Компонент газотурбинного двигателя и способ его изготовления
Компонент газотурбинного двигателя содержит внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки, выполненные из композиционного материала, имеющего переплетенное волоконное армирование, уплотненное матрицей. Волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, пролегающей продольно через две последовательно расположенные направляющие лопатки и проходящей через внутренний бандаж и наружный бандаж. Нити переплетенного волоконного армирования простираются непрерывно в круговом направлении вдоль всего сегмента внутреннего бандажа и всего сегмента наружного бандажа. При изготовлении компонента газотурбинного двигателя изготавливают переплетенную волоконную преформу, включающую в себя первый комплект нитей, проходящих непрерывно вдоль полной окружности первой части преформы, образующей преформу для внутреннего бандажа, и затем последовательно в продольном направлении вдоль вторых частей преформы, образующих преформы для направляющих лопаток, и также вдоль полной окружности третьей части преформы, образующей преформу для наружного бандажа. Нити первого комплекта нитей проходят последовательно вдоль упомянутых вторых частей преформы посредством прохождения от одной второй части преформы к следующей попеременно через первую часть преформы и через вторую часть преформы. Затем уплотняют волоконную преформу матрицей. Группа изобретений позволяет повысить механическую прочность компонент газотурбинного двигателя из композиционного материала. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 17 ил.
Изобретение относится к деталям газотурбинного двигателя, образующим статоры компрессора или сопловой аппарат турбины. Областью применения изобретения, в частности, являются авиационные двигатели. Тем не менее изобретение также применимо к другим газотурбинным двигателям, например, к промышленным газовым турбинам.
В газотурбинных двигателях модули компрессора и турбины содержат вращающиеся колеса, чередующиеся со статорами в компрессорах или с сопловыми аппаратами в турбинах.
Обычный статор компрессора в широком использовании содержит множество направляющих лопаток, прикрепленных, например, посредством сварки к наружному кольцу, которое имеет конструкционную функцию и которое образует наружную часть канала прохождения воздуха. На внутренней стороне канал прохождения воздуха образован не конструкционным внутренним бандажом. Наружное кольцо, направляющие лопатки и внутренний бандаж обычно выполнены из металла.
Сопловой аппарат обычной турбины выполнен из множества металлических секторов, каждый из которых образован посредством литья в виде отдельной детали и каждый из которых содержит сектор наружного бандажа, образующий наружную часть канала прохождения газа, сектор внутреннего бандажа, образующий внутреннюю часть канала прохождения газа, и направляющие лопатки, соединяющие вместе сектор наружного бандажа и сектор внутреннего бандажа.
Использование композиционных материалов, содержащих волоконное армирование, уплотненное матрицей, уже предлагалось для различных деталей газотурбинных двигателей и, в особенности, для аэродинамических частей вращающихся колес, колец турбины, элементов соплового аппарата турбины или элементов хвостовой части. Для деталей, которые при работе подвержены высоким температурам, рекомендуется использовать композиционный материал с керамической матрицей (КМКМ). Изготовление таких деталей содержит этапы изготовления волоконной преформы, образующей волоконное армирование композиционного материала и имеющей форму, близкую к форме изготавливаемой детали, и затем уплотнение волоконной преформы матрицей. Волоконная преформа может быть получена посредством различных текстильных процессов, в особенности процесса формования волоконной заготовки, которая выполнена посредством многослойного или трехмерного переплетения.
Такие детали из композиционного материала замечательны тем, что они имеют хорошие механические свойства, по меньшей мере, сравнимые с механическими свойствами подобных металлических деталей, но при этом имеют более низкий вес, и если используются композиционные материалы с керамической матрицей, то такие детали сохраняют свои механические свойства при очень высоких температурах и, следовательно, они подходят для использования, когда требуется достигать наибольших рабочих температур для газотурбинных двигателей для того, чтобы улучшить эффективность и уменьшить вредные выбросы.
Так, в патентном документе ЕР 1526285 описано изготовление рабочей лопатки вентилятора посредством уплотнения волоконной преформы, полученной посредством трехмерного переплетения, органической матрицей. В патентных документах WO 2010/061140 и WO 2010/103213 соответственно описано изготовление рабочих лопаток с присоединенными внутренними и/или наружными платформами и секторов колеса турбины из композиционного материала с керамической матрицей с использованием волоконных заготовок, изготовленных посредством многослойного переплетения.
В документе WO 2010/146288 описан элемент соплового аппарата турбины из композиционного материала с керамической матрицей, изготовленный из секторов внутреннего бандажа и наружного бандажа вместе с направляющими лопатками, простирающимися между секторами, и получаемый посредством многослойной переплетенной волоконной заготовки с непрерывным волоконным армированием по всему объему элемента соплового аппарата. Волоконное армирование включает в себя нити, которые простираются непрерывно вдоль двух направляющих лопаток посредством прохождения через сектор внутреннего бандажа, но упомянутые нити впоследствии прерываются. Кроме того, нет непрерывности нитей волоконного армирования в круговом направлении вдоль каждого из секторов внутреннего и наружного бандажа.
В патентном документе WO 91/15357 описано складывание нитяной волоконной заготовки в виде гармошки для изготовления сектора соплового аппарата, имеющего множество направляющих лопаток. Тем не менее, складывание является таковым, что оно не дает возможность обеспечивать непрерывность волоконного армирования в круговом направлении вдоль сектора наружного бандажа и вдоль сектора внутреннего бандажа.
ЦЕЛЬ И СУЩЕСТВО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание детали газотурбинного двигателя, образующей статор компрессора или сопловой аппарат турбины, которая выполнена из композиционного материала и которая имеет хорошие механические свойства.
Эта цель достигается посредством детали, содержащей внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки, простирающиеся по существу радиально между внутренним и наружным бандажами и прикрепленные к ним, причем деталь, в которой внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки выполнены из композиционного материала, имеющего переплетенное волоконное армирование, уплотненное матрицей, и волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, пролегающей продольно по меньшей мере через две последовательно расположенные направляющие лопатки и проходящей через внутренний бандаж и наружный бандаж, причем упомянутые по меньшей мере две последовательно расположенные направляющие лопатки, простираются между сегментом внутреннего бандажа и сегментом наружного бандажа с нитями переплетенного волоконного армирования, простирающимися непрерывно в круговом направлении вдоль сегмента внутреннего бандажа и с нитями переплетенного волоконного армирования, простирающимися непрерывно вдоль сегмента наружного бандажа.
Волоконное армирование может включать в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, проходящей продольно по меньшей мере через три последовательно расположенные лопатки и проходящей поочередно через внутренний бандаж и наружный бандаж, причем упомянутые по меньшей мере три последовательно расположенные направляющие лопатки простираются между сегментом внутреннего бандажа и сегментом наружного бандажа с нитями переплетенного волоконного армирования, простирающимися непрерывно в круговом направлении вдоль сегмента внутреннего бандажа и с нитями переплетенного волоконного армирования, простирающимися непрерывно в круговом направлении вдоль сегмента наружного бандажа.
Непрерывность нитей волоконного армирования вносит вклад в обеспечение хорошей механической прочности. В зависимости от условий использования, деталь может быть выполнена из композиционного материала с органической матрицей или из композиционного материала с керамической матрицей.
Преимущественно, внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки образуют единую деталь, выполненную из композиционного материала.
При данных обстоятельствах волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, проходящей вдоль одного из внутреннего или наружного бандажей вдоль его окружности, и затем последовательно через все направляющие лопатки, и затем вдоль другого из внутреннего или наружного бандажей вдоль его окружности.
Как вариант, деталь газотурбинного двигателя изготавливается из множества секторов, причем каждый сектор образует единую деталь из композиционного материала, имеющую сектор внутреннего бандажа, сектор наружного бандажа и по меньшей мере две лопатки, простирающиеся между секторами бандажей и прикрепленные к ним.
В соответствии с одним вариантом осуществления деталь газотурбинного двигателя может включать в себя по меньшей мере один фланец, прикрепленный к наружному бандажу и простирающийся от него радиально наружу.
В соответствии с другим вариантом осуществления деталь газотурбинного двигателя может включать в себя стеновые части, прикрепленные к внутреннему бандажу и образующие на его внутренней стороне гнездо по существу U-образного поперечного сечения, открытого по направлению к внутренней стороне.
Изобретение также предлагает способ, позволяющий изготавливать такую деталь газотурбинного двигателя из единой волоконной преформы.
Эта цель достигается способом, содержащим этапы, на которых:
- изготавливают переплетенную волоконную преформу, включающую в себя первый комплект нитей, которые проходят непрерывно вдоль окружности первой части преформы, образующей преформу для внутреннего бандажа, и затем последовательно в продольном направлении вдоль вторых частей преформы, образующих преформы для направляющих лопаток и также вдоль окружности вдоль третьей части преформы, образующей преформу для наружного бандажа, причем нити первого комплекта нитей проходят последовательно вдоль упомянутых вторых частей преформы посредством прохождения от одной второй части преформы к следующей попеременно через первую часть преформы и через третью часть преформы; и
- уплотняют волоконную преформу матрицей.
В конкретном осуществлении способа, этап изготовления волоконной преформы содержит этапы, на которых:
1) плетут волоконную полоску с использованием первого комплекта нитей, простирающегося непрерывно в продольном направлении полоски и содержащего множество слоев параллельных нитей, и второго комплекта нитей, переплетенного с нитями первого комплекта вдоль переплетенных сегментов волоконной полоски, которые отделены друг от друга другими непереплетенными сегментами, причем волоконная полоска, содержит
- первую часть волоконной полоски, простирающуюся на длину, соответствующую длине первой части преформы, причем первая часть волоконной полоски выполнена из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами;
- вторую часть волоконной полоски, следующую сразу же за первой частью и выполненную из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами, причем переплетенные сегменты второй части волоконной полоски соответствуют вторым частям преформы и имеют длину, соответствующую продольному размеру направляющих лопаток, и непереплетенные сегменты второй части волоконной полоски образуют соединительные части между последовательно расположенными преформами направляющих лопаток; и
- третью часть волоконной полоски, следующую сразу же за второй частью и простирающуюся на длину, соответствующую длине третьей части преформы, причем третья часть волоконной полоски выполнена из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами;
- общее количество переплетенных и непереплетенных сегментов в каждой из первой и третьей части, равное количеству направляющих лопаток; и
2) формируют волоконную полоску, при этом:
- сворачивают первую часть волоконной полоски;
- складывают вторую часть волоконной полоски так, чтобы размещать ее переплетенные сегменты по существу радиально относительно свернутой первой части волоконной полоски; и
- сворачивают третью часть волоконной полоски;
- причем непереплетенные сегменты второй части волоконной полоски, которые образуют соединительные части между последовательно расположенными преформами для направляющих лопаток сцепляют через непереплетенные сегменты поочередно в свернутой первой части волоконной полоски и в свернутой третьей части волоконной полоски.
При данных обстоятельствах после сцепления непереплетенного сегмента второй части волоконной полоски, образующего соединительную часть между двумя последовательно расположенными преформами направляющих лопаток, через непереплетенный сегмент первой или третьей части волоконной полоски, можно обеспечить переплетение упомянутого непереплетенного сегмента второй части волоконной преформы.
Такое дополнительное переплетение может быть выполнено нитями первого комплекта нитей в упомянутом непереплетенном сегменте второй части волоконной преформы, взаимосвязанной с нитями первого комплекта нитей в упомянутом непереплетенном сегменте первой или третьей части преформы.
В соответствии с признаком способа на своем конце, отдаленном от своего конца, расположенного рядом со второй частью волоконной полоски, первая часть волоконной полоски продолжается четвертой частью волоконной полоски, переплетенной по всей свое длине так, что после ее сворачивания она образует внутреннюю облицовку внутреннего бандажа.
При данных обстоятельствах можно предусмотреть, чтобы изготовление волоконной преформы включало в себя складывание вовнутрь боковых частей упомянутой внутренней облицовки для того, чтобы придавать ей по существу профиль коробчатого сечения.
В соответствии с другим признаком изобретения на своем конце, удаленном от своего конца, расположенного рядом со второй частью волоконной полоски, третья часть волоконной полоски продолжается пятой частью волоконной полоски, которая переплетена по всей свое длине так, чтобы после ее сворачивания она образовывала наружную облицовку наружного бандажа.
При данных обстоятельствах можно предусмотреть, чтобы пятая часть волоконной полоски имела ширину, которая больше, чем ширина третьей части, и изготовление волоконной преформы включало в себя складывание в наружном направлении по меньшей мере части упомянутой наружной облицовки, которая выступает в боковом направлении относительно третьей части волоконной полоски.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение может быть лучше понято при чтении последующего описания, приведенного посредством не ограничивающих признаков и со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематичное частичное изображение компрессора газотурбинного двигателя;
Фиг. 2 представляет собой схематичное частичное изображение турбины низкого давления для газотурбинного двигателя;
Фиг. 3 представляет собой упрощенный плоский вид переплетенной волоконной полоски для использования в изготовлении волоконной преформы для статора компрессора в варианте осуществления изобретения;
Фиг. 4 и 5 представляют собой упрощенные виды поперечных сечений, взятых на плоскостях IV-IV и V-V фиг. 3;
Фиг. 6-12 представляют собой изображения, показывающие последовательные этапы придания формы переплетенной полоски из фиг. 3 для получения волоконной преформы для статора компрессора;
Фиг. 13 представляет собой схематичное изображение радиального полусечения на этапе изготовления преформы статора компрессора из фиг. 12;
Фиг. 14 представляет собой схематичное изображение радиального полусечения преформы статора компрессора, окончательно полученной из переплетенной полоски из фиг. З.
Фиг. 15 представляет собой схематичное изображение радиального полусечения цельной преформы статора турбины в варианте осуществления изобретения;
Фиг. 16 показывает последовательные этапы способа изобретения для изготовления статора компрессора из композиционного материала с органической матрицей, имеющего волоконное армирование, образованное волоконной преформой, показанной, например, на фиг. 14; и
Фиг. 17 показывает последовательные этапы способа изготовления статора компрессора или соплового аппарата турбины из композиционного материала с керамической матрицей, имеющего волоконное армирование, образованное волоконной преформой, как показано, например, на фиг. 14 или фиг. 15.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение частичного осевого полусечения, показывающего многоступенчатый компрессор газотурбинного двигателя. Компрессор содержит неподвижные статоры 10, чередующиеся с вращающимися колесами 20.
Каждый статор 10 содержит внутренний бандаж 12, множество направляющих лопаток или крыльев 14 и наружный бандаж 16. Направляющие лопатки 14 простираются по существу радиально между внутренним бандажом 12 и наружным бандажом 16, и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга под некоторым углом. На своих внутренних и наружных радиальных концах направляющие лопатки 14 прикреплены к соответствующим бандажам полкам 12 и 16. На внутренней стороне внутренний бандаж 12 имеет истираемое покрытие 11. На наружной стороне наружный бандаж 16 прикреплен к фланцу 17 для соединения с кожухом компрессора, например, вблизи его расположенного ниже по потоку конца. Термин "расположенный ниже по потоку" используется по отношению к направлению потока воздуха, проходящего через компрессор.
Каждое вращающееся колесо 20 имеет лопатки 24 с внутренней платформой 22. Под внутренней платформой 22 каждая рабочая лопатка продолжается корнем 23, сцепленным с корпусом в роторе 25. Ротор 25 также несет на себе уплотнительные элементы 21, обращенные на истираемое покрытие 11 смежного статора. На своих наружных концах лопатки 24 также могут иметь уплотнительные элементы (не показаны), обращенные на истираемое покрытие кольца 19, которое опирается на кожух компрессора.
Наружные поверхности внутренних бандажей 12 статоров 10 и внутренних платформ 22 рабочих лопаток вращающегося колеса 20, и внутренние поверхности наружных бандажей 16 статоров 10 и колец 19 образуют канал прохода воздуха через компрессор, причем уплотнительные элементы взаимодействуют с соответствующими истираемыми покрытиями для того, чтобы обеспечивать уплотнение на внутренней стороне и на концах лопаток вращающихся колес 20.
Конструкция компрессора, кратко описанная выше, хорошо известна.
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение частичного осевого полусечения, показывающего многоступенчатую турбину низкого давления газотурбинного двигателя. Турбина содержит неподвижный сопловой аппарат 30, чередующийся с вращающимися колесами 40.
Каждый сопловой аппарат 30 имеет внутренний бандаж 32, множество направляющих лопаток 34 (или перьев лопаток) и наружный бандаж 36. Направляющие лопатки 34 простираются радиально между внутренним бандажом 32 и наружным бандажом 36, и они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга под некоторым углом. На своих внутренних и наружных концах направляющие лопатки 34 прикреплены к бандажам 32 и 36 соответственно. На внутренней стороне внутренний бандаж 32 имеет истираемое покрытие 31. На наружной стороне наружный бандаж 36 прикреплен к фланцу 37 для соединения с кожухом турбины 39, например, вблизи выходного конца бандажа 36, и к части 38, образующей центрирующий поясок вблизи расположенного выше по потоку конца.
Каждое вращающееся колесо 40 имеет лопатки 44 с внутренней платформой 42 и наружной платформой 46. Под внутренней платформой каждая рабочая лопатка продолжается корнем, входящим в зацепление с корпусом в диске 43. Диск 43 несет уплотнительные элементы 41, обращенные на истираемое покрытие 31 смежного соплового аппарата. На наружной стороне наружная платформа 46 несет уплотнительные элементы, обращенные на истираемое покрытие, нанесенное на кольцо 39, которое опирается на кожух турбины.
Наружные поверхности внутренних бандажей 32 соплового аппарата 30 и внутренних платформ 42 лопаток вращающихся колес 40, и внутренние поверхности наружных бандажей 3 6 соплового аппарата 30 и наружных платформ 46 рабочих лопаток вращающихся колес 40 определяют канал прохода газа через турбину, причем уплотнительные элементы взаимодействуют с соответствующими истираемыми покрытиями для обеспечения уплотнения на внутренней стороне и на концах рабочих лопаток вращающихся колес 40.
Конструкция турбины низкого давления, кратко описанная выше, хорошо известна.
Деталь газотурбинного двигателя, образующая статор компрессора или сопловой аппарат турбины и подходящая для использования в компрессоре или турбине, подобным тем, которые показаны, например, на фиг. 1 и 2, может быть выполнена из композиционного материала с волоконным армированием, содержащего нити, простирающиеся непрерывно через множество последовательно расположенных направляющих лопаток посредством прохождения через внутренние и наружные бандажи.
Ниже описан вариант осуществления волоконной преформы для такой детали газотурбинного двигателя, например, статора компрессора, имеющего форму, аналогичную форме статора 10 из фиг. 1, с конечной деталью, получаемой посредством уплотнения волоконной преформы посредством матрицы.
Далее со ссылкой на фиг. 3-13 подробно описаны различные операции для получения волоконной преформы 100, показанной на фиг. 14.
Фиг. 3 представляет собой плоский вид переплетенной волоконной полоски 200, которая делает возможным, после различных этапов формования, получение требуемой волоконной преформы 100. В этом примере полоску 200 плетут продольно в направлении основы (стрелка С). Части, переплетенные уточными нитями (направление Т), показаны виде сетки. В других частях, которые не сотканы, показаны только нити основы.
Полоска 200 содержит первую часть 220 для образования части преформы для внутреннего бандажа, вторую часть 240, имеющую части для образования частей преформы для направляющих лопаток, и третью часть 260, которая выполнена для образования части преформы для наружного бандажа, причем часть 240 сразу же продолжает часть 220, в то время как часть 260 сразу же продолжает часть 240. На своем продольном конце, отдаленном от своего конца, смежного с частью 240, часть 220 может быть сразу же продолжена частью 210, которая выполнена для образования части преформы для внутренней облицовки внутреннего бандажа. Таким же образом на своем продольном конце, отдаленном от своего конца, смежного с частью 240, часть 260 может быть сразу же продолжена частью 270, которая выполнена для образования части преформы для наружной облицовки наружного бандажа.
Полоска 200 состоит из частей 210, 220, 240, 260 и 270, и после ее формования описанным ниже способом, образует волоконную преформу 100. Естественно, множество полосок 200 могут быть непрерывно переплетены, а затем последовательно разрезаны для образования преформы 100.
Части 210 и 270 переплетают по всей их длине без прерывания переплетения.
Часть 220 состоит из переплетенных сегментов 222, чередующихся с непереплетенными сегментами 224 (то есть сегментами, имеющими только нити основы), и она имеет длину, соответствующую длине окружности внутреннего бандажа изготавливаемого статора. Общее количество сегментов 222 и 224 соответствует количеству направляющих лопаток изготавливаемого статора. Все переплетенные сегменты 222 имеют одинаковую длину. Таким же образом все непереплетенные сегменты 224 имеют одинаковую длину, причем длина сегментов 224 по существу равна или слегка больше длины сегментов 222, как объяснено далее.
Часть 240 состоит из переплетенных сегментов 242, чередующихся с непереплетенными сегментами, которые сами чередуются между сегментами 244а и 244b. Сегменты 242 выполнены с возможностью образования частей преформ для направляющих лопаток. Их количество равно количеству направляющих лопаток статора в изготавливаемом компрессоре, и они имеют длину L по существу равную радиальному размеру направляющих лопаток. Все сегменты 244а имеют одинаковую длину 
, соответствующую расстоянию соединения между двумя внутренними концами смежных направляющих лопаток, проходящую через внутренний бандаж, как объяснено далее. Сегменты 244b имеют одинаковую длину 
, соответствующую расстоянию соединения между двумя наружными концами смежных лопаток, проходящему через наружный бандаж, как объяснено далее.
Часть 260 состоит из переплетенных сегментов 262, чередующихся с непереплетенными сегментами 264, и она имеет длину, соответствующую длине наружного бандажа изготавливаемого статора. Общее количество сегментов 262 и 264 соответствует количеству направляющих лопаток изготавливаемого статора. Все сегменты 262 имеют одинаковую длину. Таким же образом все сегменты 264 имеют одинаковую длину, причем длина сегментов 264 по существу равна или слегка больше длины сегментов 262, как объяснено далее.
Ширина части 220 соответствует осевому размеру внутреннего бандажа, в то время как ширина части 260 соответствует осевому размеру наружного бандажа, причем в рассматриваемом примере эти два размера по существу равны.
Ширина переплетенных сегментов 242 в части 240 соответствует максимальной ширине направляющей лопатки на плоской проекции. В настоящем примере она меньше, чем ширина частей 220 и 260, поэтому нити основы, смежные с продольными краями части 240 полоски 200, не переплетены.
Ширина части 210 по существу равна ширине частей 220 и 260.
Ширина части 270 больше, чем ширина части 260, что получается посредством добавления нитей основы с одной или с обеих сторон полоски 200, в зависимости от профиля части преформы, которая должна быть изготовлена с частью 270 полоски. В показанном примере нити основы добавлены только с одной стороны.
Переплетение в переплетенных частях полоски 200 является трехмерным или многослойным переплетением с множеством слоев нитей основы и множеством слоев уточных нитей, и с уточными нитями в отдельно взятом слое уточных нитей, взаимосвязывающими нити основы множества слоев нитей основы.
Переплетение может быть образовано с использованием интерлок-переплетения, как показано на Фиг. 4 и 5, на которых изображены плоскости переплетения в переплетенном сегменте 222 и в переплетенном сегменте 242 соответственно. Существует возможность выбора других типов многослойных переплетений, таких как, например, многослойное сатиновое, многослойное саржевое или многослойное полотняное переплетение. Ссылка может быть сделана на патентный документ WO 2006/136755, содержание которого входит в настоящий документ для справки. Следует понимать, что переплетение также может быть выполнено с использованием множества различных переплетений, в особенности двумерных сатиновых переплетений в наружных слоях нитей основы, по меньшей мере, в части 240, для того чтобы обеспечивать гладкую поверхность для частей преформ для направляющих лопаток.
В показанном примере волоконная полоска 200 плетется с использованием четырех слоев C1, С2, С3 и С4 нитей основы, и с использованием трех слоев T1, Т2 и Т3 уточных нитей. Естественно, количество слоев нитей основы и соответствующее количество слоев уточных нитей может иметь другое значения в зависимости от толщины, требующейся для полоски 200 для нитей заданного веса. Толщина волоконной полоски 200 соответствует самой большой толщине среди толщин изготавливаемых частей преформы. Для частей, предпочтительно имеющих толщину, которая меньше, чем толщина других частей, например, частей преформы для направляющих лопаток, переплетение в соответствующей части 240 полоски 200 может быть выполнено на меньшем количестве нитей основы. Сегменты нитей основы, которые простираются вдоль всей длины части 240 без переплетения, вдоль ее продольных краев (Фиг. 5) и также возможно через ее толщину, могут быть удалены после переплетения полоски 200 перед приданием ей формы.
Далее со ссылкой на фиг. 6-12 описано изготовление преформы 100 из переплетенной полоски 200.
Первый этап (фиг. 6) содержит наматывание части 220 по полной окружности, в то время как часть 210 остается свернутой в резерве.
На втором этапе (фиг. 7), часть 240 складывают в виде гармошки вокруг оси намотанной части 220 с переплетенными сегментами 242, простирающимися радиально и с непереплетенными сегментами 244а, проходящими через непереплетенные сегменты 224 для того, чтобы выступать из внутренней стороны намотанной части 220. Переплетенные сегменты 242 предназначены для образования частей преформы для направляющих лопаток.
На третьем этапе (фиг. 8), непереплетенные сегменты 244а, образующие соединение между сегментами 242 на внутренней стороне, переплетают так, чтобы удерживать их на месте относительно намотанной части 220. Это дополнительное переплетение (показанное точками) выполняется посредством уточных нитей, которые добавляют, используя трехмерное или многослойное переплетение. Преимущественно, выполняется переплетение, которое обеспечивает то, что нити основы различных слоев нитей основы в непереплетенных сегментах 244а взаимосвязываются, и обеспечивает то, что нити основы слоев нитей основы непереплетенных сегментов 244а и нити основы слоев нитей основы непереплетенных сегментов 224 взаимосвязываются для того, чтобы прикреплять внутренние концы переплетенных сегментов 242 к части 220, то есть для того, чтобы прикреплять части преформы для направляющих лопаток к части преформы для внутреннего бандажа. Следует понимать, что намотанная часть 220 завершается первым непереплетенным сегментом 2241 части 220 (в направлении основы), взаимопроникающим в первый непереплетенный сегмент 244а1 части 240, причем сегменты 2241 и 244а1 также подвергаются дополнительному переплетению.
В показанном примере непереплетенные сегменты 244а полностью интегрированы в непереплетенные сегменты 224. Такая интеграция может быть только частичной, с частями сегментов 244а, выступающими на внутренней стороне из части 220.
Дополнительное переплетение сегментов 244а может быть выполнено после того, как часть 240 будет полностью сложена, или постепенно по мере выполнения складывания.
На четвертом этапе (фиг. 9) часть 260 наматывают вдоль полной окружности, в то время как часть 270 остается свернутой в запасе. Сворачивание части 260 осуществляется таким образом, чтобы непереплетенные сегменты 244b части 240 проходили через непереплетенные сегменты 264 для того, чтобы выступать из наружной стороны намотанной части 260.
На пятом этапе (фиг. 10), непереплетенные сегменты 244b, образующие соединения между сегментами 242 на наружной стороне, переплетают так, чтобы они удерживались на месте относительно намотанной части 260. Как вариант, это переплетение может быть выполнено постепенно по мере наматывания части 260. Такое дополнительное переплетение выполняется дополнительной уточной пряжей посредством трехмерного или многослойного переплетения. Преимущественно, переплетение выполняется для обеспечения того, чтобы нити основы различных слоев нитей основы в непереплетенных сегментах 244b взаимосвязывались, и для обеспечения того, чтобы нити основы слоев нитей основы в непереплетенных сегментах 244b и нитей основы сегментов нитей основы непереплетенных сегментов 264 взаимосвязывались так, чтобы прикреплять наружные концы переплетенных сегментов 222 к части 260, то есть так, чтобы прикреплять части преформы для направляющих лопаток к части преформы для наружного бандажа. Следует понимать, что намотанная часть 260 завершается последним непереплетенным сегментом 244bn части 240, взаимопроникающим в последний непереплетенный сегмент 264n части 260, причем эти два сегмента также подвергают дополнительному переплетению. В показанном примере
непереплетенные сегменты 244b полностью интегрируются в непереплетенные сегменты 264. Такая интеграция может быть только частичной с частями сегментов 244b, выступающими на наружной стороне части 260.
Дополнительное переплетение на третьем и пятом этапах может быть выполнено вручную.
На шестом этапе (фиг. 11) часть 210 наматывают вдоль полной окружности в контакте с намотанной частью 220 для образования части преформы, составляющей внутреннюю облицовку для внутреннего бандажа.
На седьмом этапе (фиг. 12) часть 270 наматывают вдоль полной окружности в контакте с намотанной частью 260 для образования части преформы, образующей наружную облицовку для наружного бандажа. Соединение между намотанными частями 210 и 220, и так же между намотанными частями 270 и 260 может быть выполнено посредством пришивания.
Фиг. 13 представляет собой вид частичного радиального полусечения на данном этапе изготовления волоконной преформы 100.
Следует понимать, что формование волоконной полоски может быть осуществлено при помощи поддерживающего приспособления, содержащих, например, стержни, поверх которых проходят непереплетенные сегменты 244а, 244b во время складывания части 240, причем стержни вынимают для того, чтобы позволить этим непереплетенным сегментам быть подвергнутым дополнительному переплетению во время третьего и пятого этапов.
Переплетенные части 242, которые образуют части преформы для направляющих лопаток, являются равноудаленными на своих внутренних и наружных концах. Соответственно, непереплетенные сегменты 224 части 220 могут быть слегка длиннее, чем переплетенные сегменты 222, для того чтобы приспосабливаться к толщине волоконной полоски 200. Таким же образом, в части 260 непереплетенные сегменты 264 могут быть слегка длиннее, чем переплетенные сегменты 262 для того, чтобы приспосабливаться к толщине переплетенной полоски 200. Также возможно изготавливать части 220 и 260 с переплетенными сегментами, имеющими по существу такую же длину, что и непереплетенные сегменты, причем с частями 220 и 260, переплетенными с длиной, которая немного меньше, чем их конечная длина окружности после сворачивания, и которые сворачивают с натяжением, действующим в наружном направлении.
Далее, для получения преформы 100 (фиг. 14), имеющей форму, близкую к форме изготавливаемого статора, выполнятся формование в формовочном устройстве. Во время этого формования преформам 140 для направляющих лопаток придается требуемый профиль, соответствующий переплетенным частям 242, причем внутренняя облицовка 210 формуется так, чтобы придавать ей профиль коробчатого сечения для получения части 110 преформы, определяющей гнездо для истираемого материала на внутренней стороне части 120 преформы для внутреннего бандажа, и наружную облицовку 270 формуют для получения части 170 преформы для крепежного фланца на наружной стороне части 160 преформы для наружного бандажа.
Ширина переплетенной части 210 выбирается как функция от размеров, требуемых для части 211 преформы. В данном примере она равна ширине части 220. В данном примере ширина части 270 больше, чем ширина части 260 для того, чтобы иметь возможность образовывать часть 170 преформы фланца.
На фиг. 15 изображена волоконная преформа 300 для соплового аппарата турбины, имеющая форму, аналогичную форме соплового аппарата 30, показанного, например, на фиг. 2. Преформа 300 получена способом, подобным способу, описанному выше со ссылкой на фиг. 3-14. Преформа 300 содержит часть 310 преформы, которая образует гнездо для истираемого покрытия, часть 320 преформы для внутреннего бандажа, части 342 преформы для соплового аппарата, часть 360 преформы для наружного бандажа и части 370 и 380 преформы для крепежного фланца и центрирующего пояска на наружной стороне наружного бандажа.
Статор компрессора или сопловой аппарат турбины, изготовленный из композиционного материала, окончательно получается посредством уплотнения преформы 100 или 300 матрицей. Материалы, входящие в состав волокон волоконной преформы и входящие в состав матрицы, выбираются в зависимости от условий использования. В статоре компрессора, по меньшей мере, в первых входных ступенях компрессора может быть использован композиционный материал, изготовленный из углеродных волокон или стекловолокна и органической матрицы (полимерной матрицы). Когда рабочая температура является большой, в особенности для соплового аппарата турбины или для статоров компрессора в выходных ступенях компрессора, используется композиционный материал с керамической матрицей с углеродными или керамическими волокнами и керамической матрицей.
Для детали, изготавливаемой из композиционного материала с органической матрицей (фиг. 16), формование волоконной заготовки 200 выполняется в ее формообразующей оснастке (этап 502), получаемая преформа пропитывается полимером посредством впрыскивания или вливания (этап 504) и выполняется отверждающая полимер тепловая обработка (этап 506). После этого может быть выполнена чистовая обработка (этап 508), в частности на внутреннем и наружном бандажах, в гнезде для истираемого материала, на крепежном фланце и на центрирующем пояске. Полимер является исходным материалом полимера, образующего полимерную матрицу, такого как, например, эпоксидная смола, бисмалеимидная смола или полиимидная смола.
Для детали, изготавливаемой из композиционного материала с керамической матрицей (фиг. 17), для предотвращения охрупчивания композиционного материала с керамической матрицей перед формованием на волокнах переплетенной волоконной полоски 200 образуют тонкий первый промежуточный покрывающий слой (этап 602). Промежуточный покрывающий слой, например, пироуглерода (РуС), нитрида бора (BN) или углерода с присадкой бора (ВС) образуют посредством химической инфильтрации (CVI) из паровой фазы с толщиной, которая является относительно маленькой, например, не больше, чем 100 нанометров, для того чтобы сохранить возможность деформирования волоконной полоски.
Волоконная полоска 200, в которой предусмотрен первый промежуточный покрывающий слой, подвергается формованию с использованием формообразующей оснастки (этап 604) для получения преформы, такой как преформа 100 или 300. Преформу упрочняют в ее форме (этап 606), при удерживании в формоообразующей оснастке. Упрочнение выполняется посредством пропитывания, инфильтрации или впрыскивания полимера с углеродным исходным материалом, например, фенольной смолы или керамического полимера, или полимера с керамическим исходным материалом, например, полисилазанового полимера или полисилоксанового полимера в качестве исходного материала для кремнеуглерода (SiC). После отверждения и пиролиза полимера упрочненная преформа может быть снята с формоообразующей оснастки. Количество упрочняющего полимера выбирается таким образом, чтобы остаток пиролиза был достаточным, предпочтительно просто достаточным для связывания вместе волокон преформы так, чтобы с преформой можно было обращаться при сохранении ее формы без помощи поддерживающего приспособления.
После упрочнения может быть образован второй промежуточный покрывающий слой посредством химической инфильтрации (CVI) из паровой фазы (этап 608) для того, чтобы получить весь волоконно-матричный промежуточный покрывающий слой, то есть слой достаточной толщины для осуществления функции противодействия охрупчиванию для композиционного материала с керамической матрицей, при этом второй промежуточный покрывающий слой состоит, например, из пироуглерода (РуС), нитрида бора (BN) или углерода с присадкой бора (ВС) и имеет толщину, величина которой предпочтительно не меньше, чем 100 нанометров.
После этого выполняется уплотнение посредством керамической матрицы. Уплотнение может быть выполнено посредством химической инфильтрации из паровой фазы. Например, матрица может быть выполнена из кремнеуглерода (SiC) или она может быть самовосстанавливающейся матрицей, например, содержащей матричные фазы троичной (Si-B-C) системы или карбида бора (В4С). В патентных документах US 5246736 и US 5965266 описано, как химическая инфильтрация из паровой фазы может быть использована для получения таких самовосстанавливающихся матриц. Уплотнение химической инфильтрацией из паровой фазы может быть выполнено за два цикла 610 и 614, разделенных этапом 612 выполнения чистовой обработки детали.
Способ такого типа, который был описан выше со ссылкой на фиг. 17, известен. Ссылка может быть сделана на патентный документ US 2010/0015428, содержание которого включено в настоящий документ по ссылке, и на патентный документ WO 2010/103213, который описывает такой способ для изготовления кольца турбины из композиционного материала с керамической матрицей.
Полученная после уплотнения цельная деталь может быть использована в качестве готового статора компрессора или в качестве готового соплового аппарата турбины. Как вариант, в особенности для соплового аппарата турбины, деталь может быть разрезана на сектора, каждый из которых содержит сектор внутреннего бандажа, сектор наружного бандажа, по меньшей мере, две направляющие лопатки или, возможно, по меньшей мере, три направляющие лопатки, когда это требуется, в особенности для упрощения сборки.
Таким образом, как для цельной детали, так и для секторов, изобретение отличается тем, что способ, посредством которого изготавливается преформа, позволяет волоконным армирующим нитям быть непрерывными вдоль траектории, которая проходит продольно, по меньшей мере, через две расположенные рядом направляющие лопатки, посредством прохождения через внутренний бандаж и наружный бандаж, или проходит продольно, по меньшей мере, через три расположенные рядом направляющие лопатки посредством прохождения поочередно через внутренний бандаж и через наружный бандаж, при этом такая непрерывность вносит свой вклад в обеспечение высокой степени механической прочности. Существует также непрерывность волоконной армирующей нити вдоль сегментов внутреннего бандажа и наружного бандажа между которыми простираются по меньшей мере две или по меньшей мере три лопатки.
Для детали, образующей цельный статор компрессора или сопловой аппарат турбины, волоконное армирование содержит нити, которые простираются непрерывно вдоль детали, пролегающей вдоль одного из наружного или внутреннего бандажей вокруг его окружности и затем последовательно через все направляющие лопатки, проходя от одной к другой попеременно через наружный бандаж и внутренний бандаж и затем проходя вдоль другого бандажа.
| 1. Компонент газотурбинного двигателя, содержащий внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки, простирающиеся радиально между внутренним и наружным бандажами и прикрепленные к ним, причем в упомянутом компоненте внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки выполнены из композиционного материала, имеющего переплетенное волоконное армирование, уплотненное матрицей, и это волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, пролегающей продольно через по меньшей мере две последовательно расположенные направляющие лопатки и проходящей через внутренний бандаж и наружный бандаж, причем упомянутые по меньшей мере две последовательно расположенные направляющие лопатки простираются между сегментом внутреннего бандажа и сегментом наружного бандажа, при этом нити переплетенного волоконного армирования простираются непрерывно в круговом направлении вдоль всего сегмента внутреннего бандажа и нити переплетенного волоконного армирования простираются непрерывно в круговом направлении вдоль всего сегмента наружного бандажа. | |
| 2. Компонент газотурбинного двигателя по п.1, при этом компонент газотурбинного двигателя представляет собой деталь статора компрессора или соплового аппарата турбины. | |
| 3. Компонент газотурбинного двигателя по п.1, в котором волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, проходящей продольно через по меньшей мере три последовательно расположенные направляющие лопатки и проходящей поочередно через внутренний бандаж и наружный бандаж, причем упомянутые по меньшей мере три последовательно расположенные направляющие лопатки простираются между сегментом внутреннего бандажа и сегментом наружного бандажа, при этом нити переплетенного волоконного армирования простираются непрерывно в круговом направлении вдоль сегмента внутреннего бандажа и нити переплетенного волоконного армирования простираются непрерывно в круговом направлении вдоль сегмента наружного бандажа. | |
| 4. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, в котором внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки образуют единую деталь, выполненную из композиционного материала. | |
| 5. Компонент газотурбинного двигателя по п. 4, в котором волоконное армирование включает в себя комплект нитей, простирающихся непрерывно вдоль траектории, проходящей вдоль одного из внутреннего и наружного бандажей вдоль его окружности, и затем последовательно через все направляющие лопатки, и затем вдоль другого одного из внутреннего и наружного бандажей вдоль его окружности. | |
| 6. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, выполненный из множества секторов, причем каждый сектор образует единую деталь из композиционного материала, имеющую сектор внутреннего бандажа, сектор наружного бандажа и по меньшей мере две лопатки, простирающиеся между секторами бандажей и прикрепленные к ним. | |
| 7. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, выполненный из множества секторов, причем каждый сектор образует единую деталь из композиционного материала, имеющую сектор внутреннего бандажа, сектор наружного бандажа и по меньшей мере три направляющие лопатки, простирающиеся между секторами бандажей и прикрепленные к ним. | |
| 8. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, дополнительно включающий в себя по меньшей мере один фланец, прикрепленный к наружному бандажу и простирающийся от него радиально наружу. | |
| 9. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, дополнительно включающий в себя часть, прикрепленную к внутреннему бандажу, и определяющую на его внутренней стороне гнездо U-образного поперечного сечения, которое открыто по направлению к внутренней стороне. | |
| 10. Компонент газотурбинного двигателя по п. 1, изготовленный из композиционного материала с керамической матрицей. | |
| 11. Способ изготовления компонента газотурбинного двигателя, образующего статор компрессора или сопловой аппарат турбины, причем компонент имеет внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки, простирающиеся радиально между внутренним и наружным бандажами и прикрепленные к ним, причем способ содержит этапы, на которых: |
изготавливают переплетенную волоконную преформу, включающую в себя первый комплект нитей, которые проходят непрерывно вдоль полной окружности первой части преформы, образующей преформу для внутреннего бандажа, и затем последовательно в продольном направлении вдоль вторых частей преформы, образующих преформы для направляющих лопаток, и также вдоль полной окружности третьей части преформы, образующей преформу для наружного бандажа, причем нити первого комплекта нитей проходят последовательно вдоль упомянутых вторых частей преформы посредством прохождения от одной второй части преформы к следующей попеременно через первую часть преформы и через вторую часть преформы; и
- уплотняют волоконную преформу матрицей.
12. Способ по п.11, в котором этап, на котором изготавливают волоконную преформу, содержит этапы, на которых:
1) плетут волоконную полоску с использованием первого комплекта нитей, простирающегося непрерывно в продольном направлении полоски и содержащего множество слоев параллельных нитей, и второго комплекта нитей, переплетенного с нитями первого комплекта вдоль переплетенных сегментов волоконной полоски, которые отделены друг от друга непереплетенными сегментами, причем волоконная полоска содержит:
- первую часть волоконной полоски, простирающуюся на длину, соответствующую длине первой части преформы, причем первая часть волоконной полоски выполнена из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами;
- вторую часть волоконной полоски, следующую сразу же за первой частью и выполненную из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами, причем переплетенные сегменты второй части волоконной полоски соответствуют вторым частям преформы и имеют длину, соответствующую продольному размеру направляющих лопаток, и непереплетенные сегменты второй части волоконной полоски образуют соединительные части между последовательно расположенными преформами направляющих лопаток; и
- третью часть волоконной полоски, следующую сразу же за второй частью и простирающуюся на длину, соответствующую длине третьей части преформы, причем третья часть волоконной полоски выполнена из переплетенных сегментов, чередующихся с непереплетенными сегментами;
- общее количество переплетенных и непереплетенных сегментов в каждой из первой и третьей частей равно количеству направляющих лопаток; и
2) придают форму волоконной полоске, включая этапы, на которых:
- сворачивают первую часть волоконной полоски;
- складывают вторую часть волоконной полоски так, чтобы разместить ее переплетенные сегменты радиально относительно свернутой первой части волоконной полоски; и
- сворачивают третью часть волоконной полоски;
- непереплетенные сегменты второй части волоконной полоски, которые образуют соединительные части между последовательно расположенными преформами для направляющих лопаток, сцепляют через непереплетенные сегменты поочередно в свернутой первой части волоконной полоски и в свернутой третьей части волоконной полоски.
| 13. Способ по п.12, в котором после сцепления непереплетенного сегмента второй части волоконной полоски, образующего соединительную часть между двумя последовательно расположенными преформами направляющих лопаток, через непереплетенный сегмент первой или третьей волоконной части, упомянутый непереплетенный сегмент второй части волоконной преформы переплетают. | |
| 14. Способ по п.13, в котором выполняют переплетение посредством связи между нитями первого комплекта нитей в упомянутом непереплетенном сегменте второй части волоконной преформы и нитями первого комплекта нитей в упомянутом непереплетенном сегменте первой или третьей части преформы. | |
| 15. Способ по п. 12, в котором на ее конце, удаленном от ее конца, расположенного рядом со второй частью волоконной полоски, первую часть волоконной полоски продолжают четвертой частью волоконной полоски, переплетенной по всей ее длине так, что после ее сворачивания она образует внутреннюю облицовку внутреннего бандажа. | |
| 16. Способ по п.15, в котором изготовление волоконной преформы включает в себя этап, на котором складывают вовнутрь боковые части упомянутой внутренней облицовки для того, чтобы придать ей U-образный поперечный профиль. | |
| 17. Способ по п. 12, в котором на ее конце, удаленном от ее конца, расположенного рядом со второй частью волоконной полоски, третью часть волоконной полоски продолжают пятой частью волоконной полоски, которая переплетена по всей ее длине так, чтобы после ее сворачивания она образовывала наружную облицовку наружного бандажа. | |
| 18. Способ по п.17, в котором пятая часть волоконной полоски имеет ширину, которая больше, чем ширина третьей части, и изготовление волоконной преформы включает в себя этап, на котором складывают в наружном направлении по меньшей мере часть упомянутой наружной облицовки, которая выступает в боковом направлении относительно третьей части волоконной полоски. |
