RU2717228C1

RU2717228C1 - Method of making preforms for gas turbine engine compressor blades

Info

Publication number: RU2717228C1
Application number: RU2018142608A
Authority: RU
Inventors: Максим Андреевич Орлов; Ирина Александровна Поликарпова; Александр Николаевич Калинников; Владимир Александрович Нелюб; Алексей Сергеевич Бородулин; Иван Андреевич Буянов
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-03-18

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to production of preforms of articles - preparations based on reinforcing fibres impregnated with polymer binders. Invention can be used in basic industries, such as aircraft engineering, space industry, power engineering, shipbuilding and automotive industry for production of parts and their components from polymer composite materials (PCM), which must withstand extreme mechanical loads, while ensuring significant savings in weight, as well as safety of operation. Proposed method of making preforms for compressor blades of gas turbine engine consists in creation of three-dimensional structure from layers of reinforcing fibres by means of automated directed strip according to TFP-technology of first layer to substrate, fixed with subsequent layers by fixing threads of zigzag line, wherein density of laying layers of reinforcing fibres, characterized by distance between layers, is 2.85–3.00 mm or 57–60 standard units, with 1 standard unit = 0.05 mm, and the length of the zigzag stitch - the thread pitch of the fixing thread is 7–10 mm with the stitch width equal to 5 mm, and the substrate material for the stripe of the detachable preforms is a water-soluble coarse fleece based on polyvinyl alcohol.

EFFECT: technical result is achievement of optimum physical and mechanical indices of compressor blades operation.

6 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области изготовления преформ изделий - заготовок на основе армирующих волокон. Изобретение может быть использовано в базовых отраслях промышленности, таких как авиастроение, космическая отрасль, энергетика, судо- и автомобилестроение для производства деталей и их компонентов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые могут выдерживать экстремальные механические нагрузки, обеспечивая при этом возможность значительной экономии в весе, а также безопасность эксплуатации.The invention relates to the field of manufacturing preforms of products - blanks based on reinforcing fibers. The invention can be used in basic industries such as aircraft, space, energy, shipbuilding and automotive for the production of parts and their components from polymer composite materials (PCM), which can withstand extreme mechanical loads, while providing significant savings in weight, as well as operational safety.

Усиленные изделия из ПКМ изготавливаются на основе заготовки-преформы после укладки необходимого количества слоев армирующих волокон, помещения заготовки в оснастку, пропитки связующим материалом на основе полимеров и смол и последующего отверждения. При этом зафиксированная направленность армирующих волокон имеет решающее влияние на жесткость и прочность целевого изделия.Reinforced PCM products are made on the basis of a preform preform after laying the required number of layers of reinforcing fibers, placing the preform in a snap, impregnation with a binder based on polymers and resins and subsequent curing. Moreover, the fixed orientation of the reinforcing fibers has a decisive influence on the stiffness and strength of the target product.

Одним из возможных путей обеспечения предъявляемым требованиям к ориентации волокон в соответствии с силовой нагрузкой на изделия в целом и их конструктивные элементы является TFP-технология (Tailored Fiber Placement - направленная укладка волокна). TFP-технология включает в себя укладку волокнистых слоев-прядей («пучки» или «жгуты» волокон), которые, в свою очередь, формируются из множества отдельных армирующих волокон, проходящих параллельно друг другу по требуемой, как правило криволинейной, траектории, и их крепление с помощью фиксирующей нити на несущем слое основания заготовки. Следствием такого механического армирования является направленная ориентация отдельных волокнистых прядей, которая оптимальным образом соответствует направлению нагрузки, действующей на изделие в рабочем состоянии.One of the possible ways to ensure the requirements for the orientation of the fibers in accordance with the power load on the product as a whole and their structural elements is TFP-technology (Tailored Fiber Placement - directional fiber laying). TFP-technology includes laying fiber layers-strands (“bundles” or “bundles” of fibers), which, in turn, are formed from many separate reinforcing fibers that run parallel to each other along the required, usually curved, path, and their fastening with a fixing thread on the base layer of the workpiece. The consequence of such mechanical reinforcement is the directional orientation of the individual fibrous strands, which optimally corresponds to the direction of the load acting on the product in working condition.

В патенте RU 2401740 описан способ изготовления одно- или многослойной волокнистой заготовки согласно TFP-технологии. Способ формирования волокнистой заготовки-преформы включает в себя следующие операции: укладку и закрепление волокнистых прядей на гибком и эластичном основании посредством фиксирующей нити, пропущенной через швейную головку; введение фиксирующей нити в основание посредством иглы, установленной на швейной головке, причем в результате введения фиксирующей нити в основание образуемые петли фиксирующих нитей плотно удерживаются в основании; снятие сформированной волокнистой заготовки с основания.RU 2401740 describes a method for manufacturing a single or multilayer fibrous preform according to TFP technology. The method of forming a fiber preform preform includes the following operations: laying and securing the fiber strands on a flexible and elastic base by means of a fixing thread passed through the sewing head; introducing the fixing thread into the base by means of a needle mounted on the sewing head, and as a result of introducing the fixing thread into the base, the formed loops of the fixing threads are tightly held in the base; removing the formed fiber preform from the base.

В патенте RU 2388599 описано устройство, посредством которого по TFP - технологии можно изготавливать волокнистую заготовку, которая имеет по существу любую заданную геометрию поверхности, в частности, отличающуюся от плоской формы. При этом в заготовке армирующие волокна по существу ориентированы в соответствии с действием нагрузки благодаря тому, что швейная головка и/или направляющие средства могут быть позиционированы в пространственном направлении z.RU 2388599 describes a device by which, using TFP technology, it is possible to produce a fiber preform that has essentially any given surface geometry, in particular, different from a flat shape. In this case, the reinforcing fibers in the preform are substantially oriented according to the load due to the fact that the sewing head and / or guiding means can be positioned in the spatial direction z.

В патенте US 7942993 предложен способ, с помощью которого можно по TFP-технологии изготавливать заготовки из многослойного адаптированного волокна любой толщины. Для этого армирующие волокна пришивают к опоре фиксирующими нитями, в результате чего образуется заданная структура преформы из армирующего волокна. Затем фиксирующие нити в волокнистой заготовке химически растворяют или термически расплавляют и тем самым происходит отделение преформы от несущей тканой основы.US 7,942,993 proposes a method by which, using the TFP technology, it is possible to produce preforms from a multilayer adapted fiber of any thickness. For this, reinforcing fibers are sewn to the support with fixing threads, as a result of which a predetermined preform structure is formed of reinforcing fibers. Then, the fixing threads in the fiber preform are chemically dissolved or thermally melted, and thereby the preform is separated from the carrier woven base.

В US 2010/0126652 А1 и US 2009/0229761 А1 описывается способ и соответственно устройство для изготовления волокнистых заготовок, посредством которых можно выполнять требование ориентации волокон в изготавливаемом конструктивном элементе в соответствии с нагрузкой. При этом применяется TFP- технология, по которой нити или жгуты волокон выкладываются в направлении вдоль произвольного, воздействующего на готовый конструктивный элемент, силового потока, и посредством фиксирующих ниток предварительно фиксируются. Для этого применяются швейно-вязальные автоматы с ЧПУ, которые используются в текстильной промышленности.US 2010/0126652 A1 and US 2009/0229761 A1 describe a method and, accordingly, a device for manufacturing fibrous preforms, by means of which it is possible to fulfill the requirement of orientation of the fibers in the manufactured structural element in accordance with the load. In this case, TFP technology is used, according to which the threads or bundles of fibers are laid out in a direction along an arbitrary force flow acting on the finished structural element, and are pre-fixed by means of fixing threads. For this, CNC sewing-knitting machines are used, which are used in the textile industry.

Необходимо отметить, что известные способы изготовления волокнистых заготовок-преформ с комплексными трехмерными структурами, являются всегда технически трудоемкими и дорогостоящими.It should be noted that the known methods of manufacturing fibrous preform preforms with complex three-dimensional structures are always technically laborious and expensive.

В патенте RU 2583017 описан один из возможных путей изготовления волокнистых заготовок, который связан с применением так называемых нетканых материалов с многоосным расположением волокон. Под указанными материалами понимаются конструкции из нескольких расположенных друг на друге нитяных пластов, причем эти пласты состоят из множества расположенных параллельно друг другу армирующих ниток. Расположенные друг на друге пласты ниток могут соединяться друг с другом и фиксироваться друг относительно друга посредством множества расположенных рядом и проходящих параллельно друг другу и образующих петли швейных или трикотажных ниток, так что нетканый материал с многоосным расположением волокон таким образом стабилизируется. Пласты ниток уложены друг на друга так, что армирующие волокна этих пластов ориентированы параллельно друг другу или попеременно перекрещиваясь (например, -45°; 0°;+45°).The patent RU 2583017 describes one of the possible ways of manufacturing fiber preforms, which is associated with the use of so-called non-woven materials with a multiaxial arrangement of fibers. These materials are understood to mean constructions of several thread layers located on top of each other, and these layers consist of a plurality of reinforcing threads arranged parallel to each other. The yarn layers located on each other can be connected to each other and fixed relative to each other by a plurality of adjacent or parallel to one another and forming loops of sewing or knitting threads, so that a nonwoven fabric with a multiaxial arrangement of fibers is thus stabilized. The layers of threads are laid on each other so that the reinforcing fibers of these layers are oriented parallel to each other or alternately intersecting (for example, -45 °; 0 °; + 45 °).

В многослойном нетканом полотне по данному изобретению можно применять в качестве армирующих волокон обычно используемые для получения усиленных композиционных материалов армирующие волокна или нити. Предпочтительно в случае комплексной армирующей нити речь идет о нити из углеродного волокна, а также стекловолокна или арамидной нити, или о вытянутой UHMW-полиэтиленовой нити. Принимая во внимание высокий уровень механических свойств получаемого конструктивного элемента предпочтительно, чтобы армирующие нити внутри слоя из комплексных армирующих нитей располагались параллельно друг другу и лежали друг около друга. Этим можно достичь высокой объемной доли волокон и избежать наличия в конструктивном элементе зон с низким содержанием волокон.In the multilayer nonwoven fabric of the present invention, reinforcing fibers or threads commonly used for the production of reinforced composite materials can be used as reinforcing fibers. Preferably, in the case of a complex reinforcing yarn, this is a carbon fiber yarn, as well as fiberglass or aramid yarn, or an elongated UHMW polyethylene yarn. Taking into account the high level of mechanical properties of the resulting structural element, it is preferable that the reinforcing threads inside the layer of complex reinforcing threads are parallel to each other and lie next to each other. This can achieve a high volume fraction of fibers and avoid the presence of zones with a low fiber content in the structural element.

Для того чтобы у многослойного нетканого полотна по патенту RU 2583017, в частности, при впрыскивании пропитывающей смолы, получить высокую стабильность и избежать нежелательного смещения усиленных слоев, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения слои из комплексных армирующих нитей и по меньшей мере один слой нетканого материала соединены друг с другом с помощью расположенных параллельно друг к другу и отстоящих друг от друга на ширину стежка, образующих петли швейных нитей или трикотажных нитей, и фиксированы относительно друг друга. При этом авторами было установлено, что особенно хорошего уровня прочности конструктивного элемента из композиционного материала достигают, если длина стежка s образованных швейной нитью петель в зависимости от ширины стежка w, а также от угла α₁ армирующих нитей в мультиаксиальном многослойном нетканом полотне удовлетворяет следующим соотношениям (I) и (II):In order for the multilayer nonwoven fabric according to the patent RU 2583017, in particular when injecting an impregnating resin, to obtain high stability and to avoid undesired displacement of the reinforced layers, in a preferred embodiment of the present invention, layers of complex reinforcing threads and at least one layer of nonwoven material are connected with each other using parallel to each other and spaced apart by the width of the stitch, forming loops of sewing threads or knitted threads, and fixed relate each other. At the same time, the authors found that a particularly good level of strength of a structural element made of composite material is achieved if the stitch length s of the loops formed by the sewing thread, depending on the stitch width w, as well as on the angle α _{1 of the} reinforcing threads in a multiaxial multilayer nonwoven fabric, satisfies the following relations ( I) and (II):

При этом множитель В может принимать значение в области 0,9≤В≤1,1, и n значение 0,5, 1, 1,5, 2, 3 или 4, при этом также для маленьких значений w*|tanα₁|/2,3 ширина стежка s находится в требуемой для уравнения (I) области. Ширина стежка w, то есть расстояние между швейными нитями, при этом указана в мм.Moreover, the factor B can take a value in the region of 0.9≤B≤1,1, and n is a value of 0.5, 1, 1.5, 2, 3 or 4, while also for small values of w * | tanα ₁ | / 2,3 the stitch width s is in the region required for equation (I). The stitch width w, i.e. the distance between the sewing threads, is indicated in mm.

По изобретению длина стежка может находиться в диапазоне от 2 мм до 4 мм. При длине стежка выше 4 мм не обеспечивается достаточная стабильность многослойного нетканого полотна, ниже 2 мм могут встречаться большое число пустых участков в материале.According to the invention, the stitch length can be in the range from 2 mm to 4 mm. When the stitch length is above 4 mm, sufficient stability of the multilayer non-woven fabric is not provided, a large number of empty sections in the material can be found below 2 mm.

Нетканые материалы с многоосным расположением волокон являются трудоемкими в изготовлении и, в общем случае, изготавливаются со стандартными значениями ширины, которые редко соответствуют размерам получаемого позднее конструктивного элемента. В результате этого возникает значительная доля обрезков. Кроме того, они только ограниченно применимы, в частности, при изготовлении конструктивных элементов с небольшими радиусами кривизны, так как нетканые материалы с многоосным расположением волокон не могут драпироваться произвольным образом. Кроме того, наблюдалось, что швейные или соответственно трикотажные нитки часто могут приводить к уменьшению ударной вязкости получающегося в результате композитного материала.Nonwoven materials with a multiaxial arrangement of fibers are laborious to manufacture and, in general, are manufactured with standard widths that rarely correspond to the dimensions of the later structural member. As a result of this, a significant proportion of scraps occurs. In addition, they are only limitedly applicable, in particular, in the manufacture of structural elements with small radii of curvature, since nonwoven materials with a multiaxial arrangement of fibers cannot be draped arbitrarily. In addition, it has been observed that sewing or knitting threads can often lead to a decrease in the toughness of the resulting composite material.

В US 2005/0164578 описана заготовка (преформа), которая имеет по меньшей мере один слой из многослойного нетканого полотна из армирующих волокон и у которой в, по меньшей мере, один слой встроены волокна для стабилизации преформы, когда ее подвергают воздействию повышенной температуры и которые растворяются в применяемой позже для получения комплексного конструктивного элемента матричной смоле.US 2005/0164578 describes a preform (preform) that has at least one layer of a multilayer nonwoven fabric made of reinforcing fibers and which has at least one layer of fibers integrated to stabilize the preform when it is exposed to elevated temperature and which dissolve in the matrix resin used later to obtain the complex structural element.

В публикации заявки WO 02/16481 раскрываются структуры из армирующих волокон, например, для преформ, содержащие гибкие полимерные элементы, которые, например, в виде волокон вносят между армирующими волокнами или которые в качестве швейной нити соединяют армирующие волокна друг с другом. Гибкие полимерные элементы состоят из материала, который растворим в применяемом отверждаемом матричном материале.WO 02/16481 discloses reinforcing fiber structures, for example for preforms, containing flexible polymer elements, which, for example, are inserted between the reinforcing fibers in the form of fibers or which connect the reinforcing fibers to each other as a sewing thread. Flexible polymer elements consist of a material that is soluble in the curable matrix material used.

В патенте RU 2562490 отмечается, что недостатком структур заготовок, подобным описанных выше, является относительно высокая доля материала, который не состоит из армирующих волокон и тем самым не способствует прочности получаемого в итоге конструктивного элемента. Матричный материал относится к общему количеству армирующих волокон и нетканого материала, так что относительно объема конструктивного элемента получается меньшее содержание армирующих волокон в конструктивном элементе и соответственно меньшая прочность конечного изделия.In the patent RU 2562490 it is noted that the disadvantage of the preform structures similar to those described above is the relatively high proportion of the material, which does not consist of reinforcing fibers and thus does not contribute to the strength of the resulting structural element. Matrix material refers to the total number of reinforcing fibers and non-woven material, so that with respect to the volume of the structural element, a lower content of reinforcing fibers in the structural element and, accordingly, lower strength of the final product are obtained.

В патенте РФ №2609168, выбранном в качестве прототипа, описана преформа, которая содержит основу и чередование слоев волоконных прядей и термопластичных нитей. Согласно изобретению однонаправленное волокно по TFP-технологии пришивают зигзагообразной фиксирующей нитью на основу. Затем, на слой волокон укладывают слой термопластичного полимера, представляющего собой термопластичные нити. Затем снова укладывают и пришивают слой однонаправленных волокон, причем фиксирующими нитями снова прошивают совокупность всех слоев вплоть до основы. Таким образом поочередно укладывают слои полимерных нитей и волокна до получения требуемого количества слоев, при этом предпочтительно позиционируя термопластичные нити в одном направлении с армирующими волокнами. В соответствии с вариантами изобретения армирующие волокна могут представлять собой, например, углеродные волокна или пряди углеродных волокон, а фиксирующие нити представляют стеклянные, углеродные, арамидные (марки Kevlar) или базальтовые нити. При этом свойства и ориентация волокон могут меняться от слоя к слою.In the patent of the Russian Federation No. 2609168, selected as a prototype, a preform is described that contains a base and an alternation of layers of fiber strands and thermoplastic yarns. According to the invention, the unidirectional fiber according to the TFP technology is sewn with a zigzag fixing thread on the base. Then, a layer of thermoplastic polymer, which is a thermoplastic filament, is laid on a layer of fibers. Then, a layer of unidirectional fibers is again laid and sewn, and with a set of fixing threads, the aggregate of all layers is again stitched up to the warp. Thus, layers of polymer filaments and fibers are stacked alternately to obtain the required number of layers, while preferably positioning the thermoplastic filaments in one direction with the reinforcing fibers. In accordance with embodiments of the invention, the reinforcing fibers can be, for example, carbon fibers or strands of carbon fibers, and the fixing threads are glass, carbon, aramid (Kevlar brand) or basalt threads. In this case, the properties and orientation of the fibers can vary from layer to layer.

Во всех представленных в разделе «уровень техники», включая прототип, нашивных материалах для каждой схемы армирования существует свой оптимум шага нашивки и плотности нашивки жгутов волокон в зависимости от назначения изделия. Для рабочих лопаток ГДТ при оптимуме параметров нашивки очень важно не в ущерб другим прочностным характеристикам достижение максимального предела прочности на сдвиг в плоскости армирования, чтобы минимизировать риски последствий разрушения изделия. Поскольку образовавшиеся осколки зачастую обладают высокой разрушающей силой, способной повредить остальные детали двигателя, то сохранение по возможности целостности изделия является необходимым условием эксплуатации лопаток ГТД.In all the sewing materials presented in the “prior art” section, including the prototype, for each reinforcement scheme there is an optimum stripe pitch and the density of the strands of fiber bundles depending on the purpose of the product. For HDT rotor blades with optimum strip parameters, it is very important, not to the detriment of other strength characteristics, to achieve the maximum shear strength in the reinforcement plane in order to minimize the risks of the consequences of product failure. Since the resulting fragments often have a high destructive force that can damage other parts of the engine, preserving the integrity of the product as much as possible is a prerequisite for the operation of GTE blades.

Технической задачей изобретения является подбор прочностных свойств рабочих лопаток из ПКМ для условий эксплуатации газотурбинных двигателей, оптимизация их технико-экономических характеристик.An object of the invention is the selection of the strength properties of the working blades from PCM for the operating conditions of gas turbine engines, the optimization of their technical and economic characteristics.

Технический результат достигается тем, что при изготовлении преформ конкретной лопатки компрессора ГТД используют заявляемые параметры операции нашивки слоев заготовки и, прежде всего, плотности укладки и длины зигзагообразного стежка (при постоянной ширине стежка), при этом используют легкоудаляемую водорастворимую подложку.The technical result is achieved by the fact that in the manufacture of the preforms of a specific GTE compressor blade, the claimed parameters of the operation of stripping the workpiece layers and, above all, the packing density and the length of the zigzag stitch (with a constant stitch width) are used, and an easily removable water-soluble substrate is used.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

При изготовлении преформ рабочих лопаток компрессора ГТД из ПКМ заявляемым способом автоматизированной нашивки углеродного ровинга на подложку на конечные прочностные и весовые характеристики готовых изделий влияют как схема укладки и свойства применяемых при изготовлении преформы материалов (углеродные и арамидные волокна, водорастворимая подложка), так и параметры самой операции нашивки слоев преформ на вышивальном оборудовании.In the manufacture of preforms of rotor blades of a GTE compressor from PCM by the claimed method of automated stripping of carbon roving on a substrate, the final strength and weight characteristics of the finished products are affected by both the laying pattern and properties of the materials used in the manufacture of the preform (carbon and aramid fibers, water-soluble substrate), and the parameters of the operations of stripping preform layers on embroidery equipment.

К таким параметрам относятся плотность укладки ровинга и длина стежка арамидной нити (шаг прошивки), задаваемые при разработке управляющей программы. Плотность укладки характеризуется расстоянием между углеродными волокнами: чем оно меньше, тем укладка плотнее, а значение плотности укладки, выставляемое в обычно используемой для этого программе GIS BasePac, меньше. Чем больше расстояние между углеродными волокнами, тем выше значение плотности укладки, и укладка считается менее плотной. Данная величина в программе GIS BasePac не имеет размерности и обозначается через условные единицы (у.е.).These parameters include the density of the roving and the stitch length of the aramid thread (firmware step), specified during the development of the control program. The laying density is characterized by the distance between the carbon fibers: the smaller it is, the denser the laying, and the value of laying density set in the GIS BasePac program usually used for this purpose is lower. The greater the distance between the carbon fibers, the higher the stacking density, and stacking is considered less dense. This value in the GIS BasePac program has no dimension and is denoted by arbitrary units (cu).

Заявляемые для решения поставленной технической задачи параметры операции нашивки слоев при изготовлении преформ лопатки компрессора ГТД: плотность укладки - 57-60 у.е., где 1 у.е.=0,05 мм; длина зигзагообразного стежка (шаг прошивки) - 7-10 мм (при том, что ширина стежка является постоянной величиной и составляет 5 мм) были выбраны авторами в результате проведенных экспериментальных исследований параметров нашивки и прошивки ее слоев и их отработки на опытных образцах изделий.Declared to solve the technical problem, the parameters of the operation of the strip layers in the manufacture of preforms of the compressor blades of the turbine engine: laying density - 57-60 cu, where 1 cu = 0.05 mm; the length of the zigzag stitch (flashing step) - 7-10 mm (despite the fact that the stitch width is constant and 5 mm) were chosen by the authors as a result of experimental studies of the parameters of the patch and firmware of its layers and their working out on the experimental samples of products.

Предлагаемый способ изготовления преформ лопатки компрессора ГТД из ПКМ состоит из следующих операций:The proposed method for the manufacture of preforms of the blades of the compressor GTE from PCM consists of the following operations:

1) виртуальный раскрой модели изделия на слои;1) virtual cutting of the product model into layers;

2) написание управляющей программы нашивки каждого слоя в специализированной программе GIS BasePac 8;2) writing the control program for the patch of each layer in the specialized GIS BasePac 8 program;

3) изготовление преформы на вышивальной машине;3) the manufacture of preforms on an embroidery machine;

4) отделение подложки от преформы вымыванием;4) separation of the substrate from the preform by washing;

5) сушка преформы;5) drying of the preform;

6) контроль размеров и массы преформы.6) control of the size and mass of the preform.

На фигуре 1 изображена конструкция лопатки компрессора, которая состоит из ступицы - 1 и пера - 2.The figure 1 shows the design of the compressor blades, which consists of a hub - 1 and pen - 2.

Преформу пера образуют 2 блока по 4 слоя в каждом, преформу ступицы - 9 блоков по 7 слоев в каждом и 1 блок из 6 слоев. Таким образом, перо состоит из 8 слоев углеродного волокна разной конфигурации, прошитых арамидными нитями, ступица - из 69 слоев разной конфигурации. На фигуре 2 показан послойный виртуальный раскрой модели изделия - лопатки компрессора ГТД из ПКМ: а) ступицы; б) пера лопатки.The pen preform is made up of 2 blocks of 4 layers each, the hub preform is made up of 9 blocks of 7 layers each and 1 block of 6 layers. Thus, the feather consists of 8 layers of carbon fiber of different configurations, stitched with aramid threads, the hub - of 69 layers of different configurations. The figure 2 shows a layered virtual cutting model of the product - compressor blades of a gas turbine engine from PCM: a) hubs; b) the scapula pen.

Следующей операцией является разработка управляющей программы нашивки каждого слоя преформы для вышивального оборудования в специализированном программном модуле GIS BasePac 8, предназначенном для автоматизированного создания дизайнов машинной вышивки и используется для создания моделей композитных образцов и управления вышивальной машиной с ЧПУ.The next operation is the development of a control program for the embroidery of each preform layer for embroidery equipment in the specialized GIS BasePac 8 software module, designed for the automated creation of machine embroidery designs and is used to create models of composite patterns and control the CNC embroidery machine.

Файлы с разработанными управляющими программами для десяти блоков ступицы и двух блоков пера лопатки компрессора ГТД сохраняются на съемный носитель.Files with the developed control programs for ten hub blocks and two feather blocks of the GTE compressor blades are saved on removable media.

На фигуре 3 схематически изображен ход машинной вышивки слоев а) ступицы и б) пера лопатки в программе GIS BasePac 8.Figure 3 schematically shows the progress of machine embroidery of layers a) of the hub and b) of the feather blade in the GIS BasePac 8 program.

Затем происходит изготовление преформы автоматизированной направленной нашивкой углеродного ровинга на водорастворимую подложку с помощью вышивальной машины с ЧПУ JCW 0100-500, ZSK Stickmaschinen. В качестве подложки для нашивки преформ используется водорастворимый материал - флизелин на основе 100% поливинилового спирта. В случае данного изобретения флизелин это бумагоподобный нетканый материал на основе модифицированных целлюлозных волокон, пропитанных 100% поливиниловым спиртом (PVA) с поверхностной плотностью порядка 40 г/м².Then, the preform is manufactured by automated directional stripping of carbon roving on a water-soluble substrate using an embroidery machine with CNC JCW 0100-500, ZSK Stickmaschinen. A water-soluble material, non-woven based on 100% polyvinyl alcohol, is used as a substrate for stripping preforms. In the case of this invention, non-woven is a paper-like non-woven material based on modified cellulose fibers impregnated with 100% polyvinyl alcohol (PVA) with a surface density of about 40 g / m ² .

Трехмерная структура предварительных заготовок-преформ достигается за счет введения третьего Z-направления армирования. В качестве нитей основы при нашивке в Z-направлении используется высокопрочная арамидная нить Русар-С. В качестве нитей утка в плоскости [х; у] применяется высокомодульное углеродное волокно IMS 65.The three-dimensional structure of preform preforms is achieved by introducing a third Z-direction of reinforcement. As the warp threads, when stripping in the Z-direction, the high-strength aramid thread Rusar-S is used. As weft threads in the plane [x; y] IMS 65 high modulus carbon fiber is used.

Создание преформ на вышивальной машине с ЧПУ в автоматизированном режиме предполагает участие оператора только для загрузки управляющей программы, запуска/остановки операции нашивки и контроля процесса создания преформ.The creation of preforms on an CNC embroidery machine in an automated mode involves the participation of the operator only to load the control program, start / stop the patch operation and control the process of creating the preforms.

Пример изготовления преформ по изобретению реализован следующим образом.An example of manufacturing preforms according to the invention is implemented as follows.

Запускают вышивальную машину, вставляют флэшку с файлом разработанной управляющей программы в USB-разъем оборудования и сохраняют его в памяти машины. Закрепляют водорастворимую подложку на пантограф вышивальной машины с помощью бордюрных рам. Выбирают на управляющем экране машины нужный образец из списка загруженных файлов с программами нашивки. Центрируют образец в плоскости пантографа. Запускают программу нашивки слоев и изготавливают образец преформы. После заполнения всей рабочей поверхности подложки нашитыми образцами преформ, ее снимают с пантографа вышивального оборудования и вырезают ножницами каждые преформы по отдельности.They start the embroidery machine, insert the flash drive with the file of the developed control program into the USB-connector of the equipment and save it in the machine’s memory. Fasten the water-soluble substrate to the pantograph of the embroidery machine using border frames. On the control screen of the machine, select the desired sample from the list of downloaded files with the patch programs. Center the sample in the pantograph plane. Launch the program stripes layers and make a sample of the preform. After filling the entire working surface of the substrate with sewn preform samples, it is removed from the pantograph of the embroidery equipment and cut each preform individually with scissors.

Помещают образцы в герметичную емкость для вымывания, заливают водой, нагретой до температуры 80°С до полного заполнения. Выдерживают образцы в течение 3 минут для полного растворения подложки, затем извлекают преформы щипцами и промывают под проточной водой. После этого помещают вымытые образцы преформ в сушильный шкаф XU 112, где они при температуре 80°С должны полностью высохнуть. Во избежание деформации образцы преформ должны быть выложены в сушильном шкафу на плоскую решетку.Samples are placed in a sealed container for leaching, pour water, heated to a temperature of 80 ° C until completely filled. Samples are held for 3 minutes to completely dissolve the substrate, then the preforms are removed with forceps and washed under running water. After that, washed preform samples are placed in an XU 112 oven, where they must completely dry at a temperature of 80 ° C. To prevent deformation, preform samples should be laid out in a drying cabinet on a flat grid.

Для исследований параметров процесса растворения подложки на основе водорастворимого материала - флизелина, пропитанного 100% поливиниловым спиртом, были изготовлены по TFP-технологии опытные образцы преформ лопаток компрессора газотурбинного двигателя с подложкой из флизелина в количестве 25 шт.: по 5 шт преформ для каждого из возможных пяти режимов вымывания. Номинальный вес преформы лопатки компрессора без подложки составлял 33 г. Также все опытные образцы преформ имели идентичные характеристики и параметры нашивки при их изготовлении: размер, схему укладки, плотность укладки и шаг прошивки. После изготовления опытные образцы были вырезаны с общей подложки по отдельности с одним и тем же припуском в 10 мм, чтобы обеспечить одинаковое содержание материала подложки во всех образцах.To study the parameters of the dissolution process of a substrate based on a water-soluble material, non-woven, impregnated with 100% polyvinyl alcohol, prototype preforms of compressor blades of a gas turbine engine with a non-woven substrate in the amount of 25 pcs were made using TFP technology: 5 pcs of preforms for each of the possible five modes of leaching. The nominal weight of the preform of the compressor blade without a substrate was 33 g. Also, all prototypes of the preforms had identical characteristics and parameters of the patch in their manufacture: size, layout, density of laying and pitch of firmware. After manufacturing, the test samples were cut from the common substrate individually with the same allowance of 10 mm to ensure the same content of the substrate material in all samples.

Определяемыми показателями в исследованиях являлись время растворения подложки на основе поливинилового спирта (флизелин - 40 (г/м²), фирма-изготовитель Aurora, Китай), качество растворения и качество вымывания. Время растворения подложки измерялось с момента контакта преформы с водой до полного растворения подложки. Качество растворения подложки определялось визуальным способом: процесс считался качественным, если подложка растворилась полностью, без следов, без изменения цвета воды, образования каких-либо комков и т.д.The determined indicators in the studies were the dissolution time of the substrate based on polyvinyl alcohol (non-woven - 40 (g / m ² ), Aurora manufacturer, China), the dissolution quality and the washout quality. The dissolution time of the substrate was measured from the moment the preform contacted with water until the substrate was completely dissolved. The quality of dissolution of the substrate was determined visually: the process was considered high-quality if the substrate was completely dissolved, without traces, without changing the color of water, the formation of any lumps, etc.

Критериями оценки качества вымывания являлись наличие/отсутствие визуально-диагностируемых дефектов преформы после вымывания (повреждения волокон и их рассыпание, мягкость/жесткость преформы), а также контроль массы преформы. Жесткость образцов преформ свидетельствует о неподходящих параметрах растворения и недостаточно тщательном вымывании. Растворившиеся частицы подложки при некачественном вымывании въедаются в текстильную структуру преформы и «склеивают» ее (делают жесткой) при высыхании.The criteria for assessing the quality of leaching were the presence / absence of visually diagnosed defects of the preform after leaching (damage to the fibers and their scattering, softness / stiffness of the preform), as well as control of the mass of the preform. The stiffness of the preform samples indicates inappropriate dissolution parameters and insufficiently thorough washing. When poorly washed, the dissolving particles of the substrate are eaten into the textile structure of the preform and “stick together” it (make it stiff) when dried.

Анализ полученных данных показывает, что оптимальными параметрами процесса растворения подложки из преформы являются: первоначальная температура воды - 80°С, при этом время растворения подложки составляет не более 20-30 сек, а время выдержки преформ до окончательного вымывания частиц подложки - 3 минуты.An analysis of the data obtained shows that the optimal parameters of the process of dissolving the substrate from the preform are: the initial water temperature is 80 ° C, while the dissolution time of the substrate is no more than 20-30 seconds, and the exposure time of the preforms to the final washing of the substrate particles is 3 minutes.

При изготовлении серий изделий с идентичными параметрами необходимо контролировать их геометрические размеры и массу. Для этого каждую из предварительных заготовок лопаток измеряют, а затем взвешивают на весах. Отклонение массы преформы от номинальной не превышало во всех случаях 1%. Это незначительное отклонение связано с практически постоянной линейной плотностью углеродного ровинга по его длине, что в свою очередь свидетельствует об отсутствии смещения слоев преформ и идентичности с конечной геометрией готового изделия.In the manufacture of series of products with identical parameters, it is necessary to control their geometric dimensions and weight. To do this, each of the preliminary blanks of the blades is measured, and then weighed on the scales. The deviation of the preform mass from the nominal did not exceed 1% in all cases. This slight deviation is associated with an almost constant linear density of carbon roving along its length, which in turn indicates the absence of displacement of the preform layers and identity with the final geometry of the finished product.

Содержание углеродных и арамидных волокон в преформе лопатки весом 33 г, изготовленной с указанными параметрами, составляет около 93,0% (30,6 г) и 7,0% (2,4 г) соответственно.The content of carbon and aramid fibers in a 33 g blade preform made with the indicated parameters is about 93.0% (30.6 g) and 7.0% (2.4 g), respectively.

При этом армирующие волокна внутри каждого слоя могут быть ориентированы в различных направлениях, причем ориентация и соответственно свойства слоев армирующих волокон отличаются от слоя к слою.In this case, the reinforcing fibers within each layer can be oriented in different directions, the orientation and, accordingly, the properties of the layers of reinforcing fibers differ from layer to layer.

Результаты исследования параметров режимов нашивки слоев преформы лопатки компрессора ГДТ приведены в таблице 1.The results of the study of the parameters of the regimes of the stripe layers of the preform of the blades of the compressor compressor blades are shown in table 1.

Результаты испытаний получаемых углепластиковых лопаток на основе преформ, изготовленных с разной плотностью укладки и шагом прошивки (режимы 1-20), показали, что предпочтительными параметрами являются плотность укладки ровинга 2,85-3,00 мм (или 57-60 у.е.) с шагом прошивки 7-10 мм, которые позволяют достичь наиболее высоких показателей ряда прочностных свойств готовых лопаток компрессора при их изготовлении предложенным способом. Вычисление значений прочности и модуля упругости при изгибе гостировано (ГОСТ 4648-71, ISO 178, DIN 53452, ASTM D790) и определяются по построенным кривым зависимости прогиба от нагрузки. Так модуль упругости при изгибе эквивалентен наклону линии, касательной к кривой напряжения/деформации, в той части этой кривой, где тестируемый образец еще не деформировался. В табл. 1 приведены также средние значения отклонений (погрешность) при измерении прочности и модуля упругости поликомпозитного материала лопаток при изгибе, допустимые в данном случае для этого графического метода вычисления.The test results of the obtained carbon fiber blades based on preforms made with different stacking densities and firmware increments (modes 1-20) showed that roving packing densities of 2.85-3.00 mm (or 57-60 cu) are preferred. ) with a firmware step of 7-10 mm, which allows to achieve the highest indicators of a number of strength properties of the finished compressor blades during their manufacture by the proposed method. The calculation of the values of strength and modulus of elasticity in bending is arranged (GOST 4648-71, ISO 178, DIN 53452, ASTM D790) and are determined by the constructed curves of the dependence of the deflection on the load. Thus, the bending elastic modulus is equivalent to the slope of the line tangent to the stress / strain curve in that part of this curve where the test specimen has not yet been deformed. In the table. 1 also shows the average values of deviations (error) when measuring the strength and elastic modulus of a multicomposite material of the blades during bending, permissible in this case for this graphical calculation method.

Авторами были проведены сравнительные испытания лопаток компрессора из ПКМ, преформы которых созданы по непрошитой и нашивной технологиям (таблица 2):The authors conducted comparative tests of compressor blades from PCM, the preforms of which were created using unbroken and sewn-on technologies (table 2):

- выкладкой углеродной ткани на основе углеродного волокна Т700; -выкладкой углеродной ткани на основе углеродного волокна IMS 65;- laying out carbon fabric based on T700 carbon fiber; - Calculation of carbon fabric based on carbon fiber IMS 65;

-направленной нашивкой углеродного ровинга IMS 65.

-directional strip of carbon roving IMS 65.

Как уже отмечалось выше, для нашивных материалов на основе углеродного волокна со схемой армирования [0;90] максимальной прочности и модуля упругости при четырехточечном изгибе удается достичь в диапазоне шага нашивки от 7 до 10 мм при плотности нашивки 57-60 у.е., где 1 у.е. равен 0,05 мм. При этом прочность при изгибе составляет порядка от 420 до 690 МПа, модуль упругости 39-47 ГПа (без учета погрешности измерений).As noted above, for carbon fiber based materials with a reinforcement scheme [0; 90] of maximum strength and elastic modulus in four-point bending, it is possible to achieve in the range of the stripe pitch from 7 to 10 mm with a stripe density of 57-60 cu, where 1 cu equal to 0.05 mm. In this case, the bending strength is about 420 to 690 MPa, the elastic modulus is 39-47 GPa (without taking into account the measurement error).

В неоптимальном диапазоне нашивки значения прочности при изгибе тестируемых углепластиковых материалов лопаток ниже (от 10 до 20%), а модули упругости снижается на 10-15%. Например, при более плотной нашивке (шаг 4-5 мм, плотность от 47 до 70 мм) значения прочности составляют от 380 до 610 МПа, модули упругости 35- 40 ГПа.In the non-optimal range of the patch, the flexural strengths of the tested carbon fiber materials of the blades are lower (from 10 to 20%), and the elastic moduli are reduced by 10-15%. For example, with a denser strip (step 4-5 mm, density from 47 to 70 mm), the strength values are from 380 to 610 MPa, the elastic moduli are 35-40 GPa.

Следует отметить, что сравнение характеристик аналогичных материалов изделий, полученных по непрошивной технологии, показало, что прочность при четырехточечном изгибе составляет величины по максимуму порядка 900 МПа (сравнительный режим - порядка 720 МПа), а модуль упругости до 70-78 ГПа (сравнительный режим 57-78 ГПа). Сравнение показывает, что прочность на изгиб нашивных материалов, полученных в оптимальной области нашивки в среднем на 25-30% ниже, чем для непрошивных тестируемых в заявке углепластиков. Тем не менее, учитывая что в нашивных преформах реализовать ориентированную волокнистую структуру крайне сложно, снижение прочности при изгибе на указанную величину вполне приемлемо, поскольку в этом случае, при том что сохраняется достаточная прочность на изгиб и упругость изготавливаемых на основе заявленного способа конструктивных элементов лопатки изделие значительно выигрывает в прочности на сдвиг (Табл. 1).It should be noted that a comparison of the characteristics of similar materials of products obtained by non-flashing technology showed that the strength at four-point bending is a maximum value of about 900 MPa (comparative mode is about 720 MPa), and the elastic modulus is up to 70-78 GPa (comparative mode 57 -78 GPa). The comparison shows that the flexural strength of the sewn materials obtained in the optimal area of the strip is on average 25-30% lower than for non-flashing carbon plastics tested in the application. Nevertheless, given that it is extremely difficult to realize an oriented fibrous structure in sewed preforms, a decrease in the bending strength by the indicated value is quite acceptable, since in this case, while sufficient bending strength and elasticity of the structural elements of the blade of the product made on the basis of the claimed method are maintained significantly wins in shear strength (Table 1).

Увеличение предела прочности на сдвиг уже на 10% в плоскости армирования преформы позволяет в результате по сравнению с непрошивными материалами сохранять в большей степени целостность конечного изделия, не давая лопатке, даже в случае режимов эксплуатации близких к разрушению, распадаться на осколки. Для рабочих лопаток компрессора эта характеристика очень важна, поскольку образовавшиеся даже в незначительном количестве осколки зачастую обладают очень высокой кинетической энергией, и способны повредить остальные детали двигателя. Таким образом увеличение предела прочности на сдвиг также дополнительно обеспечивает безопасность обслуживающего персонала.An increase in the shear strength already by 10% in the plane of reinforcing the preform allows, as a result, to maintain a greater degree of integrity of the final product compared to non-flashing materials, preventing the blade, even in the case of operating modes close to fracture, to disintegrate into fragments. For compressor working blades, this characteristic is very important, since fragments formed even in a small amount often have very high kinetic energy, and can damage the rest of the engine parts. Thus, an increase in the shear strength also additionally ensures the safety of maintenance personnel.

Обобщая изложенное, необходимо отметить, что предлагаемый способ изготовления преформ лопаток компрессора, помимо достижения оптимальных для эксплуатации совокупности физико-механических показателей, имеет следующие преимущества:Summarizing the foregoing, it should be noted that the proposed method for manufacturing preforms of compressor blades, in addition to achieving the optimum set of physical and mechanical indicators for operation, has the following advantages:

- соблюдение точной геометрии, без смещения слоев преформы относительно друг друга при выкладке в оснастку;- adherence to exact geometry, without displacement of the preform layers relative to each other when laying out in a snap;

- направленная укладка ровинга с точно заданным углом;- directional laying of the roving with a precisely defined angle;

- исключен человеческий фактор и связанные с ним возможные ошибки;- the human factor and possible errors associated with it are excluded;

- практически безотходное производство, с минимальным облоем за счет использования первичного волокна, а не тканей, которые являются продуктом переработки;- virtually waste-free production, with a minimum burden due to the use of primary fiber, and not fabrics that are a processed product;

- более низкая стоимость сырья;- lower cost of raw materials;

- уменьшенная трудоемкость.- reduced labor intensity.

Claims

1. A method of manufacturing preforms for compressor blades of a gas turbine engine, comprising creating a three-dimensional structure from layers of reinforcing fibers by automated directional stripping using the TFP technology of the first layer to the substrate, bonded to subsequent layers with fixing threads of a zigzag stitch, characterized in that the density of laying of the layers of reinforcing fibers , characterized by the distance between the layers, is 2.85-3.00 mm or 57-60 conventional units, at 1 cu = 0.05 mm, and the length of the zigzag stitch - the firmware pitch is fixed yarn is 7-10 mm with a stitch width of 5 mm, and a water-soluble non-woven based on polyvinyl alcohol is used as the substrate material for sewing detachable preforms.

2. The method according to p. 1, characterized in that the carbon fibers are used as reinforcing fibers.

3. The method according to p. 2, characterized in that as the reinforcing fibers use carbon fibers in the form of roving.

4. The method according to p. 1, characterized in that aramid fibers are used as fixing threads.

5. The method according to p. 1, characterized in that the weight fraction of the reinforcing fibers in the total weight of the preform is up to 93%

6. The method according to p. 1, characterized in that the substrate is separated from the preform by dissolving in water, which is carried out at an initial water temperature of t = 80 ° C and holding for 3 minutes.