Крепление лопатки в держателе из композитного материала путем фиксации

Изобретение относится к механическому сборочному узлу (1) для авиации, содержащему: деталь (3), содержащую присоединяемый конец; углубление, предназначенное для посадки в него детали (3), причем указанное углубление (2) имеет стенку, содержащую композитный материал с органической матрицей; фиксирующий композитный материал (4), содержащий термопластичный или термореактивный материал с содержанием наполнителя от 0 до 70 весовых процентов и образующий механическую и/или физико-химическую связь между указанной деталью (3) и углублением (2) со стенкой из композитного материала с органической матрицей. Достигаются уменьшенная масса, уменьшенные производственные затраты, более простой и менее затратный ремонт, изготовление готовых деталей без доработки после формования. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

[1] Настоящее изобретение относится к технической области сборочных узлов в авиационной отрасли, более конкретно в спрямляющем аппарате компрессора газотурбинного двигателя. В частности, изобретение относится к спрямляющему аппарату компрессора газотурбинного двигателя (к спрямляющей ступени), выполненному из деталей, изготовленных из композитного материала с органической матрицей, и содержащему по меньшей мере один сборочный подузел лопаток, содержащий механический сборочный узел, выполненный путем фиксации.

[2] В контексте данного изобретения «фиксация» относится к операции закрепления детали в держателе посредством полимерного элемента, который может содержать или не содержать наполнитель, путем механической блокировки и/или физико-химического взаимодействия с держателем и/или закрепляемой деталью.

Уровень техники

[3] В настоящее время не известны спрямляющие аппараты компрессоров газотурбинного двигателя, изготовленные из композитного материала, а известны только аппараты, изготовленные из металлов, например из титана (TA6V), стали или алюминия.

[4] Кроме того, лопатки одной и той же ступени, как правило, изготовлены из одного материала и имеют одинаковый профиль, возможно, с небольшими различиями угла калибровки лопаток последней ступени в связи с аэродинамическими показателями.

[5] Наконец, существующие системы расположены на наружном кольце, служащем в качестве кожуха, выполняющего большинство механических функций, на лопатках, прикрепленных первым концом к наружному кольцу путем различных технологических способов сборки (сварки, клепки, соединения болтами), и на относительно гибких внутренних кольцах, имеющих крепление ко второму концу лопаток, которое, однако, не выполняет каких-либо несущих функций.

[6] Сегодня одна из главных проблем использования композитных деталей заключается в их взаимодействии с наружной частью. В настоящем изобретении предлагается решение для сборки деталей различной природы: либо для сборки «металлическая деталь / композитная деталь», либо даже для сборки «композитная деталь / композитная деталь». Благодаря изобретению появляется возможность использования минимального количества металлических средств крепления, создающих много проблем (связанных с массой, относительным расширением и так далее).

[7] В документе ЕР 1493901 описана сборка лопаток и внутреннего кольца спрямляющего аппарата компрессора авиационного двигателя. Каждая лопатка проходит через отверстие, выполненное во внутреннем кольце, при этом она прикреплена к кольцу посредством герметика, содержащего органический полимерный адгезив.

[8] В документе ЕР 1081335 описана сборка статора для роторной машины и, более конкретно, крепление лопаток статора к истираемым деталям внутреннего кольца. Сборочный узел статора содержит термопластическое плечо, содержащее отверстие, предназначенное для крепления в нем хвостовика лопатки статора, и эластомерную истираемую деталь, прикрепленную к плечу посредством адгезивов.

[9] В документе DE 102009010613 описан способ получения замкнутой полосы вокруг лопаток турбины. Полосу волокнистого материала вставляют в основу, расположенную на свободных концах лопаток, после чего волокнистый материал полосы пропитывают матрицей и полимеризуют с образованием композитного материала.

[10] В документе FR 1431558 описана конструкция с лопатками, содержащая корпус и две концентрические структуры, наружную структуру и внутреннюю структуру, причем внутренняя структура смещена относительно внешней структуры посредством разделительных средств, лопатки установлены так, что они зажаты в отверстиях, расположенных одно напротив другого в обеих концентрических структурах, лопатки могут быть приварены, приклеены или прикреплены к наружной структуре, которая зажата в наружном корпусе. В частности, все данные детали конструкции, несущей лопатки, могут быть изготовлены из синтетической смолы и склеены между собой, лопатки могут быть изготовлены из металла и приварены к наружному корпусу.

Задачи изобретения

[11] Данное изобретение направлено на преодоление недостатков, известных из уровня техники.

[12] В частности, задачей изобретения является обеспечение возможности изготовления спрямляющих аппаратов, содержащих лопатки, с малым весом и низкой стоимостью для всех компрессоров, ротор которых выполнен из дисков, барабана или других элементов.

[13] Другой задачей изобретения является обеспечение возможности простого монтажа лопаток спрямляющего аппарата с различными свойствами, позволяющего максимально оптимизировать механическую прочность, а также затраты.

[14] Еще одной задачей изобретения является обеспечение возможности простой сборки и разборки спрямляющего аппарата для облегчения техобслуживания за счет уменьшения количества металлических крепежных деталей.

[15] Также задачей изобретения является обеспечение возможности экономии времени сборки компрессора.

[16] Наконец, задачей изобретения является обеспечение возможности создания долговременного недеформируемого соединения металлических деталей или деталей из композитного материала с органической матрицей с деталями, изготовленными из композитного материала с органической матрицей.

Сущность изобретения

[17] Первым объектом данного изобретения является, в самом общем смысле, механический сборочный узел для авиации, содержащий:

- деталь, содержащую присоединяемый конец;

- углубление со стенкой из композитного материала с органической матрицей, предназначенное для посадки в него указанной детали;

- фиксирующий композитный материал, содержащий термопластичный или термореактивный материал с содержанием наполнителя от 0 до 70 весовых процентов, предпочтительно с короткими волокнами, образующий механическое и/или физико-химическое соединение между указанной деталью и углублением со стенкой из композитного материала с органической матрицей.

[18] Согласно конкретным вариантам изобретения механический сборочный узел содержит по меньшей мере один или подходящую комбинацию из следующих признаков:

- указанная деталь является лопаткой;

- указанная деталь содержит один конец (или хвостовик лопатки), геометрическая форма которого позволяет оптимизировать механическое соединение;

- указанная деталь имеет форму хвостовика лопатки;

- углубление со стенкой из композитного материала с органической матрицей является держателем в форме профиля, предпочтительно в форме П-образного профиля;

- органическая матрица углубления выполнена из термопластичного или термореактивного материала;

- материал углубления со стенкой из композитного материала с органической матрицей и фиксирующий композитный материал идентичны или химически совместимы для обеспечения их химического или физико-химического присоединения друг к другу;

- углубление с термореактивной или термопластичной стенкой из композитного материала с органической матрицей изготавливают способом, выбранным из группы, содержащей формование прессованием, инжекцию термопластичной или термореактивной матрицы, термоотверждение и одновременное отверждение;

- инжектируемый фиксирующий композитный материал изготавливают способом, выбранным из группы, содержащей инжекцию термопластичной или термореактивной матрицы с наполнителем или без наполнителя и формование прессованием.

[19] Вторым объектом данного изобретения является: спрямляющая ступень для компрессора газотурбинного двигателя, содержащая механический сборочный узел группы лопаток и основы, имеющей стенку из композитного материала с органической матрицей для придания жесткости конструкции сборочного узла, согласно вышеописанному принципу, при этом каждая лопатка содержит хвостовик лопатки, а указанное углубление со стенкой из композитного материала с органической матрицей и указанный фиксирующий композитный материал взаимодействуют для фиксации хвостовиков лопаток в углублении.

[20] Согласно конкретным вариантам изобретения спрямляющая ступень содержит по меньшей мере один или подходящую комбинацию из следующих признаков:

- механический сборочный узел в форме кольца или сектора, прикрепленный к наружному кольцу спрямляющей ступени посредством механических крепежных элементов;

- механические крепежные элементы являются зажимными болтами;

- лопатки изготовлены из металла или композитного материала;

- лопатки изготовлены из титана или алюминия.

[21] Третьим объектом изобретения является компрессор газотурбинного двигателя, содержащий одну или большее количество спрямляющих ступеней, описанных выше.

Краткое описание чертежей

[22] На фиг. 1 показан вид в аксонометрии сборочного узла и содержащихся в нем деталей согласно изобретению.

[23] На фиг. 2 схематично показан вид сбоку и вид спереди, соответственно, сборочного узла из композитного материала согласно изобретению, выполненного путем горячего формования и последующей избыточной инжекции.

Обозначения

1. Основные элементы конструкции

2. П-образный профиль

3. Лопатка

3А. Хвостовик лопатки

4. Фиксирующий материал

Описание предпочтительных вариантов изобретения

[24] Сборочный узел в предпочтительном варианте настоящего изобретения, устройство и детали которого показаны в аксонометрии на фиг. 1, по существу выполнен из подузла 1, полученного путем фиксации механического типа между:

- деталью 2, придающей конструктивную жесткость сборочному узлу, предпочтительно имеющей форму профиля, более предпочтительно, форму П-образного профиля, причем деталь изготовлена из композитного материала с органической матрицей, при этом указанный материал является термореактивным или термопластичным,

- лопаткой 3, изготовленной из материала, который изначально не задан (из металла или композитного материала), и содержащей хвостовик лопатки, форма которого может быть различной или может быть адаптирована при необходимости.

Другие схематические виды данного сборочного узла показаны на фиг. 2.

[25] Согласно изобретению композитный держатель с термореактивной или термопластичной матрицей 2 можно изготовить любым способом, позволяющим получить надлежащие механические свойства, например формованием, прессованием, инжекцией термопластичной или термореактивной матрицы, например, применяя RTM-технологию (инжекция смолы в закрытую форму), горячим формованием или одновременным отверждением, и так далее. Однако изобретение не ограничивается использованием детали 2 в форме профиля, например в форме П-образного профиля. Таким образом, возможен вариант плоского держателя.

[26] Фиксирующий крепежный композитный материал или фиксирующий композитный материал или фиксирующий материал 4 имеет в качестве основы термореактивную или термопластичную матрицу, содержащую от 0% до 70% волокон, например, или предпочтительно, коротких волокон, при этом указанный материал можно изготовить путем инжекции термопластичной или термореактивной матрицы или путем формования прессованием. В самом общем смысле, наполнитель может представлять собой любой подходящий минеральный или органический наполнитель. Таким образом, матрица может содержать наполнитель (с волокнами) или не содержать наполнитель, (чистая матрица, 0% волокон).

[27] Согласно изобретению благодаря конкретной геометрической форме хвостовика 3А лопатки обеспечивается ее расположение и удержание в конструкции (фиг. 2). После того как лопатки 3 зафиксированы, хвостовик 3А лопатки заделывают посредством упомянутого выше крепежного композитного материала 4, который, например, заполняет деталь 2, выполненную в виде профиля, обеспечивая, таким образом, удержание лопатки 3.

[28] Технология фиксации или сборки, используемая в предпочтительном варианте изобретения для лопаток 3, более конкретно и очень схематично показана на фиг. 2. Конструкционная деталь или конструкция держателя 2 выполнена из детали 2, имеющей форму П-образного профиля, изготовленного из термопластичного композитного материала, содержащего длинные волокна, путем горячего формования (открытая часть П-образного профиля обращена наружу относительно лопатки).

[29] После того как хвостовик 3А лопатки установлена в конструкции держателя 2, в указанную конструкцию инжектируют наполнитель 4 в виде термопластичной смолы с короткими волокнами для заполнения оставшегося полого объема.

[30] Кроме того, для преодоления аэродинамических ограничений вводят избыточное количество материала на уровне тех областей, которые не позволяют получить геометрическую форму путем горячего формования (не показано). Заполнение фиксирующим материалом для получения механического и/или физико-химического соединения выполняют, например, на втором этапе или, если возможно, одновременно с изготовлением конструкционной детали из композитного материала.

[31] Согласно изобретению композитный материал держателя 2 в форме П-образного профиля и фиксирующий материал 4 являются идентичными или химически совместимыми (например, термопластичными материалами одного и того же типа) для обеспечения их химического присоединения друг к другу. Получаемое в результате "соединение материалов" обеспечивает наличие только одной однородной детали, что является дополнительным преимуществом с точки зрения механической прочности сборочного узла.

[32] Согласно другому предпочтительному варианту изобретения подузел 1, относящийся к спрямляющей ступени, имеет форму кольца или сектора, прикрепленного к наружному кольцу или к корпусу посредством механических крепежных элементов, например зажимных болтов (не показаны).

[33] При возникновении проблем, связанных с относительным расширением, например, между секторами с лопатками, в сборочный узел могут быть вставлены промежуточные детали, которые могут быть деформируемыми или недеформируемыми.

[34] Благодаря сущности изобретения обеспечиваются следующие преимущества при производстве спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя:

- уменьшенная масса по сравнению с решениями, известными из уровня техники, благодаря использованию композитных материалов для корпусов и, возможно, для лопаток;

- уменьшенные производственные затраты благодаря меньшему количеству деталей и простой сборке;

- более простой и менее затратный ремонт статической части бустера (компрессора), более легкое выполнение замены сектора с лопатками по сравнению с используемыми в настоящее время конструкциями (например, сварной титановый сборочный узел);

- изготовление готовых деталей без доработки после формования.

1. Механический сборочный узел (1) для авиации, содержащий:
- деталь (3), содержащую присоединяемый конец;
- углубление (2) со стенкой, содержащей композитный материал с органической матрицей, предназначенное для посадки в него детали (3);
- фиксирующий композитный материал (4), содержащий термопластичный или термореактивный материал с содержанием наполнителя от 0 до 70 весовых процентов, образующий механическое и/или физико-химическое соединение между указанной деталью (3) и углублением (2) со стенкой из композитного материала с органической матрицей.

2. Сборочный узел по п. 1, в котором указанная деталь (3) является лопаткой.

3. Сборочный узел по п. 1, в котором указанная деталь (3) содержит один конец, геометрическая форма которого позволяет оптимизировать механическое и/или физико-химическое соединение.

4. Сборочный узел по п. 3, в котором указанный конец имеет форму хвостовика лопатки.

5. Сборочный узел по п. 1, в котором углубление (2) со стенкой из композитного материала с органической матрицей является держателем в форме профиля, предпочтительно в форме П-образного профиля.

6. Сборочный узел по п. 1, в котором органическая матрица углубления (2) выполнена из термопластичного или термореактивного материала.

7. Сборочный узел по п. 1, в котором материал углубления (2) со стенкой из композитного материала с органической матрицей и фиксирующий композитный материал (4) идентичны или химически совместимы для обеспечения их химического или физико-химического присоединения друг к другу.

8. Сборочный узел по п. 6, в котором углубление (2) с термореактивной или термопластичной стенкой из композитного материала с органической матрицей изготавливают способом, выбранным из группы, содержащей формование прессованием, инжекцию термопластичной или термореактивной матрицы, термоотверждение и одновременное отверждение.

9. Сборочный узел по п. 1, в котором инжектируемый фиксирующий композитный материал (4) изготавливают способом, выбранным из группы, содержащей инжекцию термопластичной или термореактивной матрицы с наполнителем или без наполнителя и формование прессованием.

10. Спрямляющая ступень для компрессора газотурбинного двигателя, содержащая механический сборочный узел (1) группы лопаток (3) с основой (2), имеющей стенку из композитного материала с органической матрицей для придания жесткости конструкции сборочного узла, по любому из пп. 1-9, причем каждая лопатка (3) содержит хвостовик (3А) лопатки, а указанное углубление (2) со стенкой из композитного материала с органической матрицей и указанный фиксирующий композитный материал (4) взаимодействуют для фиксации хвостовиков (3А) лопаток (3) в углублении (2).

11. Спрямляющая ступень по п. 10, в которой механический сборочный узел (1) имеет форму кольца или сектора, прикрепленного к наружному кольцу спрямляющей ступени посредством механических крепежных элементов.

12. Спрямляющая ступень по п. 11, в которой механические крепежные элементы являются зажимными болтами.

13. Спрямляющая ступень по п. 10, в которой лопатки (3) изготовлены из металла или композитного материала.

14. Спрямляющая ступень по п. 13, в которой лопатки (3) изготовлены из титана или алюминия.

15. Компрессор газотурбинного двигателя, содержащий одну или большее количество спрямляющих ступеней по любому из пп. 10-14.