Рабочее колесо вентилятора и компрессора и способ его изготовления из композиционного материала
WORKING WHEEL OF THE FAN AND COMPRESSOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURE FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области турбостроения, точнее к конструкциям рабочих колес вентилятора и компрессора и способам их изготовления из композиционного материала для газотурбинного двигателя, преимущественно авиационного.
Стремление снизить удельную массу рабочего колеса вентилятора и компрессора привело к созданию различных конструкций. Известны изобретения, направленные на снижение массы вентиляторной лопатки (патент RU №2412917, опуб. 20.02.2011 г.; патент RU №2338886, опуб. 21.11.2008 г.), которыми предусмотрено изготовление полых лопаток, что снижает их массу по сравнению с цельнометаллическими лопатками, однако резко увеличивается стоимость полых лопаток, т.к. значительно усложняется их производство.
Получило широкое развитие использование композиционных материалов для изготовления различных деталей летательных аппаратов, в т.ч. газотурбинных двигателей. Ряд изобретений (патент RU №2413590, опубл. 10.03.2011 г.; патент RU №2462620, опубл. 27.09.2012 г.) направлен на создание из композиционных материалов лопаток, которые по своим техническим характеристикам не уступают титановым лопатками, но значительно снижают массу вентилятора и компрессора, при этом трудоемкость производства композиционных лопаток намного ниже по сравнению с полыми лопатками. Но остается узким местом в конструкции изделия крепление лопаток из композиционного материала к ободу титанового диска.
Известно изобретение (патент RU №2382910, опубл. 27.02.2010 г.), согласно которому рабочее колесо компрессора, содержащее отдельные сектора из слоистого композиционного материала на полимерной основе, объединенные в рабочее колесо несущими силовыми кольцами из композиционного материала, а сектор включает 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. Такая конструкция значительно легче по массе узла, состоящего из лопаток, закрепленных на титановом диске. Однако наличие пазов на ножке (хвостовике) снижает прочность всей конструкции, т.к. в ножке волокна композиционного материала перерезаны. При использовании композиционного материала необходимо стремиться к тому, чтобы последний работал на растяжение, что позволит создать наиболее прочную конструкцию.
Тенденция развития авиационных двигателей идет в сторону увеличения широкохордности лопаток и уменьшения толщины их входной кромки. Это, в свою очередь, приводит к тому, что в зоне входной кромки удается разместить небольшое количество слоев композиционного материала. Такая входная кромка недостаточно прочная, чтобы выдержать удары посторонних предметов, включая птиц.
Для повышения работоспособности, прочности, увеличения ресурса и надежности работы авторы патента (RU №2282726, опубл. 27.08.2006 г.) предлагают конструкцию композиционной лопатки, содержащей перо, выполненное из чередующихся и ориентированных слоев из композиционного материала, соединенных между собой связующим материалом, и металлические накладки с поперечными прорезями, расположенные на входной и выходной кромках пера лопатки, при этом накладки имеют развитые ступенчатые заглубляемые окончания, уходящие во внутренние слои композиционного материала пера лопатки, и на заглубленных окончаниях металлических накладок у каждой поперечной прорези выполнены отверстия диаметром больше ширины прорезей.
Данная конструкция может применяться для лопаток, имеющих достаточно толстое перо, чтобы заглубить окончания металлических накладок. Но при современной тенденции к утонению пера лопатки на кромках окажется недостаточный слой композиционного материала, чтобы создать прочную конструкцию кромок лопаток.
Известен способ изготовления композиционной лопатки газотурбинного двигателя и лопатки, полученной при помощи этого способа (патент RU №2413590, опубл. 10.03.2011 г.), согласно которому путем трехмерного тканья нитей выполняют заготовку, содержащую разметочные нити, расположенные по меньшей мере на поверхности заготовки. Далее заготовку разрезают, оставляя не тронутыми ряд разметочных нитей, расположенных вдоль контрольной стороны заготовки, и предварительно деформируют и уточняют. Готовят пресс-форму для формования под давлением, в которую помещают металлический защитный элемент, предохраняющий переднюю кромку, упрочненную заготовку, и впрыскивают в нее связующее, содержащее термоотверждающуюся смолу. Этим же патентом защищается конструкция лопатки, содержащая перо, входная кромка которого окантована металлическим защитным элементом, ножку (хвостовик) и переходную зону, соединяющую перо и ножку. Лопатку изготавливают из тканой заготовки.
Способ изготовления и конструкция лопаток, защищаемые данным патентом, могут быть использованы для лопаток, имеющих достаточную толщину кромок, которая обеспечит сдвиговую прочность, необходимую для удержания металлического защитного элемента во время работы двигателя. Учитывая тенденцию уменьшения толщины пера и кромок лопаток, это приводит к тому, что в кромке и примыкающей к ней зоне пера помещается небольшое количество слоев композиционного материала, которые не обеспечат прочности, необходимой для удержания металлической накладки, защищающей входную кромку от удара посторонними предметами.
Защищенный патентом (RU №2502601, опуб. 27.12.2013 г.) способ получения из композиционного материала рабочего колеса компрессора, содержащего рабочие лопатки, опорное кольцо, передний и задний фланцы, включающий раскрой слоев композиционного материала для получения заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца с аэродинамическим профилем. Раскрой слоев композиционного материала для лопаток осуществляют с обеспечением выхода за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения на величину, превышающую длину дуги опорного кольца между соседними лопатками. Затем прессуют лопатки, при этом получают со стороны корневого сечения наметку опорного кольца, а часть слоя композиционного материала остается в исходном состоянии. Далее укладывают в пресс-форму заготовки, предназначенные для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца, с расположением частей упомянутой заготовки в полости сепаратора пресс-формы, где оформляется передний фланец и аэродинамический профиль опорного кольца. Затем укладывают лопатки в прорези сепаратора, обеспечивающего номинальное расположение лопаток на опорном кольце, пропитывают и укладывают слои материала, выходящие за контур лопаток, с обеспечением предварительного формирования опорного кольца. Устанавливают в пресс-форму эластичный пуансон, который формирует внутренние поверхности переднего и заднего фланцев и опорного кольца, на него укладывают слои материала для заднего фланца. Далее устанавливают нажимной пуансон пресс-формы, скрепляют его с сепаратором, создают давление на эластичный пуансон, завершая образование монолитного рабочего колеса компрессора (прототип).
Такой способ применим для колес, у которых малогабаритные лопатки. Для рабочих колес первых ступеней компрессора или вентилятора данный способ неприменим, т.к. место крепления лопатки к опорному кольцу при работе двигателя подвергается действию больших сил, которые не могут компенсироваться данной конструкцией, кроме того, на входной кромке лопатки трудно надежно закрепить защитную металлическую накладку.
Данным изобретением решается задача создания высоконагруженной конструкции рабочего колеса вентилятора и компрессора (далее рабочее колесо) из композиционного материала повышенной прочности и жесткости при значительном снижении удельной массы, при этом входная кромка лопатки надежно защищена от ударов посторонними предметами, включая птиц, металлической накладкой, которая прочно закреплена в рабочем колесе.
Поставленная цель достигается тем, что в рабочем колесе из композиционного материала лопатки выполняются монолитно с опорным кольцом, которое, в свою очередь, соединено монолитно с передним и задним фланцами так, что в сечении вдоль оси колеса образуется швеллерообразная фигура. Лопатка снабжена хвостовиком, который неразъемно соединен с опорным кольцом и с внутренними поверхностями переднего и заднего фланцев, кроме того, для прочности хвостовики усилены межлопаточным креплением из композиционного материала, выполненным по форме поверхности, образованной хвостовиками лопаток на внутренних поверхностях опорного кольца, переднего и заднего фланцев. Металлическая накладка, защищающая входную кромку лопатки, защемлена хвостовиком лопатки, внутренней поверхностью переднего фланца и межлопаточным креплением.
Рабочее колесо содержит лопатки с металлической накладкой на входной кромке, опорное кольцо, передний и задний фланцы, все указанные детали, кроме накладки, изготовленные из композиционных материалов, монолитно соединены. Прочное закрепление в рабочем колесе хвостовика лопаток достигается межлопаточным креплением, монолитно соединенным с опорным кольцом, передним и задним фланцами. Входную кромку лопатки защищает металлическая накладка, защемленная между хвостовиком лопатки, передним фланцем и межлопаточным креплением.
Для изготовления предлагаемого рабочего колеса необходима определенная последовательность технологических действий. При раскрое исходного материала выполняют заготовки лопаток и единые заготовки для опорного кольца, переднего и заднего фланцев. Особенность заготовки лопатки заключается в том, что часть материала по форме внутренних поверхностей на опорном кольце, переднем и заднем фланцах, ограниченных хвостовиками лопаток, выходит за контур хвостовика со стороны, примыкающей к переднему фланцу, а со стороны, примыкающей к заднему фланцу, по форме поверхности на заднем фланце между хвостовиками лопаток. При прессовании аэродинамического профиля пера лопатки и хвостовика совместно с металлической накладкой материал, выходящий за пределы контура хвостовика, остается в исходном состоянии. Раскраивают единые слои материала для переднего и заднего фланцев и опорного кольца, пропитывают связующим, укладывают их в пресс-форму, при этом часть композиционного материала располагают в полости сепаратора пресс-формы, в которой оформляется передний фланец и аэродинамический профиль опорного кольца. Затем лопатки вставляют в сепаратор, обеспечивающий их номинальное расположение в пресс-форме, а это, в свою очередь, выполняет требования конструкторской документации на рабочее колесо. После этого пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура хвостовика лопаток, и предварительно формируют в полости сепаратора в дополнение к имеющемуся там материалу опорного кольца и переднего фланца. Далее в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон, который нижней частью формует передний фланец, периферийной поверхностью опорное кольцо, а на верхнюю поверхность эластичного пуансона укладывают слои композиционного материала, выходящие за пределы контура хвостовика лопатки, на которые укладывают слои композиционного материала для получения заднего фланца. Устанавливают нажимной пуансон, оформляющий под действием эластичного пуансона задний фланец. Дают давление на эластичный пуансон и производят отверждение по режиму, необходимому для конкретного композиционного материала, и разборку пресс-формы известными технологическими приемами. Таким образом, получится монолитное рабочее колесо жесткой и прочной конструкции с минимальной удельной массой, при этом входная кромка лопатки защищена металлической накладкой, прочно защемленной в изделии.
На фиг. 1 и 2 показан общий вид рабочего колеса.
На фиг. 3 изображен раскрой слоя композиционного материала для формирования переднего и заднего фланцев и опорного кольца.
На фиг. 4 представлен раскрой слоя материала лопатки.
На фиг. 5 - сечение металлической накладки и входной кромки.
На фиг. 6 - закрепление в колесе лопатки с металлической накладкой.
На фиг. 7 - пресс-форма для изготовления лопатки.
На фиг. 8 - сечение пресс-формы с лопаткой.
На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 - пресс-форма для сборки и прессования рабочего колеса.
Рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2) содержит лопатки 1 (аэродинамический профиль условно не показан), опорное кольцо 2, передний фланец 3, задний фланец 4. Опорное кольцо 2 формируется из части 5 с аэродинамическим профилем и межлопаточного крепления опорного кольца 6. Из заготовки (фиг. 3) оформляют часть 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца, передний 3 и задний 4 фланцы (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Прочное закрепление хвостика 9 лопатки в рабочем колесе достигается межлопаточным креплением, включающим межлопаточное крепление опорного кольца 6 и межлопаточных креплений переднего 7 и заднего 8 фланцев (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4). Входная кромка 10 лопатки 1 окантована металлической накладкой 11 (фиг. 5), которая защемлена внутри колеса передним фланцем 3, хвостовиком 9, опорным кольцом 2 и межлопаточным креплением переднего фланца 7 (фиг. 1, фиг. 6). Таким образом, хвостовик 9 и металлическая накладка 11 на входной кромке лопатки 1 жестко защемлены в рабочем колесе.
В данной конструкции учитывается, что композиционные материалы имеют наибольшую прочность при растяжении вдоль волокон, а наиболее нагруженным из-за действия центробежных, изгибающих и других сил является место крепления лопаток 1 к опорному кольцу 2, поэтому последнее усиливается передним 3 и задним 4 фланцами, образуя жесткий силовой каркас рабочего колеса, в котором волокна работают преимущественно на растяжения, фланцы являются крепежным элементом, через которые передаются силы, возникающие при вращении колеса. Швеллерообразное сечение силового узла (фланцы и опорное кольцо) обеспечивает высокую удельную прочность всей конструкции рабочего колеса. Для надежного защемления лопатки 1 с металлической накладкой 11 на входной кромке 10 в рабочем колесе и увеличения его жесткости и прочности вводятся межлопаточные крепления опорного кольца 6, переднего 7 и заднего 8 фланцев (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4, фиг. 6), которые монолитно соединены с частью 5 опорного кольца и фланцами.
Способ изготовления рабочего колеса заключается в раскрое различных размеров слоев материала лопатки 1 (фиг. 4), при этом слои раскраивают с учетом, что часть материала (фиг. 1, фиг. 2,) по форме внутренних поверхностей на части 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца, на переднем 3 и заднем 4 фланцах, ограниченных хвостовиками 9 лопаток 1, выходит за контур от продольной оси хвостовика: межлопаточное крепление 6 опорного кольца, межлопаточные крепления переднего 7 и заднего 8 фланцев (фиг. 4).
Также производят раскрой слоев материала (фиг. 3) для формирования переднего 3, заднего 4 фланцев и части 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца 2 (фиг. 1, фиг. 2). Количество слоев, их размеры рассчитываются для каждого конкретного колеса с учетом конфигурации и необходимой прочности лопатки, опорного кольца и фланцев. Далее каждый слой (фиг. 4), из которых формируют лопатку 1 с хвостовиком 9, пропитывают связующим, затем слои вместе с металлической накладкой 11 выкладывают в матрице 12 (фиг. 7, фиг. 8) пресс-формы, устанавливают пуансон 13 и проводят прессование в соответствии с технологическим режимом, для применяемого композиционного материала. Материал межлопаточного крепления опорного кольца 6, межлопаточных креплений переднего 7 и заднего 8 фланцев остается в исходном состоянии. Изготовленная лопатка 1 на входной кромке 10 и хвостовике 9 имеет защитную металлическую накладку 11, которая защищает входную кромку при эксплуатации колеса от удара посторонними предметами (фиг. 5).
Далее пропитывают связующим слои (фиг. 3) и выкладывают их в пресс-форме, при этом композиционный материал переднего фланца 3 укладывают в полость 16 сепаратора 15 (фиг. 9), где и оформляется передний фланец 3 (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 9, фиг. 11), а формирование части 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца 2 производится в полости 17 сепаратора 15 (фиг. 9). При укладке заготовок из композиционного материала в пресс-форму совмещают прорези 18 (фиг. 3) с прорезями 19 сепаратора 15 (фиг. 9, фиг. 10).
Затем в прорези 19 сепаратора 15 (фиг. 10) и в прорези 18 раскроя (фиг. 3) вставляют лопатки 1 вмести с металлической накладкой 11, которая закреплена на входной кромке 10 и хвостовике 9 (фиг. 5, фиг. 6), до упора в корпус 20 пресс-формы (фиг. 9, фиг. 10). Укладывают материал межлопаточного крепления 7 и 6 (фиг. 4, фиг. 9), предварительно пропитав связующим, в полости 16 и 17 сепаратора 15 соответственно, производят предварительное формирование межлопаточного крепления переднего фланца и опорного кольца. Далее в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон 21 (фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11), например, из резины, полиуретана и т.д. На него укладывают пропитанный связующим материал межлопаточного крепления заднего фланца 8 (фиг. 4, фиг. 9, фиг. 11), затем кладут материал заднего фланца 4 (фиг. 3, фиг. 9, фиг. 11), устанавливают нажимной пуансон 22 (фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11), который придает форму и размеры заднему фланцу, и скрепляют его с сепаратором, например, болтами (не показано). На эластичный пуансон 21 подают давление, например, конусом 23 (фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11), под действием которого эластичный пуансон 21 создает давление на композиционный материал, предназначенный для оформления опорного кольца 2, содержащего часть 5 с аэродинамическим профилем и межлопаточное крепление 6 (фиг. 1, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11), переднего фланца 3 с межлопаточным креплением 7, заднего фланца 4 с межлопаточным креплением 8. Таким образом, эластичный пуансон создает давление на детали из композиционного материала, соединяя их в единое целое. Отверждение производится по режиму, соответствующему применяемому материалу для рабочего колеса.
После разборки пресс-формы получится монолитное рабочее колесо (фиг. 1), содержащее опорное колесо 2, передний 3 и задний 4 фланцы, рабочие лопатки 1 с металлической накладкой 11 на входной кромке 10. Хвостовик 9 и металлическая накладка 11 прочно защемлены на опорном кольце 2, между передним 3 и задним 4 фланцами, а также межлопаточными креплениями переднего 3 и заднего 4 фланцев (фиг. 1, фиг. 6).
Данным изобретением решается задача создания высоконагруженного рабочего колеса вентилятора и компрессора из композиционного материала повышенной прочности и жесткости при значительном снижении удельной массы, при этом входная кромка надежно защищена металлической накладкой от ударов посторонними предметами, включая птиц.