СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF IMPELLER MANUFACTURING OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR OUT OF COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области турбинного машиностроения, а именно к конструкциям рабочих колес центробежных компрессоров, в частности газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной, ракетно-космической технике, автомобильном двигателестроении и других отраслях промышленности.
Известно рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления (патент RU №2239100, кл. F04D 29/26, опубл. 30.10.2002 г.). В рабочем колесе центробежного компрессора из композиционного материала, содержащем рабочие лопатки, прикрепленные своими опорными элементами соответственно к радиально расположенным относительно друг друга поддерживающим элементам, рабочие лопатки выполнены продольными, зацело с ножкой, соединяющей перо и опорные элементы лопатки, при этом колесо снабжено профильными проставками, каждая из которых повторяет форму ножки лопатки, выполнена между соседними ножками лопаток и соединена ими. Имеет опорные элементы и хотя бы одну полость облегчения. При этом поддерживающий элемент представляет собой кольцо, а каждый опорный элемент лопаток и проставок выполнен в виде паза, ширина которого не менее ширины кольца. Ножки лопаток и проставок выполнены с усиливающим элементом.
Для изготовления предлагаемого рабочего колеса центробежного компрессора предлагается способ, который позволяет производить полости облегчения, имеющиеся в конструкции колеса, без нарушения целостности структуры материала. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающем раскрой слоев материала лопаток с опорными элементами, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток с опорными элементами и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме с последующим соединением по контактирующим поверхностям поддерживающих элементов и опорных элементов лопаток и прессованием колеса, лопатку с ножкой выкраивают зацело с проставкой из различных по размерам слоев материала, выкладывают в пресс-форме, и устанавливают в проставке закладной элемент, удаляемый после прессования, а после установки и центровки лопаток с опорными элементами проставки и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме их соединяют между собой по контактирующим поверхностям, при этом поддерживающий элемент изготавливают методом намотки протяжных композиционных материалов на оправку с последующим прессованием элемента в пресс-форме.
По данному изобретению достигается получение монолитного колеса, однако в конструкции и способе его получения не решен вопрос надежного крепления композиционной конструкции на валу двигателя.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала является способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора, описанный в патенте RU 2432502, кл. F04D 29/28, опубл. 27.10.2011 г., взятый в качестве прототипа.
Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала включает раскрой слоев материала лопаток, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток в сборочной пресс-форме и прессование колеса. При раскрое слоев материала они выходят за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения лопатки на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, а со стороны периферийного сечения на длину, большую длины дуги покрывного диска между соседними лопатками. Материал пропитывается связующим по контуру лопатки и укладывается в пресс-форму, в которой оформляется аэродинамический профиль лопатки, и на корневом и периферийном сечениях пера формируют часть опорного кольца и покрывного диска длиной от 1 до 200 мм. Затем лопатки укладываются в сепаратор, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме. Далее пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура лопаток, и предварительно формируют в полостях сепаратора опорное кольцо и покрывной диск, после чего сепаратор укладывают в пресс-форму и производят прессование, при этом в матрице формируют наружные поверхности покрывного диска, в пуансоне - наружные поверхности опорного кольца, а в сепараторе формируют внутренние аэродинамические поверхности газового тракта покрывного диска и опорного кольца. После разборки пресс-формы колесо освобождают от сепаратора путем нагрева до температуры выше той, которая принята для оформления композиции с данным типом связующего, но ниже температуры верхнего предела эксплуатации. После расплавления сепаратора колесо зачищают и контролируют. Сепаратор изготавливают из олова, если температура формообразования композиции ниже 231°C, тогда сепаратор с изделием помещают в камеру с температурой ниже +13°C до полного превращения β-олова в α-олово (порошок).
По данному изобретению достигается получение жесткого и прочного колеса из композиционного материала, однако не решен вопрос надежного крепления центробежного колеса на валу двигателя.
Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала с высокими прочностными характеристиками, надежно закрепленного на валу газотурбинного двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что вал газотурбинного двигателя с намотанным композиционным материалом по форме наружной поверхности опорного кольца устанавливают в пресс-форму, в которой собрано рабочее колесо, центрируют, затем вдоль вала опускают пуансон, который уплотняет композиционную массу необходимым давлением, происходит плотный контакт намотанного на вал композиционного материала с материалом, который образует опорное кольцо. В собранном виде пресс-форму вакуумируют, нагревают в соответствии с технологическими требованиями, после полимеризации ее разбирают. Таким образом, образуется монолитная конструкция с прочно посаженным центробежным колесом на вал двигателя.
Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала включает раскрой слоев материала лопаток, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток в сборочной пресс-форме и прессование колеса. При раскрое слоев материала они выходят за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения лопатки на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, а со стороны периферийного сечения на длину, большую длины дуги покрывного диска между соседними лопатками. Материал пропитывается связующим по контуру лопатки и укладывается в пресс-форму, в которой оформляется аэродинамический профиль лопатки, и на корневом и периферийном сечениях пера формируют часть опорного кольца и покрывного диска длиной от 1 до 200 мм. Затем лопатки укладываются в сепаратор, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме, пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура лопаток, и предварительно формируют в полостях сепаратора опорное кольцо и покрывной диск, после чего сепаратор укладывают в пресс-форму, при этом в матрице предварительно формируют наружные поверхности покрывного диска, в сепараторе предварительно формируют внутренние аэродинамические поверхности газового тракта покрывного диска и опорного кольца. Далее устанавливают в пресс-форму вал газотурбинного двигателя, на котором намотан композиционный материал по форме, соответствующей наружной поверхности опорного кольца, уложенного в сепаратор. На композиционный материал опорного кольца и намотанный на вал пуансоном, который движется вдоль вала, создают необходимое давление для его уплотнения. При прохождении полного технологического цикла рабочее колесо и соединительный диск превращаются в монолитную конструкцию, прочно соединенную с валом двигателя.
На фиг.1 показан общий вид рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, посаженного на вал газотурбинного двигателя.
На фиг.2 показан вал двигателя с намотанным на нем композиционным материалом.
На фиг.3 - пресс-форма в собранном состоянии.
Рабочее колесо центробежного компрессора (фиг.1) состоит из рабочих лопаток 1, опорного кольца 2, покрывного диска 3, вала газотурбинного двигателя 4 и соединительного диска 5, связывающего между собой опорное кольцо 2 и вал 4. Рабочее колесо центробежного компрессора, состоящее из рабочих лопаток 1, опорного кольца 2, покрывного диска 3, изготавливают как единое целое по способу, описанному в прототипе, для его крепления на валу 4, на последний, например, методом намотки выполняется соединительный диск 5 (фиг.2). В зоне 6 вала 4 выполняется, например, накаткой рифление для надежного крепления композиционного материала соединительного диска 5 (фиг.2). Поверхность 7 соединительного диска 5 (фиг.2) выполняется соответствующей наружной поверхности 8 опорного кольца (фиг.1). После установки лопаток 1 в пазы сепаратора 9 (фиг.3) и укладки композиционного материала в полости, формирующие опорное кольцо 2 и покрывной диск 3 (фиг.1 и фиг.3), в пресс-форму 10 опускается и центрируется вал двигателя 6 с намотанным на нем соединительным диском 5, при этом продольное движение вала ограничивается, например, дном 12 пресс-формы 10, строго определенным положением относительно рабочего колеса. Для уплотнения композиционной массы соединительного диска 5, опорного кольца 2 и покрывного диска 3 на пуансон 11 (фиг.3) прикладывается сила Р, которая обеспечивает необходимое удельное давление для прочности и монолитности композиционного материала опорного кольца 2 и соединительного диска 5 во время полимеризации последнего. После проведения всех технологических операций и разборки пресс-формы получают рабочее колесо центробежного компрессора, прочно соединенное с валом двигателя.