Функционально-ориентированный анализ традиционной технологии изготовления лопаток турбин газотурбинных двигателей

Размещено на Allbest.ru

Одним из современных подходов к модернизации технологий машиностроения является функционально-ориентированный анализ. Сущность такого подхода трактуется различно. Так, в исследованиях, проведенных А. Н. Михайловым [1] общая идея состоит в том, что изделие разбивается на функциональные элементы, изучаются особенности эксплуатации каждого элемента в изделии, а затем анализируются технологические воздействия средств обработки на каждый функциональный элемент. Установленные в результате такого анализа связи между функциональныеми элементами и способами их обработки определяют структуру технологического процесса. Функционально-ориентированная технология изготовления изделия машиностроения основана на точной топологически ориентированной реализации необходимого множества алгоритмов технологического воздействия орудий и средств обработки в необходимые микро, макро зоны и участки изделия, которые функционально соответствуют условиям их эксплуатации в каждой отдельной его зоне. При этом их вид, тип, вариант, количество, качество и алгоритм технологического воздействия целенаправленно определяются, а также топологически, функционально и количественно ориентируются при их реализации в отдельные зоны изделия в зависимости от заданных функциональных особенностей их эксплуатации. Первым этапом разработки такой технологии является анализ традиционного технологического процесса, который позволяет систематизировать имеющийся опыт изготовления данного изделия, и выявить достоинства и недостатки сложившихся подходов.

Лопаткой (рисунок 1) называют деталь турбокомпрессора и/или турбины газотурбинного двигателя (ГТД), предназначенную для перемещения потока газа (воздуха и продуктов его горения).

Основными конструктивными элементами лопатки являются перо лопатки, бандажные полки, замковая часть (рисунок 2).

Рабочими поверхностями лопатки являются поверхности пера. К ним предъявляются высокие требования прочности, температурной стойкости, точности геометрических параметров и шероховатости поверхности. Кроме того, важным параметром является толщина стенки между наружной поверхностью пера лопатки и внутренним контуром охлаждения.

Рисунок 1 - Лопатка турбины ГТД.

1 - перо лопатки; 2 - бондажная полка; 3 - замковая часть.

Рисунок 2 - Основные конструктивные элементы лопатки.

Для лопаток турбин используются жаропрочные сплавы типа ЖС-3ВИ и др. Помимо этого на поверхность пера наносится керамическое термобарьерное покрытие, обладающее низкой теплопроводностью, толщиной до 0, 25 мм, которое позволяет лопатке работать при высоких температурах.

Перо лопатки имеет сложную пространственную форму с переменным профилем в поперечных сечениях (рисунок 3, сеч. I-IX). Сечения повернуты относительно друг друга, образуя закрутку пера. Внутри пера находится полость лабиринтной структуры для подвода холодного воздуха из компрессора для охлаждения лопаток. При этом стенки пера имеют малую толщину 1, 5…2 мм.

Допускается смещение профиля относительно основных конструкторских поверхностей не более 0, 2 мм.

Исходя из вышеперечисленного, можно выделить следующие особенности лопаток турбины:

высокие требования к качеству материала;

плохая обрабатываемость материала методами резания (коэффициент обрабатываемости 0, 04) ;

сложный пространственный профиль пера высокой точности;

сложная форма профиля замка и высокие требования к качеству поверхностей;

точность расположения профиля пера относительно замка лопатки 0 +0, 2 мм;

наличие внутренней полости охлаждения лабиринтной структуры при малой толщине стенок лопаток;

сложная форма бандажных полок лопаток и высокая точность стыковочных элементов.

Все эти особенности определили следующие основные пути получения исходной заготовки:

Получение заготовки методом штамповки

Создание исходной заготовки методом монокристаллической отливки по выплавляемым моделям;

Создание исходной заготовки без припуска по перу.

Штамповка является более простым методом получения заготовки, однако имеет существенный недостаток: невозможность выполнения внутренних охлаждающих каналов, что является определяющим фактором при производстве лопаток турбин современных ГТД. Поэтому наиболее распространенным методом в настоящее время является литье по выплавляемым моделям.

Рисунок 3 - Координатная система ориентирования лопатки первой ступени турбины ГТД.

На рисунке 4 представлена последовательность технологических процессов и операций получения исходной заготовки лопатки: последовательность подготовки основных элементов исходной заготовки, технологических процессов и средств для изготовления литейной формы, подготовки шихты, нагрева и заливки металла в формы, его охлаждения и выполнения других сопутствующих операций.

Рисунок 4 - Граф технологического процесса получения исходной заготовки лопаток первой ступени турбины

На рис. 5 представлен граф технологических процессов и операций механической обработки лопаток. Представленная последовательность изготовления исходной заготовки и ее механическая обработка обеспечивают главную задачу - выполнение показателей качества. Часть параметров выполняется в начале процесса и в малой степени зависит от выполнения последующих операций. Так, размеры и точность внутренней поверхности полости охлаждения лопаток обеспечиваются за счет точности стержня и качества выполнения операции отливки. Выполнение других операций комплекса практически не влияет на изменение характеристик данной поверхности.

Рисунок 5 - Граф технологических процессов и операций механической обработки лопаток первой ступени турбины

Важным условием при такой схеме изготовления является сохранение точности пера лопатки, полученной при отливке исходной заготовки, и обеспечение заданного расположения (зависимого параметра качества) этого профиля относительно координатной системы замка.

Для бесприпусковых заготовок лопаток параметры расположения профиля пера относительно замка могут быть выполнены двумя путями:

1) базированием заготовок при обработке профиля замка относительно профиля пера;

2) базирование заготовок при обработке профиля замка и профиля пера относительно специальных базовых технологических поверхностей.

В первом и во втором случае параметры точности расположения профиля пера относительно замка достигаются обеспечением качественного изготовления поверхностей заготовок на нескольких операциях технологического процесса.

Таким образом можно сделать вывод, что при традиционной технологии изготовление лопаток турбин является трудоемким и дорогостоящим, низко автоматизированным процессом, требующим использования специализированного оборудования.

Список литературы

технологический процесс лопатка

Михайлов А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения/А. Н. Михайлов. Донецк. ДонНТУ. 2009. -346 с.

Демин Ф. И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей [Электронный ресурс]: [учебник] / Ф. И. Демин, Н. Д. Проничев, И. Л. Шитарев; под. общ. ред. проф. Ф. И. Демина. - 2-е изд. - Самара: Изд-во СГАУ, 2012. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

Резник С. В. Проектирование замкового соединения керамической лопатки и металлического диска газовой турбины: / С. В. Резник, Д. В. Сапронов - Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет) (Москва), 2014. - 9с. ISSN: 0536-1044

Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс] // https: //ru. wikipedia. org/wiki/Лопатка_ (лопасть) #Лопатки_газотурбинных_двигателей

Арефьев Д. П. Лопатки турбин как ответственное изделия машиностроения / Д. П. Арефьев, И. Д. Белоновская. [Электронный ресурс] // http: //elib. osu. ru/bitstream/123456789/5437/2/607-612. pdf

Размещено на Allbest.ru