РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER FROM COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF MAKING THEREOF

Изобретение относится к области турбинного машиностроения, 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, ракетной технике, автомобильном двигателестроении и других отраслях промышленности.
Известно рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления (патент RU №2239100, кл. F04D 29/26, опубл. 30.10.2002 г.). Рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала, содержащее рабочие лопатки, прикрепленные своими опорными элементами соответственно к радиально расположенным друг относительно друга поддерживающими элементами, рабочие лопатки выполнены продольными, зацело с ножкой, соединяющей перо и опорные элементы лопатки, при этом колесо снабжено профильными проставками, каждая из которых повторяет форму ножки лопатки, выполнена между соседними ножками лопаток и соединена с ними, имеет опорные элементы и хотя бы одну полость облегчения. При этом поддерживающий элемент представляет собой колесо, а каждый опорный элемент лопаток и проставок выполнен в виде паза, ширина которого не менее ширины кольца. Ножки лопаток и проставки выполнены с усиливающим элементом.
Для изготовления предлагаемого рабочего колеса центробежного компрессора предлагается способ, который позволяет производить полости облегчения, имеющиеся в конструкции колеса, без нарушения целостности структуры материала. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающем раскрой слоев материала лопаток с опорными элементами, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток с опорными элементами и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме с последующим соединением по контактирующим поверхностям поддерживающих элементов и опорных элементов лопаток и прессованием колеса. Лопатку с ножкой выкраивают зацело с проставкой из различных по размерам слоев материала, выкладывают в пресс-форме и устанавливают в проставке закладной элемент, удаляемый после прессования, а после установки и центровки лопаток с опорными элементами и проставками и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме их соединяют между собой по контактирующим поверхностям, при этом поддерживающий элемент изготавливают методом намотки протяжных композиционных материалов на оправку с последующим прессованием в пресс-форме.
По данному изобретению достигается получение монолитного рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, однако в конструкции и способе его изготовления имеются недостатки: относительно повышенная масса колеса; для установки поддерживающего элемента необходимо проточить кольцевую канавку, при этом перерезаются волокна композиционного материала, что снижает прочность колеса.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному рабочему колесу является «Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала» (патент RU №2432502, кл. F04D 29/28, опубл. 27.10.2011 г.), взятый в качестве прототипа. Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающий раскрой слоев материала лопаток, прессование их в 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 лопатки 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 корневом 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 формируют 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 кромки удается разместить небольшое количество слоев композиционного материала. Такая кромка недостаточно прочная, чтобы выдерживать 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.
Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением высокой точности изготовления и прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдерживать удары посторонних предметов.
Поставленная цель достигается тем, что для установки лопаток в пресс-форму и фиксации их в номинальном положении применяют сепараторы опорного кольца и покрывного диска, изготовленных, например, из титанового сплава, а входная кромка лопатки окантована металлической накладкой. В сепараторе опорного кольца выполнены отверстия по форме корневого сечения пера лопатки, а в сепараторе покрывного диска - по форме периферийного сечения пера лопатки. Такая конструкция обеспечивает высокоточное номинальное расположение лопаток в рабочем колесе, кроме того, металлическая накладка, окантовывающая входную кромку пера лопатки, прочно закреплена между сепараторами опорного кольца и покрывного диска. Для сборки колеса ранее изготовленные лопатки, с окантованными входными кромками металлическими накладками, вставляются в щелевые отверстия сепаратора опорного кольца, фиксируясь в последнем наметкой опорного кольца на корневом сечении пера лопатки, а ее металлическая накладка не выходит за пределы аэродинамической поверхности сепаратора опорного кольца, а периферийное сечение фиксируется в отверстии сепаратора покрывного диска, при этом металлическая накладка на входной кромке проходит за пределы аэродинамической поверхности сепаратора покрывного диска, затем на наружных поверхностях опорного кольца и покрывного диска предварительно формируют композиционную часть опорного кольца и покрывного диска. Собранное колесо помещают в пресс-форму и проводят операцию окончательного формообразования.
Настоящее изобретение поясняется следующими фигурами:
на фиг. 1 показан общий вид рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, на фиг. 2 представлено сечение рабочего колеса центробежного компрессора, на фиг. 3 - вход газового тракта, на фиг. 4 - лопатка после прессования, на фиг. 5 - сечение входной кромки лопатки, на фиг. 6 - крепление металлической накладки на входной кромке, на фиг. 7 - сепаратор опорного кольца, на фиг. 8 - сепаратор покрывного диска, на фиг. 9 - раскрой материала для рабочих лопаток, на фиг. 10 - пресс-форма для изготовления лопаток, на фиг. 11 - сечение лопатки, на фиг. 12 - приспособление для предварительной сборки, на фиг. 13 - пресс-форма для окончательного прессования.
Рабочее колесо центробежного компрессора (фиг. 1, фиг. 2) включает рабочие лопатки 1, опорное кольцо 2 и покрывной диск 3, при этом опорное кольцо 2 состоит из металлического сепаратора опорного кольца 4 и композиционного материала 5, а покрывной диск 3 состоит из металлического сепаратора покрывного диска 6 и композиционного материала 7. В качестве металла используется, например, титановый сплав. Сепараторы опорного кольца 4 и покрывного диска 6 на входном диаметре имеют кольцевой экран 8 и 9 соответственно, которые защищают композиционный материал опорного кольца 5 и покрывного диска 7 от удара посторонними предметами (фиг. 1, фиг. 3). У лопатки 1 входная кромка окантована металлической накладкой 10 (фиг. 4, фиг. 5), защищающей входную кромку 11 от удара посторонними предметами. Особая задача в конструкции лопаток из композиционных материалов - надежное крепление металлической накладки кромке пера. В данном изобретении надежность крепления металлической накладки достигается тем, что накладка 10 защемляется в отверстиях 12 и 13 (фиг. 7, фиг. 8) сепараторов опорного кольца 4 и покрывного диска 6 (фиг. 6) соответственно, а с наружной стороны опорного кольца 2 и покрывного диска 3 металлическую накладку 10 (фиг. 6) прикрывает композиционный материал 5 и 7 соответственно. Таким образом, прочно закрепленная металлическая накладка защитит входную кромку лопатки, а кольцевые экраны сепараторов опорного кольца и покрывного диска сохранят композиционный материал входных диаметров от удара посторонних предметов, при этом достигается высокая точность размеров колеса, в т.ч. газового тракта.
Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора заключается в раскрое различных размеров слоев материала лопатки 1, при этом за контур лопатки выходит часть материала 14 и 15 (фиг. 9), из которого будет сформировано часть опорного кольца 5 и покрывного диска 7 (фиг. 1, фиг. 2). Количество слоев и их размеры рассчитываются для каждого конкретного колеса и конфигурации лопатки. Каждый слой пропитывается связующим в зоне 1 и за пределами контура лопатки со стороны корневого сечения 14 на 1…20 мм (фиг. 9). После этого слои выкладываются вместе с металлической накладкой на входной кромке в матрице 16 (фиг. 10) пресс-формы, устанавливается пуансон 17 и проводится прессование в соответствии с технологическим режимом для применяемого композиционного материала. После разборки пресс-формы получается лопатка 1 (фиг. 4), на корневом сечении которой образована длиной 1…20 мм наметка 18 (фиг. 11) части 5 опорного кольца (фиг. 1), на периферийном сечении - материал 19 в исходном состоянии для части 7 покрывного диска, а на входной кромке - металлическая накладка. Далее сепараторы устанавливаются строго в определенном положении и фиксируются, например, конусным зажимом 25 в приспособлении (фиг. 12) для сборки колеса компрессора. Сборочное приспособление обеспечивает номинальное расположение лопаток в соответствии с требованием конструкторской документации. Затем лопатки 1 устанавливаются в сепараторы 5 и 6 (фиг. 7, фиг. 8, фиг. 12), основные внутренние размеры которых соответствуют размерам газового тракта 21 (фиг. 2) рабочего колеса компрессора, при этом наметка 18 фиксирует лопатку в радиальном направлении, а материал 19 (фиг. 11) проходит через пазы 13 сепаратора покрывного диска (фиг. 8). Далее материал 19, 20 (фиг. 11) пропитывают связующем и производят предварительную формовку на наружных поверхностях 26 и 22 сепараторов (фиг. 8, фиг. 7) соответственно. Затем предварительно собранное колесо вместе с сепараторами устанавливается на пуансон 23 и в матрицу 24 пресс-формы (фиг. 13) и проводится прессование по режиму, соответствующему для композиционного материала, из которого изготавливают рабочее колесо центробежного компрессора.
Данным изобретением решается задача создания высоконагруженной конструкции монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала высокой точности, с низкими технологическими затратами и с надежной защитой входной кромки лопатки и входных и аэродинамических поверхностей опорного кольца и покрывного диска из композиционного материала от удара посторонними предметами.