ПЛАТФОРМА ВЕНТИЛЯТОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE FAN PLATFORM AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к конструкции вентиляторов, в частности к межлопаточным платформам вентилятора и способам их изготовления из композиционных материалов.
Платформа вентилятора входит в состав рабочего колеса вентилятора и выполняет функцию формирования внутренней поверхности проточной части в межлопаточном канале. В связи с тем, что при работе двигателя платформы могут входить в непосредственный контакт с лопатками вентилятора, платформы обычно изготавливаются из менее прочного материала. Так, совместно с титановыми лопатками вентилятора применяются платформы из алюминиевого сплава. В случае изготовления рабочих лопаток вентилятора из полимерных композиционных материалов (ПКМ), платформы вентилятора изготавливаются также из ПКМ.
Известна межлопаточная платформа, содержащая наружную оболочку по потоку воздуха, на внутренней поверхности которой выполнены монтажные фланцы с ребордами для крепления на диске (Патент FR 2988427 от 20.03.2012, МПК F01D 5/22, F04D 29/34, опубл. 27.09.2013).
Недостатками такой конструкции платформы является низкая жесткость конструкции на изгиб в радиальном направлении, так как наружная оболочка не подкреплена ребрами жесткости по всей длине.
Также конструкция монтажного фланца в средней части платформы может не обеспечить надежной фиксации платформы в радиальном направлении при высоких скоростях вращения ротора и в случае попадания посторонних предметов в рабочее колесо вентилятора. Выход из зацепления реборды фланца в средней части платформы приведет к неизбежному вылету платформы в проточную часть с неблагоприятными последствиями.
Наиболее близким является платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа (Патент US 6217283 от 20.04.19996 опубл. 17.04.2001, МПК F01D 5/22).
Недостатком такой конструкции платформы вентилятора является способ крепления платформы в межлопаточном канале, характеризующийся повышенной сминающей нагрузкой на полимерный композиционный материал в зонах крепления, а так же значительной дополнительной центробежной нагрузкой на задний удерживающий фланец и барабан бустера.
Известен способ изготовления платформы вентилятора, в котором осуществляют обработку давлением (объемная штамповка) материала заготовки (алюминиевый сплав) платформы вентилятора, а так же механическую обработку поверхности полученной детали (Патент FR 2992679 от 29.06.2012, МПК F01D 5/02, опубл. 03.01.2014, бюл. №14/01).
Недостатком способа является невозможность применения описанной последовательности технологических процессов для изготовления платформы вентилятора из полимерных композиционных материалов, так как объемная штамповка и поверхностная механическая обработка неизбежно приведут к повреждению армирующих волокон в полимерном композиционном материале, что не позволит обеспечить необходимую прочность платформы из ПКМ.
Наиболее близким является способ изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала. (US 20120148388 от 05.12.2011, МПК F04D 29/08, опубл. 14.06.2012).
Недостатком данного способа является то, высокопрочные термопластичные материалы обладают высокой температурой плавления и высокой вязкостью расплава. Данное обстоятельство предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию и существенные ограничения на процесс пропитки армирующего каркаса. В связи с наличием в способе таких операций как пропитка, выкладка препрега увеличивается трудоемкость изготовления детали из композиционного материала.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является разработка такой конструкции платформы вентилятора из композиционного материала, которая имеет значительную жесткость в радиальном направлении, и позволяет обеспечить снижение массы платформы и уменьшение центробежной нагрузки на диск, и как следствие повышение надежности работы самого вентилятора, а так же разработка такого способа изготовления платформы из композиционного материала на основе термопластичного связующего, позволяющего сократить трудоемкость изготовления платформы из композиционного материала, за счет изготовления частей платформы из заготовки типа лист, сократить время получения готовой платформы, благодаря отсутствию таких операций как выкладка препрега, полимеризация связующего, а так же уменьшить токсичные выбросы в атмосферу при работе с композиционными материалами.
Технический результат достигается тем, что платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа, в отличие от известной платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, при этом структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа, продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы, в середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего, в способе изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала, в отличие от известного платформу изготавливают из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани, сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, затем полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок, затем изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают, и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок, наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части.
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - Конструкция платформы вентилятора из композиционного материала;
Фиг. 2 - Крепление платформы вентилятора в рабочем колесе вентилятора.
Платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной (например, угольные + стекляные волокна) тканью.
Платформа содержит наружную оболочку 1 и структурную часть 2 (Фиг. 1).
Структурная часть 2 платформы выполнена W- образного поперечного сечения из тонкостенного листа. В продольном сечении структурная часть 2 расширяется по потоку воздуха от передней части 3 платформы к задней части 4 платформы. В середине структурной части 2 имеется внутренний выступ 5 для соединения с внутренней поверхностью 6 наружной оболочки 1, по краям структурной части имеются фланцы 7, 8 для соединения с внутренней поверхностью 6 наружной оболочки 1. Наружная оболочка 1 соединена со структурной частью 2 с помощью клея или сварки термопластичного связующего.
Благодаря такой конструкции платформы вентилятора достигается высокая радиальная жесткость платформы при минимальной толщине наружной оболочки и структурной части. При этом возможно применить различную толщину и схему армирования для наружной оболочки и структурной части для оптимизации характеристик конструкции.
Монтаж платформы к рабочему колесу вентилятора осуществляется следующим образом. В передней части 3 платформа фиксируется по коническому посадочному пояску 9 на внутренней поверхности носового обтекателя 10 (Фиг. 2). В задней части 4 платформа крепится на двух штифтах 11, закрепленных на диске вентилятора (не показано). Такое крепление обеспечивает необходимую податливость платформы при деформации рабочих лопаток вентилятора.
Способ изготовления платформы вентилятора из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной (угольные + стекляные волокна) тканью, заключается в изготовлении частей платформы (наружной оболочки 1 и структурной части 2) из заготовок типа лист.
Сначала нагревают заготовку, например инфракрасным излучением до температуры 400°С - 350°С в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, при этом штамп должен быть нагрет до температуры заготовки. Затем полученную наружную оболочку 1 платформы направляют на механическую обработку кромок.
Затем из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала изготавливают структурную часть W-образного поперечного сечения. Для этого лист нагревают до температуры 350°С±20°С инфракрасным излучением, и штампуют с выдержкой в штампе, нагретого до температуры штампуемой детали, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок.
Наружную оболочку 1 и структурную часть 2 соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, при этом связующий материал наносят на наружные фланцы 7, 8 и внутренний выступ 5 структурной части 2 (Фиг. 1).
Пример осуществления способа.
Берут заготовки типа лист из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной тканью, размерами 800×300 мм±10 мм, каждую заготовку нагревают инфракрасным излучением до температуры 370±30°С и штампуют каждую на гидравлическом прессе в штампах с соответствующей геометрией обоймы. Полученные отштампованные наружную оболочку 1 и структурную часть 2 направляют на фрезерование кромок. Затем происходит соединение наружной оболочки 1 и структурной части 2. Если соединение происходит с помощью клея, то выбирают клей с температурой отверждения 100-150°С. Если соединение наружной оболочки и структурной части происходит с помощью сварки, то для сварки применяют ультразвуковой инструмент.
Таким образом, получают платформу вентилятора из композиционного материала.
Такой способ изготовления платформы позволит избежать трудоемких технологических операций с высокой долей ручного труда (выкладка препрега или сухой ткани в пресс-форму), существенно повысить скорость изготовления путем исключения технологического процесса полимеризации термореактивного связующего, снизить выбросы вредных летучих веществ, улучшить логистику путем отказа от использования материалов с ограниченным сроком хранения (термореактивные связующие и препреги на их основе).
Благодаря тому, что платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа, в отличие от известной платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, при этом структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа, в продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы, в середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего, в способе изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала, в отличие от известного платформу изготавливают из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани, сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, затем полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок, затем изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают, и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок, наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части, достигается жесткость платформы в радиальном направлении, снижение массы платформы и уменьшение центробежной нагрузки на диск, и как следствие повышение надежности работы самого вентилятора, а так же сокращение трудоемкости изготовления платформы из композиционного материала, сокращение времени получения готовой платформы, и уменьшение токсичные выбросы в атмосферу при работе с композиционными материалами.