Способ изготовления рабочего колеса авиационного двигателя из композиционного материала
METHOD FOR MANUFACTURING AN AIRCRAFT ENGINE IMPELLER FROM A COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области турбостроения, точнее к способам изготовления рабочих колес компрессора из композиционного материала для газотурбинных двигателе, преимущественно авиационного.
Защищенный патентом (RU №25002601, опубл. 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.
Данным изобретением не обеспечивается необходимая жесткость рабочего колеса из композиционного материала при огромных центробежных силах, возникающих при работе компрессора. Рабочее колесо авиационного двигателя из композиционного материала (RU №2679956, опубл. 14.02.2019 г.), включающее лопатки, неразъемно выполненные с опорным кольцом, имеющим аэродинамический профиль. Передний и задний фланцы собранные в монолитный узел, при этом лопатки хвостовиками неразъемно соединены с передним и задним фланцами и защемлены межлопаточным креплением, выполненным по форме поверхности, ограниченной хвостовиками лопаток на опорном кольце, переднем и заднем фланцами, также хвостовики усилены межлопаточным креплением по форме поверхности хвостовика, а задний фланец - дополнительным межлопаточным креплением, выполненным по форме поверхности заднего фланца между хвостовиками. Входная кромка лопатки окантована металлической накладкой, которая снабжена стопором в виде поперечной пластины, плотно контактирующей с композиционным материалом хвостовика, межлопаточных креплений переднего фланца и хвостовика.
Данным патентом защищен и способ изготовления указанного рабочего колеса авиационного двигателя из композиционного материала. Раскрой материала для заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца с аэродинамическим профилем включает резку материала от места контакта с задней кромкой лопатки вдоль диаметра, с образованием секторов, которые укладываются в пресс-форму внахлестку, увеличивая прочность заднего фланца. Раскрой слоев композиционного материала для лопаток осуществляют с обеспечением выхода материала за пределы контура хвостовика лопатки со стороны, примыкающей к переднему фланцу, по форме поверхности, ограниченной хвостовиками на опорном кольце, передним и задним фланцах, дополнительно по форме хвостовика и по форме поверхности на заднем фланце между хвостовиками, а со стороны, примыкающей к заднему фланцу, по форме поверхности заднего фланца между хвостовиками, предназначенного для защемления хвостовика в качестве межлопаточного крепления. Прессование лопаток производят совместно с металлической накладкой на входной кромке, при этом сохраняют материал, выходящий за контур хвостовика, в исходном состоянии, а пропитывают его связующим перед укладкой в сепаратор. Укладку в пресс-форму заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца, с расположением частей упомянутой заготовки в полости сепаратора пресс-формы, предназначенной для оформления переднего фланца, аэродинамического профиля опорного кольца, последующую укладку лопаток в прорези сепаратора, обеспечивающего номинальное расположение лопаток на опорном кольце, затем производят предварительное формирование межлопаточного крепления на переднем фланце и опорном кольце, при этом металлическую накладку и ее стопор защемляют хвостовиком лопатки, передним фланцем и межлопаточным креплением. Устанавливают в пресс-форму эластичный пуансон, предназначенный для формирования внутренних поверхностей переднего и заднего фланцев и опорного кольца, на который укладывают слои материала межлопаточного крепления и заднего фланца. Устанавливают нажимной пуансон пресс-формы и скрепляют его с сепаратором. Образование монолитного рабочего колеса достигают прессованием путем подачи давления на эластичный пуансон.
Конструкция рабочего колеса компрессора, предложенная выше указанным изобретением, не обеспечивает достаточной жесткости изделия при огромных центробежных нагрузках, возникающих при работе компрессора.
Данным изобретением решается задача создания рабочего колеса из композиционного материала повышенной прочности и жесткости за счет применения ступицы из композиционного материала, монолитно соединенной с передним и задним фланцами.
Поставленная цель достигается тем, что предварительно изготовленные кольцевые слои ступицы встраивается в рабочее колесо при его окончательном изготовлении.
Фиг. 1, фиг. 2 - общий вид рабочего колеса.
Фиг. 3 - раскрой слоя композиционного материала для формирования переднего и заднего фланцев и опорного кольца.
Фиг. 4 - раскрой слоя композиционного материала лопатки.
Фиг. 5 - пресс-форма для изготовления лопатки.
Фиг. 6 - сечение пресс-формы с лопаткой.
Фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10 - пресс-форма для сборки и прессования рабочего колеса.
Рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2) включает лопатки 1 (аэродинамический профиль условно не показан), опорное кольцо 2, передний 3 и задний 4 фланцы. Опорное кольцо 2 формируется из части 5 с аэродинамическим профилем и межлопаточного крепления опорного кольца 6. Из слоев композиционного материала (фиг. 3) оформляют часть 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца 2, передний 3 и задний 4 фланцы, у которых площадь 7 переднего и площадь 8 заднего фланцев неразъемно связаны со ступицей 9, создавая монолитное рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2). Прочное закрепление хвостовика 10 лопатки в рабочем колесе достигается межлопаточным креплением, включающим межлопаточное крепление опорного кольца 6 и межлопаточного крепления переднего 11 и заднего 12 фланцев, а также межлопаточным креплением 13 по форме хвостовика (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).
Способ изготовления рабочего колеса заключается в раскрое различных размеров слоев композиционного материала лопатки 1 (фиг. 4), при этом слои раскраиваются с учетом, что часть материала (фиг. 1, фиг. 2) по форме внутренних поверхностей на части 5 опорного кольца, на переднем 3 и на заднем 4 фланцах, ограниченных хвостовиками 10 лопаток 1, выходит за контур от продольной оси хвостовика 10 межлопаточное крепление 6 опорного кольца, межлопаточное крепление переднего 11 и заднего 12 фланцев, а также по форме хвостовика 10 лопатки 1 межлопаточным креплением 13 (фиг. 4).
Также производят раскрой слоев композиционного материала (фиг. 3) для формирования переднего 3 и заднего 4 фланцев, части 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца 2, площадь 7 переднего и площадь 8 заднего фланцев для неразъемного соединения со ступицей 9 (фиг. 1, фиг. 2) На материале заднего 4 фланца выполнены разрезы 14 от места взаимодействия с задней кромкой 15 пера лопатки по диаметру заднего фланца рабочего колеса (фиг. 3). Количество секторов 16 соответствует количеству лопаток рабочего колеса. Далее каждый слой (фиг. 4), из которых формируют лопатку 1 с хвостовиком 10, пропитывают связующим, выкладывают в матрице 17 (фиг. 5, фиг. 6) пресс-формы, устанавливают пуансон 18 и проводят прессование в соответствии с технологическим режимом. Материал межлопаточных креплений опорного кольца 6, переднего 11 и заднего 12 фланцев и хвостовика 13 остается в исходном состоянии.
Затем пропитывают связующим слои, кроме площадей 7 и 8, (фиг. 3) и выкладывают их в пресс-форме, центрируя отверстием 26 съемным фиксатором 25, обеспечивая номинальное положение в пресс-форме, при этом композиционный материал переднего фланца 3 укладывают в полость 19 сепаратора 20 (фиг. 7), где формируется фланец 3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 7), а формирование части 5 с аэродинамическим профилем опорного кольца 2 производится в полости 21 сепаратора 20 (фиг. 7). При укладке слоя из композиционного материала в пресс-форму совмещают прорези 22 (фиг. 3) с прорезями 23 сепаратора 20 (фиг. 9). Далее в прорези 22 раскроя (фиг. 3) и в прорези 23 сепаратора 20 (фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9) вставляют лопатки 1 до упора в корпус 24 пресс-формы. Укладывают материал межлопаточного крепления 6, 11, 13 (фиг. 4, 7, 9), предварительно пропитав связующим, в полостях 19, 21 сепаратора 20, производят предварительное формирование межлопаточных креплений переднего фланца 11, опорного кольца 6 и хвостовика 13. Затем в пресс-форму устанавливают эластичный пуансон 27 (фиг. 8), например, из резины, полиуретана и т.д. На лею укладывают пропитанный связующим материал межлопаточного крепления заднего фланца 12 (фиг. 8), затем кладут материал заднего фланца 4 секторов 16 внахлестку. Далее устанавливают нажимной пуансон 28 (фиг. 8) и скрепляют его с сепаратором 20, например, болтами. Удаляют сменный фиксатор 25, на эластичный пуансон 27 дают давление, например, конусом 29 (фиг. 8), под действием которого эластичный пуансон 27 создает давление на композиционный материал, предназначенный для оформления: опорного кольца 2, содержащего часть 5 с аэродинамическим профилем и межлопаточного крепления 6 (фиг. 1, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9), переднего фланца 3 с межлопаточным креплением 11, заднего фланца 4 с межлопаточным креплением 12 и межлопаточного крепления хвостовика 13. Таким образом, эластичный пуансон создает давление на детали из композиционного материала, соединяя их в единое целое. После полимеризации, указанных выше деталей, удаляют конус 29 и эластичный пуансон 27, пропитывают связующим площадь 7 переднею фланца 3 и площадь 8 заднего фланца 4, устанавливают сменный фиксатор 25 и на него нанизывают, заранее подготовленные кольцевые слои ступицы 9 (фиг. 1), таким образом обеспечивается номинальное расположение ступицы. Далее на ступицу укладывают внахлестку площадь 8 сектора 16 заднего фланца 4, на которую устанавливают кольцевой нажимной пуансон 30, к нему прикладывают необходимое давление и проводят операцию полимеризации.
После разборки пресс-формы получают монолитное рабочее колесо (фиг. 1, фиг. 2). Данным изобретением решается задача создания высоконагруженного рабочего колеса авиационного двигателя из композиционного материала повышенной прочности и жесткости при значительном снижении массы по сравнению с металлической конструкцией.