RU2432502C1

RU2432502C1 - Method of manufacturing of centrifugal compression machine impeller from composite material

Info

Publication number: RU2432502C1
Application number: RU2010132390/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Грибановский (RU); Владимир Александрович Грибановский; Виктор Леонидович Юрьев (RU); Виктор Леонидович Юрьев; Валерий Александрович Гейкин (RU); Валерий Александрович Гейкин; Алла Владиславовна Юсупова (RU); Алла Владиславовна Юсупова
Original assignee: Открытое акционерное общество Институт технологии и организации производства (ОАО НИИТ)
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-10-27

Abstract

FIELD: engines and pumps. ^ SUBSTANCE: method of manufacturing of centrifugal compression machine impeller from composite material consists in cutting of layers of blade material, their pressing in press-die, blade location and positioning in assembly press-die and impeller pressing. Note that during material layers cutting they extend beyond blade contours at the side of blade root section by the length larger the length of carrying ring curve between neighbouring blades and at peripheral section side by the length larger than the length of covering disc between neighbouring blades. Note that the outer surfaces of carrying ring and covering disc are performed evenly spaced in relation to aerodynamic surfaces of gas circuit. Aerodynamic profile of the blades is arranged in press-die. Then the blades are put in press-die separator and in separator cavities there is preliminary forming of carrying ring and covering disc. After that the separator is put into press-die and pressed. Note that covering disc outer surfaces are formed in a matrix and carrying ring outer surfaces - in a die. The inner aerodynamic surfaces of gas circuit of covering disc and carrying ring are formed in separator. ^ EFFECT: possibility to create high-load structure of centrifugal compression machine impeller from composite material with considerable decrease of its weight and improved strength and stiffness. ^ 4 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области турбинного машиностроения, а именно к конструкциям рабочих колес центробежных компрессоров, в частности газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной, ракетной технике, автомобильном двигателестроении и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of turbine engineering, and in particular to the design of the impellers of centrifugal compressors, in particular gas turbine engines, and can be used in aviation, rocket technology, automotive engines and other industries.

Известна воздушная турбина из термоконструкционного композиционного материала и способ ее изготовления (патент RU №2135779, кл. F01D 5/04, F01D 5/28, F04D 29/28, опубл. 29.08.1996 г.). Турбина содержит несколько лопастей, расположенных между двумя фланцами. Основание каждой лопасти соединено с втулкой. Втулка образована плоскими кольцами пластинами, уложенными в пакет и обездвиженными друг относительно друга по вращательному движению относительно оси турбины. Лопасти, втулка и фланцы изготовлены из композиционного материала с последующей механической обработкой.A known air turbine made of thermoconstructive composite material and a method for its manufacture (patent RU No. 2135779, class F01D 5/04, F01D 5/28, F04D 29/28, published on 08.29.1996). The turbine contains several blades located between two flanges. The base of each blade is connected to the sleeve. The sleeve is formed by flat rings with plates stacked in a bag and immobilized relative to each other in a rotational movement relative to the axis of the turbine. The blades, sleeve and flanges are made of composite material with subsequent machining.

Способ характеризуется тем, что каждую лопасть изготавливают индивидуально путем формования двумерной волокнистой структуры в виде пластин для получения предварительно отформованной заготовки, ее последующего уплотнения при помощи матрицы данного композиционного материала и механической обработки. Каждый из фланцев получен путем изготовления предварительно отформованной кольцевой заготовки из пластины двумерной волокнистой структуры и последующего ее уплотнения матрицей данного композиционного материала. Каждую лопасть соединяют с втулкой путем установки основания лопасти в канавку, форма которой соответствует форме основания лопатки. Фланцы, которые контактируют с лопастями и образуют с ними проходы для газовой среды, имеют прорези, в которые входят кромки лопастей.The method is characterized in that each blade is made individually by forming a two-dimensional fibrous structure in the form of plates to obtain a preformed blank, its subsequent compaction using a matrix of this composite material and machining. Each of the flanges is obtained by manufacturing a preformed ring billet from a plate of a two-dimensional fibrous structure and its subsequent compaction with a matrix of this composite material. Each blade is connected to the sleeve by installing the base of the blade in a groove, the shape of which corresponds to the shape of the base of the blade. Flanges that come in contact with the blades and form passages for the gaseous medium with them have slots in which the edges of the blades enter.

Недостатком этой конструкции является то, что она состоит из большого количества деталей, которые подлежат механической обработке, при этом перерезаются волокна, а клеевая сборка не обеспечивает монолитность колеса.The disadvantage of this design is that it consists of a large number of parts that are subject to mechanical processing, while the fibers are cut, and the adhesive assembly does not ensure the solidity of the wheel.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному рабочему колесу является рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления (патент RU №2239100, кл. F04D 29/26, опубл. 30.10.2002 г.), взятые в качестве прототипа. В рабочем колесе центробежного компрессора из композиционного материала, содержащем рабочие лопатки, прикрепленные своими опорными элементами соответственно к радиально расположенным друг относительно друга поддерживающим элементам, рабочие лопатки выполнены продольными, зацело с ножкой, соединяющей перо и опорные элементы лопатки, при этом колесо снабжено профильными проставками, каждая из которых повторяет форму ножки лопатки, выполнена между соседними ножками лопаток и соединена ими. Имеет опорные элементы и хотя бы одну полость облегчения. При этом поддерживающий элемент представляет собой кольцо, а каждый опорный элемент лопаток и проставок выполнен в виде паза, ширина которого не менее ширины кольца. Ножки лопаток и проставок выполнены с усиливающим элементом.The closest in technical essence to the declared impeller is the impeller of a centrifugal compressor made of composite material and the method of its manufacture (patent RU No. 2239100, class F04D 29/26, published on October 30, 2002), taken as a prototype. In the impeller of a centrifugal compressor made of composite material containing rotor blades attached by their supporting elements respectively to supporting elements radially spaced relative to each other, the rotor blades are made longitudinal, integrally with the leg connecting the feather and the supporting elements of the blade, while the wheel is equipped with profile spacers, each of which follows the shape of the legs of the scapula, made between adjacent legs of the scapula and connected by them. It has supporting elements and at least one cavity of relief. In this case, the supporting element is a ring, and each supporting element of the blades and spacers is made in the form of a groove, the width of which is not less than the width of the ring. The legs of the blades and spacers are made with a reinforcing element.

Для изготовления предлагаемого рабочего колеса центробежного компрессора предлагается способ, который позволяет производить полости облегчения, имеющиеся в конструкции колеса, без нарушения целостности структуры материала. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающем раскрой слоев материала лопаток с опорными элементами, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток с опорными элементами и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме с последующим соединением по контактирующим поверхностям поддерживающих элементов и опорных элементов лопаток и прессованием колеса, лопатку с ножкой выкраивают зацело с проставкой из различных по размерам слоев материала, выкладывают в пресс-форме, и устанавливают в проставке закладной элемент, удаляемый после прессования, а после установки и центровки лопаток с опорными элементами проставки и поддерживающих элементов в сборочной пресс-форме их соединяют между собой по контактирующим поверхностям, при этом поддерживающий элемент изготавливают методом намотки протяжных композиционных материалов на оправку с последующим прессованием элемента в пресс-форме.For the manufacture of the proposed impeller of a centrifugal compressor, a method is proposed that allows the production of light cavities in the wheel structure without violating the integrity of the material structure. This goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing the impeller of a centrifugal compressor from a composite material, which includes cutting layers of material of the blades with supporting elements, pressing them in a mold, placement and alignment of the blades with supporting elements and supporting elements in the assembly mold with subsequent by connecting along the contacting surfaces of the supporting elements and the supporting elements of the blades and pressing the wheel, the blade with the leg is cut entirely with a spacer of various sizes the frames of the material layers, lay out in the mold, and set in the spacer the embedded element that is removed after pressing, and after installing and aligning the blades with the supporting elements of the spacer and the supporting elements in the assembly mold, they are interconnected along contact surfaces, while supporting an element is made by winding long-drawn composite materials onto a mandrel, followed by pressing the element in a mold.

По данному изобретению достигается получение монолитного колеса, однако в конструкции и способе его получения имеются существенные недостатки: относительно повышенная масса колеса; для установки поддерживающего элемента необходимо проточить кольцевую канавку, при этом перерезаются волокна композиционного материала, что снижает прочность колеса.According to this invention, obtaining a monolithic wheel is achieved, however, the design and method for its preparation have significant drawbacks: the relatively increased mass of the wheel; To install the supporting element, it is necessary to groove the annular groove, while the fibers of the composite material are cut, which reduces the strength of the wheel.

Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала облегченной конструкции с повышенными прочностными характеристиками.The problem solved by this invention is the creation of a monolithic wheel of a centrifugal compressor from a composite material of lightweight construction with increased strength characteristics.

Поставленная цель достигается тем, что опорное кольцо и покрывной диск колеса формируются из материала, выходящего за пределы лопатки в корневом и периферийном сечениях, причем длины материала, выходящего из лопаток, больше длин дуг между соседними лопатками опорного кольца и покрывного диска соответственно. Наружные поверхности покрывного диска и опорного кольца выполнены эквидистантно к их профилированным поверхностям газового тракта.This goal is achieved in that the support ring and the cover disk of the wheel are formed of material extending beyond the blade in the root and peripheral sections, the length of the material emerging from the blades being longer than the lengths of the arcs between adjacent vanes of the support ring and the cover disk, respectively. The outer surfaces of the casing disk and the support ring are made equidistant to their profiled surfaces of the gas path.

Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала включает раскрой слоев материала лопаток, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток в сборочной пресс-форме и прессование колеса. При раскрое слоев материала они выходят за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения лопатки на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, а со стороны периферийного сечения на длину, большую длины дуги покрывного диска между соседними лопатками. Материал пропитывается связующим по контуру лопатки и укладывается в пресс-форму, в которой оформляется аэродинамический профиль лопатки, и на корневом и периферийном сечениях пера формируют часть опорного кольца и покрывного диска длиной от 1 до 200 мм. Затем лопатки укладываются в сепаратор, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме. Затем пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура лопаток, и предварительно формируют в полостях сепаратора опорное кольцо и покрывной диск, после чего сепаратор укладывают в пресс-форму и производят прессование, при этом в матрице формируют наружные поверхности покрывного диска, в пуансоне наружные поверхности опорного кольца, а в сепараторе формируют внутренние аэродинамические поверхности газового тракта покрывного и опорного диска. После разборки пресс-формы колесо освобождают от сепаратора путем нагрева до температуры выше той, которая принята для оформления композиции с данным типом связующего, но ниже температуры верхнего предела эксплуатации. После расплавления сепаратора колесо зачищают и контролируют. Сепаратор изготавливают из олова, если температура формообразования композиции ниже 231°С, тогда сепаратор с изделием помещают в камеру с температурой ниже +13°С до полного превращения β-олова в α-олово (порошок).A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor made of composite material includes cutting layers of material of the blades, pressing them in a mold, placing and aligning the blades in an assembly mold, and pressing the wheel. When cutting layers of material, they extend beyond the contour of the blades from the side of the root section of the blade to a length greater than the length of the arc of the support ring between adjacent blades, and from the side of the peripheral section to a length greater than the length of the arc of the covering disk between adjacent blades. The material is impregnated with a binder along the contour of the blade and fits into the mold, in which the aerodynamic profile of the blade is formed, and a part of the support ring and cover disk with a length of 1 to 200 mm are formed on the root and peripheral sections of the pen. Then the blades are placed in a separator, which provides a nominal location of the blades in the mold. Then the material extending beyond the contour of the blades is impregnated with a binder, and a support ring and a cover disk are preliminarily formed in the separator cavities, after which the separator is placed in a mold and pressed, and the outer surfaces of the cover disk are formed in the matrix, and the outer surfaces of the support rings, and in the separator, the internal aerodynamic surfaces of the gas path of the cover and support disk are formed. After disassembling the mold, the wheel is freed from the separator by heating to a temperature above that which is accepted to design a composition with this type of binder, but below the temperature of the upper limit of operation. After the separator is melted, the wheel is cleaned and controlled. The separator is made of tin, if the temperature of forming the composition is below 231 ° C, then the separator with the product is placed in a chamber with a temperature below + 13 ° C until β-tin is completely converted to α-tin (powder).

На фиг.1 показан общий вид рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала. На фиг.2 представлено сечение рабочего колеса центробежного компрессора. На фиг.3 представлен раскрой материала. На фиг.4 - пресс-форма для изготовления лопаток. На фиг.5 - лопатка после прессования. На фиг.6 показано сечение лопатки после прессования. На фиг.7 - сепаратор. На фиг.8 - вид сверху на сепаратор. На фиг.9 - пресс-форма в собранном состоянии, вид сверху. На фиг.10 - сечение В-В пресс-формы в собранном состоянии.Figure 1 shows a General view of the impeller of a centrifugal compressor made of composite material. Figure 2 presents the cross section of the impeller of a centrifugal compressor. Figure 3 presents the cutting of the material. Figure 4 - mold for the manufacture of blades. In Fig.5 - the blade after pressing. Figure 6 shows the cross section of the blade after pressing. 7 is a separator. On Fig is a top view of the separator. Figure 9 - mold in assembled condition, top view. Figure 10 is a section bb of the mold in the assembled state.

Рабочее колесо центробежного компрессора, фиг.1, состоит из рабочих лопаток 1, опорного кольца 2 и покрывного диска 3. На сечении А-А (фиг.2) показано опорное кольцо 2 и покрывной диск 3, которые формируются материалом 4, выходящим за пределы лопатки в корневом 5 и периферийном сечениях 6 лопатки соответственно. При этом материал 4, выходящий за пределы лопатки, имеет длину в корневом сечении больше длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, а в периферийном сечении больше длины дуги покрывного диска между соседними лопатками. Наружные поверхности опорного кольца и покрывного диска эквидистантны аэродинамическим поверхностям 18, 20 газового тракта 7 соответственно. Таким образом, получается монолитное рабочее колесо центробежного компрессора жесткой и прочной конструкции с минимальной массой и калиброванным газовым трактом, что очень важно, особенно в авиационном двигателестроении.The impeller of the centrifugal compressor, figure 1, consists of the working blades 1, the support ring 2 and the cover disk 3. At section aa (figure 2) shows the support ring 2 and the cover disk 3, which are formed by material 4, which extends beyond scapulae in root 5 and peripheral sections 6 of scapula, respectively. At the same time, the material 4 extending beyond the limits of the blade has a length in the root section greater than the length of the arc of the support ring between adjacent blades, and in the peripheral section more than the length of the arc of the cover disk between adjacent blades. The outer surfaces of the support ring and the cover disk are equidistant to the aerodynamic surfaces 18, 20 of the gas path 7, respectively. Thus, a monolithic impeller of a centrifugal compressor of a rigid and durable construction with a minimum mass and a calibrated gas path is obtained, which is very important, especially in aircraft engine building.

Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора заключается в раскрое различных размеров слоев материала 10 (фиг.3) лопаток, при этом слои раскраиваются с учетом, что часть материала 9, 8 соответственно будет формировать опорное кольцо 2 (фиг.1) и покрывной диск 3. На фиг.3 показан раскрой одного слоя лопатки. Количество слоев и их размеры рассчитываются для каждого конкретного колеса и конфигурации лопатки. Каждый слой пропитывается связующим в зоне 10 и за пределами контура лопатки на 1…200 мм (фиг.3). После этого слои выкладываются в матрице 11 (фиг.4) пресс-формы, устанавливается пуансон 12 и проводится прессование в соответствии с технологическим режимом для применяемого композиционного материала. После распрессовки получается лопатка 1 (фиг.5), на корневом сечении 16 которой образована наметка 13 (фиг.6) опорного кольца 2 (фиг.1), а на периферийном сечении 15 (фиг.5) образована наметка 14 (фиг.6) покрывного диска; наметки 13, 14 получаются длиной 1…20 мм. Часть материала 8, 9 остается в исходном состоянии, из которого в дальнейшем полностью сформируется опорное кольцо и покрывной диск. Далее пропитывается связующим материал 8, 9, предназначенный для образования опорного кольца 2 (фиг.1) и покрывного диска 3 лопатки 1 и устанавливаются в сепаратор (фиг.7), основные размеры которого соответствуют размерам газового тракта 7 (фиг.1). Поверхность 17 (фиг.7) формирует поверхность газового тракта 18 (фиг.1), а поверхность 19 (фиг.7) формирует поверхность 20 (фиг.1) газового тракта колеса. Поверхности 21 и 22 (фиг.7) формируют поверхности колеса 23 и 24 (фиг.1) соответственно, а поверхности 25 и 26 (фиг.7) оформляют поверхности 27 и 28 (фиг.1) соответственно. Лопатки 1 устанавливаются в пазы 29 (фиг.8), при этом наметка 14 (фиг.6) покровного диска и наметка 13 опорного кольца фиксируют лопатку в радиальном направлении. Затем материал 8 укладывается в полость между поверхностями 17, 21, 22 (фиг.7), в которой сформируется покрывной диск, а материал 9 (фиг.6) укладывается в полость между поверхностями 19, 25, 26 (фиг.7), в которой оформится опорное кольцо. В таком виде сепаратор вместе с предварительно оформленным колесом устанавливается на пуансон 31 (фиг.10) и укладывается в матрицу 30. Проводится прессование по режиму, соответствующему для материала и связующего, из которого состоит рабочее колесо центробежного компрессора.A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor consists in cutting various sizes of layers of material 10 (FIG. 3) of the blades, the layers being cut taking into account that part of the material 9, 8 will accordingly form a support ring 2 (FIG. 1) and a cover disk 3. Figure 3 shows the cutting of one layer of the scapula. The number of layers and their sizes are calculated for each specific wheel and blade configuration. Each layer is impregnated with a binder in zone 10 and outside the contour of the blade by 1 ... 200 mm (figure 3). After that, the layers are laid out in the matrix 11 (figure 4) of the mold, the punch 12 is installed and pressing is carried out in accordance with the technological regime for the applied composite material. After extrusion, a blade 1 (Fig. 5) is obtained, on the root section 16 of which a notch 13 (Fig. 6) of the support ring 2 (Fig. 1) is formed, and on the peripheral section 15 (Fig. 5), a notch 14 (Fig. 6) is formed ) a cover disk; basting 13, 14 are obtained with a length of 1 ... 20 mm. Part of the material 8, 9 remains in the initial state, from which the support ring and the cover disk are subsequently completely formed. Next, a material 8, 9 is impregnated with a binder, intended for the formation of a support ring 2 (Fig. 1) and a cover disk 3 of the blade 1 and are installed in a separator (Fig. 7), the main dimensions of which correspond to the dimensions of the gas path 7 (Fig. 1). The surface 17 (Fig. 7) forms the surface of the gas path 18 (Fig. 1), and the surface 19 (Fig. 7) forms the surface 20 (Fig. 1) of the gas path of the wheel. The surfaces 21 and 22 (Fig. 7) form the surfaces of the wheels 23 and 24 (Fig. 1), respectively, and the surfaces 25 and 26 (Fig. 7) form the surfaces 27 and 28 (Fig. 1), respectively. The blades 1 are installed in the grooves 29 (Fig. 8), while the basting 14 (Fig. 6) of the cover disk and the basting 13 of the support ring fix the blade in the radial direction. Then the material 8 is placed in the cavity between the surfaces 17, 21, 22 (Fig. 7), in which a cover disk is formed, and the material 9 (Fig. 6) is placed in the cavity between the surfaces 19, 25, 26 (Fig. 7), which will form the support ring. In this form, the separator, together with the preformed wheel, is mounted on the punch 31 (Fig. 10) and fits into the matrix 30. Pressing is carried out according to the regime appropriate for the material and binder of which the impeller of the centrifugal compressor consists.

В процессе прессования в пресс-форме окончательно формируются поверхности газового тракта колеса.During the pressing process, the surfaces of the gas path of the wheel are finally formed in the mold.

Материал сепаратора выбирается с температурой плавления выше температуры, при которой производят полимеризацию композиционного материала, но ниже температуры, до которой допускается нагревать композиционный материал без потери его физических свойств.The separator material is selected with a melting temperature above the temperature at which the composite material is polymerized, but below the temperature to which it is allowed to heat the composite material without losing its physical properties.

После прессования и термообработки, оставляя колесо в пресс-форме, производят расплавление сплава сепаратора. Затем колесо очищают от остатков сплава сепаратора и удаляют заусенцы.After pressing and heat treatment, leaving the wheel in the mold, the alloy of the separator is melted. Then the wheel is cleaned of the remains of the separator alloy and the burrs are removed.

Если температура полимеризации композиционного материала ниже 231°С (температура плавления олова), можно как вариант изготавливать сепаратор из олова, а после разборки пресс-формы изделие с сепаратором помещать в камеру с температурой ниже +13°С до полного превращения β-олова в α-олово (порошок).If the polymerization temperature of the composite material is lower than 231 ° C (tin melting temperature), it is possible to make a separator from tin, and after disassembling the mold, place the product with the separator in a chamber with a temperature below + 13 ° C until β-tin is completely converted to α tin (powder).

Данным изобретением решается задача создания высоконагруженной конструкции рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала при значительном снижении его массы и повышенной жесткости и прочности. Предложенные инженерные решения в изобретении с успехом могут быть применены при создании входного направляющего и спрямляющего аппаратов газотурбинного двигателя.This invention solves the problem of creating a highly loaded design of the impeller of a centrifugal compressor made of composite material with a significant reduction in its mass and increased rigidity and strength. The proposed engineering solutions in the invention can be successfully applied to create an input guide and rectifier apparatus of a gas turbine engine.

Claims

1. A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor made of composite material, including cutting the layers of material of the blades, pressing them in a mold, placing and aligning the blades in the assembly mold and pressing the wheels, moreover, when cutting the layers of material, they go beyond the contour of the blades with side of the root section of the blade to a length greater than the length of the arc of the support ring between adjacent blades, and from the side of the peripheral section to a length greater than the length of the arc of the casing disk between adjacent blades, The outer surfaces of the support ring and the cover disk are performed equidistant to the aerodynamic surfaces of the gas path, the aerodynamic profile of the blades is formed into a mold, then the blades are placed in the mold separator and the support ring and cover disk are pre-formed in the separator cavities, after which the separator is placed in the press -form and produce pressing, while in the matrix the outer surfaces of the cover disk are formed, in the punch - the outer surfaces of the support ring, and in the separator form morning airfoils coating gas path and the reference rings.

2. The method according to claim 1, characterized in that during the formation of the scapula on its root and peripheral sections of the pen, a part of the support ring and the covering disk are formed from 1 to 20 mm long.

3. The method according to claim 1, characterized in that the separator is made of a material having a melting point higher than the temperature adopted to design a composition with this type of binder, but below the temperature of the upper limit of the working temperature of the composition, and the wheel is freed from the separator by melting it.

4. The method according to claim 1, characterized in that for forming the wheels of a composite material with a polymerization temperature below 231 ° C, the separator is made of tin, after disassembling the mold, the product with the separator is placed in a chamber with a temperature below 13 ° C until complete β-tin to α-tin (powder).