Способ изготовления кожуха турбомашины из композитного материала и соответствующий кожух

Способ изготовления кожуха турбомашины из композитного материала и соответствующий кожух

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение касается, в общем, кожуха газовой турбины, в особенности, удерживающего кожуха для вентилятора газовой турбины для авиационного двигателя из композитного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное основой, и его соответствующего способа изготовления.

Кожух вентилятора газотурбинного авиационного двигателя может выполнять несколько функций. Он определяет входной поток воздуха в двигатель, удерживает истираемый материал напротив вершин лопаток вентилятора, удерживает конструкцию, в основном, в виде акустических пластин для уменьшения звуковых волн на входе двигателя и содержит экран для удержания, отбрасываемых на внутреннюю поверхность кожуха, такие как попавшие предметы или обломки поврежденных лопаток.

Обычно кожух вентилятора содержит относительно тонкую стенку, определяющую тракт воздухозаборника. Кожух, в частности, может быть выполнен из металла или композитного материала. Например, в документе FR 2913053 было предложено выполнить кожух вентилятора из композитного материала переменной толщины путем выполнения волокнистого усиления и его уплотнения основой. Волокнистое усиление образовано намоткой накладываемых один на другой слоев на оправку волокнистой структуры, полученной объемным тканьем с изменяемой толщиной для встраивания удерживающего экрана простым локальным увеличением толщины.

Волокнистое усиление содержит волокна, в частности, углеродные, стеклянные, арамидные или керамические. Что касается основы, то она представляет собой обычно полимерную основу, например, эпоксидную, бисмалеидную или полиимидную.

Кожух может быть выполнен в виде единой детали и содержать на уровне своих осевых концов фланцы. Первый фланец, называемый расположенным выше по потоку, позволяет фиксировать рукав воздухозаборника к кожуху, в то время как второй фланец, называемый расположенным ниже по потоку, позволяет соединить кожух вентилятора с промежуточным кожухом с помощью соединительных элементов типа винт-гайка со вставлением кольцевой обечайки, накладываемой на расположенную ниже по потоку сторону расположенного ниже по потоку кольца. В данном случае расположения выше по потоку и ниже по потоку определены направлением течения газов в турбомашине. Промежуточный кожух выполнен из металла, из титана, из металлического сплава на основе титана или также из алюминия, так же как и кольцевая обечайка, и рукав воздухозаборника.

Тем не менее, когда детали, контактирующие, в частности, с кожухом вентилятора, выполнены из алюминия для уменьшения общей массы турбины и когда кожух вентилятора выполнен из углеродных волокон, химическая реакция типа гальванической коррозии между волокнами кожуха вентилятора и алюминием деталей вызывает быстрое и преждевременное разрушение.

Также документ ЕР 2434105 описывает удерживающий кожух турбовентилятора машины из композитного материала, содержащий основной, в общем, цилиндрический корпус и расположенный выше по потоку фланец. На расположенной ниже по потоку стороне расположенного выше по потоку фланца закреплена металлическая пластина посредством защитного слоя от гальванической коррозии и адгезива. Слой гальванической защиты расположен на кожухе из композитного материала после его изготовления.

Далее, документ US 2012/099981 описывает удерживающий кожух вентилятора турбомашины из композитного материала, содержащий основной, в общем, цилиндрический корпус, расположенный выше по потоку фланец и расположенный ниже по потоку фланец. Кожух содержит кольцевую контрпластину, наложенную на расположенную выше по потоку сторону расположенного ниже по потоку фланца, и, по меньшей мере, одну кольцевую обечайку, закрепленную на внутренней стороне кожуха. Обечайка может быть выполнена из металлического материала. В этом случае слой гальванической изоляции, например, из стекловолокон располагают между обечайкой и композитным материалам кожуха перед формированием волокнистой заготовки. Однако может оказаться затруднительным закрепить слой гальванической защиты на волокнистой структуре кожуха и соблюсти размеры.

Наконец, документ US 2012/148392 описывает кожух для удержания вентилятора турбомашины из композитного материала, содержащий основной, в общем, цилиндрический корпус и расположенный выше по потоку фланец. На расположенной ниже по потоку стороне расположенного выше по потоку фланца закреплена металлическая пластина.

Ни один из этих документов не описывает кожух, выполненный из композитного материала и который был бы способен сопротивляться явлениям гальванической коррозии, вызванной креплением кожуха на расположенных выше и ниже по потоку металлических деталях, а именно рукаве воздухозаборника и промежуточном кожухе. Кроме того, способы нанесения известных защитных слоев являются трудноосуществимыми и требуют уточнения регулировок размеров.

Целью изобретения является, таким образом, предложение способа изготовления кожуха вентилятора турбомашины из композитного материала, содержащего волокнистое усиление на основе углерода, который способен не поддаваться явлениям гальванической коррозии, вызванной креплением кожуха на расположенных выше и ниже по потоку металлических деталях турбомашины, которые просты в изготовлении и конечные размеры которых могут быть легко соблюдены.

Для этого в изобретении предлагается способ изготовления кожуха турбомашины из композитного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное основой, включающий следующие последовательные этапы:

- выполняют защитный слой от гальванической коррозии на основе шнура из сухих стекловолокон, ленты из сухих стекловолокон или спирали из сухих стекловолокон для получения полужесткого защитного слоя от гальванической коррозии,

- размещают защитный слой от гальванической коррозии на оправку, профиль которой соответствует профилю изготавливаемого кожуха, содержащую кольцевую радиальную щеку, путем наложения защитного слоя на кольцевую радиальную щеку оправки,

- формируют волокнистое усиление на оправке, покрывая защитный слой, и

- уплотняют волокнистое усиление основой.

Некоторыми предпочтительными, но неограничивающими признаками описанного выше способа являются следующие:

- защитный слой от гальванической коррозии предварительно формуют по размерам оправки и кольцевой радиальной щеки,

- защитный слой от гальванической коррозии усиливают связующим,

- защитный слой от гальванической коррозии удерживают в положении на оправке удерживающими элементами, закрепленными по окружности кольцевой радиальной щеки оправки в процессе формирования волокнистого усиления, и

- удерживающие элементы регулируют по толщине защитного слоя.

Изобретение предлагает также кожух турбомашины из композитного материала, полученный по упомянутому выше способу, содержащий волокнистое усиление, уплотненное основой, содержащий основной, в общем, цилиндрический корпус, имеющий основное направление, проходящее по продольной оси, и, по меньшей мере, один фланец, проходящий радиально относительно продольной оси от свободного конца основного корпуса. Кожух содержит, кроме того, защитный слой от гальванической коррозии, содержащий стекловолокна, расположенный по радиальной поверхности кольцевого фланца и проходящий в продолжение внутренней стенки основного корпуса.

Предпочтительными, но неограничивающими определенными признаками кожуха являются следующие;

- он содержит расположенный выше по потоку фланец и расположенный ниже по потоку фланец, проходящие радиально относительно продольной оси от свободного расположенного выше и ниже по потоку конца соответственно основного корпуса, при этом расположенный выше по потоку фланец и расположенный ниже по потоку фланец содержат, каждый, защитный слой от гальванической коррозии, размещенный на радиальной поверхности упомянутых расположенных выше и ниже по потоку фланцев и проходящий в продолжение внутренней стенки основного корпуса,

- защитный слой от гальванической коррозии включает, кроме того, связующее, и

- защитный слой от гальванической коррозии имеет поперечное сечение L-образной формы и содержит кольцевую радиальную часть, расположенную против радиальной поверхности фланца, и кольцевую осевую часть, расположенную против внутренней стенки основного корпуса.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи:

Фиг. 1 изображает частичный вид в поперечном разрезе примера кожуха вентилятора согласно изобретению,

Фиг. 2а и 2b изображают этапы изготовления кожуха вентилятора по фиг. 1, и

Фиг. 3 представляет органиграмму, иллюстрирующую различные этапы примера воплощения способа изготовления кожуха согласно изобретению.

Газотурбинный двигатель обычно содержит от расположения выше по потоку к расположению ниже по потоку в направлении течения газов вентилятор, одну или несколько ступеней компрессоров, например компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин, например турбину высокого давления и турбину низкого давления, и сопло выхлопных газов.

Турбины соединены с компрессором и с вентилятором соответствующими коаксиальными валами.

Двигатель размещен внутри кожуха, включающего в себя несколько частей, соответствующих различным элементам двигателя. Так, вентилятор окружен, например, кожухом 10 вентилятора, который соединен выше по потоку с рукавом воздухозаборника, а ниже по потоку - с кольцевой обечайкой промежуточного кожуха.

Кожух вентилятора 10 содержит основной, в общем, цилиндрической корпус 12, имеющий основное направление, проходящее по продольной оси Х, по существу, параллельной течению газов. Основной корпус 12 кожуха может иметь изменяемую толщину, как указано в заявке FR 2913053, и может быть снабжен наружными фланцами 14 на уровне его расположенных выше и ниже по потоку концов для обеспечения его монтажа и его связи с другими металлическими деталями, такими как рукав воздухозаборника, промежуточный кожух либо также кольцевая обечайка.

В данном случае кожух вентилятора 10 выполнен из композитного материала с волокнистым усилением, уплотненным основой. Усиление выполнено из волокон и содержит, в частности, волокна углерода, а основа является полимерной, например, эпоксидной, бисмалеидной или полиимидной.

Усиление может быть образовано намоткой на оправку 30 волокнистой структуры 16, выполненной объемным тканьем изменяемой толщины в соответствии с описанием к заявке FR 2913053, где волокнистое усиление выполнено в виде волокнистой предварительно отформованной заготовки кожуха вентилятора 10, образованной в виде единой детали с усилительными частями, соответствующими фланцам 14.

Оправка 30 содержит наружную поверхность, профиль которой соответствует профилю внутренней поверхности изготавливаемого кожуха 10, а также две щеки 32, проходящих радиально от свободных концов, выполненные с возможностью формирования расположенного выше и ниже по потоку фланцев 14 кожуха вентилятора 10. Благодаря намотке на оправку 30 волокнистая структура 16 повторяет, таким образом, профиль оправки 30 так, чтобы ее концевые части образовывали части заготовок, соответствующие фланцам 14 кожуха 10, и опирались на щеки 32.

Для защиты от явлений гальванической коррозии металлических деталей, контактирующих с кожухом вентилятора 10 (рукав воздухозаборника, промежуточный кожух, кольцевая обечайка), которые обычно выполняются из алюминия, располагают, кроме того, защитный слой 20 на части кожуха 10, предназначенной для вхождения в контакт с алюминиевым кожухом, а именно на расположенных выше и ниже по потоку фланцах 14 кожуха 10.

Например, защитный слой 20 может быть расположен на поверхности фланцев 14, предназначенной для вхождения в контакт с металлическими деталями, то есть на радиальной поверхности 14а фланцев 14а, которая проходит в продолжение внутренней стенки 13 кожуха вентилятора 10. Для расположенного выше по потоку фланца 14 речь идет, следовательно, о его расположенной выше по потоку поверхности, тогда как для расположенного ниже по потоку фланца 14 речь идет о его расположенной ниже по потоку поверхности.

Таким образом, защитный слой 20 позволяет исключить контакт между алюминием и волокнистым усилением кожуха вентилятора 10 и, таким образом, явления гальванической коррозии, не прибегая к какой-либо дополнительной модификации кожуха вентилятора 10 или металлических деталей. Таким образом, упрощается соблюдение конечных размеров кожуха вентилятора 10, а также финишных операций, при этом защитный слой 20, образующий припуск, который может быть легко механически обработан без воздействия на расположенные выше и ниже по потоку фланцы 14.

Например, защитный слой 20 может содержать стекловолокна, усиленные, при необходимости, связующим. Связующее выбрано таким образом, чтобы быть совместимым с основой и растворяться в последней при уплотнении волокнистого усиления. Речь может, например, идти о полимерной основе, сравнимой с полиэпоксидами. Вес защитного слоя 20, получаемый таким образом, является умеренным.

Защитный слой 20 может иметь прямое поперечное сечение и образовывать плоскую кольцевую радиальную часть 22 так, чтобы она покрывала (но полностью) радиальную поверхность 14а соответствующего фланца 14. Он позволяет также исключить любой непосредственный контакт с металлическими деталями.

Как вариант, как изображено на фиг. 1, защитный слой может иметь L-образное поперечное сечение и образовывать изогнутое кольцо, включая в себя, кроме того, радиальную кольцевую часть 22, предназначенную для закрывания радиальной поверхности 14а кольцевого фланца 14, осевую кольцевую часть 24, расположенную напротив внутренней стенки 13 кожуха вентилятора 10.

Ниже будет описан пример воплощения 100 кожуха вентилятора 10, включающего в себя защитный слой 20 от гальванической коррозии, в котором защитный слой 20 от гальванической коррозии встроен в волокнистую структуру 16 кожуха вентилятора 10 перед его уплотнением.

Для этого защитный слой 20 наложен 120 на оправку 30, закрывая щеки 32, предназначенные для формирования фланцев 14 кожуха вентилятора 10, всю поверхность корпуса оправки 30.

В соответствии с вариантом воплощения защитный слой 20 предварительно отформован по размерам оправки 30 и щек 32. Он образует, таким образом, кольцо с внутренним диаметром, по существу, равным внешнему диаметру оправки, и радиальный размер которого равен, самое большее, радиальному размеру щек 32. Защитный слой 20 может быть, например, выполнен (этап 110) на основе пряди, ленты или спирали из сухих стекловолокон, при необходимости, усиленных связующим, и является, таким образом, полужестким, что облегчает его размещение на оправке 30 и позволяет просто и быстро придать ему размеры (толщину, диаметр и т.д.), а также качество. Кроме того, выполнение защитного слоя 20 полужестким позволяет удерживать в положении волокнистую структуру 16 при ее последующей намотке на оправку 30, в частности, на уровне первого витка. Этот полужесткий защитный слой 20 далее будет упрочнен в процессе уплотнения основой волокнистой структуры 16 кожуха вентилятора 10.

Как вариант, защитный слой 20 может быть выполнен из стекловолокон, усиленных полимеризованной смолой. Защитный слой 20 является, таким образом, более жестким, чем в первом варианте воплощения, когда он был размещен на оправке 30.

Защитный слой 20 имеет, таким образом, кольцевую форму, соответствующую кольцевой форме щек 32 оправки 30 с плоским или L-образным поперечным сечением.

В случае защитного слоя 20, имеющего прямое поперечное сечение, плоское кольцо накладывается на радиальную поверхность 32а каждой из щек 32 оправки 30 таким образом, что как только кожух вентилятора изготовлен, только поверхность фланца 14, простирающаяся в продолжение внутренней стенки 13 кожуха вентилятора 10, покрыта защитным слоем 20.

В случае защитного слоя 20, имеющего поперечное сечение L-образной формы, изогнутое кольцо накладывается на радиальную поверхность 32а каждой из щек 32, с опорой на корпус оправки 30. Таким образом, как только кожух вентилятора 10 изготовлен, осевой конец внутренней стенки 13 кожуха вентилятора 10 также покрыт защитным слоем 20. Эта форма воплощения позволяет лучше удерживать в положении волокнистую структуру 16, исключить любой непосредственный контакт с соседними металлическими деталями и исключить явления гальванической коррозии, вызванные контактом углеродных волокон с водой, удерживаемой на уровне фланцев 14, благодаря его осевой кольцевой части 24.

Далее изготавливают основной корпус 12 кожуха из композитного материала (этап 140) путем намотки волокнистой структуры 16 на оправку 30 в соответствии с тем, как это было описано, например, в документе FR 2913053.

Для удержания защитного слоя 20 в положении и исключения того, чтобы он скользил в процессе этапа намотки, можно его, в частности, закрепить на корпусе оправки 30 и/или щек 32 удерживающими элементами 34 (этап 130). Можно также использовать, в частности, скобы или зажимы, распределенные по окружности соответствующей щеки 32. Количество удерживающих элементов 34 зависит от диаметра кожуха вентилятора 10 и напряжений, возникающих при использовании предварительно изготовленной формы, и может составлять порядка от 2 до 10.

Эти удерживающие элементы 34 могут, кроме того, быть регулируемыми по толщине защитного слоя 20.

Волокнистая структура 16 наматывается, таким образом, на оправку 30 и щеки 32 поверх защитного слоя 20, исключая перекрытие удерживающих элементов 34 для того, чтобы не создавать зазор между защитным слоем 20 и волокнистой структурой 16. Предварительно изготовленная волокнистая форма покрывает, таким образом, защитный слой 20 за исключением тонкой дорожки на уровне периферии защитного слоя 20, соответствующего контактным зонам с удерживающими элементами 34.

В процессе последнего этапа (этап 150) уплотняют предварительно изготовленную волокнистую форму 16, а также защитный слой 20 путем нагнетания основы в соответствии с описанием документа FR 2913053. Полученный таким образом корпус вентилятора 10 может далее подвергаться финишным этапам, в частности, на уровне фланцев 14, которые включают в себя защитный слой 20 от гальванической коррозии. В частности, упрощена механическая обработка фланцев 14 кожуха вентилятора в той мере, что защитный слой 20, образующий удаляемый припуск, который можно механически снять без ухудшения повреждения структуры волокнистого усиления кожуха вентилятора 10. Конструкция кожуха вентилятора 10 остается, таким образом, неповрежденной.

Конечные размеры кожуха вентилятора 10, кроме того, лучше соблюдаются.

1. Способ изготовления (100) кожуха (10) турбомашины из композитного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное основой, включающий следующие последовательные этапы:

- выполняют (110) защитный слой (20) от гальванической коррозии на основе шнура из стекловолокон, ленты из стекловолокон или спирали из стекловолокон для получения полужесткого защитного слоя от гальванической коррозии,

- размещают (120) защитный слой (20) от гальванической коррозии на оправку (30), профиль которой соответствует профилю изготавливаемого кожуха (10), содержащую кольцевую радиальную щеку (32), путем наложения защитного слоя (20) на кольцевую радиальную щеку (32) оправки (30),

- формируют (140) волокнистое усиление (16) на оправке (30), покрывая защитный слой (20) от гальванической коррозии, и

- уплотняют (150) волокнистое усиление (16) основой.

2. Способ изготовления (100) по п. 1, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии предварительно формуют по размерам оправки (30) и кольцевой радиальной щеки (32).

3. Способ изготовления (100) по п. 1, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии выполняют на основе шнура из сухих стекловолокон, ленты из сухих стекловолокон или спирали из сухих стекловолокон.

4. Способ изготовления (100) по п. 2, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии усиливают связующим.

5. Способ изготовления по одному из пп. 1-4, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии удерживают в положении на оправке (30) удерживающими элементами (34), закрепленными по окружности кольцевой радиальной щеки (32) в процессе формирования волокнистого усиления (140).

6. Способ изготовления (100) по п. 5, в котором удерживающие элементы (34) регулируют по толщине защитного слоя (20).

7. Кожух (10) турбомашины из композитного материала, содержащий волокнистое усиление, уплотненное основой, включающий в себя основной, в общем, цилиндрический корпус (12), имеющий основное направление, проходящее по продольной оси (X), и, по меньшей мере, фланец (14), размещенный радиально относительно продольной оси от свободного конца основного корпуса (12), отличающийся тем, что он содержит защитный слой (20) от гальванической коррозии, содержащий стекловолокна, расположенный по радиальной поверхности (14а) кольцевого фланца (14), причем указанная радиальная поверхность (14а) проходит в продолжение внутренней стенки (13) основного корпуса (12), а также тем, что он получен способом по одному из пп. 1-6.

8. Кожух (10) по п. 7, содержащий расположенный выше по потоку фланец (14) и расположенный ниже по потоку фланец (14), проходящие радиально относительно продольной оси от свободного расположенного выше и ниже по потоку конца соответственно основного корпуса (12), и в котором расположенный выше по потоку фланец (14) и расположенный ниже по потоку фланец (14) содержат, каждый, защитный слой (20) от гальванической коррозии, размещенный на радиальной поверхности (14а) упомянутых расположенных выше и ниже по потоку фланцев (14), причем каждая указанная радиальная поверхность (14а) проходит в продолжение внутренней стенки (13) основного корпуса (12).

9. Кожух (10) по п. 7, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии содержит, кроме того, связующее.

10. Кожух (10) по одному из пп. 7-9, в котором защитный слой (20) от гальванической коррозии имеет поперечное сечение L-образной формы и содержит кольцевую радиальную часть (22), расположенную против радиальной поверхности (14а) фланца (14), и кольцевую аксиальную часть (24), расположенную напротив внутренней стенки (13) основного корпуса (12).