Богуслаев (Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д., 2003 - Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик ГТД. Том 1)

ЬБК 621.431.75 Т-38 УДК 539.4:621.438 Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталеи ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часп, 1. Монография. г. Запорожье„изд. ОАО «Мотор Сич», 2003 г. — 396 с. Авто ы: Бог слаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д Колесников В.И. Яценко В.К.„Качан А.Я., Цивирко Э.И рлов М, амковой В.Е., Мозговой В.Ф,, Рубель О.В. Рецензенты: профессор, доктор технических наук Кривов Георгий Алексеевич, профессор, доктор технических паук Долматов Анатолий Иванович Утверждено к печати Научно-техническим советом ОАО «Мотор Сич» В монографии изложены вопросы современного состояния финишной обработки лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов, рассмотрены основные закономерности формирования характерисгик поверхностного слоя.

Приведены результаты испытаний на усталость, ударную прочность и износостойкость лопаток, подвергнутых виброабразивной обработке, ультразвуковому и пневмодробеструйному упрочнению шариками, магнитно-абразивному полированию с нанесением антикоррозионных покрытий. Монография предназначена для научных и инженернотехнических работников космической и авиационной техники, других предприятий машиностроительного профиля, а также может быть использована студентами ВТУЗов соответствующих специальностей. 1ВЗХ 966-7Г08-63-5 © Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Колесников В.И.

Яценко В.К., Качан А.Я., Цивирко Э.И., Орлов М.Р., Замковой В.Е., Мозговой В.Ф., Рубель О.В. ВВЕДЕНИЕ Повышение ресурса и надежности авиационных двигателей является важнейшей задачей современного авиадвигателестроения, поскольку они в значительной мере определяют экономичность, конкурентоспособность и безопасность полетов летательных аппаратов. Ресурс и надежность авиационных двигателей определяипся выносливостью лопаток, дисков, роторных валов, являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами.

Одним из важных направлений повышения эксплуатационных характеристик указанных деталей является разработка и внедрение в их производство прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих высокое качество изготовления. Формирование высоких эксплуатаг1ионных характеристик деталей двигателя на стадии их производства технологическими методами можно обеспечить только при комплексном и системном изучении влияния всех составляющих технологического процесса их изготовления.

Поэтому основная задача состояла в том, чтобы сисгематизировать, обобщить, проанализировать и изучить результаты исследований прогрессивных технологических методов и процессов изготовления лопаток компрессора, как имеющихся в литературных источниках, так и выполненных авторами и другими специалистами ОАО «Мотор Сич», ГП ЗМКБ «Прогресс» и Запорожского Национального технического университета, с целью выявления наиболее оптимального их сочетания для обеспечения высоких гюказателей параметров качества и сопротивления усталости при их эксплуатации. В настоящее время при изготовлении лопаток компрессора широкое применение получили методы пластического деформировання и механической обработки, а также упрочняющие технологии на заключительных финишных операциях.

Поэтому в книге рассмотрены особенности технологических методов формообразования аэродинамических поверхностей пера лопаток компрессора пластическим деформированием и механической обработкой. 4:: ОАО «Мотор Сич» При этом основные вопросы формирования параметров качества поверхностного слоя аэродинамических поверхностей лопаток компрессора рассматриваются с учетом деиствия технологической наследственности предшествуюших операпий. При выявлении и изучении основных технологических закономерностей формообразования пера лопаток раскрывалась физическая сущность явлений и процессов, происходящих в зоне обработки для каждого из рассматриваемых методов обработки.

Актуальной задачей является выбор и обоснование режимов методов отделочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора из титановых сплавов с тонкими легко повреждаемыми кромками. Применяемая в настоян|ее время виброабразивная обработка значительно уменьшает долю ручного труда при обработке тонких кромок, улучшает шероховатость поверхности, но формируются остаточные сжимаюшие напряжения небольшого уровня до 300 МПа с глубиной залегания до 40 мкм, что незначительно повышает сопротивление усталости лопаток. Одним из основных методов повышения выносливости лопаток компрессора является ультразвуковое упрочнение шариками, которое широко применяется в ЗМКБ «Прогресс» и ОАО «Мотор Сич».

Ультразвуковое упрочнение формирует остаточные сжимающие напряжения высокого уровня (до 450 МПа), но сопровождается образованием текстурной неоднородности на кромках и спинке лопаток (перенаклеп кромок), что требует последующего ручного полирования для устранения заусенцев.

Одним из новых методов отделочно-упрочняющей обработки пера лопаток является пневмодробеструйное упрочнение за счет скользящего соударения шариков с пером лопаток компрессора уменьшает структурную неоднородность и придает структуре, Распределению фаз и остаточных сжимающих напряжений более однородный характер, что приводит к значительному увеличению сопротиш|ения усталости и уменьшению рассеяния долговечности. Деформационное упрочнение пера сопровождается увеличением твердости поверхностного слоя, что может привести к снижению ударной прочности при соударении лопаток с посторонними предметами. В связи с этим, актуальным является выбор релр«ма упрочнения, обеспечивающего повышение сопротивления усталости лопаток без снижения ударной прочности.

Важное значение имеет достоверный расчет коэффициента упрочнения лопаток компрессора на стадии разработки технологического процесса с учетом геометрических параметров, механических характеристик материалов и режимов обработки. Одним из перспективных методов отделочно-упрочняющей обработки является метод магнитно-абразивного полирования (МАП). Отличительная черта МАП заключается в возможности обрабатывать детали с различной конфигурацией и сочетание в одном процессе отделочных и упрочняющих операций. Проблема эрозии лопаток газотурбинных двигателей военных и гражданских самолетов является общепризнанной.

Проведенные исследования показали, что не менее 2% потерь тяги обусловлено ухудшением характеристик двигателя вследствие его эрозии. Интенсивность и вил эрозии лопаток компрессора и турбины зависят не только от условий соударения частиц с поверхностью пера, но и от сочетания характеристик поверхностного слоя.

Для повышения износостойкости лопаток все более широкое применение получили различные виды плазменных покрытий. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников космической и авиационной техники, а закже может быть использована студентами высших технических учебных заведений соответствующих специальностей.

Авторы заранее признательны всем, кто своими предложениями поможет устранить имеюшиеся недостатки в будущем. Мы постараемся их учесть в следуюшем издании книги. ь РАЗДЕЛ 1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 1.1 Конструктивные характеристики лопаток Лопатки компрессора 11.1) самая массовая, высоконагруженная и ответственная деталь авиационного двигателя.

Их количество на двигателе находится в диапазоне от 2,0 до 3,5 тыс. штук. Они характеризуются большим диапазоном габаритных размеров: — высота лопатки — от 1О до ! 000 мм; — ширина пера — от 5 до 300 мм. Лопатка компрессора должна облалатгя — высокими аэродинамическими качествами ее профильной части: малым лобовым сопротивлением, большой подъемной силой, возможностью работать без срыва в широком диапазоне углов атаки; — высокой усталостной и механической прочностью, ресурсом и надежностью, так как на нее при эксплуатации воздействуют значительные знакопеременные и циклические нагрузки, а действующие центробежные и газовые силы вызывают большие напряжения растяжения, кручения и изгиба; — минимальными отклонениями геометрических форм и размеров профиля пера от расчетных, так как с их увеличением ухудшается газодинамическая устойчивость двигателя, возрастают аэродинамические потери, приводящие к уменьшению КПД компрессора, потере мощности, росту удельных расходов и, в конечном итоге, к снижению экономичности двигателя; — высокими вибрационными характеристиками для предотвращения возникновения опасных резонансных колебаний лопаток на рабочих режимах двигателя; — минимальной массой и достаточной технологичностью, допускающей массовое производство.

Поэтому„изготовление профильной части лопаток, определяющей стабильность эксплуатационных характеристик двигателя, в строгом соответствии с их расчетными данными является необходимым условием работоспособности, экономичности и надежности ГТД. По конструктивному признаку лопатки компрессора можно классифипировать на три класса: лопатки отдельные„лопатки в секторах и моноколеса (рис. 1.1). рнсувок 1.1 — Классификация лопаток компРессора ГГД ости от способа их ' "зс а: н типа «проушина»; и отдельные (рис. 1.1) в зличают по конструкции нос крепление — хвостов крепление — хвостовик е ост», как разновидность овик типа «полка» (трапец нос крепление — хвостови ьное крепление — хвостов зовом креплении лопаток игателя или под некоторы н кольцевой паз (рис.

1.2, ипа; хвостовик типа ик типа «голубиный гапфа»; рофильного «шипа», гут быть выполнены а также может быль '-'';:-.'.,:",«« Рисунок 1.1 — Пазовое крепление в продольный (осевой) паз типа «ласточкин хвост» — лопатка с хвостоопком типа «ласточкпп хвосг» рисунок 1.3 — Пазовое крепхенпс в кольцевой паз типа «ласгочкпп хвост»вЂ” лопатка с хвостовнком «ручейкопого» типа Лопатк крепления ра шарнир пазовое «ласточкин хв хвост»; хвост цапфен профил При па вдоль оси дв выполнен оди зависим хвостовик ик лопатк лочного т хвостов ия); к типа гч ик типа п пазы мо м углом„ рис. ! .3). Хвостовик типа «ласточкин хвост» получил широкое распространение, а в последнее время вместо него находит применение хвостовик типа «голубиный хвост».