Платформа вентилятора из композиционного материала и способ ее изготовления

Авторы патента:

F01D5/22 - соединения лопаток между собой, например бандажами

F01D11/00 - Предотвращение или сведение к минимуму внутренних утечек рабочего тела, например между ступенями (уплотнения вообще F16J)

Владельцы патента RU 2698534:

Публичное акционерное общество "ОДК-Сатурн" (RU)

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к конструкции вентиляторов, в частности к межлопаточным платформам вентилятора и способам их изготовления из композиционных материалов. Платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, и содержит наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа. Структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа. В продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы. В середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, а по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки. Наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего. При изготовлении платформы вентилятора из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе и полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок. Изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть платформы направляют на механическую обработку кромок. Наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части. Группа изобретений позволяет повысить жесткость межлопаточной платформы вентилятора в радиальном направлении, снизить ее массу, а также упростить изготовление. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Платформа вентилятора входит в состав рабочего колеса вентилятора и выполняет функцию формирования внутренней поверхности проточной части в межлопаточном канале. В связи с тем, что при работе двигателя платформы могут входить в непосредственный контакт с лопатками вентилятора, платформы обычно изготавливаются из менее прочного материала. Так, совместно с титановыми лопатками вентилятора применяются платформы из алюминиевого сплава. В случае изготовления рабочих лопаток вентилятора из полимерных композиционных материалов (ПКМ), платформы вентилятора изготавливаются также из ПКМ.

Известна межлопаточная платформа, содержащая наружную оболочку по потоку воздуха, на внутренней поверхности которой выполнены монтажные фланцы с ребордами для крепления на диске (Патент FR 2988427 от 20.03.2012, МПК F01D 5/22, F04D 29/34, опубл. 27.09.2013).

Недостатками такой конструкции платформы является низкая жесткость конструкции на изгиб в радиальном направлении, так как наружная оболочка не подкреплена ребрами жесткости по всей длине.

Также конструкция монтажного фланца в средней части платформы может не обеспечить надежной фиксации платформы в радиальном направлении при высоких скоростях вращения ротора и в случае попадания посторонних предметов в рабочее колесо вентилятора. Выход из зацепления реборды фланца в средней части платформы приведет к неизбежному вылету платформы в проточную часть с неблагоприятными последствиями.

Наиболее близким является платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа (Патент US 6217283 от 20.04.19996 опубл. 17.04.2001, МПК F01D 5/22).

Недостатком такой конструкции платформы вентилятора является способ крепления платформы в межлопаточном канале, характеризующийся повышенной сминающей нагрузкой на полимерный композиционный материал в зонах крепления, а так же значительной дополнительной центробежной нагрузкой на задний удерживающий фланец и барабан бустера.

Известен способ изготовления платформы вентилятора, в котором осуществляют обработку давлением (объемная штамповка) материала заготовки (алюминиевый сплав) платформы вентилятора, а так же механическую обработку поверхности полученной детали (Патент FR 2992679 от 29.06.2012, МПК F01D 5/02, опубл. 03.01.2014, бюл. №14/01).

Недостатком способа является невозможность применения описанной последовательности технологических процессов для изготовления платформы вентилятора из полимерных композиционных материалов, так как объемная штамповка и поверхностная механическая обработка неизбежно приведут к повреждению армирующих волокон в полимерном композиционном материале, что не позволит обеспечить необходимую прочность платформы из ПКМ.

Наиболее близким является способ изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала. (US 20120148388 от 05.12.2011, МПК F04D 29/08, опубл. 14.06.2012).

Недостатком данного способа является то, высокопрочные термопластичные материалы обладают высокой температурой плавления и высокой вязкостью расплава. Данное обстоятельство предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию и существенные ограничения на процесс пропитки армирующего каркаса. В связи с наличием в способе таких операций как пропитка, выкладка препрега увеличивается трудоемкость изготовления детали из композиционного материала.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является разработка такой конструкции платформы вентилятора из композиционного материала, которая имеет значительную жесткость в радиальном направлении, и позволяет обеспечить снижение массы платформы и уменьшение центробежной нагрузки на диск, и как следствие повышение надежности работы самого вентилятора, а так же разработка такого способа изготовления платформы из композиционного материала на основе термопластичного связующего, позволяющего сократить трудоемкость изготовления платформы из композиционного материала, за счет изготовления частей платформы из заготовки типа лист, сократить время получения готовой платформы, благодаря отсутствию таких операций как выкладка препрега, полимеризация связующего, а так же уменьшить токсичные выбросы в атмосферу при работе с композиционными материалами.

Технический результат достигается тем, что платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа, в отличие от известной платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, при этом структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа, продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы, в середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего, в способе изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала, в отличие от известного платформу изготавливают из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани, сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, затем полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок, затем изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают, и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок, наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части.

На фигурах показаны:

Фиг. 1 - Конструкция платформы вентилятора из композиционного материала;

Фиг. 2 - Крепление платформы вентилятора в рабочем колесе вентилятора.

Платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной (например, угольные + стекляные волокна) тканью.

Платформа содержит наружную оболочку 1 и структурную часть 2 (Фиг. 1).

Структурная часть 2 платформы выполнена W- образного поперечного сечения из тонкостенного листа. В продольном сечении структурная часть 2 расширяется по потоку воздуха от передней части 3 платформы к задней части 4 платформы. В середине структурной части 2 имеется внутренний выступ 5 для соединения с внутренней поверхностью 6 наружной оболочки 1, по краям структурной части имеются фланцы 7, 8 для соединения с внутренней поверхностью 6 наружной оболочки 1. Наружная оболочка 1 соединена со структурной частью 2 с помощью клея или сварки термопластичного связующего.

Благодаря такой конструкции платформы вентилятора достигается высокая радиальная жесткость платформы при минимальной толщине наружной оболочки и структурной части. При этом возможно применить различную толщину и схему армирования для наружной оболочки и структурной части для оптимизации характеристик конструкции.

Монтаж платформы к рабочему колесу вентилятора осуществляется следующим образом. В передней части 3 платформа фиксируется по коническому посадочному пояску 9 на внутренней поверхности носового обтекателя 10 (Фиг. 2). В задней части 4 платформа крепится на двух штифтах 11, закрепленных на диске вентилятора (не показано). Такое крепление обеспечивает необходимую податливость платформы при деформации рабочих лопаток вентилятора.

Способ изготовления платформы вентилятора из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной (угольные + стекляные волокна) тканью, заключается в изготовлении частей платформы (наружной оболочки 1 и структурной части 2) из заготовок типа лист.

Сначала нагревают заготовку, например инфракрасным излучением до температуры 400°С - 350°С в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, при этом штамп должен быть нагрет до температуры заготовки. Затем полученную наружную оболочку 1 платформы направляют на механическую обработку кромок.

Затем из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала изготавливают структурную часть W-образного поперечного сечения. Для этого лист нагревают до температуры 350°С±20°С инфракрасным излучением, и штампуют с выдержкой в штампе, нагретого до температуры штампуемой детали, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок.

Наружную оболочку 1 и структурную часть 2 соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, при этом связующий материал наносят на наружные фланцы 7, 8 и внутренний выступ 5 структурной части 2 (Фиг. 1).

Пример осуществления способа.

Берут заготовки типа лист из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной тканью, размерами 800×300 мм±10 мм, каждую заготовку нагревают инфракрасным излучением до температуры 370±30°С и штампуют каждую на гидравлическом прессе в штампах с соответствующей геометрией обоймы. Полученные отштампованные наружную оболочку 1 и структурную часть 2 направляют на фрезерование кромок. Затем происходит соединение наружной оболочки 1 и структурной части 2. Если соединение происходит с помощью клея, то выбирают клей с температурой отверждения 100-150°С. Если соединение наружной оболочки и структурной части происходит с помощью сварки, то для сварки применяют ультразвуковой инструмент.

Таким образом, получают платформу вентилятора из композиционного материала.

Такой способ изготовления платформы позволит избежать трудоемких технологических операций с высокой долей ручного труда (выкладка препрега или сухой ткани в пресс-форму), существенно повысить скорость изготовления путем исключения технологического процесса полимеризации термореактивного связующего, снизить выбросы вредных летучих веществ, улучшить логистику путем отказа от использования материалов с ограниченным сроком хранения (термореактивные связующие и препреги на их основе).

Благодаря тому, что платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа, в отличие от известной платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, при этом структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа, в продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы, в середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего, в способе изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала, в отличие от известного платформу изготавливают из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани, сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, затем полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок, затем изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают, и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть 2 платформы направляют на механическую обработку кромок, наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части, достигается жесткость платформы в радиальном направлении, снижение массы платформы и уменьшение центробежной нагрузки на диск, и как следствие повышение надежности работы самого вентилятора, а так же сокращение трудоемкости изготовления платформы из композиционного материала, сокращение времени получения готовой платформы, и уменьшение токсичные выбросы в атмосферу при работе с композиционными материалами.

1. Платформа вентилятора из композиционного материала, содержащая наружную оболочку, на внутренней поверхности которой смонтирована структурная часть, снабженная наружными фланцами для монтажа, отличающаяся тем, что платформа вентилятора выполнена из композиционного термопластичного материала, армированного углеродной либо гибридной тканью, при этом структурная часть платформы выполнена W-образного поперечного сечения из тонкостенного листа, в продольном сечении структурная часть расширяется по потоку воздуха от передней части платформы к задней части платформы, в середине структурной части имеется внутренний выступ для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, по краям структурной части имеются фланцы для соединения с внутренней поверхностью наружной оболочки, наружная оболочка соединена со структурной частью с помощью клея или сварки термопластичного связующего.

2. Способ изготовления платформы вентилятора из композиционного материала, содержащего термопластичную матрицу, включающий формовку композиционного материала, отличающийся тем, что платформу изготавливают из листов термопластичного композиционного материала на базе углеродной либо гибридной ткани, сначала нагревают заготовку в виде листа под наружную оболочку, штампуют с выдержкой в штампе, затем полученную наружную оболочку платформы направляют на механическую обработку кромок, затем изготавливают из заготовки в виде листа термопластичного композиционного материала структурную часть W-образного поперечного сечения, для этого лист нагревают и штампуют с выдержкой в штампе, полученную структурную часть платформы направляют на механическую обработку кромок, наружную оболочку и структурную часть соединяют между собой с помощью клея или сварки термопластичного связующего, которые наносят на наружные фланцы и внутренний выступ структурной части.

Лопаточный аппарат осевой турбомашины содержит полукруглый ряд проходящих радиально лопаток и кожух. Каждая лопатка содержит лопасть и боковые ответвления, причем у каждого ответвления есть конец с соединительной кромкой, соединенный с лопастью, и конец, радиально противоположный лопасти.

Демпфер для узла турбинного ротора // 2672201

Демпфер для узла турбинного ротора газотурбинного двигателя содержит переднюю пластину, заднюю пластину и карман на передней стороне передней пластины. Задняя сторона передней пластины соединена с передней стороной задней пластины при помощи продольной конструкции.

Способ изготовления рабочего колеса из секторальных сегментов // 2661690

Изобретение относится к изготовлению рабочих колес для центробежной роторной машины. Изготавливают рабочее колесо для центробежной роторной машины, которое содержит дисковидный основной корпус, имеющий переднюю и заднюю поверхности, покрывающий диск, имеющий переднюю поверхность и заднюю поверхность и расположенный на расстоянии от передней поверхности основного корпуса, и лопатки, прикрепленные к передней поверхности основного корпуса и соединяющие основной корпус с покрывающим диском.

Лопатка ротора газотурбинного двигателя и способ нанесения на нее износостойкого материала // 2658451

Лопатка ротора газотурбинного двигателя включает на своей концевой части бандажную полку, содержащую площадку с первым бортиком со стороны корытца и вторым бортиком со стороны спинки и уплотнительный гребешок.

Лопатка ротора газотурбинного двигателя и способ нанесения на нее износостойкого материала // 2658451

Турбомашина, содержащая лопатку турбомашины, турбомашина, содержащая концевой бандаж лопатки турбомашины, и турбинная лопатка, содержащая концевой бандаж // 2648173

Турбомашина содержит лопатку с концевым бандажом, расположенным на ее радиальном конце и имеющим переднюю кромочную часть и заднюю кромочную часть. Первая часть со стороны повышенного давления передней кромочной части имеет площадь поверхности на 50-500% большую, чем ее первая часть со стороны пониженного давления.

Лопаточный аппарат и соответствующий способ изготовления лопаточного аппарата // 2647170

Лопаточный аппарат для газовой турбины содержит лопаточное устройство и дополнительное лопаточное устройство. Лопаточное устройство содержит бандажную полку, перо, проходящее от бандажной полки, и демпфирующую проволоку.

Лопаточный аппарат и соответствующий способ изготовления лопаточного аппарата // 2647170

Охлаждаемая турбинная лопатка (варианты) и способ охлаждения турбинной лопатки // 2623600

Охлаждаемая турбинная лопатка содержит хвостовик, предназначенный для прикрепления охлаждаемой лопатки к турбинному ротору, аэродинамический профиль, концевой бандаж и один или несколько центральных охлаждающих каналов, ограниченных аэродинамическим профилем.

Осевая турбомашина // 2696177

Осевая турбомашина содержит компрессор со статором, включающий стенку, а также круглый или полукруглый ряд лопаток статора. Стенка выполнена круглой или в виде дуги окружности и содержит направляющую поверхность, предназначенную для направления потока турбомашины.

Роторное устройство для турбомашины (варианты), турбина для турбомашины и турбомашина // 2695545

Роторное устройство для турбомашины содержит диск, лопатки, уплотнительный фланец, промежуточное кольцо и уплотнение. На наружной периферии диска расположены чередующиеся пазы и зубцы, проходящие в нижнем по потоку направлении на диске.

Модернизированное периферийное уплотнение рабочего колеса // 2695239

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в качестве сигнализатора предаварийного состояния в связи с уменьшением величины радиального зазора в проточной части турбомашины в уплотнениях на периферии ступеней или в концевых (промежуточных) уплотнениях валов.

Способ восстановления работоспособности сотового уплотнения в период ремонта // 2695235

Изобретение относится к области турбостроения. Способ восстановления работоспособности сотового уплотнения при ремонте, отличающийся тем, что толщина стенок сот более 0,3 мм, обработку торцевых поверхностей сот выполняют шлифованием до остроты прямоугольной формы торцов стенок сот, при этом восстановление величины монтажного зазора в сотовом уплотнении осуществляется за счет смещения сотоблока в радиальном направлении боковыми пластинами, в которых крепятся сегменты уплотнения.

Узел ротора для газовой турбины и газовая турбина, содержащая такой узел ротора // 2691227

Узел ротора газовой турбины содержит корпус ротора, стопорную пластину и уплотнительную проволоку. Корпус ротора содержит участок елочного типа, выполненный с возможностью размещения соответствующего участка елочного типа лопатки, и окружную канавку, выполненную вблизи участка елочного типа ротора.

Способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя из композиционного материала // 2689618

Изобретение относится к способу изготовления лопатки (100) газотурбинного двигателя из композиционного материала, содержащей волокнистое усиление, уплотненное матрицей.

Компрессор газотурбинного двигателя, содержащий лопатки с изменяемым углом установки // 2687474

Компрессор (10') газотурбинного двигателя, содержащий по меньшей мере один кольцевой ряд лопаток (12) статора с изменяемым углом установки, причем эти лопатки являются, по существу, радиальными и содержат на своих радиальных концах цапфы (22, 24), при этом радиально наружные цапфы лопаток установлены в первых отверстиях корпуса (20) статора и радиально внутренние цапфы установлены во вторых отверстиях плавающего кольца (60), которое окружает ротор (18) компрессора, отличающийся тем, что между плавающим кольцом и ротором компрессора вставлена кольцевая деталь (62) статора, и тем, что между деталью статора и ротором компрессора установлены первые уплотнительные средства и между плавающим кольцом и деталью статора установлены вторые уплотнительные средства.

Камера опорного подшипника газотурбинного двигателя // 2685749

Объектом изобретения является камера (Е) опорного подшипника газотурбинной установки, содержащей неподвижную стенку (9), вращающийся вал (5), первую и вторую уплотнительные прокладки (10, 20) между стенкой и валом и полость (Cam) между неподвижной стенкой (9) и элементом (19) статора, питаемую воздухом через отверстие (19а) вблизи упомянутого вала (5).

Уплотнительная система с двумя рядами дополняющих друг друга уплотнительных элементов // 2685172

Уплотнительная система, расположенная в полости (C) канала вентилятора и турбины (VC, VT) между оболочкой SI статора и оболочкой VI ротора турбомашины, содержащая сектор (10) статора и элемент (11) ротора, причем полость (C) находится между основанием (SI) неподвижной спрямляющей лопатки (PS) сектора (10) статора и дополняющим его элементом (11) ротора.

Газовая турбина // 2684157

Газовая турбина включает уплотнительный элемент для уплотнения зазора между переходной частью и торцевой стенкой сопел в сопловой решетке первой ступени турбины, причем торцевая стенка сопел имеет уплотнительную канавку.