Производство моноколёс и крыльчаток газотурбинных двигателей

Для новых поколений газотурбинных двигателей (ГТД) характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколёса — блиски (blisk от сокращения английских слов bladed disk) и аналогичные бездисковые кольцевые конструкции — блинги (bling от сокращения английских слов bladed ring).

Для повышения жёсткости, прочности и дополнительного облегчения конструкций типа блинг разработаны технологии кольцевых вставок из металлокомпозитов, например Ti-SiC.

Моноколёса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолётов, бизнес-авиации, наземной техники). Но только в последние годы их начали применять для двигателей военной и гражданской авиации, что обусловлено рядом причин.

1. Моноколёса позволяют существенно уменьшить размеры обода диска за счёт устранения замковых соединений и снизить массу конструкций типа «блиск» на 30 %, а конструкции «блинг» — на 70 %.
2. Для создания компактных конструкций ГТД с повышенными удельными параметрами у компрессоров несколько осевых ступеней заменяют одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50 — 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней.
3. Для малых диаметров колёс размещение лопаток с хвостовиками на ободе диска становится проблематичным.

Применяемые в отечественных ГТД моноколёса, несмотря на относительно небольшую номенклатуру, значительно отличаются друг от друга конструктивным исполнением. Для изготовления моноколёс в основном применяются титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ-6, ВТ-8, ВТ-25, а также алюминиевые сплавы АК4-1, АК-6, ВД-17.

Размеры монолитных колёс находятся в диапазоне 170 — 700 мм по наружному диаметру и 25 — 175 мм по ширине. Количество лопаток, даже на колёсах примерно одного диаметра, различно. Высота лопаток составляет 0 — 200 мм, причём для осевых колёс она значительно выше, чем для центробежных.

Толщина лопаток составляет от 0,9 до 3,0 мм, что в значительной степени влияет на жёсткость технологической системы и требует продуманного выбора технологических переходов при обработке, а в некоторых случаях применения промежуточной заливки межлопаточного пространства перед фрезерованием.

Точность изготовления профилей лопаток моноколёс должна соответствовать ОСТ 102571-86 «Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера», а шероховатость трактовых поверхностей — Ra = 0,32 — 0,63 мкм.

Почти во всех конструкциях монолитных колёс профиль межлопаточного пространства строится с использованием простых образующих, что облегчает составление управляющих программ обработки. Отечественные 5-координатные фрезерные станки типа ДФ-224Р, ДФ-966, МА 55С5Н, имеющие угол поворота инструмента ±22,5°, позволяют обрабатывать моноколёса с простой формой межлопаточных каналов по 3-4 координатам. Фрезерование лопаток моноколёс, имеющих сложные поверхности, на таких станках с достаточной технологической точностью невозможно, так как обработка должна производиться одновременно по 5 координатам.

Увеличение центробежных сил и, следовательно, контактных давлений и вибраций в замковых соединениях лопаток с диском приводит к фреттинг-коррозии, вызывающей снижение усталостной прочности и ускоряющей появление усталостных трещин, что, в свою очередь, способствует отрыву лопаток и выходу двигателя из строя. Снизить напряжения в соединении лопатки с диском можно благодаря применению высоконапорных моноколёс.

Это связано также с успехами, полученными в области технологии обработки межлопаточных каналов, появлением прогрессивного оборудования и современным проектированием лопаточных машин.

Таким образом, несмотря на высокую трудоёмкость изготовления, моноколёса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе позволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колёсами компрессоров ГТД.

У двигателя пятого поколения EJ-200 ротор компрессора состоит из семи блисков, включая вентиляторный блиск с широкохордными лопатками. Несколько ступеней блисков имеет двигатель серии BRR 700. По мнению специалистов, отработанная технология изготовления моноколёс в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток.

Западные производители газотурбинных двигателей используют для изготовления дисков три базовые технологии:

• фрезерование лопаток в монолитной заготовке;
• электрохимическая прошивка межлопаточных каналов после предварительного фрезерования или в монолитной заготовке;
• сварка лопаток с диском методом линейной сварки трением.

Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от сложности формы лопаток, материала и габаритов.

Фрезерование блисков является традиционным способом. Он особенно эффективен при опытном производстве. В серийном производстве этот метод может быть экономически выгоден при изготовлении титановых блисков сравнительно небольших размеров. Блиски из высокопрочных сталей и никелевых сплавов получать фрезерованием неэффективно вследствие низкой обрабатываемости этих материалов. Фрезерованием невозможно получить очень тонкие лопатки. При изготовлении блиска из титанового сплава диаметром 500 мм, имеющего 85 лопаток с хордой 33 мм, одна лопатка фрезеруется в течение -15 мин. Скорость резания при черновой обработке составляет -100 м/мин, а при чистовой — 300 м/мин. Такие высокие скорости резания, полученные путём оптимизации условий обработки, позволили увеличить производительность фрезерования на 50 %. Шероховатость рабочих поверхностей лопаток после фрезерования составляет Ra =1,5 мкм. После фрезерования ручные доводочные работы не выполняются. В качестве финишной обработки используется виброполирование, а для предварительного прорезания пазов — абразивная струйная резка.

Электрохимическая обработка (ЭХО) является эффективным способом серийного производства блисков средних и малых размеров. К достоинствам ЭХО можно отнести высокую стабильность, производительность, отсутствие износа электродов. При использовании ЭХО не требуется ручная доработка поверхностей. Современное технологическое оборудование позволяет эффективно автоматически контролировать параметры процесса. В то же время, возникает ряд сложностей при подготовке производства. Это касается, в первую очередь, оптимизации формы электрода, выполняемой опытным путём в несколько итераций (до настоящего времени отсутствуют эффективные методики расчёта формы электрода для таких сложных поверхностей, как лопатки). Требуется квалифицированный опытный персонал. Перед чистовой ЭХО пазы между лопатками могут быть предварительно получены фрезерованием или струйно-абразивной резкой.

В настоящее время налажено серийное производство моноколёс диаметром 650 мм, имеющих 40 лопаток с хордой 72 мм и высотой 100 мм, из титанового сплава Ti-6Al-4V. ЭХО выполняется после предварительного чернового фрезерования с припуском 2 мм при плотности тока 0,5 А/мм² и подаче 1 мм/мин. Шероховатость поверхности после обработки составляет Rz = 5 — 10 мкм, время обработки одной лопатки — 5 мин.

Линейная сварка трением первоначально была разработана для ремонта повреждённых лопаток, которые нельзя было ремонтировать обычной сваркой. Сегодня этот метод применяется для получения блисков с лопатками большого размера. Каждая лопатка приваривается отдельно.

Моноколёса относятся к наиболее ответственным деталям двигателя. Надёжность и себестоимость их изготовления неразрывно связана с уровнем технологии производства. Разработанный на ММПО «Салют» технологический процесс изготовления моноколёс включает следующие основные операции:

• заготовка — непрофилированная поковка (шайба);
• предварительная и окончательная обточка поковок выполняется на токарных станках MDW-20S ;

  

• предварительная и окончательная обработка поковок при наличии внецентренных крепёжных отверстий осуществляется на токарно-фрезерных центрах INTEGREX 1060 фирмы «MAZAK» (Япония). При больших габаритах и массе используют станки с вертикальной осью вращения заготовки типа «MORISEIKI» (Япония).

  

• предварительное и окончательное фрезерование межло- паточных каналов выполняется на многоцелевых станках с ЧПУ фирмы «STARRAG» (Германия);

  

• окончательная обработка межлопаточных каналов (полирование, скругление кромок пера лопаток на пневмомашинах типа СМ21-3-18000 борфрезами и войлочными кругами с накатанным абразивом);
• контроль геометрии межлопаточных каналов, выполняемый непосредственно на фрезерном станке с ЧПУ, на котором вместо обрабатывающего инструмента устанавливается контрольная измерительная головка, выдающая информацию в системе ЧПУ станка на экран дисплея или распечатку отклонений. Контроль геометрии межлопаточных каналов может выполняться также на контрольно-измерительной машине.

С целью автоматизации процесса подготовки управляющих программ, выбора параметров режущего инструмента для предварительного и окончательного фрезерования и оценки формообразования используются математические модели межлопаточных каналов. Фрезерование межлопаточных каналов на станках фирмы «STARRAG» выполняется с достаточной точностью и шероховатостью поверхностей под окончательную безразмерную обработку.

Технология окончательной безразмерной обработки межлопаточных каналов отрабатывается на вибро-гидравлических машинах в среде свободного абразива, где лопатки получают требуемую шероховатость поверхностей и сохраняют заданный профиль входной и выходной кромок.

В современных ГТД часто используются осевые компрессоры. Центробежные компрессоры встречаются значительно реже. Основной деталью центробежного компрессора является крыльчатка. По конструктивным признакам различают следующие виды крыльчаток: открытые (заборники), полузакрытые и закрытые. Полузакрытые и закрытые бывают односторонними и двухсторонними.

Открытая крыльчатка представляет собой ступицу с лопатками (лопастями) без торцевой стенки. Полузакрытая крыльчатка имеет ступицу и диск, к которым примыкают лопатки. Последние бывают прямыми и криволинейными трапецеидального сечения и с постепенным утолщением к ступице.

У небольших крыльчаток лопатки могут иметь заборные части. В большинстве современных ГТД применяют полузакрытые крыльчатки.

Закрытые крыльчатки (литые) и сборные (паяные) в авиационных газотурбинных двигателях применяются редко, что обусловлено трудностью их изготовления и недостаточной прочностью.

Соединение компрессора с валом и передача крутящего момента от вала турбины к крыльчатке осуществляются:

• креплением вала к крыльчатке с помощью фланцев и шпилек;
• соединением эвольвентными шлицами;
• креплением крыльчатки с цапфой штифтами; цапфа имеет торцевые шлицы для передачи крутящего момента.

Точность обработки отдельных поверхностей и их взаимного расположения характеризуется следующими величинами:

• посадочные поверхности (поверхности А) и лабиринтные пояски (Д) — 6 — 10-Й квалитеты;
• наружный диаметр (поверхность Б) — 8 — 10-й квалитеты;
• остальные поверхности — 11 — 12-й квалитеты;
• биения наружного диаметра (Б) и торцов (Б, Г) относительно посадочных поверхностей (А) — 0,02 — 0,05 мм;
• шероховатость лопаток полузакрытых и открытых крыльчаток Ra = 0,16 — 0,08 мкм.

Большинство открытых и полузакрытых крыльчаток выполняют из алюминиевых деформируемых сплавов АК4-1, АК6-1, БД-17. Если температура крыльчаток в условиях эксплуатации выше 200 °С, то крыльчатки изготавливают из титановых сплавов ВТ-10, ВТ-25У. Для закрытых цельных крыльчаток применяют литейные алюминиевые сплавы, а для сборно-паяных — стали 30ХГСА, 12Х18Н9Т и др.

Заготовки открытых и полузакрытых крыльчаток обычно получают в закрытых штампах. Заготовки крыльчаток из алюминиевых сплавов отливают в земляные формы, металлические кокили и оболочковые формы.

Механическая обработка крыльчаток делится на три этапа. При черновом этапе обрабатываются все поверхности крыльчатки и снимается до 70 % всего припуска. Обработка ведётся с большими подачами и глубинами резания. На чистовом этапе снимаются оставшиеся 30 % припуска. Точность и шероховатость поверхности на этом этапе, в основном, соответствует требованиям чертежа. На окончательном этапе полируются лопатки и полки.

Технологическими базами при обработке открытых и полузакрытых крыльчаток служат наружные поверхности Б, отверстия А и торцы В и Г.

Основные этапы технологического процесса изготовления полузакрытой крыльчатки:

• штамповка;
• точение наружного контура и подрезка торца;
• ультразвуковой контроль материала заготовки;
• растачивание отверстия и подрезка другого торца;
• сверление отверстий под шпильки и развёртывание двух из них;
• черновое и чистовое точение наружного контура крыльчатки (раздельно правую и левую стороны);
• координатно-расточная;
• фрезерование лопаток (предварительное);
• термообработка (стабилизация);
• окончательное точение наружного контура крыльчатки;
• фрезерование лопаток (окончательное);
• обработка шлицев;
• окончательное точение наружного контура крыльчатки;
• балансировка;
• технический контроль.

Обработка цилиндрических поверхностей и торцов крыльчаток выполняется на токарных станках с ЧПУ, токарно-револьверных и токарно-фрезерных многоцелевых станках.

Более всего для изготовления турбинных моноколёс подходит 5-координатный обрабатывающий центр. Диапазон наклона поворотного стола от -60 до +150°. Фрезерование выполняется со спиральным и боковым входом инструмента.

На ММПП «Салют», освоена и внедрена высокоточная размерная обработка межлопаточных каналов моноколёс компрессоров на швейцарских станках фирмы «Shtarrag», для чего организован специализированный участок, на котором размещены фрезерные станки с ЧПУ, оборудование для перезаточки и контроля режущего инструмента, контрольные приборы.

Отличительной особенностью этого оборудования является:

• одновременная обработка четырёх моноколёс;
• автоматическое бесступенчатое регулирование подачи с помощью системы «адаптивного контроля», специально разработанной для черновой и чистовой обработки;
• температурная стабилизация (опоры шпинделя, меж- центровое расстояние и т.п.) посредством охлаждения компрессором позволяет добиться максимальной частоты вращения шпинделя и улучшения точности обработки при многошпиндельном, многоместном длительном режиме работы.

Вам также могут быть интересны статьи:

Технология изготовления крыльчаток газотурбинных двигателей Производство авиационных газотурбинных двигателей Обработка сложных пространственных поверхностей Заготовки турбинных лопаток Электрохимическая обработка фасонных поверхностей Технология обработки поверхностей хвостовой части турбинных лопаток

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Загрузка...