РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области машиностроения, точнее касается рабочего колеса компрессора из композиционного материала.
Известны вентиляторы, содержащие лопатки, подлежащие креплению в ступице ротора, изготовленные из композиционного материала. Основание лопатки содержит металлическое кольцо со средствами для крепления лопатки к ступице (патент РФ №2172434, опубл. 2001 г.).
Известно рабочее колесо компрессора, содержащее отдельные сектора из слоистого композиционного материала на полимерной основе, объединенные в рабочее колесо несущими силовыми кольцами из композиционного материала (патент РФ №2382910, приор. 18.11.2008). Каждый сектор включает одну рабочую лопатку, хвостовая часть которой выполнена в виде ножки с криволинейной геометрией, определяемой полками, разделенными пазами, размещенными по высоте ножки, под соответствующие силовые кольца, размещенные в этих пазах. Напряжения во всех элементах рабочего колеса снижали многопараметрической оптимизацией напряжений, что сложно, недостаточно эффективно, а, иногда, недостижимо.
Наиболее близким техническим решением является рабочее колесо компрессора из композиционного материала (патент РФ №2239100, опубл. 2004 г.), содержащее отдельные секторы - профилированные рабочие лопатки, выполненные зацело с ножкой, объединенные в рабочее колесо поддерживающими элементами - несущими силовыми кольцами. В ножке выполнены опорные элементы в виде паза. Ширина паза не менее ширины кольца. Каждый сектор включает одну рабочую лопатку, хвостовая часть (основание) которой выполнена в виде ножки с полками, разделенными пазами под несущие силовые кольца и размещенные в этих пазах. Для изготовления рабочих лопаток с ножкой использовали композиционный материал из углеродной ткани, например, углепластик на тканной саржевой основе. Для колец применен углепластик, однонаправлено армированный углеродными волокнами на эпоксидном связующем.
Указанные кольца испытывают существенные силовые нагрузки, из-за которых могут возникнуть поломки рабочего колеса, т.е. исчерпание несущей способности рабочего колеса.
В основу полезной модели положена задача, заключающаяся в повышении прочности рабочего колеса компрессора из композиционного материала, предназначенного для центробежного компрессора авиационных газотурбинных двигателей.
Техническим результатом является разгрузка от окружных, радиальных и сдвиговых напряжений элементов рабочего колеса центробежного компрессора - силовых колец, сегментов диска, приводящая к повышению несущей способности рабочего колеса.
Поставленная задача решается тем, что рабочее колесо компрессора из композиционного материала, содержащее отдельные выполненные из углеродной ткани сегменты, объединенные в рабочее колесо клеем и силовыми кольцами, причем каждый сегмент включает дисковую часть и лопаточную с полками, разделенными пазами под силовые кольца, дополнительно содержит армирующий слой из углеродной ткани, уложенный по полкам и пазам каждого сегмента, образующий лабиринтную форму с горизонтальной и вертикальной ориентацией плетения ткани с армированием в направлении главных осей напряжений в угловых точках.
Целесообразно, чтобы силовые кольца были установлены в пазах с натягом. Рабочее колесо может быть выполнено из 20 сегментов.
В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и фигурами, где
на фиг.1 показан сегмент рабочего колеса из композиционного материала;
на фиг.2 показан фрагмент рабочего колеса;
на фиг.3 показана схема распределения нагрузок в материале сегмента;
на фиг.4 показана схема распределение нагрузок в материале силового кольца;
на фиг.5 показана схема волокон горизонтального и вертикального плетения ткани армирующего слоя, согласно полезной модели;
на фиг.6 показан вид А фрагмента рабочего колеса фиг.2 иллюстрирующий распределение нагрузок в рабочем колесе, согласно полезной модели.
Рабочее колесо компрессора из композиционного материала содержит отдельные, выполненные из углеродной ткани, сегменты, объединенные в рабочее колесо клеем и силовыми кольцами. Число сегментов может быть различно. В данной конструкции компрессора, предназначенного для центробежного компрессора авиационных газотурбинных двигателей, колесо имеет одинаковое количество сегментов и лопаток (20 штук).
На фиг.1 показан сегмент рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала и фрагмент рабочего колеса на фиг.2 (разрез). Сегмент включает дисковую часть 1, лопаточную часть 2 с полками, разделенными пазами 3 под силовые кольца.
Сегменты объединены в рабочее колесо клеем и силовыми кольцами, которые вставлены в пазы 3.
х
z
х
z.
y
Сегмент сформирован монослоями углеродной ткани, пропитанными связующим. Уложенные друг на друга монослои сегмента раскроенной ткани из углеродного волокна саржевого или полотняного переплетения содержат в плетении нити продольного направления X и поперечного направления Z (фиг.3). Разрывная нагрузка Р в продольном Р и поперечном P направлении нитей плетения высока и равна Р=P, то есть в этих направлениях имеется высокая прочность. Однако в направлении по высоте Y (по толщине ткани) отсутствует плетение и характеристики прочности в направлении Р определяются прочностью связующего, прочность которого значительно ниже характеристик прочности углеродного волокна.
Силовые кольца (фиг.4) имеют в окружном направлении однонаправленную структуру плетения только по Y. При вращении рабочего колеса силовые кольца удерживают сегменты в поле центробежных сил, при этом возникают большие напряжения сжатия в пазах 3. В направлении X и в направлении Z прочность кольца зависит от прочности связующего, прочность которого значительно ниже характеристик прочности углеродного волокна.
Рабочее колесо компрессора, согласно полезной модели, дополнительно содержит армирующий слой 9 из углеродной равнопрочной ткани. Армирующий слой может быть изготовлен из той же монослойной углеродной ткани, что и сегменты рабочего колеса. Армирующий слой 9 уложен по полкам и пазам 3 каждого сегмента рабочего колеса. Армирующий слой 9 образует лабиринтную форму, определяемую геометрией полок и пазов, с горизонтальными и вертикальными слоями, в которых ткань имеет соответственно горизонтальное и вертикальное направления плетения (фиг.5 и фиг.6), которые согласуются с направлениями главных напряжений.
При изготовлении сегмента рабочего колеса набирают пакет из монослоев углеродной ткани определенного переплетения (саржевого, например, или полотняного) с определенной ориентацией волокон в слоях, пропитанных связующим.
После выкладки пакета в технологическую оснастку происходит его прессование в сегмент и отверждение связующего при заданной термообработке.
Изготовленные сегменты собирают на специальной сборочной оснастке и склеивают между собой.
После сборки сегментов в полученные пазы 3 укладывают армирующий слой 9 и с натягом устанавливают силовые кольца.
При вращении рабочего колеса компрессора горизонтальный слой, состоящий из волокон горизонтального плетения ткани армирующего слоя 9, создает армирование в окружном Y направлении и осевом Z направлении, совпадающем с основным главным напряжением; вертикальный слой из волокон вертикального плетения ткани - в окружном Y направлении и осевом Z направлении, также совпадающем с основным главным напряжением.
Тем самым армирующий слой 9 производит перераспределение нагрузок от центробежных и газодинамических сил и разгружает силовые кольца. Расчеты показали, что дополнительный армирующий слой разгружает силовые кольца от окружных напряжений на 6,5%, снижает радиальные напряжения в силовых кольцах на 5%, снижает напряжение сдвига в дисковой части сегментов (плоскости XZ) на 20%, что в общем увеличивает прочность рабочего колеса компрессора из композиционного материала, то есть дополнительный армирующий слой обеспечивает создание технического результата, которым является разгрузка от окружных, радиальных и сдвиговых напряжений элементов рабочего колеса компрессора - силовых колец, сегментов диска, приводящая к повышению несущей способности рабочего колеса.
Полезная модель может быть использована для рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала для авиационных газотурбинных двигателей.