Повышение качества лопаток турбокомпрессора газотурбинного двигателя вертолета модели ВК-2500 на основе отделочно-упрочняющей обработки

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательное завершение работы – июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Обзор исследований и разработок
• Выводы
• Список источников

Введение

Газотурбинные двигатели занимают монопольное положение в качестве двигателей современных самолетов и вертолетов. Основной тенденцией развития в авиа- и двигателестроении является увеличение удельных параметров рабочего процесса, нагрузок на детали, повышение их рабочих температур. В результате усложняется конструкция двигателя, что затрудняет поддержание высокого уровня надежности.

Расширение диапазона применения газотурбинных двигателей по условиям эксплуатации (температуре, климатическим условиям, наличию пыли и др.) вызывает необходимость проведения отделочно-упрочняющих работ. Хотя данные проблемы в разной степени присущи всем типам авиационных двигателей, однако для вертолетных они стоят наиболее остро.

Современный авиационный газотурбинный двигатель – это сложная инженерная конструкция. В его создание внесли огромный вклад коллективы из различных отраслей науки и техники. При проектировании и производстве двигателей используются новейшие достижения в области металлургии, технологии обработки металлов, электроники и других областей. Поэтому производство газотурбинных двигателей считается наукоемким. Стоит учесть большую стоимость и длительный срок изготовления нового двигателя, в связи с чем на первый план выдвигаются задачи увеличения ресурса двигателя, повышения его надежности [1].

Поскольку в процессе эксплуатации двигателя происходит широкий спектр необратимых физико-химических изменений (накопление усталостных повреждений, изнашивание, старение и т.п.), необратимо изменяются состояние и свойства деталей, узлов. В результате наступает момент, когда эти изменения приводят к отказам, полной потере работоспособности, что нарушит безопасность полетов [2].

Надежность и долговечность газотурбинных двигателей (ГТД) в большей степени определяют наиболее ответственные и нагруженные детали – лопатки компрессора и турбины, геометрическая форма которых в процессе эксплуатации претерпевает значительных изменений.

1. Актуальность темы

Ресурс и надежность современных авиационных двигателей напрямую зависит от эксплуатационной выносливости лопаток турбокомпрессора, являющихся массовыми деталями. Лопатки газотурбинных двигателей являются деталями со сложной геометрической пространственной формой. В процессе эксплуатации на них воздействует целый ряд негативных факторов, что неизбежно ведет к интенсивному износу и короткому, по сравнению с другими деталями двигателя, ресурсу.

Долговечность лопаток компрессора и турбины во многом определяется их тепловым состоянием и уровнем действующих нагрузок и напряжений. При изменении режимов работы двигателя, скорости и высоты полета вертолета условия теплового и механического нагружения лопаток существенно изменяются.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче – разработке нового подхода к синтезу технологического процесса нанесения специальных покрытий на лопатки турбокомпрессора, направленного на повышение их эксплуатационной стойкости.

Мероприятия направленные на увеличение твердости поверхностного слоя лопаток, например, хромирование, цементация и т.д., не привели к существенному уровню сопротивления эрозионному износу. Причиной послужило образование хрупкого твердого поверхностного слоя и наличие в нем микротрещин с последующим выкрашиванием при ударах твердых частиц пыли [3]. На ряду с этим, создание специальных покрытий, позволяет увеличить сопротивляемость износу примерно в 2-3 раза.

2. Цель и задачи исследования

Целью исследования является повышение качества лопаток турбокомпрессора газотурбинного двигателя за счет отделочно-упрочняющей обработки путем нанесения специальных покрытий.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать современное состояние вопроса.

2. Разработать общие принципы нанесения специальных покрытий лопаток турбокомпрессора ГТД.
3. Выполнить синтез структуры технологического процесса нанесения специальных покрытий.
4. Синтез технологического оборудования для нанесения специальных покрытий лопаток турбокомпрессора ГТД.
5. Разработать рекомендации по повышению качества лопаток турбокомпрессора ГТД путем нанесения специальных покрытий.

Объект исследования: структура технологического процесса упрочняющей обработки лопаток турбокомпрессора ГТД путем нанесения специальных покрытий.

Предмет исследования: связи и закономерности между операциями технологического процесса нанесения специальных покрытий лопаток турбокомпрессора ГТД.

3. Обзор исследований и разработок

При эксплуатации газотурбинных двигателей отдельные узлы и детали изменяют свои свойства и соответственно изменяются выходные параметры двигателя. Эти изменения проявляются в естественном износе лопаток, потере первоначальной формы и изменении физико-механических свойств материала, накоплении повреждений и т.д. [4]. В связи с этим надежность двигателя, заложенная при проектировании и производстве, в процессе эксплуатации изменяется. Со временем повреждаемость лопаток и определяемая ими надежность достигает таких величин, когда становится возможным резкое снижение безопасности полетов.

Под воздействием конструктивно-производственных и эксплуатационных факторов происходит изменение состояния лопаток турбины и компрессора, а также параметров рабочего процесса двигателя. Все неисправности принято разделять на две группы: повреждение – нарушение исправности объекта или его составных частей; отказы – нарушение работоспособности объекта. Для понимания физической сущности появления отказов удобно представить работу ГТД в виде трех периодов, характеризующихся определённым видом изменения интенсивности отказов (Рис.1).

Интенсивность отказов можно разбить на три группы: отказы, происходящие в начальный период поступления изделий на эксплуатацию (приработочные отказы); внезапные или случайные отказы, характерные для всего периода эксплуатации; отказы, которые обусловлены изменением прочностных и геометрических параметров изделий из-за длительного времени эксплуатации изделий (постепенные отказы).

Причины, которые приводят к снятию с эксплуатации двигателя [5]:

1. Разрушение лопаток компрессора – 35%;

2. Разрушение лопаток турбины – 30%;

3. Помпаж двигателя – 15%;

4. Попадание посторонних предметов – 10%;

5. Заброс температуры газов – 10%.

Ресурс работы лопаток для двигателей гражданской авиации находится в пределах 10 000…20 000 ч, а для военной авиации – 500…1000 ч. Следует отметить, что лопатки турбокомпрессора работают в условиях высоких температур газа, достигающих для турбин 1200°С, для компрессора – 600°С [6].

В результате эксплуатации на лопатки турбины и компрессора воздействует множество факторов, обусловленных особенностями влияния среды, в которой эксплуатируется двигатель (попадание сторонних предметов, коррозия, фреттинг-коррозия, обледенение, эрозия, износ и др.) [7,8]. В ходе проведения работы по анализу повреждаемости лопаток и выявлению факторов, оказывающих негативное влияние на характеристики двигателя, были установлены наиболее распространенные повреждения лопаток ГТД, приведенные на рисунке 2.

При производстве лопаток широко применяют высокопрочные, жаропрочные стали и сплавы, которые обладают большими пределами прочности, выносливости и коррозионной стойкостью. Однако, типичным дефектом для данных материалов является микроструктурная неравномерность, в результате чего возникают зоны с низкими механическими свойствами.

К сожалению, прочность конструкций оказывается значительно меньшее, чем прочность материалов, из которых изготовлены конструкции. Причинами данного явления служат наличие в лопатках остаточных напряжений, анизотропии свойств, изменении свойств материала в результате эксплуатации.

Нагрузки, которые испытывают отдельные детали двигателя, можно разделить на две группы: детерминированные и стохастатические.

К первой группе относятся нагрузки от аэродинамических сил на лопатки при установившихся режимах работы двигателя, от центробежных сил вращающихся деталей. Вторая группа нагрузок носит случайный характер. К ним относятся нагрузки на элементы компрессора ( в том числе лопатки), связанные с динамической неуравновешенностью ротора и колебаниями температуры при смене режима работы двигателя.

Именно эта группа нагрузок вносит неопределенность в структуру действующих нагрузок. Действующие эффективные силы являются результатом сложения детерминированной и случайной (вибрационной) нагрузок. Наибольшую опасность представляют резонансные колебания лопаток [7].

До 60% поломок лопаток ГТД имеют усталостный характер и связаны с действием переменных напряжений, возникающих при вибрациях. Поломка одной лопатки обычно приводит к лавинообразному процессу повреждения или разрушения других, нарушению балансировки ротора, помпажу и другим серьезным повреждениям двигателя.

В виду сложных условий эксплуатации вертолетных двигателей (взлеты и посадки с использованием неподготовленных взлетно-посадочных площадок, длительная работа вблизи земной поверхности) лопатки турбокомпрессора подвержены эрозионному износу [8].

Износ лопаток первых ступеней компрессора происходит по всей высоте вследствие равномерного распределения потока пыли. Лопатки последних ступеней имеют ярко выраженный износ по периферии, что объясняется центрифугированием потока пыли в ступенях. Действие центробежных сил на частицы пыли приводит к концентрации ее на периферии, и лопатки последних ступеней, являющиеся более тонкими, оказываются наиболее изнашиваемыми деталями ГТД. Износ деталей проточной части компрессора может послужить причиной помпажа.

Лопатки турбины также подвержены эрозионному износу, в основном истираются выходные кромки лопаток сопловых аппаратов, что приводит к увеличению температурного режима и уменьшению максимальной мощности двигателя.

В ходе эксплуатации вертолетных двигателей практически всегда возникают условия, при которых лопатки турбины и компрессора подвергаются различным видам коррозии. Основными видами коррозии, по которым производится отбраковка лопаток ГТД, являются: питтинговая, фреттинг-коррозия, сульфидно-оксидная коррозия, высокотемпературная коррозия и др. [1, 5,7]

Важнейшим направлением технологического обеспечения высокой стойкости лопаток компрессора и турбины вертолетных газотурбинных двигателей, является нанесение защитных покрытий.

На рисунке 3 показаны лопатки компрессора с нанесенным защитным покрытием.

Существует множество методов нанесения покрытий на поверхность деталей, в частности детонационные, химико-термические, гальванические, диффузионные, плазменные и др., которые отличаются физико-химическими процессами формирования.

Наибольшее применение получили покрытия, основанные на методах химического осаждения (CVD) и физического осаждения (PVD), а также различные газотермические покрытия. Однако при существенном изменении геометрии лопаток применение методов СVD- и PVD-покрытий не целесообразно. Применение методов ГТН покрытий позволяет получать покрытия с высокими характеристиками адгезионной и когезионной прочности [11,12].

Выбор наиболее оптимального метода нанесения покрытий, который обеспечит требуемые эксплуатационные свойства лопаток при минимальных экономических затратах, условно представим в виде схемы, изображенной на рисунке 4.

Выводы

Для получения высокого уровня конструктивной прочности поверхностного слоя лопаток компрессора, применяют различные методы нанесения покрытий. Наносимые покрытия позволяют защитить материал основы от эксплуатационных воздействий, а также существенно увеличить срок службы как лопаток, так и двигателя в целом.

Наиболее перспективными материалами для формирования твердых защитных покрытий на лопатки ГТД являются карбид и нитрид титана. Они имеют высокую микротвердость и трещиностойкость. Титан – высокотехнологичный и доступный материал, прекрасно диспергируемый способами ионно-плазменного вакуумного осаждения.

Наиболее перспективными способами для повышения качества и работоспособности лопаток ГТД, являются способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностей при помощи нанесения защитных покрытий.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: октябрь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Елисеев Ю.С. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, К.А. Малиновский, В.Г. Попов. – М.: Высшая школа, 2002. – 355 с.
2. Орлов К.Я., Пархимович В.А. Ремонт самолетов и вертолетов. М.: Транспорт, 1986. — 295 с.
3. Григорьев В.А. Вертолетные газотурбинные двигатели / В.А. Григорьев, В.А. Зрелов, Ю.М. Игнаткин и др.; под общ. ред. В.А. Григорьева и Б.А. Пономарёва. – М.: Машиностроение, 2007. – 491 с.
4. Шашкин В.В. Авиационные ГТД в наземных установках / В.В. Шашкин, В.М. Капралов, М.Г. Калашников, О.А. Рудаков, А.Я. Ярошенко. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1984. — 228 с.
5. Сиротин Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. (Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок). — М.: РИА «ИМ-Информ», 2002. — 442 с.
6. Машошин О.Ф. Рабочие лопатки авиационных ГТД: конструкция, прочность, эксплуатация. Учебное пособие для обучающихся. / О.Ф. Машошин, Б.А. Чичков. – М.: МГТУ ГА, 2017. – 80 с.
7. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей – М.: Транспорт, 1980 – 248 с.
8. Чичков Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД. Часть I. Эксплуатационная повреждаемость рабочих лопаток. / Б.А. Чичков. / Московский государственных технический университет гражданской авиации, 2000. – 74 с.
9. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели: конструкция и расчет деталей. / Г.С. Скубачевский. – М.: Машиностроение, 1969. – 545 с.
10. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть 1. ОАО "Мотор Сич", 2003. - 420 с.
11. Зенин Б.С. Современные технологии поверхностного упрочнения и нанесения покрытий/ Б.С. Зенин, А.И. Слосман; Томский политехнический университет. – 2-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 120 с.
12. Синани, И.Л. Методы нанесения покрытий / И.Л. Синани, Е.М. Федосеева, Г.А. Береснев: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 110 с.