Рабочее колесо вентилятора с обтекателем и способ изготовления из композиционного материала
FAN IMPELLER WITH FAIRING AND COMPOSITE MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области турбостроения, точнее к конструкции рабочих колес вентилятора и способам их изготовления из композиционного материала для газотурбинного двигателя, преимущественно авиационного.
Устройство для крепления обтекателя к рабочему колесу вентилятора газотурбинного двигателя (патент RU №1044082 опуб. 10.12.2005 г.), содержащее внутренний фланец обтекателя и съемный фланец с кольцевым буртом, закрепленный на рабочем колесе, причем во фланцах выполнены отверстия, в которых установлены с возможностью ограниченного осевого перемещения болты с головками, размещенными в кольцевой полости, образованной внутренним фланцем и кольцевым буртом, снабжено дополнительным фланцем, расположенным на внутренней поверхности обтекателя и имеющим расточку и отверстия, размещенные сосна с отверстиями внутреннего фланца, и в последних установлены втулки, охватывающие болты, а конец кольцевого бурта расположен в расточке. Такую конструкцию практически невозможно применить на вентиляторе из композиционного материала.
Известен входной обтекатель турбомашины для летательного аппарата имеющий ось вращения (патент RU №2529766, опуб. 27.09.2014 г.) и содержащий передний конус, определяющий переднюю концевую часть входного обтекателя. Указанная передняя концевая часть расположена эксцентрично относительно указанной оси вращения входного обтекателя. Указанный передний конус является усеченным поверхностью сечения, определяющей указанную переднюю концевую часть входного обтекателя. Указанный передний конус выполнен наклонным, причем его ось наклонена относительно оси вращения входного обтекателя. Достигается эффективное удаление льда с входного обтекателя для турбомашины за счет центробежных сил. И такой обтекатель трудно закрепить на рабочем колесе вентилятора.
Известно рабочее колесо вентилятора и компрессора и способ его изготоления из композиционного материала для газотурбинного двигателя (патент RU №2617752, опубл. 26.04.2017 г.), включающее лопатки, неразъемно выполненные с опорным кольцом, имеющим аэродинамический профиль, передний и задний фланцы и собранные в монолитный узел, при этом лопатки, входная кромка которых окантована металлической накладкой, хвостовиками неразъемно соединены с передним и задним фланцами и защемлены межлопаточными креплениями, выполненными по форме поверхности, ограниченной хвостовиками лопаток на опорном кольце, переднем и заднем фланцах, и соединены монолитно с последними, а металлическая накладка защемлена хвостовиками, передним фланцем и межлопаточным креплением.
Способ изготовления рабочего колеса вентилятора из композиционного материала для газотурбинного двигателя (патент RU №2617752), включающий раскрой слоев композиционного материала для получения заготовки, предназначенной для переднего и заднего фланцев и части опорного кольца с аэродинамическим профилем, раскрой слоев композиционного материала для лопаток осуществляют с обеспечением выхода материала за пределы контура хвостовика лопатки со стороны, примыкающей к переднему фланцу, по форме поверхности, ограниченной хвостиками на опорном кольце, переднем и заднем фланцах, а со стороны, примыкающей к заднему фланцу, по форме поверхности на заднем фланце между хвостовиками, предназначенного для защемленная хвостовика в качестве межлопаточного крепления, прессование лопаток производят совместно с металлической накладкой на входной кромке, при этом сохраняют материал, выходящий за контур хвостовика, в исходном состоянии, а пропитывают его связующим перед укладкой в сепаратор, укладку в пресс-форму заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца, с расположением части опорного кольца, с расположением части упомянутой заготовки в полости сепаратора пресс-формы, предназначенной для оформления переднего фланца и аэродинамического профиля опорного кольца, последующую укладку лопаток в прорези сепаратора, обеспечивающего номинальное расположение лопаток на опорном кольце, производят предварительное формирование межлопатоного крепления на переднем фланце и опорном кольце, при этом металлическую накладку защемляют хвостовиком лопатки, передним фланцем и межлопаточным креплением, установку в пресс-форму эластичного пуансона, предназначенного для формирования внутренних поверхностей переднего и заднего фланцев и опорного кольца, на который укладывают слои материала межлопаточного крепления и слои материала заднего фланца, установку нажимного пуансона пресс-формы, скрепление его с сепаратором и образование монолитного рабочего колеса, прессование путем подачи давления на эластичный пуансон.
Таким образом, получают рабочее колесо вентилятора высокой жесткости и прочности, с низкой удельной массой, однако на него трудно крепить обтекатель (прототип).
Данным изобретением решается задача создания конструкции рабочего колеса вентилятора с обтекателем из композиционного материала (далее рабочее колесо с обтекателем) повышенной прочности и жесткости при значительном снижении удельной массы и трудоемкости изготовления.
Поставленная цель достигается тем, что на переднем фланце рабочего колеса неразъемно установлен обтекатель через центрирующий фиксатор, а силовое крепление выполнено композиционным материалом, проходящим по аэродинамическому профилю обтекателя, опорного кольца и уложенным на заднем фланце.
Для изготовления предлагаемого рабочего колеса необходима определенная последовательность технологических действий. При раскрои исходного материала выполняют заготовки лопаток, единые заготовки для опорного кольца, переднего и заднего фланцев и заготовки для силового крепления обтекателя к переднему фланцу. Особенность заготовок лопаток заключается в том, что часть материала по форме внутренних поверхностей на опорном кольце, переднем и заднем фланцах, ограниченных хвостовиками лопаток, выходят за контур хвостовика со стороны, примыкающей к переднему фланцу, а со стороны, примыкающей к заднему фланцу, по форме поверхности на заднем фланце между хвостовиками лопаток. Прессуют аэродинамический профиль пера лопатки совместно с металлической накладкой на входной кромке пера, материал, выходящий за пределы контура хвостовика, остается в исходном состоянии. Единые заготовки композиционного материала для силового крепления обтекателя пропитывают связующим, укладывают в гнездо сборочной пресс-формы для обтекателя, при этом часть композиционного материала располагается в полости сепаратора пресс-формы, в которой оформляется аэродинамический профиль опорного кольца. Затем в гнездо устанавливают предварительно изготовленный обтекатель и металлический пуансон, на который дают давление, чтобы откалибровать наружную поверхность по размерам обтекателя, снимают давление и удаляют металлический пуансон. На обтекатель укладывают центрирующий фиксатор, а внутреннюю полость обтекателя заполняют, например, мелкими металлическими шариками или дробью, чтобы исключить деформацию фиксатора в процессе дальнейшей работы. Заготовки композиционного материала для переднего и заднего фланцев и опорного кольца пропитывают связующим, укладывают в пресс-форму, при этом часть композиционного материала располагают в полости сепаратора пресс-формы, в которой уложен материал для силового крепления обтекателя, где оформляют аэродинамический профиль опорного кольца. Затем лопатки вставляют в сепаратор, обеспечивающий их номинальное расположение на опорном кольце, а это в свою очередь выполняет требование конструкторской документации на рабочее колесо. Далее пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура хвостовика лопаток, и предварительно формируют в полости сепаратора в дополнение к имеющемуся там материалу опорного кольца и переднего фланца. После этого в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон, на верхнюю поверхность последнего укладывают композиционный материал, выходящие за пределы контура хвостовика лопатки, на который укладывают композиционный материал из единой заготовки для опорного кольца, переднего и заднего фланцев, а на них материал для силового крепления обтекателя. Устанавливают нажимной пуансон, оформляющий под действием эластичного пуансона, из уложенного на него композиционного материала, задний фланец. Дают давление на эластичный пуансон и производят отверждение по режиму для конкретного композиционного материала, разборку пресс-формы выполняют известными технологическими приемами. Таким образом получают монолитное рабочее колесо с обтекателем.
На фиг. 1, фиг. 2 - общий вид рабочего колеса с обтекателем.
На фиг. 3 - заготовка композиционного материала для формирования переднего и заднего фланцев и опорного кольца.
На фиг. 4 - заготовка композиционного материала лопатки.
На фиг. 5 - сечение металлической накладки и входной кромки.
На фиг. 6 - закрепление в колесе лопатки с металлической накладкой.
На фиг. 7 - пресс-форма для изготовления лопатки.
На фиг. 8 - сечение пресс-формы с лопаткой.
На фиг. 9 - заготовка композиционного материала для силового крепления обтекателя.
На фиг. 10 - калибровка обтекателя.
На фиг. 11, фиг. 12 - пресс-форма для сборки и прессования рабочего колеса.
На фиг. 13 - сечение пресс-формы с рабочим колесом.
На фиг. 14 - схема укладки материала внахлестку.
Рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2) содержит лопатки 1 (аэродинамический профиль условно не показан), опорное кольцо 2, передний фланец 3, задний фланец 4. Опорное кольцо 2 формируется из части 31 материала силового крепления обтекателя, из него же формируется аэродинамический профиль опорного кольца, из части 5 материала для формирования переднего и заднего фланцев, опорного кольца и межлопаточного крепления опорного кольца 6. Из заготовки (фиг. 3) оформляют часть 5 опорного кольца, передний 3 и задний 4 фланцы, при этом края 18 вырезки плотно прилегают к перу лопатки 1, а края 25 облегают входную кромку с металлической накладкой 11. Разрез 24 позволяет части 26 заготовки укладывать внахлестку задний фланец 4 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 14). Прочное закрепление хвостовика 9 лопатки 1 в рабочем колесе достигается межлопаточным креплением, включающим межлопаточное крепление опорного кольца 6 и межлопаточные крепления переднего 7 и заднего 8 фланцев (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4). Входная кромка 10 лопатки 1 окантована металлической накладкой 11 (фиг. 5), которая защемлена внутри колеса передним фланцем 3, хвостовиком 9, опорным кольцом 2 и межлопаточным креплением переднего фланца 7 и лопаточным креплением 29 (фиг. 1, фиг. 6). Таким образом, хвостовик 9 и металлическая накладка 11 на входной кромке лопатки 1 жестко защемлены в рабочем колесе.
В данной конструкции учитывается, что композиционные материалы имеют наибольшую прочность при растяжении вдоль волокон, а наиболее нагруженным из-за действия центробежных, изгибающих и других сил является место крепления лопаток 1 к опорному кольцу 2, поэтому последнее усиливается передним 3 и задним 4 фланцами, образуя жесткий силовой каркас рабочего колеса, в котором волокно работает преимущественно на растяжение, фланцы являются крепежным элементом, через которые передаются силы, возникающие при вращении колеса. Швеллерообразное сечение силового узла (фланцы и опорное кольцо) обеспечивают высокую удельную прочность всей конструкции рабочего колеса. Для надежного защемления лопатки 1 с металлической накладкой 11 на входной кромке 10 в рабочем колесе и для увеличения его жесткости и прочности вводятся межлопаточные крепления опорного кольца 6, переднего 7 и заднего 8 фланцев (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4, фиг. 6), которые монолитно соединены с частью 5 опорного кольца и фланцами.
На переднем фланце 3 рабочего колеса неразъемно установлен обтекатель 32 через центрирующий фиксатор 33, а силовое крепление выполнено композиционным материалом 34, проходящим по аэродинамическому профилю обтекателя 32, опорного кольца 5 и уложенным 35 на заднем фланце 4. Центрирующий фиксатор 33 позволяет устанавливать обтекатель 32, как это предлагается изобретением (патент RU 2529766, опубл. 27.09.2014), эксцентрично, для чего требуется ось поверхности 37, фиксирующей положение обтекателя 32, выполнить смещенной относительно оси центрирующего пояска 36. Если необходимо ось обтекателя установить наклонной относительно оси вращения рабочего колеса, поверхность 38, на которую опирается обтекатель, выполняют под углом к поверхности 39, неразъемно контактирующая с передним фланцем 3 (фиг. 1).
Способ изготовления рабочего колеса включает операции раскрою различных размеров заготовок композиционного материала лопатки 1 (фиг. 4), при этом заготовки раскраивают с учетом, что часть материала (фиг. 1, фиг. 2) по форме внутренних поверхностей на части 5 между лопатками опорного кольца, на переднем 3 и заднем 4 фланцах, ограниченных хвостовиками 9 лопаток 1, выходит за контур от продольной оси хвостовика: межлопаточные крепления 6 опорного кольца, переднего 7 заднего 8 фланцев (фиг. 4). Производят раскрой слоев материала (фиг. 3) для формирования переднего 3, заднего 4 фланцев и части 5 опорного кольца 2 (фиг. 1, фиг. 2). Также раскраивают для силового крепления обтекателя заготовки композиционного материала (фиг. 9), части 34 и 30 которые обхватывают обтекатель, часть 31 материала формирует аэродинамический профиль опорного кольца 2, при этом кромки 18 плотно прилегают к перу лопатки 1, а части 35 уложенные внахлестку 26 (фиг. 14) на заднем 4 фланце увеличивает его прочность (фиг. 1, фиг. 9), центральный круг 30 остается без разрезов. Количество заготовок, их размеры рассчитываются для каждого конкретного колеса с учетом конфигурации и необходимой прочности.
Далее каждая заготовка (фиг. 4), из которых формируют лопатку 1 с хвостовиком 9, пропитывают связующим, затем заготовки вместе с металлической накладкой 11 выкладывают в матрице 12 (фиг. 7, фиг. 8) пресс-формы, устанавливают пуансон 13 и проводят прессование в соответствии с технологическим режимом, для применяемого композиционного материала. Материал межлопаточных креплений опорного кольца 6, переднего 7, заднего 8 фланцев остается в исходном состоянии. Изготовленная лопатка 1 на входной кромке 10 и хвостовике 9 имеет защитную металлическую накладку 11, которая защищает входную кромку при эксплуатации колеса от ударов посторонними предметами (фиг. 5).
Далее пропитывают связующим заготовки (фиг. 9), предназначенные для силового крепления обтекателя на переднем фланце, и выкладывают часть 30 и сектора 34 внахлестку в гнездо 40 пресс-формы (фиг. 1, фиг. 9, фиг. 10). Затем укладывают обтекатель 32, предварительно изготовленный по известным технологиям, устанавливается металлический пуансон 41 и на него дается давление для обжатия секторов 34 (фиг. 9), уложенных внахлестку в гнездо 40, снимают давление, извлекают пуасон 41 и внутреннюю полость обтекателя заполняют, например, мелкими шариками или дробью 42, а часть 31 заготовки (фиг. 9, фиг. 11) выкладывают в полости 17 сепаратора 15 для формирования аэродинамического профиля опорного кольца, устанавливают центрирующий фиксатор 33. После этого пропитывают связующим единые заготовки (фиг. 3) и выкладывают их в пресс-форме, нанизывая каждую заготовку на центрирующий поясок 36 центрирующего фиксатора 33, укладывая композиционный материал переднего фланца 3 в полость 16 центрирующего фиксатора 33 (фиг. 11), где оформляется передний фланец 3, а формирование части 5 опорного кольца производится в полости 17 сепаратора 15 (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 10, фиг. 11).При укладке заготовок композиционного материала в пресс-форму совмещают прорези 18 (фиг. 3, фиг. 9) с прорезями 19 сепаратора 15 (фиг. 13).
Затем в прорези 19 сепаратора 15 (фиг. 13) и в прорези 18 единых заготовок (фиг. 3, фиг. 9) вставляют лопатки 1 вместе с металлической накладкой 11, которая закреплена на входной кромке 10 и хвостовике 9 (фиг. 5, фиг. 6), до упора в корпус 20 пресс-формы (фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13). Укладывают материал межлопаточного крепления 6, 7, 8, 29 (фиг. 4, фиг. 11), предварительно пропитав связующим, в полость 16 центрирующего фиксатора 33 и в полость 17 сепаратора 15. Производят предварительное формирование межлопаточного крепления переднего фланца и опорного кольца, укладывают межлопаточное крепление 29 на хвостовик 9 соседней лопатки 1. Далее в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон 21 (фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13), например, из резины, полиуретана и т.д. На него укладывают пропитанный связующим материал межлопаточного крепления заднего фланца 8 (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 9, фиг. 11, фиг. 12), затем кладут материал заднего фланца 4 и 35 и укладывают их внахлестку 26 (фиг. 3, фиг. 9, фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14), устанавливают нажимной пуансон 22 (фиг. 12), который придает форму и размеры заднему фланцу, и скрепляют его с сепараторам, например, болтами (не показано). На эластичный пуансон 21 подают давление, например, конусом 23 (фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13), под действием которого эластичный пуансон 21 создает давление на композиционный материал, предназначенный для оформления опорного кольца 2, содержащего часть 31 с аэродинамическим профилем, часть 5 и межлопаточным креплением 6 (фиг. 1, фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13), переднего фланца 3 с межлопаточным креплением 7, заднего фланца 4 с межлопаточным креплением 8 и с частью 35 материала для силового крепления обтекателя и межлопаточного крепления 29 с хвостовиком 9 соседней лопатки 1. Таким образом, эластичный пуансон создает давление на детали из композиционного материала, соединяя их в единое целое. Отвержение производится по режиму, соответствующему применяемому материалу для рабочего колеса.
После разборки пресс-формы получится монолитное рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2), содержащее опорное кольцо 2, передний 3 и задний 4 фланцы, рабочие лопатки 1 с металлической накладкой 11 на входной кромке 10. Хвостовик 9 и металлическая накладка 11 прочно защемлены на опорном кольце 2, между передним 3 и задним 4 фланцами, а также межлопаточными креплениями опорного кольца 2, переднего 3 и заднего 4 фланцев и хвостовика 29. На переднем фланце неразъемно установлен обтекатель 32, а силовое крепление выполнено композиционным материалом 30, 34, 31, 35 (фиг. 1, фиг. 9, фиг. 11, фиг. 12).
Данным изобретением решается задача создания из композиционного материала высоконагруженного рабочего колеса вентилятора с обтекателем повышенной прочности и жесткости при значительном снижении удельной массы и трудоемкости его изготовления.