RU2798639C1

RU2798639C1 - Method for manufacturing an aircraft engine compressor or fan impeller from a composite material

Info

Publication number: RU2798639C1
Application number: RU2022103613A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Грибановский
Original assignee: Владимир Александрович Грибановский
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-06-23

Abstract

FIELD: turbine construction.

SUBSTANCE: invention is related to methods for manufacturing compressor or fan impellers for aircraft engines from a composite material. The wheel contains blades integrally made with a support ring having an aerodynamic profile, front and rear flanges and interblade fastening. The manufacturing method includes cutting single layers of composite material to form front and rear flanges and a support ring with an aerodynamic profile; cutting layers of composite material for blades and interblade attachment, pressing blades and interblade attachment; laying layers of composite material to form the front and rear flanges and the support ring in the separator of the assembly mould, where the front flange and the aerodynamic profile of the support ring are formed; installation of the blades in the slot of the separator, which ensures the nominal location of the blades on the support ring, then interblade fastenings are placed between the blade roots, which are in close contact over the entire surface of the blade, while the grooves include the ribs of the blade root. Then, layers of composite material of the rear flange are overlapped, a pressure puncheon is installed, and polymerization is carried out.

EFFECT: using this method of manufacturing the impeller, a significant simplification of the technological process and a decrease in labour intensity are achieved.

1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения, точнее к способам изготовления рабочих колес компрессора или вентилятора газотурбинного двигателя из композиционного материала.The invention relates to the field of turbine construction, more precisely to methods for manufacturing compressor impellers or a fan of a gas turbine engine from a composite material.

Защищенный патентом (RU №2502601, опубл. 27.12.2013 г.) способ получения из композиционного материала рабочего колеса компрессора, содержащего рабочие лопатки, опорное кольцо, передний и задний фланцы, включающий раскрой слоев композиционного материала для получения заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца с аэродинамическим профилем. Раскрой слоев композиционного материала для лопаток осуществляют с обеспечением выхода за пределы контура лопатки со стороны коренного сечения на величину, превышающую длину дуги опорного кольца между соседними лопатками. Затем прессуют лопатки, при этом получают со стороны корневого сечения наметку опорного кольца, а часть слоя композиционного материала остается в исходном состоянии. Далее укладывают в пресс-форму заготовки, предназначенные для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца, с расположением частей упомянутой заготовки в полости сепаратора пресс-формы, где оформляют передний и задний фланцы и аэродинамический профиль опорного кольца. Затем укладывают лопатки в прорези сепаратора, обеспечивающего номинальное расположение лопаток на опорном кольце, пропитывают и укладывают слои материала, выходящие за контур лопаток, с обеспечением предварительного формирования опорного кольца. Устанавливают в пресс-форму эластичный пуансон, который формирует внутренние поверхности переднего и заднего фланцев и опорного кольца, на него укладывают слои материала для заднего фланца. Далее устанавливают нажимной пуансон пресс-формы, скрепляют его с сепаратором, создают давление на эластичный пуансон, завершая образование монолитного рабочего колеса компрессора.Protected by a patent (RU No. 2502601, publ. 27.12.2013) method for producing a compressor impeller from a composite material, containing rotor blades, a support ring, front and rear flanges, including cutting the layers of composite material to obtain a workpiece intended for forming the front and rear flanges and part of the support ring with an aerodynamic profile. Cutting the layers of composite material for the blades is carried out in such a way that they go beyond the contour of the blade from the side of the root section by an amount exceeding the length of the arc of the support ring between adjacent blades. Then, the blades are pressed, and at the same time, a basting of the support ring is obtained from the side of the root section, and part of the composite material layer remains in its original state. Next, blanks are placed in the mold, designed to form the front and rear flanges and part of the support ring, with the parts of the said blank located in the cavity of the mold separator, where the front and rear flanges and the aerodynamic profile of the support ring are formed. Then the blades are placed in the slots of the separator, which ensures the nominal location of the blades on the support ring, impregnate and lay the layers of material that go beyond the contour of the blades, ensuring the preliminary formation of the support ring. An elastic punch is installed in the mold, which forms the inner surfaces of the front and rear flanges and the support ring, layers of material for the rear flange are laid on it. Next, the pressure punch of the mold is installed, fastened with a separator, pressure is applied to the elastic punch, completing the formation of a monolithic compressor impeller.

Данным изобретением не обеспечивается необходимая жесткость рабочего колеса из композиционного материала при огромных центробежных силах, возникающих при работе компрессора. Кроме того, технология, предусматривающая пропитку связующим слоев материала для прессования лопаток, при этом оставляя часть их в исходном состоянии, которая пропитывается связующим перед укладкой в сборочную пресс-форму создает определенные трудности и повышает трудоемкость при изготовлении моноколес.This invention does not provide the necessary rigidity of the impeller made of composite material with the huge centrifugal forces that occur during compressor operation. In addition, the technology that impregnates the layers of material for pressing the blades with a binder, while leaving some of them in their original state, which is impregnated with a binder before being placed in an assembly mold, creates certain difficulties and increases the complexity in the manufacture of monowheels.

Рабочее колесо (RU №2578256, опубл. 27.03.2016 г.) вентилятора или компрессора из композиционного материала, включающее лопатки, неразъемно выполненные с опорным кольцом, имеющим аэродинамический профиль, передний и задний фланцы, и собранные в монолитный узел, при этом лопатки хвостовиками неразъемно соединены с передним и задним фланцами и защемлены межлопаточным креплением, выполненным по форме поверхности, ограниченной хвостовиками лопаток на опорном кольце, переднем и заднем фланцами, и соединенным монолитно с последними.Impeller (RU No. 2578256, publ. 03/27/2016) of a fan or compressor made of composite material, including blades integrally made with a support ring having an aerodynamic profile, front and rear flanges, and assembled into a monolithic assembly, while the blades are shanks permanently connected to the front and rear flanges and pinched by an inter-blade fastening made according to the shape of the surface limited by the blade roots on the support ring, the front and rear flanges, and connected monolithically to the latter.

Способ изготовления из композиционного материала рабочего колеса вентилятора или компрессора, включающий раскрой слоев композиционного материала для получения заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца с аэродинамическим профилем. Раскрой слоев композиционного материала для лопаток осуществляется с выходом за пределы контура лопатки со стороны, примыкающей к переднему фланцу от продольной оси лопатки, материала по форме поверхности, ограниченной хвостовиками на опорном кольце, переднем и заднем фланцах, а со стороны хвостовика, примыкающим к заднему фланцу по форме поверхности на заднем фланце между хвостовиками, предназначенного для защемления хвостовика межлопаточным креплением. Перед прессованием материал лопаток пропитывают связующим, при этом сохраняют материал, выходящий за контур хвостовика, в исходном состоянии, а перед укладкой в сепаратор пропитывают связующим. Укладку в пресс-форму заготовки, предназначенной для формирования переднего и заднего фланцев и части опорного кольца, с расположением частей упомянутой заготовки в полости сепаратора пресс-формы, используемой для оформления переднего фланца и аэродинамического профиля опорного кольца. Затем производят укладку лопаток в прорези сепаратора, обеспечивающего номинальное расположение лопаток на опорном кольце, установку в сборочную пресс-форму эластичного пуансона, предназначенного для формирования внутренних поверхностей переднего и заднего фланцев и опорного кольца, на который укладывают слои материала для заднего фланца, установку нажимного пуансона пресс-формы, скрепление его с сепаратором и образование монолитного рабочего колеса прессованием путем подачи давления на эластичный пуансон.A method for manufacturing a fan or compressor impeller from a composite material, including cutting the layers of the composite material to obtain a blank for forming the front and rear flanges and part of the support ring with an aerodynamic profile. Cutting the layers of composite material for the blades is carried out with going beyond the contour of the blade from the side adjacent to the front flange from the longitudinal axis of the blade, the material according to the shape of the surface bounded by the shanks on the support ring, front and rear flanges, and from the shank side, adjacent to the rear flange according to the shape of the surface on the rear flange between the shanks, designed to pinch the shank with inter-blade fastening. Before pressing, the material of the blades is impregnated with a binder, while the material that goes beyond the contour of the shank is kept in its original state, and before being placed in the separator, it is impregnated with a binder. Placing a workpiece in the mold intended for forming the front and rear flanges and part of the support ring, with the parts of the said workpiece located in the cavity of the mold separator used to form the front flange and the aerodynamic profile of the support ring. Then the blades are laid in the slots of the separator, which ensures the nominal location of the blades on the support ring, the elastic punch is installed in the assembly mold, designed to form the internal surfaces of the front and rear flanges and the support ring, on which layers of material for the rear flange are laid, the pressure punch is installed molds, fastening it with a cage and forming a monolithic impeller by pressing by applying pressure to an elastic punch.

Способ изготовления рабочего колеса компрессора или вентилятора создает определенные сложности и повышает трудоемкость изготовления тем, что необходимо пропитывать связующим заготовки лопаток /перед прессованием, оставляя материал, выходящий за пределы хвостовика лопатки в исходном состоянии, а пропитывая его перед укладкой в пресс-форму.The method of manufacturing a compressor or fan impeller creates certain difficulties and increases the complexity of manufacturing in that it is necessary to impregnate the blanks of the blades with a binder before pressing, leaving the material that extends beyond the blade root in its original state, and impregnating it before laying in the mold.

Данным изобретением решается задача создания способа, исключающего применение технологической операции «пропитки связующим исходного материала» перед прессованием лопаток, при этом оставляя в исходном состоянии материал, выходящий за контур хвостовика лопатки, который пропитывается связующим перед укладкой в сборочную пресс-форму. Поставленная задача решается тем, что рабочее колесо компрессора или вентилятора, далее колесо, изготавливают полностью из препрега. Лопатка формируется в пресс-форме, на хвостовике которой с двух сторон перпендикулярно оси лопатки на ширину хвостовика выполнено, по крайней мере, по одному ребру. Межлопаточное крепление получают из препрега, при этом на поверхностях, контактирующих с хвостовиками лопаток, выполнены пазы, соответствующие ребрам на хвостовиках. Сборка производится в сборочной пресс-форме в следующей последовательности: в сепаратор сборочной пресс-формы укладываются раскроенные слои композиционного материала, где оформляется передний фланец и аэродинамический профиль опорного кольца. Затем лопатки вставляют в прорези сепаратора, который обеспечивает номинальное расположение лопаток в пресс-форме, а это в свою очередь выполняет требование конструкторской документации на колесо, устанавливают межлопаточное крепление и подкладное кольцо. Далее внахлестку укладывают слои композиционного материала для получения заднего фланца и устанавливают нажимной пуансон. Производят прессование по режиму, необходимому для конкретного композиционного материала, охлаждение и разборку пресс-формы. Таким образом получается монолитное колесо со значительным снижением трудоемкости изготовления, за счет ликвидации операции пропитки материала связующим.This invention solves the problem of creating a method that excludes the use of the technological operation "impregnation with a binder of the source material" before pressing the blades, while leaving in its original state the material that goes beyond the contour of the blade root, which is impregnated with a binder before being placed in the assembly mold. The problem is solved by the fact that the impeller of the compressor or fan, then the wheel, is made entirely of prepreg. The blade is formed in a mold, on the shank of which, on both sides, perpendicular to the axis of the blade, at least one rib is made for the width of the shank. Interblade fastening is obtained from prepreg, while on the surfaces in contact with the root of the blades, grooves are made corresponding to the ribs on the root. Assembly is carried out in the assembly mold in the following sequence: cut layers of composite material are placed in the separator of the assembly mold, where the front flange and the aerodynamic profile of the support ring are formed. Then the blades are inserted into the slots of the separator, which ensures the nominal location of the blades in the mold, and this, in turn, fulfills the requirement of the design documentation for the wheel, the inter-blade fastening and the backing ring are installed. Next, layers of composite material are overlapped to obtain a rear flange and a pressure punch is installed. Pressing is carried out according to the regime required for a particular composite material, cooling and disassembly of the mold. Thus, a monolithic wheel is obtained with a significant reduction in the complexity of manufacturing, due to the elimination of the operation of impregnating the material with a binder.

Фиг. 1, фиг. 2 общий вид колеса.Fig. 1, fig. 2 general view of the wheel.

Фиг. 3 раскрой слоя композиционного материала для формирования переднего и заднего фланцев и опорного кольца.Fig. 3 cutting layers of composite material to form the front and rear flanges and support ring.

Фиг. 4, фиг. 5 лопатка.Fig. 4, fig. 5 spatula.

Фиг. 6, фиг. 7 межлопаточное крепление.Fig. 6, fig. 7 interscapular fastening.

Фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10 сборочная пресс-форма и прессование колеса.Fig. 8, fig. 9, fig. 10 assembly mold and wheel pressing.

Колесо (фиг. 1, фиг. 2) содержит лопатки 1 (аэродинамический профиль условно не показан), опорное кольцо 2, передний фланец 3, задний фланец 4 и межлопаточное крепление 5. Опорное кольцо 2 с аэродинамическим профилем образуется из композиционного материала 2 заготовки (фиг. 3), из этой же заготовки формируют передний 3 и задний 4 фланцы (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Прочное защемление лопаток 1 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5) в колесе достигается межлопаточным креплением 5 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 6, фиг. 7), плотно контактирующим с хвостовиками 6 соседних лопаток, при этом на хвостовике с двух сторон имеется, по крайней мере, по одному ребру 7, которое входит соответственно в паз 8 межлопаточного крепления 5, таким образом обеспечивается неподвижность лопаток в радиальном направлении, а в осевом направлении передним и задним фланцами.The wheel (Fig. 1, Fig. 2) contains blades 1 (the airfoil is conventionally not shown), a support ring 2, a front flange 3, a rear flange 4 and an interblade fastening 5. The support ring 2 with an aerodynamic profile is formed from a composite material 2 of the workpiece ( Fig. 3), the front 3 and rear 4 flanges are formed from the same workpiece (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3). Strong pinching of the blades 1 (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5) in the wheel is achieved by inter-blade fastening 5 (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 6, Fig. 7), which is in close contact with the shanks 6 adjacent blades, while on the shank on both sides there is at least one rib 7, which enters, respectively, into the groove 8 of the inter-blade attachment 5, thus ensuring the immobility of the blades in the radial direction, and in the axial direction by the front and rear flanges.

Способ изготовления колеса заключается в раскрое различных размеров слоев материала лопатки 1 (фиг. 4, фиг. 5), межлопаточного крепления 5 (фиг. 6, фиг. 7) и единых слоев для оформления переднего 3 и заднего 4 фланцев и опорного кольца 2 (фиг. 3). Количество слоев и их размеры рассчитываются для конкретного колеса с учетом конфигурации лопатки, межлопаточного крепления, опорного кольца, фланцев и необходимой прочности. Далее раскрой слоев (фиг. 3) укладывают в сборочную пресс-форму (фиг. 8, фиг. 9), обеспечивая номинальное расположение их отверстием 19 (фиг. 3) и центратором 20, при этом кольцевую часть слоя 3 располагают в полости 10 сепаратора 9, где оформляется передний фланец 3 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10), а часть 2 (фиг. 3) раскроя укладывают в полость 11 сепаратора 9, в которой формируется опорное кольцо 2 с аэродинамическим профилем, при укладке совмещают прорези 12 (фиг. 3) с прорезями 13 (фиг. 9) сепаратора 9. Затем в прорези 12 (фиг. 3) и прорези 13 сепаратора 9 (фиг. 8, фиг. 9) вставляют лопатки 1 до упора в корпус 14 сборочной пресс-формы, устанавливают межлопаточное крепление 5 и подкладное кольцо 15, состоящее из нескольких секторов для удобства разборки. На хвостовики 6 лопаток 1, межлопаточное крепление 5 и подкладное кольцо 15 (фиг. 10) укладывают материал заднего фланца 4 (фиг. 3), на котором выполнены разрезы 18 от места взаимодействия с задней кромкой пера лопатки по диаметру заднего фланца, при этом площадь всех секторов 16 превышает площадь заднего фланца. Такое положение создает возможность укладывать сектора 16 внахлестку при формировании заднего фланца, что безусловно повышает прочность последнего. Устанавливают нажимной пуансон 17, который придает форму и размеры заднему фланцу, дают на него необходимое давление гидравлическим прессом. Процесс полимеризации проводят по режиму, соответствующему применяемому материалу колеса.The method of manufacturing the wheel consists in cutting different sizes of layers of the material of the blade 1 (Fig. 4, Fig. 5), interblade attachment 5 (Fig. 6, Fig. 7) and single layers for the design of the front 3 and rear 4 flanges and the support ring 2 ( Fig. 3). The number of layers and their dimensions are calculated for a specific wheel, taking into account the configuration of the blade, interblade attachment, support ring, flanges and the required strength. Next, the cutting of the layers (Fig. 3) is placed in the assembly mold (Fig. 8, Fig. 9), providing their nominal location with a hole 19 (Fig. 3) and a centralizer 20, while the annular part of the layer 3 is placed in the cavity 10 of the separator 9, where the front flange 3 is formed (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10), and cutting part 2 (Fig. 3) is placed in the cavity 11 of the separator 9, in which the support ring is formed 2 with an aerodynamic profile, when laying, the slots 12 (Fig. 3) are combined with the slots 13 (Fig. 9) of the separator 9. Then, in the slots 12 (Fig. 3) and the slots 13 of the separator 9 (Fig. blades 1 against the stop in the body 14 of the assembly mold, install the inter-blade mount 5 and the backing ring 15, consisting of several sectors for ease of disassembly. On the shanks 6 of the blades 1, the interblade mount 5 and the backing ring 15 (Fig. 10), the material of the rear flange 4 (Fig. 3) is laid, on which cuts 18 are made from the point of interaction with the trailing edge of the blade airfoil along the diameter of the rear flange, while the area of all sectors 16 exceeds the area of the rear flange. This position makes it possible to overlap sectors 16 when forming the rear flange, which certainly increases the strength of the latter. A pressure punch 17 is installed, which gives the shape and dimensions to the rear flange, gives it the necessary pressure with a hydraulic press. The polymerization process is carried out according to the regime corresponding to the wheel material used.

Данным изобретением решается задача изготовления рабочего колеса компрессора или вентилятора авиационного двигателя из композиционного материала со значительным упрощением технологического процесса и снижения трудоемкости производства.This invention solves the problem of manufacturing an impeller of a compressor or a fan of an aircraft engine from a composite material with a significant simplification of the technological process and a decrease in the labor intensity of production.

Claims

A method for manufacturing a compressor impeller or a fan of an aircraft engine from a composite material for its implementation, layers of composite material for blades and single layers are cut to form the front and rear flanges and the support ring, their dimensions and configuration are calculated for each particular wheel, taking into account the configuration of the blade, support ring , flanges and required strength; the blades are pressed, the cutting of the single layers is placed in the assembly mold, providing the nominal arrangement of the layers with the hole and the centralizer of the mold, while the annular part of the single layer is placed in the cavity of the separator, where the front flange is formed, part of the cutting is placed in the cavity of the separator, in which the support ring with an aerodynamic profile, when laying, the slots are combined with the slots of the separator, then in the slots of the single layers and the slots of the separator, which ensures the nominal arrangement of the blades in the wheel, the stop blades are installed in the body of the assembly mold, then on the blade shanks, inter-blade mounts and backing a ring consisting of several sectors for ease of disassembly, the material of the rear flange is laid, on which cuts are made from the point of interaction with the trailing edges of the blades along the diameters of the rear flange, while the area of all sectors exceeds the area of \u200b\u200bthe rear flange, which allows the material of the rear flange to be overlapped, increasing its strength, a pressure punch is installed, which gives the shape and dimensions to the rear flange, the necessary pressure is applied to it with a hydraulic press, the polymerization process is carried out according to the regime corresponding to the composite material used, characterized in that for a strong fixation of the blades in the wheel, layers of composite material are cut to form in the interblade fastening mold, which is installed in the assembly mold between the shanks having at least one rib on the contact surface perpendicular to the blade axis, and on the interblade fastening contact surface there is a corresponding groove interacting with the rib.