RU2661452C2

RU2661452C2 - Turbine or compressor high loaded disc

Info

Publication number: RU2661452C2
Application number: RU2016152401A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Иноземцев; Владимир Константинович Сычев; Игорь Леонардович Андрейченко; Ирина Викторовна Карпман; Генрих Саркисович Гарибов
Original assignee: Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель"
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-07-17
Also published as: RU2016152401A3; RU2016152401A

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to the used in aircraft and ground gas turbine engines turbines or compressors high loaded discs. Turbine or compressor high-loaded disc contains hub with closed cavity. Closed cavity in the hub is unfilled and is made toroidal, with the torus envelope in the form of closed flat curve, ellipse, with large and small axes. Ellipse large axis is located in the disk radial direction, and the ellipse large and small axes dimensions ratio is 1.3…1.6.

EFFECT: invention allows to reduce the turbine or compressor high-loaded disk tension and increase the cyclic durability.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к высоконагруженным дискам турбин или компрессоров, применяемых в авиационных и наземных газотурбинных двигателях.The invention relates to highly loaded discs of turbines or compressors used in aircraft and ground gas turbine engines.

Известен диск турбины или компрессора, выполненный с замкнутой полостью, принятый за прототип (Патент ЕР №1739282, МПК C22C 47/14, опубл. 03.01.2007).A known turbine or compressor disk, made with a closed cavity, adopted as a prototype (Patent EP No. 1739282, IPC C22C 47/14, publ. 03.01.2007).

Недостатком известной конструкции ЕР 1739282 является необходимость заполнения полости, расположенной в ступице, композитными кольцами. При этом прочность диска возрастает за счет переноса части нагрузки на композитные кольца, однако различие коэффициентов теплового расширения разных материалов может вызвать дополнительные тепловые напряжения в конструкции.A disadvantage of the known construction of EP 1739282 is the need to fill the cavity located in the hub with composite rings. Moreover, the strength of the disk increases due to the transfer of part of the load to the composite rings, however, the difference in the thermal expansion coefficients of different materials can cause additional thermal stresses in the structure.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение циклической долговечности высоконагруженного диска турбины или компрессора путем снижения напряженности ступицы диска.The technical task of the invention is to increase the cyclic durability of a highly loaded disk of a turbine or compressor by reducing the tension of the hub of the disk.

Техническая задача решается за счет того, что высоконагруженный диск турбины или компрессора, содержащий ступицу с замкнутой полостью, причем замкнутая полость в ступице является незаполненной и выполнена тороидальной, с образующей тора в форме замкнутой плоской кривой -эллипса с большой и малой осями, согласно изобретению, большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, а соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6.The technical problem is solved due to the fact that a highly loaded turbine or compressor disk containing a hub with a closed cavity, and the closed cavity in the hub is unfilled and made toroidal, with a torus forming in the form of a closed planar ellipse curve with the major and minor axes, according to the invention, the major axis of the ellipse is located in the radial direction of the disk, and the ratio of the dimensions of the major and minor axes of the ellipse is 1.3 ... 1.6.

В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6, что обеспечивает снижение напряженности в ступице диска.In the present invention, in contrast to the prototype, the major axis of the ellipse is located in the radial direction of the disk, the ratio of the sizes of the major and minor axes of the ellipse is 1.3 ... 1.6, which reduces tension in the hub of the disk.

Эффективность перераспределения нагрузки и снижения напряженности диска достигается за счет подбора положения полости, ее размеров и формы: за счет выбора положения и размера полости снижается напряженность на цилиндрической поверхности ступицы, а за счет выбора формы полости снижается концентрация напряжений на границах самой полости.The efficiency of load redistribution and reduction of disk tension is achieved by selecting the position of the cavity, its size and shape: by choosing the position and size of the cavity, the tension on the cylindrical surface of the hub decreases, and by choosing the shape of the cavity, the stress concentration at the borders of the cavity itself decreases.

На фиг. 1 показано меридиональное сечение традиционного диска 1 турбины или компрессора с цельной ступицей 2.In FIG. 1 shows a meridional section of a conventional turbine disk or compressor 1 with a solid hub 2.

На фиг. 2, 3 показано меридиональное сечение диска 1 турбины или компрессора, в ступице 2 которого размещена замкнутая полость 3 в форме эллипса в поперечном сечении.In FIG. 2, 3, the meridional section of the disk 1 of the turbine or compressor is shown, in the hub 2 of which there is a closed cavity 3 in the form of an ellipse in cross section.

На фиг. 1-3 показаны геометрические параметры диска и полости:In FIG. 1-3 shows the geometric parameters of the disk and cavity:

R - наружный радиус диска;R is the outer radius of the disk;

R₁ - радиус центрального отверстия в ступице диска;R ₁ is the radius of the Central hole in the hub of the disk;

Н - осевой размер ступицы диска;H is the axial size of the hub of the disk;

h, h' - центральная, наиболее нагруженная часть ступицы (h'>h);h, h '- the central, most loaded part of the hub (h'> h);

3 - замкнутая полость;3 - a closed cavity;

А - малая ось эллипса в сечении полости;A is the small axis of the ellipse in the section of the cavity;

В - большая ось эллипса в сечении полости;B is the major axis of the ellipse in the section of the cavity;

r₁, r₂ - характеристики формы полости;r ₁ , r ₂ - characteristics of the shape of the cavity;

L - размер, определяющий осевое положение полости;L is the size that determines the axial position of the cavity;

R₂ - размер, определяющий радиальное положение полости.R ₂ is the size that determines the radial position of the cavity.

Высоконагруженный диск 1 турбины или компрессора характеризуется тем, что осевой размер Н ступицы 2 оказывается достаточно большим в сравнении с радиусом диска R. Увеличение размера Н связано с необходимостью обеспечения несущей способности диска в условиях высоких нагрузок. Однако увеличение размера Н приводит к неравномерному нагружению ступицы 2 диска 1: средняя часть h ступицы 2 оказывается более напряженной, чем края ступицы, поскольку именно в эту зону h передается основная нагрузка от полотна и обода диска. Размещение внутри ступицы 2 замкнутой полости 3 (фиг. 2) позволяет разделить передачу усилий от обода и полотна диска 1 на два потока меньшей интенсивности и распределить это усилие на большую зону h' (фиг. 2). В результате нагруженной оказывается большая часть поверхности ступицы 2 (h'>h), но величина напряжений оказывается меньше, что позволяет повысить циклическую долговечность диска.A highly loaded disk 1 of a turbine or compressor is characterized by the fact that the axial size H of the hub 2 is quite large compared to the radius of the disk R. The increase in the size H is associated with the need to ensure the load-bearing capacity of the disk under high loads. However, an increase in the size H leads to uneven loading of the hub 2 of the disk 1: the middle part h of the hub 2 is more intense than the edges of the hub, since it is in this zone h that the main load from the web and the rim of the disk is transferred. The placement inside the hub 2 of the closed cavity 3 (Fig. 2) allows you to divide the transmission of forces from the rim and the blade web 1 into two streams of lower intensity and distribute this force to a large zone h '(Fig. 2). As a result, most of the surface of the hub 2 (h '> h) is loaded, but the stress value is less, which makes it possible to increase the cyclic durability of the disk.

Наряду со снижением напряжений в ступице диска возникает концентрация напряжений вблизи поверхности самой полости. Для того чтобы эффект снижения напряжений в ступице преобладал над эффектом концентрации напряжений на границах полости, необходимо подобрать положение и размеры полости.Along with a decrease in stresses, a stress concentration occurs in the hub of the disk near the surface of the cavity itself. In order for the effect of stress reduction in the hub to prevail over the effect of concentration of stresses at the boundaries of the cavity, it is necessary to select the position and dimensions of the cavity.

В тех случаях, когда размер Н диска достаточно мал, что характерно для малонагруженных дисков, эффект концентрации напряжений на границах полости будет преобладать над снижением напряжений в ступице и введение полости в конструкцию диска не даст повышения его циклической долговечности.In those cases when the size H of the disk is sufficiently small, which is typical for lightly loaded disks, the effect of stress concentration at the cavity boundaries will prevail over the decrease in stresses in the hub and the introduction of a cavity into the disk design will not increase its cyclic durability.

В поперечном сечении полость выполнена в форме эллипса с соотношением большой и малой осей эллипса 1,3…1,6, причем большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска.In the cross section, the cavity is made in the form of an ellipse with a ratio of the major and minor axes of the ellipse 1.3 ... 1.6, and the major axis of the ellipse is located in the radial direction of the disk.

Для высоконагруженного диска, представленного на фиг. 1-2, приведены сравнительные результаты расчета напряжений и циклической долговечности в отсутствие и при наличии полости (таблица 1). В данном случае оптимальное соотношение размеров полости составляет B/A=1,3. При введении полости циклическая долговечность диска увеличилась на 25%.For the heavily loaded disc shown in FIG. 1-2, comparative results of calculating stresses and cyclic durability in the absence and presence of a cavity are given (table 1). In this case, the optimal ratio of the size of the cavity is B / A = 1.3. With the introduction of the cavity, the cyclic durability of the disk increased by 25%.

Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет снизить напряженность и повысить циклическую долговечность высоконагруженного диска турбины или компрессора.Thus, the implementation of the present invention with the above distinctive features in combination with the known features, allows to reduce tension and increase the cyclic durability of a highly loaded turbine or compressor disk.

Claims

Высоконагруженный диск турбины или компрессора, содержащий ступицу с замкнутой полостью, причем замкнутая полость в ступице является незаполненной и выполнена тороидальной, с образующей тора в форме замкнутой плоской кривой - эллипса, с большой и малой осями, отличающийся тем, что большая ось эллипса расположена в радиальном направлении диска, а соотношение размеров большой и малой осей эллипса составляет 1,3…1,6.A highly loaded turbine or compressor disk containing a hub with a closed cavity, the closed cavity in the hub being unfilled and made toroidal, with a torus generatrix in the form of a closed flat curve - an ellipse, with a major and minor axis, characterized in that the major axis of the ellipse is located in the radial the direction of the disk, and the size ratio of the major and minor axes of the ellipse is 1.3 ... 1.6.