Способ изготовления лопаточных венцов турбомашин и насосов

 

l9GGI2

ОЛИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства М

Кл. 39а, 5/00

Заявлено 05.IV.1965 (№ 1001510/23-5) с присоединением заявки М

Приоритет

Опубликовано 16.ХII.1966. Бюллетень ¹ 1

МПК В 29g

УД К 678.027.94.06 (088,8) Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Дата опубликования описания 31.1.11767

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОЧНЫХ ВЕНЦОВ

ТУРБОМАШИН И НАСОСОВ

Лопатки турбомашин, изготавливают в металлических прессформах из пропитанной смолой и подсушенной ткани или стеклянного шпона при давлении 100 — 1000 кг/сл- . При этом наиболее важной и сложной операцией является правильный раскрой ткани или шпона и сборка. пакета. При неправильной конструкции пакета или смещении одного из слоев при сборке пакета трудно получать изделия необходимой формы без механической доработки. Кроме того, при высоких давлениях возможно разрушение стекловолокнистого наполнителя, что ведет к сии>кению механической прочности. Неравномерное наполнение изделия стекловолокном при прессовании под большим давлением также отрицательно сказывается на прочности лопаток, Немалое значение для получения качественных деталей имеет режим предварительной сушки пропитанных смолой ткани или шпона, так как повышенное содержание летучих веществ может стать причиной появления вздутий, растрескивания и других дефектов в деталях из стеклопластика, Малое содержание летучих веществ является причиной «непроклеев», т. е. мест с недостаточной склейкой отдельных слоев ткани пли шпона.

Обнаружение таких дефектов без разрушения лопатки представляет в некоторых случаях большие трудности. Поэтому прочность отдельных лопаток, изготовленных одинаковым способом, может изменяться в широких пределах. Меньшую механическую прочность имеют лопатки, изготовленные методом пропитки стекловолокнистого наполнителя под давлением. При этом способе смолу с катализатором под низким давлением вводят в закрытую прессформу со стекловолокнистым наполнителем. После пропитки иапо IHителя

10 производят формовку.

Все армированные пластики характеризуются высоким отношением прочности к весу, но самое высокое отношение, в несколько раз большее, чем в случае других типов усиливаю1ь щих наполнптелей, достигается прп изготовлении деталей посредством непрерывной обмотки стекловолокном плп стеклонитью. По прочности такой пластик нс уступает лучшим сортам термообработанной стали, а по весу

20 в четыре раза легче. Прочность на разрыв такого материала достигает 150 — 180 кг/лii - а сопротивление изгибу 140 †1 кг/лл - .

Однако ассортимент изделий, изготавливаемых методом обмотки стеклонптью, как у нас, 25 так и з"- рубежом, ограничивается круглыми и TpубчатыMи формами, примсн11cъ1 lх! 1 в качестве отбтскате.—.ей труб п емкостей различного типа, работающих под давлением.

В тех случаях, когда по условиям эксплуа30 тации высоконагруженные детали испытыва190032 ют преобладающие нагрузки в одном какомлибо направлении, возможно создание анизотропных свойств стеклопластика за счет армирования стеклянными волокнами, расположенными параллельно одно другому в направлении главных растягивающих усилий.

1 римером таких деталей являются лопатки рабочих колес турбомашин, на которые действуют большие растягивающие нагрузки. Поэтому при изготовлении лопаток из стеклопластика, пакеты стекловолокнистого наполнителя собирают из стеклошпона, в котором все волокна уложены в одном направлении. Раскрой шпона ведется таким образом, чтобы направление волокон совпадало с радиальным.

Удельная прочность такого анизотропного материала при растягивающих нагрузках достаточно высока.

Однако в лопатках, изготовленных из стеклянного шпона или ткани опимнными выше способами, наблюдается образование трещин и выкрашивание связующего. При этом стекловолокно обнажается, разрушается и лопатка начинает расслаиваться.

В настоящее время, несмотря на попытки применения стеклоплаотика для -изготовления лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов турбомашин, в авиадвигателестроении создалось мнение, что такие лопатки плохо переносят вибрационные нагрузки, а их поверхность подвержена аэроэррозии.

Причина образования трещин и выкрашивания связующего в лопатках из пластика кроется в том, что в противоположность пропитке хлопчатобумажно-о или шелкового волокна при пропитке стекловолокнистого наполнителя смола в структуру волокна не проникает, а лишь обволакивает поверхность волокон и нитей. К тому же в процессе пропитки и прессования связующее не проникнет на всю глубину стеклянной нити. Поэтому основное требование для получения высокой прочности, заключающееся в равномерном распределении усилий между волокнами при нагружении изделия, не соблюдается. Зтим и объясняется треск при прочностных испытаниях изделий из стеклопластика, который появляется намного раньше разрушающей нагрузки.

Наружный осмотр, проводимый после снятия нагрузки, обычно не выявляет каких-либо повреждений, кроме микротрещин, которые при многократно повторяющейся нагрузке вызывают выкрашивание связующего и последующее разрушение, наступающее при нагрузках, иногда в несколько раз меньших разрушающей нагрузки, приложенной один раз.

Аналогичные явления наблюдаются в обычных железобетонных конструкциях, где связующим является бетон, имеющий малую растяжимость, а наполнителем — стальная арматура, имеющая при той же нагрузке большее удлинение. Различные мероприятия, применявшиеся для того, чтобы избежать появления трещин в бетоне и эффективно использовать материалы высокой прочности, при

65 обычных способах выполнения железобетонных конструкций не давали ощутимого результата. Только создание искусственного оожатия бетона позволило наиболее целесообразно использовать высокспрочные материалы и создать конструкции, безопасные в отношении преждевременного образования трещин. Всего за три десятилетия, прошедшие со времени проведения первых удачных опытов, применение предварительно напряженного железобетона получило широчайшее распространение во всем мире и позволило создать сооружения, немыслимые при применении обычных желе. зобетонных конструкций.

Идея предварительного напряжения (обжатия) элементов, работающих на растяжение, нашла свое применение и в стеклопластиках при изготовлении деталей упомянутым выше способом непрерывной обмотки стекловолокном или стеклонитью, пропитанных смолой. на форме-оправке из гипса, дерева или легкоплавкого металла. После отверждения смолы оправка разрушается или выплавляется, и стекловолокна, растянутое при намотке, обжимает смолу. Прочность такого материала в статических условиях при испытаниях на растяжение и на изгиб не уступает лучшим сортам стали. Однако наиболее ценным свойством этого материала является повышенная вибростойкость и трещинностойкость при переменных нагрузках.

Зги новые качества предварительно напряженного стеклопластика обеспечиваются тем, что с приложением к элементу внешней нагрузки напряжения, вызванные ею, будут суммироваться с предварительным напряжением, причем в связующем могут быть обеспечены только сжимающие напряжения или, в крайнем случае, растягивающие напряжения, не превышающие предельной величины, при которой еще не появляются трещины.

Полученные тем или иным путем предварительно напряженные стеклопластики имеют следующие преимущества перед обычными: гарантированная расчетом безопасность против преждевременного появления трещин; возможность рационального использования высокой прочности стекловолокна и наполнителя, оптимально дополняющих друг друга; повышенная жесткость (меньше прогибы), вследстьие отсутствия волосных трещин и наличия в элементах (изгибаемых) деформаций, полученных при предварительном напряжении, обратных по направлению деформациям от нагрузки; большая долговечность деталей; более высокий предел выносливости, обусловленный незначительными колебаниями напряжений B растянутой арматуре при многократно повторяющейся нагрузке.

Пути применения стеклопластика в турбокомпрессоростроении в настоящее время копируют конструктивные и технологические приемы проектирования и изготовления лопаточных машин из металла. Изготовление лопаток рабочих колес из стеклопластика мето190012 дом прессования не избавляет от индивидуальной подготовки замковых соединений, изготовления сложных дисков и других, т. е. количество деталей при этом не уменьшается.

Для повышения прочности венцов при одновременном снижении их веса предлагается формование лопаток осуществлять путем намотки пропитанной смолой стекл онити на оправку, имеющую форму межлопаточного канала венца.

Описываемый способ позволяет изготавливать целиком крыльчатку рабочего колеса или направляющий аппарат, При этом межлопаточные каналы могут иметь любую, самую сложную форму, даже для закрытых колес. После выплавки металла натянутое при намотке стекловолокно, сокращаясь, передает сжимающие усилия на связующее. При этом материал лопаток бандажа и обечайки получает новое качество в виде повышенной прочности, трещинностойкости и более высокого предела выносливости. Необходимую механическую доработку лучше проводить до выплавки металла из межлопаточных каналов. Особенно это удобно в том случае, когда нет необходимости в бандаже, и колесо нужно проточить до определенного диаметра. После проточки металл выплавляется и связующее в лопатке получает предварительное обжатие.

Особенно удобен такой метод намотки межлопаточных каналов для изготовления на правляющих аппаратов турбомашин. Лппарат может быть изготовлен в виде целой круговой решетки, как на двигателе ЛЛ-5, или в виде половин. Такал конструкция имеет большую жесткость и достаточно техíî Iîãè÷на, так как изготовление предварительно напряженных элементов, из которых собирают моноблочную конструкцию, можно производить на намо1очных станках с высокой производительностью. Оправки для намотки изготовляют в виде отливок или штампуют из различных материалов, позголяющих удалить их из межлопаточных каналов путем выплавления, растворения или другим каким-либо способом.

Удобным для растворения материалом является мочевина, не дающая усадки после отливки в форму.

B зависимости от конструкции лопаточного венца и прочностных требований, пред.ьявляемых к нему, в качестве арматуры при сборке пакета предварительно напряженные элементы могут сочетаться со стеклотканью или стеклянным шпоном, с деталями, изготовленными методом прессования из стеклопластика, а также с металлическими деталями. При этом возможно армировяние по линиям действия главных напряжений, что наилучшим образом обеспечивает восприятие нагрузок.

При применении описываемого метода можно изготавливать осевые, диагональные и центробежные рабочие колеса открытого и закрытого типов, причем для колес закрытого типа способ непрерывной намотки вокруг вы5

1О

65 плавляемых межлопаточных каналов наиболсc предпочтителен из Всох сущестьующих.

Одним из самых серьезных ограничений для применения пластиков в лопатках компрессоров Г ГД является малая устойчивость против истирания. Под действием абразивной пыли, содержащейся во всасываемом воздухе, стеклопластик, по данным зарубежной печати, изнашивается в 10 раз больше, чем нержавеющая сталь, и в 15 раз больше, чем алюминий. Поэтому различные фирмы разрабать1вают предохранительные покрытия лопаток на основе различных материалов. Некоторые из этих покрытий имеют устойчивость против истирания лучшую, чем у алюминиевых сплавов, применяемых для компрессорных лопаток.

При изготовлении лопаточных венцов методом непрерывной обмотки загцитное покрытие наносят перед обмоткой на поверхность ollравки, зятем непосредственно на покрытие производят намотку пропитанной смолой стекл онити.

Особый интерес представляют защитные абразивостойкие покрытия на основе эпоксидных и других смол и различных абразивов. Удачное сочетание хорошей адгезии к целому ряду материалов, высокой прочности и эластичности смолы с твердостью абразивных материалов при соответствующем подборе компонентов обеспечивают, как показывает опыт применения таких компаундов в гидротурбостроении, устойчивость против истирания, превышающую у нержавеюгцей стали. Сцепление покрытия с материалом лопаток при намотке нити на слой компаунда получается очень прочным.

При изготовлении лопаточных венцов мето 0>vI непрерывной намотки cTBHQBHTc5I BQB>ilo>lcным нанесение защитных металлических покрытий на поверхность пластмассовых лопаток. Сначала метялли !еское покрытие НВНос51Т на оправку гальваническим способом (например хромировяние) H;III методом напыливания, затем производят намотку, формованпе и выплавление металла оправки. При этом чистота поверхности покрытия межлопаточного канала зависит только от качества поверхности оправки.

Способ может найти применение при изготовленш1 эксперименя альных венцов турбомашин и В массовом про11зводстве, тяк как процесс намотки может быть целиком механизирован.

Особенно большие выгоды могут быть получены при изготовлении закрытых колес, так как бандаж, намотанный пз стекловолокна, выдерживает гораздо большие окружные скорости, чем изготовленный из стали и алюми ниеьых сплавов. При этом ме>клопаточные каналы могут иметь любую, самую сложную форму.

Изготовление закрытых колес с более высокими значениями окружных скоростей особенно важно для малоразмерных колес, в котоI90012

Предмет изобретения

Составитель Л. М. Дмитриев

Редактор Л. М. Струве Техред T. П. Курилко Корректоры: С. Н. Соколова и Л. Е. Марисич

Заказ 4201/16 Тираж 535 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2 рых радиальный зазор часто составляет 20—

25а/а высоты лопаток. Применение закрытых колес позволит избе>кать резкого падения к. п. д., наблюдаемого при уменьшении размеров турбомашин.

В течение ряда лет было спроектировано, изготовлено и испытано несколько суперкавитирующих полупогруженных винтов для гоночного глиссера с двигателем мощностью

150 л. с. По условиям работы лопасти таких винтов подвержены периодическим ударным нагрузкам при переходе из воздушной среды в водяную. Работоспособными оказались винты, изготовленные фрезерованием из поковок алюминиевых сплавов AK-4 и Д-16, а также винт, изготовленный из стеклопластика описанным выше способом, причем намотку производили стекложгутом шириной 1 ли, пропитанным эпоксидной смолой. Прочность опытных образцов в виде колец диаметром 120 мя и толщиной 5 и,и, намотанных из стекложгута и стеклонити, при испытании на растяжении равнялась соответственно 11000 кг/см2 и

16200 кг/см, - . Поэтому переход к намотке стеклонитью мог бы дать дополнительный резерв по прочности. Винты, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям из различных сталей и алюминиевого сплава АЛ-5, а также винт из стеклопластика, изготовленный методом вакуумной пропитки слоеного пакета из стекломата и стеклошпона с радиальным расположением волокон, разрушались буквально за несколько минут. Причем у литых металлических винтов отламывалась одна из лопастей, а у винта из стеклопластика после трех минут работы на номинальном режиме наблюдалось расслаивание и разрушение связующего лопастей.

Винт, изготовленный методом намотки стекложгута на оправку из гипса и обработанный после гроточки бандажа вручную с помощью наждачной бумаги, за два сезона 1959—

1960 гг. наработал на экспериментальном глиссере около 40 час и разрушился вместе с

10 валолинией при ударе о плававший у поверхности воды деревянный предмет на скорости около 100 ки/час.

Приведенное описание экспериментов с различными винтами, конечно, не может служить экспериментальнои проверкой описываемого способа, однако дает некоторое представление о прочности лопаточных венцов, изготовленных методом непрерывной намотки.

Способ изготовления лопаточных венцов турбомашин и насосов, содержащий операции по формованию лопаток из композиции на

25 основе полиэфирной или эпоксидной смолы со стекловолокнистым армирующим наполнителем с применением оправки из легкоплавкого материала, выплавляемого после окончательного формования лопатки, и последующей

30 сборки из лопаток венца, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности венцов при одновременном снижении их веса, формование лопаток осуществляют путем намотки пропитанной смолой стеклонити на оправку, имею35 щую форму межлопаточного канала венца.