Технологический процесс сборки пакета ротора турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Технологический процесс сборки пакета ротора турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя



Введение

Работоспособность и надежность агрегатов двигателей летательных аппаратов (ДЛА) в значительной степени зависят от уровня вибраций, представляющих собой сложные колебательные перемещения механической и пневмогидравлической систем.

Источниками вибраций в процессе работы двигателя в значительной степени являются турбоагрегаты, которые испытывают воздействие циклических нагрузок от вращения неуравновешенных роторов, парциальности газового потока, несоосности вращающихся деталей, овальности посадочных поверхностей и т.п. Определяющее влияние на амплитуду и частоту возбуждающих вибрационных сил в системе «ротор-корпус» оказывает неуравновешенный ротор.

С увеличением неуравновешенности ротора вибрации резко возрастают, достигая опасных значений. Вибрации двигателя пилотируемого космического аппарата оказывают к тому же вредное физиологическое влияние на экипаж, приводят к искажению показаний бортовых приборов. Исходя из этого борьба с вибрациями является актуальной конструкторской и технологический проблемой современного аэрокосмического двигателестроения. Для уменьшения неуравновешенности проводят балансировку тел вращения путем изменения их массы или геометрии. В свою очередь непосредственно перед балансировкой ротора ТНА производятся сборочные работы, качество проведения которых в дальнейшем оказывают влияние как на проведение балансировки ротора, так и на работоспособность ротора уже в составе турбонасосного агрегата, именно при первой сборке пакета ротора происходит индивидуальный подбор таких ДСЕ как колеса центробежных насосов, плавающих колец, компенсирующих элементов и т.д.

Таким образом цель данной работы сводится к разработке технологического процесса сборки пакета ротора ТНА, подбору технологического оборудования, необходимых инструментов и материалов для проведения данных работ, основываясь на технической литературе и уже имеющихся технологических процессов для существующих аналогов.

Также в данной работе проведено проектирование специального приспособления для измерения торцевого и радиального биения пакета ротора ТНА, контроль которых в обязательном порядке проводится после сборки пакета ротора.



1. Конструкция сборочной единицы. Описание назначения и условий работы

Изделием является пакет ротора турбонасосного агрегата (ТНА) в сборе от жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) космического аппарата. ТНА в общем предназначен для подачи компонентов ракетного топлива (КРТ) с заданными параметрами в камеру сгорания для поддержания стабильной работы ракетного двигателя (РД). Масса ротора в сборе 1.3 кг.

Данный ТНА является одновальным, двухопорным с центральным расположением турбины, по отношению к опорам расположение колёс насосов консольное. Агрегат является многоразовым, рассчитанным на два включения, с перерывом между включениями до 50 часов, на обоих включениях агрегат должен работать на расчётном режиме. Рабочими жидкостями служат самовоспламеняющиеся компоненты, не криогенные.

Пакет ротора ТНА включает в себя диск газовой турбины в сборе (7), два центробежных колеса горючего и окислителя (10) и (4) соответственно, два шнековых насоса (3) и (11), для крепления шнеков нарезьбовых валиках используются шпонки (2) и (12). В качестве опор пакета ротора ТНА в корпусе используются два шариковых подшипника (5) и (9), причём подшипник горючего (5) воспринимает осевые усилия, а шариковый подшипник (9) установлен таким образом, что в осевом направлении не фиксирован и воспринимает только радиальные нагрузки, смазка подшипников осуществляется основными компонентами. Для обеспечения герметичности и предотвращения утечек компонента в полости турбины используются два импеллера (6) и (8) со стороны области высокого давления насоса горючего и окислителя. Чтобы обеспечить окончательную фиксацию всех деталей и сборочных единиц пакета ротора ТНА используются гайки (1) и (13), которые накручиваются на резьбовые валики.

Турбина является осевой, одноступенчатой, активной и предназначена для создания необходимого крутящего момента на валу, чтобы обеспечивать вращение центробежных колёс, рабочим телом выступают продукты сгорания КРТ в газогенераторе. Диск турбины ТНА выполнен штамповкой совместно с цапфами, которые образуют вместе с диском вал ТНА. Лопатки турбины выполнены точным литьём и присоединяются к диску турбины посредством двухсторонней, многослойной (по шесть швов с каждой стороны) электродуговой сварки.

Цапфы диска выполнены пустотелыми для запрессовки в них двух резьбовых валиков с целью удлинения вала под шнеки.

Центробежные колёса являются частью центробежного насоса, который предназначен для подачи КРТ с заданным давлением и расходом в КС РД. Рабочие колеса насоса окислителя и горючего представлены едиными узлами, состоящими из центробежного колеса и шнекового осевого насоса. Подвод компонентов к центробежным колёсам осевой. Оба рабочих колеса выполнены из алюминиевого сплава. Для повышения кавитационной устойчивости центробежных колёс, на их входе установлены однозаходные шнеки.

Конструкция ротора ТНА определяет условия его работы и его составных частей. С одной стороны, центральное расположение турбины делает возможным использование осевого подвода компонентов к насосам, что снижает возможность возникновения кавитации, также стоит заметить, что это положительно сказывается на технологичности сборки и разборки агрегата.

Если говорить о силовых факторах, то крутящий момент с турбины распределяется симметричночто снижает нагрузку на вал, но с другой стороны центральное расположение приводит к тому, что области высокого давления обоих центробежных колёс обращены к опорам и уплотнениям ТНА, что ухудшает их режим работы и сказывается на их надежности, увеличивается износ подшипников. К тому же центральное расположение приводит к большому градиенту температур, что может вызывать значительные температурные напряжения и деформации.

2. Материалы

Для колеса турбины и лопаток использовался сплав ХН59МВТКЮЛ - многокомпонентный жаропрочный никелевый сплав ЖС3ДК, применяемый для изготовления рабочих лопаток ГТД с равноосной структурой.

Табл. 1

Хим. состав в % стали ХН59МВТКЮЛ
Al	Cr	Mn, Si	Mo	W	Co	Fe	Ni
4.2-4.7	10.8-11.8	?0.4	3.4-4	3.6-4.2	8.7-9.8	?2	0.1-0.5

Для крыльчатки насосов (4) и (10) применяется алюминиевый сплав АВ, который используется для штампованных и кованных деталей сложной конфигурации.

Табл. 2

Хим. состав в % сплава АВ
Al	Si	Mn	Ti	Mg	Zn	Fe	Cu
96.1-98.8	0.5-1.2	0.15-0.35	0.15	0.45-0.9	до 0.2	до 0.5	0.1-0.5

В качестве материала шнеков (3), (11) и импеллеров (6), (8) используется сплав алюминия Д16Т- это конструкционный термоупрочненный и естественно-состаренный сплав.

Табл. 3

Хим. состав в % сплава Д16Т
Al	Si	Mn	Ti	Mg	Zn	Fe	Cu
90.9-94.7	до 0.5-1.2	0.3-0.9	0.15	1.2-1.8	до 0.25	до 0.5	3.8-4.9



3. Технологические требования к сборке

Сборка насосов проводится на участке сборочных работ, исполнителем работ является слесарь.

Общие требования к помещениям заключаются в том, что сборка должна производиться в помещениях, оборудованных приточно-вытяжной вентиляцией. Температура воздуха в помещении должна быть в пределах от 15 до 30 ?С, относительная влажность воздуха в пределах от 30% до 80%.

Сборка пакета ротора должна производиться на специальной тележке-кантователе, тележка перед началом работ должна быть аттестована.

При проведении сборки на рабочем месте слесаря обязательно должен находиться технологический процесс, чертежи по которым производятся работы, чертежи технологической оснастки, а также только тот инструмент, который непосредственно указан в технологическом процессе. Для исключения попадания посторонних предметов во внутренние полости насосов строго запрещается нахождение посторонних предметов на рабочем месте.

Резьбовые соединения товарных и технологических деталей при сборке покрываются тонким слоем смазки ВНИИНП-282,ЦИАТИМ-221, которые поставляются в металлических тубах. Смазка наносится при помощи замши. При сборке пакета ротора со стороны насоса окислителя использование смазок строго воспрещается.

Технологические подшипники перед установкой в насос обезжириваются в бензине и просушиваются в вакуумно-сушильной печи. Как правило, расконсервация новых подшипников и обработка подшипников, ранее участвовавших в испытаниях, выполняются в соответствии со специальным технологическим процессом. Время наработки технологических подшипников регистрируется в сопроводительной документации. Пригодность к работе подшипников, не наработавших ресурс времени, определяется отсутствием повреждений их деталей и легкостью вращения обоймы.Чтобы обеспечить плавное вращение подшипников и исключить их износ, перед началом работ необходимо провести их смазку маслом веретённым.

Все детали и сборочные единицы, поступающие для выполнения работ по данному технологическому процессу должны иметь сопроводительную документацию, а также клеймы и маркировку в соответствии с чертежами или ТУ на изделие.

Перед проведением работ со входящими деталями их необходимо проверить внешним осмотром на отсутствие загрязнений и механических повреждений.

При сборочных работах допускается использовать только поверенные и аттестованные моментные ключи, переходники, средства измерений.

Чтобы обеспечить плавное вращение технологических подшипников и исключить их износ, перед началом работ необходимо провести их смазку маслом веретённым.

После проведения сборки пакета ротора обязательно проводится контроль биения поверхностей ротора в соответствие с чертежом.

4. Технологический процесс

Комплектация

Закомплектовать детали и сборочные единицы согласно ведомости комплектации МТП и спецификации чертежа. При этом проверить заполнение граф по комплектации и наличие подписей работников ПДБ, БТК и ВП (при необходимости).

Проверить соответствие порядковых заводских номеров полученных деталей и сборочных единиц, закомплектованным в ведомости комплектации МТП.

Провести внешний осмотр комплектующих. Следы коррозии, вмятины, забоины и другие мех.повреждения не допускаются.

Слесарная

Осмотреть детали и сборочные единицы, на отсутствие механических повреждений, загрязнений. Концентраторами загрязнений в ДСЕ являются внутренние полости, чистота которых обеспечивается выполнением переходов данной операции.

Промыть металлические детали в ванне с нефрасом, продуть сжатым воздухом.

Бачок ГОСТ 21029-75;

Салфетка х/б 40х40 ГОСТ 29298-2005;

Бензин-растворитель ТУ 38-40167-108-92.

Сборка пакета ротора (со стороны окислителя)

Установить базовую сборочную единицу поз. 7 на тележку-кантователь.

Установить насборочную единицу поз. 7 импеллер поз. 6 до упора, до буртов детали поз. 7.

Напрессовать подшипник поз. 5 на сборочную единицу поз. 7.

Установить резьбовой валик поз. 14 в сборочную единицу поз. 7. При сборке допускается использовать киянку.

Произвести монтаж шпонки поз. 2, закрепив её к валику струбцинами и запрессовав ударами киянкой. Проконтролировать зазоры с помощью щупов.

Установить на шлицы сборочной единицы поз. 7 колесо центробежного насоса поз. 4.

Установить шнековый насос окислителя поз. 4 на валик поз. 14, ориентируясь на шпонку поз. 2.

Зафиксировать положение сборочных единиц и деталей с помощью гайки поз. 1. Гайку затягивать сначала ключом гаечным усилием от руки, после произвести подтяжку ключом моментным.

Ввести в зазор между сепаратором и внутренним кольцом подшипника поз. 5смазку 0,2 … 0,5 г (3-4 капли) и повернуть наружное кольцо от руки на 2-3 оборота.

Примечание - При проведении сборочных работ произвести нанесение рисок по местам установки ДСЕ.

Ключ моментный ГОСТ Р 51254-99;

Ключ гаечный ГОСТ 2841-80;

Смазка ЦИАТИМ-221 ГОСТ 9433-80;

Щупы 2кл точности ТУ2-034-0221197-011-91;

Чертилка ГОСТ 24473-80.

Сборка пакета ротора (со стороны горючего)

Установить насборочную единицу поз. 7 импеллер поз. 8 до упора, до буртов детали поз. 7.

Напрессовать подшипник поз. 5 на сборочную единицу поз. 7.

Установить резьбовой валик поз. 15 в сборочную единицу поз. 7. При сборке допускается использовать киянку.

Произвести монтаж шпонки поз. 12, закрепив её к валику струбцинами и запрессовав ударами киянкой. Проконтролировать зазоры с помощью щупов.

Установить на шлицы сборочной единицы поз. 7 колесо центробежного насоса поз. 10.

Установить шнековый насос окислителя поз. 11 на валик поз. 15, ориентируясь на шпонку поз. 12.

Зафиксировать положение сборочных единиц и деталей с помощью гайки поз. 13. Гайку затягивать сначала ключом гаечным усилием от руки, после произвести подтяжку ключом моментным.

Ввести в зазор между сепаратором и внутренним кольцом подшипника поз. 9смазку 0,2 … 0,5 г (3-4 капли) и повернуть наружное кольцо от руки на 2-3 оборота.

Примечание - При проведении сборочных работ произвести нанесение рисок по местам установки ДСЕ.

Ключ моментный ГОСТ Р 51254-99;

Ключ гаечный ГОСТ 2841-80;

Смазка ЦИАТИМ-221 ГОСТ 9433-80;

Щупы 2кл точности ТУ2-034-0221197-011-91;

Чертилка ГОСТ 24473-80.

Контроль биений поверхностей ротора после сборки

Переустановить пакет ротора ТНА в сборе с тележки-кантователя на приспособление для контроля биения.

Произвести проверку биений поверхностей А и Б буртов колес поз. 4 и 10при помощи индикатора часового типа, биение не более 0,05 мм. Фактическую величину биения занести в МТП.

Произвести проверку биения поверхности сборочной единицы поз. 7при помощи индикатора часового типа, биение не более 0,03 мм. Контроль производить с обоих сторон СЕ поз. 7. Фактическую величину биения занести в МТП.

Произвести проверку биения поверхностей сборочной единицы поз. 7 при помощи индикатора часового типа, биение не более 0,03 мм. Фактическую величину биения занести в МТП.

Индикатор ИЧ02 кл. 0 ГОСТ 577-68;

Приспособление для контроля биения

Слесарная (Упаковка ротора)

Упаковка пакета ротора ТНА в тару.

Проволока 12Х18Н10Т;

Пломба стальная;

Плоскогубцы ГОСТ Р 53925-2010.

Транспортировка

Транспортировать ротор на участок балансировки.



5. Проектирование специального приспособления

После проведения сборки пакета ротора ТНА необходимо удостовериться в качестве сборки и изготовлении данного изделия, дабы избежать получения ложных результатов измерений. Одним из параметров, который характеризует качество сборки и изготовления является биение.

Биение вращающихся частей определяют индикатором часового типа.

Для измерения радиального биения вала, индикатор устанавливают на плоскость разъема подшипникового стояка либо на другое жесткое основание (рис. 1).

Рис. 1. Измерение радиального биения

пневмогидравлический вибрация ротор турбина

Проверяемую окружность делят на восемь равных частей, измерительный стержень индикатора устанавливают в верхней части проверяемой поверхности, предварительно стрелку его устанавливают на нуль. Поворачивая ротор (вручную), производят запись показаний индикатора при каждом из восьми положений вала. Для более легкого поворачивания ротора шейку вала смазывают маслом. Запись показаний индикатора ведут со знаком «+» или «-» в зависимости от направления отклонения его стрелки. Разница в показаниях индикатора свидетельствует об эксцентричности проверяемой поверхности или искривлении вала.

Величина искривления вала по отношению к его оси равна половине биения. Для получения достоверных измерений необходимо перед отсчетом величины биения убедиться в правильной установке индикатора и надежности его закрепления. Для этого перед отсчетом слегка постукивают рукой по индикатору; если после постукивания стрелка индикатора установится в прежнее положение, то это укажет на правильную установку индикатора. Доказательством того, что индикатор не был смещен при измерениях, служит совпадение его показаний при вторичном измерении биения в точке 1 с показаниями при первом измерении в той же точке. Чтобы избежать искажения показаний необходимо проверить плотность установки вкладышей в расточке стояка и убедиться в отсутствии задевания ротора за какие-либо части. Чтобы исключить случайные ошибки, измерения производят два-три раза, несколько сдвигая каждый раз индикатор вдоль оси.

Допустимое биение шеек валов составляет 0,02 мм для диаметров 100-

-200 мм и 0,03 мм для диаметров более 200 м. В местах установки уплотнений биение не должно превышать 0,05-0,06 мм. Допустимое биение вала ротора в других местах составляет 0,06-0,08 мм для быстроходных машин (3000 об/мин) и 0,10--0,12 мм -- для тихоходных.

Осевое биение торца проверяют одним или двумя индикаторами, установленными в диаметрально противоположных точках торца, например, диска турбины, (рис. 2) на одинаковом расстоянии от оси вращения. Применение двух индикаторов исключает ошибки, связанные с возможными осевыми сдвигами ротора в процессе измерений.



Рис. 2. Измерение торцевого биения

При измерении торцевого биения, аналогично измерению радиального, окружность торца разделяют на четное число равных частей, например, на восемь. Измерительные стержни индикатора упирают в торец полумуфты на расстоянии 10--15 мм от края. Биение торца полумуфты определяют на основании восьми пар показаний индикаторов соответственно восьми различным положениям ротора. Для нахождения величины биения торца полумуфты на каком-либо диаметре определяют сумму показаний обоих индикаторов для одной и той же точки торца муфты при двух положениях вала - до и после поворота его на 180°.

Чтобы исключить случайные ошибки, измерения повторяют два-три раза, смещая каждый раз индикаторы ближе к центру на 5--10 мм. Кроме того, чтобы проверить отсутствие смещения индикаторов при измерениях, ротор устанавливают в первоначальное положение (1--5) и производят повторно два измерения; разность между показаниями индикаторов при отсутствии их смещения должна равняться первоначальной разности.

Для жестких быстроходных машин осевое биение не должно превышать 0,02-- 0,03 мм.

Описание специального приспособления.

В связи с описанным в предыдущем разделе, стояла задача спроектировать приспособление для измерения торцевого и радиального биения пакета ротора.

Спроектированное приспособление (рис. 3) предназначено для измерения радиального и торцевого биения пакета ротора ТНА без корпуса, что позволяет производить измерение непосредственно перед балансировкой ротора. Габаритные размеры приспособления, следующие: длина 1000 мм, ширина 530 мм, высота 509.2 мм.

Рис. 3. Приспособление для измерения биения

Приспособление состоит из мощной станины позиции 2, которая исключает возможность вибрации приспособления при вращении ротора, станина должна устанавливаться на ровную поверхность, вибрации который сведены к минимуму, дабы минимизировать вносимую погрешность.

Также станина позиции 2 имеет направляющие пазы, предназначенные для установки в них опор позиции 3, которые могут передвигаться вдоль данных пазов. Дабы избежать износа деталей данного приспособления необходимо каждый раз перед началом работ производить смазку направляющих пазов и поверхности опор, находящихся в контакте друг с другом маслом веретённым или другим аналогом, также при продолжительной работе с оборудованием следует периодически повторять процедуру смазки.

Максимальное расстояние между опорами составляет 814 мм, соответственно максимальное расстояние между опорами ротора не более 930 мм, предельно допустима масса, устанавливаемая на опоры не более 20 кг. Для установки опор на необходимое расстояние могут применяться линейки металлические по ГОСТ 427-75.

На опоры позиции 3, устанавливаются подставки под подшипники ротора позиции 1, которые обеспечивают надежную установку ротора на приспособление и исключают влияние наклона оси ротора на измерение биения, подставка под подшипники является сборочной единицей, к опорам позиции 3 может закрепляться при помощи штифтов (см. чертёж0002-00.0000 СБ, вид слева, на чертеже штифты не показаны). Рекомендуется после установки ротора на подставку поз. 3, произвести смазку подшипников, дабы обеспечить плавность вращения ротора.

В комплект приспособления входят три подставки (третья подставка на чертеже0002-00.0000 СБ не показана), в которые закрепляются индикаторы часового типа ИЧ ГОСТ 577-68. При снятии показаний ротор необходимо вращать плавно, без резких движений, измерения проводить 2-3 раза для более достоверных результатов.

6. Технико-экономический анализ проекта

Проектирование технологии является творческим процессом, поэтому решение задачи достигается путём поиска наиболее выгодного варианта изготовления и испытаний, то есть такого, который обеспечивает качественное изготовление детали при наименьших затратах труда и материальных средств.

Основным критерием оценки технико-экономической эффективности выбранного варианта технологического процесса является технологическая себестоимость, получающаяся приработе по данному варианту технологического процесса.

Технологическая себестоимость - основная часть себестоимости, поэтому она является условной мерой оценки качества технологического процесса. Технологическую себестоимость детали ориентировочно можно определить по следующему уравнению:

где - технологическая себестоимость детали, руб.; - стоимость материала заготовки, определяемая по формуле:

где - масса заготовки, кг; - цена материала заготовки за 1 кг, руб.;

- масса отходов материала, кг; - цена отходов материала за 1 кг, руб.

- зарплата производственных рабочих, руб,

где - штучная норма времени i-й операции; - коэффициент разряда работы i-й операции по действующей тарифной сетке, выражающей стоимость 1 ч рабочего времени, затрачиваемого на выполнение данной операции; n - количество операций в данном технологическом процессе.

- зарплата настройщиков (наладчиков), если технологическое оборудование требует настройки для выполнения операций технологического процесса; N - годовая программа выпуска детали в штуках; - стоимость амортизации и ремонта технологического оборудования и оснастки, руб.; - стоимость энергии, затрачиваемой на каждую операцию технологического процесса; - стоимость специального технологического оборудования и специальной оснастки, предусмотренной данным вариантом технологического процесса.

Технологическая себестоимость сборки, сварки и испытаний складывается из технологической себестоимости детали , зарплаты рабочих , а также, аналогично себестоимости детали из

Оптимальный вариант технологического процесса выбирают путём сравнения себестоимости различных вариантов [5].

Если сравниваемые варианты совершенствования технологических процессов требуют значительных затрат, то сравнительный анализ ведут по приведенным затратам, годовому экономическому эффекту, сроку окупаемости и коэффициенту экономической эффективности. Расчёты проводятся аналогично обоснованию внедрения новой техники.

Для обоснования варианта технологического процесса кроме основных показателей экономической эффективности могут быть использованы сопутствующие показатели экономической эффективности: снижение трудоёмкости, высвобождение численности, рост производительности.

Снижение трудоёмкости работ приводит к росту производительности труда, а, следовательно, и к увеличению объема выпуска продукции при той же численности рабочих. В случае, когда нецелесообразно увеличение объемов выпуска (определяется спросом) рост производительности приводит к высвобождению рабочих.

Таким образом, при прочих равных условиях наиболее целесообразным технологическим процессом будет тот, по которому технологическая себестоимость будет наименьшая. В некоторых случая сравнительную оценку технико-экономической эффективности вариантов технологического процесса достаточно производить по первым трём слагаемым.

Однако снижение себестоимости не должно приводить к снижению качества продукции и надёжности изделий.



Заключение

В результате проведенной работы был произведен анализ конструкции изделия, на основании данного анализа был разработан технологический процесс, включающий в себя перечень необходимого оборудования, материалов, слесарных и измерительных инструментов необходимых для выполнения данного перечня работ, порядок выполнения операций.

Также было разработано приспособление, позволяющие провести измерения торцевого и радиального биения, был разработан его сборочный чертёж и даны рекомендации по его эксплуатации.



Литература

1. Г.Г. Гахун, И.Г. Алексеев и др. Атлас конструкций ЖРД часть 2 [текст]: описание/ Г.Г. Гахун, И.Г. Алексеев, В.И. Баулин и др. - Московский ордена Ленина авиационный институт имени Серго Орджоникидзе - Москва, 1973. - 155 с.

2. Атлас конструкций ЖРД часть 2: атлас/ Г.Г. Гахун, И.Г. Алексеев, В.И. Баулин и др. - Московский ордена Ленина авиационный институт имени Серго Орджоникидзе - Москва, 1973. - 55 с.

3. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей [текст]: учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки»/ Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. - Москва; Машиностроение, 1989. - 424 с.; ил.

4. Конструкционные материалы [текст]: справочник/ Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. - Москва: Машиностроение, 1990. - 688 с.; ил.

5. Балансировка роторов турбонасосных агрегатов: Учебное пособие/В.П. Назаров, под редакцией М.В. Краева - Красноярск: САА, 1995. - 128с.

Размещено на Allbest.ru

...