Технология и оборудование автоматизированного нанесения припоя при подготовке под пайку сотовых вставок уплотнений газотурбинных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05. 07. 05 Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Технология и оборудование автоматизированного нанесения припоя при подготовке под пайку сотовых вставок уплотнений газотурбинных двигателей

Филиппов Станислав Викторович

Казань 2006

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель: - доктор технических наук, Лунев Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, Хабибуллин Мидхат Губайдуллович;

- кандидат технических наук, Кесель Борис Александрович

Ведущая организация: «СНТК им Кузнецова» г. Самара

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Каримова А.Г.



1. Общая характеристика работы

порошковый припой газотурбинный двигатель

Актуальность работы. Сотовые вставки являются массовой деталью, применяемой в конструкциях радиальных уплотнений турбин и лабиринтных уплотнений газотурбинных двигателей (рис. 1).

Рис. 1. Сотовое уплотнение

Они обеспечивают необходимый уровень зазоров между торцами лопаток и корпусом. Сотовая конструкция уменьшает перетекание газов и способствует поддержанию к.п.д. двигателя, уменьшает износ гребешков бандажных полок лопаток по сравнению с графитовыми вставками. Для турбины диаметром 1 м увеличение зазора с 1 до 5 мм приводит к увеличению удельного расхода топлива более чем на 10 %. Непропай сотовой вставки вызывает отрыв сотового элемента от подложки и образование забоев на лопатках, что приводит к образованию трещин и разрушению лопатки. При заплавлении сотового элемента возникает соударение лопатки с припоем, возникают автоколебания и происходит разрушение лопаток.

Сотовая вставка состоит из подложки и сотового элемента. Согласно технологическому процессу изготовления сотовой вставки подложка и сотовый элемент должны быть припаяны высокотемпературным порошковым припоем. Основными требованиями к технологии и оборудованию для нанесения порошкового припоя в сотовые уплотнения являются точность дозирования по массе, равномерность распределения припоя по сотам, высокая производительность и надежность.

Сыпучие материалы обладают свойством образования сводов над выпускным отверстием дозирующих устройств. То есть при небольших диаметрах выпускного отверстия оно может забиваться и расход через него прекращается. Такая же картина наблюдается при больших диаметрах выпускных отверстий в момент их открытия и закрытия. При кратковременном открытии выпускного отверстия расход сыпучего материала осуществляется при переменной геометрии выпускного отверстия, время сводообразования становится соизмеримым со временем выпуска, все это начинает сказываться на точности дозирования и равномерности распределения припоя.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение точности дозирования по массе и равномерности распределения порошкового припоя по сотам уплотнительных вставок ГТД в условиях автоматизированного производства.

Характер исследований определился, в первую очередь, следующими факторами: принятой схемой нанесения порошкового припоя при переменной геометрии выпускного отверстия, использованием рассеивающих сеток, свойствами смеси высокотемпературного припоя и наполнителя.

В соответствии с этим необходимо было решить следующие задачи:

- систематизировать существующие методы дозирования сыпучих материалов и оценить возможность их применения к нанесению порошкового припоя в сотовые вставки;

- выявить закономерности истечения порошкового припоя при переменной геометрии выпускного отверстия с учетом сводообразования;

- разработать методику и алгоритмы расчета траекторий частиц порошкового припоя при взаимодействии с рабочими органами установки;

- разработать методику определения технологических параметров процесса нанесения припоя, расчета исполнительных узлов оборудования;

- спроектировать и изготовить экспериментальное оборудование для автоматизированного нанесения порошкового припоя сразу на всю поверхность сотовых вставок ГТД.

Научная новизна.

- разработана новая технологическая схема автоматизированного нанесения порошкового припоя в сотовые вставки ГТД;

- проведен комплексный анализ и предложена классификационная схема существующих способов получения неразъемного соединения сотового элемента и подложки;

- описана методика расчета расхода порошкового припоя при переменной геометрии выпускного отверстия с учетом сводообразования;

- исследовано рассеивание порошкового припоя, выявлено влияние различных факторов, характерных для технологического процесса;

- получена методика расчета размеров исполнительных узлов оборудования.

Практическая ценность работы.

Разработаны и внедрены на Казанском моторостроителном производственном объединении технология и оборудование автоматизированного нанесения порошкового припоя на всю поверхность сотовых вставок, обеспечивающая заданную точность дозирования по массе, равномерность распределения припоя по сотам и высокую производительность;

Разработана методика расчета параметров технологического процесса и исполнительных органов дозирующих устройств автоматизированного нанесения припоя.

Личный вклад автора. В работах [2, 4, 5, 7] диссертанту принадлежат основные идеи и результаты. Из совместных статей [6, 8] в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично соискателем. В патентах [1, 3] диссертанту принадлежат теоретическое или экспериментальное обоснование aформулы изобретения.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях «XII Туполевские чтения», Казань, 2004 г.; «Рабочие процессы и технологии двигателей», Казань, 2005 г.; «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей», Москва, 2005г. В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Технологии производства двигателей» и техническом совете ОАО КМПО.

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 8 научных публикаций, в том числе 2 патента на изобретение и 3 статьи в центральных журналах.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 66 наименований. Работа изложена на 130 страницах. Содержит 42 рисунка, 32 графика, 3 таблицы.

2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и важность экспериментально-теоретических исследований равномерного нанесения порошкового припоя в сотовые уплотнения газотурбинного двигателя. Дан анализ отказов газотурбинного двигателя из-за некачественной пайки сотовых уплотнений, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание работы по главам.

В первой главе рассмотрено современное состояние технологии изготовления сотовых конструкций и разработана классификационная схема (рис. 2).

Рис. 2. Классификационная схема

По характеру получения неразъемного соединения сотовых конструкций можно выделить три основных способа их изготовления: применение диффузионной сварки, использования эффекта смачиваемости и с помощью механических дозирующих устройств.

Механические дозирующие устройства для нанесения порошкового припоя в сотовые уплотнения можно разделить на последовательного и параллельного действия. При последовательной схеме нанесения порошкового припоя заготовка перемещается под дозирующим устройством (колеблющимся лотком или вращающимся барабаном) и по мере ее продвижения происходит заполнение ячеек. В работе Зенкова Р.Л. описаны конструкция барабанного дозирующего устройства, которая нашла применение на заводе им. Фрунзе в Самаре, приведена схема вибродозатора, реализованная на НПО «Сатурн» в Лыткарино. При параллельной схеме заготовка неподвижна и порошковый припой наносят сразу на всю поверхность заготовки.

На основе анализа показателей эффективности дозаторов и требований, предъявляемых к детали, предложена схема тарельчатого дозатора (рис. 3).



Рис. 3. Тарельчатый дозатор

Он состоит из бункера 1 с отверстиями на дне, заслонки с отверстиями 2, двух электромагнитов 3, рассеивающих сеток 4. Позиция 5 - заготовка.

Отмечено, что в области механики сыпучих материалов родоначальниками исследований были К. Кулон, Христианович, В.В. Соколовский, Г.И. Покровский, А.Ю. Ишлинский, К.В. Алферов, Р.Л. Зенков, Г.А Гениев, Л.В. Гячев, П.Н. Платонов, П.И. Лукьянов, А.В. Каталымов. Из зарубежных авторов Д. Друккер, В. Прагер, Р. Шилд, Р. Бэгнолд, Р. Квапил.

В основе диссертационной работы лежит схема параллельного нанесения и все проведенные исследования связаны с моделированием истечения порошкового припоя, его рассеивания, расчетом технологических параметров процесса, с реализацией в виде экспериментального оборудования.

Во второй главе диссертации рассматривается истечение порошкового припоя из бункера при переменной геометрии выпускного отверстия с учетом сводообразования (Рис. 4).



Рис. 4. Схема истечения

Для определения площади пересечения двух окружностей АВСД, достаточно определить площадь фигуры АВС и умножить ее на два.

Заслонка совершает возвратно-поступательные перемещения по закону,

,

,

.

Тогда

(1)

Наибольшее сводообразующее отверстие имеет диаметр D, определяемый из соотношения

,



где - диаметр выпускного отверстия, - диаметр частицы.

Тогда наибольшая сводообразующая площадь будет равна:

. (2)

Приравняв правые части выражений (1) и (2) можно определить время сводоразрушения .

.

Время сводообразования определяем вычитанием времени сводоразрушения из половины периода движения заслонки.

, (3)

Результаты расчета по формуле (3) представлены на рис. 5.

Рис. 5. Площадь истечения без учета сводообразования



Рис. 6. Площадь истечения с учетом сводообразования

Пусть при перемещении выпускной заслонки внутри бункера образуется конус истечения (рис. 4).

В некоторый фиксированный момент времени в движущемся потоке сыпучего тела, рассматриваемого в качестве сплошной среды, выделим двумя бесконечно близкими горизонтальными плоскостями элемент толщины . Это возможно вследствие непрерывности (сплошности) исходной модели среды.

На элемент действуют следующие внешние силы:

- сила тяжести, приложенная в центре масс С элемента;

и - вертикальные силы, приложенные к элементу со стороны выше - и нижележащих слоев; - реакции со стороны неподвижного материала, распределенные по площади соприкосновения элемента.

Рассматриваемый элемент при бесконечно малой толщине имеет конечные размеры в горизонтальных направлениях и является некоторой механической системой материальных точек.

Дифференциальное уравнение движения центра масс системы (элемента) в проекции на ось ОХ (см. рис. 5) получает вид:

, (4)



где - масса элемента; - проекция ускорения центра масс С на ось ; - сумма проекций на ось сил реакций со стороны неподвижного материала, распределенных по поверхности соприкосновения элемента; - приращение осевого усилия Р, соответствующее расстоянию .

Найдем величины, входящие в уравнение (4).

Масса элемента определяется формулой:

,

где - плотность, - площадь поперечного сечения конуса истечения на высоте .

Сила тяжести элемента

.

Поскольку силы и в смежных бесконечно близких сечениях по модулю практически одинаковы (их разность бесконечно мала), то силу можно считать пропорциональной сжимающему усилию в сечении .

.

Коэффициент пропорциональности в этой формуле может быть назван для краткости, коэффициентом сопротивления, поскольку он устанавливает пропорциональность между силой сопротивления движению элемента и сжимающим усилием .

Сжимающая сила , действующая на элемент в каком либо сечении , зависит от глубины расположения элемента и изменяется с течением времени. Следовательно, она является функцией двух переменных и :

Приращение осевой силы, полученное за счет изменения абсциссы сечения в фиксированный момент времени , является, по существу, частным дифференциалом силы по переменной .

Учитывая сказанное, подставим найденные значения и в исходное уравнение (4) и разделим полученное выражение на . Придем к дифференциальному уравнению движения сплошной сыпучей среды в виде:

. (5)

Практическое использование уравнения (5) затруднено тем, что ускорение элемента не выражено через закон течения - зависимость объемного расхода от времени.

Эту связь можно получить, воспользовавшись известным соотношением между объемным расходом , скоростью течения и площади поперечного сечения выпускного отверстия , справедливым для несжимаемой сплошной среды.

Следовательно:

.

Продифференцировав скорость элемента по времени, найдем его ускорение



.

Окончательно получим:

.

После подстановки найденного значения ускорения в уравнения (5) и оно примет вид

(6)

В случае конического бункера коэффициент сопротивления равен

,

,

где - угол укладки частиц, - приведенный угол внутреннего трения.

Заменим постоянный множитель .

Перейдем в уравнении (6) от переменной к переменной . Поскольку

, ; ,



то

, , , .

Исходное уравнение после замены переменной примет вид

.

Проинтегрируем уравнение по переменной при . Тогда и выражение, стоящее в правой части уравнения, является функцией только .

. (7)

Приравняв правые части выражения (7) при , и при ,

придем к дифференциальному уравнению движения конечного объема мелкозернистого сыпучего материала, заключенного между плоскостями и , которое можно записать в виде

,

, ,

.

При свободном гидравлическом истечении сыпучего материала из бункера осевые усилия на концевых сечениях и равны нулю (). Кроме того, ордината конечного сечения, совпадающего с отверстием становится равной . Следовательно, и уравнение движения конечного объема упрощается, получая вид

, (8)

причем

,.

Полученное уравнение решено численным методом. Результаты расчета представлены на рис. 7.

Рис. 7. Расход с учетом сводообразования и без

В третьей главе рассматривается траектории частиц при взаимодействии с рабочими органами установки. Возможны восемь вариантов падения частиц (рис. 8).



Рис. 8. Варианты падения частиц

Порошковый припой в зависимости от ряда факторов, таких как: диаметр выпускного отверстия, толщина заслонки и скорость истечения порошкового припоя может иметь различные траектории движения после прохождения заслонки. При малых скоростях перемещения заслонки часть порошкового припоя успевает пролететь расстояние большее толщины заслонки и не ударяется с ней, часть ударяется с заслонкой и приобретает небольшую горизонтальную скорость. В этом случае непосредственно под выпускным отверстием бункера формируется одна большая область припоя - 1 (рис. 9).

Рис. 9. Траектории падения

При больших скоростях перемещения заслонки порошковый припой не успевая пролететь толщину заслонки ударяется с ней и получает большую горизонтальную скорость. Непосредственно под выпускным отверстием припоя нет, и формируются две небольшие удаленные области падения припоя - 3. Скорость, приходящаяся на границу между быстрыми и медленными скоростями перемещения заслонки, при которой часть припоя выпадает непосредственно под выпускным отверстием, а часть рассеивается движущейся заслонкой, формируя область засыпки в виде сплошной полосы 2 (рис. 10) обеспечивает наибольшую равномерность распределения припоя.

Условие соударения с заслонкой. Положение заслонки описывается уравнением .Частица имеет координаты . В момент прохождения окружности выпускного отверстия через точку , ее координаты будут удовлетворять уравнению движения заслонки. Если подставить найденное время в уравнение движения частиц по оси Х и ее координата окажется меньше толщины заслонки h_засл., то это значит, что частица ударилась о заслонку.

,

, .

Если , то частица столкнулась с заслонкой.

Уравнение траекторий частиц после взаимодействия с заслонкой (рис. 10).

Рис. 10. Силы, приложенные к частице



Начальные условия при , ,,,, ,.

Векторное дифференциальное уравнение движения частицы

,

но, т.к. , то получим

.

Проектируя на оси Х, У, имеем

; ,

,

, .

Определяем скорость частицы при отскоке от проволоки. (рис. 11).

Рис. 11. Скорость частиц после столкновения с проволокой сетки



При частично упругом ударе коэффициент восстановления вычисляется по формуле:

.

.

Результат распределения частиц после столкновения с сеткой представлен на рис. 12.

Рис. 12. Распределение частиц



В четвертой главе проводится определение влияния физико-механических характеристик порошкового припоя на параметры технологического процесса нанесения припоя. Построена зависимость предельных касательных напряжений от нормальных. График представлен на рис. 13.

Рис. 13. График зависимости предельных касательных напряжений от нормальных напряжений

Определена дальность полета порошкового припоя при различных скоростях перемещения заслонки (рис. 14).

Рис. 14. Дальность полета частиц

Из графика видно, что при больших скоростях перемещения заслонки дальность полета имеет прямолинейную зависимость от скорости перемещения заслонки.

При малых скоростях перемещения заслонки большая вертикальная скорость истечения припоя из бункера начинает оказывать влияние на дальность полета частиц припоя.

Таким образом, для обеспечения стабильности и равномерности процесса истечения припоя необходимо, чтобы скорость перемещения заслонки обеспечивала минимальную предельную скорость истечения порошкового припоя, а ее толщина обеспечивала возможность распределения припоя в виде сплошной полосы.

Для припоя ВПр-II определен расход при различных скоростях перемещения заслонки (рис. 15) из которых видно, что при постоянной скорости перемещения порошковый припой имеет предельную max и min скорость истечения при кратковременном открытии выпускного отверстия.

Рис. 15. Расход припоя

То есть скорость перемещения заслонки имеет свои границы, за которыми ее изменение не оказывает влияния на расход сыпучего материала. Для обеспечения стабильности расхода необходимо брать скорость перемещения заслонки обеспечивающую предельную скорость истечения сыпучего материала.

Следующим этапом экспериментальных исследований был выбор оптимальных размеров рассеивающих сеток. Минимальный размер ячейки сетки соответствует отсутствию ее забивания и равен пяти диаметрам частицы. Максимальный размер ячейки сетки не должен быть больше диаметра выпускного отверстия бункера.

Критерием равномерности распределения припоя по заготовке является разность между max и min высотой слоя припоя, взятая по средним точкам пяти сечений вдоль детали.

В пятой главе приведены результаты практической реализации диссертационной работы. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 16а) для нанесения порошкового припоя в сотовые вставки (рис. 16б).

а б

Рис. 16. Реализация нанесения припоя сразу на всю поверхность заготовок: а - экспериментальная установка, б - деталь

Рассмотрена ее принципиальная схема и конструкция. Процесс нанесения осуществляется автоматически. Привод заслонки электрический. Оборудование для подготовки под пайку, в первую очередь, проектировалось для высокотемпературного порошкового припоя. При этом учитывалось результаты проведенных исследований сводообразования. Разработана методика расчета дозатора. Главная цель, поставленная при проектировании экспериментального оборудования - создание промышленного прототипа.

На установке были проведены многочисленные экспериментальные исследования, при этом решались следующие задачи:

- определение ограничений на диаметр выпускного отверстия заслонки;

- определение ограничений на размеры рассеивающих сеток;

- оценка возможной производительности установки;

- исследование стабильности процесса нанесения припоя.

На рисунках 17, 18 представлены результаты промышленных испытаний установки. Экспериментальная установка показала высокую точность дозирования по массе, равномерность и стабильность нанесения порошкового припоя в сотовые вставки.

Рис. 17. Точность дозирования по массе

Рис. 18. Равномерность распределения высоты слоя припоя по длине вставки



Основные выводы

1. Определены закономерности для расчета параметров технологического процесса нанесения припоя (размера отверстия от скорости перемещения заслонки; толщины заслонки от скорости перемещения заслонки; зависимость высоты установки сетки от ее параметров) обеспечивающих дозирования по массе и равномерность рассеивания порошкового припоя в соты уплотнительных вставок ГТД.

2. Разработана технология автоматизированного нанесения припоя в условиях серийного производства, обеспечивающая повышение точности дозирования по массе и по равномерности распределения.

3. Создана опытно-промышленная установка для автоматизированного нанесения порошкового припоя в соты уплотнительных вставок ГТД в условиях серийного производства, обеспечивающая повышение производительности в 7-10 раз.

4. Представлена методика расчета технологических параметров процесса, размеров рабочих органов установки в зависимости от требуемых параметров высоты слоя припоя.

5. Результаты исследований внедрены на ОАО КМПО.



Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Патент РФ 2239163 С2 (RU) МКИ 7 G 01F 13/00 Дозатор сыпучих материалов / Лунев А.Н., Лахно П.П. Филиппов С.В./ Б. И., 2004, № 30.

2. Филиппов С.В. Моделирование нанесения порошкового припоя в сотовые уплотнения двигателя // XII Туполевские чтения: Международная молодежная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференции. Том 1. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та 2004. С. 155-157.

3. Патент РФ 2246100 C2 (RU) МКИ G 01F 13/00. Дозатор сыпучих материалов / Лунев А.Н., Лахно П.П. Филиппов С.В./ Б. И., 2005, № 4.

4. Филиппов С.В. Моделирование истечения порошкового припоя при изготовлении заготовок сотовых вставок ГТД //Известия ВУЗов. Авиационная техника. 2005. № 2. С. 65-67.

5. Филиппов С.В. Выбор способа нанесения порошкового припоя в сотовые уплотнения // «Рабочие процессы и технологии двигателей» Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. 23-27 мая 2005 г. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та 2005 С. 178-181.

6. Лунев А.Н., Филиппов С.В. Моделирование распределения порошкового припоя при нанесении в сотовые уплотнения //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2005. № 4. С. 12-14.

7. Филиппов С.В. Моделирование процесса истечения порошкового припоя при изготовлении заготовок сотовых вставок уплотнений ГТД // Материалы конференции «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» Москва: издательство ЦИАМ, 2005. С. 323-325.

8. Лунев А.Н., Филиппов С.В., Казанцев А.Ю. Равномерность рассеивания порошкового припоя при изготовлении сотовых вставок ГТД //Известия. ВУЗов. Авиационная техника. 2006. № 1. С. 48-51.

Размещено на Allbest.ru

...