Композиционная лопатка компрессора

 

Использование: в компрессоро- и насосостроении. Сущность изобретения: композиционная лопатка компрессора содержит перо, выполненное из материала основы с армирующим элементом из нитей углеродного волокна, расположенных равномерно по объему пера по меньшей мере в двух направлениях, при этом объем нитей составляет 0,2 - 0,5 объема пера, а основа выполнена из пиролитического углерода. 1 ил.

Изобретение относится к турбомашиностроению и может быть использовано в области компрессоро- и насосостроения, в частности в лопатках пластинчато-роторных компрессоров или насосов.

Известна лопатка, содержащая перо, выполненное из материала основы с армирующим элементом в виде пучка нитей, размещенного в материале основы [1] .

Такая лопатка обладает недостаточной прочностью в направлении, перпендикулярном направлению нитей, потому что армирование произведено в одном направлении, а нити в пучке расположены неравномерно. Кроме того, температура эксплуатации недостаточно высока, так как в качестве материала основы используется полимерный материал с температурой переработки 150-170^оС.

Частично эти недостатки устраняются в лопатке компрессора, содержащей перо, выполненное из материала основы с армирующим элементом из нитей углеродного волокна, расположенных равномерно по объему пера по меньшей мере в двух направлениях [2] .

Расположение нитей углеродного волокна равномерно по объему позволяет получить изотропный материал по крайней мере в двух направлениях и тем самым несколько повысить прочностные характеристики материала лопатки.

Однако эта лопатка не обладает оптимальным соотношением физико-механических характеристик и, кроме того, температура эксплуатации ее недостаточно высока.

Изобретение позволяет оптимизировать физико-механические характеристики лопатки и улучшить ее эксплуатационные характеристики (повысить температуру эксплуатации до 500^оС) за счет оптимального количественного соотношения материала основы и армирующего элемента, а также за счет уменьшения различия в коэффициентах линейного расширения материала основы и армирующего элемента.

На чертеже показан фрагмент лопатки компрессора.

Композиционная лопатка компрессора, содержит перо, выполненное из материала основы 1 с армирующим элементом 2 из нитей углеродного волокна, расположенных равномерно по объему пера по меньшей мере в двух направлениях, объем нитей составляет 0,2-0,5 объема пера, а основа 1 выполнена из пиролитического углерода.

Лопатка изготовлена следующим образом.

Сначала изготавливается армирующий элемент, при этом могут быть самые различные варианты. Оптимальным является изготовление армирующего элемента путем сшивки пакета, набранного из углеродной ткани Урал ТМ/4-22 углеродной нитью Урал-НШ. Размеры пакета 500х500 мм, а толщина набирается с учетом припуска на механическую обработку.

Армирующий элемент может быть изготовлен из специальной многослойной углеродной ткани типа ТНУ без прошивки, а также путем плетения армирующего элемента из углеродной нити, например, в 3-х, 4-х направлениях.

Далее партия пакетов устанавливается в печь, где происходит осаждение из углеродсодержащего газа, например, природного, пиролитического углерода на углеродные волокна армирующего элемента и заполнение им межволоконного пространства. Процесс обычно идет при температуре порядка 1000^оС. Затем полученные заготовки обрабатываются в соответствии с конструкторской документацией твердосплавным инструментом.

Лопатка (обычно в комплект входит 6 лопаток) устанавливается в продольный паз ротора, где совершает возвратно-поступательное перемещение при каждом обороте ротора. Далее, скользя по поверхности камеры компрессора продольной кромкой, она выходит из паза под действием центробежных сил на величину зазора между поверхностью ротора и внутренней поверхностью камеры компрессора, затем входит в паз при уменьшении зазора. При этом под действием рабочей среды (сжимаемого газа или перекачиваемой жидкости) лопатка испытывает циклические нагрузки, приводящие к образованию трещин вдоль расположения пучка нитей и разрушению лопатки, так как материал основы значительно уступает по прочности армирующему элементу.

При доле армирующего элемента 0,2-0,5 объем лопатки, возникновение трещин по этой причине устраняется, кроме того, использование углеродного волокна и пиролитического углерода повышает антифрикционные свойства лопатки при трении ее продольной кромки по поверхности компрессора. (56) Авторское свидетельство СССР N 994782, кл. F 01 D 5/28, опублик. 1984.

Патент Франции N 2035352, кл. B 29 C 27/00, опублик. 1971.

Формула изобретения

КОМПОЗИЦИОННАЯ ЛОПАТКА КОМПРЕССОРА, содержащая перо, выполненное из материала основы с армирующим элементом из нитей углеродного волокна, расположенных равномерно по объему пера по меньшей мере в двух направлениях, отличающаяся тем, что объем нитей составляет 0,2 - 0,5 объема пера, а основа выполнена из пиролитического углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1