автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества замковых соединений лопаток турбин турбокомпрессоров при проектировании и изготовлении

огб

На правах рукописи

ПОТАПОВ

Сергей Давидович

Повышение качества замковых соединений лопаток турбин турбокомпрессоров при проектировании и изготовлении

05.02.08 — Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 1997

Работа выполнена к Специальном конструкторском бюро турбонагнетателей и н Пензенском государственном техническом университете.

Научный руководитель — доктор технических паук, профессор В. О. ТРИЛИССКИИ.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор И. И. АРТЁМОВ.

— кандидат технических наук, профессор В. В. ЧЕРЯЧУКИН.

Ведущая организация — АО «ПЕНЗДПЗЕЛЬМАШ», г. Пенза.

Защита состоится « 5 » //р^У/^Р 1997 в часоз

па заседании диссертационного совета К-063.18.02 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук в Пензенском государственном техническом университете но адресу: 440017, Пенза, ул. Красная, 40, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» ______ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

в. о. соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Увеличение мощности дизельных двигателей транспортного назначения неразрывно связано с проблемой соз-дания высоконапорных турбокомпрессоров

(ТК).

Острая конкурентная борьба между отечественными и зарубежными производителями ТК за рынки сбыта заставляет их постоянно улучшать показатели качества своих изделий, к которым относятся ресурс, КПД п цена.

Основными конструктивными элементами, определяющими ресурс п надежность ТК, являются элементы замкового соединения (ЭЗС) турбинных лопаток с диском, работающие при больших окружных скоростях (до 500 м/с) и высоких уровнях температур (до 700°С).

Как показывает анализ инженерной деятельности, связанной с процессами проектирования и изготовления ЭЗС, работа по повышению показателей качества ЭЗС ведется раздельно по двум направлениям:

— расчетные проработки па стадии конструирования:

— технологическая проработка и подготовка производства.

На стадии конструирования определение показателей качества осуществляется методами, позволяющими получить лишь приближенную оценку этих показателей из-за упрощенности применяемых моделей, не учитывающих особенности геометрии ЭЗС и поведения многоопорных стыковых соединений, прострапственпость приложения нагрузок.

Назначение технологических параметров ЭЗС (шероховатость поверхностей контакта, допуски на изготовление) производится исходя из минимальных затрат на их получение-без учета конструктивных особенностей ЭЗС, свойств материалов, условий эксплуатации и способа окончательной механической обработки.

Необходимость обеспечения требуемого ресурса, при столь низкой точности методов его прогнозирования, приводит к необходимости многократного увеличения запасов прочности, что влечет за собой значительное снижение показателей качества, а именно:

— завышение инерционных характеристик ротора, отрицательно сказывающихся на приемистости силовой установки, ее экологических показателях и экономичности;

— увеличение металлоемкости ТК и нерациональное применение дорогостоящих никелевых сплавов, сказывающееся па цепе изделия;

— невозможность сохранения габаритных размеров ТК при наращиваниии форсировки.

Необходимость в новых методах обеспечения показателен качества ЭЗС, основанных на комплексном подходе, учитывающим взаимовлияние всех этапов создания ТК, таких как конструкторская проработка, технологическая подготовка, а так же особенности эксплуатации и обуславливает актуальность диссертационной работы.

Цель работы. Повышение качества ЭЗС ТК транспортного назначения на основе расчетных и технологических методов, учитывающих взаимовлияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: расчетно-аналитическне и численные методы математического моделирования, лабораторные испытания, вероятностно-статистические методы исследования.

Научная новизна. Впервые разработана методика комплексного подхода к обеспечению показателей качества ЭЗС ТК транспортного назначения, учитывающая и взаимоувязывающая этапы конструкторской проработки, технологической подготовки и особенности эксплуатации. При этом обеспечивается возможность учета любых геометрических особенностей конструкции ЭЗС, их контактного взаимодействия и способов механической обработки контактных поверхностей.

На защиту выносятся:

— разработанная математическая модель обеспечения показателей качества ЭЗС;

— установленные связи между конструктивными и технологическими параметрами ЭЗС для конкретных условий эксплуатации;

— оригинальная математическая модель контактного конечного элемента, позволяющая учитывать при проектировании влияние па напряженно-деформированное состояние (НДС) замка макро- и микропрофпля поверхностей контакта, формируемого в процессе механической обработки;

— рекомендации по технологическому обеспечению качества ЭЗС.

Практическая, ценность. Предложенная методика позволяет па стадии проектирования обеспечить требуемые показатели качества ЭЗС, за счет подбора оптимальных технологических параметров. Использование комплексного подхода к обеспечению показателей качества позволяет снизить металлоемкость изделия н его себестоимость при сохранении требуемого ресурса, обеспечивая, тем самым, высокую конкурентоспособность изделия.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются при проведении перспективных разработок и модернизации серийно выпускаемых ТК в СКБТ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлических конструкций и методы их решения». С.-Петербург, 1995 г.;

— международном симпозиуме «Потребители - - производители компрессоров н компрессорного оборудования — ¡996». С.-Петербург, 1996 г.;

— международной научно-технической к о п ф е р е н ц и и «Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем». Пенза, 1996 г.;

— международном научно-техническом совещании «Динамика и прочность авиационных двигателей». Самара, 1996 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы четыре печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и содержит 141 страницу машинописного текста,.. 54 рисунка, 20 таблиц, приложений па 19 страницах. Общий объем диссертации составил 229 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована целесообразность разработки методики комплексного подхода к обеспечению показателен качества ЭЗС.

В первой главе рассмотрены особенности условий эксплуатации ТК транспортного назначения, приведены данные по отказам ЭЗС, имевшим место в практике СКБТ, и способы их предотвращения, рассмотрены методы обеспечения показателей качества ЭЗС, применяемые в настоящее время как в СКБТ, так и в мировой ¡фактике турбо- компрессорострое-ния. Рассмотрены вопросы, связанные е особенностями техно-логин изготовления и контроля качества ЭЗС, используемые па предприятиях, выпускающих ТК.

Анализ условий эксплуатации ТК позволил выявить ряд особенностей, связанных со спецификой работы силовых агрегатов транспортного назначения, к которым относятся дизельные установки судов неограниченного района плавания, магистральных и маневровых тепловозов, большегрузных автосамосвалов. Всем им присущи частая смена эксплуатационных режимов, длительные сроки наработки, разнообразие климатических и географических условий эксплуатации.

Отказы ЭЗС, как правило, связаны с несовершенством методик для определения основных показателей качества ЭЗС, которые применяются в настоящее время в ведущих проектных организациях. Поэтому вопросы обеспечения надежности работы ЭЗС, решаются за счет многократного увеличения запасов прочности или применения более высокопрочных сплавов па никелевой основе. Однако, такой экстенсивный путь проектирования вступил в противоречие с все возрастающими требованиями по снижению весовых, стоимостных и габаритных характеристик ТК, обеспечению их конкурентоспособности. Одним из вариантов решения проблемы явилось необоснованное снижение запасов прочности ЭЗС для вновь разрабатываемых ТК-

Обзор аналитических и экспериментальных методов, посвященных вопросам определения НДС ЭЗС, показал их малую эффективность, в связи с невозможностью точного описания особенностей геометрии ЭЗС без существенного снижения точности результатов, а так же ограниченной возможности экстраполяции результатов экспериментальных исследо-ний па многообразие современных конструктивных исполнений ЭЗС.

Наиболее полно проблема моделирования геометрических особенностей ЭЗС, а так же особенностей их контактного взаимодействия может быть решена только с'использованием Метода конечных элементов (МКЭ) в трехмерной постановке с применением специальных контактных конечных элементов (ККЭ), способных моделировать всевозможные явления, происходящие в зоне стыков контактирующих поверхностей (податливость микропрофпля, "раскрытие ''стыка, взаимное смещение поверхностей контакта).

Анализ технологии изготовления ЭЗС, применяемой как в СКБТ, так и'на других предприятиях, выпускающих ТК, показал, что столь важные технологические параметры, как шероховатость поверхностей контакта ЭЗС и величина допуска на шаг между зубьями замков назначаются исходя только из минимальных затрат на их получение, независимо от конструктивных особенностей конкретного ЭЗС, материалов, используемых для их изготовления и условий эксплуатации, для которых предназначен ТК.

Вместе с тем,' из работ И. А. Биргера, Г.' Б. Иоснлевича„ Н. Г. Мелещенко следует; что при контактных взаимодействиях детален, работающих в аналогичных условиях (резьбовые соединения, высоконагруженные стыки дизелей н т. д..), величина шероховатости п точности изготовления1 оказывают значительное влияние на НДС.

Таким образом, анализ инженерной деятельности при разработке новых моделей ТК показывает, что ■ существующая методология обеспечения качества ЭЗС характеризуется решением автономных конструкторских, технологических :'.н эксплуатационных групп задач, слабо взаимосвязанных между собой. В то же время, из работ В. А. Полетаева, А. Н. Пе-тухова и других авторов известно, что установление связей между процессами проектирования и изготовления позволяет достаточно эффективно управлять качеством изделий различного назначения.

В связи с этим, для повышения уровня качества ЭЗС ТК, в работе сформулированы следующие задачи:

— разработать математическую модель замкового соединения, позволяющую учитывать при определении показателей качества все этапы жизненного цикла изделия — конструктивный, технологический и эксплуатационный;

— разработать методику и программу расчета на ЭВМ показателей качества ЭЗС с использованием А1КЭ;

— установить влияние эксплуатационных параметров на показатели качества ЭЗС;

— выполнить анализ влияния на показатели качества ЭЗС технологических параметров, формируемых на стадии изготовления;

— разработать рекомендации по повышению качества ЭЗС.

Во второй главе описана методика моделирования взаимодействий ЭЗС с учетом их шероховатости н точности изготовления. Дается вывод аналитических зависимостей, характеризующих жесткостные свойства микрорельефа поверхностей контакта и приводится механический аналог трехмерного ККЭ (рис. 1).

ККЭ состоит из двух поверхностей — нижней (узлы с номерами 1, 2, 3, 4) и верхней (узлы с номерами 5, 6, 7, 8). Между собой поверхности соединены «пружинами». Узлами верхней поверхности ККЭ крепится к узлам конечно-элементной модели одной из контактирующих деталей, узлами нижней поверхности — к узлам второй детали. В исходном состоянии (до приложения нагрузки) координаты пар узлов 1—5, 2—6, 3—7, 4—8 тождественны. Приложение нагрузки вызывает деформацию «пружин» ориентированных вдоль оси действия нагрузки и приводит к взаимному смещению поверхностей ККЭ.

Ориентация «пружин», расположенных в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, позволяет моделировать явления взаимного сближения, проскальзывания контактных поверхностей, а так же раскрытие стыка.

Жесткости «пружин» определяются контактными жестко-стями микрорельефа поверхностей контакта в нормальном и двух тангенциальных направлениях, характеризуемых зависимостями типа «нагрузка — сближение».

Характеристики контактных жесткостей определяются, в зависимости от типа контактного взаимодействия (упругое, упруго-пластическое или пластическое), по зависимостям, полученным в работах И. В. Крагельского, Н. М. Михина, Н. Б. Демкина, Э. В. Рыжева, Д. Н. Решетова, 3. М. Левиной и др.

В основу моделирования процесса контактного сближения шероховатых поверхностей положена сферическая модель отдельного выступа микронеровности, как самая близкая по форме к наиболее точной — эллипсоидной модели и дающая наименьшую погрешность.

Характеристики жесткости определяются па основе построения начального участка кривой опорной поверхности, оказывающей, согласно работам Н. Б. Демкипа, наибольшее влияние на формирование фактической площади касания. Необходимые для построения кривой опорной поверхности данные, получаются обработкой профилограмм поверхностей контакта, или берутся из известных данных для соответствующих типов механической обработки.

В работе приведены аналитические выражения, необходимые для моделирования нормального сближения контактирующих поверхностей, относительного смещения п взаимного проскальзывания. Критерием перехода от предварительного смещения к взаимному проскальзыванию служит превышение тангенциального контактного давления (т) произведения нормального контактного давления (о) на коэффициент трения

т > Г а,

величина коэффициента трепня определяется по зависимостям, предложенным в работах И. В. Крагельского.

Поскольку зависимость «нагрузка — сближение» для случаев нормального и тангенциального сближения имеет существенно нелинейный характер, то вычисление характеристик жесткости «пружин» ККЭ производится методом последовательных приближений, позволяющим получить высокую точность вычислений за небольшое количество шагов.

Значительная зависимость величин контактных жестко-стей от физико-механических свойств материалов, определяет необходимость учета, при формировании характеристик жесткости «пружин» ККЭ, эксплуатационных факторов, важнейшим из которых является температура ЭЗС.

Расчетная модель, использованная в работе для определения показателей качества ЭЗС имеет вид, представленный па рис. 2, из которого видно, что ККЭ, формируемый с учетом технологических и эксплуатационных факторов, объединяет ЭЗС, конструктивные особенности которых учтены при помощи конечно-элементного моделирования.

Третья глава посвящена описанию методики расчета показателей качества ЭЗС на стадии конструкторской разработки. В качестве метода расчета выбран МКЭ. Кроме того, в разделе приводится вывод матрицы жесткости ККЭ (К'),

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ

1

ЭКСПУМИТАЦИОтЫЕ ПАРАМЕТРЫ

К0НЕЧН0-Э/1ЕМЕНТНАЯ

МОДЕЛЬ /10ПАТК1Л ТУРБШ-Ы С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ

- ГЕОМЕТРИИ

- НАГРУЖЕНИЯ

- СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

I

КОНТАКТНЫ* КОНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ШАРАНЕТРЫ)

IТЕХНО/ОГИЧЕСКК I КОНСТРУКТИВНЫЕ!

-

3

• V:

3 1С •п о

х < «о

ко а по

I3

I3

ы < « т

«а

со иа

КОНТАКТНАЯ КЗ - МОДЕЛЬ <К*К'> и = Г

I

{ОПРЕДЕЛЕНИЕ НДС эзс]

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЗС И ТК

- КПД •

- РЕСУРС

- ЦЕНА

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ 1ЫСТУЛА ДИСКА : УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ

■ ГЕО>€ТРИИ

■ НАГРУЖЕНМЯ

- СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА

Рис.2

жесткостные характеристики «пружин» которого определены в предыдущем разделе, и дается вся необходимая информация об особенностях подготовки конечно-элементной модели ЭЗС в контактной постановке, процедуре включения матрицы жесткости ККЭ в глобальную матрицу жесткости рассчитываемых ЭЗС и о взаимной-ориентации локальных систем координат ККЭ, связанных с направлением механической обработки замка, с глобальными координатными системами ротора тк.

Для решения трехмерных (объемных) задач теории упругости МКЭ, в диссертационной работе использованы линейные изопараметрпческие конечные элементы в виде шестигранников с восемью узловыми точками. Применение элементов более высокого порядка, например квадратичных, имеет ряд специфических особенностей, приводящих к затруднениям в их физической интерпретации (например, в локализации распределенных нагрузок на основании интуиции и т. п.). Кроме того, современный уровень развития средств вычислительной техники, позволяет достичь требуемую точность решения за счет применения многосеточных алгоритмов (так называемых Ь—-методов), без ощутимого увеличения временных затрат

В работе использован МКЭ в форме метода перемещении, связанный с вариационным принципом Лаграпжа, имеющим вид

<1П = 0, (I) •

где П — полная потенциальная энергия упругой системы, которая* складывается из потенциальной энергии деформаций и потенциальной энергии внешних сил. Минимизация функционала (1) приводит к системе линейных алгебраических уравнений типа

К и = р, (2)

где К — глобальная матрица жесткости конечно-элементной модели ЭЗС;

и — неизвестные узловые перемещения, относительно которых решается система уравнении (2);

Р — глобальный вектор узловых сил, приложенных к ЭЗС.

Матрица жесткости ККЭ позволяет связать характеристики жесткости мпкропрофнля поверхностен контакта в трех взаимно-перпендикулярных направлениях с геометрическими особенностями конечных элементов, используемых для со-

ставлення конечно-элементной модели ЭЗС, и представить ее (матрицу жесткости) в форме, применимой для прямого включения в процедуру решения контактной задачи МКЭ. Внесение матрицы жесткости ККЭ (К') в глобальную матрицу жесткости К осуществляется до процедуры решения системы линейных уравнений (2), то есть

(К + К') и = г. (3)

Решение системы (3) относительно и позволяет определить величины перемещений узлов конечно-элементной модели ЭЗС, в том числе и узлов ККЭ. Разность величин проекций па локальные осп координат перемещений в каждой паре узлов ККЭ, помноженная на жесткость «пружины», ориентированной вдоль проекции, дает величину контактного давления. Для коррекции коэффициентов контактной жесткости использовались величины контактных давлений, усредненные по четырем узлам ККЭ, то есть приведенные к центру тяжести каждого ККЭ.

В случае, если в каком-либо ККЭ, величины нормальных контактных давлений получались положительными, что соответствует раскрытию стыка, то контактные жесткости в данном ККЭ по. всем направлениям приравнивались нулю, что означает отсутствие контакта между поверхностями.

Для получения достоверной картины распределения контактных давлений па поверхностях контакта зубьев ЭЗС площадка контакта каждой пары зубьев конечно-элементной модели представлялась набором из 40 ККЭ, расположенных в четыре ряда по 10 элементов. Это позволило получить подробную информацию о распределении контактных напряжений в каждой паре зубьев ЭЗС как по ширине, так и по длине зоны контакта.

Адекватность предложенной методики определялась путем сравнения результатов моделирования с данными точного аналитического решения и данными тепзометрировання.

Для этого была аналитически решена задача о вдавливании без трепня абсолютно жесткого, гладкого, цилиндрического штампа в упругое основание. Расхождение в величинах контактных давлений, определенных по аналитической зависимости и по предложенной методике (при использовании мпогосеточной процедуры решения) не превысило 0,5% в пределах радиуса штампа.

Кроме того, результаты расчета, выполненного мпогосе-

точным методом, сравнивались с данными натурного тензо-метрирования увеличенной в масштабе 5:1 модели лопатки-. Установлено, что в зонах максимальной концентрации напряжений, средние замеренные и расчетные значения отличают*-ся не более чем на 1,5%.

На модели вдавливания упругого штампа в упругое основание исследована также зависимость величин контактных давлений от различной величины шероховатости поверхностей контакта штампа с основанием при изменении величины шероховатости от Иа 0.04 (притирка) до Иа 2.5 (фрезерование). Полученные результаты свидетельствуют о существенной зависимости величин контактных давлений от величины шероховатости поверхностей контакта.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния технологических параметров (шероховатости поверхностей контакта и допусков изготовления шага между зубьями) на показатели качества ЭЗС. Кроме того, приводятся данные по степени влияния технологических параметров на НДС ЭЗС при вариациях физико-механических свойств материалов, применяемых для изготовления ЭЗС, эксплуатационных параметров ТК (теплового состояния ЭЗС), конструктивных особенностей ЭЗС.

Исследование влияния величины шероховатости поверхностен контакта на показатели качества ЭЗС проводилось для двух типов замковых соединении:

— замка с шагом между зубьями 2.56 мм, применяемого практически во всех перспективных Т1\ с высокой степенью форсировки;

— замка с шагом 2.32 мм, используемого в серийно выпускаемых ТК с низким наддувом.

Исследования проводились для величин шероховатостей от Иа 0.04 до Иа 2.5, что перекрывает весь диапазон шероховатостей получаемых при различных технологических способах окончательной механической обработки ЭЗС (фрезеров ванне, протягивание, шлифование). В качестве материалов 4 ЭЗС использовались наиболее часто употребляемые сочетания никелевых сталей и сплавов (ЭИ415, ЭИ437Б, ЖСЗДК, АНВ300, ЦНК17, ЖС6К).

Установлено, что степень влияния шероховатости па перераспределение напряжений между ЭЗС в значительной степени зависит от сочетания коэффициентов теплового расши-

рения (КТР) материалов лопатки и диска, а гак же от конструктивных особенностей замка.

В качестве примера, на рис. За и 36 приведены зависимости величин максимальных напряжений в критических точках ЭЗС (зоне над первым зубом хвостовика лопатки и под последним зубом замкового выступа диска), а так же контактных напряжений (рис. Зв) от величины шероховатости поверхностей контактами разницы К.ТР лопатки и диска для четырехзубого замка с шагом 2.32 мм. Из рисунков видно, что зависимость роста или падения уровня напряжений в ЭЗС от величины шероховатости определяется разницей КТР.

Исследования влияния па показатели качества ЭЗС величины допуска па шаг между зубьями лопатки и'диска показали существенную зависимость НДС в критических точках замка от конструктивных особенностей ЭЗС и от номера пары зубьев с отклонениями в шаге. Так, замки с более крупным шагом более чувствительны к отклонениям шага, поскольку из-за большей жесткости конструкции хуже перераспределяют нагрузку между остальными зубьями замка.

Независимо от типа ЭЗС наличие зазора в первой паре зубьев, вызванного изготовлением шага в хвостовике лопатки с отрицательным значением предельного отклонения, а шага в диске с положительным значением предельного отклонения, приводит к росту напряженности замкового выступа диска и падению напряжений в критической точке хвостовика. Появление зазора в любой, другой паре зубьев (кроме нижней) приводит к росту напряженности I! критических точках как хвостовика, так и замкового выступа диска. Наличие зазора в последней (нижней) паре зубьев разгружает замковый выступ диска и увеличивает напряженность хвостовика.

В работе исследовано влияние величин допусков на шаг между зубьями на характер и величину распределения контактных напряжений с учетом разницы КТР материалов ЭЗС.

Из эксплуатационных факторов наиболее существенное влияние на показатели качества ЭЗС оказывает-температура газов перед турбиной. Так, задание температур ЭЗС с. точностью ±50°С может приводить, для определенных сочетаний свойств материалов лопатки и диска, к отклонению величин запасов прочности на ±13%, что значительно превышает погрешность расчета НДС ЭЗС. В связи с этим необходимым условием достоверного определения показателей качества ЭЗС является точное задание температур рассчитываемых

а)

О* а &0.04 1.12

1.08

1 .04

1.00

1

1

¿г —1—

—1—

Б)

В)

0,04 0,16 0,32 2.5 «о

0.04 0.16 0.32 2.5 "а

РиС.З длияние шероховатости поверхностей контакта лубоеЬ на величину максималшых напряжении б ЭЗС для замка с шагам 5 *2,32 мм и числом зудьеб г-4.

а) последняя перемычка замкового выступа диска.

б) первая юремычка хвостовика: 6) контактчые напряжение.

1}ЗИШ5-ЦНКП -, г) ЭИЫ5 - ЩС6К ; 3)ЭМ/5- АНВЗОО.

деталей. Для этого было проведено терыометрпровапие колеса турбины перспективного ТК, позволившее определить действительные уровни температур ЭЗС для целого конструктивного ряда разрабатываемых ТК.

Значительное место в работе уделено исследованию влияния технологических особенностей получения заготовок лопаток и дисков на величину и характер распределения п них механических свойств. Исследования проводились на малоразмерных образцах, вырезаемых из различных мест ЭЗС. Необходимость такого исследования продиктована стремлением исключить, при определении показателен качества, неопределенность, связанную с использованием усредненных данных о свойствах материалов, содержащихся в справочной литературе и слабо отражающих картину реального распределения свойств в изделии. Полученные данные свидетельствуют о том, что механические свойства лопаток турбин находятся ниже уровней, оговоренных в справочной литературе, на 5... 20%, в зависимости от места вырезки образца, в то время как в дисках механические свойства на 20... 30% выше справочных.

Предложенный вариант организации подвода металла к отливкам позволил существенно улучшить структуру отливки лопатки в зоне замка путем исключения пористости и увеличить характеристики механической прочности в среднем на 12.5%.

Возможности практического использования предложенных методов показаны на примерах управления показателями качества ЭЗС двух ТК — перспективного ТК23В-39 ц серийно выпускаемого ТК34С-15.

Назначение неодинаковой величины допуска на шаг между зубьями хвостовика позволяет заменить материал лопатки перспективного ТК23В-39 с дорогого ЖС6К на более дешевый ЦНК17, и, кроме того, применить замок меньшей толщины, что позволяет значительно утонить профиль диска турбины. Указанные мероприятия позволяют повысить приемистость силового агрегата за счет снижения инерционности ротора на 30%, снизить себестоимость изготовления колеса турбины па 19%, за счет уменьшения веса колеса турбины на 3.2 кг и применения более дешевого лопаточного сплава.

Определение показателей качества ЭЗС серийно выпускаемого ТК34С-15, выполненное по предложенной методике

Таблица 1. Обеспечение показателей качества ЭЗС ТК34С-15 по предлагаемой методике при варьировании шероховатостью и допуском на изготовление

< Выходные параметры Замковый выступ диска Хвостовик лопатки Контактные напряжения

Максимальные напряжения, определенные при шероховатости зубьси Ка 2.5, МПЛ 403 367 245

Перераспределение напряжении при изменении шероховатости до Иа 0.32, МПа 385 373 270

Перераспределение напряжений при .наличии зазора 0.02 мм в последней парс зубьев, МПа 347 392 292

Минимальная длительная прочность материалов ЭЗС, полученная по результатам испытания образцов, МПа 430 568 430

Запас прочности 1.23 1.44 1.47

Минимально допустимый запас 1.10 1.10 0.80

Таблица 2. Обеспечение показателей качества ЭЗС серийно выпускаемого ТК.34С-15 по принятой в СКБТ методике

Выходные параметры Замковый выступ диска Хвостовик лопатки

Номинальные напряжения, МПа 194 124

Коэффициенты неравномерности распределения напряжений 1.5 2.1

Максимальные напряжения, МПа 291 260

Предел прочности (по справочным данным), МПа 540 684

Запас прочности 1.86 2.63

Минимально допустимая величина запаса 2.0 2.8

СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА

ЭТАП КОНСТРУИРОВАНИЯ

ВАРЬИРОВАНИЕ ВАРЬИРОВАНИЕ

ДОПУСКОМ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ»

ШАГ

повышение точности

РАСЧЕТА

ЭТАП

нзготоа-

ЗАДАНИЕ ТОШЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

НАТЕРМАИ /ЮПАТКИ (ДИСК ЭМ437Б> опк/онсшя ТЕМПЕРАТУРЫ С ОТХ/ОМЕЖЯ ЗАПАССЗ ПРОГОСТИ ЗЗС У.

пи "X,

ЦНК17 550130 113.6 13.2 17.3

АН1ЭОО 330130 Л2.0 ИО.О 113.0

ЖС6К 360130 113.1 10.3 116.1

ЗХЗДК 530150 изо ±1.4 113.0

возможность

иЗКЕНсНМЯ ГЕОНЕТРИМ

—. ИГЯРАхи) лю*ил.

Рис А

(таблица 1), при варьировании величиной шероховатости поверхностей контакта зубьев и допуском на шаг между зубьями и с учетом реальных механических свойств материалов, позволяет поднять частоту вращения ротора ТК па 3000 об/мин при обеспечении достаточных величин запасов прочности. В то время, как определение показателей качества ЭЗС на основе существующей в СК.БТ методики показало (таблица 2) невозможность увеличения частоты вращения ротора без замены материала диска па более прочный, и соответственно более дорогой, по причине недостаточной величины запасов прочности в существующем варианте конструкции.

На рисунке 4 представлена схема управления показателями качества ЭЗС, полученная в результате проведенных исследований. Как следует из схемы, управление качеством возможно осуществлять на разных уровнях — на этапе конструирования и на этапе изготовления. Выбор конкретного способа управления показателями качества осуществляется в зависимости от типа ЭЗС, используемого в данной конструкции ТК, с учетом установленных особенностей.

Важным преимуществом указанного метода управления показателями качества является то, что достижение требуемого уровня качества осуществляется в рамках существующей технологии и маршрута обработки, без дополнительных капиталовложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в установлении связей между конструктивными и технологическими параметрами ЭЗС для конкретных условий эксплуатации ТК-

2. На основе комплексного подхода к обеспечению качества ЭЗС разработана математическая модель формирования требуемых показателей качества, учитывающая конструктивные, технологические н эксплуатационные параметры этих соединений. Модель позволяет путем варьирования этих параметров получать требуемые характеристики ТК па стадии проектирования.

3. Разработана методика определения показателей качества ЭЗС, реализованная в виде алгоритмов и программ для

ЭВМ, в которой использована оригинальная трехмерная модель контактного конечного элемента.

4. Достоверность предложенной методики подтверждена сравнением результатов расчета тестовых задач с аналитически точным решением и данными экспериментов. Расхождения результатов расчетов по предлагаемой методике с точным аналитическим решением и данными экспериментов в зоне максимальных напряжений не превышают 0.5 ... 1,5%, что обеспечивает возможность определения выходных параметров с погрешностью не более 10%.

5. Моделирование процесса формирования показателей качества ЭЗС выявило существеное влияние па НДС технологических факторов (шероховатости поверхностей контакта и допуска на шаг между различными парами зубьев).

6. Установлено, что замки с большим шагом более чувствительны к отклонениям допуска на шаг между зубьями. Замки с .меньшим шагом между зубьями более чувствительны к изменению шероховатости поверхностей контакта, что объясняется их большей податливостью. Причем, для всех конструктивных вариантов замков наибольший эффект па перераспределение напряжений между ЭЗС оказывает изменение величины шероховатости от Ка 0.04 до Иа 2.5.

7. Наиболее неблагоприятным для ЭЗС всех типов является случай отклонения допуска на шаг для любой промежуточной пары зубьев (не первой и не последней), так как это ведет к снижению ресурса ЭЗС.

8. Степень влияния изменения величины шероховатости контактных поверхностей и величины допуска шага в значительной мере зависит от соотношений коэффициентов линейного расширения материалов лопатки и диска турбины. Поэтому, за счет подбора материалов для изготовления элементов колеса турбины, возможно достаточно эффективное управление показателями качества ЭЗС. Установлено, что для мелкозубого замка, замена материала лопатки с ЦНК17 на АНВ300, при прочих равных условиях, позволяет снизить уровень напряжений в замковом выступе диска на 4% при Иа 1.25 и на 10% при Иа 0.16. При этом рост напряжений в хвостовике лопатки не превысит 4%.

9. Расчеты по предлагаемой методике подтвердили значительную зависимость показателей качества ЭЗС от эксплуатационной температуры. Так изменение температуры замка

на 5... 10% может приводить к изменению запасов прочности для некоторых сочетаний материалов ЭЗС па 10... 15%. Поэтому для обеспечения точности определения показателей качества ЭЗС необходимо проведение термометрирования его элементов в условиях, соответствующих эксплуатационным.

10. Исследования механических свойств материалов лопаток и дисков турбин в области замкового соединения позволили выявить количественные и качественные закономерности распределения свойств в теле отливок и поковок. Установлено, что при существующей технологии литья, прочностные характеристики хвостовика лопатки ниже данных, приводимых в справочной литературе, на 20%- В то же время свойства образцов, вырезанных из поковок турбинных дисков, выше справочных на 20 ... 30%.

11. Изменение способа подвода питателей, при отливке лопаток, позволило повысить среднее значение предела прочности замка на 12.5%. Прн этом величина рассеяния свойств от среднего значения снизилась на 30%.

12. Выполненные по предложенной методике расчеты' показателей качества ЭЗС перспективного, высокофорсированного ТК и серийного ТК, показали эффективность предложенного комплексного подхода по управлению показателями качества. Так, назначение неравномерной величины допуска на шаг между зубьями позволяет снизить металлоемкость ротора перспективного изделия на 12%, улучшить приемистость ТК на 30% и заменить материал лопатки на более дешевый. Это позволяет снизить себестоимость изготовления колеса турбины на 10... 20%..

13. При модернизации серийно выпускаемого ТК, назначение рациональной величины шероховатости и изменение допуска на шаг между зубьями обеспечивают возможность увеличения частоты вращения ротора ТК без замены материала диска на более прочный и дорогой. При этом экономия за счет отказа от более дорогого сплава составит 35% с каждого диска турбины.

14. Конструктивные изменения ЭЗС и вариации технологии их изготовления могут быть реализованы в рамках существующего технологического маршрута обработки, за счет изменения технологических режимов обработки и характеристик абразивного инструмента.

15. Предложенная методика определения показателей качества ЭЗС ТК транспортного назначения используется в СКВ Турбонагнетателей при проектировании перспективных и модернизации серийно выпускаемых ТК-

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Потапов С. Д. Построение конечно-элементных сеток с гарантированной сходимостью к точному решению. — Тезисы доклада на международной конференции по проблемам прочности машиностроительных конструкций. С.-Петербург, 1995, с. 198—200.

2. Потапов С. Д. Влияние шероховатости поверхностей контакта зубьев елочного замка лопатки турбины на его несущую способность. —■ Тезисы доклада на XXVI международном научно-техническом совещании по динамике и прочности двигателей. Самара, 1996, с. 123—124.

3. Потапов С. Д. БирегБАР — скрытые возможности. — Сборник «Механика разрушения. Теория и эксперимент». Под ред. Н. Ф. Морозова, № 18. С.-Петербург, Издательство СПГУ, 1996.

4. Трилисский В. О., Потапов С. Д. К вопросу обеспечения точности определения запаса прочности замковых соединений турбин турбокомпрессоров. — Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем». Пенза, 1996, с. 197—199: