ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УСИЛЕНИЯ НА ПЕРЕДНЕЙ КРОМКЕ ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ, В КОТОРОМ ПРИМЕНЯЮТ ТАКОЙ ИНСТРУМЕНТ
EQUIPMENT FOR ATTACHING A METAL REINFORCEMENT ONTO THE LEADING EDGE OF A TURBINE ENGINE BLADE AND METHOD UTILIZING SUCH EQUIPMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области лопаток газотурбинного двигателя, имеющих металлическое усиление на своей передней кромке. В частности, оно касается инструмента и способа для крепления металлического усиления на лопатке из композиционного материала газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Как известно, лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, изготовленные из композиционного материала, оснащают конструктивным металлическим усилением, выполненным по всей высоте лопатки. Такое усиление предохраняет композитную лопатку при ударах по вентилятору посторонних тел, например, таких как засасываемая в газотурбинный двигатель птица.
Известный способ крепления металлического усиления на передней кромке лопатки из композиционного материала состоит в следующем. Лопатку удерживают в держателе и устанавливают метку позиционирования по размаху передней кромки лопатки. Затем на поверхность передней кромки лопатки наносят клеевую пленку и предварительно располагают металлическое усиление вручную на передней кромке лопатки. После этого клей подвергают полимеризации в автоклаве.
Такой способ имеет ряд недостатков. В частности, речь идет о ручном способе, который зависит от оператора, что приводит к риску для здоровья с учетом применяемого клея и к разбросу относительного позиционирования соединяемых деталей. Эти риски необходимо компенсировать за счет очень строгого контроля. В результате увеличиваются производственные расходы.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение призвано предложить инструмент и способ крепления усиления, которые не имеют вышеупомянутых недостатков.
В связи с этим объектом изобретения является инструмент для крепления металлического усиления на передней кромке лопатки газотурбинного двигателя, содержащий держатель лопатки, предназначенный для установки в него лопатки, при этом поверхности передней кромки лопатки остаются открытыми, и держатель усиления передней кромки, на котором устанавливают держатель лопатки и который содержит две боковые подкладки, между которыми располагают металлическое усиление передней кромки лопатки, при этом подкладки выполнены с возможностью сдвигаться и раздвигаться и оснащены, каждая, присасывающей решеткой для обеспечения удержания металлического усиления, при этом держатель усиления передней кромки дополнительно содержит нагревательные элементы, предназначенные для обеспечения полимеризации пленки клея, нанесенной на поверхность передней кромки лопатки, когда ее располагают на металлическом усилении.
Такой инструмент позволяет избегать дефектов относительного позиционирования между лопаткой и металлическим усилением и обеспечивает, таким образом, контроль и воспроизводимость позиционирования металлического усиления на передней кромке лопатки. В частности, можно контролировать толщину клея. Присутствие раздвижных подкладок на уровне держателя усиления передней кромки позволяет размыкать крылья усиления во время установки на место передней кромки лопатки, что облегчает эту операцию. Таким образом, можно избежать силового монтажа усиления на передней кромке, что гарантирует целостность лопатки и пленки клея. Кроме того, полимеризацию клея осуществляют вне автоклава при помощи нагревательных элементов инструмента, что позволяет повысить производительность и снизить термическую усталость лопатки. Кроме того, можно легко контролировать температуру во время всего цикла полимеризации (повышение, горизонтальный участок, понижение).
Предпочтительно держатель лопатки содержит корпус спинки, содержащий площадку, форма которой соответствует форме поверхности спинки лопатки, корпус корытца, содержащий площадку, форма которой соответствует форме поверхности корытца лопатки, и средства приложения усилия стягивания между корпусом корытца и корпусом спинки.
Предпочтительно держатель лопатки дополнительно содержит подкладки крепления задней кромки лопатки. Это дополнительное крепление обеспечивает удержание на месте лопатки в случае слишком малой толщины лопатки. Кроме того, использование нескольких подкладок крепления обеспечивает контакт с задней кромкой лопатки в нескольких точках, независимо от дефектов ее профиля.
Предпочтительно держатель усиления передней кромки дополнительно содержит ограничители хода подкладок. Присутствие этих ограничителей хода позволяет ограничивать ход подкладок держателя усиления передней кромки, в частности, во время приложения давления на крылья металлического усиления. Таким образом, можно гарантировать геометрию металлического усиления и ограничивать сплющивание пленки клея (что позволяет соблюдать необходимую минимальную толщину клея). Кроме того, в случае немного слишком толстой лопатки можно обеспечивать аэродинамическую непрерывность между металлическим усилением и лопаткой.
Держатель усиления передней кромки может содержать средства для сдвигания или раздвигания подкладок.
Нагревательные элементы держателя усиления передней кромки могут содержать контур циркуляции текучей среды-теплоносителя.
Объектом изобретения является также способ крепления металлического усиления на передней кромке лопатки газотурбинного двигателя при помощи описанного выше инструмента, при этом способ включает в себя этап позиционирования и крепления лопатки в держателе лопатки инструмента, во время которого поверхности передней кромки лопатки остаются открытыми, этап нанесения клея на открытые поверхности передней кромки лопатки, этап позиционирования и удержания металлического усиления в держателе усиления передней кромки инструмента, этап позиционирования металлического усиления на передней кромке лопатки посредством установки держателя лопатки на держателе усиления передней кромки, этап приложения давления на крылья металлического усиления и этап полимеризации клея, нанесенного на открытые поверхности передней кромки лопатки, при помощи нагревательных элементов держателя усиления передней кромки инструмента.
Преимуществом этого способа является возможность его автоматизации без применения сложных операций со стороны оператора. Кроме того, он обеспечивает контроль и воспроизводимость позиционирования металлического усиления на передней кромке лопатки.
Предпочтительно этап позиционирования и крепления лопатки в держателе лопатки дополнительно включает в себя крепление задней кромки лопатки.
Этап позиционирования и удержания металлического усиления в держателе усиления передней кромки может последовательно включать в себя раздвигание боковых подкладок держателя усиления передней кромки, позиционирование металлического усиления между подкладками держателя усиления передней кромки, крепление носика металлического усиления между подкладками и засасывание крыльев металлического усиления для обеспечения их удержания.
После этапа позиционирования и удержания металлического усиления в держателе усиления передней кромки и перед этапом позиционирования металлического усиления на передней кромке лопатки способ может дополнительно включать в себя этап раздвигания боковых подкладок держателя усиления передней кромки для размыкания крыльев металлического усиления.
Перед этапом раздвигания боковых подкладок держателя усиления передней кромки на держателе усиления передней кромки можно установить дополнительные подкладки для ограничения раздвигания указанных боковых подкладок.
Лопатку можно выполнить из композиционного материала с углеродными волокнами, и металлическое усиление можно выполнить на основе титана.
Объектом изобретения является также применение описанного выше способа для крепления металлического усиления на передней кромке лопатки вентилятора газотурбинного двигателя.
Краткое описание фигур
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют неограничивающий пример осуществления.
На фиг. 1 схематично показана лопатка вентилятора газотурбинного двигателя, оснащенная металлическим усилением на своей передней кромке;
на фиг. 2-15 представлены различные этапы осуществления способа крепления металлического усиления на передней кромке лопатки при помощи заявленного инструмента;
на фиг. 16 представлена боковая подкладка держателя усиления передней кромки заявленного инструмента с показом его присасывающей решетки, вид сбоку;
на фиг. 17 представлено дно держателя усиления передней кромки заявленного инструмента с показом его нагревательных элементов, вид в разрезе;
на фиг. 18 представлена боковая подкладка держателя усиления передней кромки заявленного инструмента с показом его нагревательных элементов, вид в продольном разрезе.
Осуществление изобретения
Изобретение применяют для крепления металлического усиления на передней кромке любой лопатки газотурбинного двигателя. Предпочтительно его применяют для крепления усиления из титана на передней кромке лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, выполненной из композиционного материала с углеродными волокнами и показанной на фиг. 1.
Как известно, лопатка 2 вентилятора газотурбинного двигателя, выполненная из композиционного материала, содержит аэродинамическое перо 4 с поверхностью спинки 4а и с поверхностью корытца 4b. Поверхности корытца и спинки расположены между передней кромкой 6 и задней кромкой 8. Кроме того, лопатка имеет ножку 10, предназначенную для установки на диске ротора.
Лопатку 2 из композиционного материала получают посредством драпировки или тканья композиционного материала. Например, этот композиционный материал может представлять собой сборку тканых волокон, сформованных при помощи способа вакуумного литья RTM (от “Resin Transfer Molding”).
Кроме того, лопатка 2 содержит конструктивное металлическое усиление 300, приклеенное к передней кромке 6 между ножкой 10 и вершиной 12 лопатки.
Согласно изобретению, для крепления металлического усиления на передней кромке 6 такой лопатки применяют специальный инструмент. Этот инструмент состоит из двух главных независимых элементов, а именно из держателя 100 лопатки и держателя 200 усиления передней кромки.
Как показано на фиг. 2, держатель 100 лопатки содержит корпус 102 спинки (фиг. 2 и 3) и корпус 104 корытца (показан, в частности, на фиг. 4 и 5), являющиеся двумя независимыми элементами, которые крепят друг на друге.
Корпус 102 спинки имеет площадку 106, форма которой соответствует форме поверхности спинки 4а лопатки. Точно так же, корпус 104 корытца имеет площадку (на фигурах не показана), форма которой соответствует форме поверхности корытца лопатки.
Корпуса 102, 104 держателя 100 лопатки выполнены таким образом, что, когда лопатку 2 располагают между ними, как показано на фиг. 4 и 5, только поверхности корытца и спинки передней кромки 6 лопатки остаются свободными от какого-либо воздействия усилия. Протяженность этих поверхностей соответствует зоне, на которой необходимо закрепить металлическое усиление.
Корпуса 102, 104 держателя 100 лопатки можно соединять, например, при помощи систем 108 типа винт/гайка, затягивание которых обеспечивает крепление лопатки 2, расположенной между корпусами.
Как показано на фиг. 9-14, держатель 200 усиления передней кромки инструмента содержит основание 202, образующее дно, две боковые стенки 204, закрепленные на дне 202, например, при помощи винтов 206, и две боковые подкладки 208, расположенные внутри пространства, ограниченного дном 202 и боковыми стенками 204.
В частности, две боковые подкладки 208 разделены пространством 210, общая геометрия которого по существу соответствует профилю используемого металлического усиления передней кромки лопатки.
Кроме того, обе боковые подкладки 208 выполнены с возможностью сдвигаться и раздвигаться в боковом направлении. В примере, показанном на фиг. 9, боковое перемещение подкладок 208 происходит при помощи пружин 212, действующих толкающим усилием на каждую боковую подкладку, чтобы приблизить ее к другой боковой подкладке, причем эти пружины удерживаются в сжатом положении удерживающими винтами 214 во всех фазах использования, кроме фазы приложения давления. Эти пружины 212 калиброваны и расположены в зависимости от выбранного уровня давления, прикладываемого к металлическому усилению, располагаемому между подкладками.
Разумеется, для сдвигания и раздвигания боковых подкладок можно предусмотреть другие средства. Например, можно использовать накачиваемые мешки или гидравлические домкраты, которые могут действовать боковым давлением на подкладки для их перемещения.
Боковые подкладки 208 оснащены, каждая, решеткой (или сеткой) 216 всасывания, которая расположена на уровне их боковой стороны, ограничивающей пространство 210 для размещения металлического усиления. Каждая из этих присасывающих решеток 216 соединена с всасывающим контуром, выходящим наружу инструмента. Как показано на фиг. 16, где представлен вид сбоку боковой подкладки 208, вокруг присасывающей решетки 216 можно расположить периферическую прокладку 218.
Кроме того, держатель 200 усиления передней кромки содержит нагревательные элементы 220 для обеспечения полимеризации пленки клея, нанесенного на переднюю кромку лопатки, когда ее устанавливают в металлическом усилении.
В частности, как показано на фиг. 17 и 18, эти нагревательные элементы 220 расположены внутри дна 202 держателя усиления передней кромки (см. фиг. 17, где дно показано в разрезе) и внутри каждой боковой подкладки 208 (см. фиг. 18, где боковая подкладка показана в продольном разрезе). В примере, представленном на фигурах, эти нагревательные элементы выполнены в виде контура циркуляции текучей среды-теплоносителя 220. Разумеется, можно предусмотреть другие типа нагревательных элементов, например, резистивную электрическую цепь или контур индукционного нагрева.
Держатель 200 усиления передней кромки содержит также прихват 222 носика металлического усиления, который установлен между дном 202 и одной из боковых подкладок 208. Этот прихват обеспечивает установку по меткам носика металлического усиления, когда его позиционируют в держателе усиления передней кромки.
Способ крепления металлического усиления на передней кромке лопатки при помощи описанного выше инструмента логически вытекает из всего вышесказанного.
Во время первого этапа осуществления этого способа крепления лопатку 2 устанавливают на корпусе 102 спинки держателя 100 лопатки, располагая ее сторону спинки 4а на площадке 106 этого корпуса спинки (фиг. 2 и 3).
На следующем этапе корпус 104 корытца устанавливают на лопатке, располагая площадку этого корпуса на поверхности корытца 4b лопатки (фиг. 4).
Затем напротив ножки 10 лопатки устанавливают подкладку 110 для зажатия ножки лопатки (фиг. 5) и крепление лопатки в держателе 100 лопатки обеспечивают посредством стягивания систем 108 типа винт/гайка. Это усилие стягивания контролируют путем использования динамометрического ключа.
На следующем этапе способа осуществляют крепление задней кромки 8 лопатки. Для этого держатель 100 лопатки содержит несколько подкладок 112 крепления задней кромки, которые вставляют между задней кромкой лопатки и корпусом 104 корытца (см. фиг. 6 и 7).
Крепление задней кромки лопатки обеспечивает удержание на месте лопатки в держателе лопатки в случае ее слишком малой толщины. Кроме того, использование нескольких подкладок 112 крепления задней кромки обеспечивает контакт с задней кромкой лопатки в нескольких точках независимо от дефектов ее профиля.
Таким образом, лопатку 2 позиционируют и закрепляют в держателе 100 лопатки инструмента, оставляя при этом полностью открытыми поверхности передней кромки лопатки.
На следующем этапе металлическое усиление 300, предназначенное для крепления на передней кромке 6 лопатки, позиционируют в держателе 200 усиления передней кромки инструмента.
Для этого, как показано на фиг. 10, боковые подкладки 208 держателя усиления передней кромки раздвигают (в данном случае вручную) для позиционирования между ними металлического усиления 300 в пространстве 210. На этой стадии прихват 222 носика металлического усиления обеспечивает установку по меткам носика 302 металлического усиления 300 между подкладками.
После позиционирования металлического усиления на держателе усиления передней кромки, подкладки 208 сдвигают вручную таким образом, чтобы их соответствующие боковые стороны вошли в контакт с крыльями 304 (или боковыми сторонами) металлического усиления, и приводят в действие присасывающие решетки этих подкладок для обеспечения удержания за счет присасывания крыльев 304 металлического усиления (см фиг. 11).
Затем на держатель усиления передней кромки между боковыми стенками 204 и подкладками 208 устанавливают дополнительные подкладки 224 (фиг. 12). Эти дополнительные подкладки позволяют ограничить раздвигание указанных подкладок 208 держателя усиления передней кромки во время следующего этапа размыкания крыльев металлического усиления и контролировать ход пружин 212 приложения давления и, следовательно, создаваемое ими усилие.
Крылья 304 металлического усиления 300 удерживаются в контакте с боковыми сторонами подкладок 208 за счет всасывания, при этом раздвигание подкладок 208 на следующем этапе приводит к размыканию указанных крыльев 304 металлического усиления для обеспечения введения передней кромки лопатки (фиг. 13 и 14). Для преодоления сопротивления крыльев металлического усиления это раздвигание производят при помощи винтов раскрывания подкладок (на фигурах не показан), доступных на боковых стенках 204 держателя усиления передней кромки.
Перед позиционированием передней кромки 6 лопатки 2 между крыльями 304 металлического усиления 300 необходимо нанести клей 14 на поверхности передней кромки лопатки, которые не прихвачены в держателе лопатки (см. фиг. 8). Для этого клей можно нанести в виде пленки на переднюю кромку лопатки. В альтернативном варианте на переднюю кромку лопатки можно нанести клей в виде пасты, поскольку кинематика инструмента во время соединения обеспечивает протекание клея по всем приклеиваемым поверхностям передней кромки. В еще одном альтернативном варианте после установки металлического усиления на передней кромке лопатки можно впрыснуть жидкий клей.
После этого обеспечивают позиционирование передней кромки 6 лопатки 2 между крыльями 304 металлического усиления 300, устанавливая держатель 100 лопатки на держатель 200 усиления передней кромки (фиг. 15). Учитывая закрутку передней кромки лопатки, это соединение требует комбинированного поступательного и вращательного движения.
Стяжные винты 114 обеспечивают при этом скрепление держателя 100 лопатки и держателя 200 усиления передней кромки, а также создание давления под носиком 302 металлического усиления 300. Таким образом, пленка клея уплотняется в вершине металлического усиления до конечного значения размера.
Затем на следующем этапе опять сдвигают подкладки 208 держателя усиления передней кромки (вывинчивая винты раскрывания подкладок, затем вывинчивая винты 214 удержания пружин 212) для обеспечения создания давления на крылья 304 металлического усиления. Это давление можно регулировать при необходимости за счет числа пружин 212, их жесткости и выбранного уровня сжатия.
Кроме того, присутствие ограничителей хода боковых подкладок на уровне держателя усиления передней кромки гарантирует необходимую толщину пленки клея. В частности, как показано на фиг. 9, каждая подкладка 208 имеет заплечик 226, образующий ограничитель хода, который приходит в положение опоры на лопатку или на держатель лопатки во время сдвигания подкладок 208. Кроме того, дно 202 держателя усиления передней кромки тоже содержит два заплечика 228, образующих ограничители хода, на которые опираются подкладки 208 во время их сдвигания.
На этом этапе приложения давления на крылья металлического усиления удержание этих крыльев за счет всасывания сохраняют, чтобы обеспечить позиционирование металлического усиления в случае недостаточного смыкания его крыльев.
Нагревательные элементы 220 держателя 200 усиления передней кромки приводят в действие (перед или после этапа создания давления на крылья металлического усиления) для осуществления цикла полимеризации пленки клея (повышение, горизонтальный участок и понижение температуры).
После полимеризации клея и охлаждения всего комплекса лопатку, передняя кромка которой оказывается закрытой металлическим усилением, можно извлечь из инструмента. Для этого опять раздвигают подкладки держателя усиления передней кромки, прихват носика освобождают и держатель лопатки снимают с держателя усиления передней кромки. Наконец, лопатку снимают с держателя лопатки путем разъединения его двух корпусов.