автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка способов восстановления моноколес газотурбинных двигателей

На правах рукописи

ФОМИЧЕВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МОНОКОЛЕС ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.02.10. «Сварка, родственные процессы и технологии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 НОЯ 2013

Москва 2013 г.

005540128

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУ ПС (МИИТ) на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» и в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр газотурбостроения «Салют» филиал «Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (НИИД)».

Научный руководитель Воронин Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Драгунов Виктор Карпович

доктор технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» проректор по научной работе

Овчинников Виктор Васильевич

доктор технических наук, профессор, академик международной академии информатизации,

ОАО «Российская самолетостроительная компания МИГ» главный специалист, иачалышк лаборатории сварки

Ведущее предприятие - ОАО «Институт технологии и организации производства» (г. Уфа)

Защита диссертации состоится «17» декабря 2013 г. в 17.00 на заседании диссертационного специализированного совета Д 212.200.10 в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина. Адрес совета: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65, аудитория 232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Ваш отзыв на автореферат диссертации в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Телефоны для справок 8 (499) 233-92-17

Автореферат диссертации разослан «15» ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета Д 212.200.10

доктор технических наук, профессор _оА - Л.А. Ефименко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Для новых поколений газотурбинных двигателей (ГТД) характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколеса - блиски (от английского blisk: bladed disk) и аналогичные бездисковые кольцевые конструкции - блинги (от английского bling: bladed ring), рисунок 1. Моноколеса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолетов, бизнес- *~|tl

1

■

авиации, приводов для газокомпрессорных установок и т.п.). Но только в последние годы их начинают применять для двигателей ' '

военной и гражданской |' Ц

авиации. Моноколеса по- ,

а) диск с лопатками б) блиек в) блинг зволяют существенно „ . „

. Рисунок 1 - Эволюция дисков

уменьшить размеры обода

диска за счет устранения замковых соединений и снизить вес конструкций типа «блиск» на ~30 %, «блинг» на ~70 %.

Применяемая на отечественных предприятиях отрасли технология изготовления монолитных колес содержит значительный объем ручных операций, которые негативно влияют на точность изготовления и состояние поверхностного слоя лопаток и способствуют появлению волнистости, прижогов и надрезов. Стремление к повышению удельных параметров и одновременно создание компактных конструкций ГТД привело к тому, что несколько осевых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50 ... 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней. Таким образом, несмотря на высокую трудоемкость изготовления, моноколеса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе позволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колесами компрессоров ГТД.

Проведенный всесторонний анализ показал, что отработанная технология изготовления моноколес в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток, а проблема восстановления поврежденных или изношенных поверхностей является важным фактором повышения надежности и ресурса работы двигателей. Высокая стоимость и трудоемкость изготовления моноколес потребовали разработки способов ремонта и восстановления их работоспособности. Поэтому разработка доступных и менее трудоемких вариантов ремонтных технологий моноколес, обеспечивающих высокое качество работы и пригодных не только для ремонта пера лопаток, но для исправления дефектов в комеле лопатки или в самом ободе рабочего колеса, является актуальной задачей.

Цель работы состоит разработке новых научно-обоснованных технологических процессов ремонта и восстановления моноколес посредством электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит ресурс и эксплуатацион-

ную надежность моноколес из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ6, существующих и перспективных газотурбинных двигателей.

Задачи работы. Для реализации указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

- провести анализ возможных дефектов моноколес ГТД в процессе их изготовления и эксплуатации;

- определить перечень дефектов, которые могут быть исправлены путем применения современных технологических процессов ремонта и восстановления;

- проанализировать существующие способы ремонта моноколес, их особенности, преимущества и недостатки;

- разработать эффективные способы предупреждения и ликвидации дефектов при изготовлении и восстановлении моноколес ГТД;

- провести комплекс всесторонних экспериментальных исследований, позволяющих научно обосновать, разработать и внедрить в производство при изготовлении и ремонте перспективных газотурбинных двигателей новые технологические процессы восстановления моноколес из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ6 с применением электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит ресурс, эксплуатационную надежность ГТД и снизит трудоемкость их изготовления.

Методология и методы исследования. Методически работа включала следующие основные этапы:

- анализ конструкции моноколес;

- анализ способов изготовления моноколес;

- анализ возможных производственных и эксплуатационных дефектов;

- анализ условий эксплуатации моноколес;

- анализ предлагаемых способов восстановления моноколес;

- разработка эффективных способов восстановления моноколес компрессоров ГТД, включая способы восстановления лопаток методом электроннолучевой сварки и аргонодуговой наплавки;

- разработка технологических процессов восстановления моноколес компрессоров газотурбинных двигателей из высокопрочных титановых сплавов методами электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки;

- проведение кратковременных и длительных стендовых испытаний металла сварных соединений, и конструкций;

- реализация технологических процессов и оборудования при ремонте моноколес компрессоров ГТД.

Основные экспериментальные исследования проводились на двухфазном титановом сплаве ВТ-6. Для исследования структуры сварного шва и металлографического анализа использовались световой микроскоп OLIMPUS-XB51M и микротвердомер LEICA МНТ 10. Циклические испытания на усталостную выносливость проводились на вибростенде ВЭД-1500. Испытания проводились на базе N= 2 -107 циклов. Ступень изменения напряжений d = ±20 МПа.

Научная новизна:

1. На основе анализа конструкций моноколес, условий эксплуатации и способов их изготовления установлены закономерности распределения возможных дефектов по профилю пера лопатки моноколеса, которые показывают, что повреждаемость входной кромки лопатки выше в 4,2 раза, чем выходной кромки.

2. Для устранения дефектов научно обоснованы возможные способы восстановления моноколес, разработаны методики и определены параметры режимов электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки в зависимости от вида повреждения моноколеса компрессора.

3. Разработаны компьютерные модели восстанавливаемых моноколес, с помощью которых впервые определены оптимальные сечения и траектории выреза дефектных участков, и разработан алгоритм, на основе которого создан программный комплекс автоматического проектирования ремонтных элементов в зависимости от вида и расположения дефектов.

Практическая значимость:

1. На основе исследований структуры сварных соединений, а также определения пределов выносливости после проведения ремонтных работ, обоснованы технологические параметры способов восстановления моноколес, которые внедрены в технологические процессы восстановления моноколес электронно-лучевой сваркой сектора и ремонтного вкладыша.

2. Используя проведенные исследования, разработаны технологические процессы ремонта моноколес, получивших повреждения в процессе эксплуатации и не пригодных к дальнейшей работе, которые позволяют продлить срок их службы в 1,5...2 раза.

3. Для ряда дефектов, которые были получены в процессе изготовления из-за нарушения технологических параметров механической обработки или сбоя оборудования, разработан технологический процесс ремонта моноколес аргонодуговой наплавкой.

4. Компьютерные модели моноколес позволили определить траектории перемещения луча при электронно-лучевой сварке, что дало возможность модернизации стандартного оборудования за счет введения в него специально разработанных электронных блоков управления.

5. Разработка технологий ремонта и восстановления моноколес, в которых возникли технологические или эксплуатационные дефекты, позволила получение экономического эффекта более 250 тыс. рублей на один мотороком-плект.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы доложены на научно-технических конференциях: Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2010, Десятый международный салон «Двигатели 2010» (Москва 2010); Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2012, Двенадцатый международный салон «Двигатели 2012» (Москва 2012); Научно-техническая конференция «Неделя науки МИИТ 2011-2012 г.» (Москва 2011, 2012); Российско-австрийский форум для прикладных исследований (Москва 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи и 2 статьи находятся в печати в Российских журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено три патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 219 страницах, включая 95 рисунков и 23 таблицы, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 86 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, отражена новизна, практическая ценность и апробация результатов работы. Также выражается благодарность Гейкину Валерию Александровичу и коллективу НИИД за помощь в проведении исследований и оформлении диссертации.

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Лопатки газотурбинных двигателей, в том числе лопатки моноколес являются наиболее нагруженными деталями, определяющими ресурс, трудоемкость и стоимость двигателя. Число лопаток в современных двигателях достигает 2...3,5 тыс. штук, поэтому их изготовление производится в условиях крупносерийного или массового производства.

Производители ГТД используют для изготовления блисков три базовые технологии: фрезерование лопаток в монолитной заготовке; электрохимическая прошивка межлопаточных каналов после предварительного фрезерования или в монолитной заготовке; сварка лопаток с диском методом сварки трением.

Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от сложности формы лопаток, материала и габаритов деталей. В процессе эксплуатации лопатки моноколес подвергаются: растяжению и изгибу под действием центробежных сил; изгибу и кручению под действием газового потока; воздействию переменных напряжений от вибрационных нагрузок; воздействию повышенных и высоких температур (300...600 °С для лопаток компрессора и 800...1200 °С для лопаток турбин); резким колебаниям температуры при пусках и остановках двигателя, вызывающим термическую усталость материалов лопаток; воздействию пылевой, дождевой и газовой эрозии; электрохимической и высокотемпературной газовой коррозии; износу и фреттинг-коррозии в местах сопряжений (замковых соединениях, бандажных и антивибрационных полках).

Исходя из особенностей условий нагружения пера лопаток типичного вентилятора, наиболее опасными с точки зрения повреждаемости считаются случаи: забоины (или др. нарушения формы), трещины (или др. нарушения целостности) тонкой входной кромки лопатки и разрушение лопатки под действием изгибающих моментов относительно оси минимальных моментов инерции.

Для предотвращения возникновения аварийной ситуации необходимо обеспечить надёжную работу всех деталей и узлов двигателей. Эта задача может быть решена лишь при проведении комплексной диагностики, включающий в себя все современные методы и специальное оборудование, предназначенное контролировать работу двигателя целиком и отдельно его узлов и ответ-

ственных деталей.

По месту и времени проведения можно выделить следующие виды диагностирования: бортовое - выполняющееся во время полета на борту самолета; наземное - выполняющееся после полета в аэропорту.

По способам различают следующие виды диагностирования: параметрическое, т.е. основанное на измерении параметров штатными датчиками, включая диагностирование по газодинамическим параметрам, вибродиагностику и трибодиагностику; инструментальное, включающее в себя визуально-оптический осмотр деталей, ультразвуковой и вихретоковый методы, электростатический метод и т.д.

Существует несколько способов восстановления лопаток компрессора ГТД, основывающихся на сварке трением, электронно-лучевой сварке, а также лазерной и аргонодуговой. Но все они имеют те или иные недостатки и малоэффективны при восстановлении моноколес. В результате сравнительного анализа методов ремонта установлено, что наиболее полно предъявляемым требованиям соответствует электронно-лучевая сварка. При восстановлении единичных дефектов в корневой части лопатки и на ступице моноколеса может использоваться и аргонодуговая наплавка.

В результате проведенного анализа проведена структуризация возможных дефектов моноколес, дифференцированы зоны повреждаемости и установлена зависимость распределения дефектов от воздействия газового потока на перо лопатки (рисунок 2).

Глава 2 Методики, материалы и оборудование, используемые при проведении экспериментальных исследований для отработки технологии восстановления моноколес

В наибольшей степени на работоспособность лопаток моноколес оказывают влияние переменные нагрузки и снижение усталостной прочности материала случайными забоинами, вызываемыми попаданием на них посторонних предметов (птицы, град, предметы, оставленные при обслуживании, частицы поверхности и т.п.). Поэтому для проверки разработанных способов восстановления моноколес были проведены испытания на усталостную прочность. На основании ОСТ1 00303-79 "Лопатки газотурбинных двигателей. Периодические

Распределение дефектов лопатки моноколеса

Входная кромка Середина Выходная кромка

Зоны воздействия газового потока

Рисунок 2 - Зоны повреждений и распределение дефектов

испытания на усталость" разработана методика проведения испытаний лопаток моноколес.

В компрессорах низкого и высокого давления из титановых сплавов изготавливают лопатки и диски с первой по седьмую ступени, корпуса направляющих аппаратов, переходные корпуса, наружные корпуса смесителей и диффузоров форсажных камер, корпуса жаровых труб и другие детали. Для дисков, вентилятора и компрессора низкого давления рекомендуются двухфазные (ос+Р) сплавы ВТ6, ВТ8-1, ВТ22. В ряду ВТ6—>ВТ8-1-»ВТ22 возрастают прочностные свойства, но снижается трещиностойкость. Поэтому для авиационных двигателей целесообразнее применять сплав ВТ6, а также ВТ8-1. Сплав ВТ6 отличается достаточно высокой вязкостью разрушения, небольшой скоростью роста усталостных трещин и высокой циклической выносливостью, меньшей чувствительностью к водороду по сравнению с а и псевдо а-сплавами. Титановые (а+Р) сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии и свариваются всеми традиционными видами сварки, в том числе и электронно-лучевой.

В процессе сварки в конструкции возникают остаточные напряжения. Детали и узлы, изготовленные с применением сварки (аргонодуговой, электроннолучевой, точечной, шовной) или подварки после сварки, должны быть подвергнуты полному отжигу. На основании проведенного анализа, для ремонта конструкции моноколеса из сплава ВТ6 и в области обода, и тем более в области пера лопатки для уменьшения коробления термообработка должна выполняться в оснастке при температуре полного отжига 750 °С в течение 30...40 мин, или при температуре 650 °С в течение 2-х часов. Степень снятия остаточных напряжений от исходной величины после указанного отжига составляет не менее 96 %.

Для избежания получения на поверхности изделия газонасыщенного слоя необходимо применять вакуумный отжиг, т.к. при отжиге на воздухе предусматриваются припуски на геометрические размеры для удаления газонасыщенного слоя. Для проведения электронно-лучевой сварки моноколес применяемое оборудование должно соответствовать определенным требованиям. Так как диаметры существующих моноколес разнятся в довольно широких пределах, от 200 до 900 мм, то, с учетом применения дополнительного оборудования (вращателей, кантователей, рабочего стола), объем рабочей камеры установки должен быть не менее 10 м3. Также установки должны обеспечивать широкий диапазон регулировок силы сварочного тока (от 0 до 100 мА) и тока фокусировки (от 1000 до 3000 мА), чтобы иметь возможность сваривать детали различной толщины (от 1 до 500 мм) и с рабочим расстоянием от пушки до поверхности детали (от 200 до 600 мм). Эти требования продиктованы необходимостью сваривать повреждаемые части моноколеса (лопатка или ступица), имеющие сложную геометрическую форму.

Проведенный анализ существующих отечественных и зарубежных ЭЛУ показал, что наиболее полно вышеизложенным требованиям для проведения экспериментов и промышленного использования результатов диссертационной работы удовлетворяют универсальные электронно-лучевые сварочные установки: отечественная ЭЛУ-20, а также установка «ЭВОСАМ КБ 120 в 150К» фир-

мы «SteigerwaId-Strahltechnik» (Германия). Однако и они потребовали ряда доработок и модернизации.

Глава 3 Разработка эффективных способов ремонта моноколес компрессоров ГТД из высокопрочных титановых сплавов

В результате прове- ^ ^

денных исследований была —г~

разработана технология вое- \ /

становления пера лопаток ; _ N /___

компрессора газотурбинного | —' ¿У ¡^......1, . ^

двигателя, заключающаяся в выполнении на поврежденном участке цилиндрической выемки с центром вне площади профиля пера, соеди-

1 - перо лопатки; 2 - вставка; 3 - паз для пера ло-нении вставки с пером ло- „атки; 4 - риска для наведения

патки в зоне цилиндрической электронного луча на стык

выемки, приварки электрон- Рисунок 3 - Схема ремонта лопаток

ным лучом вставки к перу компрессора методом

лопатки и последующей ме- электронно-лучевой сварки

ханической обработке пера лопатки.

При этом соединение вставки с пером лопатки осуществляется на глубине паза вставки (рисунок 3).

Разработанные технологические параметры сварки обеспечивают уровень механических свойств ме- ■¡¡^^^н^мц^'^чв^^^тк

- ^^ИИИИйиИИИ^ Г I янШиМ

талла сварных соединении ¡:

не ниже: ав>1 105,0 МПа, I*

Обработка и анализ экспе- ив риментальных данных по- , зволили подобрать параметры. обеспечивающие получение качественного стыка : .....

по всей длине на режимах: ,»нс>........ Комныотерния модельмонокшкеа

ускоряющее напряжение 60

кВ; ток луча 25 мА; ток фокусировки 400 мА; скорость сварки 30 м/ч; расстояние до детали 354 мм; сварка ведется на подкладках с последующим удалением усиления и корневой части шва.

В ряде случаев необходима замена сразу нескольких лопаток в составе моноколеса. По результатам проведенных исследований предложен способ ремонта рабочего колеса компрессора низкого давления (КНД) из титанового сплава, позволяющий менять от одной до нескольких лопаток в составе моноколеса. На примере ремонта рабочего колеса 1-й ступени КВД для восстановления моноколеса компрессора путем вырезки дефектной лопатки с частью

обода рабочего колеса и последующей приварки ремонтной лопатки к ободу моноколеса и к привтулочной части с помощью электронно-лучевой сварки, была разработана специальная компьютерная модель моноколеса (рисунок 4), на основании которой определены глубина выреза дефектного участка (7,5 мм) и углы реза, обеспечивающие прохождение луча между лопатками, не задевая перьев лопаток: угол наклона плоскости разреза привтулочной части моноколеса (15,819°); угол разреза обода по трактовым поверхностям (45,49°); угол разреза обода в радиальном направлении (15,49 °).

В основе математического аппарата компьютерной модели лежит определение средней траектории между двумя лопатками и последующее уточнение линейной траектории с помощью метода наименьших квадратов (рисунок 5).

Задача заключается в нахождении коэффициентов линейной зависимости, при которых функция:

у = А0 + А1Х (1)

принимает наименьшее значение. То есть, при данных А0 и А1 сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от найденной прямой будет наименьшей. Таким образом, решение сводится к нахождению экстремума функции двух переменных.

Коэффициенты А0, А± находим из условия, что сумма:

5т=Е?=о[Л+^-У;]2- (2)

Имеет наименьшее значение.

Используя необходимое условие экстремума функции двух переменных:

( \тг0= + А~УЛ1= А°п + ^ £?=о *! - £"=оУ1=0

= + - у£] = Л0 £"=о + Аг £Г=0 х} - £Г=0 хы = 0

Преобразуя данную систему к нормальному виду:

£Г=о Х1 + ^о £Г=о Х1 = £?=о Х1У1 А1Ъи*1+АоП = Ъ?=оУ1

И решая ее методом Крамера:

(4)

(5)

Д=

уп 2 уп ¿л=0л1 ¿11=0-4

2?=0*1 п

Х?=о х1Уь Е?=о Х1 Е"=о У1 «

Дп =

Х1 ЛГ=о У;

(6)

Получим:

д _ П^рХіУі-^оХіХ^оУі

п еї=о хі ~ хІхХ;І0 хЇ

д __х£і=оУі~Хі=оУіхХі=о*іУі

Расчеттраектори разреза

45

X, мм

Профили лопаток — ♦ —Усредненная траектория -----Окончательная траектория

Рисунок 5 - Определение траектории выреза

Это позволило создать новую эффективную технологию ремонта моноколеса, заключающуюся в точном вырезе элементов и вварке на их место ремонтного блока лопаток. Вварка производится в два этапа, сначала ремонтный блок сваривается с ободом моноколеса, после чего производится сварка блока с при-втулочной частью.

На основании проведенных исследований разработан эффективный способ восстановления пера лопатки моноколес ГТД методом электронно-лучевой сварки, включающий приварку ремонтного вкладыша взамен поврежденной

части пера лопатки, механическую обработку приваренного вкладыша в требуемые по чертежу геометрические размеры и последующую термическую обработку для снятия остаточных напряжений. Для реализации способа разработана компьютерная модель восстанавливаемого моноколеса, позволяющая определять эффективное сечение удаляемого участка, и автоматически проектировать ремонтные элементы (охлаждающие ложементы и ремонтный вкладыш) (рисунок 6). Проведенные металлографические исследования показали, что ширина литой зоны составляет 2,60 мм; ЗТВ - 1,95 мм по обе стороны от литой зоны; дефектов в сварных швах типа пор, раковин и т.п. не обнаружено. Макроструктура материала образца соответствует 4...5 баллу на блестящем фоне 10-ти балльной шкалы титановых сплавов, а микроструктура материала образца -

5...6 типу 2-х фазных а+(3 сплавов.

Проведенные циклические испытания на усталостную прочность образцов без сварного шва и со сварным швом показали, что пределы выносливости образцов, как со сварным швом, так и без него не ниже а.)=420 МПа, а долговечность образцов со сварным швом при данном уровне напряжений несколько ниже, чем цельных образцов (90 % против 100 %). Полученные значения значительно превосходят минимально допустимый нормативной документацией уровень прочности а_!=300 МПа (рисунок 7 а, б).

В процессе эксплуатации ГТД возможно образование дефектов в виде трещин, вмятин, и сколов в прикорневой части лопаток и на ступице моноколес. Так как при восстановлении моноколес с такими дефектами применять электронно-лучевую сварку невозможно из-за геометрических особенностей, был разработан способ восстановления пера лопатки моноколес ГТД методом аргонодуговой наплавки, включающий разделку места вреза от металлообрабатывающего инструмента и последующую его заварку аргонодуговой наплавкой.

При этом установлено, что наплавка может проводиться в один или два прохода с поперечными перемещениями, а дефектов в сварном шве, не образуется, если сварочный ток находится в пределах 120... 135 А. Так как проведенный анализ дефектов показал, что наиболее часто встречаются повреждения моноколес в виде трещин и выбоин размером до 5 мм, то исследования проводились на образцах-имитаторах с глубиной выборки под наплавку 3 и 5 мм.

Процесс наплавки образцов состоял из следующих операций: шабрение присадочного материала и образцов по наплавляемым кромкам и боковым поверхностям в зоне 10...15мм от границ выкружки; их обезжиривание и обезвоживание; закрепление в специальном приспособлении.

Рисунок 6 - Компьютерная модель моноколеса с ЭЛС ремонтного сектора

Кривые усталости образцов при ЭЛС

N

Пределы выносливости образцов без ЭЛС ♦ Нормативный предел выносливости

Неразрушенные образцы ▲ Пределы выносливости образцов с ЭЛС

- Кривая усталости образцов без ЭЛС ---Кривая усталости образцов с ЭЛС

а)

Распределение долговечности на базе М=2-107

100

430 450 470

ст. МП а

-Распределение долговечности образцов без ЭЛС

-----Распределение долговечности образцов с ЭЛС

6)

Рисунок 7 - Кривые усталости (а) образцов-имитаторов и распределение долговечности (б)

480 460 440 420 400

Ь; зво §

^ эсп

340 320

300 *■■

280 1 Е+04

1-Е+05

1-Е+06

1-Е+07

1Е+08

После этого проводилась аргонодуговая наплавка по следующим режимам:

а) образцы с выкружкой 3 мм: сварочный ток - 120... 125 А, в один проход с поперечными перемещениями и выводом наплавки в сторону, по кромкам примерно на 5 мм;

б) образцы с выкружкой 5 мм: сварочный ток - 130... 135 А, в два прохода с поперечными перемещениями, с охлаждением после первого прохода и со снятием цветов побежалости с поверхности первого наплавочного слоя и выводом наплавки в сторону, по кромкам примерно на 5 мм.

В завершение для окончательного контроля качества наплавки проводилось металлографическое исследование образцов с выкружкой 5 мм. Дефектов в наплавке обнаружено не было. Характерные структуры показаны на рисунке 8. Структура основного металла глобулярная; при 400-кратном увеличении видно, что она состоит из крупных частиц первичной ос-фазы, окруженных мелкими глобуляризованными её частицами, выделившимися из Р-фазы при р—ж превращении и разделенными оставшейся (3-фазой. Структура отвечает типу 2...2а шкалы №1 ОСТ1 90197-89 и соответствует его требованиям. Структура металла наплавки пластинчатая, частицы первичной а-фазы имеют пластинчатую форму, но так же, как и в основном металле, окружены более мелкими частицами а-фазы, выделившимися из Р-фазы при Р—их превращении и разделенными оставшейся р-фазой. Структура отвечает типу 7 шкалы №1 ОСТ1 90197-89 и соответствует его требованиям. В процессе эксплуатации на элементы моноколес действуют различные виды нагрузок, которые меняются во времени. Поэтому предел выносливости определялся при изгибе, как наиболее соответствующей реальным условиям работы нагрузке. Испытания проводились на вибростенде ВЭД-1500 на базе М= 2107 циклов. Ступень изменения напряжений с{ = ±20 М11а. Начальный уровень напряжений снач = 400 МПа для образцов без сварного шва, и ст„ач = 380 МПа для сварных образцов. На основании полученных при испытаниях данных были построены кривые усталости исследуемых образцов, а также графики распределения долговечности (рисунок 9 а, б).

хЮО основной металл х400

Яш ИВ .и .......а

хЮО околошовная зона

х400

хЮО наплавка х400

Рисунок 8 - Характерные структуры зоны наплавки

100000

10000000

100000000

1000000 N

— Кривая усталости образцов без наплавки ......... Нормативная кривая усталости

• — Кривая усталости образцов с наплавкой 3 мм — • - Кривая усталости образцов с наплавкой 5 мм

а)

Распределение долговечности на базе N=2-107

а, МП а

-Распределение долговечности образцов без наплавки

•---Распределение долговечности образцов с наплавкой 3 мм

— • — Распределение долговечности образцов с наплавкой 5 мм

в)

Рисунок 9 - Кривые усталости образцов-имитаторов (а) и распределение долговечности (б)

Как видно из полученных результатов, при наплавке на глубину 3,0 мм предел выносливости составляет 95,2 %, а при наплавке на глубину 5,0 мм -90,5 % от соответствующей характеристики образцов без наплавки. Во всех случаях это существенно выше 300 МПа, устанавливаемых в качестве необходимого минимума нормативными документами. Таким образом, правомерность использования ручной аргонодуговой сварки при ремонте эксплуатационных повреждений лопаток моноколес, для глубины наплавки до 5 мм включительно, подтверждены проведёнными многоцикловыми испытаниями образцов-имитаторов с определениями пределов их выносливости.

Глава 4 Реализация технологических процессов восстановления моноколес в производстве и эксплуатации газотурбинных двигателей

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований были разработаны и внедрены следующие технологические процессы в серийном производстве и ремонте моноколес компрессоров авиационных газотурбинных двигателей: технологический процесс ремонта моноколеса 1 ст. КНД методом электронно-лучевой сварки и технологический процесс ремонта моноколеса 2 ст. КНД методом электронно-лучевой сварки.

Промышленное освоение технологии ЭЛС при восстановлении моноколес компрессора осуществлялось в основном на установке «ЕВОСАМ-К8120-150К» фирмы (^е^его'аШ-З^аЬкесЬшк» (Германия), а также ЭЛУ-20, в различной степени укомплектованных системами автоматизированного управления. Для достижения требуемого уровня качества были разработаны дополнительные блоки системы развертки электронного луча и система контроля температуры для указанных электроннолучевых установок.

На опытном моноколесе проведено восстановление пера лопатки моноколеса ГТД разработанным методом аргонодуговой наплавки и данное моноколесо успешно прошло стендовые испытания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ моноколес ГТД, КВД и КНД показал, что они являются одним из элементов, обеспечивающим безаварийный полет, и имеют конструкцию, сложную и трудоемкую для изготовления, а значительные габариты, специальный материал и затраты на изготовление делают моноколеса дорогостоящими. В процессе изготовления и эксплуатации возможны различные повреждения моноколес, и они изымаются из эксплуатации. Так как в настоящее время варианты решения данной проблемы отсутствуют, разработка технологий восстановления моноколес является актуальной задачей

2. На основе проведенного анализа условий эксплуатации моноколес установлено, что в наибольшей степени на работоспособность лопаток моноколес оказывают влияние переменные напряжения и снижение усталостной прочности материала случайными забоинами, вызываемыми попаданием посторонних предметов. Поэтому для проверки разработанных способов ремонта моноколес необходимо проведение циклических испытаний на усталостную прочность, имитирующих виды нагружения и нагрева, максимально приближенные к эксплуатационным.

3. На основе анализа конструкций моноколес, условий эксплуатации и способов их изготовления установлены закономерности распределения возможных дефектов по профилю пера лопатки моноколеса, и дифференцированы зоны повреждения лопаток компрессора.

4. Исследование и анализ существующих и применяемых на сегодняшний день конструкционных материалов при производстве моноколес ГТД показали, что наиболее эффективным для изготовления моноколес является применение двухфазных титановых сплавов ВТ-6. Проведенные металлографические исследования сварного соединения из титанового сплава ВТ-6 показали, что дефектов в сварных швах не возникает. Макро и микроструктуры соответствуют нормативным требованиям. После сварки необходима термическая обработка для снятия остаточных напряжений - полный отжиг при температуре 750 °С в течение 30...40 мин, или при температуре 650 °С в течение 2-х часов. Проведенные циклические испытания на усталостную прочность образцов со сварными швами имеют предел выносливости не ниже «т.] = 420 МПа, что значительно превосходит минимально необходимый по нормативной документации уровень прочности а_1 = 300 МПа, а долговечность образцов со сварным швом при данном уровне напряжений несколько ниже, чем цельных образцов (90 % против 100 %).

5. Проведенный анализ существующего оборудования для электроннолучевой сварки показал, что для восстановления моноколес необходимо специализированное сварочное оборудование, которое можно получить из некоторых существующих образцов, проведя их модернизацию. В работе предложена модернизация существующих сварочных электронно-лучевых установок за счет разработки новой системы развертки электронного луча, системы дистанционного определения температуры в процессе сварки в режиме реального времени, системы перемещения сварочной пушки, а также модернизированного рабочего стола и катодного узла, что позволило получать высокое качество восстановленных изделий.

6. В результате проведенных всесторонних исследований были разработаны технологии восстановления пера лопаток компрессора газотурбинного двигателя, за счет приварки к лопатке специальной цилиндрической вставки с центром вне площади профиля пера, а также за счет приварки ремонтного вкладыша взамен поврежденной части пера лопатки. При этом соединение вставки с пером лопатки осуществляется на глубине паза вставки. Разработанные технологические параметры сварки обеспечивают уровень механических свойств металла сварных соединений не ниже: ав=1105,0 МПа, ст0,2=1090,0 МПа, 5=14 %, 1|/=44,0 %, КСи=245 кДж/м2.

7. Для реализации способа восстановления моноколес компрессора путем вырезки дефектного блока лопаток с частью обода рабочего колеса и последующей приварки ремонтного блока с помощью электронно-лучевой сварки, а также способа восстановления моноколес с помощью электронно-лучевой сварки ремонтного вкладыша были разработаны компьютерные модели восстанавливаемых моноколес, с помощью которых впервые определены оптимальные сечения и траектории выреза дефектных участков, и реализован алгоритм

автоматического проектирования ремонтных элементов в зависимости от вида и расположения дефектов.

8. На основе проведенных исследований разработан эффективный способ восстановления пера лопатки моноколес ГТД методом аргонодуговой наплавки, включающий разделку места вреза от металлообрабатывающего инструмента и последующую его заварку аргонодуговой наплавкой. Опытный образец прошел испытания в составе стендового газотурбинного двигателя.

9. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны и внедрены в серийное производство технологические процессы ремонта моноколес компрессоров авиационных газотурбинных двигателей, что позволило в 1,5...2 раза снизить трудоемкость изготовления и ремонта моноколес ГТД, повысить их ресурс в 1,3... 1,5 раза, а так же получить суммарный экономический эффект более 250 тыс. руб. на один мотороком-плект.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Фомичев, Е. О. Анализ существующих методов восстановления лопаток компрессора газотурбинных двигателей / Е. О. Фомичев, Н. Н. Воронин // Двигатель. - 2013 -№ 5. - С. 10-11.

2. Фомичев, Е. О. Подбор и обоснование технологических параметров сварки для способа ремонта единичной лопатки в составе моноколеса / Е. О. Фомичев, В. А. Гейкин // Двигатель. - 2013 -№ 5. - С. 12-13.

3. Фомичев, Е. О. Подбор и обоснование технологических параметров сварки для способа ремонта моноколеса 2-й ступени КНД методом электроннолучевой сварки / Е. О. Фомичев // Сварочное производство. - 2014 — № 3.

4. Фомичев, Е. О. Разработка и обоснование способа ремонта моноколес методом аргонодуговой сварки и наплавки / Е. О. Фомичев, Г. В. Мартышин // Сварочное производство. - 2014 — № 4.

Авторские свидетельства и патенты

1. Механизм для перемещения рабочей платформы вакуумной камеры: пат. №120031 Рос. Федерация, Кл. ВК23К 15/06; заявл. 15.03.2012 г.; опубл. 10.09.2012 г.

2. Установка для электронно-лучевой сварки: пат. №2486041 Рос. Федерация, Кл. ВК23К 15/06; заявл. 01.12.2011 г.; опубл. 27.06.2013 г.

3. Катодный узел для электронно-лучевой пушки (варианты): пат. №130535 Рос. Федерация, Кл. ВК23К 15/06; заявл. 28.02.2013 г.; опубл. 27.07.2013 г.

Подписано в печать: 14.11.2013 Печать трафаретная. У сл.пл. - 1,5 Заказ №9099 Тираж: 100 экз. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, г. Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wwvv.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

" На правах рукописи

ФОМИЧЕВ ЕВГЕНИИ ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МОНОКОЛЕС ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.02.10. «Сварка, родственные процессы и технологии»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

Н.Н. Воронин

МОСКВА-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................10

1.1 Конструкция, условия работы и технология изготовления моноколес компрессора газотурбинного двигателя и выявление причин их отказов......10

1.1.1 Особенности конструкции и эксплуатации моноколес...................10

1.1.2 Возможные дефекты и причины их появления при эксплуатации моноколес.......................................................................................................12

1.1.3 Особенности изготовления моноколес..............................................19

1.1.4 Возможные дефекты при изготовлении моноколес, причины образования и методы исправления............................................................27

1.2 Анализ методов контроля для выявления дефектов в элементах компрессора газотурбинного двигателя.............................................................31

1.2.1 Контроль качества при изготовлении моноколес.............................32

1.2.2 Основные методы параметрического контроля компрессора ГТД 42

1.2.3 Основные методы периодического (инструментального) контроля за состоянием компрессора ГТД......................................................................44

1.2.3.1 Оптический осмотр проточной части ГТД...............................46

1.2.3.2 Ультразвуковой метод диагностирования...............................52

1.2.3.3 Вихретоковый метод диагностирования..................................53

1.2.3.4 Капиллярный метод диагностирования с применением портативных аэрозольных наборов.................................................................54

1.2.3.5 Радиационный метод контроля.................................................55

1.3 Существующие способы устранения дефектов роторных и корпусных конструкций методами сварки и пайки..............................................................57

1.3.1 Зарубежные способы восстановления моноколес............................57

1.3.2 Отечественные способы восстановления моноколес.......................75

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования..............................................79

2 МЕТОДИКИ, МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МОНОКОЛЕС...................81

2.1 Основные этапы работы, выбор и обоснование методики испытаний и оборудования при разработке способа восстановления моноколес................81

2.2 Обоснование марки материала для изготовления моноколес....................92

2.3 Обоснование способа и режимов термической обработки моноколес после проведения сварочно-наплавочных работ..........................................................96

2.4 Выбор и обоснование необходимого оборудования для сварки и наплавки

моноколес.............................................................................................................100

Выводы по главе 2...............................................................................................103

3 РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ РЕМОНТА МОНОКОЛЕС КОМПРЕССОРОВ ГТД ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ .. 105

3.1 Подбор и обоснование технологических параметров сварки для способа ремонта единичной лопатки в составе моноколеса.........................................105

3.2 Подбор и обоснование технологических параметров сварки для способа ремонта рабочего колеса 1-й ступени КНД из титанового сплава ВТ-6.......110

3.3 Подбор и обоснование технологических параметров сварки для способа ремонта моноколеса 2-й ступени КНД методом электронно-лучевой сварки ...............................................................................................................................120

3.4 Разработка и обоснование способа ремонта моноколес методом аргонодуговой сварки и наплавки.....................................................................131

3.4.1 Разработка образцов-имитаторов, технологии наплавки и металлографические исследования структуры сварного соединения... 131

3.4.2 Испытания образцов с наплавкой на усталостную прочность......148

Выводы по главе 3...............................................................................................154

4 РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МОНОКОЛЕС В ПРОИЗВОДСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.............................................................................................................156

4.1 Система развертки электронного луча.......................................................159

4.2 Система определения температуры............................................................162

4.3 Разработка технологии восстановления моноколеса 1-й ступени

компрессора низкого давления методом электронно-лучевой сварки..........171

4.3 Технология восстановления моноколеса 2-й ступени компрессора низкого

давления методом электронно-лучевой сварки...............................................174

Выводы по главе 4...............................................................................................182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................183

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ............................................................186

СОКРАЩЕНИЯ...........................................................................................................188

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................189

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................203

ПРИЛОЖЕНИЕ В...............................................................................................209

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Для новых поколений газотурбинных двигателей (ГТД) характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколеса - блиски (от английского blisk: bladed disk) и аналогичные бездисковые кольцевые конструкции - блинги (от английского bling: bladed ring), рисунок 1.

а) диск с лопатками б) блиск в) блинг

Рисунок 1.1- Эволюция дисков

Моноколеса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолетов, бизнес-авиации, приводов для газокомпрессорных установок и т.п., рисунок 1.2). Но только в последние годы их начинают применять для двигателей военной и гражданской авиации. Моноколеса позволяют существенно уменьшить размеры обода диска за счет устранения замковых соединений и снизить вес конструкций типа «блиск» на -30 %, «блинг» на -70 %.

Л

Рисунок 1.2 - Газотурбинный двигатель в наземной компрессорной установке

Применяемая на отечественных предприятиях отрасли технология изготовления монолитных колес содержит значительный объем ручных операций, которые негативно влияют на точность изготовления и состояние поверхностного слоя лопаток и способствуют появлению волнистости, прижогов и надрезов. Стремление к повышению удельных параметров и одновременно создание компактных конструкций ГТД привело к тому, что несколько осевых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50 ... 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней. Таким образом, несмотря на высокую трудоемкость изготовления, моноколеса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе позволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колесами компрессоров ГТД.

Проведенный всесторонний анализ показал, что отработанная технология изготовления моноколес в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток, а проблема восстановления поврежденных или изношенных поверхностей является важным фактором повышения надежности и ресурса работы двигателей. Высокая стоимость и трудоемкость изготовления моноколес потребовали разработки способов ремонта и восстановления их работоспособности. Поэтому разработка доступных и менее трудоемких вариантов ремонтных технологий моноколес, обеспечивающих высокое качество работы и пригодных не только для ремонта пера лопаток, но для исправления дефектов в комеле лопатки или в самом ободе рабочего колеса, является актуальной задачей.

Цель работы состоит разработке новых научно-обоснованных технологических процессов ремонта и восстановления моноколес посредством электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит ресурс и эксплуатационную надежность моноколес из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ6, существующих и перспективных газотурбинных двигателей.

Задачи работы. Для реализации указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

- провести анализ возможных дефектов моноколес ГТД в процессе их изготовления и эксплуатации;

- определить перечень дефектов, которые могут быть исправлены путем применения современных технологических процессов ремонта и восстановления;

- проанализировать существующие способы ремонта моноколес, их особенности, преимущества и недостатки;

- разработать эффективные способы предупреждения и ликвидации дефектов при изготовлении и восстановлении моноколес ГТД;

- провести комплекс всесторонних экспериментальных исследований, позволяющих научно обосновать, разработать и внедрить в производство при изготовлении и ремонте перспективных газотурбинных двигателей новые технологические процессы восстановления моноколес из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ6 с применением электронно-лучевой и аргонодуговой сварки, что повысит ресурс, эксплуатационную надежность ГТД и снизит трудоемкость их изготовления.

Методология и методы исследования. Методически работа включала следующие основные этапы:

- анализ конструкции моноколес;

- анализ способов изготовления моноколес;

- анализ возможных производственных и эксплуатационных дефектов;

- анализ условий эксплуатации моноколес;

- анализ предлагаемых способов восстановления моноколес;

- разработка эффективных способов восстановления моноколес компрессоров ГТД, включая способы восстановления лопаток методом электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки;

- разработка технологических процессов восстановления моноколес компрессоров газотурбинных двигателей из высокопрочных титановых сплавов методами электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки;

- проведение кратковременных и длительных стендовых испытаний

металла сварных соединений, и конструкций;

- реализация технологических процессов и оборудования при ремонте моноколес компрессоров ГТД.

Основные экспериментальные исследования проводились на двухфазном титановом сплаве ВТ-6. Для исследования структуры сварного шва и металлографического анализа использовались световой микроскоп OLIMPUS-ХВ51М и микротвердомер LEICA МНТ 10. Циклические испытания на усталостную выносливость проводились на вибростенде ВЭД-1500. Испытания проводились на базе N = 2107 циклов. Ступень изменения напряжений d = ±20 МПа.

Научная новизна:

1. На основе анализа конструкций моиоколес, условий эксплуатации и способов их изготовления установлены закономерности распределения возможных дефектов по профилю пера лопатки моноколеса, которые показывают, что повреждаемость входной кромки лопатки выше в 4,2 раза, чем выходной кромки.

2. Для устранения дефектов научно обоснованы возможные способы восстановления моноколес, разработаны методики и определены параметры режимов электронно-лучевой сварки и аргонодуговой наплавки в зависимости от вида повреждения моноколеса компрессора.

3. Разработаны компьютерные модели восстанавливаемых моноколес, с помощью которых впервые определены оптимальные сечения и траектории выреза дефектных участков, и разработан алгоритм, на основе которого создан программный комплекс автоматического проектирования ремонтных элементов в зависимости от вида и расположения дефектов.

Практическая значимость:

1. На основе исследований структуры сварных соединений, а также определения пределов выносливости после проведения ремонтных работ, обоснованы технологические параметры способов восстановления моноколес, которые внедрены в технологические процессы восстановления моноколес электронно-лучевой сваркой сектора и ремонтного вкладыша.

2. Используя проведенные исследования, разработаны технологические процессы ремонта моноколес, получивших повреждения в процессе эксплуатации и не пригодных к дальнейшей работе, которые позволяют продлить срок их службы в 1,5...2 раза.

3. Для ряда дефектов, которые были получены в процессе изготовления из-за нарушения технологических параметров механической обработки или сбоя оборудования, разработан технологический процесс ремонта моноколес аргонодуговой наплавкой.

4. Компьютерные модели моноколес позволили определить траектории перемещения луча при электронно-лучевой сварке, что дало возможность модернизации стандартного оборудования за счет введения в него специально разработанных электронных блоков управления.

5. Разработка технологий ремонта и восстановления моноколес, в которых возникли технологические или эксплуатационные дефекты, позволила получение экономического эффекта более 250 тыс. рублей на один моторокомплект.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы доложены на научно-технических конференциях: Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2010, Десятый международный салон «Двигатели 2010» (Москва 2010); Научно-технический конгресс по двигателестроению НКД-2012, Двенадцатый международный салон «Двигатели 2012» (Москва 2012); Научно-техническая конференция «Неделя науки МИИТ 2011-2012 г.» (Москва 2011, 2012); Российско-австрийский форум для прикладных исследований (Москва 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи находятся на стадии публикации. Получено три патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 210 страницах, включая 95 рисунков и 23 таблицы, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 86 наименований и приложения.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Конструкция, условия работы и технология изготовления моноколес компрессора газотурбинного двигателя и выявление причин их отказов

1.1.1 Особенности конструкции и эксплуатации моноколес

Лопатки газотурбинных двигателей, в том числе лопатки моноколес являются наиболее нагруженными деталями, определяющими ресурс, трудоемкость и стоимость двигателя. Число лопаток в современных двигателях достигает 2...3,5 тыс. штук, поэтому их изготовление производится в условиях крупносерийного или массового производства.

Ресурс лопаток двигателей военной авиации - 500... 1000 ч, а для гражданской авиации - 10...20 тыс. ч. Стоимость и трудоемкость изготовления комплекта лопаток составляет 20...35 % от общей стоимости и трудоемкости двигателя.

На рисунке 1.3 представлена фотография моноколеса, дающая представление о сложности конструкции и изготовления.

Ч> и

Рисунок 1.3 - Внешний вид моноколеса В процессе эксплуатации лопатки моноколес подвергаются:

- растяжению и изгибу под действием центробежных сил; изгибу и кручению под действием газового потока;

- воздействию переменных напряжений от вибрационных нагрузок;

- воздействию повышенных и высоких температур (300...600 °С для лопаток компрессора и 800... 1200 °С для лопаток турбин);

- резким колебаниям температуры при пусках и остановках двигателя, вызывающим термическую усталость материалов лопаток;

- воздействию пылевой, дождевой и газовой эрозии;

- электрохимической и высокотемпературной газовой коррозии;

- износу и фреттинг-коррозии в местах сопряжений (замковых соединениях, бандажных и антивибрационных полках).

При столь разнообразных и жестких условиях нагружения надежность и ресурс лопаток моноколес компрессора и турбины определяются множеством факторов, основными из которых являются:

- особенности конструкции лопаток моноколеса, обусловленные уровнем действующих напряжений и их концентрацией на отдельных конструктивных элементах;

- используемые материалы и их состояние после формирования заготовки;

- состояние поверхностного слоя, полученное на финишных стадиях технологического процесса (шероховатость, знак и уровень остаточных напряжений, степень упрочнения и др.); вид и свойства защитных покрытий [2].

Силовые факторы, за исключением вибрационных и, в какой-то мере, циклических, достаточно точно прогнозируются и учитываются на стадии проектирования. Остальные факторы сложно предсказуемы. В целом расчетные методы не дают возможности с достаточной достоверностью оценить работоспособность лопаток компрессора, которая в основном проверяется в процессе доводки путем широких исследований напряженности, а также испытаниями в натурных условиях на экспериментальном компрессоре и другими стендовыми испытаниями [3].

В наибольшей степени на работоспособность лопаток моноколес оказывают влияние:

а) перемен�