Удосконалення процесів формування внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток газотурбінних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут авіаційної технології (ВАТ УкрНДІАТ)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення процесів формування внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток ГТД

Спеціальність -- 05.07.04 -- технологія виробництва літальних апаратів

ЗАМКОВОЙ ВАСИЛЬ ЄВГЕНІЙОВИЧ

Київ-2005



Дисертація є рукопис.

Робота виконана у Державному підприємстві “Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро “Прогрес” ім. академіка О. Г. Івченка Міністерства промислової політики України (ДП “Івченко-Прогрес”).

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Сухов Віталій Вікторович,

Інститут спеціальних систем і технологій ІМіС, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Ющенко Костянтин Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

НАН України, заступник директора;

доктор технічних наук, професор Борисевич Володимир Карпович, Міжнародний науково-дослідний інститут нових технологій і матеріалів Національного аерокосмічного університету “ХАІ”, директор.

Провідна установа: Державне підприємство “Харківській науково-дослідний інститут технології машинобудування”, Міністерство промислової політики України, м. Харків

Захист відбудеться “22” грудня 2005 року об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.839.01 при Українському науково-дослідному інституті авіаційної технології за адресою: 04080, Київ-80, вул. Фрунзе, 19-21.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Українського науково-дослідного інституту авіаційної технології за адресою: 04080, Київ-80, вул. Фрунзе, 19-21.

Автореферат розісланий “ 15 “ листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В. Ф. Забашта



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим завданням машинобудування є забезпечення міцності, надійності і довговічності як вузлів і агрегатів машин в цілому, так і їх деталей при мінімальних матеріаломісткості і витратах на виготовлення.

У зв'язку з цим, створення високоресурсних та надійних газотурбінних двигунів (ГТД) - важлива задача сучасного авіадвигунобудування. Одним з елементів конструкції двигуна є лопатка. Складна за своєю будовою, трудомістка у виготовленні, ця деталь в силу, як правило, важких умов та режимів експлуатації є визначальною ланкою, від якої залежить ресурс двигуна. І хоча вже десятиріччя використовуються найрізноманітніші за своєю конструкцією лопатки, технологічний процес їх виготовлення, особливо охолоджуваних зі спрямованою і монокристалічною структурами, ще залишається недосконалим. Він трудомісткий, високовартісний, однак, доволі часто неспроможний повністю задовольнити складні умови експлуатації, в результаті чого суттєво обмежує ресурс та надійність роботи ГТД. Якщо врахувати, що в конструкції ГТД міститься близько 400-600 шт. лопаток, то підвищення якості виготовлення лопаток суттєво знижує можливість руйнування лопаток в експлуатації.

Визначальним у світовій практиці процесом одержання такого типу лопаток є лиття по моделям, що виплавляються. Однак, на заваді його широкого застосування стали поява в відливках дефектів у вигляді “тріщин напруги” та істотний вплив властивостей керамічного стержня на можливості формування складною за конструкцією внутрішньої порожнини лопатки.

отже, актуальним залишаються дослідження, спрямовані на удосконалення відомих і розроблення нових високоефективних методів виготовлення охолоджуваних лопаток ГТД зі спрямованою і монокристалічною структурами.

зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до цільових союзних програм МАП, науково-технічних програм Міністерства промислової політики України: “Державна цільова науково-технічна програма розвитку авіаційного комплексу України до 2000 року”, “Технологія-96”, “Державна комплексна програма розвитку авіаційної промисловості України на період до 2010 року” (Постанова КМ України від 12.12.2001 року № 1665-25), галузева науково-технічна програма “Продукція авіаційної промисловості”.

мета і задачі досліджень. Метою роботи є стабілізація якості виготовлення охолоджувальних лопаток ГТД зі спрямованою і монокристалічною структурами за рахунок удосконалення процесів формування її внутрішньої порожнини з урахуванням сучасних вимог та впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження - технологічні процеси формування внутрішньої порожнини охолоджувальних лопаток та оснащення для їх реалізації.

предмет досліджень - напрямки удосконалення технології формування внутрішньої порожнини лопатки (виключення “тріщин напруги”, оптимізація складу і властивостей керамічного стержня, умови його формування і видалення із лопатки). виробництво виготовлення двигун

Методи дослідження. Аналітичні дослідження виконані з використанням методів математичного моделювання та основоположних фізико-хімічних процесів. Експериментальна частина досліджень проводилася на технологічному устаткуванні як серійного виробництва, так і спеціально створеного, з використанням сучасних фізичних методів дослідження і контрольно-вимірювальної апаратури.

Для досягнення мети у роботі поставлені і вирішені наступні задачі:

1. проведений аналіз дефектів при виготовленні охолоджуваних лопаток зі спрямованою і монокристалічною структурами і висунуті припущення з причин їх появи.

2. установлений механізм утворення дефектів у вигляді “тріщин напруги” і розроблені рекомендації для їх виключення. Запропоновано режим релаксаційного відпалу для зняття напруг у виливках.

3. розроблена математична модель “склад - властивість” керамічного стержня з використанням методу симплекс-решітчастого планування експерименту. Для урахування впливу додаткових факторів (наявність графіту, окису хрому і т. д.) запропонована узагальнена модель.

4. Проведені експериментальні дослідження щодо впливу складу керамічних стержнів на його фізико-механічні характеристики. Розроблені рекомендації з оптимізації складу стержня і по режимах його випалу.

5. на базі математичної моделі лопатки в системі EDS UNIGRAPHICS розроблені віртуальні моделі стержня і прес-форми для його пресування з урахуванням усадки матеріалу стержня після випалу.

6. запропонований спосіб видалення керамічних стержнів із внутрішньої порожнини лопатки і досліджено кінетику процесу. За результатами досліджень розроблено технологію і устаткування для практичної реалізації способу.

7. розроблені, освоєні і впроваджені у виробництво механізовані процеси формування внутрішньої порожнини лопатки на базі оптимального вибору параметрів стержня і прес-форми для його виготовлення з потрібною якістю, ефективного процесу видалення стержня з внутрішньої порожнини виливки лопатки; створення умов, що виключають появу “тріщин напруги” і розтравлювання матеріалу лопатки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вивчені особливості взаємодії кераміки стержня і матеріалу лопатки ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ при ~1600°С та в умовах видалення стержня і на цій основі установлено механізм утворення і особливості розповсюдження дефектів у вигляді “тріщин напруги”, запропоновані методи їх виключення; вперше розроблена математична модель залежності визначальних фізико-механічних властивостей (у₂₀, у₁₅₀₀, с_k, V, W) стержня від складу стержневої маси (Al₂O₃, SiO₂, Al і т. д.).

На базі математичної моделі лопатки в системі EDS UNIGRAPHICS розроблені віртуальні моделі стержня як носія якісних і геометричних параметрів внутрішньої порожнини лопатки і прес-форм для його пресування з урахуванням усадки матеріалу стержня після випалу.

Вперше досліджені умови видалення керамічних стержнів із внутрішніх порожнин виробів при обробці водяними розчинами лугів з концентрацією в розчині гідрооксидів 250-450 г/дм3, температурі 250-450°С і тиску 10-20 МПа.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених дос-ліджень були використані при: розробці технологічних рекомендацій з удосконалення процесів формування внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток із ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ з направленою і монокристалічною структурами (вибір параметрів стержня, виготовлення і видалення стержня, умови виключення “тріщин напруги”); створенні комплексу нового технологічного оснащення та організації дільниць виготовлення і видалення керамічних стержнів. Результати досліджень, розроблене обладнання та оснащення впроваджені на ДП “Івченко-Прогрес”, ВАТ “Мотор Січ”. Реалізація результатів роботи дозволила: у 2-2,5 разів збільшити продуктивність праці; підвищити ресурс лопаток і двигуна в цілому з 2000 до 12000 год. Сумарний річний економічний ефект від впровадження результатів досліджень складає близько 600 тис. грн.

Особистий внесок здобувача полягає в узагальненні результатів металографічних досліджень [1, 2] та причин руйнації лопаток і особливостях отримання моновиливків [2], внесенні пропозиції щодо застосування лужних розчинів для обробки виливків при високих температурах [3], створенні методики проведення досліджень за цих умов та аналізі їх результатів [5, 11], побудові алгоритму математичної моделі фізико-механічних властивостей керамічного стержня, в тому числі узагальненої [6, 8], постановці досліджень і аналізі механізму утворення дефектів у вигляді “тріщин напруги” [7], розробці технологічних процесів та технічних завдань на проектування оснащення, впровадженні результатів у виробництво [4, 10].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях і радах: першій міжнародній науково-технічній конференції “Проектування і виробництво літаків і вертольотів” (вересень 2003 р., сел. Рибальське, Крим); на науково-технічних радах професорсько-викладацького складу Запорізького державного технічного університету в 2004-2005 рр.; міжнародній науково-практичній конференції “Композиційні матеріали в промисловості “СЛАВПОЛІКОМ” (травень-червень 2005 р., Ялта).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 11 роботах, у тому числі в двох монографіях (у співавторстві) і 8 наукових статтях (серед них одна одноосібна), а також у 1 тезі доповіді. Із них 7 опубліковано в виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків і списку використаної літератури. Повний обсяг дисертації 160 сторінок, в т. ч. 33 таблиць, 85 рисунків. Список використаних літературних джерел налічує 103 позиції.



основний ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність запропонованої теми, сформульовані мета і задачі дослідження, відображені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, приведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі проведений аналіз конструктивно-технологічних особливостей внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток ГТД із ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ, розроблених на ДП “Івченко-Прогрес”; етапів формування конструктивних елементів порожнини, стану сучасної технології виготовлення охолоджуваних лопаток.

Найбільш істотний внесок у розвиток сучасної технології виготовлення лопаток ГТД зробили Ю. С. Єлісєєв, Є. М. Каблов, Б. Є. Карасєв, С. Т. Кішкін, В. В. Кримов, Р. Є. Шалін та ін. Необхідно відзначити також внесок українських вчених В. А. Богуслаєва, А. І. Долматова, А. Я. Качана, Б. А. Мовчана, Ф. М. Муравченка, Б. Є. Патона.

Конструкція внутрішньої порожнини лопатки при порівняно невеликому об?ємі відрізняється наявністю великої кількості різних конструктивних елементів (штирів, завихрювачів і т. д.). При жорстких розмірах і високих вимогах експлуатації виготовлення такого типу порожнини являє собою складну технічну задачу. З усіх методів можливого виготовлення подібних конструкцій (штампування, паяння, плазмове напилювання і т. д.) у світовій практиці тільки лиття по моделях, що виплавляються, поки що є єдиним способом надійного виготовлення охолоджуваних лопаток. Після видалення керамічного стержня з виливки лопатки утворюється порожнина з набором необхідних конструктивних елементів.

Частка браку за рахунок процесів, які формують внутрішню порожнину, складає близько 17-18%, що є досить вагомою величиною. Зниження частки браку сьогодні можливо оптимізацією складу і властивостей стержневої маси, удосконаленням технології формування внутрішньої порожнини. Особливо варто звернути увагу на дослідження причин утворення дефектів у вигляді “тріщин напруги” і розробку заходів для їх виключення. Такого типу тріщини характерні для лопаток зі спрямованою і монокристалічною структурами і, як правило, розвиваються зсередини охолоджуваної порожнини, часто не виходять на поверхню лопатки і тому не виявляються застосовуваними у виробництві методами неруйнуючого контролю, що потребує розробки спеціальних методів гарантії їх непояви в готовому виробі.

З метою підвищення якості видалення стержнів на підставі аналізу технологій, які застосовуються автором для подальших досліджень, був запропонований спосіб видалення, який полягає в тому, що виливки обробляються водяними розчинами лугів при концентрації гідрооксидів 250-450 г/дм3, температурі 250 - 450°С і тиску 10,0-20,0 МПа.

Другий розділ присвячений аналітичним дослідженням факторів, що визначають якість формування внутрішньої порожнини в лопатках зі спрямованою і монокристалічною структурами.

Визначальною причиною розвитку крихкості є виділення водню при взаємодії алюмінію та його субокислів, а також заліза, що входять до складу керамічних стержнів і матеріалу автоклава, з лужними і кислотними розчинами при видаленні і макротравленні. У результаті взаємодії водню з матеріалом лопатки утворяться напруги відриву по площині (001), що дорівнюють

(1)

Наприклад, для монокристалу сплаву ЖС26-ВИ для різних орієнтувань напруги відриву відповідно рівні КГО [001] ?_?= 938 МПа; КГО [011]; ?_?= 663 МПа; КГО [111] ?_?= 811 МПа. Найбільші напруги на відрив утворюються при орієнтуванні монокристалу [001], що може привести до передчасного руйнування лопатки. Цей факт був експериментально підтверджений кількаразовим руйнуванням монокристалічних лопаток ТВД і ТСД із КГО найбільш близької до орієнтування [001].

Аналіз термічних умов взаємодії матеріалів лопатки і стержня показав, що величина пружних термічних напруг у металі, викликаних розходженням коефіцієнтів термічного розширення кераміки і жароміцного сплаву, при температурі переохолодження ?T = 900°C виливки зі стержнем відносно температури солідус сплаву (Т??? 1300°С) дорівнює

(2)

і складає 880 МПа, що відповідає межі міцності матеріалу лопатки з монокристалічною структурою і КГО [001].

При дослідженні фізико-механічних властивостей керамічних стержнів від складу стержневої маси методом симплекс-решітчатого планування експерименту була розроблена математична модель “склад - властивість”. У квадратичній моделі типу - межа міцності стержнів при поперечному вигині при кімнатній температурі і температурі заливання блоків, МПа; V - відкрита пористість, %; W - водопоглинання, %; ?_k - удавана щільність, г/см3, за незалежні перемінні прийнято: для електрокорунду Al2O3 - Х1= g%; кварцу пилоподібного SiO2 - Х2 = p%; порошкового алюмінію Аl - Х3= t%. З метою обліку, крім алюмінію Al, інших добавок (графіту, Cr2O3, CaО, MgО, TiО2, Ni та ін.) була побудована узагальнена модель у вигляді кореляційного рівняння

(3)



де - загальний функціонал, а вираз в дужках - первинні функціонали відповідних перемінних .

Для стабільного забезпечення формування всіх конструктивних елементів внутрішньої порожнини лопатки розроблені віртуальні моделі стержня і прес-форми, які основані на математичній моделі лопатки на базі системи поверхневого моделювання EDS UNIGRAPHICS, конструктивних особливостях внутрішньої порожнини та експериментальних даних щодо усадки матеріалу стержня після випалу. Це дозволяє моделювати конструкції стержня і майбутньої прес-форми, оцінювати їх працездатність і технологічність, скоротити час на проектування і підвищити стабільність параметрів стержнів, що пресуються. На останньому етапі моделювання передбачена розробка програм для виготовлення напівформ на верстатах ЧПУ та електродів для ерозійної обробки складних поверхонь, з одночасним розрахунком і проектуванням контрольного і вимірюваного оснащення.

У третьому розділі представлена методика проведення експериментальних досліджень. Властивості стержнів і зразків з 22 дослідних сполук стержневих мас визначалися на приладі МИП-100-2; машині 124GР-2/2300-1, модернізованій для випробувань зразків при високій температурі; спектрометрі ЕХ6500, дифрактометрі HZG-4/A-2, мікрозонді САМЕВАХ і мікроскопі JSNT-300.

Розроблено устаткування (установки, автоклави) і методика дослідження кінетики запропонованого способу видалення керамічних стержнів. За результатами досліджень установлено, що для виготовлення автоклавів необхідно застосовувати сталь ЭП866-ш або сплав ЭИ 437БУ-ВД. Це дозволило в першому випадку істотно знизити об?єм водню, що виділяється, а в другому його повністю виключити.

В четвертому розділі здійснено експериментальну перевірку основних положень аналітичних досліджень. При дослідженні механізму утворення дефектів у вигляді “тріщин напруги” визначався вплив алюмінію і його субокислів шляхом поміщення навантажених зразків зі сплаву ЖС26-ВИ з монокристалічною структурою у водяний розчин NaOH з подальшим доломом після 20-30 хвилин витримки. При цьому в заломах спостерігали типові “тріщини напруги”. Швидкість розвитку крихких тріщин, викликаних наводоражуванням сплаву ЖС26-ВИ, складає 0,05-0,5 мм/хв.

Дослідження без присутності в реактивах алюмінію показали, що після витримки пружно-вигнутих зразків із жароміцних сплавів у лужному розчині протягом 24 годин ознак водневого охрупчування не виявлено. Однак, витримка зразків у розчинах для макротравлення приводить до появи водневих тріщин на зразках із сплаву ЖС26-ВИ після 6 годин, а із сплаву ЖС32-ВИ після 20 годин, за рахунок водню, який виділяється при травленні сплавів.

З метою відтворення зміни морфології водневих тріщин при технологічних нагріваннях провели порівняльне фрактографічне дослідження робочих лопаток (р.л.) ТВД дв. Д18Т із водневою тріщиною після операцій видалення стержня і термообробки. Як показали дослідження, фронт зупинки водневої тріщини, яка має після її утворення еліптичну форму, набуває звивистого характеру в результаті підплавлення берегів тріщини, а на вільній поверхні виявляється мікроструктура сплаву внаслідок вакуумного травлення і дисперсні ограновані частки.

Рентгеноспектральний мікроаналіз розподілення елементів на поверхні водневих тріщин у термообробленій р.л. ТСД дв. Д18Т показав, що дисперсні ограновані частки являють собою карбіди на основі WC, леговані Nb. Металева матриця в проміжках між карбідами не містить домішок лужних металів або легкоплавких хімічних елементів і за своїм складом відповідає металевій матриці в статичному доломі. Отримані дані свідчать про специфічні особливості утворених тріщин, і відповідно про необхідність розробки методу їх виключення.

З цією метою був розроблений оптимальний режим релаксаційного відпалу для зняття напруги у виливках зі сплавів ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ: нагрівання і витримка в печі при температурі 880…900°С протягом 4 годин; охолодження в печі при температурі 600…650°С протягом 1-1,5 годин, подальше охолодження на повітрі.

При дослідженні фазових перетворень у потрійній системі SiO2-Al-C при температурі заливання блоків методом рентгеноструктурного фазового аналізу встановлено, що після відпалу кераміки, яка містить Cr2O3, фіксуються, окрім електрокорунду, SiO2 зі структурою ?-кристобаліту та окис хрому Cr2O3. Після нагрівання цього зразка у вакуумній плавильній печі типу УВНК-8П по режиму заливання сплаву SiО2 переходить у модифікацію мінералу JCPDS Unnamed Miner 2 Si2O7, фаза Cr2O3 не реєструється. Окис хрому при температурі заливання сплаву ~1600°С відновлюється парами алюмінію, присутніми в процесі високошвидкісної направленої кристалізації (ВШНК), а також в атмосфері печі УВНК-8П до металевого стану. Пари металевого хрому дифундують з кераміки, фарбуючи електрокорунд у рожевий колір. Описаний ефект підтверджує можливість нейтралізації в процесі заливання і кристалізації жароміцного сплаву металевого алюмінію, який є у кераміці, а також обумовлює зменшення об'єму керамічного стержня в процесі виливання лопатки, компенсуючи різницю коефіцієнтів теплового лінійного розширення металу і кераміки.

За результатами побудови математичної моделі фізико-механічних властивостей з урахуванням експериментальних даних отримана група рівнянь для кожної функції відгуку ? наприклад

(4)

на основі яких побудовані діаграми зміни величин фізико-механічних характеристик стержнів у залежності від складу вихідної стержневої маси. За допомогою діаграм змін фізико-механічних характеристик стержнів були отримані області допустимих значень їх властивостей та обмеження по складу стержневої маси.

Узагальнений функціонал, що характеризує властивості потрійної системи (Al2O3+ SiO2+Al) із уведенням додаткових факторів (графіту і хрому Cr2O3), має вигляд

Похибка розрахунку загального функціонала при підстановці х4 = 0,5 і х5= 0,5 склала близько 7%.

Практика показала, що забезпечення вимог креслення на внутрішню порожнину охолоджуваних лопаток, насамперед залежить від якості керамічного стержня, яка враховує особливості, що впливають на процес формоутворення стержня (фракційний склад стержневої маси, величина усадки стержня та ін.).

Були проведені дослідження з визначення впливу фракційного складу стержневої маси на величину шорсткості. Крім того, кожна усадка керамічних стержнів контролювалася на удавану щільність, пористість і водопоглинання, а також міцність зразків при вигині при температурах 20°С и 1500°С. Результати дослідження наведені в табл. 1.

За основний фракційний склад стержневої маси обраний склад № 2.



Таблиця 1. Фракційний склад стержневої маси, властивості стержня

№ п/п	Фракційний склад стержневої маси	Шорст-кість,	Удавана щільність г/см3	По- рис-тість, V0, %	Водо-погли-нання, W, %	Міцність при вигині, МПа
	розмір зерна, мкм	вміст, %					Т=20°С	Т=1500°С
1	F120 F250 F500 F1000	20 40 25 5	1,8ч2,2	2,0	35,0	16,0	18,0	1,8
2	F126 F230 F600 F1000	23 36 23 5	1,6ч2,0	2,3	38,0	17,0	28,5	2,15
3	F120 F250 F500 F1000	20 40 43 5	2,1ч2,4	2,2	42,0	22,0	15,0	1,4

Експериментальні дослідження з визначення величини усадки були проведені з застосуванням п'яти типів стержнів при виготовленні лопаток як методом рівновісного лиття, так і методом ВШНК. За результатами узагальнення експериментальних даних (лопатки конструкції ДП “Івченко-Прогрес”):

?при рівновісному литті ступінь усадки складає по: Cmax- 2,7%; довжині профілю - 1,7%; висоті профілю - 2,0%;

? при литті методом ВШНК - в усіх напрямках 0,9-1,0%; (~0,2% - у “сирому” виді, і ~0,8% - після випалу).

При дослідженні запропонованого способу видалення стержнів на першому етапі була проведена серія досліджень по обробці стержневих зразків. Середній ступінь розчинення зразків складає 27,21%, а збільшення концентрації розчину на 150 г/дм3 або добавки 1,0 г СаО сприяють підвищенню ступеня їх розчинення відповідно на 6,56 і 3,47%. Найбільш ефективне розчинення зразків стержнів забезпечується при обробці розчинами лугу концентрацією не менше 300-400 г/дм3 і температурі вище 350°С. В цих умовах розтравлення матеріалу лопатки не спостерігалось.

На другому етапі можливості способу видалення стержнів досліджувались на серійних лопатках трьох типів. Прискоренню процесу видалення стержнів сприяє заміна відпрацьованих розчинів на свіжі, перемішування розчинів і температура процесу, що також підтверджується результатами досліджень при екстремальних умовах на дослідно-промисловій установці.

Після аналізу всіх результатів найбільш ефективними умовами реалізації процесу виявились: середовище - розчин Na2O - 400- 450 г/дм3, температура обробки 380-400°С, тиск 10-20 МПа; кількість циклів - не більше двох, тривалість циклу - 8-16 год., розташування автоклавів - горизонтальне.

У п'ятому розділі наведені результати впровадження досліджень у дослідне і серійне виробництва. Для практичного застосування отриманих даних сформульовані базові рекомендації, виконання яких забезпечує стабільність і якість реалізованого у виробництві процесу.

Для реалізації розроблених рекомендацій у виробничих умовах була проведена розробка та коригування 17 виробничих інструкцій, які в цілому охоплюють повний цикл формування внутрішньої порожнини лопатки із ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ з спрямованою і монокристалічною структурами (вибір параметрів стержня і прес-форми, виключення умов утворення “тріщин напруги” та ін.).

За результатами досліджень і з урахуванням усіх вимог, які стосуються екології та охорони праці, пожежної безпеки в умовах ДП “Івченко-Прогрес” було організоване виробництво керамічних стержнів, яке складається з наступних дільниць: підготовки, змішування і варки шихтової маси (обладнання власної розробки); пресування, підготовки і обжигу стержнів (оснащення власної розробки); видалення стержнів (обладнання власної розробки).

На виробничих дільницях забезпечується виготовлення керамічних стержнів для виливків робочих лопаток із ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ, з спрямованою і монокристалічною структурами, а також порожнистих корпусних виробів із ВХЧЛ-ВИ, ЭИ268л, 10Х18Н9Л. Довжина пера охолоджуваної лопатки 60-180 мм, товщина 3-15 мм, товщина щілини на вихідній кромці 0,35-1,2 мм. Продуктивність ? 300-400 стержнів за зміну.

Проектування і виготовлення технологічного оснащення реалізується за допомогою розробленої системи комп'ютерного моделювання. Система впроваджена у виробництво і на сьогодні забезпечила виготовлення прес-форм і оснащена на 31 найменування стержнів. Формування внутрішньої порожнини лопатки відбувається без утворення “тріщин напруги” і розтравлювання матеріалу лопатки та із забезпеченням вимог конструкторської документації на внутрішню порожнину лопатки.

Результати досліджень і розробок також впроваджені на ВАТ “Мотор Січ”, на якому освоєне серійне виготовлення охолоджуваних лопаток для 17 типів авіаційних газотурбінних двигунів; 4 типів допоміжних силових установок для літаків і вертольотів; 7 типів двигунів наземного застосування для газоперекачувальних агрегатів, генераторів інертних газів і газотурбінних електростанцій, що дозволило, з урахуванням нових конструктивно-технологічних рішень, збільшити ресурс двигуна з 2000 ч. до 12000 ч. Крім того, результати досліджень були передані на ММВП “Салют” (м. Москва, Росія) та ДП НВК “Зоря-Машпроект” (м. Миколаїв, Україна).



ВИСНОВКИ

1. Визначені основні етапи формування і конструктивно-технологічні особливості внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток ГТД із ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ з спрямованою і монокристалічною структурами (лопатки конструкції ДП “Івченко-Прогрес”). Конструкція порожнини відрізняється наявністю в малому обсязі різноманітних конструктивних елементів і високими вимогами до якості виконання.

2. У результаті проведення аналітичних і експериментальних досліджень вивчені особливості взаємодії керамічного стержня і матеріалу лопатки ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ при ~1600°С, а також в умовах видалення стержня, і на цій основі установлені механізми утворення і особливості розповсюдження дефектів у вигляді “тріщин напруги”. Визначальними причинами появи дефектів є термічні умови взаємодії матеріалів лопатки і стержня, виділення водню при взаємодії алюмінію і його субокислів, а також заліза, з кислотним і лужним розчинами. Розроблені методи їх виключення шляхом оптимізації складу матеріалу стержня, застосування релаксаційного режиму відпалу відливок і вибору матеріалу для автоклава.

3. На основі методу симплекс-решітчастого планування досліджень та експериментальних даних вперше розроблена математична модель фізико-механічних характеристик (у20, у1500, сk, V, W) керамічних стержнів у залежності від складу стержневої маси (Al2O3, SiO2, Al), визначені області допустимих значень змінних факторів, що дає змогу вже на стадії проектування лопаток різної конфігурації прогнозувати властивості стержня. З метою обліку, крім алюмінію, інших добавок (графіту, Cr2O3, CaО, MgО, TiО2, Ni і т. ін) була побудована узагальнена модель у вигляді кореляційного рівняння. Для виливання лопаток методом ВШНК рекомендується використовувати такий склад стержневої маси: Al2O3 - 87-88%, SiO2 - 8,6-9%, Al - 3,8-4,0%, Cr2O3 - 2-4%, пластифікатор (більш 100%) не менше 16,5%; величина фракції: 100-120 мкм - 23%, 50-63 - 36%, 14-20 - 23%, 7-10 - 5%.

4. З використанням математичної моделі лопатки в системі EDS UNIGRAPHICS розроблені віртуальні моделі стержня, як носія якісних і геометричних параметрів внутрішньої порожнини лопатки і прес-форми для пресування заготовок стержня з урахуванням особливостей усадки його матеріалу, що дозволяє моделювати конструкції стержня і прес-форми, контрольного і вимірювального оснащення, оцінювати їх технологічність і працездатність, скоротити час проектування. Система впроваджена у виробництво і забезпечує виготовлення прес-форм і оснащення необхідної якості.

5. Запропоновано і досліджено спосіб видалення керамічних стержнів із внутрішньої порожнини лопатки при концентрації лугу до 450 г/дм3, температурі розчину до 450°С і тиску 10- 20МПа. На базі комплексних досліджень визначені умови ефективної реалізації способу видалення стержнів, які виключають розтравлення матеріалу лопатки (середовище - розчин Na2O концентрацією 400-450 г/дм³, температура обробки 380-400?С, тиск 10-20 МПа, циклів - не більше 2, тривалість циклу 8-16 год., розташування автоклавів - горизонтальне).

6. За результатами аналітичних та експериментальних досліджень розроблена нормативно-технічна база у вигляді 17 виробничих інструкцій, які охоплюють повний цикл формування внутрішньої порожнини лопатки із ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ з спрямованою і монокристалічною структурами (вибір параметрів стержня і прес-форми, виключення умов утворення “тріщин напруги” та ін.); створено спеціальне устаткування, оснащення та організовано виготовлення і видалення керамічних стержнів на таких дільницях: підготовки шихтової маси; змішування і варіння маси; підготовки стержнів; видалення і макротравлення. Продуктивність - 300-400 стержнів за зміну. Номенклатура - 31 найменування.

7. Результати досліджень впроваджені в дослідному і серійному виробництвах на ДП “Івченко-Прогрес” і ВАТ “Мотор Січ” при виготовленні охолоджуваних лопаток для 17 типів авіаційних двигунів і 11 типів установок допоміжного та наземного призначення. Виключено брак у лопатках по “тріщинах напруги”, відсутнє розтравлення матеріалу лопатки, конструктивні параметри внутрішньої порожнини лопатки відповідають вимогам технічної документації. Річний економічний ефект від впровадження результатів дослідження складає близько 600 тис. грн.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Часть I. Лопатки компрессора и вентилятора / В. А. Богуслаев, Ф. М. муравченко, П. Д. Жеманюк, В. И. Колесников, В. К. Яценко, А. Я. Качан, Э. И. Цивирко, М. Р. Орлов, В. Е Замковой. В. Ф. Мозговой, О. В. Рубель. - Запорожье: Изд-во ОАО “Мотор Сич”, 2003. - 396 с.

2. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Часть II. Лопатки турбины / В. А. Богуслаев, Ф. М. муравченко, П. Д. Жеманюк, В. К. Яценко, А. Я. Качан, Э. И. Цивирко, М. Р. Орлов, В. Е Замковой, В. Ф. Мозговой, О. В. Рубель. - Запорожье: Изд-во ОАО “Мотор Сич”, 2003. - 420 с.

3. А.с. № 1738470А1СССР В22Д 29/00 Способ удаления корундовых стержней из внутренних полостей изделий / А. И. Иванов, Ю. П. Насекан. Г. И. Пейчев, В. М. Литвин, Г. П. Калашников, В. Е. Замковой В. Г. Клочихин, В. В. Медведев, В. Н. Севастьянов, В. П. Коляда. Опубл. 1992. - Бюллетень № 21.

4. Замковой В.Е., Лысенко В. Д. Опыт внедрения технологии и оборудования для удаления стержней из литых лопаток // Вестник Национального технического университета Украины НТУУ КПИ. - вып. 44. - С. 190-191.

5. Обработка щелочными растворами керамических заготовок / В. Е. Замковой, В. Н. Очинский, Г. Д. Житний, В. Д. Лысенко // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2004. - № 1. - С. 161-163.

6. Сухов В. В., Замковой В. Е. Обобщенная модель физико-механических свойств керамических стержней для литья лопаток // Технологические системы № 4 (20). - 2003. - С. 48-50.

7. Исследование механизма образования технологического дефекта “трещин напряжения” в отливках лопаток ГТД / В. Е. Замковой, Н. В. Андрейченко, В. В. Сухов, А. В. Маключенко // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2003. - № 2. - С. 55-58.

8. Замковой В. Е. Алгоритм построения математической модели физико-механических свойств стержней для литья лопаток ГТД // Технологические системы. - № 3(19). - 2003. - С. 32-35.

9. Замковой В. Е. Контроль качества изготовления керамических стержней и полноты их удаления из внутренней полости лопатки // Сборник материалов конференции “Композиционные материалы в промышленности “СЛАВПОЛИКОМ”. - Ялта, 30 мая - 3 июня 2005 г. - С. 303.

10. Замковой В. Е., Сухов В. В., Лысенко В. Д. Участок изготовления керамических стержней для литья лопаток ГТД // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Харьков: НАКУ ХАИ. - 2003. -вып. 20 - С. 58-61.

11. Замковой В. Е., Насекан Ю. П., Лысенко В. Д. Гидрохимический метод удаления стержней из литых лопаток газотурбинных двигателей // Технологические системы. - 2004. - № 2(22). - С. 59-63.



анотацІЇ

Замковой В. Є. Удосконалення процесів формування внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток ГТД. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів. - Український науково-дослідний інститут авіаційної технології. - Київ, 2005.

Робота присвячена розробці і дослідженню методів стабілізації якості формування внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток ГТД з урахуванням сучасних вимог та впровадження результатів досліджень у виробництво. на основі аналітичних та експериментальних досліджень визначені причини утворення дефектів у вигляді “тріщин напруги” і запропоновані методи з їх виключення; розроблені: математична модель “склад-властивість” керамічного стержня, віртуальні моделі стержня та прес-форми для його пресування з урахуванням усадки матеріалу стержня після випалу, запропоновано ефективний спосіб видалення стержня, а також розроблені нормативно-технічна документація та оснащення для впровадження процесів у виробництво.

Ключові слова: охолоджувана лопатка, внутрішня порожнина, “тріщина напруги”, формування, видалення, оснащення.

V. Zamkovoy. “ Improvement of procedures of forming internal cavities of cooled blades of gas turbine engine” - Manuscript.

Thesis for a candidate's of science at specialty 05.07.04 - aircrafts production technology. - Ukrainian research institute of aviation technology. - Kiev, 2005.

Work concern the development and research of methods of stabilization of quality of forming the internal cavities of gas turbine engine's cooled blades, in view of contemporary requirements and manufacturing application of investigations” results. On the basis of analytical and experimental researches the reasons of formation of defects in the form of stress cracks are determined and methods of their exception are developed.

Mathematical model “structure - properties” a ceramic core, virtual models of a rod and moulds for its pressing taking into account the shrinkage of rod material after its turnout are developed. Predictive and environmentally appropriate technology of removal of rod from ingot is proposed. Engineering documentation and equipment for manufacturing application of procedures are developed.

Key words: cooled blade, internal cavity, “stress crack”, forming, removal, equipment.

Замковой В. Е. Совершенствование процессов формирования внутренней полости охлаждаемых лопаток ГТД. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 - технология производства летательных аппаратов. - Украинский научно-исследовательский институт авиационной технологии. - Киев, 2005.

Работа посвящена разработке и исследованию методов стабилизации качества формирования внутренней полости охлаждаемых лопаток ГТД с учетом современных требований и внедрению результатов исследований в производство. На основании аналитических и экспериментальных исследований определены причины образования дефектов в виде “трещин напряжения” и предложены методы их исключения; разработаны: математическая модель “состав-свойство” керамического стержня, виртуальные модели стержня и пресс-формы для его прессования с учетом усадки материала стержня; предложен эффективный способ удаления стержня, а также разработаны нормативно-техническая документация и оснащение для внедрения процессов в производство.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованной литературы.

В первом разделе проведен анализ конструктивно-технологических особенностей внутренней полости охлаждаемых лопаток ГТД с направленной и монокристаллической структурами, состояния современной технологии их изготовления методом литья по выплавляемым моделям. Однако, помехой его широкого применения стали появление в лопатках дефектов в виде “трещин напряжения” и существенное влияние свойств керамического стержня на возможности формирования сложной по конструкции внутренней полости лопатки.

Совершенствование процессов формирования внутренней полости охлаждаемых лопаток и стало основой дальнейших научных исследований.

Второй раздел посвящен аналитическим исследованиям факторов, которые определяют качество формирования внутренней полости в лопатках с направленной и монокристаллической структурами. Установлены определяющие причины развития водородной хрупкости и исследованы термические условия взаимодействия материалов лопатки и стержня. Разработаны: математическая модель зависимости физико-механических характеристик керамических стержней от состава стержневой массы и виртуальные модели стержня с учетом особенностей усадки его материала, пресс-формы, контрольного и мерительного оснащения.

В третьем разделе приведена методика экспериментальных исследований. Исследования проводились на технологическом оснащении как серийного производства, так и специально созданного с использованием современных физических методов и контрольно-измерительной аппаратуры.

В четвертом разделе проведена экспериментальная проверка основных положений аналитических исследований. Подтверждены причины появления “трещин напряжения”, предложены методы исключения этого дефекта. Получены уравнения для определения ?₂₀, ?₁₅₀₀, ?_k V, W, определены значения степени усадки керамического стержня, а также оптимальные условия проведения предложенного в работе способа удаления керамического стержня.

В пятом разделе приведены результаты внедрения исследований в опытное и серийное производство: разработана нормативно-техническая база, создано специальное оборудование и оснащение, исключен брак в лопатках по “трещинам напряжений”, конструктивные параметры внутренней полости лопатки соответствуют требованиям технической документации.

Ключевые слова: охлаждаемая лопатка, внутренняя полость, “трещина напряжения”, формирование, удаление, оснащение.

Размещено на Allbest.ru

...