Рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала
CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области турбостроения, а именно к конструкции рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала и способу его изготовления, в частности газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной и ракетной технике, автомобильном двигателестроении и других отрослях промышленности.
Известен "Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала" (патент RU №24325 02, кл. F04D 29/28, опубл. 27.10.2011 г.). Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающий раскрой слоев материала лопаток, прессование их пресс-форме, размещение и центровку лопаток в сборочной пресс-форме и прессование колеса. При раскрое слоев материал выходит за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения пера лопаток на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками; а со стороны периферийного сечения - на длину, большую длины дуги покрывного диска между соседними лопатками. Материал пропитывается связующим по контуру лопатки и укладывается в пресс-форму, в которой оформляется аэродинамический профиль лопатки, и на коренном и периферийном сечениях пера формируется часть опорного кольца и покрывного диска длиной от 1 до 20 мм. Затем лопатки укладывают в сепаратор, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме. Далее пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура лопаток, и в полостях сепаратора предварительно формируют опорное кольцо и покрывной диск, после чего сепаратор укладывают в пресс-форму и производят прессование, при этом в матрице формируют наружную поверхность покрывного диска, в пуансоне - наружную поверхность опорного кольца, а в сепараторе - аэродинамические поверхности газового тракта покрывного диска и опорного кольца. После разборки пресс-формы колесо освобождают от сепаратора путем нагрева до температуры выше той, которая принята для полимеризации композиции с данным типом связующего, но ниже температуры верхнего предела эксплуатации. После расплавления сепаратора колесо зачищают и контролируют.
Данный способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала обеспечивает значительное снижение удельной массы и повышение жесткости и прочности изделия. Тенденция развития авиационных двигателей идет в сторону уменьшения толщины лопаток, что в свою очередь приводит к тому, что в зоне входной кромке удается разместить небольшое количество слоев композиционного материала. Такая кромка недостаточно прочная, чтобы выдержать удары посторонних предметов. Другим недостатком этого способа является то, что используется сепаратор из легкоплавкого материала, например олова, и возникает необходимость его удаления путем плавления при определенной температуре, которая должна быть ниже температуры эксплуатации применяемого связующего и выше температуры его полимеризации, что ограничивает выбор связующего. Кроме того сепаратор получают литьем, что не обеспечивает высокой точности номинального расположения лопаток в пресс-форме, а это, в свою очередь, снижает размерную точность изделия.
:
Наиболее близким по технической сущности к заявленному рабочему колесу является "Рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления" (патент RU №2600213, кл. F04D 29/28, опубл. 20.10.2016 г.), взятый в качестве прототипа, согласно которому рабочее колесо центробежного компрессора включает рабочие лопатки, опорное кольцо и покрывной диск. Металлические сепараторы опорного кольца и покрывного диска на входных диаметрах имеют кольцевые экраны, защищающие композиционный материал от ударов посторонними предметами, при этом внутренние поверхности сепараторов по форме и размерам соответствуют газовому тракту. Входная кромка композиционной лопатки окантована металлической накладкой, защемленной в отверстиях, выполненных по размерам контактирующих сечений лопатки, опорного кольца и покрывного диска, два последних с внешней стороны покрыты композиционным материалом, который при раскрои слоев материала выходит за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения пера лопаток на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, и со стороны покрывного диска - на длину, большую дуги между соседними лопатками.
Данное изобретение позволяет создать монолитное колесо центробежного компрессора из композиционного материала с. обеспечением высокой точности изготовления и прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов. Однако в процессе эксплуатации рабочего колеса центробежного компрессора не исключено сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска, что может создать аварийную ситуацию.
Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов, при этом исключается сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска при эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что металлическая накладка, которой окантована входная кромка, имеет выступ по высоте равный расстоянию между аэродинамическими поверхностями, находясь с ними в полном контакте, опорное кольцо и покрывной диск, боковые поверхности выполняются по аэродинамическим размерам входной кромки лопатки, а длина выступа равна расстоянию от профильных отверстий в сепараторах для крепления лопаток до кольцевых экранов на входном диаметре сепараторов.
Настоящее изобретение поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 - общий вид рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, на фиг. 2 - вход газового тракта центробежного колеса, на фиг. 3 - металлическая накладка, окантовывающая входную кромку композиционной лопатки, на фиг. 4 - сечение входной кромки лопатки, на фиг. 5 - вид лапы в плане.
Рабочее колесо центробежного компрессора (фиг. 1) включает рабочие лопатки 1, опорное кольцо 2 и покрывной диск 3, при этом опорное кольцо 2 содержит металлический сепаратор опорного кольца 4 и композиционный материал 5, а покрывной диск 3 содержит металлический сепаратор покрывного диска 6 и композиционный материал 7. В качестве металла используется, например, титанов сплав. Сепараторы опорного кольца 4 и покрывного диска 6 на входном диаметре имеют кольцевой экран 8 и 9 (фиг. 2) соответственно, которые защищают композиционный материал опорного кольца 5 и покрывного диска 7 от удара посторонними предметами (фиг. 1, 2). У лопатки 1 входная кромка окантована металлической накладкой 10 (фиг. 2, 3, 4), защищающей входную кромку композиционной лопатки 11 от удара посторонними предметами. В конструкции лопаток из композиционного материала требуется обращать особое внимание на надежное крепление металлической накладки на кромке пера. В изобретении, которое выбрано в качестве прототипа, надежность крепления металлической накладки достигается тем, что металлическая накладка защемлена в профильных отверстиях сепараторов опорного кольца и покрывного диска, а с наружных сторон покрыта композиционным материалом. Для исключения сближения сепараторов опорного кольца 4 и покрывного диска 6 металлическая накладка 10, которой окантована входная кромка 11, имеет выступ 12 (фиг. 2, 3, 4) высотой Г равной расстоянию Д между аэродинамическими поверхностями, находясь с ними в полном контакте, сепараторов опорного кольца и покрывного диска. Боковые поверхности 13 и 14 выступа 12 (фиг. 4) выполняются по аэродинамическим размерам входной кромки лопатки, а длина Ж выступа 12 равна расстоянию К от профильных отверстий в сепараторах для крепления лопаток до кольцевых экранов 8 и 9 на входном диаметре сепараторов 4 и 6. Для усиления конструкции колеса от разрушения под действием центробежных сил сепараторы 4 и 6 с наружной стороны удерживаются лапами 15 и 16, которые выполнены на концах металлической накладки 10, а расстояние Л между выступом 12 и лапами 15 и 16 равно толщине сепаратора в месте контакта с указанными элементами (фиг. 2, 3, 5).
Данным изобретением решается задача создания монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением высокой прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов, при этом наличие выступа на металлической накладке исключает сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска во время эксплуатации. Наличие лап на концах металлической накладки увеличивают сопротивление разрушению колеса от центробежных сил.