the distance from the spline to the blade web L and the axial length 1 of the spline also helps to reduce the radial deflection of the rotor and increase the reliability of the compressor.

Так как шлицы 5 расположены на оптимальном расстоянии от полотна диска, они работают вне зоны повышенных напряжений ступицы 13, что способствует существенному увеличению ресурса дисков 11, 12.Since the slots 5 are located at an optimal distance from the blade web, they work outside the zone of increased stresses of the hub 13, which contributes to a significant increase in the resource of the disks 11, 12.

На газотурбинных установках ГТУ-12П ресурс таких дисков достигает 30000 часов без ремонта.On gas turbine units GTU-12P, the resource of such disks reaches 30,000 hours without repair.

Источники информацииSources of information

1. Вьюнов С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1981, с. 89, рис.3.27.1. Vyunov S.A. Design and engineering of aircraft gas turbine engines. - M.: Mechanical Engineering, 1981, p. 89, fig. 3.27.

2. Патент РФ №2106538, МКИ F 04 D 29/32, 1998.2. RF patent No. 2106538, MKI F 04 D 29/32, 1998.

Claims (1)

Компрессор газотурбинного двигателя, ротор которого включает шлицевой вал и установленные на нем диски, стянутые по ступицам гайками, часть дисков выполнена с одним рядом шлиц, которые выполнены под ступицы соседних с ними дисков, отличающийся тем, что шлица по меньшей мере одного диска первой ступени с одним рядом шлиц выполнена со стороны выхода из компрессора, при этом D/L=2-8; L/1=3-12, где D - внутренний диаметр ступицы диска; L - расстояние от шлиц до полотна диска; 1 - осевая длина шлиц диска по среднему диаметру.A compressor of a gas turbine engine, the rotor of which includes a spline shaft and disks installed on it, tightened by hubs with nuts, part of the disks is made with one row of slots, which are made under the hubs of adjacent disks, characterized in that the slot of at least one disk of the first stage one row of slots is made on the outlet side of the compressor, with D / L = 2-8; L / 1 = 3-12, where D is the inner diameter of the disk hub; L is the distance from the slot to the blade web; 1 - axial length of the disc spline in the average diameter.

Images