CZ31085U1 - An axial fan blade of a hybrid structure - Google Patents

An axial fan blade of a hybrid structure Download PDF

Info

Publication number
CZ31085U1
CZ31085U1 CZ2017-33649U CZ201733649U CZ31085U1 CZ 31085 U1 CZ31085 U1 CZ 31085U1 CZ 201733649 U CZ201733649 U CZ 201733649U CZ 31085 U1 CZ31085 U1 CZ 31085U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
blade
outer shell
suction part
pressure part
production
Prior art date
Application number
CZ2017-33649U
Other languages
Czech (cs)
Inventor
František Martaus
Original Assignee
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s. filed Critical Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
Priority to CZ2017-33649U priority Critical patent/CZ31085U1/en
Publication of CZ31085U1 publication Critical patent/CZ31085U1/en

Links

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Ventilátorové lopatky, zhotovované většinou na bázi oceli (konstrukční oceli třídy 13, 14, 15) nebo slitin hliníku (Al-Cu-Si, Al-Si, Al-Zn-Mg a Al-Mg), jsou charakterizovány určitými specifickými vlastnostmi.The fan blades, made mostly of steel (structural steels of classes 13, 14, 15) or aluminum alloys (Al-Cu-Si, Al-Si, Al-Zn-Mg and Al-Mg), are characterized by certain specific properties.

Lopatky se vyznačují relativně vysokou hmotností, vyžadující adekvátně dimenzované uložení v náboji oběžného kola, což v důsledku neúměrně zvyšuje hmotnost celého soustrojí. Vysoká hmotnost lopatek a oběžného kola způsobuje zvýšení polárního momentu setrvačnosti celé rotující soustavy, což je nepříznivý faktor, zvláště v provozních režimech s rychlými změnami otáček, kdy dochází k prodlužování doby akcelerace a decelerace soustavy, zároveň s růstem příkonu pohonné jednotky ventilátoru. Komplikací spojenou s vysokou hmotností je i zhoršená možnost manipulace zejména s rozměrnými lopatkami, např. při jejich montáži, výměně, vyvažování, opravách apod.The blades are characterized by a relatively high weight, requiring an adequately dimensioned bearing in the impeller hub, which in turn increases the weight of the entire set disproportionately. The high weight of the blades and impeller causes an increase in the polar moment of inertia of the entire rotating system, which is an unfavorable factor, especially in operating modes with rapid speed changes, which increases the acceleration and deceleration times of the system. Complications associated with high weight are also impaired the possibility of handling especially large blades, eg during their assembly, replacement, balancing, repairs, etc.

Charakteristickou vlastností kovových lopatek je relativně náročná výroba a vysoké výrobní náklady dané pořizovací cenou vstupních materiálů / polotovarů, vysokými energetickými nároky na zpracování, nákladným strojním vybavením a konečným zpracováním předvýrobků se značným podílem strojního obrábění a ručního dokončování.Characteristic properties of metal blades are relatively demanding production and high production costs given by the purchase price of input materials / semi-finished products, high energy demands on processing, expensive machinery and final processing of semi-finished products with a significant proportion of machining and manual finishing.

Kovové lopatky se obvykle zhotovují:Metal shovels are usually made:

a) Litím s následným obráběníma) Casting with subsequent machining

b) Kováním s následným obráběnímb) Forging with subsequent machining

c) Obráběním z hutních polotovarůc) Machining from metallurgical semi-finished products

d) Svařováním z válcovaných polotovarůd) Welding from rolled semi-finished products

Nej častější technologií zpracování lopatek z hliníkových slitin je lití do písku, gravitační lití do kovových forem nebo tlakové lití. Ocelové lopatky jsou nejčastěji zhotovovány kováním či svařováním.The most common technology for processing aluminum alloy blades is sand casting, gravity casting into metal molds or die casting. Steel blades are most often made by forging or welding.

Ve všech případech se jedná o poměrně nákladné výrobní technologie, zvláště jsou-li spojeny s operacemi strojního obrábění, jež je pro dosažení požadované geometrické přesnosti často nezbytné. Po provedení obráběcích či svařovacích operací je třeba vyhladit stopy po nástroji, což vyžaduje vysoký podíl nejčastěji ruční, a tudíž drahé práce.In all cases, these are relatively expensive manufacturing technologies, especially when combined with machining operations, which are often necessary to achieve the desired geometric accuracy. After machining or welding operations, tool traces need to be smoothed, requiring a high proportion of manual and therefore expensive work.

Častou dokončovací operací u lopatek zhotovených litím jsou opravy vad, jako jsou typicky povrchové řediny, staženiny, struskovitost, písková místa, prohlubně, bubliny či porozita.A frequent finishing operation for casting vanes is the repair of defects such as typically surface thinning, shrinkage, slag, sand sites, depressions, bubbles or porosity.

U výkovků jsou nej častějšími vadami zakované okuje, vnitřní dutiny a trhliny.Forgings, internal cavities and cracks are the most common defects in forgings.

Vady, pokud jsou patrné a dostupné z povrchu dílu, jsou opravovány obvykle ručním vybrušováním s následným tmelením.Defects, if noticeable and accessible from the surface of the part, are usually repaired by hand grinding with subsequent sealing.

-1 CZ 31085 Ul-1 CZ 31085 Ul

Výroba kovových lopatek litím, kováním i svařováním vyžaduje nákladné hutní a strojní vybavení (tavící pece, udržovací a dávkovači pece, žáruvzdorné licí formy, lisy, buchary, apod.) a je energeticky i ekologicky zatěžující.The production of metal blades by casting, forging and welding requires costly metallurgical and machinery equipment (melting furnaces, holding and dosing furnaces, refractory casting molds, presses, hammers, etc.) and is energy and environmentally burdensome.

Resumé:Resume:

- Výhodou kovových lopatek je vysoká mechanická odolnost a trvanlivost, dobrá teplotní odolnost a relativně snadná opravitelnost. Při dobře provedené povrchové ochraně se kovové lopatky vyznačují vysokou životností a nízkými nároky na údržbu.- Advantages of metal blades are high mechanical resistance and durability, good temperature resistance and relatively easy repair. With good surface protection, metal blades are characterized by high durability and low maintenance.

- Kovové lopatky se vyznačují vysokou hmotností se všemi důsledky, z toho vyplývajícími pro provoz rotoru a ventilátoru.- Metal blades are characterized by a high weight with all the consequences of rotor and fan operation.

- Vzhledem k vysokým počátečním investicím do strojního a přípravkového zázemí je kovová varianta lopatek optimálním řešením pro střední a velké výrobní série.- Due to the high initial investment in machine and fixture facilities, the metal version of the blades is the optimal solution for medium and large production runs.

b) Dřevokompozitní a dřevěné lopatkyb) Wood-composite and wooden blades

Do této kategorie patří jak čistě dřevěné, tak i tzv. dřevokompozitní lopatky, sestávající z dřevěného jádra opatřeného kompozitním výztužným prvkem, většinou ve formě vnější laminované skořepiny.This category includes both pure wood and so-called wood-composite blades, consisting of a wood core provided with a composite reinforcing element, mostly in the form of an outer laminated shell.

Lopatky jsou zhotovovány nej častěji z jasanového, bukového či laminovaného dřeva, případně z kombinací těchto materiálů a jsou charakterizovány určitými specifickými vlastnostmi:The blades are mostly made of ash, beech or laminated wood, or combinations of these materials and are characterized by certain specific characteristics:

Zásadní je nízká měrná hmotnost výchozího materiálu, v případě aplikace jasanového dřeva pak je nejnižší z materiálových variant zmiňovaných v tomto dokumentu. Z toho vyplývají příznivé dynamické vlastnosti rotoru, především nízký polární moment setrvačnosti celé rotující soustavy.The low specific gravity of the starting material is essential; in the case of the application of ash wood, it is the lowest of the material variants mentioned herein. This results in favorable dynamic properties of the rotor, especially low polar moment of inertia of the whole rotating system.

Výroba dřevěných lopatek a jader dřevokompozitních lopatek obvykle spočívá v slepení polotovaru-bloku z přířezů vybraného, vyzrálého dřeva a v následném obrobení bloku do požadovaného tvaru. Obrobení se provádí na kopírovací frézce, jednoúčelových NC strojích či univerzálních víceosých CNC frézkách. Po strojním obrobení následuje zpravidla ruční dokončení povrchu s cílem zahlazení stop po nástroji. V případě dřevěných lopatek se finálně provádí povrchová úprava impregnačním a lakovým systémem.The production of wood blades and cores of wood-composite blades usually consists in gluing the semi-block from the blanks of selected, aged wood and then machining the block to the desired shape. Machining is performed on copy milling machines, single-purpose NC machines or universal multi-axis CNC milling machines. Machining is usually followed by manual finishing of the surface to smooth the tool marks. In the case of wooden blades, the surface is finally treated with an impregnation and varnishing system.

Jádra dřevokompozitních lopatek jsou opatřena kompozitní skořepinou obvykle ručním olaminováním např. skleněnou (uhlíkovou, aramidovou, aj.) tkaninou a reaktoplastovým (epoxidovým, polyesterovým, aj.) pojivém. Stejně jako v případě dřevěných lopatek se na závěr provádí povrchová úprava tmelením, broušením a lakováním.The cores of wood-composite blades are provided with a composite shell usually by hand laminating eg glass (carbon, aramid, etc.) and thermosetting (epoxy, polyester, etc.) binder. As in the case of wooden blades, the surface is finished by sealing, grinding and painting.

Alternativně je možno laminátovou-kompozitní skořepinu zhotovit obalením jádra lopatky suchou výztužnou tkaninou s následnou injektáží polymemím pojivém ve vzduchotěsně uzavřené formě (metoda Resin Transfer Moulding). V tomto případě lze s výhodou do formy aplikovat povrchový předgel, čímž odpadá zdlouhavá povrchová úprava.Alternatively, the laminate-composite shell may be made by wrapping the blade core with a dry reinforcing fabric followed by injection of a polymeric binder in an airtight sealed form (Resin Transfer Molding method). In this case, it is advantageous to apply a surface pre-gel to the mold, thereby avoiding a lengthy surface treatment.

Obecnou nevýhodou dřevěných i dřevokompozitních lopatek je relativně nízká mechanická a klimatotechnologická odolnost v provozu a vysoký podíl kvalifikované ruční práce při výrobě. Technologie je vhodná pro kusovou výrobu a méně náročné aplikace.The general disadvantage of wood and wood-composite blades is the relatively low mechanical and air-conditioning resistance in operation and a high proportion of skilled handwork in production. The technology is suitable for piece production and less demanding applications.

c) Lopatky z kompozitních materiálůc) Shovels of composite materials

Míněny jsou výrobky z kompozitů na bází polymemí matrice a vláknové (tkaninové) výztuže s vysokými moduly pružnosti. Kompozitní ventilátorové lopatky jsou charakterizovány určitými specifickými vlastnostmi, které lze sumarizovat takto:It is meant products made of composites based on polymer matrix and fiber reinforcement with high modulus of elasticity. Composite fan blades are characterized by certain specific characteristics that can be summarized as follows:

Lopatky vynikají nízkou hmotností a vysokou tuhostí, vyplývající z nízké měrné hmotnosti a vysokých modulů pružnosti kompozitního materiálu.The blades excel in low weight and high stiffness resulting from low density and high modulus of composite material.

S nízkou hmotností lopatek souvisejí příznivé hodnoty polárního momentu setrvačnosti rotoru, s vysokými hodnotami modulů pak vysoké hodnoty vlastních frekvencí lopatky (viz Tabulka), což je příznivý faktor pro rezonanční chování lopatky v provozu.The low weight of the blades is associated with favorable polar moment of inertia of the rotor, with the high values of modules the high values of the natural frequencies of the blade (see Table), which is a favorable factor for the resonant behavior of the blade in operation.

-2CZ 31085 Ul-2EN 31085 Ul

Jako matrice kompozitu jsou zhusta používány nízkoviskozní epoxidové, polyesterové či vinylesterové pojivové systémy, vláknová výztužná fáze bývá tvořena skleněnými, uhlíkovými, aramidovými, případně hybridními textiliemi různé vazby.Low viscosity epoxy, polyester or vinyl ester binder systems are frequently used as composite matrices, the fiber reinforcing phase being composed of glass, carbon, aramid, or hybrid fabrics of various bonds.

Z výrobních technologií převažují mokrá kontaktní laminace a infuzní technologie. Nemalé procento lopatek je v poslední době zhotovováno také lisováním z prepregových polotovarů. Lopatky bývají bud klasické, tzn. žebronosníkové, lepené konstrukce či skořepino-sendvičové s pěnovou výplní dutiny lopatky.Wet contact lamination and infusion technologies predominate in manufacturing technologies. A considerable percentage of blades have recently been made by pressing from prepregs. The blades are either classic, ie. rib-girder, glued construction or shell-sandwich with foam filling of the blade cavity.

Jak vyplývá z Tabulky l(Pompe. Vilém...[online]. 2010 [cit. 2017-01-19]. Dostupné z http://www.csm-kompozity.wz.cz/Pompe_OS_2010_vl.pdf), kde jsou porovnány klíčové parametry modelové lopatky provedené v různých materiálových variantách, jsou kompozitní materiály optimální volbou pro konstrukci tohoto typu.As follows from Table l (Pompe. Vilém ... [online]. 2010 [cit. 2017-01-19]. Available from http://www.csm-kompozity.wz.cz/Pompe_OS_2010_vl.pdf) Comparing the key parameters of the model blade made in different material variants, composite materials are the optimal choice for the construction of this type.

materiálová verze lopatky material version of the blade hmotnost lopatky m [kg] blade weight m [kg] polární moment setrvačnosti Jp [kg.m2]polar moment of inertia J p [kg.m 2 ] První vlastní frekvence f [Hz] First natural frequency f [Hz] ocel steel 94,1 94.1 309,8 309.8 26,0 26.0 hliníková slitina aluminum alloy 32,8 32.8 107,9 107.9 26,3 26.3 kompozit uhlik/epoxid composite carbon / epoxy 11,4 11.4 30,6 30.6 31,8 31.8 jasanové dřevo ash wood 9,7 9.7 31,7 31.7 22,5 22.5

Standardní postup přípravy výroby a výroba lopatek z kompozitních materiálů sestává z několika kroků:The standard process for preparing and manufacturing composite vanes consists of several steps:

a) Konstrukční návrh. Aerodynamický, pevnostní a dynamický návrh je prováděn nej častěji metodou konečných prvků (MKP) s využitím příslušného softwaru. Součástí návrhu musí být také modální analýza kompozitní konstrukce, zvážení dlouhodobého vlivu prostředí a začlenění ochranných prvků (ochrana proti impaktnímu a abraznímu poškození, protinámrazová opatření, aj.).(a) Structural design. Aerodynamic, strength and dynamic design is most often performed using the finite element method (FEM) using the appropriate software. The design must also include a modal analysis of the composite structure, consideration of the long-term environmental impact and the incorporation of protective elements (protection against impact and abrasion damage, anti-icing measures, etc.).

b) Po zafixování geometrického tvaru lopatky následuje výroba matečného modelu. Matečný model bývá vyroben z tvrdého dřeva (olše, javor, buk), speciálních polymemích blokových materiálů či z kovu. Modely se zhotovují strojním obráběním, s následným ručním dokončením dle šablon a měrek. Povrch modeluje finalizován dokonalou povrchovou úpravou.b) Fixing the geometric shape of the blade is followed by the production of the parent model. The mother model is made of hardwood (alder, maple, beech), special polymer block materials or metal. Models are made by machining, followed by manual finishing according to templates and gauges. The surface finishes with a perfect finish.

Pozn.: Z hlediska nákladů představuje pořízení modelu a jeho následné zaformování, vzhledem k vysokým nárokům na přesnost a z toho vyplývající pracnost, významnou počáteční investici, která tvoří podstatný podíl vstupních nákladů na výrobu lopatky.Note: In terms of cost, the acquisition of the model and its subsequent formation, due to the high demands on precision and the resulting laboriousness, represents a significant initial investment, which constitutes a substantial proportion of the input cost of producing a blade.

c) Návrh a výroba formy. Forma zhotovená z kompozitního materiálu bývá optimálním řešením pro požadovaný nízký objem výroby. Kompozitní forma se zhotovuje zaformováním - otiskem matečného modelu po předchozím vymodelování dělící plochy. Samotná forma je obvykle zhotovena metodou mokré kontaktní laminace, případně vakuově -infuzním způsobem. Kromě formy je třeba navrhnout a vyrobit řadu jednoúčelových pomocných přípravků (tvarovací nástroje, řezací a ukládací šablony, aj.).c) Design and production of the mold. The mold made of composite material is an optimal solution for the required low production volume. The composite mold is made by molding - imprinting the parent model after the previous modeling of the separating surface. The mold itself is usually made by a wet contact lamination method or by a vacuum-infusion method. In addition to the mold, it is necessary to design and manufacture a number of single-purpose auxiliary products (forming tools, cutting and storage templates, etc.).

Matečný model, formu a pomocné přípravky je třeba pořídit pro každý stupeň sériovosti, tj. i pro kusovou výrobu. Vysoké náklady s tím spojené je tak výrobce, pro dosažení rentability, nucen promítnout do ceny produktu ve formě odpisů. V případě kusové a malosériové výroby ventilátorů se tento faktor zvláště negativně projevuje. Podíl odpisů matečného modelu, výrobních forem a pomocných přípravků na produkčních nákladech je nepřímo úměrný objemu produkce a představuje rozhodující podíl (70 až 90 %) ceny produktu.The parent model, the form and the auxiliary products must be obtained for each stage of series production, ie also for piece production. In order to achieve profitability, the manufacturer is forced to translate the high costs associated with this into the price of the product in the form of depreciation. In the case of single-piece and small-series fan production, this factor is particularly negative. The proportion of depreciation of the parent model, production forms and ancillary products in the cost of production is inversely proportional to the volume of production and represents a decisive share (70 to 90%) of the product price.

Obecně platí, že činnosti, související s technickou přípravou výroby kompozitní lopatky se vyznačují nejen vysokými nároky na množství kvalifikované ruční práce, ale jsou i časově velmi náročné. Průběžná doba technické přípravy výroby kompozitní lopatky od objednávky po produkci prvního kusu reálně zabírá tři a více měsíců a vyžaduje počáteční investice řádově ažGenerally, the activities related to the technical preparation of the composite blade production are not only characterized by high demands on the amount of skilled handwork, but are also very time consuming. The on-going technical preparation time of composite blade production from order to first piece production actually takes three months or more and requires initial investment of the order of

-3CZ 31085 Ul v milionech Kč. Rychlé zvládnutí tohoto procesu s nízkými vloženými náklady je významným faktorem, který v konkurenčním prostředí může být rozhodující pro získání zakázky.-3EUR 31085 Ul in millions of CZK. Quickly mastering this low-cost process is an important factor that can be critical to winning a contract in a competitive environment.

Stávající řešení poskytují jen malý prostor pro zlepšení výnosnosti výroby. Snížení nákladů na technickou přípravu výroby i samotnou výrobu lopatky lze dosáhnout pouze implementací inovativního konstrukčního návrhu, nových materiálů a výrobních postupů.Existing solutions provide little room for improving production profitability. Reducing the costs of technical preparation of the production and the production of the blade can be achieved only by implementation of innovative design, new materials and production processes.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstatou technického řešení je hybridní konstrukce lopatky, kombinující kompozitové konstrukční prvky na bázi vysokomodulových vláken a polymemí matrice, s prvky vytvořenými technologií aditivního 3D tisku. (Aditivní 3D tisk je výrobní metoda, při které vzniká pevný fyzický objekt na základě třídimenzionálního digitálního modelu, a to obvykle strojním pokládáním velkého množství tenkých vrstev materiálu, obvykle polymeru či kovu).The essence of the technical solution is a hybrid blade construction, combining composite construction elements based on high-modulus fibers and polymer matrix, with elements created by additive 3D printing technology. (Additive 3D printing is a production method that produces a solid physical object based on a three-dimensional digital model, usually by machine laying a large number of thin layers of material, usually polymer or metal).

Konstrukce lopatky je tvořena tvarově přesnou, tenkostěnnou, dělenou vnější skořepinou, zhotovenou metodou aditivního 3D tisku, na jejíž vnitřní (rubové) straně jsou uloženy nosné vrstvy kompozitu, které vytvářejí podpůrnou strukturu lopatky.The blade construction is formed by a shape-precise, thin-walled, split outer shell, made by the additive 3D printing method, on whose inner (reverse) side are deposited layers of composite, which form the supporting structure of the blade.

Vnější skořepina tak tvoří pohledovou a exponovanou stranu lopatky, která současně plní funkci formy k uložení vnitřních, nosných vrstev kompozitu. Vnější skořepina může být vytvořena z polymemího materiálu, z vláknově či částicově plněného polymemího materiálu nebo z kovu.The outer shell thus forms the visible and exposed side of the blade, which at the same time serves as a mold for receiving the inner, supporting layers of the composite. The outer shell may be formed of a polymeric material, a fiber or particulate filled polymeric material, or a metal.

Z výrobních důvodů je lopatka dělena podél náběžné a odtokové hrany na dvě části: tzv. tlakovou a tzv. sací část. Tato koncepce je schematicky znázorněna na obr. 2.For manufacturing reasons, the blade is divided along the leading and trailing edges into two parts: the so-called pressure and so-called suction part. This concept is illustrated schematically in FIG. 2.

Vnější, tištěnou skořepinu lopatky je principiálně možno zhotovit kteroukoliv aditivní tiskovou technologií, pro danou aplikaci je však nejvhodnější metoda SLS (Selective Laser Sintering) nebo FDM/FFF (Fused Filament Fabrication / Fused Deposition Modelling). V případě, že velikost tiskové komory neumožňuje zhotovit (vytisknout) vnější skořepinu v jednom celku, je možno ji rozdělit na více přiměřeně velkých částí, navzájem spojených např. vhodným mechanickým zámkem obr. 4.In principle, the outer, printed blade shell can be made by any additive printing technology, but the SLS (Selective Laser Sintering) or FDM / FFF (Fused Deposition Modeling) method is most suitable for the application. If the size of the printing chamber does not make it possible to produce (print) the outer shell in one unit, it can be divided into several appropriately large parts connected to each other eg by a suitable mechanical lock Fig. 4.

Uložení nosných vrstev kompozitu na vnitřní straně vnější skořepiny je v zásadě možno provést jedním z níže uvedených standardních způsobů:The deposition of the composite carrier layers on the inner side of the outer shell can in principle be performed in one of the following standard ways:

- mokrou kontaktní laminací- wet contact lamination

- vakuově-infuzní metodou- vacuum-infusion method

- nízkoteplotním prepregem- low temperature prepreg

Po uložení a vytvrzení nosných vrstev kompozitu se obě části lopatky sestaví a na náběžné a odtokové hraně slepí. Spoj může být proveden např. způsobem uvedeným na obr. 6 (náběžná partie) a obr. 7 (odtoková partie).After the composite support layers have been laid and cured, both paddles are assembled and glued to the leading and trailing edges. The connection can be made, for example, in the manner shown in Fig. 6 (leading) and Fig. 7 (drain).

Do kořenové části je před sestavením obou části lopatky uložena a zalepena kovová kořenová vložka.A metal root insert is placed and glued into the root part before assembly of both parts of the blade.

Základním principem i stěžejní předností technického řešení je fakt, že vytištěním vnější skořepiny odpadá nutnost použití matečného modelu a formy k výrobě lopatky, čímž dochází k významné úspoře nákladů a průběžné doby výroby.The basic principle and the main advantage of the technical solution is the fact that the printing of the outer shell eliminates the need to use the parent model and the mold for the production of the blade, which leads to significant cost savings and continuous production time.

Technické řešení umožňuje aplikovat pro zhotovení vnější skořepiny řadu různě funkčně modifikovaných polymerů (plněných, probarvených, s hydrofobní úpravou, vyztužených, s UV filtrem, transparentních apod.). Do vnitřní struktury lopatky je možno snáze integrovat další funkční prvky, např. vyhřívání, chlazení aj. Aplikace tištěné struktury na vnějším, exponovaném povrchu lopatky též zvyšuje houževnatost kompozitní konstrukce a přináší lepší odolnost vůči impaktnímu poškození a abrazi v provozu.The technical solution makes it possible to apply a variety of functionally modified polymers (filled, colored, hydrophobic, reinforced, UV filter, transparent, etc.) for the outer shell. Other functional elements such as heating, cooling, etc. can be more easily integrated into the blade structure. Applying the printed structure to the outer, exposed surface of the blade also increases the toughness of the composite structure and provides better resistance to impact damage and abrasion in operation.

Přínosem technického řešení je především:The main benefits of the technical solution are:

a) vyloučení matečných modelů z procesu technické přípravy výroby lopatky(a) the exclusion of parent models from the technical preparation process of blade production

-4CZ 31085 Ul-4EN 31085 Ul

b) vyloučení forem a pomocných přípravků z výroby lopatky(b) the elimination of molds and auxiliaries from the production of the blade

c) rychlá a efektivní kusová a malosériová výroba lopatekc) fast and efficient piece and small series production of blades

d) významné zkrácení výrobního cyklu produktu a snížení vstupních nákladů,(d) significantly shortening the product's production cycle and reducing input costs;

e) aplikace termoplastického polymeru nebo kovu na povrchu lopatky zlepšuje užitné vlastnosti výrobkue) application of a thermoplastic polymer or metal to the surface of the blade improves the performance of the article

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení je blíže objasněno na obrázcích, kde na:The technical solution is explained in more detail in the figures, where:

obr. 1 je schematicky zobrazena lopatka, jež je předmětem užitného vzoru obr. 2 je znázorněno dělení lopatky podél náběžné a odtokové hrany na sací a tlakovou část obr. 3 je znázorněna sací a tlaková část vnější skořepiny a nosné kompozitní vrstvy obr. 4 je znázorněn způsob sestavení vnější skořepiny ze segmentů pomocí tvarových zámků obr. 5 je znázorněno ustavení výtisků vnějších skořepin na základových deskách a způsob sestavení lopatky obr. 6 je znázorněn způsob slepení tlakové a sací části lopatky na náběžné hraně obr. 7 je znázorněn způsob slepení tlakové a sací části lopatky na odtokové hraně obr. 8 je znázorněna sací část vnější skořepiny opatřená výztužným žebrem obr. 9 je znázorněna nosná vrstva kompozitu tvořená matricí a kontinuálními vláknyFig. 1 shows schematically a paddle, which is the subject of the utility model; Fig. 2 shows the separation of the paddle along the leading and trailing edge into the suction and pressure parts; Fig. 3 shows the suction and pressure parts of the outer shell and the carrier composite layer. 5 shows the alignment of the outer shells on the base plates and the method of assembling the blade FIG. Fig. 8 shows the suction part of the outer shell provided with a reinforcing rib. Fig. 9 shows a composite support layer consisting of a matrix and continuous fibers.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Lopatka axiálního ventilátoru hybridní konstrukce, znázorněná na obr. 1, je obdélníkového půdorysu a asymetrického prohnutého profilu.The axial fan blade of the hybrid structure shown in FIG. 1 is a rectangular plan view and an asymmetrical curved profile.

Lopatka sestává ze dvou částí: pera I a kořene 2.The blade consists of two parts: tongue I and root 2.

Rozměry pera I lopatky jsou: délka 1200 mm, hloubka 650 mm, maximální tloušťka profilu u kořene 50 mm, maximální tloušťka profilu u špičky 16 mm.The dimensions of the blade I of the blade are: length 1200 mm, depth 650 mm, maximum profile thickness at the root 50 mm, maximum profile thickness at the tip 16 mm.

Kořen 2 je kruhového průřezu o průměru 95 mm a délce 120 mm.The root 2 is of circular cross section with a diameter of 95 mm and a length of 120 mm.

Pero 1 lopatky je na náběžné hraně 5 a odtokové hraně 6 rozděleno na tzv. tlakovou část 4 a tzv. sací část 3. Jak tlaková část 4, tak sací část 3 sestávají ze dvou pevně spojených vrstev, a to z vnější skořepiny 7 sací části 3 a vnější skořepiny 9 tlakové části 4, vytvořených metodou aditivního 3D tisku a z vnitřních nosných vrstev kompozitu 8 a 10, tvořených vláknovým kompozitem 15. Obě části lopatky - část tlaková 4 i část sací 3 - jsou na náběžné hraně 5 a odtokové hraně 6 slepeny epoxidovým lepidlem 18 (obr. 6 a 7). Výtisky vnější skořepiny 7 sací části 3 i vnější skořepiny 9 tlakové části 4 jsou na vnějším, lícním povrchu opatřeny systémem výztužných žeber 11. Zebra 11 jsou pevně, ale oddělitelně spojena s povrchem vnějších skořepin 9 a 7, a to způsobem znázorněným na obr. 8. Výztužná žebra 11 jsou taktéž vytvořena metodou aditivního 3D tisku, a to současně s tiskem vnějších skořepin 9 a 7. Žebra H slouží k tvarové stabilizaci vnějších skořepin 9 a 7 v průběhu výroby a po dokončení výroby lopatky jsou oddělena. Výtisky vnějších skořepin 9 a 7 včetně žeber H mají konstantní tloušťku 1,5 mm a jsou vyrobeny tiskovou technikou SLS (Selective Laser Sintering) z materiálu Polyamid PA12.On the leading edge 5 and the trailing edge 6, the blade tongue 1 is divided into a so-called pressure part 4 and a so-called suction part 3. Both the pressure part 4 and the suction part 3 consist of two rigidly connected layers, namely the outer shell 7 of the suction part 3 and the outer shells 9 of the pressure part 4 formed by the additive 3D printing method and the inner backing layers of the composites 8 and 10 formed by the fiber composite 15. Both the blade part - the pressure part 4 and the suction part 3 - are glued to the leading edge 5 and trailing edge epoxy adhesive 18 (FIGS. 6 and 7). The outer shell 7 of the suction part 3 and the outer shell 9 of the pressure part 4 are provided with a system of reinforcing ribs 11 on the outer, face surface. The zebra 11 are rigidly but detachably connected to the surface of the outer shells 9 and 7 in the manner shown in FIG. The reinforcing ribs 11 are also formed by the additive 3D printing method, simultaneously with the printing of the outer shells 9 and 7. The ribs 11 serve to shape stabilize the outer shells 9 and 7 during manufacture and are separated after production. Copies of the outer shells 9 and 7, including the ribs H, have a constant thickness of 1.5 mm and are made using the Selective Laser Sintering (SLS) printing technique of Polyamide PA12.

Nosné vrstvy vláknového kompozitu Γ5 jsou tvořeny epoxidovou matricí 17, vyztuženou kontinuálními uhlíkovými vlákny 16. Vnitřní nosné vrstvy kompozitu 8 a 10 sestávají z většího počtu jednotlivých vrstev, uložených tak, aby přenesly mechanické namáhání lopatky. V kořenu 2 je dovnitř mezi tlakovou část 4 a sací část 3 lopatky uložena a zalepena kořenová vložka 14 z hliníkové slitiny.The fiber composite backing layers jsou5 consist of an epoxy matrix 17 reinforced with continuous carbon fibers 16. The internal backing layers of the composites 8 and 10 consist of a plurality of individual layers arranged to transfer the mechanical stress of the blade. In the root 2 an aluminum alloy root insert 14 is embedded and glued in between the pressure part 4 and the blade suction part 3.

-5CZ 31085 Ul-5GB 31085 Ul

Výtisk vnější skořepiny 9 tlakové částí 4 a výtisk vnější skořepiny 7 sací části 3 jsou při výrobě lopatky ustaveny a zafixovány přes žebra li na základových deskách 12 a 13.The impression of the outer shell 9 of the pressure part 4 and the impression of the outer shell 7 of the suction part 3 are aligned and fixed over the ribs 11 on the base plates 12 and 13 during manufacture of the blade.

Postup výroby lopatky lze shrnout v následujících krocích:The process of manufacturing the blade can be summarized in the following steps:

1. Výroba obou částí vnější skořepiny 7 a 9 v 3D tiskárně metodou SLS (Selective Laser Sintering), a to včetně výztužných žeber ii- Pokud rozměry pracovního prostoru tiskárny neumožňují provést výtisk z jednoho kusu, je možno jej sestavit z více segmentů spojených tvarovými zámky (příklad provedení tvarového zámku je na obr. 4).1. Production of the two parts of the outer shell 7 and 9 in a 3D printer using the SLS (Selective Laser Sintering) method, including the ribs ii- If the dimensions of the workspace of the printer do not allow printing in one piece, it can be assembled from multiple segments connected (an example of the shape lock is shown in Fig. 4).

2. Ustavení a zafixování výtisku vnější skořepiny 9 tlakové části 4 na rovnou základovou desku 12.2. Align and fix the printout of the outer shell 9 of the pressure part 4 on a flat base plate 12.

3. Analogicky: ustavení a zafixování výtisku vnější skořepiny 7 sací části 3 na rovnou základovou desku 13.3. Analogously: aligning and fixing the printout of the outer shell 7 of the suction part 3 on a flat base plate 13.

(Pozn.: Základové desky 12 a 13 slouží k tvarové stabilizaci vnější skořepiny 7 a vnější skořepiny 9 před slepením lopatky).(Note: The base plates 12 and 13 serve to shape stabilize the outer shell 7 and the outer shell 9 before sticking the blade).

4. Uložení nosných vrstev kompozitu 8 a 10 metodou mokré laminace na vnitřní strany výtisků vnější skořepiny 7 a 9.4. Laying the carrier layers of the composites 8 and 10 by the wet lamination method on the inside of the prints of the outer shell 7 and 9.

5. Vytvrzení nosných vrstev kompozitu 8 a 10 při teplotě 60 °C po dobu 24 hodin.5. Cure the layers of composites 8 and 10 at 60 ° C for 24 hours.

6. Slepení tlakové části 4 a tzv. sací části 3 lopatky epoxidovým lepidlem 18,6. Gluing the pressure part 4 and the so-called suction part 3 of the blade with epoxy glue 18,

7. Vytvrzení lepidla J8 při laboratorní teplotě po dobu 24 hodin.7. Cure adhesive J8 at room temperature for 24 hours.

8. Oddělení základových desek 12 a 13.8. Separation of base plates 12 and 13.

9. Odříznutí výztužných žeber 1L9. Cutting of reinforcing ribs 1L

Claims (5)

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS 1. Lopatka axiálního ventilátoru hybridní konstrukce, vyznačující se tím, že sestává z pera (1) a kořene (2) lopatky, přičemž pero (1) lopatky je na náběžné hraně (5) a odtokové hraně (6) rozděleno na tlakovou část (4) a sací část (3), přičemž tlaková část (4) i sací část (3) sestávají ze dvou pevně spojených vrstev, a to z vnější skořepiny (7) sací části (3) a vnější skořepiny (9) tlakové části (4), vytvořených metodou aditivního 3D tisku a z vnitřních nosných vrstev kompozitu (8) a (10), tvořených vláknovým kompozitem (15) s epoxidovou matricí (17), vyztuženou kontinuálními uhlíkovými vlákny (16).An axial fan blade of hybrid construction, characterized in that it consists of a tongue (1) and a blade root (2), wherein the blade tongue (1) is divided into a pressure part (5) and a trailing edge (6) at the leading edge (5). 4) and a suction part (3), wherein the pressure part (4) and the suction part (3) consist of two rigidly connected layers, namely the outer shell (7) of the suction part (3) and the outer shell (9) of the pressure part (3). 4), formed by the additive 3D printing method and from the inner backing layers of the composites (8) and (10), consisting of a fiber composite (15) with an epoxy matrix (17) reinforced with continuous carbon fibers (16). 2. Lopatka podle nároku 1, vyznačující se tím, že obě části lopatky, tlaková část (4) i sací část (3), jsou na náběžné hraně (5) a odtokové hraně (6) slepeny epoxidovým lepidlem (18).The blade according to claim 1, characterized in that the two parts of the blade, the pressure part (4) and the suction part (3), are adhered to the leading edge (5) and the trailing edge (6) by epoxy adhesive (18). 3. Lopatka podle nároku la2, vyznačující se tím, že výtisky vnější skořepiny (7) sací části (3) i vnější skořepiny (9) tlakové části (4) jsou na vnějším, lícním povrchu opatřeny systémem výztužných žeber (11), přičemž tato žebra (11) jsou pevně, ale oddělitelně spojena s povrchem vnějších skořepin (9) a (7).A scoop according to claim 1, characterized in that the outer shell (7) of the suction part (3) and the outer shell (9) of the pressure part (4) are provided with a system of reinforcing ribs (11) on the outer face. the ribs (11) are firmly but releasably connected to the surface of the outer shells (9) and (7). 4. Lopatka podle nároku 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že ke stabilizaci vnější skořepiny (7) a vnější skořepiny (9) před slepením jsou použity základové desky (12) a (13), které jsou po zhotovení výrobku odděleny.The blade according to claim 1, 2 and 3, characterized in that base plates (12) and (13) are used to stabilize the outer shell (7) and outer shell (9) before gluing, which are separated after the product has been made. 5. Lopatka podle nároku 1, 2, a 3, vyznačující se tím, že v kořenu (2) je dovnitř mezi tlakovou část (4) a sací část (3) lopatky uložena a zalepena kořenová vložka (14) z hliníkové slitiny.The blade according to claim 1, 2, and 3, characterized in that in the root (2) an aluminum alloy root insert (14) is inserted and glued in between the pressure part (4) and the blade suction part (3).
CZ2017-33649U 2017-04-27 2017-04-27 An axial fan blade of a hybrid structure CZ31085U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2017-33649U CZ31085U1 (en) 2017-04-27 2017-04-27 An axial fan blade of a hybrid structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2017-33649U CZ31085U1 (en) 2017-04-27 2017-04-27 An axial fan blade of a hybrid structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ31085U1 true CZ31085U1 (en) 2017-10-09

Family

ID=60039188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2017-33649U CZ31085U1 (en) 2017-04-27 2017-04-27 An axial fan blade of a hybrid structure

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ31085U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3459383B1 (en) 3d-printed master model
CN101258012B (en) Machinable composite mold
US6630093B1 (en) Method for making freeform-fabricated core composite articles
US8747592B2 (en) Method of repairing a fibre composite solid member
US8088317B1 (en) Partially automated fabrication of composite parts
Equbal et al. Rapid tooling: A major shift in tooling practice
US20080082301A1 (en) Method for designing and fabricating a robot
US20220097323A1 (en) Nested manufacturing of composite structures
JP6025841B2 (en) Masterless layup mandrel tool
Stewart New mould technologies and tooling materials promise advances for composites
CN211442519U (en) Formula car hollow wing piece
CZ31085U1 (en) An axial fan blade of a hybrid structure
CN110775171B (en) Formula car hollow wing and forming method thereof
CN102574310A (en) Direct production of a negative mold for producing wind turbine blades
Kuo et al. Fabrication of a high precision silicone rubber mold for replicating wax patterns of cylinder heads
RU2188126C2 (en) Method for manufacture of molding equipment of polymeric composite material
CN207013677U (en) Casting molds based on 3D printing
CN206106487U (en) Hollow helix oar
CN107089015A (en) A kind of use polymeric membrane improves the die press technology for forming of the multiple material outward appearance of fiber
KR101830705B1 (en) Method of making rear carrier and rear carrier thereof
RU2375185C1 (en) Method for manufacturing of large-size polymer accessory
CN115455508B (en) 3D printing technology-based hollow structure plate manufacturing method
Cloud et al. Low‐cost tooling for composite parts:“the LCTC process”
Türk et al. Design and manufacture of hybrid metal composite structures using functional tooling made by additive manufacturing
Mulkerrins An investigation of cost-effective rapid tooling for fibre reinforced polymer parts using low-cost 3D printing

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20171009

ND1K First or second extension of term of utility model

Effective date: 20210322