УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к технологии изготовления изделий из композиционных материалов, а именно, оболочек вращения для силовых конструкций, например, раструбов сопловых блоков ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).
При изготовлении изделий из композиционных материалов формируют на оправке пакет пропитанного связующим исходного материала и помещают оправку в устройство, в котором производится нагрев пакета до температуры отверждения, выдержка и последующее охлаждение пакета.
Известно устройство для изготовления изделий из композиционных материалов, содержащее корпус с фланцем и крышку с ответным фланцем, размещенную внутри корпуса полую формообразующую оправку (патент РФ №2252141).
Внутри корпуса устройства размещены основные электронагреватели, а на внешней поверхности формообразующей оправки установлены дополнительные электронагреватели
В этом устройстве за счет двустороннего нагрева композиционного материала (со стороны наружной поверхности и со стороны внутренней поверхности, контактирующей с оправкой) обеспечивается равномерное температурное воздействие на слои композиционного материала, что повышает качество процесса отверждения.
Однако в конструкции устройства не предусмотрено принудительное охлаждение пакета исходного материала, а как показали экспериментальные исследования, качество изготовления изделий из композиционных материалов во многом зависит от процесса охлаждения пакета исходного материала после выдержки при температуре отверждения.
Принудительное охлаждение пакета материала позволяет наиболее полно удалить летучие побочные продукты реакции и уменьшить пористость композиционного материала.
Известно также устройство для изготовления изделий из композиционных материалов, содержащее корпус с фланцем и крышку с ответным фланцем, размещенные внутри корпуса формообразующую оправку и рекуперативный теплообменник (см., например, И.М.Буланов, В.В.Воробей Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.- стр.146-148 - прототип).
Наличие рекуперативного теплообменника позволяет обеспечить после отверждения и выдержки принудительное охлаждение пакета исходного материала со стороны его наружной поверхности.
Однако, как показало практическое применение аналогичного устройства, в пакете материала возможны дефекты в виде расслоений и межслоевого растрескивания, что обусловлено неравномерным охлаждением слоев композиционного материала по толщине пакета.
При одностороннем принудительном охлаждении пакета наружные слои материала охлаждаются более интенсивно, чем внутренние, прилегающие к формообразующей оправке.
Неравномерное снижение температурного воздействия на слои материала в процессе охлаждения не позволяет уменьшить возникающие при отверждении термические напряжения, особенно при большой толщине пакета исходного материала, что не позволяет достичь требуемого качества изготовления.
Низкое качество изделий из КМ недопустимо для деталей газового тракта сопловых блоков РДТТ, работающих в особо теплонапряженных условиях.
Кроме того, в большом объеме корпуса известного устройства при наличии небольшого рекуперативного теплообменника практически невозможно обеспечить при охлаждении равномерное снижение температуры по всей наружной поверхности пакета материала.
Известное устройство имеет большие габариты, сложную конструкцию, для его изготовления требуются значительные затраты.
Технической задачей данного изобретения является обеспечение высокого качества изделий из композиционных материалов за счет их изготовления в специально разработанной компактной конструкции устройства, позволяющей осуществлять двустороннее принудительное охлаждение пакета материала после отверждения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления изделий из композиционных материалов, содержащем корпус с фланцем, крышку с ответным фланцем, скрепленным с центральной частью крышки П-образного сечения, размещенные внутри корпуса полую формообразующую оправку с кольцевым основанием, контактирующим с внутренней поверхностью фланца крышки, и рекуперативный теплообменник, рекуперативный теплообменник выполнен в виде охватывающего формообразующую оправку спирального змеевика, соединенного через отверстия в стенке корпуса устройства с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, а на периферийной части наружной поверхности фланца крышки установлена кольцевая обечайка, образующая совместно с боковой наружной поверхностью центральной части крышки прикрытую сверху кожухом кольцевую полость, в которой установлен охватывающий центральную часть крышки кольцевой трубопровод, соединенный через отверстия в стенке кольцевой обечайки со штуцерами для подачи и отвода охлаждающей жидкости.
Выполнение теплообменника в виде охватывающего формообразующую оправку полого спирального змеевика, соединенного с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, позволяет максимально возможно увеличить площадь поверхности теплоотдачи от нагретого рабочего тела (глицерина) к охлаждающей жидкости и тем самым увеличить интенсивность охлаждения пакета композиционного материала со стороны его наружной поверхности после отверждения.
Установка на периферийной части наружной поверхности фланца крышки кольцевой обечайки с образованием совместно с боковой наружной поверхностью центральной части крышки П-образного сечения прикрытой сверху кожухом кольцевой полости, и установка в ней охватывающего центральную часть крышки кольцевого трубопровода, соединенного через отверстия в стенке кольцевой обечайки со штуцерами для подачи и отвода охлаждающей жидкости, позволяет обеспечить эффективное охлаждение фланца крышки устройства после отверждения.
При этом размещение внутри корпуса устройства полой формообразующей оправки с обеспечением контакта ее кольцевого основания с внутренней поверхностью фланца крышки, позволяет осуществлять отвод тепла от формообразующей оправки к охлаждаемому фланцу крышки и, тем самым обеспечить принудительное охлаждение пакета исходного материала со стороны его внутренней поверхности после отверждения.
При изготовлении изделий в предлагаемом устройстве, за счет создания оптимальных условий охлаждения пакета композиционного материала после отверждения, обеспечивается монолитизация материала и получение изделий с улучшенными физико-механическими свойствами.
На фиг.1 показана конструктивная схема устройства.
На фиг.2 показан вид на кольцевой трубопровод (при снятом кожухе).
На фиг.3 показан корпус устройства с размещенным в нем рекуперативным теплообменником.
Устройство для изготовления изделий из композиционных материалов содержит стальной корпус 1 с фланцем 2 и крышку 3 со стальным фланцем 4.
Внутри корпуса 1 размещены полая металлическая формообразующая оправка 5 с кольцевым основанием 6 и эластичная диафрагма 7. Эластичная диафрагма 7 выполнена в виде резиновой оболочки вращения, охватывающей формообразующую оправку 5.
Конструктивно фланец 4 крышки 3 выполнен таким образом, что он перекрывает по ширине основание 6 формообразующей оправки 5, обеспечивая плотный контакт соприкасающихся поверхностей.
Внутри корпуса 1 размещен рекуперативный теплообменник 8, выполненный в виде охватывающего формообразующую оправку 5 и эластичную диафрагму 7 спирального змеевика, соединенного с патрубками 9 и 10 для подачи и отвода охлаждающей жидкости.
На периферийной части наружной поверхности фланца 3 крышки 4 герметично установлена кольцевая обечайка 11, внутренняя поверхность которой образует совместно с боковой наружной поверхностью выпуклой центральной части (П-образного сечения) крышки 4 кольцевую полость 12.
В кольцевой полости 12 установлен охватывающий центральную часть крышки 4 кольцевой трубопровод 13, соединенный через отверстия в стенке кольцевой обечайки 11 со штуцерами 14 и 15 для подачи и отвода охлаждающей жидкости.
Кольцевая полость 12 прикрыта сверху кожухом 16, фланец 2 корпуса 1 и фланец 4 крышки 3 скреплены между собой при помощи бандажного кольца 17
При подготовке устройства к работе герметично устанавливают эластичную диафрагму 7 в посадочное место корпуса 1 и закрепляют.
Устанавливают формообразующую оправку 5 с композиционным материалом (на фиг. не показан) в посадочное место корпуса 1, при этом эластичная диафрагма 7 будет охватывать формообразующую оправку 5.
Устанавливают крышку 3 устройства и скрепляют фланцы 2 и 4 при помощи бандажного кольца 17.
Закачивают в корпус 1 рабочую жидкость (глицерин) через штуцер 18 и включают основные электронагреватели, установленные на наружной поверхности стенки корпуса 1 и дополнительные электронагреватели, установленные на наружной поверхности фланца 4 крышки 3 (на фиг. не показаны).
При нагреве стенок корпуса 1 нагревается рабочая жидкость и температура передается через эластичную диафрагму 7 наружным слоям пакета композиционного материала.
При нагреве фланца 4 крышки 3 нагревается контактирующая с ним основанием формообразующая оправка 5 и температура передается внутренним слоям пакета композиционного материала.
После достижения температуры отверждения (150-165°С) пакет композиционного материала выдерживают при этой температуре в течение требуемого времени.
По окончании выдержки производят охлаждение пакета композиционного материала, при этом для его охлаждения со стороны эластичной диафрагмы 7 подают охлаждающую жидкость (воду) в рекуперативный теплообменник 8, а для охлаждения со стороны формообразующей оправки 5 подают охлаждающую жидкость (воду) в кольцевой трубопровод 13, при этом непрерывно подводят холодную жидкость и отводят нагретую при теплообмене через соответствующие патрубки и штуцера.
Двустороннее принудительное охлаждение пакета композиционного материала позволяет обеспечить равномерное снижение температурного воздействия на его слои в процессе охлаждения, что повышает качество изготовления изделий из композиционных материалов.
Применение полезной модели позволило изготовить ряд особо ответственных изделий из композиционных материалов - высококачественных крупногабаритных деталей сопловых блоков ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).