Совершенствование технологии литья корпусов насосов турбонасосного агрегата ЖРД

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование технологии литья корпусов насосов турбонасосного агрегата ЖРД

Г.Г. Крушенко

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) подача в камеру сгорания компонентов топлива ? горючего и окислителя ? осуществляется насосами, которые приводятся во вращение газовой турбиной. В совокупности насосы с газовой турбиной образуют единый энергетический узел ? турбонасосный агрегат (ТНА) - Рис. 1, являющийся одним из основных агрегатов ЖРД [1].

Рис.1. ТНА: корпус насоса горючего: 1 - подвод, 3 - отвод; корпус насоса окислителя: 2 - подвод, 4 - отвод [1].

По условиям эксплуатации комплектующие ТНА детали можно разделить на две группы - подвижные (вращающиеся), к которым относятся вал и смонтированные на нем рабочие колеса, представляющие собой диски с центробежно расположенными лопатками сложного криволинейного профиля, и неподвижные - корпуса (см. рис. 1: насос горючего: 1 - подвод, 3 - отвод; насос окислителя: 2 - подвод, 4 - отвод), внутри которых располагается вал с дисками (ротор) [2].

Вращающиеся детали ТНА работают в исключительно жестких динамических условиях - скорость вращения ротора достигает 60 000 об/мин, вибрация находится в диапазоне частот от 10 до 10 000 Гц, число включений - от 4 до 20 000, числа циклов термомеханического, вибрационного, аэрогидродинамического нагружения - от 10 до 109, скорость движения жидких компонентов топлива - до 200 м/с [3, 4]. Неподвижные детали ТНА - корпуса - работают под высоким внутренним давлением, достигающих сотен атмосфер.

Диски ТНА изготовляют способом литья по выплавляемым моделям из жаропрочных сплавов на никелевой основе. Относительно повышения качества дисков нами проведен целый комплекс работ [5, 6], внедрение результатов которых позволило довести количество годных деталей практически до 100%.

В настоящей работе описаны способы и средства, направленные на повышение качества корпусов ТНА. На рис. 2 показан один из корпусов ТНА перед испытанием на герметичность.

Рис. 2. Отливка одного из корпусов ТНА [http://www.yuzhmash.com/ru/product.php?page=uzliavto]

Литые корпуса ТНА представляют собой массивную деталь, наружная поверхность которой оформляется стенками литейной формы, а внутренняя - песчаным стержнем. Для литья корпусов ТНА применяли доэвтектический алюминиево-кремниевый сплав, который характеризуются высокими технологическими и физико-механическими характеристиками, гарантирующими надежность их работы в сложно-нагруженных условиях [7]. температура турбонасосный агрегат электронагреватель

Однако при этом одной из основных проблем, связанных с производством отливок из алюминиевых сплавов, в том числе и из всего ряда алюминиево-кремниевых сплавов [8], является пористость (пустоты в теле отливок, форма которых близка к глобулярной), источником которой служит водород, поглощаемый расплавом из атмосферы и водородосодержащих соединений (формовочная смесь, шихтовые материалы, рафинирующие средства, футеровка печных агрегатов и др.) [9].

Образующиеся в процессе кристаллизации поры ослабляют сечение отливок, что снижает их механические свойства и ухудшает эксплуатационные характеристики, такие, например, как герметичность - важнейшую характеристику корпусов ТНА [10]. Даже, казалось бы, минимальные отличия плотности сплава оказывают достаточно ощутимое влияние на уровень механических свойств отливок, что было установлено в нашей работе [11] на доэвтектическом алюминиево-кремниевом сплаве АК9ч (8,0-10,5% Si; 0,17-0,30% Mg; 0,20-0,50% Mn; ост. ? Al) - при плотности отливок (определяли методом гидростатического взвешивания) = 2564 кг/м3 временное сопротивление в = 235 МПа, относительное удлинение = 5,0%, тогда как при = 2575 кг/м3, в повысилось до 260 МПа (на 10,4%), а до 5,6% (на 12,0%), а при = 2658 кг/м3 в повысилось до 275 МПа (на 17,0%), а до 8,2% (на 64,0%). При этом плотность повысилась только на 0,43%.

Проблема пористости решается в результате дегазации расплава введением хлорсодержащих соединений, например, хлористого магния MnCl2, гексахорэтана C2Cl6 и др. В результате взаимодействия этих соединений с водородом образуются пары? HCl, которые улетучиваются из расплава. Существуют и другие средства, и способы уменьшения содержания водорода в расплаве (прямая продувка хлором или азотом, обработка током, ультразвуком и др.). В данной работе дегазацию расплава производили гексахлорэтаном.

Другим дефектом отливок из алюминиевых сплавов, являются так называемые «усадочные» дефекты, присутствующие в виде рассеянных или сосредоточенных пустот, что связано с недостатком питания жидким металлом затвердевающего металла [12, 13]. При этом в усадочные пустоты может выделяться и присутствующий в жидком металле водород, образуя, так называемые газово- усадочные пустоты [14].

Обеспечение надлежащего питания отливок производится разными способами, что можно проиллюстрировать на примере освоения литья корпусов ТНА из алюминиево-кремниевого сплава, близкого по составу к американскому сплаву А356 [13], который также характеризуется склонностью к образованию усадочных дефектов.

На начальном этапе освоения корпусные детали ТНА отливали в песчано-глинистые формы, в которых сплав затвердевал с замедленным теплоотводом, что нарушало правило направленного затвердевания металла и вызывало появление усадочных дефектов в тепловых узлах отливок в виде раковин и пористости. С целью оценки соответствия качества корпусов требованиям технической документации их стенки после выбивки стержней и отрезания литниково-питающей системы подвергали 100-процентному рентгенопросвечиванию. Просмотр рентгеновских пленок позволил установить точные координаты и контуры дефектов, после чего их вырубали на нужную глубину, и производили заварку вырубленных мест аргонодуговым способом плавящимися электродами, которые отливали из этого же сплава. Заваренную деталь просвечивали повторно с целью гарантии устранения дефекта. Количество и площади допускаемых таким способом исправлений строго ограничивается приемной документацией, а окончательная пригодность деталей устанавливается в результате пневмо- или гидроиспытаний на герметичность.

Аналогичная технология применяется для выявления и устранения литейных дефектов в кокильных отливках (Рис. 3) корпуса коробки перемены передач (transmission case casting) автомобилей, производимых фирмой Nissan Casting Australia Pty Ltd. (NCAP) [15] из сплава системы Al-Si-Mg, близкого по составу к корпусным сплавам ТНА.

Рис. 3. Отливка корпуса коробки передач автомобиля фирмы Nissan Casting Australia Pty Ltd. (NCAP) [15]

Ввиду достаточно больших трудозатрат по заварке дефектов корпусов, отливаемых в песчано-глинистые формы, а также и относительно большого количества отливок с неисправимыми дефектами, было принято решение перевести их на литье в металлическую форму (кокиль) [16]. В результате был изготовлен механизированный кокиль с вертикальным разъемом полуформ. При этом проектирование, изготовление кокиля и освоение по сути новой технологии, причем в сжатые строки, оказалось достаточно трудоемким мероприятием. Однако в результате стало возможным повысить качество отливок как за счет увеличения скорости охлаждения металла, что приводит к формированию мелкокристаллической структуры отливки, и, как результат, к получению отливок с более высокими механическими свойствами [17], так и за счет уменьшения брака по засорам формовочной смесью.

Кроме того, изучение рентгеновских пленок позволило установить закономерности распределения усадочных дефектов в отливках, после чего с целью предупреждения их возникновения были выполнены приведенные ниже мероприятия:

- на песчаных стержнях устанавливали так называемые «холодильники» - металлические криволинейные пластины разной толщины, которые усиливали в нужных местах теплоотвод от кристаллизующегося металла.

- с помощью принудительного охлаждения нижней части кокиля сжатым воздухом - схема устройства и принцип его работы поясняется рис. 4. [18], и нагрева верхней части электронагревателями был создан температурный режима кокиля от более низкой температуры в его нижней части - к более высокой - в верхней.

Рис. 4. Схема включения автомата регулирования температуры кокиля в цепь электронагревателя: 1 - термопара; 2 - пирометрический прибор; 3 - соленоид; 4 - сердечник соленоида; 5 - рычаг; 6 - шток; 7 - пружина; 8 - трубка подачи воздуха. ПП1 и ПП2 - плавкие предохранители; Р - рубильник; Тр - трансформатор; В - выключатель; К - катушка контактора; Н - электронагреватель [18]

- для покраски рабочих поверхностей кокиля применили хорошо себя зарекомендовавшую при литье из алюминиево-кремниевых сплавов деталей двигателей летательных аппаратов огнеупорную краску (оксид цинка ZnO - 5,76%; диоксид титана - 3,85%; черный графит - 1,92%; жидкое стекло Na2Si03 - 11,54%; вода - 76,93%) [19], и способ ее нанесения с увеличением слоя от нижней к верхней части кокиля, что обеспечивало уменьшение теплооотвода и теплопередачу в направлении от нижней его части к верхней.

Список литературы

1. Иванов В.К., Кашкаров А.М., Ромасенко Е.Н. и др. Турбонасосные агрегаты ЖРД конструкции НПО Энергомаш // Конверсия в машиностроении. 2006. № 1. С. 1521.

2. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / В.А. Моисеев, В.А. Тарасов, В.А. Колмыков и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, - 381 с.

3. Прочность и ресурс ЖРД / Н.А. Махутов, В.С. Рачук, М.М. Гаденин и др. - М.: Наука, 2011. - 525 с.

4. Karimi H., Nassirharand A., Mohseni M. Modeling and simulation of a class of liquid propellant engine pressurization systems // Acta Astronautica. February-March 2010. V. 66, Issues 34. P. 539549.

5. Крушенко Г.Г., Мишин А.С., Бонченков А.А. и др. Совершенствование технологии изготовления цельнолитого ротора из жаропрочных сплавов // Технология машиностроения. 2002. № 3. С. 3940.

6. Крушенко Г.Г., Мишин А.С., Бонченков А.А. и др. Модельная масса для получения отливок из жаропрочных сплавов // Литейное производство. 2002. № 4. С. 18.

7. Прочность и ресурс ЖРД / Н.А. Махутов, В.С. Рачук, М.М. Гаденин и др. - М.: Наука, 2011. - 525 с.

8. Ammar H.R., Samuel A.M., Samuel F.H. Porosity and the fatigue behavior of hypoeutectic and hypereutectic aluminum-silicon casting alloys. International Journal of Fatigue. June 2008. V. 30. Issue 6. P. 10241035.

9. Mitrasinovic A., Hernбndez F.C. R., Djurdjevic M. et al. On-line prediction of the melt hydrogen and casting porosity level in 319 aluminum alloy using thermal analysis // Materials Science and Engineering: A. 25 July 2006. V. 428. Issues 12. P. 4146.

10. Irfan M.A., Schwam D., Karve A. et al. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering А. 15 February 2012. V. 535. P. 108114.

11. Василенко З.А., Крушенко Г.Г., Балашов Б.А. и др. Влияние положения в форме литых испытательных образцов на механические свойства алюминиевых сплавов // Проблемы прочности. 1992. № 1. С. 8082.

12. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд.). 1976. 216 с.

13. Bayani H., Mirbagheri S.M.H., Barzegari M. et al. Simulation of unconstrained solidification of A356 aluminum alloy on distribution of micro/macro shrinkage // Journal of Materials Research and Technology. January?March 2014. V. 3. Issue 1. P. 55?70.

14. Knipp E. Fehlererscheinungen an Gusstucken. Dusseldorf: Giesserei. Verlag GmbH. 1961. 273 s.

15. Tian C., Law J., Touw V.D. et al. Effect of melt cleanliness on the formation of porosity defects in automotive aluminium high pressure die castings // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V. 122. Issue 1. P. 82?93.

16. Бураков С.Л., Вейник А.И., Дубинин Н.П. и др. Литье в кокиль. М.: Машиностроение. 1980. 415 с.

17. Вейник А.И. Кокиль. Минск: Наука и техника. 1980. 352 с.

18. Крушенко Г.Г. Автоматическое регулирование охлаждения литейной металлической формы // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2008. № 4. С. 105106.

19. А.с. СССР № 126237. Защитная краска для кокиля / С.С. Писаревский, Б.Я. Соснин,…Г.Г. Крушенко и др. - БИ.- 1960.- № 4.

Размещено на Allbest.ru