Центробежное рабочее колесо и турбомашина

Центробежное рабочее колесо и турбомашина

Реферат

Область изобретения

[001] Варианты выполнения изобретения, представленные в этом документе, в целом относятся к композитным центробежным рабочим колесам для турбомашин и к соответствующим способам их изготовления, в особенности, но не исключительно, для применений в области нефти и газа.

[002] Другие варианты выполнения обычно относятся к пресс-форме для изготовления этого центробежного рабочего колеса, некоторым отдельным компонентам для изготовления этого центробежного рабочего колеса с помощью этой пресс-формы и к турбомашине, в которой указанное рабочее колесо может использоваться.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[003] Одним компонентом центробежной турбомашины является центробежное рабочее колесо, которое передает энергию, как правило, от двигателя, который приводит в движение турбомашину, рабочей текучей среде, сжимаемой и перекачиваемой путем ускорения текучей среды в наружном направлении от центра вращения; кинетическая энергия, сообщаемая рабочим колесом рабочей текучей среде, преобразуется в энергию давления, когда направленное в наружном направлении движение текучей среды ограничивается диффузором и корпусом машины. Эта центробежная машина называется, в целом, компрессором (если рабочая текучая среда представляет собой газ) или насосом (если рабочая текучая среда представляет собой жидкость).

[004] Другим типом центробежной турбомашины является экспандер, который использует давление рабочей текучей среды для получения механической работы на валу с помощью рабочего колеса, в котором текучая среда может расширяться.

[005] В патенте США №4676722 описано рабочее колесо для центробежного компрессора, выполненное из большого количества секторов с загруженными волокнами. Недостатком данного конкретного рабочего колеса является то, что различные сектора имеют прямо направленное армирование волокнами, по существу, в радиальном направлении, так что трудно сбалансировать тангенциальное напряжение, вызываемое центробежными силами на высоких скоростях вращения. После изготовления сектора соединяют друг с другом посредством адгезионной прочности связующего агента, которая ограничивает максимальную скорость работы. Кроме того, способ изготовления, в котором узел приобретает форму благодаря волокнам, ограничен сравнительно простыми геометриями (например, секторами с прямыми краями), которые могут иметь низкую аэродинамическую эффективность.

[006] В патенте США №5944485 описана турбина, выполненная из термоструктурированного композитного материала, в особенности большого диаметра, а также способ изготовления турбины, который обеспечивает механическое соединение для ее сборки с помощью болтов, канавок, пазов и так далее. Недостаток этого рабочего колеса заключается в том, что механическое соединение не может обеспечить высокую механическую прочность на высокой скорости вращения при использовании либо коррозийной, либо эрозийной рабочей текучей среды. Поэтому надежность этого компонента может значительно ухудшиться. Кроме того, схема для крепления аэродинамической части к втулке обеспечивает использование непрерывных волокон вокруг внутренних углов проходов. Поскольку это, как правило, области с высоким напряжением, желательно, чтобы волокна являлись непрерывными от аэродинамической части до покрышки и от аэродинамической части до втулки.

[007] В патенте США №6854960 описано сегментированное композитное рабочее колесо или винт и способ их изготовления. Основным недостатком этого рабочего колеса является то, что в нем используется клеевое соединение для соединения одинаковых сегментов. В результате оно не имеет высокой механической прочности для работы на высокой скорости вращения, при этом центробежные силы могут разделить одинаковые сегменты и разрушить само рабочее колесо. Другим недостатком является то, что невозможно изготовить рабочее колесо с лопатками сложной геометрии, как и в случае с пространственным или аналогичным рабочим колесом.

[008] В целом, недостатком всех вышеупомянутых рабочих колес является то, что они представляют собой довольно сложные механические конструкции, поскольку они состоят из нескольких разных компонентов, которые должны быть сделаны самостоятельно, а затем механически собраны вместе. Кроме того, компоненты, изготовленные из волокон, должны быть выполнены в целом с помощью дорогостоящих металлических пресс-форм, что увеличивает стоимость изготовления. Кроме того, для создания этих волоконных компонентов для каждого типа рабочего колеса должны быть использованы различные металлические пресс-формы, что значительно увеличивает затраты на изготовление. Опять же, эти механические узлы не так легко изготовить с помощью автоматизированного оборудования, что еще больше увеличивает сроки и стоимость изготовления.

[009] Еще одним недостатком является то, что лопатки этих рабочих колес не защищены никаким образом от твердых или кислотных частиц, взвешенных в потоке рабочей текучей среды, поэтому проблемы эрозии и коррозии могут быть значительными и могут привести к разрушению компонентов.

[010] Еще одним недостатком является то, что может быть трудно обеспечить механическую сборку всех компонентов, необходимых для оптимальной работы рабочего колеса на высокой скорости. Кроме того, любая деформация, вызванная напряжениями и силами, создаваемыми во время работы, может привести к проблемам во время работы, в особенности на высокой скорости; во время работы могут возникнуть вибрации, вызванные износом и/или неправильной сборкой различных компонентов. Таким образом, рабочее колесо может выйти из строя.

[011] На сегодняшний день, несмотря на прорывы в технологии, эти недостатки представляют собой проблему и создают необходимость создания простого и недорогого центробежного рабочего колеса для турбомашин еще более быстрым и менее дорогим способом, но одновременно изготавливая улучшенную готовую продукцию высокого качества. Особенная необходимость существует в изготовлении инновационного центробежного рабочего колеса, воспользовавшись преимуществами композитных и волоконных технологий, одновременно по большей части сохраняя механические, гидродинамические и аэродинамические свойства металлического рабочего колеса, с тем, чтобы эффективно использовать это инновационное рабочее колесо в турбомашинах. Усовершенствования конструкции необходимы для использования в большей степени сильных сторон композитных материалов, а также для обеспечения безопасной работы на более высоких окружных скоростях, чем это возможно с традиционными металлическим рабочими колесами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[012] Целью изобретения является создание простой, быстрой и дешевой пресс-формы для создания центробежного рабочего колеса, которая решает по меньшей мере некоторые из упомянутых выше недостатков.

[013] Еще одной целью является разработка способа изготовления указанного рабочего колеса, в частности способа создания рабочего колеса с использованием композитного материала.

[014] Еще одной целью является изготовление некоторых компонентов для изготовления указанного рабочего колеса с использованием указанной пресс-формы простым и дешевым способом.

[015] В соответствии с первым аспектом предложено центробежное рабочее колесо для турбомашины, содержащее аэродинамические направляющие устройства, каждое из которых имеет внутренние стенки, к которым присоединен по меньшей мере тканевый элемент.

[016] Другими словами, аэродинамические направляющие устройства представляют собой пустые пространства между соседними лопатками. Во время использования рабочего колеса, вкратце, рабочая текучая среда поступает во входное отверстие каждого аэродинамического направляющего устройства, проходит через это устройство, причем текучая среда в этом устройстве выталкивается в радиальном направлении геометрией самого устройства и вращением рабочего колеса, и, наконец, выходит через выходное отверстие каждого направляющего устройства.

[017] Следует понимать, что в этом описании и в прилагаемой формуле изобретения термин «ткань» используется для описания некоторого числа из одной или нескольких различных волоконных структур, сотканных в структуру, такую как сплетенная структура, сшитая структура или набор слоев (и не только тканые структуры). (См. описание ниже).

[018] В особенно преимущественном варианте выполнения изобретения первые тканевые элементы выполнены с возможностью обрамления соответствующего одного аэродинамического направляющего устройства для того воспроизведения в значительной степени аэродинамического направляющего устройства, чтобы сохранялись его аэродинамические характеристики. Ткань содержит волокна, которые преимущественно и желательно являются непрерывными вокруг всей внутренней поверхности каждого направляющего устройства, обеспечивая тем самым высокое сопротивление к механическим напряжениям, возникающим в этих местах. Таким образом, отдельное направляющее устройство становится особенно устойчивым к механическим нагрузкам и в то же время способно сохранять свои аэродинамические характеристики.

[019] В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения второй тканевый элемент выполнен с возможностью поочередного обрамления верхней стенки направляющего устройства и нижней стенки соседнего направляющего устройства, проходя вдоль соответствующей расположенной между ними лопатки, так что аэродинамические характеристики указанного направляющего устройства сохраняются.

[020] В другом предпочтительном варианте выполнения третий тканевый элемент имеет, по существу, коническую поверхность с тканевыми лопатками, выступающими от этой поверхности, причем эти тканевые лопатки могут представлять собой, по существу, лопатки готового рабочего колеса.

[021] Очевидно, что вышеупомянутые три варианта выполнения могут быть реализованы по-разному, в зависимости от конкретных потребностей изготовления или использования; также не исключается возможность реализации этих вариантов выполнения в комбинации друг с другом.

[022] В другом варианте выполнения внутри каждого из аэродинамических направляющих устройств расположен профилированный элемент, для того, чтобы препятствовать эрозии или коррозии, которые обусловлены воздействием рабочей текучей среды.

[023] На самом деле рабочая текучая среда может представлять собой газ, жидкость или в целом их смесь, а процесс эрозии или коррозии может быть усугублен высокой скоростью вращения рабочего колеса, которая приводит к тому, что жидкость или твердые частицы в потоке ударяют в лопатку с более высокой силой.

[024] В другой преимущественной форме реализации рабочее колесо содержит четвертый тканевый элемент, размещенный поверх аэродинамических направляющих устройств, причем этот четвертый тканевый элемент может, по существу, иметь форму центробежного покрывающего диска и выполнять его функцию.

[025] Кроме того, рабочее колесо может содержать пятый тканевый элемент, имеющий, по существу, кольцевую плоскую форму, который образует, по существу, заднюю пластину для самого рабочего колеса.

[026] Шестой тканевый элемент может быть установлен под аэродинамическими направляющими устройствами, причем этот элемент имеет, по существу, кольцевую форму и может быть согласован с наружной нижней поверхностью направляющих устройств.

[027] Седьмой тканевый элемент может быть преимущественно размещен вокруг осевого отверстия, внутри которого размещается ротор турбомашины. Четвертый, пятый, шестой и седьмой тканевые элементы могут быть предусмотрены предпочтительно в комбинации друг с другом, чтобы увеличить механическую прочность готового рабочего колеса; однако следует понимать, что эти тканевые элементы могут быть использованы по отдельности или в различных сочетаниях, в соответствии с конкретными потребностями изготовления или использования.

[028] В предпочтительном варианте выполнения все вышеупомянутые тканевые элементы, когда они имеются, заключены или связаны с наполняющим материалом, называемым, как правило, «матрицей», для получения более жесткой формы рабочего колеса.

[029] В особенно преимущественном варианте выполнения все вышеупомянутые тканевые элементы, когда они имеются, соответствуют или прижимаются друг к другу для того, чтобы свести к минимуму пустые пространства между ними. В этом случае наполняющий материал, используемый для заполнения пустых пространств между соседними волоконными элементами, уменьшается настолько, насколько это возможно, для того, чтобы максимально увеличить количество структурных волокон в объеме. Это позволяет еще больше увеличить механическую прочность готового рабочего колеса.

[030] В еще одном предпочтительном варианте выполнения внутренний центральный элемент размещен под аэродинамическими направляющими устройствами, чтобы облегчить процесс изготовления рабочего колеса, в частности для облегчения установки указанных четвертого, пятого, шестого и седьмого волоконных элементов на место, и, когда они предусмотрены, обеспечить основание для развертывания волокна. Кроме того, центральный элемент может быть преимущественно выполнен с возможностью придания более высокой прочности и жесткости во время работы готового рабочего колеса на высоких скоростях вращения.

[031] Центральный элемент может быть выполнен по меньшей мере из материала, более жесткого, чем наполняющий материал перед его отверждением, например: дерева (например, бальзы), вспененных материалов (например, эпоксидных смол, фенольных смол, полипропилена, полиуретана, поливинилхлорида ПВХ, акрилонитрил бутадиен-стирола ABS, ацетата целлюлозы), ячеистого материала (например, крафт-бумаги, арамидной бумаги, углерода или стеклопластика, алюминиевых сплавов, титана и других сплавов), полимеров (например, фенольных соединений, полиимидов, полиэфиримидов, полиэфирэфиркетонов) или металлических материалов и других.

[032] В особенно предпочтительных вариантах выполнения центральный элемент состоит из незаполненных полостей, которые снижают общую плотность центрального элемента, так что она существенно ниже, чем у ткани или наполняющего материала. Это приводит к уменьшению сил, действующих на соседние структуры при воздействии высоких скоростей вращения.

[033] В конкретных вариантах выполнения центральный элемент может быть обрамлен, частично, по меньшей мере одним из вышеупомянутых тканевых элементов, по отдельности или в различных сочетаниях, когда они имеются, для получения особенно компактной, жесткой и прочной системы.

[034] В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения вышеупомянутые тканевые элементы изготовлены из большого количества однонаправленных и разнонаправленных волокон, выполненных так, чтобы, по существу, иметь большую анизотропию вдоль по меньшей мере преимущественного направления. Эти волокна могут иметь, по существу, нитевидную форму, как, например, углеродное волокно, стекловолокно, кварц, бор, базальт, полимерный (например, ароматический полиамид или полиэтилен из вытянутых цепей) полиэтилен, керамика (например, карбид кремния или оксид алюминия) или другие.

[035] Не исключено, однако, что эти тканевые элементы могут быть реализованы с двумя или большим количеством слоев волокон, причем с сочетанием волокон различных типов и с различными типами элементов, как, например, зернистые, пластинчатые или сфероидальные элементы, или тканые, сшитые, плетеные, не обжимные или другие ткани, однонаправленные ленты или жгуты, или любая другая архитектура волокна.

[036] Указанный выше наполняющий материал может быть материалом, способным не разваливаться, чтобы равномерно распределять напряжение внутри себя, а также для обеспечения высокого сопротивления к высоким температурам и к износу для тканевых элементов; напротив, тканевые элементы способны в основном обеспечивать высокую устойчивость к напряжениям, возникающим во время работы рабочего колеса. Кроме того, наполняющий материал может быть выполнен так, чтобы иметь низкую удельную массу и плотность, чтобы уменьшать вес рабочего колеса и, таким образом, центробежную силу, возникающую во время работы.

[037] Наполняющий материал может представлять собой предпочтительно органический, натуральный или синтетический полимерный материал, основными компонентами которого являются полимеры, имеющие молекулы с высоким молекулярным весом, и которые образованы большим количеством базовых блоков (мономеров), соединенных химическими связями. Структурно эти молекулы могут быть образованы из линейных или разветвленных цепей, переплетенных друг с другом, или из трехмерных решеток, и в основном состоят из атомов углерода и водорода, а в некоторых случаях из атомов кислорода, азота, хлора, кремния, фтора, серы или других. В целом, полимерные материалы представляют собой очень большую семью сотен и сотен различных веществ.

[038] В полимерные материалы также может быть добавлено одно или несколько вспомогательных соединений, таких как микро- и наночастицы, которые выполняют различные функции, в зависимости от конкретных потребностей, например усиления, придания жесткости, стабилизации, сохранения, сжижения, окрашивания, отбеливания или защиты полимера от окисления.

[039] В преимущественной форме реализации изобретения полимерный наполняющий материал состоит, по меньшей мере частично, из термопластичных полимеров, таких как PPS (полифенилен сульфид), РА (полиамид или нейлон), РММА (или акрил), LCP (жидкокристаллический полимер), РОМ (ацеталь), РА1 (полиамид имид), PEEK (поли-эфир-эфир кетон), РЕКК (поли-эфир кетон-кетон), ПАЕК (поли-арил-эфир кетон), PET (полиэтилен терефталат), PC (поликарбонат), РЕ (полиэтилен), РЕI (поли-эфир-имид), PES (полиэфир), РРА (полипталамид), PVC (поливинилхлорид), PU (полиуретан), РР (полипропилен), PS (полистирол), РРО (полифениленоксид), РI (полиимид, существуют как термореактивный) или другие. Для применений в случае особо высоких температур предпочтительными могут быть различные полиимиды, такие как полимеризованные мономерные реагентные (PMR) смолы, 6F-Полиимиды с фенилэтиниловой торцевой (HFPE) и фенилэтинил завершающие имиды (РЕТ1) олигомеры.

[040] В другой преимущественной форме реализации изобретения полимерный наполняющий материал, по меньшей мере частично, состоит из термореактивного полимера, такого как эпоксидная смола, фенол, полиэфир, винилэфир, амин, фураны, РI (существуют также в качестве термопластичного материала), ВМ1 (бисмалеимиды), СЕ (цианат эфир), фталанонитрил, бензоксазины или другие. Для особо высокотемпературных применений могут быть предпочтительнее различные термореактивные полиимиды, такие как полимеризованные мономерные реагенты (PMR), смолы, 6F-Полиимиды с фенилэтиниловыми концевыми группами (HFPE) и олигомеры имид с фенилэтиниловыми концевыми группами (РЕТ1).

[041] Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения наполняющий материал состоит из керамического материала (например, карбида кремния или оксида алюминия или других) или даже, по меньшей мере частично, из металла (например, алюминия, титана, магния, никеля, меди и их сплавов), углерода (как в случае углерод-углеродных композитов), или других.

[042] Преимущество рабочего колеса, созданного в соответствии с изобретением, заключается в том, что оно обладает высоким качеством и инновационными характеристиками.

[043] В частности, рабочее колесо является очень легким и в то же время имеет сопоставимое сопротивление по отношению к известным рабочим колесам, выполненным из металла, используемым в практике турбомашин (для высокой скорости вращения и высокой степени сжатия).

[044] На самом деле традиционные металлические рабочие колеса могут весить от 10 до 2000 кг, в зависимости от размера рабочего колеса, при этом рабочее колесо, выполненное в соответствии с изобретением, может весить от 0,5 до 20 кг (рабочее колесо того же типа). Таким образом, снижение веса больше чем 75%.

[045] Еще одно преимущество заключается в том, что рабочее колесо, выполненное в соответствии с изобретением, может использоваться с большим количеством различных текучих сред (жидкость, газ или их смесь) и с текучими средами, которые имеют высокой коррозионные или эрозионные характеристики.

[046] Еще одно преимущество исходит из того, что его особенно недорого и просто изготовить и регулировать (см. описание ниже).

[047] Еще одно преимущество заключается в том, что особенно удобно применять больше компонентов или элементов для повышения качества и механических характеристик рабочего колеса в соответствии с конкретными требованиями, такие как профилированные компоненты или волоконные элементы, выполненные с конкретной формой, или другие.

[048] Опять же, еще одно преимущество заключается в том, что рабочее колесо, выполненное в соответствии с изобретением, может иметь разные типы, сохраняя в то же самое время аэродинамические и механические характеристики, например рабочее колесо может представлять собой трехмерное рабочее колесо, двумерное рабочее колесо или другие.

[049] В соответствии со вторым аспектом предложена турбомашина, в которой применяется по меньшей мере одно центробежное рабочее колесо, выполненное как описано выше.

[050] В частности, эта турбомашина может представлять собой центробежный компрессор (для газа) или насос (для жидкости), либо она может представлять собой центробежный детандер, во всяком случае, турбомашина предпочтительно имеет несколько указанных рабочих колес, соединенных на общем валу, выполненном из металла или других материалов (например, композитных материалов).

[051] В соответствии с третьим аспектом предложена пресс-форма для создания центробежного рабочего колеса для турбомашины, содержащая по меньшей мере кольцевую вставку, содержащую большое количество вставок для создания аэродинамических направляющих устройств, представляющих собой аэродинамические направляющие устройства готового рабочего колеса.

[052] В частности, кольцевая вставка может быть изготовлена из одного куска материала или предпочтительно путем объединения нескольких частей (см. ниже).

[053] Пресс-форма содержит предпочтительно и преимущественно пластину основания, имеющую внутреннюю поверхность и наружную поверхность, причем внутренняя поверхность выполнена с возможностью воспроизведения задней поверхности рабочего колеса, а наружная поверхность, по существу, противоположна внутренней поверхности; верхнее кольцо с внутренней поверхностью и наружной поверхностью, причем внутренняя поверхность выполнена с возможностью воспроизведения передней поверхности рабочего колеса, а наружная поверхность, по существу, противоположна внутренней поверхности.

[054] В других вариантах выполнения пресс-форма содержит вышеупомянутые тканевые элементы, имеющие предпочтительно и преимущественно (полу)жесткую форму и изготовленные отдельно, прежде чем их помещают в пресс-форму.

[055] В особенно преимущественном варианте выполнения изобретения пресс-форма содержит внутренний центральный элемент, расположенный под заготовкой центробежного рабочего колеса и поверх опорной пластины; причем внутренний центральный элемент может быть реализован во многих различных вариантах выполнения, в зависимости от различных технических нужд и требований эксплуатации (см. ниже).

[056] В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения пресс-форма содержит большое количество профилированных компонентов, выполненных с возможностью размещения на наружной поверхности каждой вставки, образующей аэродинамическое направляющее устройство; эти профилированные компоненты выполнены с возможностью противодействия эрозии или коррозии, создаваемой рабочей текучей средой во время работы готового рабочего колеса.

[057] В частности, эти профилированные компоненты могут быть связаны между одним из вышеупомянутых тканевых элементов и поверхностями кольцевой вставки, соответствующими стенкам направляющих устройств, в месте, в котором больше процесс эрозии или коррозии, вызванный воздействием рабочей текучей среды.

[058] Для закрытия заготовки между пластиной основания и верхней пластиной/кольцом может быть предусмотрена закрывающая система для того, чтобы центрировать и зафиксировать указанную заготовку рабочего колеса между ними. Эта система может быть выполнена в нескольких различных видах, например механическая система (центрирующие штифты, винты или другие), геометрическая система (профилированные отверстия, профилированные канавки, профилированные зубцы, профилированные поверхности и др.) или другие системы.

[059] Для введения наполняющего материала внутрь пресс-формы с помощью инжекционных каналов, выполненных внутри пластины основания и/или верхнего кольца, предусмотрена инжекционная система.

[060] Преимущество пресс-формы, выполненной в соответствии с изобретением, заключается в том, что готовое рабочее колесо, которое изготовлено с помощью этой пресс-формы, имеет высокое качество и имеет инновационные характеристики в области турбомашиностроения.

[061] Еще одно преимущество заключается в том, что материал, используемый для кольцевой вставки, может быть недорогим и простым в обработке, таким как вспененный материал высокой плотности или керамика.

[062] Кроме того, материал очень компактный и вместе с тем чрезвычайно универсальный, поскольку возможно изготовить много различных типов рабочих колес, выполняя кольцевую вставку с конкретной геометрией и формой (в частности, трехмерные или двумерные рабочие колеса).

[063] Еще одно преимущество конструкции пресс-формы заключается в том, что она обеспечивает возможность одностадийного введения и отверждения наполняющего материала по всей детали. Это создает деталь с высокой прочностью и избавляет от необходимости выполнения вторичных операций присоединения, таких как склеивание, обработка или механическое прикрепление, которые могут быть дорогостоящими и трудоемкими. Кроме того, отпадает также возможность загрязнения детали или ее повреждения при выполнении операций.

[064] В соответствии с четвертым аспектом предусмотрена вставка для создания аэродинамического направляющего устройства, выполненная с возможностью воспроизведения по меньшей мере аэродинамического направляющего устройства в готовом центробежном рабочем колесе, так что аэродинамические характеристики направляющего устройства готового рабочего колеса сохраняются.

[065] Преимущественно вставка для создания аэродинамического направляющего устройства содержит по меньшей мере центральную область, выполненную с возможностью правильного воспроизведения аэродинамического направляющего устройства, и оконечные области, выполненные с возможностью соединения с оконечными областями соседней вставки с формированием кольцевого узла.

[066] В особенно преимущественном варианте выполнения эти профилированные оконечные области выполнены с возможностью соединения с оконечными областями соседней вставки для того, чтобы сформировать соответствующие входные и выходные отверстия для рабочей текучей среды и для проведения операций размещения вставки в пресс-форме, и содержащие каналы из смолы. Более того, профилированные оконечные области могут быть выполнены с уплотнительными элементами, чтобы избежать утечки во время инжекции наполняющего материала.

[067] В предпочтительном варианте выполнения вставки для создания аэродинамических направляющих устройств выполнены по меньшей мере из одной целой детали, однако не исключено, что вставка может быть изготовлена из двух или большего количества частей или, наоборот, из одной вставки можно сделать два или большее количество аэродинамических направляющих устройств в зависимости от конкретных вариантов выполнения.

[068] Преимущество этого аспекта изобретения заключается в том, что он обеспечивает возможность изготовления направляющих устройств со сложной SD-геометрией, так что вставки могут быть легко удалены из рабочего колеса после того, как наполняющий материал отвердел.

[069] В соответствии с другим вариантом выполнения вставку для создания аэродинамического направляющего устройства соединяют вместе с другими вставками для формирования кольцевого узла, воспроизводящего все аэродинамические направляющие устройства готового рабочего колеса, так что аэродинамические характеристики направляющих устройств готового рабочего колеса сохраняются.

[070] Эта кольцевая вставка также может быть выполнена как единое целое (см. ниже).

[071] В предпочтительном варианте выполнения кольцевая вставка имеет предпочтительно и преимущественно первую поверхность, вторую поверхность, большое количество профилированных пазов и осевое отверстие.

[072] Первая поверхность выполнена с возможностью воспроизведения верхней поверхности кольцевого узла всех аэродинамических направляющих устройств готового рабочего колеса, вторая поверхность, по существу, противоположна первой поверхности и выполнена с возможностью воспроизведения нижней поверхности вышеупомянутого кольцевого узла; большое количество профилированных пазов предусмотрено для воспроизведения, по существу, боковых стенок направляющего устройства, и осевое отверстие воспроизводит, по существу, осевое отверстие готового рабочего колеса, в котором размещают ротор турбомашины.

[073] Преимущественно вставка для создания аэродинамического направляющего устройства и кольцевая вставка могут быть выполнены из соответствующего материала, в соответствии с процессом изготовления готового рабочего колеса нужного типа, при этом материал может представлять собой растворимый или разрушающийся материал, переформуемый материал или твердый материал, который может быть извлечен несколькими частями, например, - но не только - металл, керамика, полимеры, дерево или воск. Некоторые конкретные примеры включают водорастворимые керамики (например, Aquapour^(TM) от Advanced Ceramics Manufacturing), материалы с изменением состояния (например, «Быстро Переформуемые Инструментальные Системы» от 2Phase Technologies), полимеры с памятью формы (например, Verified Reusable mandrels от Cornerstone Research Group).

[074] Преимущество вставок для создания аэродинамического направляющего устройства и кольцевой вставки, выполненных в соответствии с изобретением, заключается в том, что они способны сформировать готовое рабочее колесо высокого качества, имеющее инновационные характеристики в области турбомашин.

[075] Еще одно преимущество заключается в том, что они очень универсальны, поскольку можно выполнить много аэродинамических направляющих устройств различных типов, имеющих конкретную геометрию и форму, например рабочее колесо двух- или трехмерного типа, и другие.

[076] Еще одно преимущество в целом заключается в том, что готовое рабочее колесо может быть изготовлено одной инжекцией и не требует последующей сборки и склеивания. Это сокращает время изготовления и улучшает структурную целостность детали. Тем не менее, не исключены и инжекция и отверждение каждого направляющего устройства по отдельности, а затем объединение этих направляющих устройств на последующем этапе со втулкой и корпусом.

[077] В соответствии с пятым аспектом способ изготовления центробежного рабочего колеса для турбомашины включает по меньшей мере этап изготовления кольцевой вставки, содержащей большое количество вставок для создания аэродинамических направляющих устройств, воспроизводящих аэродинамические направляющие устройства готового рабочего колеса, так что аэродинамические характеристики направляющих устройств и готового рабочего колеса сохраняются.

[078] Аэродинамические направляющие устройства являются пустыми пространствами между двумя соседними лопатками, через которые может протекать рабочая текучая среда, когда рабочее колесо работает (см. также описание ранее).

[079] В предпочтительном варианте выполнения изобретения этот способ включает этап изготовления большого количества вставок для создания аэродинамических направляющих устройств, которые выполнены из указанных соответствующих материалов, каждая из которых по меньшей мере воспроизводит аэродинамические направляющие устройства рабочего колеса и которые выполнены с возможностью соединения друг с другом для формирования кольцевой вставки.

[080] В альтернативном варианте выполнения изобретения предусмотрен этап создания кольцевой вставки из цельного куска с помощью специальной пресс-формы.

[081] В другом варианте выполнения изобретения предусмотрен этап создания первого тканого элемента, выполненного с возможностью соединения вокруг каждой из указанной вставки аэродинамической направляющего устройства.

[082] В еще одном варианте выполнения еще один этап предусмотрен для изготовления второго тканевого элемента, выполненного с возможностью присоединения на верхней стенке рабочего колеса и на нижней стенке соседнего направляющего устройства кольцевой вставки.

[083] Более того, другие этапы предусмотрены для создания третьего тканевого элемента, выполненного с возможностью формирования непрерывно большого количества стенок лопатки и стенок между лопатками.

[084] Понятно однако, что может быть предусмотрено много способов создания тканевых элементов и их соединения на вставках рабочего колеса в соответствии с требованиями сборки или применения.

[085] В другом варианте выполнения изобретения еще один этап предусмотрен для соединения по меньшей мере профилированного компонента на наружной поверхности каждой вставки для создания аэродинамического направляющего устройства перед соединением с ним тканевого элемента. Таким образом, можно заключить профилированный компонент между вставкой для создания аэродинамического направляющего устройства и соответствующим тканевым элементом.

[086] В еще одном варианте выполнения изобретения еще один этап предусмотрен для соединения внутреннего центрального элемента под кольцевой вставкой для того, чтобы придать более высокую прочность и жесткость во время работы готового рабочего колеса на высоких скоростях вращения и одновременно облегчить его изготовление, обеспечивая прочную основу для развертывания волокон.

[087] Преимущественно наполняющий материал может быть введен в пресс-форму в результате процесса инфузии, такого как литьевое прессование полимера (RTM), литьевое прессование полимера с помощью вакуума (VARTM), структурное реакционное литьевое формование (SRIM), упрочненное реакционное литьевое формование (RRIM) и др. Следует понимать, что это не исключает использования других способов в зависимости от конкретных потребностей изготовления или эксплуатации.

[088] В другом предпочтительном варианте выполнения еще один этап предусмотрен для удаления кольцевой вставки после окончания процесса инфузии и отверждения наполняющего материала; это может быть достигнуто путем промывки жидкостью или газом, в случае растворимой вставки, нагрева, в случае плавкой вставки, разлома, в случае хрупкой вставки, или проектируя геометрию кольцевой вставки так, что она может быть удалена без изменения, в случае твердой вставки. Во всяком случае, этот этап удаления таков, что кольцевая вставка может быть извлечена или отделена от готового рабочего колеса после окончания процесса инфузии таким образом, что аэродинамические характеристики направляющих устройств готового рабочего колеса сохраняются.

[089] В другом предпочтительном варианте выполнения еще один этап предусмотрен для изготовления всех или части вставок для создания аэродинамической направляющего устройства и кольцевой вставки с использованием аддитивной технологии при изготовлении, чтобы свести к минимуму необходимость обработки вставок. Эти аддитивные способы при изготовлении включают, но не ограничиваются этим, стереолитографию, формование наплавкой, лазерное спекание и плавление электронным пучком. Выбор способа будет зависеть от многих факторов, включая температуру формования и требуемые допуски на размеры рабочего колеса.