RU2651903C1

RU2651903C1 - Centrifugal compressor impeller from composite material

Info

Publication number: RU2651903C1
Application number: RU2016151153A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Грибановский
Original assignee: Владимир Александрович Грибановский
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-04-24

Abstract

FIELD: turbine construction.

SUBSTANCE: invention relates to turbine construction, namely to production of impellers of centrifugal compressor. 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 disk consists of a metal separator of the blasting disk and a composite material. Separators of the support ring and cover disc on the inlet diameter have an annular shield, which protects the composite material from beats by foreign objects. At pinned blade, leading edge is edged with metal band. Metal cover strip is reliably jammed in holes of the separators of the support ring and the cover disc. Metal band has protrusion equal in height to distance between the aerodynamic surfaces of the support ring separators and the cover disk. Metal bands at the ends have legs that hold separators behind their outer surfaces, thereby enhancing wheel's design from being destroyed by centrifugal forces.

EFFECT: invention is aimed at improvement of strength characteristics of impeller.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения, 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 и ракетной технике, автомобильном двигателестроении и других отрослях промышленности.The invention relates to the field of turbine construction, in particular 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 and rocket engineering, automotive engine manufacturing and other industries.

Известен "Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала" (патент RU №24325 02, кл. F04D 29/28, опубл. 27.10.2011 г.). Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, включающий раскрой слоев материала лопаток, прессование их 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 лопаток 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 коренном 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 - 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 well-known "Method of manufacturing the impeller of a centrifugal compressor from composite material" (patent RU No. 24325 02, CL F04D 29/28, publ. 10.27.2011). A method of manufacturing the impeller of a centrifugal compressor from a composite material, including cutting layers of material of the blades, pressing their mold, placing and centering the blades in the 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 feather 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 portion of the support ring and cover disk with a length of 1 to 20 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. Next, the 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 a 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 - 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 кромке удается разместить небольшое количество слоев композиционного материала. Такая кромка недостаточно прочная, чтобы выдержать 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 decreasing the thickness of the blades, which in turn leads to the fact that a small number of layers of composite material can be placed in the area of the inlet edge. 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному рабочему колесу является "Рабочее колесо центробежного компрессора из композиционного материала и способ его изготовления" (патент RU №2600213, кл. F04D 29/28, опубл. 20.10.2016 г.), взятый в качестве прототипа, согласно которому рабочее колесо центробежного компрессора включает рабочие лопатки, опорное кольцо и покрывной диск. Металлические сепараторы опорного кольца и^: покрывного диска на входных диаметрах имеют кольцевые экраны, защищающие композиционный материал от ударов посторонними предметами, при этом внутренние поверхности сепараторов по форме и размерам соответствуют газовому тракту. Входная кромка композиционной лопатки окантована металлической накладкой, защемленной в отверстиях, выполненных по размерам контактирующих сечений лопатки, опорного кольца и покрывного диска, два последних с внешней стороны покрыты композиционным материалом, который при раскрои слоев материала выходит за пределы контура лопаток со стороны корневого сечения пера лопаток на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, и со стороны покрывного диска - на длину, большую дуги между соседними лопатками.The closest in technical essence to the claimed impeller is the "Impeller of a centrifugal compressor made of composite material and the method of its manufacture" (RU patent No. 2600213, CL F04D 29/28, published on 10/20/2016), taken as a prototype, according to which the impeller of a centrifugal compressor includes impellers, a support ring and a cover disk. The metal separators of the support ring and ^{: the} cover disk at the input diameters have annular screens that protect the composite material from impacts by foreign objects, while the inner surfaces of the separators correspond to the gas path in shape and size. The input edge of the composite blade is edged with a metal plate pinched in holes made to fit the contact sections of the blade, the support ring and the cover disk, the latter two are coated from the outside with composite material, which, when cutting layers of material, extends beyond the contour of the blades from the root section of the feather blade a length greater than the length of the arc of the support ring between adjacent blades, and from the side of the casing disk, a length greater than the arc between adjacent blades.

Данное изобретение позволяет создать монолитное колесо центробежного компрессора из композиционного материала с. обеспечением высокой точности изготовления и прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов. Однако в процессе эксплуатации рабочего колеса центробежного компрессора не исключено сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска, что может создать аварийную ситуацию.This invention allows to create a monolithic wheel of a centrifugal compressor from composite material ensuring high precision manufacturing and durability of the input edges of the blades, the support ring and the cover disk, capable of withstanding impacts of foreign objects. However, during the operation of the impeller of a centrifugal compressor, rapprochement of the separators of the support ring and the cover disk is not ruled out, which can create an emergency.

Задачей, решаемой данным изобретением, является создание монолитного рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов, при этом исключается сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска при эксплуатации.The problem solved by this invention is the creation of a monolithic impeller of a centrifugal compressor made of composite material with ensuring the strength of the input edges of the blades, the support ring and the cover disk, capable of withstanding impacts of foreign objects, while eliminating the convergence of the separators of the support ring and the cover disk during operation.

Поставленная цель достигается тем, что металлическая накладка, которой окантована входная кромка, имеет выступ по высоте равный расстоянию между аэродинамическими поверхностями, находясь с ними в полном контакте, опорное кольцо и покрывной диск, боковые поверхности выполняются по аэродинамическим размерам входной кромки лопатки, а длина выступа равна расстоянию от профильных отверстий в сепараторах для крепления лопаток до кольцевых экранов на входном диаметре сепараторов.This goal is achieved in that the metal plate, which is edged by the input edge, has a height protrusion equal to the distance between the aerodynamic surfaces, being in full contact with them, the support ring and the cover disk, the side surfaces are made according to the aerodynamic dimensions of the blade’s inlet edge, and the protrusion length equal to the distance from the profile holes in the separators for mounting the blades to the annular screens on the input diameter of the separators.

Настоящее изобретение поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 - общий вид рабочего колеса центробежного компрессора из композиционного материала, на фиг. 2 - вход газового тракта центробежного колеса, на фиг. 3 - металлическая накладка, окантовывающая входную кромку композиционной лопатки, на фиг. 4 - сечение входной кромки лопатки, на фиг. 5 - вид лапы в плане.The present invention is illustrated by the following drawings: in FIG. 1 is a general view of the impeller of a centrifugal compressor made of composite material, FIG. 2 - input of the gas path of the centrifugal wheel, in FIG. 3 - a metal plate surrounding the input edge of the composite blade, in FIG. 4 is a cross section of the leading edge of the blade, in FIG. 5 is a plan view of a paw.

Рабочее колесо центробежного компрессора (фиг. 1) включает рабочие лопатки 1, опорное кольцо 2 и покрывной диск 3, при этом опорное кольцо 2 содержит металлический сепаратор опорного кольца 4 и композиционный материал 5, а покрывной диск 3 содержит металлический сепаратор покрывного диска 6 и композиционный материал 7. В качестве металла используется, например, титанов сплав. Сепараторы опорного кольца 4 и покрывного диска 6 на входном диаметре имеют кольцевой экран 8 и 9 (фиг. 2) соответственно, которые защищают композиционный материал опорного кольца 5 и покрывного диска 7 от удара посторонними предметами (фиг. 1, 2). У лопатки 1 входная кромка окантована металлической накладкой 10 (фиг. 2, 3, 4), защищающей входную кромку композиционной лопатки 11 от удара посторонними предметами. В конструкции лопаток из композиционного материала требуется обращать особое внимание на надежное крепление металлической накладки на кромке пера. В изобретении, которое выбрано в качестве прототипа, надежность крепления металлической накладки достигается тем, что металлическая накладка защемлена в профильных отверстиях сепараторов опорного кольца и покрывного диска, а с наружных сторон покрыта композиционным материалом. Для исключения сближения сепараторов опорного кольца 4 и покрывного диска 6 металлическая накладка 10, которой окантована входная кромка 11, имеет выступ 12 (фиг. 2, 3, 4) высотой Г равной расстоянию Д между аэродинамическими поверхностями, находясь с ними в полном контакте, сепараторов опорного кольца и покрывного диска. Боковые поверхности 13 и 14 выступа 12 (фиг. 4) выполняются по аэродинамическим размерам входной кромки лопатки, а длина Ж выступа 12 равна расстоянию К от профильных отверстий в сепараторах для крепления лопаток до кольцевых экранов 8 и 9 на входном диаметре сепараторов 4 и 6. Для усиления конструкции колеса от разрушения под действием центробежных сил сепараторы 4 и 6 с наружной стороны удерживаются лапами 15 и 16, которые выполнены на концах металлической накладки 10, а расстояние Л между выступом 12 и лапами 15 и 16 равно толщине сепаратора в месте контакта с указанными элементами (фиг. 2, 3, 5).The impeller of a centrifugal compressor (Fig. 1) includes rotor blades 1, a support ring 2 and a cover disk 3, while the support ring 2 contains a metal separator of the support ring 4 and composite material 5, and the cover disk 3 contains a metal separator of the cover disk 6 and composite material 7. As a metal, for example, 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 (Fig. 2), respectively, which protect the composite material of the support ring 5 and the cover disk 7 from impact by foreign objects (Fig. 1, 2). At the blade 1, the input edge is edged with a metal plate 10 (Fig. 2, 3, 4), which protects the input edge of the composite blade 11 from impact by foreign objects. In the design of blades made of composite material, special attention must be paid to the reliable fastening of the metal lining on the edge of the pen. In the invention, which is selected as a prototype, the reliability of fastening the metal plate is achieved by the fact that the metal plate is pinched in the profile holes of the separators of the support ring and the cover disk, and is coated with composite material from the outside. To exclude the convergence of the separators of the support ring 4 and the cover disk 6, the metal plate 10, which is bordered by the input edge 11, has a protrusion 12 (Fig. 2, 3, 4) with a height Г equal to the distance D between the aerodynamic surfaces, being in full contact with them, of the separators support ring and cover disk. The lateral surfaces 13 and 14 of the protrusion 12 (Fig. 4) are made according to the aerodynamic dimensions of the input edge of the blade, and the length W of the protrusion 12 is equal to the distance K from the profile holes in the separators for attaching the blades to the annular screens 8 and 9 on the input diameter of the separators 4 and 6. To strengthen the wheel structure from destruction under the action of centrifugal forces, the separators 4 and 6 from the outside are held by the legs 15 and 16, which are made at the ends of the metal plate 10, and the distance L between the protrusion 12 and the legs 15 and 16 is equal to the thickness of the separator in place of tact with the indicated elements (Fig. 2, 3, 5).

Данным изобретением решается задача создания монолитного колеса центробежного компрессора из композиционного материала с обеспечением высокой прочности входных кромок лопаток, опорного кольца и покрывного диска, способных выдержать удары посторонних предметов, при этом наличие выступа на металлической накладке исключает сближение сепараторов опорного кольца и покрывного диска во время эксплуатации. Наличие лап на концах металлической накладки увеличивают сопротивление разрушению колеса от центробежных сил.This invention solves the problem of creating a monolithic wheel of a centrifugal compressor from a composite material with high strength of the input edges of the blades, the support ring and the cover disk, capable of withstanding impacts of foreign objects, while the protrusion on the metal plate eliminates the convergence of the separators of the support ring and cover disk during operation . The presence of paws at the ends of the metal plates increase the resistance to destruction of the wheel from centrifugal forces.

Claims

The impeller of a centrifugal compressor, including rotor blades, a support ring and a cover disk, the latter consists of composite material and metal separators, on the input diameter of which there are ring screens to protect the composite material from shock by foreign objects, while the inner surfaces of the separators correspond in shape and size to gas path, the input edge of the blade is edged with a metal plate, pinched in the holes of the separators, made in size contact sections of the blade, the support ring and the cover disk, which are coated with composite material from the outside, characterized in that the metal plate has a protrusion of a height equal to the distance between the separators of the support ring and the cover disk, tightly in contact with the latter, the side surfaces of the protrusion are made in shape and size of the input the edges of the blade, and the length of the protrusion is equal to the size from the holes of the separators to the annular screens on the inlet diameter of the separators, at the ends of the metal plate there are legs that neigh for the outer surface of the separators.