СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОЧНЫХ ВЕНЦОВ ТУРБОМАШИН И НАСОСОВ Советский патент 1967 года по МПК B29C53/60 B29C53/82 B29D15/00 

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

отдельных лопаток, изготовленных одинаковым способом, может изменяться в широких пределах. Меньшую механическую прочность имеют лопатки, изготовленные методом пропитки стекловолокнистого наполнителя под давлением. При этом способе смолу с катализатором под низким давлением вводят в закрытую прессформу со стекловолокнистым наполнителем. После пропитки наполнителя

производят формовку.

Все армированные пластики характеризуются высоким отношением прочности к весу, но самое высокое отношение, в несколько раз большее, чем в случае других типов усиливаюnuix наполнителей, достигается при изготовлении деталей посредством непрерывной обмотки стекловолокном или стеклонитью. По прочности такой пластик не уступает лучшим сортам термообработанной стали, а по весу

в четыре раза легче. Прочноеть на разрыв такого материала достигает 150-180 кг/мм-, а сопротивление изгибу 140-150 кг/мм-.

Однако ассортимент изделий, изготавливаемых методом обмотки стеклонитью, как у нас,

так и за рубежом, ограничивается круглыми и трубчатыми формами, применяемыми в качестве обтекателей труб и емкостей различного типа, работающих под давлением. В тех случаях, когда по условиям эксилуают преобладающие нагрузки в одном какомлибо направлении, возможно создание анизотропных свойств стеклопластика за счет армирования стеклянными волокнами, расположенными параллельно одно другому в направлении главных растягивающих усилий. Примером таких деталей являются лопатки рабочих колес турбомашин, на которые действуют больщие растягивающие нагрузки. Поэтому при изготовлении лопаток из стеклопластика, пакеты стекловолокнистого наполнителя собирают из стеклошпона, в котором все волокна уложены в одном направлении. Раскрой шпона ведется таким образом, чтобы направление волокон совпадало с радиальным. Сдельная прочность такого анизотропного материала при растягивающих нагрузках достаточно высока.

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

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

Причина образования трещин и выкрашивания связующего в лопатках из пластика кроется в том, что в противоположность пропитке хлопчатобумалсного или шелкового волокна при пропитке стекловолокнистого наполнителя смола в структуру волокна не проникает, а лишь обволакивает поверхность волокон и нитей. К тому же в процессе пропитки и прессования связующее не проникнет на всю глубину стеклянной нити. Поэтому основное требование для получения высокой прочности, заключающееся в равномерном распределении усилий между волокнами при нагружении изделия, не соблюдается. Этим и объясняется треск при прочностных испытаниях изделий из стеклопластика, который появляется намного раньше разрушающей нагрузки. Паружный осмотр, проводимый после снятия нагрузки, обычно не выявляет каких-либо повреладений, кроме микротрещин, которые при многократно повторяющейся нагрузке вызывают выкрашивание связующего и последующее разрушение, наступающее при нагрузках, иногда в несколько раз меньших разрушающей нагрузки, приложенной один раз.

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

обычпых способах выполпенпя железобетонных конструкций не давали ощутимого результата. Только создание искусственного обжатия бетона позволило наиболее целесообразно

использовать высокопрочные материалы и создать конструкции, безопасные в отношении прелсдевременного образования трещин. Всего за три десятилетия, прошедшие со времени проведения первых удачных опытов, применение предварительно напряженного железобетона получило шпрочайшее распространение во всем мире и позволило создать сооружения, немыслимые при применении обычных л елезобетонных конструкций.

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

вибростойкость и трещинностойкость при переменных нагрузках.

Эти новые качества предвар.ительно напряженного стеклопластика обеспечиваются тем, что с приложением к элементу внешней нагрузки напрялсения, вызванные ею, будут суммироваться с предварительным напряжением, причем в связующем могут быть обеспечены только сжимающие напряжения или, в крайнем случае, растягивающие напряжения, не

превышающие предельной величины, при которой еще не появляются трещины.

Полученные тем или иным путем предварительно напряженные стеклопластики имеют следующие преимущества перед обычными:

гарантированная расчетом безопасность против преждевременного появления трещин; возможность рационального использования высокой прочности стекловолокна и наполнителя, оптимально дополняющих друг друга; повышенная л есткость (меньше прогибы), вследствие отсутствия волосных трещин и наличия в элементах (изгибаемых) деформаций, полученных при предварительном напряжении, обратных по направлению деформациям

от нагрузки; большая долговечность деталей; более высокий предел выносливости, обусловленный незначительными колебаниями напрялсений в растянутой арматуре при многократно повторяющейся нагрузке.

Пути применения стеклопластика в турбокомпрессоростроении в настоящее время копируют конструктивные и технологические приемы проектирования и изготовления лопаточных машин из металла. Изготовление лодом прессования не избавляет от индивидуальной подгото1 ки замковых соединений, изготовления сложных дисков и других, т. е. количество деталей ири этом не уменьшается.

Для иовышеиия прочности венцов при одновременном снижении их веса предлагается формование лопаток осуществлять путем намотки пропитанной смолой стеклонити на оправку, имеющую форму межлоиаточного канала венца.

Описываемый способ позволяет изготавливать целиком крыльчатку рабочего колеса или направляющий аппарат. При этом межлопаточные каналы могут иметь любую, самую сложную форму, даже для закрытых колес. После выплавки металла натянутое при намотке стекловолокно, сокращаясь, передает сжимающие усилия на связующее. При этом материал лопаток бандажа и обечайки получает новое качество в виде повышенной прочности, трещинностойкости и более высокого иредела выносливости. Необходил1ую механическую доработку лучше проводить до выплавки металла из межлопаточных каналов. Особенно это удобно в том случае, когда нет необходимости в бандаже, и колесо нужно проточить до определенного диаметра. После проточки металл выплавляется и связующее в лопатке получает предварительное обжатие.

Особенно удобен такой метод намотки межлопаточных каналов для изготовления направляющих аипаратоБ турбомащин. Аппарат может быть изготовлен в виде целой круговой рещетки, как на двигателе АЛ-5, или в виде половин. Такая конструкция имеет большую жесткость и достаточно технологична, так как изготовлеиие предварительно напряженных элементов, из которых собирают моноблочную конструкцию, можно производить на намо1 очных станках с высокой ироизводительностью. Оправки для намотки изготовляют в виде отливок или штампуют из различных 1атериалов, позволяющих удалить их из межлопаточных каналов путем выплавления, растворения или другим каким-либо сиособом. Удобным для растворения материалом является мочевина, не дающая усадки после отливки в форму.

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

плавляемых межлопаточных каналов наиоолее предпочтителен из всех существующих.

Одним из самых серьезных ограничеиий для применения пластиков в лопатках компрессоров Г ГД является малая устойчивость против истирания. Под действием абразивной пыли, содержащейся во всасываемом воздухе, стеклопластик, по данным зарубежной печати, изнашивается в 10 раз больше, чем нержавеющая сталь, ив 15 раз больше, чем алюминий. Поэтому различные фирмы разрабатывают предохранительные покрытия лопаток на основе различных материалов. Пекоторые из этих покрытий имеют устойчивость против

истирания лучщую, чем у алюминиевых силавов, применяемых для компрессорных лопаток.

При изготовлении лопаточных венцов методом непрерывной обмотки защитное иокрытие

наносят перед обмоткой на поверхность оправки, затем непосредственно на покрытие производят намотку пропитанной смолой стеклонити. Особый интерес представляют защитные абразивостойкие покрытия на основе эпоксидных и других смол и различных абразивов. Удачное сочетание хорощей адгезии к целому ряду материалов, высокой прочности и эластичности смолы с твердостью абразивных материалов при соответствующем подборе компонентов обеспечивают, как показывает опыт применения таких компаундов в гидротурбостроении, устойчивость против истирания, иревышаюиую у нержавеющей стали. Сцепление покрытия с материалом лопаток при намотке нити на слой компаунда получается очеиь прочным.

При изготовлении лопаточных венцов методом непрерывной намотки становится возможным нанесение защитных металлических покрытий на поверхность пластмассовых лопаток. Сначала металлическое покрцтие наносят на оправку гальваническим способом (например хромирование) или методом напыливания, затем производят намотку, формование и выилавление металла оправки. При этом чистота поверхности покрытия межлопаточного канала зависит только от качества поверхности оправки.

Способ может найти применение при изготовлении экспериментальных венцов турбомащин и в массовом производстве, так как процесс намотки может быть целиком механизирован.

Особенно большие выгоды могут быть получены при изготовлении закрытых колес, так как бандаж, намотанный из стекловолокна, выдерл-сивает гораздо большие окружные скорости, чем изготовленный из стали и алюминиевых сплавов. При этом межлопаточные каналы могут иметь любую, самую сложную форму.

рых радиальный зазор- часто составляет 20- 25о/о высоты лопаток. Применение закрытых колес позволит избежать резкого падения к. п. д., наблюдаемого при уменьшении размеров турбомашин.

В течение ряда лет было спроектировано, изготовлено и испытано несколько суперкавитирующих иолупогруженных винтов для гоночного глиссера с двигателем мощностью 150 л. с. По условиям работы лопасти таких винтов подвержены периодическим ударным нагрузкам при переходе из воздушной среды в водяную. Работоспособными оказались винты, изготовленные фрезерованием из поковок алюминиевых сплавов АК-4 и Д-16, а также винт, изготовленный из стеклопластика описанным выше способом, причем намотку производили стекложгутом шириной 1 мм, пропитанным эпоксидной смолой. Прочность опытных образпов в внде колец диаметром 120 мм и толшиной 5 мм, намотанных из стекложгута и стеклонити, при испытании на растяжении равнялась соответственно 11000 кг/С;и2 и 16200 KZJCM. Поэтому переход к намотке стеклонитью мог бы дать дополнительный резерв по прочности. Винты, изготовленные методом литья ио выплавляемым моделям из различных сталей и алюминиевого сплава АЛ-5, а также винт из стеклопластика, изготовленный методом вакуумной пропитки слоеного пакета из стекломата и стеклошпона с радиальным расположением волокон, разрушались буквально за несколько минут. Причем у литых металлических винтов отламывалась одна из лопастей, а у винта из стеклопластика после

трех минут работы на номинальном режиме наблюдалось расслаивание и разрушение связуюш,его лопастей.

Винт, изготовленный методом намотки стекложгута на оправку из гипса и обработанный иосле проточки бандажа вручную с помощью наждачной бумаги, за два сезона 1959- 1960 гг. наработал на экспериментальном глиссере около 40 час и разрушился вместе с валолпнией при ударе о плававший у поверхности воды деревянный предмет на скорости около 100 км/час.

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

Предмет изобретения

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

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

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