Актуальность работы

Ресурс и надежность авиационных двигателей в основном определяются несущей способностью лопаток компрессора (рис. 1), являющихся наиболее ответственными и высоконагруженными деталями, испытывающими в процессе эксплуатации значительные знакопеременные и циклические нагрузки, которые воздействуют на них с большими частотами. Лопатки компрессора самая массовая, высоконагруженная и ответственная деталь авиационного двигателя.
Особенностью лопаток компрессора, имеющих тонкие входные и выходные кромки и изготовленных из титановых сплавов, весьма чувствительных к концентрации напряжений, является то, что они первыми встречаются с инородным телом (птица, град и др.), попавшим в тракт двигателя.
Риски, забоины, эрозионные повреждения и др. дефекты значительно увеличивают уровень локальных вибронапряжений, что резко снижает прочностные характеристики лопаток. Поэтому создание благоприятного сочетания свойств поверхностного слоя на финишных отделочно-упрочняющих операциях оказывает большое влияние на повышение несущей способности лопаток ГТД. Актуальной задачей является оценка влияния поверхностного деформационного упрочнения на ударную прочность лопаток при соударении с посторонними предметами.

Рисунок 1 - Модель лопатки компрессора ГТД (10 кадров, 20 циклов)

В настоящее время при изготовлении лопаток компрессора широкое применение получили методы пластического деформирования и механической обработки, а также комплексные технологии на финишных операциях технологического процесса.
Виброабразивная обработка (ВО) на специальных установках нашла широкое применение в производстве лопаток компрессора из титановых сплавов. Положительное влияние на эффективность виброабразивной обработки оказывает применение вместе с абразивом химически активных жидкостей.
Ультразвуковая обработка шариками (УЗО) позволяет формировать благоприятное сочетание характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора, имеющих малую жесткость, высокую точность изготовления, сложную конфигурацию и тонкие кромки.
Пневмодробеструйная обработка (ПДО) характерна скользящим соударением шариков с поверхностью пера лопатки, не допуская их перенаклепа. Установлено, что ПДО сопровождается уменьшением структурной неоднородности и придает структуре, распределению фаз и остаточным сжимающим напряжениям более однородный характер в поверхностном слое пера лопатки. Предлагаемый пневмодробеструйный метод отделочно-упрочняющей обработки эффективно нейтрализует технологические микродефекты поверхностного слоя, образованные на предыдущих стадиях технологического процесса, сопровождается значительным увеличением предела выносливости, снижением рассеяния долговечности и не требует последующей доводки тонких кромок ручным полированием .
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 сочетать в одном процессе отделочные и упрочняющие операции.
Проблема эрозии лопаток газотурбинных двигателей является общепризнанной. Интенсивность и вид эрозии лопаток компрессора 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 комплексных технологий - нанесение плазменных покрытий в сочетании с различными отделочно-упрочняющими методами.
Разработка и внедрение в серийное производство двигателей в настоящее время сопровождается прогрессивными конструкторско-технологическими решениями, выражающимися в появлении новых деталей, применением принципиально новых конструкционных материалов, а также усовершенствованием технологий производства, сборки и испытания. Широко используются прогрессивные технологические процессы механической обработки, основанные на концепции высокоскоростного резания, усовершенствуются методы отделочно-упрочняющей и термической обработки.
Тесная взаимосвязь между конструкцией и технологией производства двигателей предопределила ряд актуальных на сегодняшний день вопросов, связанных с повышением несущей способности сложнопрофильных деталей технологическими методами.

Цель и задачи работы

Цель работы - повышение долговечности и качества лопаток компрессора ГТД за счет совершенствования структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД.

Основные задачи работы:
1.) Провести анализ современного состояния структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД;
2.) Исследовать возможности повышения долговечности лопаток компрессора путем нанесения ионно-плазменных покрытий;
3.) Выполнить эксперименты по исследованию свойств износостойкого ионно-плазменного покрытия;
4.) Разработка рекомендаций по совершенствованию структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в разработке рекомендаций по совершенствованию структурного и технологического обеспечения процессов изготовления лопаток компрессора ГТД и создании оптимальной структуры технологического процесса обработки лопаток компрессора ГТД. Также данная работа предусматривает решение проблемы долговечности и износостойкости лопаток компрессора ГТД.

Основная часть

Компрессорные лопатки газотурбинного двигателя

Лопатки ГТД работают в условиях высоких температур, достигающих для турбины свыше 1200°С, для компрессора свыше 600°С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя - быстрый нагрев в момент запуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя - вызывает циклическое изменение термических напряжений, характеризуемое как тепловая усталость (рис. 2). Кроме этого, профильная часть пера и хвостовик лопатки, помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и крутящего момента от скоростного газового потока, испытывают знакопеременные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.

Рисунок 2 - Схема движения газовых потоков в ГТД (3 кадра)

Надежность работы рабочих лопаток компрессора и турбины зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя хвостовика и пера лопаток. В поверхностном слое образуются конструктивные и технологические концентраторы напряжений, он испытывает влияние наклепа и внутренних остаточных напряжений от механической обработки. Кроме того, поверхностный слой подвергается воздействию внешних нагрузок при основных видах напряженного состояния (изгибе, растяжении, кручении) внешней среды. Эти негативные факторы могут привести к разрушению лопатки, и, следовательно, к выходу из строя газотурбинного двигателя.
Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обуславливается рядом факторов, главными из которых являются:
сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;
высокая точность изготовления;
применение дорогостоящих материалов, таких, как легированные стали и титановые сплавы;
массовость производства лопаток;
оснащенность технологического процесса дорогостоящим специализированным оборудованием;
высокая трудоемкость изготовления.
Для производства лопаток ГТД на сегодняшний день характерны следующие виды механической обработки:
протягивание;
фрезерование;
вальцевание;
полирование;
виброполирование или виброшлифование;
термообработка .

Формирование поверхностного слоя на финишных операциях изготовления лопаток

При изготовлении лопаток ГТД на их поверхностях образуются микронеровности, риски, а в поверхностном слое происходят структурные и фазовые превращения. Кроме того, в поверхностном слое наблюдается повышение твердости металла и формирование остаточных напряжений.
В условиях эксплуатации поверхностный слой воспринимает наибольшие нагрузки и подвергается физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, коррозионному и др.
В большинстве случаев у лопаток ГТД начинают ухудшаться служебные свойства поверхности из-за износа, эрозии, коррозии, зарождения усталостных трещин, что может привести к отказу.
После финишной обработки различают такие дефекты поверхности: риски, царапины, задиры, вмятины, поры, трещины, заусеницы и др.
Физико-механические свойства поверхностного слоя, созданные при изготовлении лопаток, во время эксплуатации существенно изменяются под действием силовых, температурных и других факторов.
Поверхность детали по сравнению с сердцевиной имеет ряд особенностей. Атомы, которые находятся на поверхности, имеют односторонние связи с металлом, поэтому находятся в неустойчивом состоянии и обладают избыточной энергией по сравнению с атомами, находящимися внутри.
В результате диффузии, особенно при воздействии повышенных температур, в поверхностном слое возникают химические соединения основного металла с проникающими извне веществами. При повышенных температурах усиливается диффузионная подвижность атомов, приводящая к перераспределению концентрации легирующих элементов. Диффузия в поверхностном слое оказывает заметное влияние на свойства металлов. Это особенно характерно для такой операции, как шлифование, когда в зоне обработки наблюдается высокая температура.
Основными причинами возникновения макронапряжений при механической обработке является неоднородность пластической деформации и локальный нагрев металла поверхностного слоя, а также фазовые превращения.
Степень и глубина наклепа поверхностного слоя деталей обусловлены режимами механической обработки и непосредственно связаны с увеличением количества дислокаций, вакансий и др. дефектов кристаллической решетки металла.
Поверхностный слой деталей ГТД формируется в результате взаимосвязанных явлений, происходящих в очаге деформирования и прилегающих к нему зонах: многократных упруго-пластических деформаций, изменения пластических свойств металла, трения, изменения микро и макроструктуры и др.
При упрочнении в результате деформирования поверхностного металла и работы трения выделяется теплота, которая нагревает деталь. При интенсивных режимах обработки локальные участки поверхностных слоев нагреваются, при выглаживании - до 600-700 °С, при ударных методах - до 800-1000 °С .
Такой нагрев приводит к снижению уровня остаточных сжимающих напряжений у поверхности, что может привести к уменьшению эффекта упрочнения. В некоторых случаях происходит превращение сжимающих напряжений в растягивающие.
Основной причиной упрочнения является повышение плотности дислокаций, скапливающихся вблизи линий сдвигов, и последующая их остановка перед различного рода препятствиями, образующимися в процессе деформирования или существовавшими до него. Дробление на блоки объемов металла, заключенных между плоскостями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения и накопление на них продуктов разрушения кристаллической решетки способствуют увеличению неровностей по плоскостям скольжения, а следовательно, и упрочнению.
При механической обработке деталей образование остаточных напряжений связано с неравномерной пластической деформацией поверхностных слоев, которая протекает при взаимодействии силового и теплового факторов.
Деформация сопровождается неравномерными по глубине и взаимосвязанными между собой процессами сдвига, переориентации, дробления, удлинения или укорочения составляющих структуры. В зависимости от характера деформаций наблюдается увеличение плотности материала детали.
При жестких режимах упрочнения может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины и намечается образование частичек отслаивающегося металла. Перенаклеп - необратимый процесс, при котором нагрев не восстанавливает исходную структуру металла и его механические свойства.

Виброабразивная обработка лопаток

Лопатки являются характерными массовыми деталями авиационных ГТД, работают в условиях высоких статических, динамических и термических нагрузок и во многом определяют ресурс и надежность работы двигателя в целом.
Для их изготовления используются высокопрочные титановые сплавы, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы на основе никеля, а также композиционные материалы.
Трудоемкость изготовления лопаток в большинстве конструкций ГТД составляет 30-40 % общей трудоемкости двигателя. Эта особенность, наряду с условиями работы лопатки в двигателе, требует использования в производстве прогрессивных методов получения заготовок, современных технологий обработки, особенно на финишных операциях, механизации и автоматизации технологических процессов.
В эксплуатации авиационных ГТД из всех отказов по причинам прочностных разрушений деталей на лопатки приходится около 60%. Подавляющее большинство разрушений лопаток носит усталостный характер. Этому нередко способствуют повреждения лопаток, вызванные попаданием в тракт двигателя твердых частиц (камней при рулении на земле, птиц в полете и т.п.). Это вызывает потребность иметь достаточно высокий запас циклической прочности лопаток, а также принимать специальные технологические и конструктивные меры по повышению их живучести в случае получения повреждений (забоин).
В зависимости от условий работы в двигателе уровень переменных напряжений в лопатках обычно находится в пределах 40-160 МПа, а с учетом необходимого запаса прочности их предел выносливости требуется, как правило, в диапазоне 300-500 МПа. Сопротивление усталости лопатки зависит от материала, конструкции лопатки, технологии ее изготовления, но в любом случае на величину предела выносливости очень сильно влияет состояние поверхностного слоя. Основными факторами, влияющими на качество поверхностного слоя, являются:
- остаточные напряжения - их знак, величина, глубина залегания, характер распределения по сечению детали и др.;
- микрорельеф поверхности - величина и характер микронеровностей, наличие рисок;
- структура поверхностного слоя .
Актуальность задач по повышению сопротивления усталости лопаток привела к разработке и внедрению специальных методов обработки и внедрению в отрасли ряда специальных методов обработки их поверхности.
Место виброабразивной обработки в технологическом процессе механообработки лопаток, как правило, финишный процесс, выполняемый на завершающей стадии обработки. В зависимости от материала лопатки, вида предшествующей обработки, и исходной величины микронеровностей поверхности и некоторых других факторов назначаются режимы обработки - частота и величина амплитуды колебаний, характеристики рабочих тел (бой абразива, формованные вибротела, керамические, стеклянные или металлические шары, деревянные кубики и др.), соотношения масс и др. Это позволяет достигать желаемого результата в достаточно широком диапазоне исходных состояний поверхности. Так, для компрессорных лопаток малых и средних габаритов из стальных и титановых сплавов окончательной формообразующей операцией является холодное вальцевание с последующим скруглением кромок абразивным кругом. В этом случае шероховатость поверхности Rа=1,6 и выше, поэтому используются «мягкие» режимы виброобработки для выравнивания микронеровностей по поверхности и создания сжимающих напряжений в поверхностном слое. При этом применяется обработка «внавал», (без закрепления деталей) в торообразных вибромашинах. В ряде случаев технология обработки предусматривает на окончательных операциях абразивное шлифование с последующим полированием поверхности пера лопатки. Такие лопатки подвергаются более интенсивной виброабразивной обработке для снятия микронеровностей и обеспечения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Реализовать эффективную виброобработку крупных лопаток турбомашин значительно сложнее. Большая масса таких деталей с учетом веса контейнера и рабочей среды делают проблематичным создание вибромашины с приемлемыми частотой и амплитудой колебаний в двух или трех координатах из-за резкого роста потребной мощности приводов и динамических перегрузок элементов машин. Кроме того, такие детали имеют худшее качество исходной поверхности, что снижает производительность обработки.
На предприятии «Мотор Січ» используется метод продольной однокоординатной виброобработки в замкнутом контейнере (ПОВО).
В традиционных отечественных и зарубежных виброабразивных машинах сыпучий наполнитель приводится в движение от колебательных движений днища контейнера, расположенного всегда снизу. При этом наполнитель возвращается обратно свободным падением. Эффективность такого метода недостаточно высока.
Процесс виброабразивной обработки деталей значительно активизируется и интенсифицируется внутри закрытого контейнера с двумя днищами, расположенными напротив друг друга, если сыпучий наполнитель активно колеблется между ними, получая кинетическую энергию толчка от каждого днища. Интенсивность соударений наполнителя с обрабатываемой деталью существенно возрастает. Боковые стенки контейнера выполняются наклонными (коническими), это создает дополнительное обжатие ими наполнителя во время его движения, что увеличивает силы динамического воздействия между абразивным наполнителем и стенками контейнера, внутри которого располагаются обрабатываемые детали ГТД в закрепленном или свободном состоянии.
При виброобработке указанным методом абразивными гранулами и стальными калеными шариками происходят более интенсивные, чем в традиционных вибромашинах, съем металла с поверхности и поверхностное микродеформирование деталей, что увеличивает величину и глубину залегания поверхностных сжимающих напряжений и повышает сопротивление усталости деталей.
На рисунке 3 представлены кривые изменения шероховатости поверхности лопаток из стали 14Х17Н2Ш от продолжительности обработки на виброустановке с U-образным контейнером.

Рисунок 3 – Зависимость шероховатости от виброабразивной обработки в U-образном контейнере (1) и методом ПОВО (2)

Достижение шероховатости Ra=1.5 мкм методом ПОВО, как следует из рис.3, происходит примерно за 30 мин, а обычной виброабразивной обработкой - 1,5 ч.
Исследование виброабразивной обработки турбинных и компрессорных лопаток показывает преимущества этого процесса по сравнению с полированием и глянцеванием вручную. Результаты исследования показали, что предел выносливости лопаток, подвергнутых виброшлифованию и виброполированию, составляет 410 МПа и удовлетворяет требованиям ТУ. Величина и характер остаточных напряжений исследуемых лопаток более благоприятны, чем на лопатках с полированием и глянцеванием вручную.

Заключение

Большое значение в решении проблемы обеспечения ресурса и надежности авиационных ГТД, а также создания двигателей новых поколений имеет разработка, совершенствование и создание новых технологических процессов, методов обработки деталей и оборудования, которые повышают не только производительность, но и качество изготовления.
Появление современных типов и модификаций авиационных двигателей непрерывно сопровождается новыми конструкторскими решениями, влекущими за собой технологические трудности. Для их своевременного преодоления и сокращения разрыва между «идеальной», с точки зрения конструкции, и «реальной», с точки зрения технологии изготовления детали, необходимо активно внедрять в производство прогрессивные методы механической и отделочно-упрочняющей обработки.

Литература

1. Богуслаев В. А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. -К.: Издательская фирма «Манускрипт», 1993. - 332 с.
2. Дриггс И. Г., Панкастер О. Е. Авиационные газовые турбины. Пер. с англ. Г.Г. Миронова. - М., Оборонгиз, 1957 - 265 с.
3. Жирицкий Г. С. Авиационные газовые турбины. -М., Оборонгиз, 1950 - 511 с. 4. Доронин Ю.В., Макаров В.Ф. Причины образования дефектов на профиле пера титановых лопаток при полировании.// Там же. – 1991. - №12. – С. 17- 19
5. Колощук Э.М., Шаботенко А.Г., Хазанович С.В. Объемная виброабразивная обработка деталей ГТД. // Авиац. прои-сть. – 1973. - №6. С7 13 -16
6. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пухальская Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД – Запорожье, изд. ОАО «МоторСич», 2005 г. – 559 с.
7. Демин Ф. И., Проничев Н. Д., Шитарев И. Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. - М.: Машиностроение. 2002. - 328 с.; ил.
8. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: МашиностроениеЮ, 1988.240с.
9. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели: Учебник для студентов авиационных вузов. М.: Машиностроение, 1969-544 с.
10. Маталин А. А. Технология машиностроения: Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1985-512 с.
11. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm
ОАО «Наро-Фоминский машиностроительный завод» Компрессорные лопатки ГТД
12. http://www.nfmz.ru/lopatki.htm
Д.т.н. Юрий Елисеев, генеральный директор ФНПЦ ММПП "Салют", Перспективные технологии производства лопаток ГТД

Важное замечание!
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обусловливается рядом факторов, главными из которых являются:

сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;

высокая точность изготовления;

применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток;

массовость производства лопаток;

оснащенность технологического процесса производства лопаток дорогостоящим специализированным оборудованием;

общая трудоемкость изготовления.

Лопатки компрессора и турбины являются самыми массовыми деталями газотурбинных двигателей. Их число в одном моторокомплекте доходит до 3000, а трудоемкость изготовления составляет 25...35 % от общей трудоемкости двигателя.

Перо лопатки имеет протяженную сложную пространственную форму

Длина рабочей части пера составляет от 30- 500мм с переменным профилем в поперечных сечениях вдоль оси. Эти сечения строго ориентированы относительно базовой расчетной плоскости и профиля замковой части. В поперечных сечениях заданы расчетные значения точек, определяющих профиль спинки и корыта лопатки в координатной системе. Значения этих координат задаются табличным способом. Поперечные сечения повернуты относительно друг друга и создают закрутку пера лопатки.

Точность профиля пера лопатки в координатной системе определяется допустимым отклонением от заданных номинальных значений каждой точки профиля пера. В примере это составляет 0,5 мм, угловая погрешность при этом по закрутке пера не должна превышать значения 20 ’ .

Толщина пера имеет малые значения, на входе и выходе воздушного потока в компрессор она для различных сечений изменяется от 1,45мм до 2,5мм. При этом допуск на толщину колеблется от 0,2 до 0,1мм. Высокие требования предъявляются также для формирования радиуса перехода на входе и выходе пера лопатки. Радиус при этом изменяется от 0,5мм до 0,8мм.

Шероховатость профиля пера лопатки должна быть не ниже 0,32мкм.

В средней части пера лопатки расположены опорные бандажные полки сложной профильной конструкции. Эти полки играют роль вспомогательных конструкторских поверхностей лопаток, и на их опорные поверхности наносятся твердосплавные покрытия карбида вольфрама и карбида титана. Средние бандажные полки, соединяясь между собой, создают единое опорное кольцо в первом колесе ротора компрессора.

В нижней части лопатки расположена замковая полка, которая имеет сложную пространственную форму с изменяемыми параметрами сечений. Нижние полки лопаток создают замкнутый контур в колесе компрессора и обеспечивают плавность подачи воздуха в компрессор. Изменение зазора между этим полками выполняется в пределах 0,1…0,2мм. Верхняя часть пера лопатки имеет фасонную поверхность, образующая которой точно расположена относительно профиля замка и входной кромки пера лопатки. От точности выполнения этого профиля зависит зазор между вершинами лопаток и корпусом колеса статора компрессора.

Рабочий профиль пера лопатки бандажных полок, и замка подвергается упрочняющим методам обработки с целью создания на образующих поверхностях сжимающих напряжений. Высокие требования предъявляются также к состоянию поверхностей лопаток, на которых не допускаются трещины, прижоги и другие дефекты производства.

Материал лопатки относится ко второй группе контроля, которая предусматривает тщательную проверку качества каждой лопатки. Для партии лопаток готовится также специальный образец, который подвергается лабораторному анализу. Требования, предъявляемые к качеству лопаток компрессора, весьма высокие.

Способы получения исходных заготовок для таких деталей и использование традиционных и специальных методов при дальнейшей обработки определяют выходные качественные и экономические показатели производства. Исходные заготовки лопаток компрессора получают методом штамповки. При этом могут быть получены заготовки повышенной точности, с малыми припусками на механическую обработку. Ниже рассмотрен технологический процесс изготовления лопаток компрессора, исходная заготовка которая получена методом горячей штамповки обычной точности. При создании такой заготовки определены пути, уменьшающие трудоемкость изготовления и выполнения перечисленных показателей качество лопаток компрессора.

При разработке технологического процесса ставились следующие задачи:

Создание исходной заготовки методом горячей штамповки с минимальным припуском по перу лопатки.

Создание технологических прибылей для ориентирования и надежного закрепления заготовки в технологической системе.

Разработки технологической оснастки и применение метода ориентирования исходной заготовки в технологической системе относительно профиля пера лопатки с целью распределения (оптимизации) припуска на различных этапах механической обработки.

Использование станка с ЧПУ для обработки сложных контуров на фрезерных операциях.

Использования отделочных методов обработки шлифованием и полированием с гарантированием качественных показателей поверхностей.

Создание системы контроля качества исполнения операций на основных этапах производства.

Маршрутная технология изготовления лопаток. Штамповка и все связанные сней операции выполняются по технологии горячей штамповки обычной точности. Обработка ведется на кривошипно-шатунных прессах в соответствии с техническими требованиями. Штамповочные уклоны составляют 7…10°. Радиусы перехода поверхностей штамповки выполняются в пределах R=4мм. Допуски на горизонтальные и вертикальные размеры в соответствии с IT-15. Допустимое смещение по линии разъема штампов не более 2мм. Перо исходной заготовки подвергается профилированной обкатке. Следы от облоя по всему контуру заготовки не должны превышать 1мм.

Лопатки компрессора являются одним из самых ответственных и массовых изделий двигателя и имея ресурс работы от нескольких часов до несколько десятков тысяч часов, испытывают широкий спектр воздействий от динамических и статических напряжений, высокотемпературного газового потока, содержащего абразивные частицы, а также окислительные продукты окружающей среды и сгорания топлива. При этом необходимо отметить, что в зависимости от географического места эксплуатации и режима работы двигателя температура по его тракту колеблется от –50…-40 С° до

700…800 С° в компрессоре. В качестве конструкционных материалов для лопаток компрессора современных газотурбинных двигателей применяют титановые сплавы (ВТ22, ВТ3-1, ВТ6,ВТ8,ВТ33), жаропрочные стали (ЭН961 Ш, ЭП517Ш), а для лопаток турбины литейные сплавы на никелевой основе (ЖС6У, ЖС32).

Опыт эксплуатации и ремонта двигателей для военных самолетов показывает, что обеспечение назначенного ресурса 500-1500 часов во многом зависит от уровня повреждаемости рабочих лопаток компрессора и турбины. При этом она в большинстве случаев связана с появлением забоин, трещин усталости и термоусталости, питтинговый и газовой коррозии, эрозионным износом.

Падение предела выносливости для лопаток 4 ступени на базе 20*10 6 циклов составляет 30% (с 480Мпа для лопаток без дефектов, до 340Мпа для ремонтных лопаток), максимумы напряжений на отремонтированных лопатках 4 ступени хотя и уменьшаются, но все таки значительно превышают напряжение на кромках лопаток без забоин. Забоины на лопатках ротора компрессора ведут к значительной потере усталостной прочности новых лопаток. Значительное число лопаток отбраковывается и безвозвратно теряется, так как они имеют забоины, выходящие за предел допуска на ремонт. Конструкции, изготовленные из титана при относительно малой массе, обладают высокой стойкости против коррозии, хорошими механическими свойствами и красивым внешним видом.

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:

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.