1

В работе рассмотрены способы изготовления компрессорных лопаток высокого давления газотурбинных двигателей. Первым способом является обработка профиля пера лопатки фрезерованием на координатных станках с числовым управлением с последующей ручной доработкой. Вторым способом является электрохимическая обработка, при которой исключены механические и ручные операции обработки пера лопаток. Изучены проблемы изготовления лопаток компрессора способом фрезерования. Представлены актуальные задачи, решение которых позволит повысить точность, качество и исключить ручные шлифовальные и полировальные работы. Приведены преимущества электрохимической обработки. Представлены и проанализированы затраты и трудоемкость на подготовку производства, затраты и трудоемкость на изготовление лопаток. Также в работе представлены результаты измерений компрессорных лопаток. Лучшие результаты по точности и стабильности геометрии профиля пера были получены в результате электрохимической обработки.

электрохимическая обработка

фрезерование

сравнительный анализ

газотурбинный двигатель

1. Галиев В.Э., Фаткуллина Д.З. Перспективный технологический процесс изготовления прецизионных компрессорных лопаток [Текст] / В.Э. Галиев, Д.З. Фаткуллина // Вестник УГАТУ. – 2014. – № 3. – С. 9–105.

2. Нехорошеев М.В. Использование объемного и плоского моделирования двухэлектродной электрохимической ячейки в программе ANSYS [Текст] / М.В. Нехорошеев, Н.Д. Проничев, Г.В. Смирнов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2012. – № 3–3. – С. 98–102.

3. Лунев А.Н. Оптимизация параметров фрезерования лопаток ГТД на станках с ЧПУ [Текст] / А.Н. Лунев, Л.Т. Моисеева, М.В. Соломина // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2007. – № 2. – С. 52–55.

4. Нехорошеев М.В. Автоматизация проектирования технологии электрохимической обработки пера лопаток ГТД на основе компьютерного моделирования процесса формообразования [Текст] / М.В. Нехорошеев., Н.Д. Проничев., Г.В. Смирнов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2013. – Т. 15, № 4–6. – С. 897–900.

5. Павлинич С.П. Перспективы применения импульсной электрохимической обработки в производстве деталей газотурбинных двигателей [Текст] / С.П. Павлинич // Вестник УГАТУ. – 2008. – № 2. – С. 105–115.

6. Производство газотурбинных двигателей [Текст]: справочное пособие / А.М. Абрамов, И.Л. Зеликов, М.Ф. Идзон и др. – М.: Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1996. – 472 с.

7. Разработка стратегии создания инновационных технологических процессов [Текст]: Учебное пособие / Н.Д. Проничев, А.П. Шулепов, Л.А. Чемпинский, А.В. Мещеряков. – Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2011. – 166 с.

8. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей [Текст]: Учебное пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, А.Г. Бойцов, В.В. Крымов, Л.А. Хворостухин. – М.: Машиностроение, 2003. – 512 с.

9. Толкачев А.В. Повышение производительности вибрационного полирования лопаток компрессора ГТД абразивными гранулами: дисс... канд. тех. наук. – Рыбинск, 2015. – 136 с.

10. Туранов А.В. К методике расчета режимов фрезерования поверхностей лопаток ГТД на станках с ЧПУ [Текст]/А.В. Туранов, Л.Т. Моисеева, А.Н. Лунев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2005. – № 2. – С. 60–64.

Лопатки компрессора являются ответственными и массовыми деталями газотурбинного двигателя. От правильно выбранной технологии изготовления лопаток будет зависеть ресурс и конечная стоимость двигателя.

Обеспечение заданного ресурса работы лопаток во многом зависит от ряда технологических факторов. Состояние поверхностного слоя лопаток, наличие следов предыдущей обработки (шероховатость поверхности), являющихся концентраторами напряжения, оказывают существенное влияние на длительную и усталостную прочность лопаток при эксплуатации .

Поэтому изготовление лопаток, даже в мелкосерийном производстве, требует применения современных технологических процессов, высокопроизводительного оборудования и автоматизации процесса изготовления и контроля.

Одной из широко применяемых технологий изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя является фрезерование на координатных станках с последующей ручной доработкой в частности финишных операций . Однако данная технология имеет ряд недостатков:

Низкая точность и производительность;

Необходимость применения ручных операций;

Высокая квалификация рабочего на окончательных ручных операциях по доводке профиля пера лопаток;

Вредные условия для рабочих при выполнении ручных шлифовально-полировальных работ;

Высокая стоимость и быстрый износ режущего инструмента;

Требуется 100 % контроль.

Актуальными задачами изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя являются:

Автоматизация финишных операций обработки профиля пера. Исключение ручных операций позволит повысить качество и стабильность технологического процесса изготовления лопаток газотурбинного двигателя;

Использование физико-химических способов обработки позволит исключить использование дорогостоящих режущих инструментов и повысить производительность обработки;

Автоматизация контроля лопаток газотурбинных двигателей.

Одним из наиболее эффективных и перспективных направлений изготовления лопаток является электрохимическая обработка. Преимуществами электрохимической обработки являются :

Сокращение сроков изготовления лопаток и возможность эффективной обработки труднообрабатываемых материалов;

Качество поверхности после электрохимической обработки требует минимальной последующей финишной обработки;

Высокая стойкость инструмента;

Кроме этого, отмечается, что лопатки после ЭХО имеют повышенную газодинамическую устойчивость, пониженный разброс частот собственных колебаний, повышенную усталостную прочность за счет уменьшения остаточных напряжений .

Известно, что зарубежные производители ГТД (такие как General Electric Company, MTU Aero Engines GmbH, Volvo Aero Corporation и др.) успешно применяют ЭХО как в качестве операции предварительного формообразования межлопаточного канала моноколес с использованием непрофилированных электродов, так и для размерной обработки пера лопаток профильными электродами инструментами .

В этой области начата работа и достигнуты значительные успехи в НИИД (г. Москва), казанской (КАИ, КГТУ), самарской (САИ) и уфимской (НИИ ПТиТ ЭХО при УГАТУ) школах электрохимической обработки и др. .

Для анализа было выбрано два способа изготовления лопаток компрессора высокого давления газотурбинного двигателя.

Первый способ. Изготовление лопаток на координатно-фрезерных станках, рис. 1. В качестве исходной заготовки используется фрезерованный параллелепипед, изготовленный с точностью 0,1 мм. Формирование замка типа «ласточкин хвост» производится на горизонтально протяжном станке. Далее производится комплексное фрезерование всех элементов проточной части лопатки на координатных станках с числовым управлением с припуском под чистовую обработку. В процессе комплексного фрезерования заготовка базируется за хвостовик типа «ласточкин хвост». Конечным этапом изготовления лопаток является ручная обработка или обработка бесконечной лентой .

Второй способ. Изготовление лопаток на электрохимических станках, рис. 2. В качестве исходной заготовки используется шлифованный параллелепипед, изготовленный с точностью 0,02 мм. В процессе электрохимической обработки происходит формирование трактовых поверхностей с припуском под чистовую обработку. Далее производится формирование хвостовика типа «ласточкин хвост» на горизонтально протяжном станке. Окончательная операция осуществляется на виброшлифовальном станке .

Проанализируем оба способа изготовления компрессорных лопаток. Наиболее полную картину можно получить, сопоставляя затраты и трудоемкость на подготовку производства, затраты и трудоемкость на изготовления детали, а также точность и стабильность изготовления лопаток. Для анализа были изготовлены две партии лопаток вышеупомянутыми способами.

Рис. 1. Основные этапы изготовления лопаток компрессора

Рис. 2. Основные этапы изготовления лопаток компрессора

Таблица 1

Основные затраты на подготовку производства

	Плановая трудоемкость н.ч.		Стоимость 1 шт. руб.		В т.ч. материальные затраты
	изготовления	переточки	изготовления	переточки
Фрезерование
Фреза № 1
Фреза № 2
Фреза № 3
Фреза № 4
Фреза № 5
Фреза № 6
Фреза № 7
Приспособление
Электрохимическая обработка
Электрод № 1
Электрод № 2
Приспособление

Рис. 3. Стоимость изготовления средств технологического оснащения

Рис. 4. Трудоемкость изготовления средств технологического оснащения

В процессе проектирования технологического процесса существенными факторами являются время и затраты на подготовку производства (табл. 1). В табл. 1 были занесены основные затраты на изготовление оснастки для фрезерования (первый способ) и электрохимической обработки (второй способ) режущих инструментов и электродов инструментов. При рассмотрении табл. 1 становится очевидным, что затраты на материалы и трудоемкость на подготовку производства для электрохимической обработки выше, чем для фрезерования.

Суммарная трудоемкость и стоимость изготовления средств технологического оснащения представлены на рис. 3 и 4.

Трудоемкость и стоимость основных операций изготовления лопаток представлены в табл. 2. Высокие требования по точности изготовления заготовки под электрохимическую обработку ведут к применению дополнительной операции «плоскошлифовальная». Время затраченное на обработку комплекса поверхностей лопаток компрессора электрохимических способом ниже, чем при фрезеровании. Также из табл. 2 видно, что по технологии «фрезерование» требуется применение ручных доводочных работ, что повышает себестоимость готовой продукции.

Суммарная трудоемкость и стоимость изготовления одной лопатки представлены на рис. 4 и 5.

Таблица 2

Трудоемкость и стоимость основных операций изготовления лопатки

		Трудоемкость, н.ч.		Стоимость, руб.
		Фрезерование		Фрезерование
	Фрезерная			93 руб. 90,3 коп.	93 руб. 90,30 коп.
	Шлифовальная				26 руб. 27,50 коп.
	Протягивание замка			7 руб. 43,10 коп.	7 руб. 43,10 коп.
	Обработка трактовых поверхностей			100 руб. 00 коп.	70 руб. 00 коп.
	Ручная операция			40 руб. 30,20 коп.
	Виброшлифовальная				5 руб. 40 коп.

Рис. 5. Суммарная трудоемкость изготовления одной детали

Рис. 6. Суммарная стоимость изготовления одной детали

На рис. 7 приведен сравнительный анализ затрат на изготовление одной детали. При расчете затрат учитывались затраты на изготовление средств технологического оснащения с последующей их переточкой и ремонтом. Как видно из рисунка, повышение программы выпуска деталей снижает стоимость одной детали. Однако существенные затраты приходятся на лопатки изготовленные по технологии «фрезерование». Данное явление объясняется быстрым износом режущего инструмента.

Практическое отсутствие износа электродов в процессе электрохимической обработки снижает стоимость изготовления лопаток.

Точность изготовления лопаток и стабильность технологических процессов рис. 1 и 2, сведены на рис. 8.

Измерения готовых лопаток проводились на контрольно измерительной машине. Измерения проводились по входным и выходным кромкам в четырех сечениях. Из рисунка следует, что наибольшая точность и повторяемость получения геометрических размеров кромок лопаток достигается методом электрохимической обработки. Существенное повышение стабильности и точности изготовления лопаток методом электрохимической обработки объясняется исключением ручных операций.

В совокупности, рассматривая полученные данные, можно сделать следующие выводы.

Применение в процессе электрохимической обработки более сложной оснастки существенно повышает затраты и время на подготовку производства. Таким образом, фрезерование является более гибким и быстро переналаживаемым способом обработки. Затраты и трудоемкость на подготовку производства обработки фрезерованием ниже чем электрохимической обработки (рис. 1 и 2).

Стоимость изготовления лопаток по технологии «фрезерование» выше, чем при электрохимической обработке. Повышение стоимости связано с тем, что после операции фрезерования требуется применять ручные операции.

Рис. 7. Сравнительный график затрат на изготовление одной детали в зависимости от количества выпущенных лопаток

Рис. 8. Точность изготовления кромок

Затраты на изготовление лопаток по технологии «фрезерование» выше, чем при электрохимической обработке (рис. 7). Существенные затраты составляет покупка дорогого режущего инструмента.

Точность и стабильность электрохимической обработки значительно выше.

Библиографическая ссылка

Валиев А.И. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 5. – С. 36-41;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41503 (дата обращения: 28.03.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Наверное, всем известно, что как китайцы не стараются, скопировать современные реактивные двигатели они не могут. Все. что могли - скопировали и получили свою СУшку, а вот двигатель все равно приходится покупать в РФ. Вот только что прочитал статью на ВиМе:http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ "Китаю до сих пор не удается скопироватьсовременный реактивный двигатель". Причем, я понимаю, что там имеют место ультрасовеременные технологии, наработки, математика и прочее, прочее, прочее... Но для того, чтобы понимать более детально в чем тут собственно дело рекомендую прочитать следующую статью.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927 о C). В момент зарождения реактивной авиации - сразу после войны - материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.
Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце 1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем был немецкий "хейнкель" He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный "мессершмит" Me-262. Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А. М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному. Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать его удалось.
Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3 Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы - вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно - формовке методами горячей деформации он не поддавался.
Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.
Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея - создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500 о С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.
Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды.
В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.
Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.
Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках. При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие. Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу ее охлаждения.
Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.
Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это - дело далекого будущего.
Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.
Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.
Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X-Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки.
Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.
В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов. Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Кузнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной - внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.
Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа

ПАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (УМПО) запустило на участке перспективного литья лопаток самую крупную в Европе плавильно-заливочную установку лопаточного литья. Размеры оборудования — 9 метров в ширину, 12 — в длину и 8,5 в высоту. Установка предназначена для изготовления заготовок в ходе производства деталей двигателя перспективного гражданского самолета МС-21. Новое оборудование позволяет плавить от 20 до 150 кг специального сплава, что даёт возможности для заливки большого количества лопаток всего за один цикл.

Новая ПЗУ будет активно задействована в реализации совместного проекта УМПО и Московского института стали и сплавов (НИТУ «МИСиС») по разработке и внедрению ресурсоэффективной технологии изготовления пустотелых литых турбинных лопаток. Она будет применяться в производстве не только авиационных газотурбинных двигателей, но и станций перекачки нефти и газа, — рассказал куратор перспективной программы, заместитель начальника управления технического развития и перевооружения Павел Алинкин.

В начале ноября 2015 года, данный проект выиграл субсидию в конкурсе Министерства образования РФ по Постановлению № 218 Правительства РФ. Грант поможет УМПО сократить сроки внедрения инновации в опытное и серийное производство.

Объединение имеет богатый опыт сотрудничества с вузами России по 218-му Постановлению. В настоящее время предприятие работает над еще двумя технологиями: по производству тонкостенных крупногабаритных титановых отливок (с МИСиС и УГАТУ) и деталей из жаропрочного алюминия (с УГАТУ и другими вузами). Два проекта — также с МИСиС и УГАТУ — успешно завершены, их результаты в настоящее время внедрены в производство. Это технология изготовления опоры турбины вертолетного двигателя ВК-2500 и производство моноколес и блисков методом линейной сварки трением.

Впервые в России удалось отлить (метод называется литье по выплавляемым моделям) из сплава алюминида титана инновационные лопатки, которые вдвое легче, чем их аналоги на основе никеля. Технология изготовления новых лопаток уже запущена в производство на Уфимском моторостроительном производственном объединении (ПАО «УМПО»). Ожидается, что лопатки из интерметаллида титана будут использоваться в новом российском двигателе ПД-14 для российского ближне-среднемагистрального пассажирского самолета МС-21. Снижая массу воздушного судна, новая разработка позволит перевозить больше пассажиров с меньшим расходом топлива.

«Сегодня изготовление изделий из алюминида титана очень востребовано в гражданской авиации. Наша разработка не уступает мировым аналогам из Европы и США. Очень важно, что это полностью отечественная разработка: лопатки могут производиться на отечественном оборудовании и из отечественных материалов», — рассказал в интервью руководитель исследовательской группы, заведующий кафедрой «Технологии литейных процессов и художественной обработки материалов» НИТУ «МИСиС», профессор Владимир Белов. Переход на новую технологию позволит заметно снизить массу двигателя, в результате станет возможным перевозить больше пассажиров или грузов на длительные расстояния. Кроме того, новая технология изготовления лопаток значительно уменьшит действующее центробежное напряжение в компрессоре и турбинах авиадвигателей, снизит инерцию турбин и компрессоров, а тем самым позволит уменьшить расход топлива, выбросы в атмосферу парниковых газов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии. Изготавливают заготовку лопатки. Образовывают аэродинамический профиль в каждом сечении пера. Образовывают хвостовик. Проводят отделочные операции. Образование аэродинамического профиля и хвостовика осуществляют одновременной закруткой пера и хвостовика и их калибровкой в штампе. Плоскую заготовку изготавливают с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений. В результате обеспечивается увеличение коэффициента использования металла и точности изготовления, повышение качества широкохордных лопаток ГТД и снижение затрат времени. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии.

В современных конструкциях вентиляторов авиационных двигателей широкое применение находят крупногабаритные широкохордные лопатки, позволяющие существенно снизить шумность вентилятора, увеличить тягу и в целом повысить экономичность газотурбинного двигателя.

Известны традиционные технологии производства лопаток, включающие в себя изготовление штамповкой заготовки лопатки с поэтапной закруткой профиля пера и припусками по перу и замку, с последующим удалением припусков обработкой резанием, электрофизическими и иными методами (Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М., "Машиностроение / Машиностроение - Полет", 2002 г., стр.66-100, 101-197).

Данный способ становится чрезвычайно трудоемким и металлозатратным при производстве широкохордных лопаток из-за их больших габаритов (длина может достигать 1,5 м, при отношении высоты к хорде менее 2) и сложной геометрической формы.

Сложная конфигурация предварительных переходов снижает технологичность выполнения сопутствующих операций, начиная от зачистки дефектов штамповки, до использования специализированных ложементов для нагрева перед следующим штамповочным переходом.

Уменьшение припуска на механическую обработку профиля пера приводит к росту удельных усилий штамповки, а одновременное получение его окончательной конфигурации требует увеличение жесткости штампового комплекта в сборе для гашения высоких сдвигающих усилий при штамповке.

Одновременная окончательная доводка профиля пера по толщине и конфигурации, несмотря на известные способы механического, химического и электрохимического фрезерования, является высоко трудоемкой операцией.

Известен способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя (патент РФ №2257277) - прототип. Суть способа заключается в том, что на первом этапе проектирования технологического процесса перерабатывают конструкторский чертеж лопатки, раскручивая и раздвигая между собою расчетные сечения пера, «укладывая» при этом хорды раскручиваемых сечений в одной плоскости. Полученный модифицированный чертеж лопатки является основой для проектирования заготовки-штамповки. Заготовка-штамповка, имеющая раскрученный профиль пера, изготавливается методами объемной штамповки с припуском по перу и замку под дальнейшую обработку резанием. После удаления чернового припуска, например фрезерованием, выполняют закрутку профиля пера в горячем состоянии с привлечением специальных устройств. Впоследствии, изготовленная таким способом заготовка подвергается всем традиционным стадиям технологического процесса изготовления лопатки.

Недостатком способа является то, что определение силовых параметров по расчету процесса горячей закрутки пера лопатки, имеющей сечение аэродинамического профиля, переменным по длине проблематично т.к. анализ существующих математических моделей определения силовых параметров при скручивании ограничен рассмотрением стержней с элементарными геометрическими сечениями (круг, эллипс, квадрат, прямоугольник). Поэтому деформации при закрутке изделия неизбежно приводят к искажению аэродинамического профиля, которое может превосходить поле допуска. Подбор технологических режимов и геометрических параметров заготовки требует большого количества трудоемких и затратных по времени опытных работ для каждого типа размера широкохордной лопатки. Процесс не стабилен, зависит от многих факторов и требует наличия специального оборудования.

Для устранения вышеуказанных негативных моментов предлагается разделить операции: формирование сдаточной толщины профиля пера и формирование его контура. Дополнительно это позволяет существенно расширить спектр оборудования для выполнения первого этапа, а все сопутствующие операции адъюстажной и механической обработки данного этапа проводить на более технологичном в обработке спрямленном контуре.

В настоящем изобретении предпринимается попытка представить новый метод производства лопаток газотурбинных двигателей с оформленным контуром, методом однопереходной изотермической безоблойной окончательной штамповки (закрутка + калибровка), который сокращает или решает вышеупомянутые проблемы.

Изобретением решается задача изготовления широкохордных лопаток ГТД, сложной геометрической формы на стандартном оборудовании.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества изготовления широкохордных лопаток ГТД, а также стабильности технологического процесса при одновременном снижение затрат.

Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий изготовление заготовки лопатки, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки, образование хвостовика и проведение отделочных операций, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки и образование хвостовика осуществляют путем одновременной закрутки пера и хвостовика и их калибровки в штампе изотермической штамповкой, при этом изготавливают плоскую заготовку, выполненную с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - широкохордная лопатка 1, выполненная, например, из титана или из одного из его сплавов;

на фиг.2 - спрямленная заготовка широкохордной лопатки.

Предлагаемый согласно изобретению способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей осуществляется следующим образом.

1. Производство плоской заготовки 4 (фиг.2) методами экструзии и (или) прецизионной штамповки, а также вальцовки и (или) высадки и (или) механической обработкой плоского или сортового проката.

2. Подготовка базовых элементов 3 последующей чистовой механической обработки пера и одновременно укладочных элементов для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и(или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок или получаемые путем приварки к заготовке 4 и дополнительной мех. обработки.

3. Подготовка плановой проекции заготовки для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и(или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок (при этом обеспечивается равенство хорд заготовки пера 6 и хорд готового изделия 7).

4. Подготовка высотных размеров заготовки для однопереходной штамповки либо на этапе прецизионной штамповки заготовки и (или) дополнительной мех. обработки полученных ранее заготовок.

5. Применение тепла и давления к заготовке для изотермической штамповки (одновременная закрутка аэродинамического профиля («пера») 1 и хвостовика («замка») 2 с одновременной калибровкой) и производства по существу необходимой готовой внешней конфигурации и размеров профиля пера. Для высокоугловой закрутки аэродинамического профиля (более 40°) и калибровки широкохордных вентиляторных лопаток используются специально вводимые удерживающие элементы штамповой оснастки (не показаны).

6. Чистовая обработка изделия для удаления избытка материала с входной и выходной кромки (5) изотермически отштампованной внешней конфигурации для получения готового профиля пера.

7. Удаление базовых (укладочных) элементов 3 фиг.1.

8. Механическая обработка хвостовика лопатки («замка») 2.

Пример конкретного выполнения. Проведена опытная штамповка широкохордной лопатки ГТД в закрытом штампе. Материал - титановый сплав марки ВТ6. Температура штамповки не более 850°С. Инструмент нагревали до температуры не более 850°С. Размеры готовой лопатки: длина - 1200 мм, максимальная ширина хорды 620 мм.

Предлагаемый способ изготовления широкохордных лопаток позволяет разработать эффективную технологию, с применением которой возможно производство ряда лопаток для ГТД из прогрессивных металлов и сплавов.

Преимущество предложенного технического решения позволяет расширить технологические возможности стандартного оборудования, вести процесс при минимальных затратах времени. Значительно повышается коэффициент использования металла, увеличивается точность изготовления и стабильность технологического процесса.

Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий изготовление заготовки лопатки, образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки, образование хвостовика и проведение отделочных операций, отличающийся тем, что образование аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки и образование хвостовика осуществляют путем одновременной закрутки пера и хвостовика и их калибровки в штампе изотермической штамповкой, при этом изготавливают плоскую заготовку, выполненную с сечениями, площадь и протяженность которых равна соответственно площади соответствующих сечений отштампованной лопатки и протяженности хорд данных сечений.

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов ультразвуковой ковкой, и может быть использовано для изготовления деталей с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками и для формирования закругленных кромок с переменной толщиной.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной промышленности при изготовлении заготовок лопаток с двумя хвостовиками или с одним хвостовиком и бандажной полкой. Нагретую заготовку устанавливают в контейнер между двумя полуматрицами составной матрицы, выполненной с каналом. При этом часть заготовки располагают на нижнем пуансоне. Заготовку деформируют с образованием шейки путем смыкания полуматриц. Затем формируют один из хвостовиков лопатки движением нижнего пуансона вверх после остановки полуматриц. Заготовку выдавливают через канал составной матрицы верхним пуансоном при движении нижнего пуансона в нижнее положение. При этом часть заготовки оставляют в контейнере и формируют штамповку переменного сечения, расширяющуюся по направлению к оставшейся в контейнере части заготовки. В результате обеспечиваются расширение спектра получаемых штамповок, увеличение коэффициента использования металла, повышение прочностных характеристик изделия. 2 ил.

Изобретения относятся к обработке металлов давлением и могут быть использованы при изготовлении лопаток турбин методом горячей штамповки. Исходную заготовку размещают в горизонтальном приемнике разъемной матрицы, состоящей из двух полуматриц с вертикальной плоскостью разъема. Полуматрицы выполнены с горизонтальным сквозным отверстием, образующим приемник, и радиально расположенными относительно приемника полостями под лопатки. К обоим торцам заготовки прикладывают осевое усилие посредством расположенных с обеих сторон пуансонов. В результате производят деформирование заготовки до полного заполнения полостей под лопатки и получают многоштучную поковку. Поковка состоит из лопаток, соединенных пресс-остатком. Поковку извлекают из штампа и отделяют лопатки от пресс-остатка. В результате обеспечивается повышение пластичности материала заготовки при его истечении в полости полуматриц, снижение технологического усилия, а также повышение точности получаемых изделий и коэффициента использования материала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 18 ил. 1 пр.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии

Введение

Производство лопаток газотурбинных двигателей занимает особое место в современном машиностроении. Это обусловлено следующими особенностями изготовления лопаток.
1. Ответственным назначением лопаток в двигателе. Лопатки в решающей степени определяют надёжность и безотказность работы газотурбинных двигателей. Ресурс работы двигателя определяется, как правило, работоспособностью лопаток. В связи с этим, технология изготовления и контроля лопаток должна обеспечивать стабильность качества их изготовления и исключать возможность установки в двигателе лопаток с отклонениями по геометрическим размерам, качеству поверхности, с металлургическими и иными дефектами.
2. Сложностью геометрических форм и требованиями высокой точности изготовления лопаток. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,05ч0,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,01-0,02 мм.
3. Массовостью изготовления лопаток. Современный двигатель с осевым компрессором насчитывает до 2000 лопаток. В связи с этим даже при выпуске опытных образцов двигателей изготовление лопаток носит серийный характер.
4. Применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток. В связи с этим технологический процесс производства лопаток должен гарантировать минимальный процент брака.
5. Плохой обрабатываемостью материалов, применяемых для изготовления лопаток. Лопатки турбины изготовляют из сплавов на никелевой основе, имеющих относительно большую твёрдость при высокой вязкости.
Сочетание указанных факторов и определило специфичность производства лопаток.
Производство лопаток совершенствуется и в настоящее время, главным образом, в направлении механизации и автоматизации. Исключение ручного труда позволяет не только сократить трудоемкость, но и повысить качество изготовления лопаток.
Значительные успехи достигнуты за последнее время в области интенсификации режимов обработки жаропрочных и титановых сталей и сплавов, а также в области изготовления керамических лопаток.

1. Назначение и конструкции сопловых лопаток

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механиче¬скую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.
Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее ответственной частью турбины. Экономичность турбины — ее к. п. д.—в первую очередь зависит от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42—45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей.
Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изги¬бающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном паре.
Указанные условия требуют особо тщательного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбора материалов для них и организации их производства. Особо тщательно следует выполнять все образующие формы лопаток размеры и соблюдать установленные для их изготовления технические требова¬ния. Отклонения от чертежей могут вызвать в лопатках дополнительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к серьезной аварии турбин.
Сопловой аппарат первой ступени омывается газом, температура которого с учетом неравномерности после камеры сгорания может на 100 -120 °С превышать среднемассовую перед турбиной. Поэтому в высокотемпературных газовых турбинах его охлаждают весьма интенсивно. Под среднемассовой температурой перед турбиной следует считать средневзвешенную температуру торможения непосредственно перед рабочими лопатками. Это позволяет более свободно расходовать воздух на охлаждение сопловых лопаток первой ступени, однако при этом должны быть обеспечены малые аэродинамические потери в самом сопловом аппарате и максимально равномерный по температуре, давлению и направлению поток непосредственно перед рабочими лопатками этой ступени.
Сопловые лопатки обычно слабо закручены по радиусу и поэтому применяемые системы охлаждения могут быть реализованы практически при всех законах закрутки ступеней.
Сопловой аппарат первой ступени турбины обычно выполняют разборным с двухопорными соплами, так как он воспринимает наибольший перепад давления, но с необходимой свободой термического расширения (рис. 1, а). Все новые имеют охлаждаемые сопловые лопатки с выпуском воздуха большей частью в выходную кромку. Этот воздух, смешиваясь с основным потоком газа, работает в последующих венцах турбины, поэтому его расход не наносит большого ущерба для экономичности турбины. Полые охлаждаемые сопловые лопатки изготовляют точным литьем (по выплавляемым моделям). Первая ступень турбины агрегата ГТК-16 ТМЗ имеет сварно-паяные лопатки.
Для сопловых аппаратов последующих ступеней в стационарной практике применяют консольно- закрепленные лопатки (рис.1, б). На турбомоторном заводе их объединяют в пакеты (сегменты) по три-четыре штуки, а между пакетами оставляют

Конструкции соловых лопаток

а)

б)

в)

а - двухопорная воздухоохлаждаемая сопловая лопатка; б - консольно закрепленная
направляющая лопатка турбины; в - регулируемый сопловой аппарат со сферическими ограничивающими поверхностями.

Рис. 1

Сечения профильной части охлаждаемых сопловых лопаток

а - конвективного охлаждения с дефлектором; б - конвективно-пленочного охлаждения; в - проникающего охлаждения; г - внутристеночного охлаждения;
1 - дефлектор; 2 - литая лопатка; 3 - пористое покрытие; 4 - теплозащитное покрытие.
Рис. 2

Неразборные сопловые аппараты применяют в виде сварных диафрагм. Для них требуются специальные конструктивные мероприятия по обеспечению термоэластичности и для избежания поводок. Предпочтительны полые и тонкостенные диафрагмы без горизонтального разъема.
Неохлаждаемые сопловые лопатки также желательно выполнять полыми для снижения термических напряжений в выходных кромках при внезапных остановах. Во всех случаях необходимо сводить к минимуму теплоотвод от сопловых лопаток к крепящим их деталям статора.
Сопловые аппараты двух и трехвальных требуют жесткого допуска на площадь выходного сечения первой ступени каждой турбины для обеспечения расчетного распределения теплоперепадов между ними. В рабочем состоянии площадь у турбин высокого и низкого давлений увеличивается на разную величину.
Особого внимания в конструкции требуют регулируемые сопловые аппараты. Для уменьшения радиальных зазоров по концам лопаток примыкающие к поворотным направляющим лопаткам меридиональные поверхности должны быть выполнены по сферам, описанным радиусами из центра, расположенного на пересечении оси цапф лопатки с осью турбины (рис. 1, в). Упрощение конструкции достигается при сравнительно небольшом числе широких лопаток, однако при этом сильнее меняется осевой зазор между соп¬ловыми и рабочими лопатками при их повороте. Необходимый рабочий диапазон изменения площади соплового аппарата составляет ±10%.
Среди различных конструкций охлаждаемых сопловых лопаток более других распространены дефлекторные лопатки (рис.2, а). Наружную силовую оболочку изготовляют обычно точным литьем. Встав¬ной тонкостенный дефлектор позволяет организовать хорошее конвективное охлаждение стенок и струйное охлаждение изнутри входной кромки лопатки. Охладитель покидает лопатку чаще всего через выходную кромку, выполняемую полой, или рядом с ней. В таких лопатках осуществлено движение охладителя поперек оси лопатки. В ранних конструкциях охлаждаемых сопловых аппаратов первой сту¬пени использовали продольное течение охладителя без выпуска воздуха в кромку. Сейчас такие конструкции из-за малого охлаждающего эффекта применяют редко и только для второй или третьей ступени.
Преимущества лопатки со вставным дефлектором при попереч¬ном сечении охладителя:
сближение коэффициентов теплоотдачи воздуха и газа, что дает равномерную температуру по сечению лопатки;
возможность реализации дифференцированного охлаждения участ¬ков лопатки по высоте и по сечению за счет расположения и числа от¬верстий в дефлекторе;
возможность регулирования глубины охлаждения лопатки в про¬цессе доводки или увеличения ресурса;
сравнительная простота интенсификации теплообмена со стороны воздуха за счет различных турбулизаторов.
Дефлектор представляет собой тонкостенную штампованную оболочку из двух частей, соединяемых с помощью точечной или роликовой сварки, иногда пайки. Возможно изготовление дефлектора путем деформации и рассверловки тонкостенной трубки. Перфорация дефлектора в определенных местах позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен за счет струйного охлаждения. Концентрацию струйного охлаждения в одном месте называют душевым охлаждением.
Сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением применяют для более высоких температур газа (Тг > 1200 - 1250 °С), чем при чисто конвективном. При этом тратится больше охлаждающего воздуха, чем без выдува охлаждающей пленки. Однако для сопловых лопаток первой ступени это не имеет решающего значения. Достоинство конвективно-пленочного охлаждения лопаток (рис.2, б) — возможность дополнительного сниже¬ния температуры металла на 100 °С и более. Другое преимущество — возможность устранения местного перегрева лопатки путем создания перед участком с завышенной температурой дополнительной щели выдува. Однако пленка быстро размывается и щели для выдува нужно повторять. Кроме того, воздействие вдуваемой пленки на пограничный слой вызывает увеличение аэродинамических потерь. При пленочном охлаждении обычно имеет место неравномерность температур по сечению лопатки.
В отечественных приводных сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением в конце 80-х годов еще не были распрост¬ранены, однако появляются в новых 90-х годов.
Среди разрабатываемых, но не внедренных в практику систем охлаждения сопловых лопаток, упомянем лопатки с проникающим ох¬лаждением и лопатки с внутристеночным охлаждением.
Проникающее охлаждение, при котором воздух проходит через мелкие отверстия (поры) в стенке лопатки, предназначено для очень вы¬соких температур, например Тг = 1600 °С. Именно при этих условиях можно достигнуть значительного снижения расхода охлаждающего воздуха по сравнению с конвективно-пленочным охлаждением. Проникающее охлаждение теснее других способов охлаждения связано с технологией изготовления стенок лопаток. Как правило, сопловые лопатки с проникающим охлаждением являются гильзовыми, т.е. тонкая обо¬лочка покрывает жесткий сердечник лопатки (рис.2, в). Существенными недостатками являются необходимость тщательной очистки охлаждающего воздуха и опасность заноса пор дисперсными частицами, содержащимися в продуктах сгорания.
Другой перспективный вид гильзовых (оболочковых) лопаток - лопатки с внутристеночным охлаждением. Здесь используют продольное течение охладителя (рис.2, г).

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

Температура металла сопловых лопаток определяется температурой рабочего тела, омывающего лопатки данной ступе¬ни, и системой охлаждения. Напряжения изгиба, возникающие под действием газового потока, составляют 50-80 МПа, а в пер¬спективных высокотемпературных мощных достигают 130 МПа.
Лопатки подвергаются статическому и динамическому воздействию газового потока. При этом возможны температурные пере¬пады типа тепловых ударов до 400 0С, а в перспективных до 600 -700 0С. Для приводных турбин число пусков на ресурс достигает 200, для пиковых - 5000. Лопатки подвергаются также эрозионному и коррозионному воздействию потока продуктов сгорания при скорости его до 700 м/с. Запыленность потока твердыми частицами размером до 100 мкм может достигать концентрации 0,3 мг/м3. При неблаго¬приятных атмосферных условиях эти величины могут кратковре¬менно повышаться соответственно до 250 мкм и 2,5 мг/м3. При наличии воздухоочистных устройств запыленность воздушного по¬тока не должна превышать установленных норм.
Анализ условий, в которых работают лопатки, и изучение типичных аварий лопаточных аппаратов обусловили следующие требования к материалу сопловых лопаток турбин:
А) высокая жаропрочность, т.е. сохранение высоких показателей прочности при высокой рабочей температуре;
Б) высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сечения лопатки; хорошая сопротивляемость местным напряжениям;
В) высокая усталостная прочность (выносливость);
Г) высокий декремент затухания;
Д) стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбин;
Е) высокая сопротивляемость окислению и окалинообразованию при высоких температурах;
Ж) благоприятные технологические свойства, позволяющие применять более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь - резанием) и обеспечивающих точное выполнение размера профиля и высокую чистоту обработки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штамповаться, расклёпываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конструкций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.
З) Высокая сопротивляемость эрозии.
В качестве материала сопловых лопаток первых ступеней используют литейные или деформируемые сплавы на никелевой ос¬нове. При температуре газов до 700 °С ранее применяли аустенитные стали. Для лопаток последних ступеней при температуре газов менее 580 °С возможно также использование легированных хроми¬стых сталей. Для лопаток, работающих при температурах свыше 650 до 8000 С, используются жаропрочные металлические сплавы на никелевой основе. Среди них ЖС6К, ЭИ929ВД, ЭИ893,Н70ВМЮТ, ХН80ТБЮ и др.
При температуре газов 800°С и выше, а при наличии в топливном газе серы и при 720°С необходимо нанесение защитных покрытий на сопловые и рабочие лопатки, имеющие содержание хрома в сплаве менее 20%, путем хромоалитирования, хромосилицирования или хромоалюмосилицирования и т. п. Толщина защитного покрытия-30 - 60 мкм, Применяют также эмалевые покрытия, а для охлаждаемых лопаток—теплозащитные покрытия.

3. Вид заготовки

Для изготовления лопаток применяются следующие виды заготовок: полосовая сталь, листовая сталь, поковки, штамповки, горячекатаные профильные полосы (так называемый светлокатаный профиль) и точное литье по выплавляемым моделям. Наиболее распространенными заготовками для лопаток являются светлокатаный профиль и штамповки.
Вид заготовки оказывает большое влияние на последующий технологический процесс обработки, поэтому при выборе рациональных заготовок следует учитывать все конкретные условия производства и, в частности, форму лопаток, их количество и сроки выполнения заказов.
Основным методом изготовления лопаток соплового аппарата является прецизионное литье по выплавляемым моделям преимущественно из литейных сплавов ЛК4, ЖС6, ЖС6-К и др.
Применение точного литья по выплавляемым моделям позво¬ляет получать заготовки с минимальным припуском по перу. Механическая обработка заготовок таких лопаток заключается главным образом в обработке замков лопаток.
Литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами получения заготовок лопаток соплового аппарата;
1) возможность получения заготовок сложной формы, с чистотой поверхности 5— б и точностью в пределах 4-го класса;
2) возможность получения пустотелых лопаток с толщиной стенок до 0,5 мм.
К недостаткам данного метода относятся:
1) необходимость применения для отливки дорогостоящих сплавов и вспомогательных материалов;
2) длительность производственного цикла.
В некоторых двигателях лопатки соплового аппарата начали изготавливать из листового жаропрочного материала методом хо¬лодной штамповки с последующей электросваркой выходной кромки.

4.Основные требования к механической обработке лопаток

Хорошее качество лопаток, как и всех прочих деталей турбины, зависит от правильного выполнения установленных в чертежах конструктивных размеров и чистоты обработки поверхностей. Каждые части лопатки (хвост, рабочая часть и головка) имеют различное назначение. Хвост служит для надежного закрепления лопатки в корпусе турбины. Рабочая часть предназначена для восприятия давления пара, а головка для крепления бандажа. Если у хвоста лопатки в соответствии с его служебным назначением большое значение имеет степень точности, с которой выполнены все посадочные размеры хвоста, то для рабочей части, размеры которой не являются посадочными, большое значение имеет степень чистоты обработки. Хорошо отполированная поверхность рабочей части содействует уменьшению потерь пара на трение о поверхность лопатки, увеличивая в то же самое время антикоррозийную стойкость лопатки.
Все размеры лопаток, по требованиям к их точности, можно разбить на три группы.
Первая: размеры, от которых зависит характер соединения лопаток с другими деталями турбины, т.е. посадочные детали. К ним относятся в первую очередь размеры хвостов и шипов под насадку бандажных лент. Диаметр шипа (при круглом шипе) и ширина, и толщина шипа (при прямоугольном шипе) выполняются по ходовым посадкам 4-го класса.
Вторая: размеры, не являющиеся посадочными, но требующие повышенной точности. К ним относятся размеры сечений рабочих частей; размеры, определяющие установку лопаток и расположение отверстий под скрепляющую проволоку и т.п. Выполняются эти размеры или по третьему и четвёртому классам точности, или по свободным нестандартным допускам в пределах от 0,1 мм до 0,5 мм, в зависимости от размеров лопатки.
Третья: свободные размеры, к которым обычно относятся размеры галтелей, фасок и других менее ответственных элементов лопаток. Точность свободных размеров или совсем не нормируется или ограничивается допусками 7-го класса точности. Однако даже и в том случае, когда на свободные размеры не установлено никаких допусков, они выполняются обычно по допускам, установленным на свободные размеры специальными технологическими инструкциями, выпускаемыми на данном предприятии.
Чистота обработки посадочных поверхностей выдерживается в пределах 6-го класса, рабочих профилей и галтелей у рабочих частей - 8-9-го класса.
Наиболее ответственными являются посадочные размеры хвостовых соединений. Эти размеры, а также и чистота обработки должны быть обеспечены соответствующей точностью станочной обработки и качеством режущего инструмента. Чертёж типовой лопатки соплового аппарата приведён на рис. 3.

Чертёж типовой лопатки соплового аппарата

а)

б)

а - беззамковой конструкции, б-с замком.

Рис. 3

Точность изготовления основных поверхностей лопаток характеризуется следующими данными:
допуск на толщину профиля пера ………………… +0,5 - 0,2;
допуск на толщину кромок ………………………. ±0.2;
непрямолинейность профиля..……………………. 0,8 мм;
непрямолинейность выходной кромки……………. 0,8 мм;
допуск на толщину стенки пустотелых лопаток.....±0,3мм;
чистота поверхности замка ………………………... 4— 5.

5. Типовой процесс механической обработки

Технологический процесс обработки любой новой лопатки может быть легко и быстро разработан технологом при наличии классификатора и типовых технологических операциях.
Сплавы, из которых изготовлены лопатки, плохо обрабатываются резанием (особенно металлическим инструментом). В связи с этим операции по обработке этих лопаток выполняют, как правило, шлифованием.
Для заготовок лопаток соплового аппарата, изготовленных точной отливкой с припуском по перу под шлифование основным видом механической обработки является шлифование замков.
Отделку пера лопаток производят обычно вручную на полировальных бабках. Первоначальную зачистку пера производят абразивными кругами зернистостью 46—60. Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата (с замками) состоит из следующих операций:

№ опера-ции	Наименование операции	Оборудование
	Контроль заготовки
	Шлифование базовых плоскостей	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Слесарная зачистка выходной кромки заподлицо с основной поверхностью
	Притирка боковых плоскостей замка со стороны корыта	Притирочный станок
	Шлифование плоскостей замка	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Шлифование литника	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Шлифование двух плоскостей замка со стороны спинки	Плоскошлифовальный МСЗ
	Электроэрозионная обработка отверстий в замке	Специальная уста­новка
	Промывка	Моечная машина
	Фрезерование паза на подошве замка	Вертикально-фрезер­ный станок
	Слесарная (притупление острых кромок после механической обработки)
	Промывка и обдувка	Моечная машина
	Окончательный контроль
	Цветная дефектоскопия	Специальная уста­новка
	Зачистка дефектных участков после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
	Травление
	Контроль после зачистки дефектных мест
	Люминесцентный контроль
	Зачистка дефектов после люминесцент­ного контроля	Полировальная бабка
	Промывка и протирка	Моечная машина

Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата беззамковой конструкции состоит из следующих операций:

№ опе­рации	Наименование операции	Оборудование
	Заготовка — точное литье без припуска на механическую обработку по перу
	Шлифование торца пера	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Фрезерование радиуса со стороны вход ­ ной кромки	Горизонтально-фрезерный станок
	Фрезерование радиуса со стороны вход­ ной кромки	Горизонтально-фрезер­ный станок
	Слесарная зачистка заусенцев после фрезерования и притупления острых кромок	Полировальная бабка
	Промывка и обдувка	Моечная машина
	Окончательный контроль
	Цветная дефектоскопия	Специальная уста­новка
	Зачистка дефектов после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
	Травление
	Контроль после зачистки
	Люминесцентный контроль	Специальная уста­новка
	Зачистка заусенцев после люминесцент­ного контроля	Полировальная бабка
	Промывка и протирка	Моечная машина

Далее перо полируют фетровыми кругами с наклеенным абразивом. Полирование осуществляют в три перехода. Зернистость абразива, применяемого при такой обработке, составляет соответственно 60, 180 и 220.

6. Вид станков

В связи с большой трудоемкостью операций ручной подгонки профиля на отдельных заводах были предприняты попытки механизировать эти операции.
На рис. 4 показан модернизированный станок ПСЛ для полирования спинки лопаток соплового аппарата. На этом станке можно обрабатывать несколько деталей одновременно.
Станки МШ-81 и МШ-82 Московского завода шлифовальных станков (рис. 5) предназначены для обработки беззамковых сопловых лопаток, спинка и корыто которых имеют постоянный профиль во всех сечениях. Перо обрабатывают профильным кругом, который правится специальной профильной шарошкой. На рис. 6 показано специальное устройство, примененное на круглошлифовальных станках, для шлифования спинки лопаток соплового аппарата.
Устройство состоит из механизма синхронного вращения шпинделя шлифовального круга и шпинделя передней балки, механизма для правки шлифовального круга и механизма для привода копира.
Шпиндель 3 передней бабки получает вращение от шпинделя шлифовальной головки через систему зубчатых колес для обеспечения синхронности вращения круга и изделия.
От шпинделя изделия вращения с передаточным отношением 2:1 передается объемному копиру 2, который служит для правки шлифовального круга. Круг 9 правится с помощью специального механизма. На валу 10 механизма для правки круга жестко сидит рычаг, несущий профилирующий инструмент 8. На другом конце вала 10 смонтирован ролик 11, связанный с роликом 6, упирающимся в объемный копир 12. Механизм для правки перемещается вдоль оси вращения шлифовального круга. Для предварительного шлифования объемного копира используется эталонная лопатка 6, в которую упирается диск 7, заменяющий шлифовальный круг.
При вращении эталонной лопатки 6 диск 7 получает горизонтальное перемещение, которое через рычаг вала 10 механизма для правки передается механизму шлифовального круга, шлифующему профиль объемного копира.
После шлифования объемного копира вместо шлифовального круга устанавливают ролик 11, диаметр которого равен диаметру круга. Вместо сектора—диска устанавливают алмаз 8, который профилирует шлифовальный круг. После правки шлифовального круга обрабатывают спинку лопатки, установленной вместо эталонной лопатки.
Лопатки соплового аппарата ряда газотурбинных двигателей изготавливают методом точного литья по выплавляемым моделям с припуском по перу под шлифование.
В этом случае технологический процесс обработки лопаток включает в себя (дополнительно к указанным операциям) также и операции по шлифованию профиля пера, выполняемые на стан¬ках ХШ-185В, ХШ-186 и на модернизированных универсально-шлифовальных станках.
Значительное распространение в высокотемпературных газотурбинных двигателях получили лопатки соплового аппарата пустотелой конструкции. Такие лопатки также изготавливают методом точного литья, с керамическими или иными стержнями, образующими внутреннюю полость.
Замки лопаток соплового аппарата обрабатывают на плоскошлифовальных станках. Обрабатываемую лопатку устанавливают в специальную кассету. Базами при этом служат поверхность корыта и кромка пера. Зажим осуществляют по поверхности спинки. Требуемое расположение плоскостей замков достигается поворотом кассеты и установкой ее соответствующими поверхностями рис. 7.
Обработка баз лопаток соплового аппарата может быть произведена на плоскошлифовальном полуавтомате модели БС-200. Станок работает по полуавтоматическому циклу и обеспечивает равномерное распределение припуска между спинкой и корытом. На станке имеется электронное устройство для равномерного распределения припуска по профилю пера, а также приспособле¬ние для безалмазной правки круга. Детали крепятся в специальном приспособлении с быстродействующим зажимом.

7. Закрепление заготовок

В процессе обработки заготовка (деталь) соответственно сориентирована, должна быть неподвижной. Это достигается ее закреплением в приспособлении или на станке.
В отличие от базирования заготовки, когда на нее накладывается различное число связей и она лишается трех, четырех, пяти и шести степеней свободы, во всех случаях закрепления заготовка должна быть лишена шести степеней свободы.
С этой целью применяют разнообразные зажимные устройства (механические, гидравлические, пневматические, магнитные, вакуумные и др.), основанные на использовании сил трения.
Зажимные устройства в приспособлениях должны создать постоян¬ство контакта баз с опорными точками (обеспечивать правильное базирование) и неподвижность заготовки в процессе ее обработки (закрепление заготовки).
Следует отметить, что чем меньше число баз и опорных точек, используемых при базировании заготовок, тем проще, производительнее и дешевле получается конструкция приспособлений. Поэтому при базировании обрабатываемых заготовок необходимо стремиться использовать наименьшее число баз с наименьшим числом опорных точек, при котором может быть обеспечено выполнение заданных чертежом размеров и формы детали.

Полирование спинки пера лопаток соплового аппарата
на модернизированном станке ПСЛ

Общий вид и рабочая зона плоскошлифовального станка
моделей МШ-81 и МШ-82

Рис. 5

Шлифование спинки лопатки соплового аппарата
на модернизированном копировально-шлифовальном станке

1—упоры, 2—копир, 3—шпиндель, 4— оправа для закрепления эталонной лопатки, 5—лопатка, 6—эталонная лопатка, 7—диск, 8—алмаз, 9—шлифовальный круг, 10—валы механизма правки, 11—ролик, 12—диск копира.
Рис. 6

Шлифование плоскостей замков лопатки соплового аппарата

Рис. 7

8. Технический контроль лопаток

Лопатки проверяют как в процессе механической обработки, так и после ее окончания. Контроль лопаток включает в себя:
выявление внешних и внутренних дефектов материала; проверку шероховатости обрабатываемых поверхностей в соответствии с требованиями чертежа; проверку размеров, формы профилей пера (спин¬ки, корыта) и замков и их взаимного расположения; определение массы и частоты собственных колебаний лопаток; выборочные испытания рабочих лопаток турбины и компрессора на усталость. В пустотелых охлаждаемых рабочих лопатках ТНД проверяют расход воды через внутреннюю полость (испытания лопаток на пролив).
Контроль внешних и внутренних дефектов материала лопаток позволяет выявить трещины и волосови¬ны на поверхности, раковины, пористость, расслоения, инородные включения и флокены в материале. Для этой цели применяют трав¬ление, цветную дефектоскопию, люминесцентный, магнитный и ультразвуковой методы контроля.
Магнитопорошковый метод основан на притяжении частиц порошка железа к магнитным полюсам, образующимся у намагниченной детали в местах нарушения сплошности. Магнитопорошковым методом выявляются трещины с шириной раскрытия 0,001 мм и более, глубиной 0,01 мм и более. Относительная простота и довольно высокая надежность этого метода способствовали его широкому внедрению.
Цветной и люминесцентный методы контроля (капиллярные методы дефектоскопии) применяются для выявления дефектов, выходящих на "поверхность детали. Метод цветной дефектоскопии основан на способности специальной красной краски проникать в глубь поверхностных дефектов и белой краски впитывать в себя красную краску из дефекта. Метод обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,3 мм.
Люминесцентный метод (ЛЮМ-А) основан на способности некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Люминесцентный метод ЛЮМ-А надежно выявляет выходящие на поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные пленки, засоры и т.д. Он обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,2 мм. Чувствительность метода ЛЮМ-А несколько выше метода цветной дефектоскопии. Внутренние дефекты материала лопаток проверяются рентгеновским и ультразвуковым методами.
Рентгеновский метод обнаружения дефектов основан на ослаблении рентгеновского излуче¬ния материалом детали, при котором теневое изображение просвечи¬ваемой детали регистрируется на рентгенографической пленке. Достоинством метода является высокая чувствительность к выявле¬нию в материале детали внутренних пор, раковин, инородных включений и др.
Для просвечивания литых лопаток турбины используются передвижные кабельные рентгеновские аппараты типа РУП-100-10, РУП-150-10-1 и др.
Ультразвуковой метод контроля с использованием поверхностных волн позволяет выявлять поверхностные трещины и металлургические дефекты материала. Данный метод применяется обычно для выявления трещин входной и выходной кромок, реже — на поверхности спинки и корыта, возникающих при изготовлении и эксплуа¬тации лопатки.Метод основан на прозвучивании контролируемого материала кратковременными импульсами ультразвуковых колебаний, распространяющихся по поверхности лопатки, и улавливании их отражений (эхо-сигналов) от дефектов.
Контроль геометрических размеров, формы профилей пера и замка и их взаимного расположения. Операции этого вида технического контроля лопаток наиболее трудоемкие. Приборы, применяемые на этих операциях, можно разделить на две основные группы: бесконтактные — оптико-проекционные и контактные — механические, оптико-механические, пневматические и пневмогидравлические.
Перо лопатки проверяют в расчетных поперечных сечениях бесконтактными и контактными методами. Одним из бесконтактных методов контроля является проверка профиля на проекторах, используемая в единичном производстве. У нас они не нашли применения.
При малом масштабе производства профиль пера лопаток иногда проверяют шаблонами. Отклонение профиля спинки и корыта от шаблона определяют визуально на просвет или с помощью щупа. Контроль пера шаблонами малопроизводителен, субъективен и требует громоздкого шаблонно-измерительного хозяйства.
В серийном производстве использовались механические приборы с индикаторами часового типа, настраиваемые по эталонной лопатке. Они просты и удобны в работе, но малопроизводительны.
Многомерные приборы и измерительные машины производительны. Их можно быстро переналаживать на контроль других лопаток по эталонной лопатке. Базой для крепления лопатки является замок или центровые углубления, два из которых имеются на боковых поверхностях замка и одно — у конца пера. К числу таких приборов относятся универсальные многомерные оптико-механические приборы типа ПОМКЛ для одновременного контроля профиля пера, сме¬щения пера с оси замка, угла закрутки и толщины пера в поперечных сечениях лопатки компрессора.
Основные геометрические параметры замков лопаток турбины и компрессора обычно проверяются механическими приборами с индикаторными часами, настраиваемыми по эталону.
Расход воды через внутреннюю полость пера охлаждаемых лопаток ТНД проверяют на специальной установке. Лопатка устанавливается в приспособление и проливается водой при избыточном давлении в 4±0,05 кгс/см2 (0,3±0,005 МПа) и температуре 20±5 "С в течение 20 с. Проверяют пропускную способность внутреннего канала у всего I комплекта лопаток данной ступени. Сравнивают среднее значение расхода с результатом пролива каждой лопатки в комплекте. Различие по расходу воды у рабочих лопаток в комплекте (разнорасходность) должна составлять не более 13... 15 % от среднего расхода воды в комплекте лопаток
Частоты собственных колебаний рабочих лопаток турбины и компрессора проверяют на электродинамических вибростендах.
Рабочие лопатки турбины и компрессора взвешивают на весах типа ВТК-500 с точностью 0,1 г.

9. Реальное выполнение технологического процесса на УТМЗ

Рассмотрим реальный технологический процесс на примере направляющей лопатки первой ступени ГТН-6У. Вид заготовки - точное литье по выплавляемым моделям, материал заготовки - сплав ХН648МКЮТ - УСЗМИ - ЗУ.
Реальное выполнение технологического процесса на заводе для направляющих лопаток
6-11 ступени турбины ГТ-6-750 представлено в табл. 3.
Таблица 3

№ опе-рации	Наименование и содержание операции	Оборудование
	Входной контроль
	Фрезерно-центровочная. Подрезать торцы и центрировать с 2х сторон.	центр. фрезерное МР-71
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскости хвоста со стороны внутреннего и наружного профиля в центрах.	Горизонтально-фрезерное 6М82Г
	Шлифовальная. Шлифовать плоскость хвоста со стороны наружного профиля в центрах.	Плоскошлифовальное 3Б-722
	Шлифовальная. Шлифовать плоскость хвоста со стороны внутреннего профиля	Плоскошлифовальное 3Б-722
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста под углом со стороны газовыпуска предварительно за 2 прохода.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Вертикально-фрезерное. Фрезеровать плоскость хвоста под углом со стороны газовыпуска чисто.	Вертикально-фрезерное 6М13П
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста со стороны входа предварительно под углом.	Горизонтально-фрезерное 6М82Г
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста со стороны входа чисто под углом	Вертикально-фрезерое 6М13П
	Токарная. Точить хвостовик под резьбу.	Токарное П.У. 16К20Ф3
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать бока впуска и выпуска на длине рабочей части.	Вертикально-фрезерое ФК-300
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать галтель со стороны газовпуска чисто.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать галтель со стороны газовыпуска чисто.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать галтель Внутреннего и наружного профиля под углом 1050’ за 11 строк (кроме 11 ступени) заподлицо с основным профилем.	Вертикально-фрезерое 4ФСЛ-4А
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать галтель внутреннего и наружного профиля по прямой за 11 строк заподлицо с основным профилем.	Вертикально-фрезерое 4ФСЛ-4А
	Шлифовальная. Шлифовать внутренний и наружный профили одновременно в центрах за 400 строчек	Шлифовальное ЛШ-1А
	Контрольная. Контроль операции 16.
	Слесарная. Запилить радиусы на заплечиках со стороны внутреннего и наружного профиля входа и выхода по шаблонам; снять фаску 1х450
	Шлифовальная. Шлифовать галтель внутреннего и наружного профиля заподлицо с основным профилем; шлифовать входную кромку.	Полировальное
	Слесарная. Опилить кромку выхода.
	Окончательный контроль.
	Отрезная. Отрезать базу со стороны торца рабочей части.	Абразивно-отрезное
	Шлифовальная. Полировать наружный и внутренний профиль, входную кромку и галтели.	Полировальное ДШ-96
	Слесарная. Полировать выходную кромку вручную.
	Слесарная. Маркировать обозначение лопатки.
	Контрольная. Проверить наличие трещин.
	Промывка
	Окончательный контроль	Контрольная плита
	Виброиспытание

10. Предложения по совершенствования технологического процесса

Расширение серийного производства паровых и , вызванное задачами развития энергетики и газовой промышленности страны, содействовало ускоренному техническому прогрессу в турбиностроении.
Особо значительные успехи в этом направлении достигнуты в производстве турбинных лопаток. На всех стадиях технологического процесса, начиная с подготовки основных базовых поверхностей, применяются специальные станки и станки с ЧПУ. Как наиболее важное мероприятие по повышению производительности труда и повышению качества стало внедрение многошпиндельных станков для кругового фрезерования поперечными строчкам внутреннего и наружного профилей рабочих частей длинных лопаток.
Перевод обработки определенной номенклатуры лопаток на станки с программным управлением позволил объединить несколько опера¬ций в одну и тем самым сократить цикл заготовления лопаток, освободить рабочего от выполнения тяжелых ручных работ, повысить точность обработки по размерам а шероховатости за счет исключения переустановок и работы на расчетных режимах резания.
Среди перспективных работ, требуемых научного обоснования и выполнения, следует назвать следующие:
- совершенствование производства штампованных заготовок в точки зрения сокращения припусков на механическую обработку;
- механизация шлифовальных работ по доводке профилей рабо¬чих частей длинных лопаток;
- проведение научно-исследовательских работ по определению научно обоснованных параметров допустимых отклонении от проектных размеров профильных частей соответственно длины и ширины рабочих и направляющих лопаток.
Значительный технический прогресс в турбиностроении будет достигнут путем организации централизованного проектирования а изготовления лопаток на одном специализированном заводе при широкой типизации лопаток и, таким образом, перевода их механической обработки в поточных и автоматически действующих линиях, подготовка к которым практически уже осуществляется в настоящее время на заводе турбинных лопаток (ЛЗТД).
Важным фактором технического прогресса в данном мероприятии явится приближение процесса конструирования лопаток к их производству. ГТУ -УПИ 2002г.

Прежде чем задать вопрос прочитайте: