СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА КОМПРЕССОРА ИЛИ ВЕНТИЛЯТОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MAKING COMPRESSOR OR FAN IMPELLER FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области турбостроения, точнее к способам изготовления рабочих колес из композиционного материала для компрессора или вентилятора двигателя, преимущественно авиационного.
Известно рабочее колесо (RU №2382910, кл. F04D 29/26, опубл. 27.02.2010 г.), конструкция которого содержит отдельные сектора из слоистого композиционного материала на полимерной основе, объединенные в рабочее колесо по меньшей мере четырьмя несущими силовыми кольцами из композиционного материала, причем каждый сектор включает одну рабочую лопатку, хвостовая часть которой выполнена в виде ножки хвостовика с криволинейной геометрией, определяемой полками, разделенными пазами, размещенными по высоте ножки, под соответствующие силовые кольца, размещенные в этих пазах. По данному изобретению достигается получение монолитного колеса, однако массивная ступица увеличивает относительную массу колеса, сложная технология изготовления хвостовика лопатки, и при этом перерезаются волокна композиционного материала, что снижает прочность колеса,
Известен способ получения рабочего колеса компрессора (патент RU №2502601, B29D 15/00, опубл. 27.12.2013 г.) из композиционных материалов. Способ включает ряд операций в определенной последовательности. Производят раскрой слоев композиционного материала для получения заготовок, из которых формируют передний и задний фланцы и часть опорного кольца с аэродинамическим профилем. Также производят раскрой слоев композиционного материала для лопаток, который осуществляют с обеспечением выхода за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения на длину, превышающую длину дуги опорного кольца между соседними лопатками, части материала, предназначенного для формирования части опорного кольца. Прессуют лопатки с получением со стороны корневого сечения наметки опорного кольца. В пресс-форму укладывают заготовки, предназначенные для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца. При этом часть этих заготовок располагают в полости сепаратора пресс-формы. Затем в прорези сепаратора укладывают лопатки, для обеспечения номинального расположения лопаток на опорном кольце. Производят пропитку и укладку слоев материала, выходящего за контур лопаток, с обеспечением предварительного формирования опорного кольца. В пресс-форму устанавливают эластичный пуансон, обеспечивающий формирование внутренних поверхностей опорного кольца, переднего и заднего фланцев. На пуансон укладывают слои материала для заднего фланца. Затем производят установку нажимного пуансона пресс-формы, который скрепляют с сепаратором. Путем подачи давления на эластичный пуансон осуществляют прессование и образование монолитного рабочего колеса компрессора. Полученное рабочее колесо имеет облегченную конструкцию и повышенные прочностные характеристики.
Однако у данного рабочего колеса задний фланец менее прочный, чем передний фланец. Это объясняется тем, что передний и задний фланцы формируются из единой заготовки композиционного материала, при этом передний фланец получают из кольцевой части, а задний фланец - из отдельных секторов, равных количеству лопаток в рабочем колесе. После укладки секторов композиционного материала на эластичный пуансон и прессования до готового изделия фланцы получаются, как указано выше, с различными прочностными характеристиками, что крайне нежелательно для рабочих колес авиационного двигателя.
Задачей, решаемой данным изобретением, является обеспечение равной прочности переднего и заднего фланцев.
Поставленная задача решается тем, что при сборке пресс-формы между слоями секторов, формирующих задний фланец, укладывают кольцевые заготовки из композиционного материала. Количество кольцевых заготовок определяется расчетом на прочность заднего фланца.
Настоящее изобретение поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - общий вид рабочего колеса,
фиг. 2 - раскрой слоя композиционного материала лопатки,
фиг. 3 - раскрой слоя композиционного материала для формирования опорного кольца, переднего и заднего фланцев,
фиг. 4 - кольцевая заготовка из композиционного материала,
фиг. 5 - схема прессования лопатки,
фиг. 6 - лопатка после прессования,
фиг. 7 - пресс-форма после укладки в лопатки композиционного материала для оформления фланцев и опорного кольца,
фиг. 8 - сечение А-А пресс-формы,
фиг. 9 - пресс-форма, готовая к прессованию,
фиг. 10 - сечение Б-Б заднего фланца.
Рабочее колесо (фиг. 1) включает рабочие лопатки 1 (аэродинамический профиль лопатки условно не показан), опорное кольцо 2, передний фланец 3 и задний фланец 4. Опорное кольцо 2 формируется из композиционного материала 5, выходящего за контур лопатки 1 при раскрое (фиг. 2) материала 6, который оформляется из заготовки (фиг. 3) и который формирует аэродинамический профиль опорного кольца. Из этой же заготовки формируются передний 3 и задний 4 фланцы (фиг. 1 и фиг. 3).
В данной конструкции учитывается, что композиционные материалы имеют наибольшую прочность при растяжении вдоль волокон, а наиболее нагруженным из-за действия центробежных сил является место крепления лопаток к опорному кольцу, поэтому волокна в части 5 под действием указанных сил будут расслаиваться, чтобы исключить этот недостаток опорное кольцо усиливают фланцами, которые объединены частью 6 опорного кольца и выполнены из раскроенного единого материала. Таким образом, передний 3, задний 4 фланцы и часть опорного кольца 6 образуют силовой элемент рабочего колеса, в котором волокна работают на растяжение, т.к. фланцы являются крепежным элементом, через который передаются силы, возникающие при вращении колеса. Швеллерообразное сечение силового элемента (фланцы 3, 4 и часть опорного кольца 6) обеспечивают высокую удельную прочность всей конструкции рабочего колеса. В данной конструкции задний фланец уступает по прочности переднему фланцу, это связано с тем, что передний фланец формируется из кольцевой части 3 (фиг. 3), а задний фланец - из отдельных секторов 4 (фиг. 3). Чтобы указанный недостаток устранить, необходимо усовершенствовать способ изготовления рабочего колеса.
Способ изготовления рабочего колеса компрессора заключается в раскрое различных размеров слоев материала (фиг. 2) лопаток 1, при этом слои раскраиваются с учетом того, что материал 5 предназначен для формирования части 5 опорного кольца 2 (фиг. 1). Также производят раскрой слоев материала (фиг. 3) для оформления переднего 3, заднего 4 фланцев и части опорного кольца 6 (фиг. 1). Для увеличения прочности заднего фланца готовят кольцевые заготовки 7 (фиг. 4). Количество слоев и их размеры (фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) рассчитываются для каждого конкретного колеса с учетом конфигурации лопатки, опорного кольца, фланцев и необходимой прочности. Далее каждый слой, который формирует перо лопатки (фиг. 2), пропитывают связующим в зонах 1 и 8 (фиг. 2). Зона 8 раскроя предназначена для формирования части опорного кольца 8 (фиг. 6) длиной 1…20 мм, которая фиксирует лопатку в сепараторе 11 (фиг. 7, фиг. 8) в радиальном направлении. Затем слои выкладывают в матрице 9 (фиг. 5) пресс-формы, устанавливают пуансон 10 и производят прессование в соответствии с технологическим режимом для применяемого композиционного материала. После разборки пресс-формы получается лопатка 1 (фиг. 5), на ее корневом сечении образована наметка 8 для части 5 опорного кольца 2 (фиг. 1), часть материала 5 (фиг. 2, фиг. 5, фиг. 6) остается в исходном состоянии, из которого в дальнейшем сформируется часть 5 опорного кольца 2 (фиг. 1). Далее пропитывают раскрой слоев (фиг. 3) и выкладывают их в пресс-форме, при этом кольцевая часть 3 (фиг. 3) укладывается в сепаратор 11 (фиг. 7) в полость 12, где оформляется передний фланец 3 (фиг. 1 и фиг. 7), а часть 6 раскроя укладывают в полость 13 сепаратора 11 (фиг. 3, фиг. 7 и фиг. 8), в которой оформляется часть 6 опорного кольца 2 с необходимым аэродинамическим профилем (фиг. 1), при укладке совмещают прорези 14 с прорезями 15 сепаратора 11 (фиг. 8). Затем в прорези 15 сепаратора 11 вставляют лопатки 1 (фиг. 7 и фиг. 8) до упора наметки 8 в часть 6 раскроя и в полость 13 укладывают материал 5 (фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8), предварительно пропитав связующим. Из материала 5 (фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8) сформируется часть 5 опорного кольца 2 (фиг. 1, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9). Затем в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон 16 (фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9). На него укладывают сектора 4 раскроя (фиг. 3 и фиг. 9), но в каждом слое стык секторов - слабое место с точки зрения прочности. Для создания заднего фланца, равного по прочности переднему фланцу между слоями, состоящими из секторов 4, укладывают кольцевые заготовки 7 (фиг. 4, фиг. 9), количество которых определяется расчетом на прочность фланца. В качестве примера (фиг. 10) представлено увеличенное сечение Б-Б, на котором показано чередование слоев из секторов 4 и кольцевых заготовок 7. Как известно, в композиционном материале армирующий элемент - ткань изготавливается из нитей: основы и уток, поэтому кольцевая заготовка имеет различную прочность при приложении сил под разными углами к основе ткани. Для создания равнопрочного фланца при укладке в пресс-форму кольцевых заготовок, каждую из них поворачивают относительно предыдущей на угол, равный 360:n, где n - количество расчетных кольцевых заготовок, при этом за ориентир берут, например, основу ткани. Далее устанавливают нажимной пуансон 17 (фиг. 9), который обеспечивает форму и размеры заднего фланца, и скрепляют вместе с сепаратором, например, болтами (не показаны). На эластичный пуансон 16 подают давление, например, конусом 18 (фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9), под действием которого эластичный пуансон 16 создает давление на композиционный материал, формующий опорное кольцо, передний и задний фланцы. Прессование проводят по режиму, соответствующему применяемому композиционному материалу для рабочего колеса.
После разборки пресс-формы получают монолитное рабочее колесо (фиг. 1), содержащее рабочие лопатки, опорное кольцо, передний и задний фланцы.
Данным изобретением решается задача создания высоконагруженной конструкции рабочего колеса компрессора или вентилятора из композиционного материала при значительном снижении удельной массы и повышении жесткости и прочности, при этом передний и задний фланцы равнопрочны.