Введение к работе
Актуальность работы. Для новых поколений газотурбинных двигателей (ГТД) характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколеса - блиски (от английского blisk: bladed disk) и аналогичные бездисковые кольцевые конструкции - блинги (от английского bling: bladed ring), рисунок 1. Моноколеса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолетов, бизнес-авиации, приводов для га- ^J зокомпрессорных установок и т.п.). Но только в последние годы их начинают применять для двигателей военной и гражданской
авиации. Моноколеса по-
а) диск с лопатками б) блиск в) блинг
зволяют существенно „ л ~
J Рисунок I - Эволюция ДИСКОВ
уменьшить размеры обода
диска за счет устранения замковых соединений и снизить вес конструкций типа
«блиск» на -30 %, «блинг» на -70 %.
Применяемая на отечественных предприятиях отрасли технология изготовления монолитных колес содержит значительный объем ручных операций, которые негативно влияют на точность изготовления и состояние поверхностного слоя лопаток и способствуют появлению волнистости, прижогов и надрезов. Стремление к повышению удельных параметров и одновременно создание компактных конструкций ГТД привело к тому, что несколько осевых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50 ... 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней. Таким образом, несмотря на высокую трудоемкость изготовления, моноколеса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе позволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колесами компрессоров ГТД.
Проведенный всесторонний анализ показал, что отработанная технология изготовления моноколес в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток, а проблема восстановления поврежденных или изношенных поверхностей является важным фактором повышения надежности и ресурса работы двигателей. Высокая стоимость и трудоемкость изготовления моноколес потребовали разработки способов ремонта и восстановления их работоспособности. Поэтому разработка доступных и менее трудоемких вариантов ремонтных технологий моноколес, обеспечивающих высокое качество работы и пригодных не только для ремонта пера лопаток, но для исправления дефектов в комеле лопатки или в самом ободе рабочего колеса, является актуальной задачей.
Цель работы состоит разработке новых научно-обоснованных технологических процессов ремонта и восстановления моноколес посредством электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит ресурс и эксплуатацион-
ную надежность моноколес из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ6, существующих и перспективных газотурбинных двигателей.
Задачи работы. Для реализации указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
провести анализ возможных дефектов моноколес ГТД в процессе их изготовления и эксплуатации;
определить перечень дефектов, которые могут быть исправлены путем применения современных технологических процессов ремонта и восстановления;
проанализировать существующие способы ремонта моноколес, их особенности, преимущества и недостатки;
разработать эффективные способы предупреждения и ликвидации дефектов при изготовлении и восстановлении моноколес ГТД;
- провести комплекс всесторонних экспериментальных исследований, по
зволяющих научно обосновать, разработать и внедрить в производство при из
готовлении и ремонте перспективных газотурбинных двигателей новые техно
логические процессы восстановления моноколес из титановых сплавов ВТ8-1,
ВТ6 с применением электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит
ресурс, эксплуатационную надежность ГТД и снизит трудоемкость их изготов
ления.
Методология и методы исследования. Методически работа включала следующие основные этапы:
анализ конструкции моноколес;
анализ способов изготовления моноколес;
анализ возможных производственных и эксплуатационных дефектов;
анализ условий эксплуатации моноколес;
анализ предлагаемых способов восстановления моноколес;
разработка эффективных способов восстановления моноколес компрессоров ГТД, включая способы восстановления лопаток методом электроннолучевой сварки и аргонодуговой наплавки;
разработка технологических процессов восстановления моноколес компрессоров газотурбинных двигателей из высокопрочных титановых сплавов методами электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки;
проведение кратковременных и длительных стендовых испытаний металла сварных соединений, и конструкций;
реализация технологических процессов и оборудования при ремонте моноколес компрессоров ГТД.
Основные экспериментальные исследования проводились на двухфазном титановом сплаве ВТ-6. Для исследования структуры сварного шва и металлографического анализа использовались световой микроскоп OLIMPUS-XB51M и микротвердомер LEICA МНТ 10. Циклические испытания на усталостную выносливость проводились на вибростенде ВЭД-1500. Испытания проводились на базе N = 2 10 циклов. Ступень изменения напряжений d = ±20 МПа.
Научная новизна:
1. На основе анализа конструкций моноколес, условий эксплуатации и спосо
бов их изготовления установлены закономерности распределения возмож
ных дефектов по профилю пера лопатки моноколеса, которые показывают,
что повреждаемость входной кромки лопатки выше в 4,2 раза, чем выход
ной кромки.
-
Для устранения дефектов научно обоснованы возможные способы восстановления моноколес, разработаны методики и определены параметры режимов электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки в зависимости от вида повреждения моноколеса компрессора.
-
Разработаны компьютерные модели восстанавливаемых моноколес, с помощью которых впервые определены оптимальные сечения и траектории выреза дефектных участков, и разработан алгоритм, на основе которого создан программный комплекс автоматического проектирования ремонтных элементов в зависимости от вида и расположения дефектов.
Практическая значимость:
-
На основе исследований структуры сварных соединений, а также определения пределов выносливости после проведения ремонтных работ, обоснованы технологические параметры способов восстановления моноколес, которые внедрены в технологические процессы восстановления моноколес электронно-лучевой сваркой сектора и ремонтного вкладыша.
-
Используя проведенные исследования, разработаны технологические процессы ремонта моноколес, получивших повреждения в процессе эксплуатации и не пригодных к дальнейшей работе, которые позволяют продлить срок их службы в 1,5...2 раза.
-
Для ряда дефектов, которые были получены в процессе изготовления из-за нарушения технологических параметров механической обработки или сбоя оборудования, разработан технологический процесс ремонта моноколес аргонодуговой наплавкой.
-
Компьютерные модели моноколес позволили определить траектории перемещения луча при электронно-лучевой сварке, что дало возможность модернизации стандартного оборудования за счет введения в него специально разработанных электронных блоков управления.
-
Разработка технологий ремонта и восстановления моноколес, в которых возникли технологические или эксплуатационные дефекты, позволила получение экономического эффекта более 250 тыс. рублей на один мотороком-плект.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы доложены на научно-технических конференциях: Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2010, Десятый международный салон «Двигатели 2010» (Москва 2010); Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2012, Двенадцатый международный салон «Двигатели 2012» (Москва 2012); Научно-техническая конференция «Неделя науки МНИТ 2011-2012 г.» (Москва 2011, 2012); Российско-австрийский форум для прикладных исследований (Москва 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи и 2 статьи находятся в печати в Российских журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено три патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 219 страницах, включая 95 рисунков и 23 таблицы, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 86 наименований и приложения.
