Лопатка турбомашины с четной или нечетной дополняющей геометрией и способ ее изготовления

Лопатка турбомашины с четной или нечетной дополняющей геометрией и способ ее изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к лопаткам турбомашины из композиционного материала, включающего в себя уплотненное матрицей волоконное армирование.

Область техники изобретения - газотурбинные лопатки авиационных двигателей или промышленных турбин.

Уровень техники

Известны предложения изготавливать лопатки турбомашины из композиционного материала. В частности можно сослаться на международную заявку PCT/FR2009/052309, поданную совместно SNECMA и SNECMA Propulsion Solide. В данной заявке описывается изготовление лопатки турбомашины из композиционного материала, включающего в себя уплотненное матрицей волоконное армирование. Точнее, данный способ отличается тем, что изготовленной трехмерным тканьем волокнистой заготовке придают форму таким образом, чтобы получить монолитную волоконную преформу, имеющую первую часть, представляющую собой преформу пера и хвоста лопатки и, по меньшей мере, одну вторую часть, представляющую собой преформу корневой полки или периферийной полки лопатки. Таким образом, после уплотнения преформы имеется возможность получить лопатку, образующую единое целое с интегрированной корневой полкой и/или периферийной полкой, выполненную из композиционного материала с волоконным армированием, состоящим из преформы и уплотненным матрицей.

Лопатка, полученная таким способом, имеет недостаток, заключающийся в том, что ее периферийная полка не может совмещать и функцию уплотнения (посредством имеющихся гребешков) относительно корпуса, окружающего лопатки, и аэродинамическую функцию (посредством имеющихся накладных спойлеров, задающих наружную сторону пути движения газового потока в турбине).

В заявке на патент Франции No. 09 58931, поданной совместно SNECMA и SNECMA Propulsion Solide, описывается изготовление лопатки из композиционного материала, образующей единое целое с интегрированной корневой полкой и периферийной полкой, причем периферийная полка выполняет как функцию уплотнения, так и аэродинамическую функцию.

Однако изготовление такой периферийной полки способом, описанным в заявке на патент Франции No. 09 58931, включает в себя, в частности, операции придания формы и отливки с двухслойными волоконными структурами, то есть операций, которые полностью осуществимы, но которые могут быть более сложными в выполнении, чем в случае с однослойными структурами. Кроме того, изготовленная таким образом лопатка не имеет противонаклонной стенки.

Кроме того, в случае повреждения периферийной полки лопатки, изготовленной способом согласно заявке на патент Франции No. 09 58931, нарушаются сразу и аэродинамическая и уплотнительные функции, так как периферийная полка формуется как единое целое, обеспечивающее выполнение обеих этих функций.

Раскрытие изобретения

Согласно изложенному выше желательно иметь возможность получения лопаток турбомашины из композиционного материала, в частности, но не обязательно - из термоконструкционного композиционного материала, такого как CMC, для компрессоров или турбин турбомашин, лопаток, сравнительно простых в изготовлении и выполняющих требуемые функции, в частности, функции уплотнения, задания канала потока (аэродинамическая функция) и противонаклонную функцию.

С этой целью и в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления лопатки турбомашины из композиционного материала с уплотненным матрицей волоконным армированием, причем данный способ включает в себя следующие этапы: изготовление трехмерным тканьем цельной волокнистой заготовки; придание волокнистой заготовке формы для получения цельной волокнистой преформы лопатки, имеющей первую часть, представляющую собой преформу пера и хвостовика лопатки, вторую часть, представляющую собой преформу корневой полки лопатки, и при этом преформа лопатки лишена преформы противонаклонной стенки, или представляющую собой преформу противонаклонной стенки, и при этом данная преформа лопатки лишена преформы корневой полки лопатки, и третью часть, представляющую собой преформу спойлерной пластины периферийной полки, и при этом преформа лопатки лишена преформы уплотнительной пластины периферийной полки, или вторую часть, представляющую собой преформу противонаклонной стенки, и при этом данная преформа лопатки лишена преформы корневой полки, и третью часть, представляющую собой преформу спойлерной пластины периферийной полки, и при этом преформа лопатки лишена преформы уплотнительной пластины периферийной полки, или же представляющую собой преформу уплотнительной пластины периферийной полки, и при этом преформа лопатки лишена преформы спойлерной пластины периферийной полки; уплотнение преформы матрицей для получения лопатки из композиционного материала с состоящим из уплотненной матрицей преформы волоконным армированием и получение детали, являющейся единым целым с двумя из следующих элементов: корневой полкой, противонаклонной стенкой, спойлерами периферийной полки, или с двумя из следующих элементов: противонаклонной стенкой, спойлерами периферийной полки и гребешками периферийной полки лопатки.

По сравнению со способом, описанным в заявке на патент No. 09 58931, настоящим изобретением рассматривается первая лопатка, выполняющая две из нижеследующих функций: задание канала потока радиально внутрь, задание канала потока радиально наружу, уплотнение и предотвращение наклона, и вторая лопатка, выполняющая две оставшиеся функции, не выполненные первой лопаткой, причем каждая из этих функций выполняется четко определенными участками лопаток, изготовленными с однослойными текстурами. Изготовленные в итоге первая и вторая лопатки имеют дополняющие геометрии, позволяющие путем последовательного чередования этих первой и второй лопаток выполнять все требуемые функции на обеих поверхностях аэродинамических профилей напротив каждой из упомянутых лопаток.

В соответствии с полезной отличительной особенностью способа, в продольном направлении волокнистой заготовки, соответствующем продольному направлению изготавливаемой лопатки, волокнистая заготовка содержит первый комплект нескольких слоев нитей, которые взаимосвязаны в первую часть заготовки, соответствующую преформе пера и хвостовика лопатки, и второй комплект нескольких слоев, взаимосвязанных, по меньшей мере, локальной, во вторую часть заготовки соответствующую преформе полки или противонаклонной стенки, и в третью часть заготовки, соответствующую преформе спойлерной или уплотнительной пластин периферийной полки, причем нити второго комплекта слоев нитей не связаны с нитями второго комплекта слоев нитей, а первый комплект слоев нитей имеет нити из второго комплекта слоев нитей, проходящие сквозь него на одной или каждой второй части заготовки.

Наличие областей разделения позволяет придавать форму волокнистой преформе без обрезания соединительных нитей, так как такое обрезание может снижать механическую прочность волоконного армирования, а значит, и изготавливаемой лопатки.

В соответствии с другой отличительной особенностью способа, волокнистую заготовку ткут со вторым непрерывным комплектом слоев нитей, а придание формы волокнистой заготовке включает в себя удаление путем вырезания участков второго комплекта за пределами второй части волокнистой заготовки и третьей части волокнистой заготовки.

В соответствии с еще одной отличительной особенностью способа, в месте, или, по меньшей мере, в одном из мест, где через первый комплект слоев нитей проходят нити второго комплекта слоев, пересечение слоя нитей первого комплекта и слоя нитей второго комплекта проходит по линии, не ортогональной продольному направлению волокнистой заготовки.

Также можно изготовить лопатку из композиционного материала с корневой полкой и/или периферийной полкой, проходящей в целом не перпендикулярно к продольному направлению лопатки.

В соответствии с еще одной отличительной особенностью способа, в первой части волокнистой заготовки и в направлении, соответствующем направлению вдоль профиля пера переменной толщины изготавливаемой лопатки, количество слоев нитей в продольном направлении в первом комплекте слоев нитей постоянно. Нити первого комплекта слоев, поэтому, могут иметь переменный вес и/или плотность плетения.

Предпочтительно, чтобы лента содержащая последовательность волокнистых заготовок, изготавливалась трехмерным тканьем. Волокнистые заготовки могут вырезаться из нее впоследствии. Заготовки могут ткаться так, чтобы продольное направление изготавливаемой лопатки соответствовало направлению основы или направлению утка.

Данным изобретением также предлагается лопатка турбомашины, выполненная из композиционного материала с получаемым трехмерным тканьем и уплотняемым матрицей волоконным армированием, причем лопатка содержит первую часть, представляющую собой перо и хвостовик, отличающуюся тем, что упомянутая первая часть представляет собой единое целое, по меньшей мере, со следующим: со второй частью, представляющей собой корневую полку, и при этом лопатка лишена противонаклонной стенки, или представляющей собой противонаклонную стенку, и при этом лопатка лишена корневой полки, и с третьей частью, представляющей собой спойлерную пластину периферийной полки, и при этом лопатка лишена уплотнительной пластины периферийной полки, или со второй частью, представляющей собой противонаклонную стенку, и лопатка при этом лишена корневой полки, и с третьей частью, представляющей собой спойлерную пластину периферийной полки, и при этом лопатка лишена уплотнительной пластины периферийной полки, или представляющей собой уплотнительную пластину периферийной полки, и при этом лопатка лишена спойлерной пластины периферийной полки.

Изобретением также предлагается комплект лопаток, содержащий первую и вторую лопатку, предлагаемые настоящим изобретением, причем вторая часть первой лопатки представляет собой корневую полку, и при этом первая лопатка лишена противонаклонной стенки, третья часть первой лопатки представляет собой спойлерную пластину периферийной полки, и при этом первая лопатка лишена уплотнительной пластины периферийной полки, вторая часть второй лопатки представляет собой противонаклонную стенку, и при этом вторая лопатка лишена корневой полки, третья часть второй лопатки представляет собой уплотнительную пластину периферийной полки, и вторая лопатка при этом лишена спойлерной пластины периферийной полки.

По одному из вариантов осуществления изобретения также предлагается комплект лопаток, содержащий первую и вторую лопатку, предлагаемые настоящим изобретением, причем вторая часть первой лопатки представляет собой противонаклонную стенку, и при этом первая лопатка лишена корневой полки, третья часть первой лопатки представляет собой спойлерную пластину периферийной полки, и при этом первая лопатка лишена уплотнительной пластины периферийной полки, вторая часть второй лопатки представляет собой корневую полку, и при этом вторая лопатка лишена противонаклонной стенки, третья часть второй лопатки представляет собой уплотнительную пластину периферийной полки, и вторая лопатка при этом лишена спойлерной пластины периферийной полки.

Лопатка может выполняться из композиционного материала с керамической матрицей.

Согласно одной отличительной особенности лопатки нити участка волоконного армирования, соответствующего второй части лопатки, проходят сквозь участок волоконного армирования, соответствующий первой части лопатки.

Перо лопатки может иметь профиль переменной толщины, вдоль которого участок волоконного армирования, соответствующий первой части лопатки, в продольном направлении лопатки имеет постоянное количество нитей изменяющегося веса и/или плотности плетения или изменяющееся количество слоев нитей.

Изобретение также относится к ротору или диску турбомашины, и к турбомашине, оборудованной множеством комплектов лопаток.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более понятным из нижеследующего указывающего, но не ограничивающего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:

- Фиг.1 изображает вид в перспективе лопатки турбомашины с интегрированной корневой полкой и спойлером периферийной полки;

- Фиг.2 изображает вид в перспективе лопатки турбомашины с интегрированной противонаклонной стенкой и уплотнительной пластиной периферийной полки;

- Фиг.3 очень схематично изображает устройство двух комплектов слоев нити в изготовленной трехмерным тканьем волокнистой заготовке, предназначенной для изготовления волокнистой преформы лопатки, подобной той, которая изображена на Фиг.1;

- Фиг.4 и Фиг.5 показывают последовательные этапы изготовления волокнистой преформы лопатки, подобной изображенной на Фиг.1 из волокнистой заготовки, изображенной на Фиг.3;

- Фиг.6 и Фиг.7 показывают последовательные этапы изготовления волокнистой преформы лопатки, подобной изображенной на Фиг.2 из волокнистой заготовки, изображенной на Фиг.3;

- Фиг.8 изображает вид в разрезе уплощенного профиля пера лопатки, подобной лопаткам, показанным на Фиг.1 или Фиг.2;

- Фиг.9 изображает вид в разрезе комплекта слоев нити основы, позволяющего получить профиль, подобный профилю, изображенному на Фиг.8;

- Фиг.10А и 10В изображают виды в разрезе по основе, иллюстрирующие один способ тканья волокнистой заготовки по Фиг.3;

- Фиг.11А изображает частичный вид в разрезе в плоскости, параллельной направлениям основы и утка на участке волокнистой заготовки Фиг.3, соответствующем месту соединения пера с корневой полкой или противонаклонной стенкой лопатки;

- Фиг.11В изображает частичный вид в разрезе по утку на участке волокнистой заготовки Фиг.3, соответствующем месту соединения пера с корневой полкой или противонаклонной стенкой лопатки;

- Фиг.12А изображает частичный вид в разрезе в плоскости, параллельной направлениям основы и утка на участке волокнистой заготовки Фиг.3, соответствующем месту соединения пера с уплотнительной пластиной или спойлерной пластиной периферийной полки лопатки;

- Фиг. 12В изображает частичный вид в разрезе по утку на участке волокнистой заготовки Фиг. 3, соответствующем месту соединения пера с уплотнительной пластиной или спойлерной пластиной периферийной полки лопатки;

- Фиг. 13А изображает вид в разрезе по утку, иллюстрирующий пример расположения нитей утка на участке волокнистой заготовки, соответствующем участку хвостовика лопатки;

- Фиг. 13 В - Фиг. 13D изображают виды в разрезе по утку, иллюстрирующие плоскости основы для примера трехмерного (многослойного) тканья на участке волокнистой заготовки, показанном на Фиг. 13А.

- Фиг. 14 изображает частичный схематический вид в разрезе, иллюстрирующий другое осуществление участка заготовки, соответствующего хвостовику лопатки;

- Фиг. 15 и 16 очень схематично иллюстрируют два варианта осуществления тканой волокнистой ленты, получаемой трехмерным тканьем и включающей в себя некоторое число волокнистых заготовок, подобных показанной на Фиг. 3;

- Фиг. 17 показывает последовательные этапы осуществления способа изготовления лопатки турбомашины по изобретению;

- Фиг. 18 показывает последовательные этапы другого осуществления способа изготовления лопатки турбомашины по изобретению; и

- Фиг. 19 изображает установленное на роторе турбомашины некоторое число лопаток, подобных показанным на Фиг. 1 и Фиг. 2.

Осуществление изобретения

Изобретение применимо к различным типам лопаток турбомашин с интегрированными корневыми полками и/или периферийными полками, в частности к лопаткам компрессоров и турбин различных газотурбинных корпусов, например к роторным лопаткам турбины низкого давления (BP), подобным тем, которые показаны на Фиг. 1 и 2.

На Фиг. 1 показана первая лопатка 100, содержащая известным образом перо 120 и хвостовик 130, имеющий утолщение, например, грушевидного сечения, и переходящий в ножку 132. В своем продольном направлении перо 120 заключено между своим хвостовиком 130 и своей вершиной 121, а его поперечное сечение имеет вогнутый профиль переменной толщины, задающий две поверхности 122 и 123, соответствующие верхней и нижней стороне аэродинамического профиля пера 120, каждая из которых соединяет его входную кромку 120а с его выходной кромкой 120b.

Лопатка 100 монтируется на ротор (не показан) турбины, путем вставления хвостовика 130 в имеющее согласующуюся форму гнездо на окружности ротора.

В соответствии с одним осуществлением изобретения перо 120 также включает в себя корневую полку 140 лопатки и спойлерную пластину 160 периферийной полки лопатки.

Точнее, на своем радиально внутреннем конце перо 120 соединяется с корневой полкой 140, наружная (или верхняя) поверхность 142 которой задает, радиально внутри, канал для прохода газового потока f. На своих крайних участках выше и ниже по потоку (в направлении f газового потока) корневая полка 140 заканчивается накладными спойлерами 144 и 146. Кроме того, между своими крайними участками выше и ниже по потоку, корневая полка 140 имеет впадину 147 на своем краю, расположенном на стороне поверхности 123 пера 120, причем профиль впадины 147 задан таким образом, чтобы согласоваться с профилем поверхности 222 (верхняя поверхность) описываемой ниже лопатки 200, совместно с которой лопатка 100 предназначена работать. На своем противоположном краю, находящемся на стороне 122 пера 120, корневая полка 140 имеет выступ 148, профиль которого согласуется с профилем поверхности 223 (нижняя поверхность) описываемой ниже лопатки 200, совместно с которой лопатка 100 предназначена работать.

В иллюстрируемом примере поверхность 142 корневой полки существенно перпендикулярна продольному направлению лопатки. В зависимости от требуемого профиля внутренней поверхности канала прохода газового потока, поверхность 142 корневой полки может быть также наклонена, составляя в целом ненулевой угол относительно нормали к продольному направлению лопатки, или же поверхность 142 может иметь в целом непрямоугольный профиль, например вогнутый.

Перо 120 на своем радиально наружном конце соединяется со спойлерной пластиной 160 периферийной полки, на своей внутренней (нижней) поверхности, радиально снаружи задающей канал прохода газового потока f. На своих крайних участках выше и ниже по потоку спойлерная пластина 160 периферийной полки лопатки заканчивается накладными спойлерами 162 и 163.

Кроме того, между своими крайними участками выше и ниже по потоку, спойлерная пластина 160 периферийной полки имеет впадину 164 на своем краю, расположенном на стороне поверхности 123 пера 120, причем профиль впадины 164 задан таким образом, чтобы согласоваться с профилем поверхности 222 (верхняя поверхность), описываемой ниже лопатки 200, совместно с которой лопатка 100 предназначена работать. На своем противоположном краю, находящемся на стороне 122 пера 120, спойлерная пластина 160 периферийной полки имеет выступ 165, профиль которой согласуется с профилем поверхности 223 (нижняя поверхность) описываемой ниже лопатки 200, совместно с которой лопатка 100 предназначена работать.

В иллюстрируемом примере поверхность 161 спойлерной пластины 160 периферийной полки проходит существенно перпендикулярно продольному направлению лопатки. Как вариант, в зависимости от требуемого профиля наружной поверхности канала прохода газового потока, поверхность 161 может быть наклонена, образуя в целом ненулевой угол относительно нормали к продольному направлению лопатки, или же поверхность 161 может иметь в целом непрямоугольный профиль, например вогнутый.

Кроме того, на своем радиально внутреннем конце перо 120 лишено противонаклонной стенки, а на радиально наружном конце - лишено гребешков периферийной полки.

На Фиг. 2 показана вторая лопатка 200, предназначенная для совместной работы с лопаткой 100 и содержащая перо 220 и хвостовик 230, имеющий утолщение, например, с грушевидным поперечным сечением, и переходящий в ножку 232. В своем продольном направлении перо 220 заключено между своим хвостовиком 230 и своей вершиной 221, а его поперечное сечение имеет вогнутый профиль переменной толщины, задающий две поверхности 222 и 223, соответствующие верхней и нижней стороне аэродинамического профиля пера 220, каждая из которых соединяет его входную кромку 220а с его выходной кромкой 220b. Лопатка 200 монтируется на ротор (не показан) турбины, путем вставления хвостовика 230 в имеющее согласующуюся форму гнездо на окружности ротора.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, на своем радиально внутреннем конце перо 220 соединяется с противонаклонной стенкой 250, имеющей на своих крайних выше и ниже по потоку участках крылья 251 и 252, выполненные с возможностью предотвращения наклона лопатки, установленной на ротор турбины.

Между своими крайними выше и ниже по потоку участками противонаклонная стенка 250 имеет впадину 253 на краю, расположенном на стороне поверхности 223 пера 220, причем профиль впадины согласуется с профилем поверхности 122 (верхняя поверхность) описанной выше лопатки 100, с которой лопатка 200 предназначена работать совместно. На своем противоположном краю, находящемся на стороне 222 пера 220, противонаклонная стенка 250 имеет выступ 254, по форме согласующийся с поверхностью 123 (нижняя поверхность) описанной выше лопатки 100, с которой лопатка 200 предназначена работать совместно.

Кроме того, на своем радиально наружном конце перо 220 соединяется с уплотнительной пластиной 270 периферийной полки лопатки. Своей наружной (верхней) поверхностью 272 уплотнительная пластина 270 периферийной полки лопатки задает углубление или ванну 273. Вдоль крайних выше и ниже по потоку участков ванны 273 пластина 270 несет на себе гребешки 274 и 275, имеющие зубчатый профиль, зубцы которого могут проникать в слой истираемого материала кольца турбины (не показано) для уменьшения зазора между вершиной лопатки и кольцом турбины.

Центральные участки противонаклонной стенки 250 и уплотнительной пластины 270 периферийной полки проходят существенно перпендикулярно продольному направлению лопатки. Как вариант, в зависимости от требуемого профиля наружной поверхности канала прохода газового потока, центральные участки этих элементов могут быть наклонены, образуя в целом ненулевой угол относительно нормали к продольному направлению лопатки, или же могут иметь в целом непрямоугольный профиль, например вогнутый.

Более того, перо 220 лишено корневой полки на своем радиально внутреннем торце и спойлерной пластины периферийной полки на своем радиально наружном конце, так как эти два элемента собираются на лопатке 200 в ходе ее сборки на лопатках 100, как это будет описано ниже.

Таким образом, лопатка 100, имеющая корневую полку 140 и спойлерную пластину 160 периферийной полки, задает канал, а лопатка 200, имеющая противонаклонную стенку 250 и уплотнительную пластину 270 периферийной полки, выполняет противонаклонную функцию и уплотнительную функцию.

На Фиг. 3 очень схематично показана волокнистая заготовка 300, на основе которой волокнистой преформе лопатки после уплотнения матрицей и возможной механической обработки можно придать форму с получением лопатки, выполненной из композиционного материала и содержащей интегрированную корневую полку и спойлерную пластину периферийной полки, аналогичной лопатке, показанной на Фиг. 1.

Заготовка 300 состоит из двух частей, полученных трехмерным тканьем или многослойным тканьем, и на Фиг. 3 показаны только огибающие этих двух частей. Из части 302, после придания ей формы, получают часть волокнистой преформы лопатки, соответствующую преформе пера и хвостовика лопатки, причем эта часть имеет поверхность 302а, которая станет нижней поверхностью пера, и поверхность 302b, которая станет верхней поверхностью пера. Из части, после придания ей формы, получают части волокнистой преформы лопатки, соответствующие преформам корневой полки и спойлерной пластины периферийной полки.

Две части имеют форму лент, в целом проходящих в направлении X, соответствующем продольному направлению изготавливаемой лопатки. Волокнистая лента на участке, из которого будет получена преформа лопатки, имеет переменную толщину, задаваемую в соответствии с толщиной профиля пера изготавливаемой лопатки. На участке, из которого будет получена преформа хвостовика, волокнистая лента имеет утолщение 303, задаваемое исходя из толщины хвостовика изготавливаемой лопатки.

Волокнистая лента имеет ширину I, выбираемую исходя из длины развернутого (уплощенного) профиля изготавливаемых пера и хвостовика, а волокнистая лента 304 имеет толщину L, превышающую I и выбираемую исходя из развернутых длин изготавливаемых корневой полки и спойлерной пластины периферийной полки (или изготавливаемых противонаклонной стенки и уплотнительной пластины периферийной полки лопатки).

Волокнистая лента 304 имеет существенно постоянную толщину, определяемую исходя из толщины изготавливаемых корневой полки и спойлерной пластины периферийной полки (или изготавливаемых противонаклонной стенки и уплотнительной пластины периферийной полки лопатки). Лента 304 имеет первый участок 304а, проходящий вдоль и вблизи первой поверхности 302а (нижняя поверхность) на ленте, второй участок 304b, проходящий вдоль и вблизи второй поверхности 302b (верхняя поверхность) на ленте, и третий участок 305а, проходящий вдоль и вблизи первой поверхности 302а ленты.

Участки 304а и 304b соединяются участком 340с, проходящим поперечно ленте в месте, где будет находиться корневая полка изготавливаемой лопатки. Соединительный участок 340с проходит сквозь ленту существенно перпендикулярно продольному направлению волокнистой заготовки. Участки 304b и 305а связываются соединительным участком 350с, проходящим поперек ленты, повторяя волнообразный профиль в месте, где будет получена спойлерная пластина периферийной полки. В зависимости от требуемой геометрии спойлерной пластины периферийной полки, соединительный участок 340с и/или соединительный участок 350с могут проходить сквозь ленту, образуя ненулевой угол относительно нормали к продольному направлению X заготовки. Кроме того, профиль соединительного участка 340с и/или соединительного участка 350с может быть криволинейным, а не прямолинейным как в иллюстрируемом примере.

Как будет подобно описано ниже, ленты ткут одновременно трехмерным тканьем без какой-либо связки между лентой и участками 304а, 304b и 305а ленты 304с непрерывным тканьем некоторого числа последовательных заготовок 300 в направлении X.

На Фиг. 4-6 очень схематично показан процесс получения из волокнистой заготовки 300 волокнистой преформы, имеющей форму, близкую к той, которую будет иметь изготовленная лопатка.

Волоконную ленту обрезают с одного конца через утолщение 303, а с другого торца - немного за соединительным участком 350с для получения ленты 320, имеющей продольный размер как у изготавливаемой лопатки, причем раздутый участок 330, представленный участком утолщения 303, располагается на месте, в котором будет находиться хвостовик изготавливаемой лопатки. Лента 320 имеет поверхность 320а, которая станет поверхностью нижней стороны пера, и поверхность 320b, которая станет поверхностью верхней стороны пера.

Кроме этого, на концах участков 304а, 305а ленты и на участке 304b этой же ленты выполняют вырезы, с тем, чтобы сегменты 340а и 340b оставались на какой-либо стороне соединительного участка 340 с, а сегменты 350а и 350b - на какой-либо стороне соединительного участка 350 с, как изображено на Фиг. 4. Длины сегментов 340а, 340b и 350а, 350b определяются исходя из длин корневой полки и спойлерной пластины периферийной полки изготавливаемой лопатки.

Благодаря отсутствию связки между лентой волокнистой заготовки, с одной стороны, и участками 304а, 304b и 305а, с другой стороны, сегменты 340а, 340b, 350а и 350b могут быть отогнуты перпендикулярно ленте без обрезки нитей, чтобы образовать пластины, как показано на Фиг. 5.

Затем получают волокнистую преформу 400 изготавливаемой лопатки путем отливки с деформацией ленты для воспроизведения вогнутого профиля пера лопатки и деформацией пластин для воспроизведения форм, аналогичных формам корневой полки и спойлерной пластины периферийной полки, как показано на Фиг. 6. Таким образом получают преформу, имеющую участок 420 преформы пера, участок 430 преформы хвостовика (с преформой ножки) и участки преформ 440 и 460 корневой и периферийной полок соответственно.

На Фиг. 7 очень схематично показана волокнистая преформа 500, позволяющая после уплотнения матрицей и возможной механической обработки получить лопатку из композиционного материала, аналогичную лопатке 200, показанной на Фиг. 2, и имеющую интегрированную противонаклонную стенку и уплотнительную пластину периферийной полки. Преформу 500 получают трехмерным тканьем или многослойным тканьем из трех частей с разрезанием этих частей на сегменты, как было описано выше со ссылкой на Фиг. 3-5, и отливкой с деформацией ленты для воспроизведения вогнутого профиля пера лопатки и деформацией нижней и верхней пластин для воспроизведения форм, аналогичных формам противонаклонной стенки и уплотнительной пластины периферийной полки, как показано на Фиг. 7. Таким образом получают преформу 500 с участком 520 преформы пера, участком преформы хвостовика (с преформой ножки) и участками преформ 550 и 570 противонаклонной стенки и уплотнительной пластины периферийной полки соответственно.

Как описывается ниже, этапы изготовления преформы лопатки из волокнистой заготовки предпочтительно выполняют после обработки волокон заготовки и пропитки их связующим составом.

Теперь более подробно опишем способ трехмерного тканья волокнистой заготовки 300.

Считается, что плетение выполняется так, что в продольном направлении X заготовки идут нити основы, но указывается что также возможно выполнение тканья, когда в этом направлении идут нити утка.

Изменение толщины ленты по ее ширине достигается использованием нитей основы различного веса. В качестве варианта или дополнительно можно изменять плотность плетения по нитям основы (количество нитей основы на единицу длины в направлении утка), так что меньшая плотность допускает большее разбавление в процессе придания формы преформе путем отливки.

Таким образом, чтобы получить профиль пера лопатки, подобный профилю, изображенному в уплощенной проекции на Фиг. 8, можно использовать 3 слоя нитей основы, имеющих различный вес и плотность плетения.

В одном примере осуществления могут использоваться карбидокремниевые (SiC) нити, поставляемые под названием «Nicalon» японской компанией Nippon Carbon и имеющие вес (число элементарных волокон в нити) 0,5К (500 элементарных волокон).

Основа выполняется из SiC нитей весом 0,5К или нитей весом 1,OK, получаемых из двух нитей 0,5К, которые совмещаются покрытием. Оптимально выполнять покрытие временной нитью, которую можно удалить после завершения плетения, например, нитью из поливинилового спирта (PVA), который удаляется растворением его в воде.

В Таблице 1 ниже, для каждой колонки нитей основы приведена плотность плетения (количество нитей на сантиметр длины профиля), количество нитей 0,5К, количество нитей 1К и толщина профиля в миллиметрах, которая в данном случае изменятся примерно в пределах от 2 мм до 2,5 мм:

Фактически, в зависимости от весов имеющихся нитей, для получения необходимого профиля можно назначить различные комбинации количеств слоев нитей и вариаций плотности плетения и веса.

Фиг. 10А и 10В изображают в разрезе по основе две последовательные плоскости ткани, которые могут использоваться для тканья волокнистой заготовки 300 за пределами утолщения 303.

Лента волокнистой заготовки 300 включает в себя комплект слоев нитей основы, количество слоев в данном случае равно, для примера, 3 (слои С₁₁, C₁₂, С₁₃). Нити основы находятся с нитями утка t₁ в трехмерном тканье.

Лента 304 также включает в себя набор слоев нитей основы, и количество слоев в данном случае также равно, для примера, 3 (слои С₂₁, С₂₂, С₂₃), и нити основы также находятся с нитями утка t₂ в трехмерном тканье, как и в ленте.

Отметим, что нити утка U не заходят в слои нитей основы ленты 304 и что нити утка t₂ не заходят в слои нитей основы ленты с тем, чтобы предотвратить возникновения связки между ними.

В иллюстрируемом примере тканье является многослойным плетением атласного или мульти-атласного типа. Могут использоваться и другие типы трехмерного тканья, например многослойное тканье со множественным плоским переплетением или тканье с переплетением «интерлочного» типа. Под «интерлочным переплетением» здесь подразумевается переплетение, в котором каждый слой нитей основы связывает несколько слоев нитей утка, причем все нити одной колонки основы имеют одинаковый путь в плоскости плетения.

Различные способы трехмерного тканья описаны, в частности, в документе WO 2006/136755.

Фиг. 11А представляет собой вид в разрезе параллельно направлением основы и утка в месте пересечения ленты соединительным участком 340с ленты 304 волокнистой заготовки, изображенной на Фиг. 3, причем нити основы этого соединительного участка показаны в разрезе. Каждый слой нитей основы в этом соединительном участке 340с проходит в направлении, перпендикулярном направлению утка ленты. Прохождение ленты 304с одной стороны ленты до другой ее стороны осуществляется в процессе тканья тем, что каждая нить основы ленты 304 проходит через все нити основы и утка ленты индивидуально.

Фиг. 11 В представляет собой вид в разрезе по утку места пересечения ленты соединительным участком 340с ленты 304 волокнистой заготовки, изображенной на Фиг. 3. В иллюстрируемом примере, как уже указывалось, соединительный участок 340 с проходит перпендикулярно направлению основы ленты. Однако можно иметь соединительный участок 350с, который проходит, образуя ненулевой угол относительно нормали направления основы, в зависимости от требуемой ориентации спойлерной пластины периферийной полки лопатки (или уплотнительной пластины периферийной полки лопатки).

Фиг. 12А представляет собой вид в разрезе параллельно направлениям основы и утка в месте пересечения ленты соединительным участком 350с ленты 304 волокнистой заготовки, изображенной на Фиг. 3, причем нити основы этого соединительного участки показаны в разрезе. В этом соединительном участке 350с каждый слой нитей основы проходит в направлении, перпендикулярном направлению утка ленты, повторяя волнообразный профиль.

Фиг. 12В представляет собой вид в разрезе по утку места пересечения ленты соединительным участком 350с ленты 304. В иллюстрируемом примере, как указывалось ранее, соединительный участок 350с располагается перпендикулярно направлению основы ленты, повторяя волнообразный профиль. Однако, как и для соединительного участка 340с, можно, чтобы соединительный участок 350с проходил прямоугольно, образуя ненулевой угол относительно нормали к направлению основы, в зависимости от требуемой ориентации спойлерной пластины периферийной полки (или уплотнительной пластины периферийной полки) лопатки.

Утолщение 303 можно получить, используя большие по весу нити основы, и дополнительные слои нитей утка, как показано в примере на Фиг. 13А.

Согласно Фиг. 13А количество слоев нитей утка в данном примере изменяется от 4 до 7 от участка 302₁ ленты, соответствующего ножке лопатки, до участка 302₃ ленты, имеющего утолщение 303.

Кроме того, используются нити утка t₁, t′₁, t″₁, имеющие разные веса, например, нити t₁ являются карбидокремниевыми нитями "Nicalon" с весом 0,5К (500 элементарных волокон), нити t′₁ являются комбинацией двух нитей 0,5К, а нити t"i являются комбинацией трех нитей 0,5К.

Тканье участка 302₃ заготовки требует большего количества нитей основы, чем участок 302₁.Оптимально это выполняется в процессе перехода между 302₁ и участком 302₃ уменьшением количества плоскостей основы тем, что каждая плоскость основы на участке 302₃ образуется нитями основы из двух плоскостей основы участка 302₁. На Фиг. 13В и Фиг. 13С изображены две соседние плоскости основы на уча