RU2600213C1

RU2600213C1 - Centrifugal compressor impeller from composite material and method of making thereof

Info

Publication number: RU2600213C1
Application number: RU2015117496/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Грибановский
Original assignee: Владимир Александрович Грибановский
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-10-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to turbo machines, namely to production of impellers of centrifugal compressors. Impeller of a centrifugal compressor includes working blades, a support ring and a cover disc, herewith the support ring consists of a metal separator of the support ring and a composite material, and the cover disc consists of a metal separator of the cover disc and a composite material. Separators of the support ring and the cover disc on the inlet diameter have an annular shield, which protects the composite material. Inner surfaces of the separators are made as per the shape and the size of the gas line. Blade leading edge is bordered with a metal cover strip protecting it against impacts of foreign objects. Metal cover strip is reliably jammed in holes of the separators of the support ring and the cover disc.

EFFECT: invention is aimed at providing high accuracy of the impeller fabrication and higher strength of leading edges of blades.

2 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к области турбинного машиностроения, а именно к конструкции рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала и способу его изготовления, 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, namely to the design of the impeller of a centrifugal compressor made of composite material and the method of its manufacture, in particular gas turbine engines, and can be used in aviation, rocket technology, automotive engine manufacturing and other industries.

Известно рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления (патент RU №2239100, кл. F04D 29/26, опубл. 30.10.2002 г.). Рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала, содержащее рабочие лопатки, прикрепленные своими опорными элементами соответственно к радиально расположенным друг относительно друга поддерживающими элементами, 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 с ними, имеет опорные элементы и хотя бы одну полость облегчения. При этом поддерживающий элемент представляет собой колесо, а каждый опорный элемент лопаток и проставок выполнен в виде паза, ширина которого не менее ширины кольца. Ножки лопаток и проставки выполнены с усиливающим элементом.A known impeller of a centrifugal compressor made of composite material and a method for its manufacture (patent RU No. 2239100, class F04D 29/26, publ. 30.10.2002). The impeller of a centrifugal compressor made of composite material containing rotor blades attached with 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, each wheel equipped with profile spacers, each of which follows the shape of the blade legs, made between adjacent blade legs and connected to them, has supporting elements and at least one polo relief. In this case, the supporting element is a wheel, 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 и проставками 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 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 connection on the contacting surfaces of the supporting elements and supporting elements of the blades and pressing the wheel. The blade with the leg is completely cut out with a spacer from layers of different sizes of material, laid out in the mold and a spacer element is installed in the spacer, removed after pressing, and after installation and centering of the blades with supporting elements and spacers and supporting elements in the assembly mold interconnected by contacting surfaces, while the supporting element is made by winding long-drawn composite materials on a mandrel, followed by pressing in a mold.

По данному изобретению достигается получение монолитного рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, однако в конструкции и способе его изготовления имеются 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 impeller of a centrifugal compressor from a composite material is achieved, however, there are drawbacks in the design and method of its manufacture: 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному рабочему колесу является «Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала» (патент RU №2432502, кл. F04D 29/28, опубл. 27.10.2011 г.), взятый в качестве прототипа. Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающий раскрой слоев материала лопаток, прессование их в пресс-форме, размещение и центровку лопаток в сборочной пресс-форме и прессование колеса. При раскрое слоев материал выходит за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения пера 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 формируется часть опорного кольца и покрывного диска длиной от 1 до 20 мм. Затем лопатки укладывают в сепаратор, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме. Далее пропитывают связующим материал, выходящий за пределы контура лопаток, и в полостях сепаратора предварительно формируют опорное кольцо и покрывной диск, после чего сепаратор укладывают в пресс- форму и производят прессование, при этом в матрице формируют наружную поверхность покрывного диска, в пуансоне - наружную поверхность опорного кольца, а в сепараторе формируют аэродинамические поверхности газового тракта покрывного диска и опорного кольца. После разборки пресс-формы колесо освобождают от сепаратора путем нагрева до температуры выше той, которая принята для полимеризации композиции с данным типом связующего, но ниже температуры верхнего предела эксплуатации. После расплавления сепаратора колесо зачищают и контролируют.The closest in technical essence to the claimed impeller is a "Method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor from composite material" (patent RU No. 2432502, CL F04D 29/28, published on 10.27.2011), taken as a prototype. A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor from a composite material, including 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, the material extends beyond the contour of the blades from the side of the root section of the blade pen 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 the cover disk from 1 to 20 mm long 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. Next, a material that extends beyond the contour of the blades is impregnated with a binder, and in the separator cavities a support ring and a cover disk are pre-formed, after which the separator is placed in the mold and pressed, and the outer surface of the cover disk is formed in the matrix, and the outer surface in the punch support ring, and in the separator form the aerodynamic surfaces of the gas path of the casing disk and the support ring. After disassembling the mold, the wheel is freed from the separator by heating to a temperature higher than that adopted for the polymerization of the 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.

Данный способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала обеспечивает значительное снижение удельной массы и повышение жесткости и прочности изделия. Тенденция развития авиационных двигателей идет в сторону уменьшения толщины лопаток, что в свою очередь приводит к тому, что в зоне входной кромки удается разместить небольшое количество слоев композиционного материала. Такая кромка недостаточно прочная, чтобы выдерживать удары посторонних предметов. Другим недостатком этого способа является то, что используется сепаратор из легкоплавкого материала, например олова, и возникает необходимость его удаления путем плавления при определенной температуре, которая должна быть ниже температуры эксплуатации применяемого связующего и выше температуры его полимеризации, что ограничивает выбор связующего. Кроме того, сепаратор получают литьем, что не обеспечивает высокой точности номинального расположения лопаток в пресс-форме, а это, в свою очередь, снижает размерную точность изделия.This method of manufacturing the impeller of a centrifugal compressor from composite material provides a significant reduction in specific gravity and increase the stiffness and strength of the product. The development trend of aircraft engines is going towards a decrease in the thickness of the blades, which in turn leads to the fact that in the area of the input edge it is possible to place a small number of layers of composite material. Such an edge is not strong enough to withstand the impact of foreign objects. Another disadvantage of this method is that a separator of fusible material, such as tin, is used, and it becomes necessary to remove it by melting at a certain temperature, which should be lower than the operating temperature of the binder used and above its polymerization temperature, which limits the choice of binder. In addition, the separator is obtained by casting, which does not provide high accuracy of the nominal location of the blades in the mold, and this, in turn, reduces the dimensional accuracy of the product.

Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением высокой точности изготовления и прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдерживать удары посторонних предметов.The problem solved by this invention is the creation of a monolithic wheel of a centrifugal compressor made of composite material with high precision manufacturing and the strength of the input edges of the blades, the support ring and the cover disk, capable of withstanding impacts of foreign objects.

Поставленная цель достигается тем, что для установки лопаток в пресс-форму и фиксации их в номинальном положении применяют сепараторы опорного кольца и покрывного диска, изготовленных, например, из титанового сплава, а входная кромка лопатки окантована металлической накладкой. В сепараторе опорного кольца выполнены отверстия по форме корневого сечения пера лопатки, а в сепараторе покрывного диска - по форме периферийного сечения пера лопатки. Такая конструкция обеспечивает высокоточное номинальное расположение лопаток в рабочем колесе, кроме того, металлическая накладка, окантовывающая входную кромку пера лопатки, прочно закреплена между сепараторами опорного кольца и покрывного диска. Для сборки колеса ранее изготовленные лопатки, с окантованными входными кромками металлическими накладками, вставляются в щелевые отверстия сепаратора опорного кольца, фиксируясь в последнем наметкой опорного кольца на корневом сечении пера лопатки, а ее металлическая накладка не выходит за пределы аэродинамической поверхности сепаратора опорного кольца, а периферийное сечение фиксируется в отверстии сепаратора покрывного диска, при этом металлическая накладка на входной кромке проходит за пределы аэродинамической поверхности сепаратора покрывного диска, затем на наружных поверхностях опорного кольца и покрывного диска предварительно формируют композиционную часть опорного кольца и покрывного диска. Собранное колесо помещают в пресс-форму и проводят операцию окончательного формообразования.This goal is achieved by the fact that to install the blades in the mold and fix them in a nominal position, separators of the support ring and the cover disk are made, for example, made of titanium alloy, and the input edge of the blade is edged with a metal plate. In the separator of the support ring, holes are made in the shape of the root section of the scapular feather, and in the separator of the cover disk - in the form of the peripheral section of the scapular pen. This design provides a highly accurate nominal location of the blades in the impeller, in addition, the metal plate that surrounds the inlet edge of the blade feather is firmly fixed between the separators of the support ring and the cover disc. To assemble the wheel, previously made vanes, with metal plates edged with input edges, are inserted into the slotted holes of the support ring separator, being fixed in the last basting of the support ring on the root section of the blade feather, and its metal plate does not extend beyond the aerodynamic surface of the support ring separator, but the peripheral the cross section is fixed in the hole of the separator of the casing disk, while the metal plate on the inlet edge extends beyond the aerodynamic surface of sep an arator of the cover disk, then on the outer surfaces of the support ring and cover disk the composite part of the support ring and cover disk is preliminarily formed. The assembled wheel is placed in the mold and the final shaping operation is performed.

Настоящее изобретение поясняется следующими фигурами:The present invention is illustrated by the following figures:

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 - вход газового тракта, на фиг. 4 - лопатка после прессования, на фиг. 5 - сечение входной кромки лопатки, на фиг. 6 - крепление металлической накладки на входной кромке, на фиг. 7 - сепаратор опорного кольца, на фиг. 8 - сепаратор покрывного диска, на фиг. 9 - раскрой материала для рабочих лопаток, на фиг. 10 - пресс-форма для изготовления лопаток, на фиг. 11 - сечение лопатки, на фиг. 12 - приспособление для предварительной сборки, на фиг. 13 - пресс-форма для окончательного прессования.in FIG. 1 shows a general view of the impeller of a centrifugal compressor made of composite material, FIG. 2 shows a cross section of the impeller of a centrifugal compressor; FIG. 3 - input of the gas path, in FIG. 4 - the blade after pressing, in FIG. 5 is a sectional view of the leading edge of the blade, in FIG. 6 - fastening of a metal plate on the input edge, in FIG. 7 - separator of the support ring, in FIG. 8 - casing disc separator, in FIG. 9 - cutting material for working blades, in FIG. 10 is a mold for the manufacture of blades, in FIG. 11 is a cross-section of a blade, in FIG. 12 - a device for preliminary assembly, in FIG. 13 - mold for final pressing.

Рабочее колесо центробежного компрессора (фиг. 1, фиг. 2) включает рабочие лопатки 1, опорное кольцо 2 и покрывной диск 3, при этом опорное кольцо 2 состоит из металлического сепаратора опорного кольца 4 и композиционного материала 5, а покрывной диск 3 состоит из металлического сепаратора покрывного диска 6 и композиционного материала 7. В качестве металла используется, например, титановый сплав. Сепараторы опорного кольца 4 и покрывного диска 6 на входном диаметре имеют кольцевой экран 8 и 9 соответственно, которые защищают композиционный материал опорного кольца 5 и покрывного диска 7 от удара посторонними предметами (фиг. 1, фиг. 3). У лопатки 1 входная кромка окантована металлической накладкой 10 (фиг. 4, фиг. 5), защищающей входную кромку 11 от удара посторонними предметами. Особая задача в конструкции лопаток из композиционных материалов - надежное крепление металлической накладки кромке пера. В данном изобретении надежность крепления металлической накладки достигается тем, что накладка 10 защемляется в отверстиях 12 и 13 (фиг. 7, фиг. 8) сепараторов опорного кольца 4 и покрывного диска 6 (фиг. 6) соответственно, а с наружной стороны опорного кольца 2 и покрывного диска 3 металлическую накладку 10 (фиг. 6) прикрывает композиционный материал 5 и 7 соответственно. Таким образом, прочно закрепленная металлическая накладка защитит входную кромку лопатки, а кольцевые экраны сепараторов опорного кольца и покрывного диска сохранят композиционный материал входных диаметров от удара посторонних предметов, при этом достигается высокая точность размеров колеса, в т.ч. газового тракта.The impeller of a centrifugal compressor (Fig. 1, Fig. 2) includes rotor blades 1, a support ring 2 and a cover disk 3, while the support ring 2 consists of a metal separator of the support ring 4 and composite material 5, and the cover disk 3 consists of a metal the separator of the cover disk 6 and the composite material 7. As a metal, for example, a titanium alloy is used. The separators of the support ring 4 and the cover disk 6 on the input diameter have an annular screen 8 and 9, respectively, which protect the composite material of the support ring 5 and the cover disk 7 from impact by foreign objects (Fig. 1, Fig. 3). At the blade 1, the input edge is edged with a metal plate 10 (Fig. 4, Fig. 5), which protects the input edge 11 from impact by foreign objects. A special task in the design of blades made of composite materials is the reliable fastening of the metal lining to the edge of the pen. In this invention, the reliability of fixing the metal plate is achieved by the fact that the plate 10 is pinched in the holes 12 and 13 (Fig. 7, Fig. 8) of the separators of the support ring 4 and the cover disk 6 (Fig. 6), respectively, and from the outside of the support ring 2 and the cover disk 3, the metal plate 10 (Fig. 6) covers the composite material 5 and 7, respectively. Thus, a firmly fixed metal plate will protect the input edge of the blade, and the annular screens of the separators of the support ring and the cover disk will save the composite material of the input diameters from the impact of foreign objects, while achieving high precision wheel sizes, including gas path.

Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора заключается в раскрое различных размеров слоев материала лопатки 1, при этом за контур лопатки выходит часть материала 14 и 15 (фиг. 9), из которого будет сформировано часть опорного кольца 5 и покрывного диска 7 (фиг. 1, фиг. 2). Количество слоев и их размеры рассчитываются для каждого конкретного колеса и конфигурации лопатки. Каждый слой пропитывается связующим в зоне 1 и за пределами контура лопатки со стороны корневого сечения 14 на 1…20 мм (фиг. 9). После этого слои выкладываются вместе с металлической накладкой на входной кромке в матрице 16 (фиг. 10) пресс-формы, устанавливается пуансон 17 и проводится прессование в соответствии с технологическим режимом для применяемого композиционного материала. После разборки пресс-формы получается лопатка 1 (фиг. 4), на корневом сечении которой образована длиной 1…20 мм наметка 18 (фиг. 11) части 5 опорного кольца (фиг. 1), на периферийном сечении - материал 19 в исходном состоянии для части 7 покрывного диска, а на входной кромке - металлическая накладка. Далее сепараторы устанавливаются строго в определенном положении и фиксируются, например, конусным зажимом 25 в приспособлении (фиг. 12) для сборки колеса компрессора. Сборочное приспособление обеспечивает номинальное расположение лопаток в соответствии с требованием конструкторской документации. Затем лопатки 1 устанавливаются в сепараторы 5 и 6 (фиг. 7, фиг. 8, фиг. 12), основные внутренние размеры которых соответствуют размерам газового тракта 21 (фиг. 2) рабочего колеса компрессора, при этом наметка 18 фиксирует лопатку в радиальном направлении, а материал 19 (фиг. 11) проходит через пазы 13 сепаратора покрывного диска (фиг. 8). Далее материал 19, 20 (фиг. 11) пропитывают связующем и производят предварительную формовку на наружных поверхностях 26 и 22 сепараторов (фиг. 8, фиг. 7) соответственно. Затем предварительно собранное колесо вместе с сепараторами устанавливается на пуансон 23 и в матрицу 24 пресс-формы (фиг. 13) и проводится прессование по режиму, соответствующему для композиционного материала, из которого изготавливают рабочее колесо центробежного компрессора.A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor consists in cutting various sizes of layers of material of the blade 1, while part of the material 14 and 15 (Fig. 9) extends beyond the contour of the blade, from which a part of the support ring 5 and the cover disk 7 will be formed (Fig. 1, Fig. 2). 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 1 and outside the contour of the scapula from the side of the root section 14 by 1 ... 20 mm (Fig. 9). After this, the layers are laid out together with the metal plate on the input edge in the die 16 (FIG. 10) of the mold, the punch 17 is installed and pressing is carried out in accordance with the technological regime for the composite material used. After disassembling the mold, a blade 1 is obtained (Fig. 4), on the root cross section of which 1 ... 20 mm is drawn a notch 18 (Fig. 11) of the support ring part 5 (Fig. 1), on the peripheral section - material 19 in the initial state for part 7 of the cover disk, and on the input edge is a metal plate. Further, the separators are installed strictly in a certain position and are fixed, for example, with a conical clamp 25 in the device (Fig. 12) for assembling the compressor wheel. The assembly fixture provides the nominal location of the blades in accordance with the requirements of the design documentation. Then the blades 1 are installed in the separators 5 and 6 (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 12), the main internal dimensions of which correspond to the dimensions of the gas path 21 (Fig. 2) of the compressor impeller, while the basting 18 fixes the blade in the radial direction , and the material 19 (Fig. 11) passes through the grooves 13 of the separator of the coating disk (Fig. 8). Next, the material 19, 20 (Fig. 11) is impregnated with a binder and pre-formed on the outer surfaces 26 and 22 of the separators (Fig. 8, Fig. 7), respectively. Then the pre-assembled wheel together with the separators is installed on the punch 23 and in the die 24 of the mold (Fig. 13), and pressing is carried out according to the regime appropriate for the composite material from which the impeller of the centrifugal compressor is made.

Данным изобретением решается задача создания высоконагруженной конструкции монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала высокой точности, с низкими технологическими затратами и с надежной защитой входной кромки лопатки и входных и аэродинамических поверхностей опорного кольца и покрывного диска из композиционного материала от удара посторонними предметами.This invention solves the problem of creating a highly loaded construction of a monolithic wheel of a centrifugal compressor made of high precision composite material, with low technological costs and with reliable protection of the input edge of the blade and the inlet and aerodynamic surfaces of the support ring and the cover disk of the composite material from impact by foreign objects.

Claims

1. The impeller of a centrifugal compressor, including rotor blades, a support ring and a cover disk, characterized in that the support ring consists of a metal separator of the support ring and composite material, and the cover disk consists of a metal separator of the cover disk and composite material, at the input diameter of the separators there are ring screens that protect the composite material from shock by foreign objects, while the inner surfaces of the separators correspond to gases in shape and size th path; the input edge of the blade is edged with a metal plate pinched in the holes made according to the sizes of the contacting sections of the blade, the support ring and the cover disk, which are coated on the outside with composite material.

2. A method of manufacturing an impeller of a centrifugal compressor from a composite material, including cutting layers for the blades, the material extending beyond the contour of the blades from the root section to a length greater than the length of the arc of the support ring between adjacent blades, and the sides of the peripheral section to length, a large arc length of the cover disk between adjacent blades, the aerodynamic profile of the blade is formed in the mold, then the blades are placed in the mold separator, on which they are preformed the pore ring and the cover disk, after which the separator is placed in the mold and pressed, characterized in that when forming the blades on its root section, the outline of the support ring is formed, which, when the wheel is assembled, fixes the blade in the radial direction in the separator of the support ring having slots according to the shape of the root section of the scapula for fixation, and the peripheral section of the scapula is fixed in the slot made according to the size and shape of the peripheral section of the scapula, cage disc separator, preliminary ormoobrazovanie wheels of material extending beyond the contour of the blades is made in the assembly device, wherein the separators are fixed in a strictly defined position, the final pressing wheel is carried out in the mold.