Способ изготовления лопасти из композиционного материала



Способ изготовления лопасти из композиционного материала
Способ изготовления лопасти из композиционного материала
Способ изготовления лопасти из композиционного материала
Способ изготовления лопасти из композиционного материала
Способ изготовления лопасти из композиционного материала

 


Владельцы патента RU 2616465:

Каюмов Сергей Владиславович (RU)
Губарев Борис Анатольевич (RU)

Изобретение относится к области авиационной техники, а именно к технологии изготовления лопасти из слоистых композиционных материалов. Лопасть изготавливается методом выкладки из раскроенных листов препрега пакетов открытого контура оболочки с применением лазерного проецирования положения листов в пакете, фиксации их по реперным маякам и точечной сметки листов в пакете. Затем осуществляют размещение пакета оболочки и обшивки в пресс-форму и при нагреве пакета осуществляют его полимеризацию. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению, заключается в обеспечении жесткости размерной цепочки в положении листов препрега в пакете и снижении трудоемкости выкладки, а также обеспечивает стабильность погонно-массовых характеристик лопасти в серийном производстве. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области авиационной техники, а именно к изготовлению из слоистых композиционных материалов лопастей винтов винтокрылых летательных аппаратов.

Объем изысканий затрагивает способы изготовления лопастей с цельноформованной обшивкой и без контурных силовых элементов (лонжеронов) в поперечном сечении лопасти.

В патенте US №4935277 от 19.06.1990 способ изготовления такой лопасти предусматривает изготовление конструкционного сердечника путем предварительного формирования лонжеронов открытого типа - C-образного в носовой части хорды лопасти и Z-образного - в средней ее части с последующим их соединением полимеризирующейся синтетической смолой и заполнением пустот синтетическим пористым материалом. Затем ведут укладку на конструкционный сердечник внешней обшивки, выполненной из внешней жесткой оболочки и эластичного внутреннего материала, и последующий этап термокомпрессионного формования упомянутой конструкции в пресс-форме. Этот способ изготовления лопасти требует разнотипных специализированных оснасток для изготовления конструкционного сердечника и его сборки, что повышает трудоемкость изготовления лопасти, а конструкция внешней обшивки из-за наличия внутреннего эластичного материала не подлежит ремонту в эксплуатации.

В патенте US №4335182 от 15.06.1982 в качестве сердечника использован твердый поливинилхлоридный пенопласт, деформируемый при нагревании. Способ изготовления лопасти заключается в предварительном механическом уплотнении заготовки сердечника под давлением, эквивалентным давлению формования лопасти, и последующей обработке заготовки сердечника механическим методом для придания сердечнику необходимой формы.

Затем на поверхность открытых половин пресс-формы методом наслаивания укладываются листы, формирующие внешний контур лопасти. И на одну из половин пресс-формы, с уложенными листами внешнего контура, укладывается подготовленный пенопластовый сердечник. Пресс-форма закрывается и нагревается до температуры полимеризации слоев внешнего контура, приблизительно 110°C. Эта температура активизирует тенденцию предварительно уплотненного сердечника к его эластичному расширению внутри пресс-формы, оказывая давление на внутренние слои листов внешнего контура, обеспечивая этим глубокое сцепление слоев покрытия с сердечником.

Известен способ изготовления лопасти из композиционных материалов по патенту ЕР №2256034 от 14.12.2011.

Способ изготовления лопасти по упомянутому патенту выполняется методом выкладки сухих пакетов из слоев армированной ткани с последующей сметкой их, которые предназначены для формирования внешней поверхности лопасти. Пакеты на нижнюю и верхнюю стороны поверхности профиля лопасти выкладываются раздельно. Механическим способом изготавливается пенопластовый сердечник необходимой конфигурации, поверхность которого соответствует выкладке упомянутых пакетов. Один из сметанных сухих пакетов укладывается в соответствующую для него поверхность одной из половин пресс-формы. Затем на этот пакет выкладывается пенопластовый сердечник, предварительно оснащенный защитными накладками в носовой и хвостовой его частях. На открытую часть поверхности пенопластового сердечника укладывается второй сметанный сухой пакет и одновременно устанавливается предварительно изготовленная противоэрозийная оковка и размещенный в ней центровочный груз. Пресс-форма закрывается, в нее вводится под давлением связующее и производится последующий этап полимеризации изделия.

Одним из проблемных аспектов этого способа изготовления лопасти является обеспечение контроля количественного содержания связующего в волокнах ткани в поперечных сечениях профиля лопасти по ее размаху из-за концентрации инъекционных каналов подачи связующего только в носовой части профиля, что может привести к местному непроклею композиционных материалов, а учитывая сложную динамику поведения лопасти - расслоению композиционных пакетов и возможному разрушению лопасти.

Известно техническое решение способа изготовления лопасти из композиционных материалов по патенту RU №2541574 от 25.12.2013, по которому сборку многослойных пакетов открытого контура из листов композиционного материала производят на оправке, повторяющей в поперечном сечении поверхность пенопластового сердечника лопасти. Пакетов два, один пакет открытого контура оболочки и второй - пакет открытого контура обшивки. Между слоями незамкнутых ветвей пакета открытого контура оболочки, который укладывается первым на оправку, в зоне комлевой части лопасти, для ее усиления, укладывают заранее изготовленные вкладыши и подвергают предварительной опрессовки, не снимая с оправки. Затем на носовую часть этого пакета прикатывают клеевой слой и устанавливают заранее изготовленные секции центровочного груза. Поверх собранного на оправке пакета оболочки укладывают листы пакета обшивки. Затем конструкцию из двух пакетов открытого контура после этапа предварительной совместной опрессовки снимают с оправки и в образовавшуюся полость укладывают пенопластовый сердечник. Собранную конструкцию укладывают в пресс-форму, устанавливая одновременно противоэрозийную оковку и элемент, усиливающий заднюю кромку лопасти. Пресс-форму закрывают и процесс полимеризации ведут ступенчатым поднятием температуры нагрева пресс-формы с шаговым интервалом выдержки.

По совокупности отличительных признаков техническое решение по патенту RU №2541574 наиболее близко к предлагаемому изобретению и поэтому принято за прототип.

Недостатком известного технического решения является относительно повышенная трудоемкость, как показала практика, выкладки пакета открытого контура оболочки на оправке с обеспечением необходимой точности установки между ветвями листов пакета вкладышей. Из-за сложности контроля их установки возможно относительное смещение вкладышей по хорде один относительно другого в процессе предварительной опрессовки и как следствие нарушение местной прочности, что недопустимо для комлевого участка лопасти.

Кроме того, из-за сложности обеспечить жесткую цепочку размеров при укладке листов в пакеты открытого контура на оправке, это касается и пакета обшивки, не гарантируется стабильность необходимой местной жесткости пера лопасти и его центровки.

Технической задачей заявляемого способа является снижение трудоемкости изготовления лопасти и получения стабильных характеристик в серийном производстве.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем изготовление пенопластового сердечника, раскрой листов для формирования многослойных пакетов открытого контура оболочки и обшивки, изготовления армирующих вкладышей, элемента, усиливающего заднюю кромку лопасти, противоэрозийной оковки и центровочных грузов, сборку упомянутых многослойных пакетов с армированными вкладышами и центровочными грузами на оправке с последующей предварительной их опрессовкой, установку в собранные пакеты открытого контура пенопластового сердечника и укладку этой конструкции совместно с противоэрозийной оковкой и элементом, усиливающим заднюю кромку лопасти, в пресс-форму, последующий процесс полимеризации со ступенчатым поднятием температуры пресс-формы с шаговым интервалом выдержки, сборку каждого многослойного пакета открытого контура производят вне оправки, причем выкладку листов ведут с применением реперных маяков и одновременно при этом производят сметку листов посредством точечного нанесения термопластичных связующих, на оправке устанавливают реперные маяки, идентичные вышеупомянутым, и по ним на оправке производят укладку пакетов открытого контура оболочки и обшивки, в открытой пресс-форме в одной из ее половин собранную для полимеризации конструкцию лопасти фиксируют по элементу, усиливающему заднюю кромку лопасти, для чего в упомянутой половине пресс-формы устанавливают соответствующий упор, а процесс закрытия пресс-формы производят смыканием половин пресс-формы за счет движения по типу дверного полотна свободной от конструкции лопасти половины пресс-формы, которую предварительно устанавливают в петлеобразную конструкцию, размещенную на пресс-форме в зоне задней кромки лопасти, при этом одновременно производят нагрев пресс-формы до получения требуемого обжатия профиля лопасти, кроме того, выкладка листов многослойных пакетов ведется с использованием метода лазерного проецирования, а в качестве реперных маяков применяют штифты, которые на оправке размещают по носику профиля лопасти, а режим повышения температуры нагрева пресс-формы в процессе смыкания ее половин контролируют в ручном режиме и выдерживают в сомкнутом, но незафиксированном положении половин пресс-формы в течение 30 минут при температуре, не превышающей примерно 50% порога температуры полимеризации.

Сущность предлагаемого способа изготовления лопасти из композиционного материала поясняется чертежами, где изображены:

фиг. 1 - конструкция лопасти в расчлененном на элементы состоянии в комлевом поперечном сечении;

фиг. 2 - выкладка листов многослойного пакета открытого контура с использованием метода лазерного проецирования и фиксацией листов по реперным маякам;

фиг. 3 - выкладка сметанного пакета открытого контура оболочки на оправке;

фиг. 4 - сборка конструктива лопасти в ложементе;

фиг. 5 - укладка конструктива лопасти в пресс-форму (показано типовое поперечное сечение лопасти);

фиг. 6 - процесс смыкания половин пресс-формы;

фиг. 7 - опрессовка и полимеризация лопасти в пресс-форме.

В конструктивном плане лопасть 1 состоит из пенопластового сердечника 2, размещенного на большей части хорды по всей длине лопасти. С носовой части сердечник 2 охватывает многослойный пакет открытого контура оболочки 3, обеспечивающий защиту пенопластового сердечника 2 от действия кориолисовых сил и изгибно-крутильных колебаний лопасти 1, а с противоположной стороны лопасти сердечник 2 охвачен элементом 4 с V-образным поперечным сечением, для усиления задней кромки 5 лопасти. Поверх пакета открытого контура оболочки 3 и элемента 4 пенопластовый сердечник 2 охватывает пакет открытого контура обшивки 6, формирующий внешнюю поверхность лопасти 1, поверх которого в носовой части по всей длине лопасти установлена противоэрозийная оковка 7. При необходимости между оковкой 7 и пакетом открытого контура обшивки 6 может устанавливаться нагревательный элемент противообледенительной системы лопасти (условно не показан). Между пакетами открытого контуров оболочки 3 и обшивки 6 в носовой их частях размещены центровочные грузы 8. В комлевом сечении лопасти 1, показанной на фиг. 1, между слоями 9 и 10 пакета открытого контура оболочки 3 размещены армирующие вкладыши 11.

Для лучшего понимания сущности изобретения большая часть процесса изготовления лопасти обращена к комлевому сечению лопасти (см. фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3). Эта часть лопасти находится в наиболее напряженном с точки зрения местных нагрузок состоянии. Кроме того, этот участок лопасти является и наиболее сложным в технологическом отношении при формировании контура лопасти ввиду большего числа слоев (листов) разной размерности в пакетах открытого контура и повышенных требований к точности их выкладки.

Реализация предлагаемого способа изготовления лопасти из композиционного материала включает следующие операции:

1) изготовление механическим способом пенопластового сердечника 2 на всю длину лопасти 1 с поперечным сечением, подчиненным конструктиву пакета открытого контура оболочки 3 и элемента 4, усиливающего заднюю кромку 5 лопасти;

2) раскраивание листов 12 слоистого композиционного материала (препрегов) в соответствии с картой раскроя и заданной ориентацией волоконного наполнителя;

3) выкладку из раскроенных листов 12 пакета открытого контура оболочки 3 вне оправки 13, используя при выкладке метод лазерного проецирования и фиксацию листов 12 в пакете по реперным маякам 14, установленным по условной линии 15, соответствующей линии хорд 16 лопасти 1, с последующей сметкой листов совместно с армирующими вкладышами 11 посредством точечного нанесения термопластичных связующих (см. фиг. 2);

4) установку на оправке 13 вдоль ее носика 17 по линии 18 соответствующей линии хорд 16 лопасти реперных маяков 19 идентичных реперным маякам 14;

5) сметанный в соответствии с операцией по п. 3 пакет открытого контура оболочки 3 укладывают на оправку 13, фиксируя его по установленным реперным маякам 19, и подвергают предварительной опрессовки в вакууме (0,06-0,08) МПа при температуре (50-60)°C и избыточном давлении (0,2-0,3) МПа в течение не более (20-30) мин (см. фиг. 3);

6) на опрессованный по п. 5 пакет открытого контура оболочки 3, не снимая его с оправки 13, прикатывают клеевой слой и устанавливают заранее изготовленные секции центровочных грузов 8;

7) из упомянутых в п. 2 раскроенных листов 12 выкладывают пакет открытого контура обшивки 6, используя, как и п.3 метод лазерного проецирования и фиксацию листов пакета по реперным маякам с последующей сметкой листов посредством точечного нанесения термопластичных связующих;

8) сметанный в соответствии с операцией по п.7 пакет открытого контура обшивки 6 может выкладываться:

а) на специальную оправку (условно не показано), в случае наличия в носовой части лопасти элементов не связанных с аэродинамикой лопасти, например элементов противообледенительной системы;

в) поверх предварительно опрессованного пакета открытого контура оболочки 3 на оправке 13 с установленными на ней секциями центровочных грузов 8 (см. фиг. 3);

9) на собранную конструкцию по одному из вариантов п. 8 устанавливают заранее изготовленные секции оковки 7, внутренняя поверхность которых предварительно обработана связующим покрытием, и подвергают опрессовки в соответствии с режимом, изложенным в п. 5;

10) параллельно из раскроенных по п. 2 листов 12 собирают элемент 4, усиливающий заднюю кромку 5 лопасти, используя индивидуальное приспособление клиновидной формы (условно не показано), укладывая листы 12 так, чтобы сформировать пакет открытого контура элемента 4 V-образной формы, который затем подвергают на этом приспособлении опрессовки в режиме по п. 5;

11) собранную конструкцию из пакетов открытого контура оболочки 3 и обшивки 6 со смонтированными в них центровочными грузами 8 и противоэрозийной оковкой 7 устанавливают в ложемент 20 оковкой 7 вниз, раздвигают незамкнутые ветви пакетов открытого контура обшивки 6 и оболочки 3 и в образовавшуюся полость укладывают пенопластовый сердечник 2, поверхность которого предварительно обрабатывают связующим покрытием, а на хвостовую часть пенопластового сердечника 2 устанавливают подготовленный элемент 4, ориентируя его открытый V-образный контур под незамкнутые ветви пакета обшивки 6 (см. фиг. 4);

12) собранную конструкцию лопасти 1 по п. 11 укладывают в одну из половин 21 открытой пресс-формы 22 и фиксируют по элементу 4, усиливающему заднюю кромку 5 лопасти 1, для чего в упомянутой половине пресс-формы 22 выполнен соответствующий упор 23 (см. фиг. 5);

13) закрытие пресс-формы 22 производят смыканием ее половин за счет движения по типу дверного полотна свободной от конструкции лопасти половины 24 пресс-формы, которую предварительно устанавливают в петлеобразную конструкцию 25, ответные части 26 и 27 которой размещены соответственно на половинах 24 и 21 пресс-формы 22 в зоне размещения задней кромки 5 лопасти 1, при этом одновременно производят нагрев пресс-формы, температура которой контролируется в ручном режиме для получения требуемого обжатия профиля лопасти и при полном смыкании половин 21 и 24 пресс-формы выдерживается в сомкнутом, но не зафиксированном (затянутом) положении упомянутых половин пресс-формы в течение 30 минут при температуре, не превышающей примерно 50% порога температуры полимеризации компонентов конструкции лопасти 1 (см. фиг. 6);

14) сомкнутые половины 21, 24 пресс-формы 22 фиксируют болтовым соединением 28 и температуру нагрева пресс-формы поднимают до температуры (150±5)°C со скоростью нагрева 1-2 градуса в мин и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов, что соответствует режиму полимеризации лопасти.

Предложенный способ в отличие от прототипа позволяет обеспечить инструментальный контроль выкладки листов в пакеты открытого контура перед их опрессовкой, что позволяет обеспечить точность заданных геометрических и массовых параметров как по хорде, так и по размаху лопасти и, как следствие, гарантированные стабильные характеристики лопасти в серийном производстве.

По предложенному способу изготовлены опытные образцы лопасти из композиционного материала на оборудовании серийного завода, его штатным персоналом, что свидетельствует о простоте технологии и уровня трудоемкости изготовления лопасти.

1. Способ изготовления лопасти из композиционного материала, включающий изготовление пенопластового сердечника, раскрой листов для формирования многослойных пакетов открытого контура оболочки и обшивки, изготовление армирующих вкладышей, элемента, усиливающего заднюю кромку лопасти, противоэрозийной оковки и центровочных грузов, сборку упомянутых многослойных пакетов с армированными вкладышами и центровочными грузами на оправке с последующей предварительной их опрессовкой, установку в собранные пакеты открытого контура пенопластового сердечника и укладку этой конструкции совместно с противоэрозийной оковкой и элементом, усиливающим заднюю кромку лопасти, в пресс-форму, последующий процесс полимеризации со ступенчатым поднятием температуры нагрева пресс-формы с шаговым интервалом выдержки, отличающийся тем, что сборку каждого многослойного пакета открытого контура производят вне оправки, причем выкладку листов ведут с применением реперных маяков и одновременно при этом производят сметку листов посредством точечного нанесения термопластичных связующих, на оправке устанавливают реперные маяки, идентичные вышеупомянутым, и по ним на оправке производят укладку собранных пакетов открытого контура оболочки и обшивки, в открытой пресс-форме в одной из ее половин собранную для полимеризации конструкцию лопасти фиксируют по элементу, усиливающему заднюю кромку лопасти, для чего в упомянутой половине пресс-формы устанавливают соответствующий упор, а процесс закрытия пресс-формы производят смыканием половин пресс-формы за счет движения по типу дверного полотна свободной от конструкции лопасти половины пресс-формы, которую предварительно устанавливают в петлеобразную конструкцию, размещенную на пресс-форме в зоне задней кромки лопасти, при этом одновременно производят нагрев пресс-формы до получения требуемого обжатия профиля лопасти.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выкладку листов многослойных пакетов открытого контура ведут с применением метода лазерного проецирования, а в качестве реперных маяков применяют штифты, которые на оправке размещают по носику профиля лопасти.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повышение температуры нагрева пресс-формы в процессе смыкания ее половин контролируется в ручном режиме и выдерживается в сомкнутом, но незафиксированном положении половин пресс-формы в течение 30 минут при температуре, не превышающей примерно 50% порога температуры полимеризации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям лопастей несущего и рулевого винтов винтокрылых летательных аппаратов. Лопасть винта состоит из комлевой части с узлом крепления, средней части и концевой части, состоящей из первого участка, имеющего переднюю кромку обратной стреловидности, и второго участка, имеющего переднюю кромку прямой стреловидности и стреловидную заднюю кромку.

Изобретение относится к конструкции лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов, предназначенных для испытаний в аэродинамических трубах. Лопасть аэродинамической модели воздушного винта содержит верхнюю и нижнюю обшивки, лонжерон, вкладыши, балансировочные и противофлаттерные грузы и носовые накладки.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям хвостовых винтов вертолетов. Заключенный в обтекатель винт (10) для винтокрылого летательного аппарата содержит вращающийся узел, расположенный в канале для осуществления вращения вокруг оси (АХ1).

Изобретение относится к области авиации. Аэродинамический профиль несущей поверхности имеет хорду длиной В.

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам индикации об опасных режимах полета. Устройство для индикации срыва потока на лопастях вертолета содержит блок волоконно-оптической коммутации, блок источника света, блок хранения информации, блок электропитания, блок анализа информации, блок спектрального анализа и цифроаналоговый преобразователь, блок-регистратор, индикатор, волоконно-оптический соединитель и два или более волоконно-оптических тензодатчиков, каждый из которых имеет свою полосу рабочих частот в спектре излучения блока источника света.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям и аэродинамике лопастей несущего винта винтокрылого аппарата. Лопасть включает комлевую часть, аэродинамически профилированные части и законцовку.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям и способам изготовления лопастей воздушных винтов. Лопасть (10) винта турбовинтового двигателя летательного аппарата включает конструкцию (20) с аэродинамическим профилем, содержащую, по меньшей мере, одно волокнистое усиление, полученное посредством трехмерного тканья нитей, и уплотненное матрицей, и формообразующую деталь (140) определенной формы из жесткого ячеистого материала.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям винтов летательных аппаратов. Лопасть несущего винта летательного аппарата включает открытую снизу полусферу, снабженную окнами, вокруг которой расположены охватывающие ее каналы.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям воздушных винтов. Лопасть (20) винта (5) содержит верхнюю поверхность (21) и нижнюю поверхность (22), проходящие поперечно от передней кромки (23) к задней кромке (24) и по размаху от корневого сечения (31) до сечения (41) свободного конца.

Изобретение относится к воздушным винтам, гребным винтам и лопастям винтов ветродвигателей. Лопасть с плоским или цилиндрическим местом крепления к ступице винта имеет закладные металлические детали для болтов крепления в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки.

Изобретение относится к устройству выдержки под давлением при изготовлении композитных деталей, выполняемых посредством впрыска смолы. Система (100) впрыска смолы содержит сеть впрыска, связанную с пресс-формой (20).

Изобретение относится к способу литья под давлением детали из композитного материала. Согласно способу, размещают заготовку в пресс-форме, инжектируют смолу в пресс-форму для пропитки заготовки, извлекают из пресс-формы деталь после отверждения смолы.

Изобретение относится к устройству поддержания давления для системы литья полимера, системе литья полимера и к способу литья полимера. Устройство содержит первую камеру, выполненную с возможностью соединения со средством создания давления и со средством создания вакуума.

Изобретение относится к обжимающе-литьевой пресс-форме для волокнистой заготовки для использования при изготовлении направляющего аппарата газотурбинного двигателя из композитного материала.

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов, композиционному материалу, полученному этим способом, и к системе для осуществления указанного способа.

Изобретение относится к устройству для изготовления детали из композитного материала путем инжекции смолы в закрытую форму и к способу использования данного устройства.

Группа изобретений относится к способу изготовления лопатки (10) турбомашины из композитного материала и лопатке турбомашины из композитного материала. Лопатка содержит волокнистую деталь упрочнения, получаемую путем переплетения первого множества волокон и второго множества волокон.

Настоящее изобретение относится к литейной форме, выполненной из композиционного материала, а также к способу, в котором может быть использована данная литейная форма.

Изобретение относится к формовочному устройству, выполненному с возможностью введения в него волокон, на которые заливают смолу. Техническим результатом заявленного изобретения является исключение повреждения волокон в процессе формования смолы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии изготовления резинотехнических изделий путем вулканизации в пресс-форме, и применено для изготовления армированных амортизаторов и эластичных опорных шарниров (ЭОШ).

Изобретение относится к цилиндрическому кожуху, который используется в качестве кожуха вентилятора для закрытия лопастей вентилятора реактивного двигателя воздушного судна, и к способу изготовления цилиндрического кожуха.
Наверх