АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТРУКТУРНОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД
Ресурс и надежность авиационных двигателей в основном определяются несущей способностью лопаток компрессора (рис. 1), являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами. Лопатки компрессора самая массовая, высоконагруженная и ответственная деталь авиационного двигателя. Особенностью лопаток компрессора является то, что они первыми встречаются с инородным телом (птица, град и др.), попавшим в тракт двигателя.
Риски, забоины, эрозионные повреждения и др. дефекты значительно увеличивают уровень локальных вибронапряжений, что резко снижает прочностные характеристики лопаток. Поэтому создание благоприятного сочетания свойств поверхностного слоя на финишных отделочно-упрочняющих операциях оказывает большое влияние на повышение несущей способности лопаток ГТД. Актуальной задачей является оценка влияния поверхностного деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток при соударении с посторонними предметами.
Рисунок 1 – Примеры конструкций лопаток компрессора: а) с хвостовиком типа ласточкин хвост; б) с антивибрационными полками; в) с шарнирным хвостовиком; г) с трапецеидальным хвостовиком
В настоящее время при изготовлении лопаток компрессора широкое применение получили методы пластического деформирования и механической обработки, а также комплексные технологии на финишных операциях технологического процесса (Виброабразивная обработка; Ультразвуковая обработка шариками; Пневмодробеструйная обработка; Магнитно-абразивное полирование).
Также на сегодняшний день актуальной проблемой является повышение износостойкости лопаток компрессора. В связи с этим все более широкое применение получили различные виды комплексных технологий — нанесение плазменных покрытий в сочетании с различными отделочно-упрочняющими методами.
Целью данной работы является повышение долговечности и качества лопаток компрессора ГТД за счет совершенствования структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД. В соответствии с поставленной целью в работе планируется решить следующую задачу: провести анализ современного состояния структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД.
Лопатки ГТД работают в условиях высоких температур, достигающих для турбины свыше 1200 °С, для компрессора свыше 600 °С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя - быстрый нагрев в момент запуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя - вызывает циклическое изменение термических напряжений, характеризуемое как тепловая усталость. Кроме этого, профильная часть пера и хвостовик лопатки, помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и крутящего момента от скоростного газового потока, испытывают знакопеременные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.
Надежность работы рабочих лопаток компрессора и турбины зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя хвостовика и пера лопаток. В поверхностном слое образуются конструктивные и технологические концентраторы напряжений, он испытывает влияние наклепа и внутренних остаточных напряжений от механической обработки. Кроме того, поверхностный слой подвергается воздействию внешних нагрузок, при основных видах напряженного состояния (изгибе, растяжении, кручении) внешней среды. Эти негативные факторы могут привести к разрушению лопатки, и, следовательно, к выходу из строя газотурбинного двигателя.
Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обуславливается рядом факторов, главными из которых являются:
сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;
высокая точность изготовления;
применение дорогостоящих материалов, таких, как легированные стали и титановые сплавы;
массовость производства лопаток;
оснащенность технологического процесса дорогостоящим специализированным оборудованием;
высокая трудоемкость изготовления.
Для производства лопаток ГТД на сегодняшний день характерны следующие виды механической обработки:
протягивание;
фрезерование;
вальцевание;
полирование;
виброполирование или виброшлифование;
термообработка.
Повышенные требования к точности исполнения отдельных элементов деталей и сборочных единиц, к качеству поверхностей и соединений определили следующие основные направления совершенствования технологических процессов производства.
1. Создание новых и совершенствование традиционных методов получения заготовок:
отливок из жаропрочных сплавов с направленной кристаллизацией или монокристаллических отливок в оболочковые формы по выплавляемым моделям для формирования бесприпусковых заготовок по перу для лопаток первых ступеней турбины; со сложными пространственными поверхностями из труднообрабатываемых материалов, полученных горячим деформированием материалов в условиях сверхпластичности;лопаток с высокой точностью профиля пера для различных ступеней компрессора с использованием высокоскоростной штамповки;лопаток горячей и холодной вальцовки;штамповкой в закрытых штампах;колец больших диаметров с малой толщиной стенки раскаткой при непрерывном нагреве зоны раскатки токами высокой частоты;близких к форме готовой детали с использованием эффекта сверхтекучести материала;методами порошковой и гранульной технологий.
2. Создание новых и совершенствование традиционных
методов
обработки заготовок:
лазерной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, имеющих ажурную тонкостенную конструкцию высокой точности;высокоточной сварки заготовок из тонколистовых материалов для крупногабаритных конструкций;электрохимической обработки (ЭХО) материалов при формировании сложных пространственных профилей заготовок;электроискровой (ЭИ) и электроимпульсной (ЭИМ) обработки для получения отверстий малого диаметра в жаропрочных титановых сплавах;ультразвуковой обработки для интенсификации процесса резания металлов при точении, шлифовании, нарезании резьб, а также в процессе сборки и контроля качества продукции;деформационно-упрочняющей обработки поверхностей деталей.
3. Использование и создание нового оборудования и оснасткидля производства деталей современных ГТД:
многоцелевого оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ); гаммы станков для ЭХО-, ЭИ-, ЭИМ-методов обработки заготовок; универсально-сборных приспособлений (УСП) - установочных кассет для ориентирования заготовок в технологической системе.
4. Создание и применение высокоточных методов контроля иустройств
геометрических параметров деталей, качества поверхностей,качества материала и элементов соединения сборочных единиц; оптико-электронных бесконтактных устройств с приборами с зарядной связью (ПЗС) для контроля и хранения в памяти ЭВМ фактических значений параметров деталей и сборочных единиц;лазерных установок для контроля труднодоступных и высокоточных элементов деталей и сборочных единиц;универсальных и специализированных координатно-измерительных машин (КИМ) с ЧПУ;неразрушающих методов контроля для оценки качества материала и соединений;контрольно-измерительных электронных головок для контроля качества заготовок и управления технологическим процессом и т.д.
5. Развитие технологий по созданию термостойких и термобарьерных покрытий деталей высоконагруженного тракта ГТД:
плазменного напыления многослойных покрытий;электронно-лучевой технологии при создании термостойких покрытий;вакуумно-плазменного напыления многослойных покрытий;термического упрочнения многослойного керамического покрытия и т.д.
Таким образом, большое значение в решении проблемы обеспечения ресурса и надежности авиационных ГТД, а также создания двигателей новых поколений имеет разработка, совершенствование и создание новых технологических процессов, методов обработки деталей и оборудования, которые повышают не только производительность, но и качество изготовления.
Появление современных типов и модификаций авиационных двигателей непрерывно сопровождается новыми конструкторскими решениями, влекущими за собой технологические трудности. Для их своевременного преодоления и сокращения разрыва между «идеальной», с точки зрения конструкции, и «реальной», с точки зрения технологии изготовления детали, необходимо активно внедрять в производство прогрессивные методы механической и отделочно-упрочняющей обработки.
Литература
1. Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. — М.: Машиностроение. 2002. — 328 с.; ил.
2. Богуслаев В. А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. -К.: Издательская фирма «Манускрипт»,1993.-332с. 3. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пухальская Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД – Запорожье, изд. ОАО «МоторСич», 2005 г. – 559 с. 4. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели: Учебник для студентов авиационных вузов. М.: Машиностроение, 1969—544 с. 5. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm ОАО «Наро-Фоминский машиностроительный завод» Компрессорные лопатки ГТД 6. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm Д.т.н. Юрий Елисеев, генеральный директор ФНПЦ ММПП "Салют", Перспективные технологии производства лопаток ГТД