КОМПОЗИТНАЯ ОБЛЕГЧЕННАЯ ЛОПАТКА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
COMPOSITE LIGHT-WEIGHT VANE, PRIMARILY FOR AIRCRAFT ENGINE FANS

Область техники
Изобретение относится к механике, в частности к конструктивным элементам насосов и компрессоров необъемного вытеснения, и может быть использовано в конструкции лопаток из полимерных материалов для авиационных двигателей, а также для промышленных систем вентиляции крупных производственных зданий, средств транспорта и т.д., для повышения их эксплуатационных характеристик.
Уровень техники
Известен «Способ изготовления композиционных лопастей воздушного винта» по патенту на изобретение РФ №2058250, кл. F02K от 19.03.92., в котором раскрыта конструкция лопасти воздушного винта из композиционных материалов. Лопасть содержит лонжерон с комлем и обшивкой. При этом полости внутри лонжерона и между лонжероном и обшивкой заполнены вставками из пенопласта.
Конструкция лопасти является сложной, а процесс изготовления ее трудоемким. Кроме того, использование однородного материала наполнителя и неоптимальное армирование несущих слоев лопатки ухудшает механические свойства лопатки, что не позволяет использовать такую конструкцию для лопаток вентиляторов.
Конструкция лопасти воздушного винта раскрыта в «Способе изготовления цельнопластиковых композиционных лопастей» по патенту на изобретение РФ №1827982, кл. В29С 70/24 от 30.09.1997. Согласно этому изобретению лопатка состоит из системы параллельных друг к другу, но сориентированных под разными углами слоев армированного препрега с разной ориентации армирующих нитей, обмотанных вокруг сердечника и замковой части, и дополнительных компенсирующих слоев.
Недостатками конструкции является сложность ее изготовления из-за наличия зон пустот между слоями лопатки и разрыв армированного материала в комлевой части, что снижает прочностные характеристики конструкции. Кроме того, лопасть имеет большую массу.
Согласно патенту US №5279892, кл. В32В 7/00 от 18.01.94 г. конструкция лопатки вентилятора газотурбинного авиационного двигателя представляет собой внешние слои из препрега композиционного материала, окружающие трехразмерный плетенный сердечник, выполненный из волоконных слоев, переплетенных усиливающими волокнами, при этом препрег внешних слоев содержит углеводородные волокна, покрытые резиновым компаундом, образующим однонаправленный лист. Сердечник формирует внутреннюю пространственную геометрию лопатки. Группа армированных внешних слоев формирует внешнюю геометрию лопатки.
Основным недостатком данной конструкции лопатки является большая масса сердечника, который увеличивает общий вес лопатки, стоимость и усложняет технологию ее изготовления.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка такой конструкции лопатки вентилятора, которая имела бы малую массу и была бы проста в изготовлении.
Кроме того, конструкция лопатки должна обеспечивать ее высокие прочностные характеристики, иметь низкую себестоимость.
Поставленная задача достигается тем, что в композитной лопатке преимущественно для вентиляторов авиационных двигателей, состоящей из комля и лопасти, содержащей сердечник, формирующий внутреннюю пространственную геометрию лопатки, внешние и внутренние слои композиционного армированного материала, наложенные на сердечник соответственно с обеих его выпуклой и вогнутой сторон, и формирующие внешнюю геометрию лопатки, сердечник выполнен из двух частей - комлевой части из легкого и жесткого материала, например пенопласта, и лопастной части из прочного жесткого материала, например минералокомпозита, при этом комлевая и лопастные части связаны между собой клеевым соединением.
Более того, в композитной лопатке внешние и внутренние слои попарно объединены в единые слои из цельной ткани композиционного армированного материала, огибающие своей средней частью комлевую часть сердечника.
Такое выполнение лопатки вентилятора позволяет снизить ее массу, а также уменьшить себестоимость изготовления за счет упрощения конструкции. При этом повышается усталостная прочность лопатки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 показывает общий вид лопатки вентилятора;
фиг.2 показывает разрез Б-Б фиг.1;
фиг.3 показывает разрез А-А фиг.1 - поперечное сечение лопатки вентилятора;
фиг.4 показывает развертку слоев композиционного армированного материала, формирующих внешнюю геометрию лопатки.
Осуществление изобретения
В соответствии с изобретением композитная облегченная лопатка преимущественно для вентиляторов авиационных двигателей выполняется следующим образом.
Лопатка 1 (фиг.1) состоит из аэродинамической части - лопасти 2, изготовленной зацело с комлем 3. Толщина лопасти 2 уменьшается к передней кромке 7, свободному концу 4 и задней кромке 6 и увеличивается к его центру и к основе комля 5. Лопатка 1 выполнена из композиционного армированного материала материала, имеющего углеволоконную основу, внедренную в полимерное связующее. Лопатка содержит сердечник 9 из облегченного материала, формирующий внутреннюю пространственную геометрию лопатки, и внешние и внутренние слои, образующие несущую силовую часть лопатки, наложенные на сердечник соответственно с обеих его выпуклой и вогнутой сторон, и формирующие внешнюю геометрию лопатки. Сердечник 9 выполнен по форме лопатки за исключением толщины внешних силовых армирующих слоев ΔХ, толщина которых по всей поверхности лопатки определяется расчетами и экспериментальными исследованиями. Сердечник выполнен из двух частей - комлевой части 11 из легкого и жесткого материала, например пенопласта, и лопастной части 10 из прочного жесткого материала, например минералокомпозита, при этом комлевая и лопастные части связаны между собой клеевым соединением.
2
Внешние и внутренние слои попарно объединены в единые слои 21, 22, 23, 24, 25, 26 (фиг.3, 4) из цельной ткани композиционного армированного материала, огибающие своей средней частью комлевую часть сердечника. Слои выполнены из тканого углеродного материала с модулем упругости (Е>9000 кгс/мм) и соединены связующим.
Изготовление лопастей может производиться из следующих материалов: армирующий наполнитель ткани Т-25; (ВМ)-73 ТУ-6-11-380-70, связующее ВС-2561С ТУ-585-25-278-89, материал с пониженным удельным весом ПУ-10 по инструкции ВИАМ ПИ 1.2.219-82, клей ВК-50 ТУ-1-595-24-201-85.
Конфигурацию слоев (см. фиг 4) лопатки вентилятора получают топографическим методом, используемым при определении рельефных поверхностей, путем последовательной укладки слоев криволинейных поверхностей на криволинейную форму сердечника двойной кривизны с определенным шагом Н, равным толщине слоя однонаправленных волокон или ткани. Развертку криволинейных поверхностей слоев для получения лекал деталей кроя лопатки осуществляют модельно-макетным методом проектирования разверток с учетом деформационной способности материала (способность ткани изменять сетевой угол между нитями основы и утка при надевании криволинейной поверхности без складок и швов).
Слои материала укладываются последовательно с различными углами армирования волокон ткани или однонаправленного материала в процентном соотношении составляют 0°(α3) - 60-80%, 90°(α2) - 10-20%, ±45°(α1) - 10-20%, что позволяет оптимизировать распределение нагрузок и несущую способность лопатки в целом. Слои ориентированы относительно линии максимальных толщин 8, которая проходит от середины основы комля 5 до свободного конца 4 лопасти 2. Конфигурация линии максимальных толщин 8 определяется по результатам измерений объемно-пространственной модели лопатки и показывает максимальные толщины в продольных и поперечных направлениях. Эта линия показывает точки воздействия максимальных нагрузок на конфигурацию лопатки, поэтому осуществляют ориентацию нитей относительно этой линии. Ориентация нитей 0° и 90° целесообразна в центральных слоях 24-26 «спинки» и «корытца» пера 2 лопатки и 0°-45° в последующих слоях 21-23 с учетом направления воздействия силовых нагрузок, кривизны поверхности лопатки, толщины силового слоя и деформационных свойств тканей с максимально-возможным углом перекоса между нитями основы и утка, что позволяет добиться криволинейной формы слоев лопатки без дополнительных элементов формообразования (складок, швов и вытачек) и увеличить сдвиговые, прочностные характеристики лопатки. На ориентированных слоях определяются расположения контрольных знаков-надсечек 21', 22', 23', 24', 25', 26', по которым осуществляется укладка слоев 21, 22, 23, 24, 25, 26 по линии 8. Сборку преформы производят путем последовательного укладывания слоев ткани (или однонаправленного материала) 21-26 в соответствии с надсечками на плоскость, далее вкладывают сердечник 9 и смыкают преформу путем совмещения слоев ткани «спинки» и «корытца» относительно линии перегиба 13. Слои укладываются таким образом, что каждый последующий слой относительно сердечника полностью покрывает контуры предыдущего. Для качественной укладки в пресс-форму полученная преформа лопатки вентилятора подвергается вакуумной обработке с последующей пропиткой известными способами.
Выполненная в соответствии с изобретением лопатка имеет следующие преимущества:
- малую массу за счет облегченного сердечника;
- простую конструкцию и за счет этого высокую технологичность в производстве;
- повышение прочностных характеристик за счет объединения внешних и внутренних силовых слоев.