ЛОПАТКА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УКАЗАННОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2016 года по МПК F01D5/14 F01D5/28 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к композитной лопатке турбомашины. В частности, настоящее изобретение относится к композитной лопатке с армированием и матрицей. Более конкретно, настоящее изобретение относится к турбинному двигателю с лопатками согласно настоящему изобретению. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления композитной лопатки с армированием и матрицей.

Известный уровень техники

[0002] Осевая турбомашина содержит ряды расположенных по кругу роторных лопаток для ускорения потока воздуха и ряды расположенных по кругу статорных лопаток, обеспечивающих изменение или выравнивание разгоняемого потока воздуха. Лопатки должны быть легкими для снижения массы турбомашины. В частности, снижение массы роторных лопаток приводит к снижению инерции ротора.

[0003] Тем не менее, снижение массы лопатки не должно сказываться на ее соответствии заданным критериям механической прочности. Лопатка должна выдерживать вибрацию и, возможно, заборы воздуха турбомашиной. Кроме того, роторная лопатка должна выдерживать действие центробежных сил. Выбор композитного материала для изготовления лопатки представляет собой компромиссное решение, направленное на снижение ее веса при сохранении определенного уровня механической прочности.

[0004] В документе FR 2204215 A5 описана композитная роторная лопатка осевого турбокомпрессора. Лопатка содержит основную конструкцию, образованную пакетом листов композитного материала. Эти листы имеют длинные графитовые волокна, заделанные в отвержденную смолу. Кроме того, лопатка содержит несколько слоев проволочной сетки, расположенной между листами композитного материала и переплетенной на основной конструкции. Ячейки металлической сетки заранее заполняют смолой, образующей поперечные связи между смолой пакета в процессе формовки. Однако такая лопатка обладает ограниченной механической прочностью. Кроме того, изготовление такой лопатки требует дополнительных подготовительных операций и манипуляций с листами, что приводит к повышению ее себестоимости.

Краткое описание изобретения

Техническая проблема

[0005] Целью настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из технических проблем, существующих в данном уровне техники. В частности, целью настоящего изобретения является повышение прочности композитной лопатки. Также цель настоящего изобретения заключается в обеспечении способа изготовления лопатки согласно данному изобретению.

Техническое решение

[0006] Настоящее изобретение относится к лопатке турбомашины, при этом лопатка содержит композитный материал с матрицей и армированием, содержащим сетку; лопатка содержит переднюю кромку, заднюю кромку, поверхность корытца и поверхность спинки, где обе поверхности проходят от передней кромки до задней кромки, и отличается тем, что сетка образует трехмерную конструкцию, которая проходит по большей части толщины лопатки между поверхностью корытца и поверхностью спинки и/или по большей части длины лопатки между передней кромкой и задней кромкой.

[0007] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения сетка содержит оболочку, которая определяет пространство, занимающее большую часть толщины лопатки между поверхностью корытца и поверхностью спинки и/или большую часть длины лопатки между передней кромкой и задней кромкой, предпочтительно пространство оболочки занимает большую часть объема между поверхностью корытца и поверхностью спинки.

[0008] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трехмерная армирующая конструкция содержит соединенные между собой стержни, при этом стержни предпочтительно соединены вместе материалом сплошным образом с помощью соединительных узлов, при этом количество стержней, соединенных с соединительными узлами, может меняться.

[0009] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения между стержнями образуются многогранники, которые занимают большую часть объема между поверхностью корытца и поверхностью спинки, предпочтительно больше 75% указанного объема, более предпочтительно больше 95% указанного объема.

[0010] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения конструкция содержит по меньшей мере один, предпочтительно несколько групп соединенных между собой стержней, при этом каждая группа образует соединение, при этом соединение (соединения) проходит по большей части толщины лопатки, и/или по большей части длины лопатки, и/или по большей части высоты лопатки.

[0011] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стержни, образующие соединение, расположены под углом меньше 60° к основному направлению указанного соединения, предпочтительно меньше 45°, предпочтительно меньше 30°.

[0012] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения большинство стержней, соединенных с общим стержнем, расположены под углом больше 10° к общему стержню, предпочтительно больше 25°, более предпочтительно больше 60°.

[0013] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один стержень является в целом плоским и/или по меньшей мере один стержень является в целом сферическим.

[0014] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стержни имеют разную длину и/или разную ширину.

[0015] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения объемная плотность самой сетки составляет 1%-80%, предпочтительно 5%-50%, более предпочтительно 10%-20%.

[0016] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения объемная плотность сетки между поверхностью корытца и поверхностью спинки меняется в зависимости от высоты лопатки и/или от положения между передней кромкой и задней кромкой, предпочтительно лопатка содержит крепежные средства, при этом объемная плотность сетки увеличивается в направлении крепежных средств.

[0017] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения армирование выполнено в виде цельной детали и способом послойного аддитивного наращивания.

[0018] Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения матрицу и армирование изготавливают из разных материалов, матрица содержит термопластичную смолу, а армирование содержит металл, предпочтительно титан.

[0019] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стержни расположены по меньшей мере в трех не лежащих в одной плоскости направлениях, предпочтительно по меньшей мере в четырех не лежащих в одной плоскости направлениях.

[0020] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения армирование содержит также одну или несколько стенок, образующих переднюю кромку, и/или заднюю кромку, и/или поверхность корытца, и/или поверхность спинки лопатки; при этом указанные одна или несколько стенок предпочтительно образуют единое целое с сеткой.

[0021] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трехмерная конструкция проходит через толщину лопатки на большую часть толщины лопатки.

[0022] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трехмерная конструкция проходит перпендикулярно поверхности спинки на большей части толщины лопатки.

[0023] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трехмерная конструкция образует трехмерную сетку.

[0024] Согласно предпочтительному варианту осуществления оболочка может быть общей оболочкой, которая определяет пространство, занимающего большую часть объема между поверхностью корытца и поверхностью спинки.

[0025] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения соединенные между собой стержни прикреплены непосредственно друг к другу.

[0026] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения армирование содержит более ста, предпочтительно более тысячи стержней, соединенных между собой.

[0027] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стержни расположены в объеме между поверхностью корытца и поверхностью спинки.

[0028] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один из стержней изогнут.

[0029] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один стержень имеет переменное поперечное сечение.

[0030] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения вместе стержни образуют многогранники, которые образуют трехмерную сетку.

[0031] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один стержень является в целом квадратным.

[0032] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая группа стержней содержит три стержня, предпочтительно по меньшей мере шесть стержней, более предпочтительно по меньшей мере десять стержней.

[0033] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения соединение (соединения) проходит по толщине лопатки, и/или длине лопатки, и/или высоте лопатки.

[0034] Толщина, длина и высота лопатки рассматривают соответственно в любом сечении, на любой длине и на любой высоте лопатки. Эти размеры могут соответствовать минимальным значениям, средним значениям или максимальным значениям.

[0035] Настоящее изобретение также относится к лопатке турбомашины, при этом лопатка содержит композитный материал с матрицей и армированием; лопатка содержит переднюю кромку, заднюю кромку, поверхность корытца и поверхность спинки, где обе поверхности проходят от передней кромки до задней кромки, и отличается тем, что армирование содержит сеть соединенных между собой полостей, расположенных между поверхностью корытца и поверхностью спинки и заполненных матрицей.

[0036] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения полости сообщаются между собой с помощью образованных в армировании каналов, при этом каналы заполнены матрицей.

[0037] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения полости, как правило, представляют собой многогранники, например кубы или тетраэдры.

[0038] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере одно, предпочтительно несколько, возможно, все ребра многогранников имеют фаску, позволяющую поместить между ними части армирования, образующие соединенные между собой перегородки.

[0039] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения эти перегородки обладают теми же характеристиками, что и стержни армирования лопатки согласно настоящему изобретению.

[0040] Согласно настоящему изобретению все перечисленные выше различные технические характеристики могут сочетаться между собой.

[0041] Также настоящее изобретение относится к способу изготовления композитной лопатки, включающему следующие этапы: (a) получение армирования, содержащего сетку; (b) вставку армирования в форму для литья под давлением; (c) литье под давлением и полимеризация смолы в форме для литья под давлением для заполнения сетки; (d) извлечение композитной лопатки из формы; отличающемуся тем, что армирование на этапе (a) получают способом послойного аддитивного наращивания.

[0042] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трехмерная конструкция армирования содержит соединенные между собой стержни, при этом шероховатость Ra стержней больше 2 мкм, предпочтительно больше 10 мкм, более предпочтительно больше 50 мкм.

[0043] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения толщина слоев составляет менее 200 мкм, предпочтительно менее 50 мкм, более предпочтительно менее 10 мкм.

[0044] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения размер зерен порошка составляет менее 200 мкм, предпочтительно менее 2 мкм, более предпочтительно менее 50 нм.

[0045] Кроме того, настоящее изобретение относится к турбомашине, содержащей по меньшей мере одну лопатку, где указанная лопатка соответствует настоящему изобретению и/или изготовлена посредством осуществления способа изготовления композитной лопатки согласно настоящему изобретению.

Преимущества изобретения

[0046] Настоящее изобретение позволяет усилить композитную лопатку за счет создания трехмерного армирования, проходящего в центр лопатки. Такое армирование обеспечивает равномерную устойчивость лопатки к механическим нагрузкам. Армирование образует неоднородный каркас с помощью стержней, форму которых подбирают, исходя из напряжений, возникающих в композитном материале на соответствующем участке. Кроме того, стержни прикреплены к стенкам, за счет чего повышается прочность всей конструкции.

[0047] Выполнение дополнительного процесса производства позволяет изготавливать лопатку, сокращая количество необходимых для такой лопатки действий. Эта технология способствует получению криволинейных каналов, проходящих вдоль лопатки и выполненных в армировании. Кроме того, технология аддитивного наращивания, например на порошковой основе, позволяет создавать стержни с зернистой поверхностью, способствующей надежному креплению матрицы к каждому стержню.

Краткое описание графических материалов

[0048] На фиг. 1 изображена осевая турбомашина согласно настоящему изобретению.

[0049] На фиг. 2 представлена схема компрессора турбомашины согласно настоящему изобретению.

[0050] На фиг. 3 изображена лопатка согласно настоящему изобретению.

[0051] На фиг. 4 представлено поперечное сечение лопатки согласно настоящему изобретению вдоль оси 4-4, показанной на фиг. 3.

[0052] На фиг. 5 схематически показано расположение стержней армирования лопатки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0053] На фиг. 6 схематически показано расположение стержней армирования лопатки согласно второму варианту осуществления изобретения.

[0054] На фиг. 7 показана схема с этапами способа изготовления лопатки согласно изобретению.

Описание вариантов осуществления изобретения

[0055] В приведенном ниже описании термины «внутренний» или «расположенный внутри» и «наружный» или «расположенный снаружи» относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины.

[0056] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение осевой турбомашины. В данном конкретном случае это двухконтурный турбореактивный двигатель. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, обозначенную как компрессор 3 низкого давления, вторую ступень сжатия, обозначенную как компрессор 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. Во время работы механическая мощность турбины 10, передаваемая через центральный вал на ротор 12, приводит в движение два компрессора 3 и 6. Средства повышения передаточного числа могут обеспечивать повышение скорости вращения, сообщаемой на компрессоры. Как вариант, различные ступени турбины могут соединяться со ступенями компрессоров посредством соосных валов. Они содержат несколько рядов лопаток, связанных с рядами лопаток ротора и статора. Вращение ротора вокруг своей оси 14 вращения создает поток воздуха и обеспечивает постепенное сжатие воздуха вплоть до его подачи в камеру 8 сгорания.

[0057] Всасывающий вентилятор 16 соединен с ротором 12 вентилятора и создает поток воздуха, который разделяется на первичный поток 18, проходящий через вышеупомянутые различные ступени турбомашины, и вторичный поток 20, который проходит через кольцевой канал (изображенный только частично) вдоль машины, который затем соединяется с основным потоком на выходе из турбины. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются кольцевыми; они направляются корпусом турбомашины. Для этого в корпусе предусмотрены цилиндрические стенки или кожухи, которые могут быть внутренними или наружными.

[0058] Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе осевого компрессора турбомашины 2, изображенной на фиг.1. Компрессор 3 может представлять собой компрессор низкого давления или компрессор высокого давления. Показана часть вентилятора 16 и разделительное сопло 22 для первичного потока 18 и вторичного потока 20. Ротор 12 содержит несколько рядов роторных лопаток 24, в данном случае три.

[0059] Компрессор 3 низкого давления содержит некоторое количество выпрямительных устройств, в данном случае четыре, каждое из которых содержит ряд статорных лопаток 26. Выпрямительные устройства связаны с вентилятором 16 или рядом роторных лопаток для обеспечения выравнивания или выпрямления потока воздуха с целью преобразования скорости потока в давление.

[0060] Статорные лопатки 26 выступают существенно радиально из наружного кожуха 28 и могут быть прикреплены с помощью крепежных средств, например резьбового стержня 30. Они расположены на равном расстоянии друг от друга и занимают одинаковое угловое положение относительно потока. В предпочтительном варианте лопатки одного ряда идентичны друг другу. Факультативно расстояние между лопатками может зависеть от их расположения, а также от их углового положения. Некоторые лопатки могут отличаться от других лопаток того же ряда.

[0061] На фиг. 3 показана статорная лопатка 26 выпрямительного устройства согласно настоящему изобретению. Эта лопатка может быть лопаткой компрессора или лопаткой турбины.

[0062] Лопатка 26 содержит перо 32 или тело лопатки, выступающее в кольцевой поток. Оно может содержать наружную полку 34 для крепления к наружному кожуху компрессора. Факультативно лопатка 26 содержит вторую полку, расположенную на внутренней стороне. Крепежные средства 30 могут выступать из полки 34 в противоположном перу 32 лопатки направлении. Перо лопатки может быть прикреплено непосредственно к корпусу турбомашины, например сварным соединением. В этом случае лопатка может не содержать наружную полку. На внутреннем конце лопатки может быть предусмотрено отверстие для крепления к внутреннему кольцу.

[0063] Согласно альтернативному варианту изобретения лопатка может представлять собой роторную лопатку. В качестве средства крепления такая лопатка может содержать шип «ласточкин хвост» для вставки в соответствующий паз ротора. Лопатка может представлять собой лопасть вентилятора.

[0064] Лопатка 26 имеет переднюю кромку 36, расположенную выше по направлению потока, и заднюю кромку 38, расположенную ниже по направлению потока. Кроме того, лопатка имеет поверхность корытца или вогнутую поверхность, расположенную на стороне повышенного давления лопатки, и поверхность спинки или выпуклую поверхность, расположенную на стороне пониженного давления лопатки. Поверхность корытца и поверхность спинки проходят от передней кромки 36 до задней кромки 38. Эти поверхности являются изогнутыми и, соответственно, выпуклыми и определяют форму пера 32 лопатки.

[0065] Лопатка 26 содержит композитный материал с матрицей (не показана) и армированием 40. Армирование 40 может содержать сетку, образующую трехмерную конструкцию. Трехмерная конструкция может проходить по большей части объема пера 32 лопатки, возможно, по всему объему. Трехмерная конструкция может проходить по большей части толщины лопатки между поверхностью корытца и поверхностью спинки. Трехмерная конструкция может проходить по большей части длины лопатки 26 между передней кромкой 36 и задней кромкой 38. Толщина лопатки может измеряться перпендикулярно хорде; длина лопатки может измеряться вдоль хорды.

[0066] Сетка может содержать оболочку, возможно, наружную оболочку. Оболочка может соответствовать всем наружным поверхностям сетки. Оболочка может повторять границы сетки и образовывать контур. Оболочка образует пространство или внутреннее пространство, проходящее или занимающее по меньшей мере 10%, предпочтительно большую часть толщины лопатки 26 между корытцем и спинкой; и/или проходящее или занимающее по меньшей мере 10%, предпочтительно большую часть длины лопатки между передней кромкой и задней кромкой. Факультативно пространство, созданное оболочкой, занимает большую часть объема между корытцем и спинкой.

[0067] Трехмерная конструкция может содержать трехмерную сетку, которая факультативно может определяться многогранниками, заполняющими объем между поверхностью корытца и поверхностью спинки. Многогранники могут быть определены соединительными узлами. Армирование может содержать полости, которые образуют сеть, соединяющую каналы, проходящие по большей части лопатки, которые предпочтительно проходят в целом по всему объему лопатки. Предпочтительно полости заполнены армирующей матрицей. В предпочтительном варианте полка или полки и/или крепежные средства прикреплены к армированию. Предпочтительно они образуют единое целое.

[0068] Как вариант, армирование 40 лопатки 26 может содержать стенку 42, образующую переднюю кромку лопатки. Стенка 42 может представлять собой пластину, проходящую на стороне корытца и на стороне спинки. Армирование 40 лопатки может содержать стенку 42, образующую по меньшей мере часть поверхности спинки или по меньшей мере часть поверхности корытца и предназначенную для защиты лопатки 26 от абразивного износа.

[0069] Трехмерная конструкция может содержать стержни 44. Стержни 44 соединены или закреплены между собой, например, материалом сплошным образом с помощью соединительных узлов. Предпочтительно каждый из стержней соединен непосредственно с другими стержнями, как вариант, с более чем тремя стержнями. Эти стержни 44 могут быть распределены или размещены в объеме между корытцем и спинкой. Эти стержни 44 могут быть распределены или размещены в большей части указанного объема, предпочтительно по всему объему. Стержни 44 могут быть соединены между собой концами. Они расположены конец к концу и предпочтительно расположены под углом к стержням, с которыми они соединены. Факультативно на одном и том же конце стержень может быть соединен с расположенным на одной линии стержнем, количество расположенных на одной лини стержней предпочтительно меньше по сравнению с количеством стержней, соединенных с рассматриваемым концом.

[0070] Предпочтительно армирование 40 образует единое целое. Стержни 44 соединены между собой, образуя единое целое; предпочтительно стенки 42 и стержни 44 также образуют между собой единое целое. Таким образом, стержни 44 прикреплены к стенкам 42 и образуют монолитный механический узел.

[0071] Трехмерная конструкция содержит по меньшей мере одну группу соединенных между собой стержней 44, образующих соединение, предпочтительно несколько групп соединенных между собой стержней, при этом каждая группа образует соединение 44. Соединение может проходить по более 10%, предпочтительно более 80% толщины лопатки; и/или по более 10%, предпочтительно более 80% длины лопатки; и/или по более 10%, предпочтительно более 80% высоты лопатки. Соединения могут проходить от корытца до спинки, возможно в целом под углом к направлениям, перпендикулярным этим поверхностям.

[0072] Каждая группа содержит по меньшей мере три стержня, предпочтительно более двадцати стержней. Каждое соединение имеет основное направление, которое может быть образовано концами рассматриваемого соединения. Стержни одного и того же соединения расположены под углом к его основному направлению, предпочтительно более 5°.

[0073] На фиг. 4 представлено поперечное сечение лопатки вдоль оси 4-4 согласно фиг. 3.

[0074] Средняя толщина армирования 40 может составлять более 10%, предпочтительно более половины среднего расстояния между корытцем 46 и спинкой 48 лопатки. Как вариант, средняя толщина пространства, занимаемого соединенными между собой стержнями 44, соответствует более 10%, предпочтительно более половины среднего расстояния между поверхностью 46 корытца и поверхностью 48 спинки.

[0075] Стержни 44 заделаны в матрицу 50. Матрица 50 занимает большую часть объема пера 32, предпочтительно более 75%. Матрица 50 может образовывать большую часть поверхности 46 корытца и/или поверхности 48 спинки. Стержни 44 могут располагаться заподлицо и образовывать части поверхности 46 корытца и/или поверхности 48 спинки. Матрица 50 может образовывать переднюю кромку 36 и/или заднюю кромку 38.

[0076] Как правило, стержни 44 соединены с другими стержнями 44. Большинство стержней 44 соединены с несколькими другими стержнями 44, предпочтительно с по меньшей мере шестью, в наиболее предпочтительном варианте с по меньшей мере восемью другими стержнями 44. Соединенные между собой стержни 44 образуют непрерывные механические связи, которые проходят от передней кромки 36 до задней кромки 38, и/или от корытца 46 до спинки 48, и/или от внутреннего конца лопатки к наружному концу лопатки. Эти механические соединения могут быть сплошными. Соединенные между собой стержни могут образовывать трехмерную конструкцию. Они могут образовывать трехмерную сетку. Под трехмерным каркасом может подразумеваться, например, группа, содержащая несколько параллельных сеток, соединенных между собой поперечными стержнями.

[0077] Армирование 40 и матрица 50 изготовлены из разных материалов. Армирование 40 может быть изготовлено из металла, предпочтительно титана, возможно, из стали или алюминия. Матрица 50 может представлять собой полимер, например термопластичную смолу, в частности полиэфиримид (PEI). Как вариант, армирование 40 может содержать керамический материал, который предпочтительно может быть выполнен в основном из керамики и содержать полимерную смолу. Согласно другому альтернативному варианту изобретения армирование может быть изготовлено из металла и может содержать керамическую матрицу.

[0078] Модуль упругости армирующего материала может быть больше модуля упругости материала матрицы. Факультативно предел прочности на разрыв материала армирования может быть больше предела прочности на разрыв материала матрицы.

[0079] На фиг. 5 приведена схема расположения стержня 44 части 40 армирования лопатки согласно первому варианту осуществления изобретения. Ориентация стержней может различаться на разных участках.

[0080] Стержни 44 расположены в трех не лежащих в одной плоскости направлениях. Эти три направления могут быть расположены под разными углами друг к другу. Эти три направления могут быть взаимно перпендикулярными. При этом стержни 44 образуют шестигранники, например кубы, ребра которых могут быть расположены под углом к вертикальной оси лопатки.

[0081] Стержни 44 соединены друг с другом от соединительных узлов 52. Соединительные узлы, как правило, распределены в трех группах плоскостей 54. Каждая группа плоскостей 54 содержит параллельные плоскости, при этом группы плоскостей 54 расположены под углом относительно друг друга. Соединительный узел 52 может быть соединен с шестью другими соединительными узлами 52. Соединительные узлы могут быть расположены на группах криволинейных поверхностей, например поверхностей, в целом соответствующих поверхности корытца или поверхности спинки лопатки.

[0082] Стержни 44 в целом имеют одинаковую длину и одинаковое сечение. Стержни 44 могут быть прямыми и круглыми. Однако длина стержней 44 может быть различной, как и их сечения. Сечение одного стержня может отличаться от сечения других стержней. Сечение одного стержня может изменяться, например может меняться его диаметр или форма. Один конец одного и того же стержня может иметь круглое поперечное сечение, а другой - квадратное поперечное сечение. По меньшей мере один стержень может быть изогнутым или может быть угловатым. По меньшей мере один стержень может быть плоским, иметь круглое или квадратное сечение.

[0083] Стержни 44 могут иметь длину менее 40 мм, предпочтительно менее 10 мм, более предпочтительно менее 2 мм. Стержни 44 могут иметь ширину менее 5 мм, предпочтительно менее 0,50 мм, более предпочтительно менее 0,10 мм.

[0084] На фиг. 6 показано расположение стержней 144 части армирования 140 лопатки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Для обозначения идентичных или сходных элементов на фиг. 6 используется та же нумерация, что и на предыдущих фигурах, однако все номера увеличены на 100.

[0085] Стержни 144 расположены в четырех не лежащих в одной плоскости направлениях, предпочтительно в по меньшей мере четырех не лежащих в одной плоскости направлениях. Соединительный узел 152 стержней 144 соединен с четырьмя другими соединительными узлами 152 стержней 144, образующими тетраэдр, в центре которого может находиться общий соединительный узел. Положение и длина стержней зависит от армирования. Четыре направления определяют разные углы между ними (β1, β2, β3, β4, β5, β6). Эти углы могут быть одинаковыми.

[0086] Согласно одному альтернативному варианту изобретения армирующие стержни могут быть расположены в шести направлениях, часть из которых лежит в одной плоскости. Эти стержни могут образовывать пирамиды с треугольным основанием. В этой конфигурации один соединительный узел может быть непосредственно соединен с двенадцатью другими соединительными узлами.

[0087] Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления изобретения схема расположения стержней армирования представляет собой сочетание вышеуказанных расположений стержней.

[0088] На фиг. 7 показана схема с этапами способа изготовления лопатки согласно изобретению.

[0089] Способ изготовления композитной лопатки, включающий следующие этапы, которые выполняют в следующем порядке:

(a) получение (200) армирования, содержащего сетку, способом послойного аддитивного наращивания;

(b) вставка (202) армирования в форму для литья под давлением;

(c) литье (204) под давлением и полимеризация смолы в форме для литья под давлением;

(d) извлечение (206) композитной лопатки из формы;

[0090] Армирование лопатки выполняют способом послойного аддитивного наращивания. Слои могут быть плоскими и/или могут иметь постоянную толщину. Армирование получают из слоев материалов-наполнителей. Материалы-наполнители могут быть нанесены в виде расплава или в виде порошков, которые затем отверждаются. Когезия или отверждение порошков достигается за счет их нагрева, например с помощью лазера или электронного луча.

[0091] Размер зерен порошков составляет менее 0,50 мм. Факультативно порошки представляют собой нанопорошки со средним диаметром зерен, который меньше или равен 50 нанометров. Слои, образующие армирование, могут иметь толщину 0,50 мм, предпочтительно меньше 100 мкм.

[0092] Армирующие слои могут иметь переменную толщину. Например, слои металла толщиной менее 200 мкм, предпочтительно менее 50 мкм, более предпочтительно менее 20 мкм, позволяют обеспечить быстрое охлаждение за счет теплоемкости предыдущих слоев отвержденного материала.

[0093] Слои образуют пакет, который может быть ориентирован по направлению высоты лопатки; направление высоты лопатки может соответствовать радиальному направлению турбинного двигателя. Стержни могут быть расположены под углом к направлению пакета. Предпочтительно большинство стержней расположены под углом к пакету, предпочтительно под углом более 5°, еще более предпочтительно под углом более 20°. Стержни могут располагаться преимущественно под углом к слоям, предпочтительно под углом более 5°, более предпочтительно под углом более 20°.

[0094] Поверхность стержней может быть шероховатой, при этом зерна могут выступать и образовывать полости. Эта шероховатость может обеспечиваться зернами материала, факультативно в форме порошка, когезия которого обеспечивает сохранение общей формы. Шероховатость Ra поверхности стержней может превышать 5 мкм, предпочтительно более 50 мкм. Шероховатость Ra представляет собой среднее арифметическое абсолютных значений отклонений по высоте заданного профиля. Способ позволяет получить металлическое армирование с однородным размером зерна стержней.

[0095] Состояние поверхности способствует сцеплению стержней с матрицей. Попутно следует отметить, что процесс послойного аддитивного наращивания способствует заполнению матрицей зернистой поверхности стержней и, в частности, заполнению возможных полостей в форме.

[0096] Лопатка может быть изготовлена комбинированным способом. Полка и средства крепления могут быть изготовлены путем литья, штамповки, машинной обработки. После этого полку можно использовать в качестве основы, на которой методом послойного аддитивного наращивания будет сформировано армирование.

[0097] Специалистам в данной области техники будет очевидна возможность сочетания разных вариантов осуществления изобретения и альтернативных подходов.

Лопатка турбомашины из композитного материала с матрицей и армированием, содержащим сетку, включает переднюю и заднюю кромки, а также поверхности корытца и спинки, проходящие от передней до задней кромки. Сетка образует трехмерную конструкцию, которая проходит по большей части толщины лопатки между поверхностью корытца и поверхностью спинки и/или по большей части длины лопатки между передней кромкой и задней кромкой. Трехмерная конструкция армирования содержит стержни, соединенные между собой с помощью их соединительных узлов, заделанные в матрицу и имеющие шероховатую поверхность с выступающими зернами. Количество стержней, соединенных с соединительными узлами, является переменным. При изготовлении композитной лопатки получают армирование, содержащее сетку, вставляют армирование в форму для литья под давлением и осуществляют литье под давлением смолы в форму для литья под давлением для заполнения сетки. Затем полимеризуют смолу в форме для литья и извлекают композитную лопатку из формы. Армирование выполняют способом послойного аддитивного наращивания, а сетка образует трехмерную конструкцию, которая содержит стержни, соединенные между собой с помощью их соединительных узлов и имеющие шероховатую поверхность с выступающими зернами. Группа изобретений позволяет повысить прочность композитной лопатки турбомашины. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лопатка (26) турбомашины (2), причем лопатка (26) содержит композитный материал с матрицей (50) и армированием (40), содержащим сетку; лопатка (26) содержит переднюю кромку (36), заднюю кромку (38), поверхность (46) корытца и поверхность (48) спинки, проходящие от передней кромки до задней кромки; сетка образует трехмерную конструкцию, которая проходит по большей части толщины лопатки между поверхностью (46) корытца и поверхностью (48) спинки и/или по большей части длины лопатки между передней кромкой (36) и задней кромкой (38),
отличающаяся тем, что
трехмерная конструкция армирования содержит стержни (44, 144), соединенные между собой с помощью их соединительных узлов (52, 152), заделанные в матрицу и имеющие шероховатую поверхность с выступающими зернами, и при этом количество стержней, соединенных с соединительными узлами, является переменным.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что сетка содержит оболочку, которая определяет пространство, занимающее большую часть толщины лопатки (26) между поверхностью (46) корытца и поверхностью (48) спинки и/или большую часть длины лопатки между передней кромкой и задней кромкой.

3. Лопатка по п. 2, отличающаяся тем, что пространство оболочки занимает большую часть объема между поверхностью (46) корытца и поверхностью (48) спинки.

4. Лопатка (26) по п. 3, отличающаяся тем, что стержни (44, 144) образуют друг с другом многогранники, которые занимают большую часть объема между поверхностью (46) корытца и поверхностью (48) спинки.

5. Лопатка (26) по п. 4, отличающаяся тем, что многогранники занимают более 75% указанного объема.

6. Лопатка (26) по п. 4, отличающаяся тем, что многогранники занимают более 95% указанного объема.

7. Лопатка (26) по п. 4, отличающаяся тем, что конструкция содержит по меньшей мере одну группу стержней (44, 144), соединенных друг с другом, при этом указанная группа образует соединение, при этом соединение (соединения) проходит по большей части толщины лопатки (26), и/или по большей части длины лопатки (26), и/или по большей части высоты лопатки (26).

8. Лопатка (26) по п. 4, отличающаяся тем, что конструкция содержит несколько групп стержней (44, 144), соединенных друг с другом, при этом каждая группа образует соединение, при этом соединение (соединения) проходит по большей части толщины лопатки (26), и/или по большей части длины лопатки (26), и/или по большей части высоты лопатки (26).

9. Лопатка (26) по п. 7, отличающаяся тем, что стержни (44, 144) расположены под углом менее 60° к основному направлению соединения.

10. Лопатка (26) по п. 7, отличающаяся тем, что стержни (44, 144) расположены под углом менее 45° к основному направлению соединения.

11. Лопатка (26) по п. 7, отличающаяся тем, что стержни (44, 144) расположены под углом менее 30° к основному направлению соединения.

12. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что большая часть стержней (44), соединенных с общим стержнем, расположена под углом более 10° относительно общего стержня.

13. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что большая часть стержней (44), соединенных с общим стержнем, расположена под углом более 25° относительно общего стержня.

14. Лопатка (26) по п. 9, отличающаяся тем, что большая часть стержней (44), соединенных с общим стержнем, расположена под углом более 60° относительно общего стержня.

15. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один стержень является в целом плоским.

16. Лопатка (26) по п. 8, отличающаяся тем, что стержни (44, 144) имеют разную длину и/или разную ширину.

17. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что удельная объемная плотность сетки составляет 1%-80%.

18. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что удельная объемная плотность сетки составляет 5%-50%.

19. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что удельная объемная плотность сетки составляет 10%-20%.

20. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что объемная плотность сетки между поверхностью (46) корытца и поверхностью (48) спинки меняется вдоль высоты лопатки (26) и/или от передней кромки (36) до задней кромки (38).

21. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что лопатка содержит крепежные средства (30), объемная плотность сетки увеличивается в направлении крепежных средств (30).

22. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что армирование (40) представляет собой цельную деталь и изготовлено способом послойного аддитивного наращивания.

23. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что матрица (50) и армирование (40) изготовлены из разных материалов, при этом матрица (50) содержит термопластичную смолу, а армирование (40) содержит металл.

24. Лопатка (26) по п. 1, отличающаяся тем, что армирование (40) содержит титан.

25. Способ изготовления композитной лопатки, включающий этапы:
(а) получения (200) армирования, содержащего сетку;
(b) вставку (202) армирования в форму для литья под давлением;
(c) литья под давлением (204) смолы в форме для литья под давлением для заполнения сетки;
(d) полимеризации указанной смолы в форме для литья;
(e) извлечения (206) композитной лопатки из формы;
отличающийся тем, что
армирование на этапе (а) выполняют способом послойного аддитивного наращивания и сетка образует трехмерную конструкцию, которая содержит стержни (44, 144), соединенные между собой с помощью их соединительных узлов (52, 152) и имеющие шероховатую поверхность с выступающими зернами, и при этом количество стержней, соединенных с соединительными узлами, является переменным.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что лопатка является лопаткой по п. 3, при этом шероховатость Ra поверхности стержней (44, 144) больше 2 мкм.

27. Способ по п. 25, отличающийся тем, что лопатка является лопаткой по п. 3, при этом шероховатость Ra поверхности стержней (44, 144) больше 10 мкм.

28. Способ по п. 25, отличающийся тем, что лопатка является лопаткой по п. 3, при этом шероховатость Ra поверхности стержней (44, 144) больше 50 мкм.