Исследование, разработка и внедрение процесса пневмогидроструйной обработки лопаток компрессора ГТД в среде жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Лабутин, Александр Юрьевич

• Лабутин, Александр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лабутин, Александр Юрьевич

Введение.

1. Анализ современного состояния развития струйной обработки.

1.1. Сущность процесса упрочнения.

1.2. Поверхностное пластическое деформирование металла.

1.3. Влияние поверхностного пластического деформирования на выносливость.

1.4. Обзор существующих способов струйной отделочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора ГТД.

1.5. Схемы струйной обработки в среде жидкости.

1.6. Задачи, подлежащие решению.

2. Опытно-экспериментальная установка.

2.1. Конструкция и технические данные.:.

2.2. Конструкция струйного аппарата.

2.3. Рабочая среда.

Выводы

3. Исследование технологических возможностей пиевмогидроструйной обработки в среде жидкости.

3.1. Кинематика обработки деталей.

3.2. Физическая модель пиевмогидроструйной обработки в жидкости, построение математической модели.

3.3. Математическая модель работы эжектора.

3.4. Математическая модель затопленной струи эжектора.

3.5. Глубина наклепанного слоя.

3.6. Съем металла с обрабатываемой поверхности.

3.7. Остаточные напряжения.

3.8. Интенсивность наклепа.

3.9. Шероховатость обработанной поверхности.

3.10. Степень наклепа.

Выводы

4. Влияние струйной обработки на выносливость лопаток компрессора.

4.1. Режимы обработки поверхностей пера лопаток.

4.2. Выносливость лопаток компрессора.

Выводы

5. Внедрение результатов исследований в серийное производство

5.1. Рабочий проект установки ПГСУ-2.

5.2. Технологический процесс пневмогидроструйной обработки в среде жидкости.

5.3. Использование технологии Г1ГСО для отделочно-упрочняющей обработки различных деталей ГТД.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, разработка и внедрение процесса пневмогидроструйной обработки лопаток компрессора ГТД в среде жидкости»

Детали газотурбинного двигателя (ГТД) работают в тяжелых условиях высоких температур, виброперегрузок и больших контактных нагрузок, они подвергаются воздействиям газовой эрозии, коррозии и фреттинг коррозии. Авиационные детали должны обладать высокой надежностью и прочностью, имея минимальный вес. Для обеспечения большого ресурса деталей ГТД совершенствования их конструкции недостаточно, необходимы технологические методы повышения их эксплуатационных качеств [77].

Многие эксплуатационные качества детали, такие как выносливость, износостойкость, контактная твердость, эрозионная стойкость зависят от качества поверхностного слоя. Наиболее существенными свойствами поверхностного слоя являются шероховатость, наклеп (твердость) и остаточные напряжения. Требуемые параметры качества поверхностного слоя и большинство важнейших эксплуатационных свойств деталей могут быть обеспечены отделочно-упрочняющей обработкой способом поверхностного пластического деформирования (ППД). Эти способы получили широкое распространение в производстве деталей ГТД благодаря их высокой производительности, экономичности и простоте применения. Способы ППД обеспечивают низкую шероховатость и высокую твердость поверхности, повышение контактной и общей выносливости.

Наиболее ответственной и трудоемкой в изготовлении деталью ГТД является лопатка компрессора и турбины. Эти детали работают в условиях больших переменных нагрузок, газовой и абразивной эрозии, высоких температур. В настоящее время лопатки компрессора без упрочнения способами ППД не производятся вообще, т.к. без упрочнения нет гарантии обеспечения заданного ресурса.

Сложная геометрическая форма пера и замка лопатки, ее малая жесткость, а также высокие требования к параметрам поверхностного слоя требуют соответствующих способов ППД. Эт им требованиям отвечают струйные способы отде-лочно-упрочняющей обработки. Струйные способы достаточно универсальны, позволяют обрабатывать ажурные детали имеющие сложные поверхности двойной кривизны.

Из всего многообразия можно выделить способы струйной обработки в среде жидкости (жидкостью служит раствор воды). Эти способы не уступают известным, которые применяются в настоящее время в серийном производстве, гю качеству обработки, а по некоторым показателям даже превосходят. Их отличительная особенность - экологическая чистота процесса, безопасность и безвредность для оператора, они обеспечивают высоку ю культуру производст ва. Оборудование универсально и позволяет производить как отделочную обработку абразивом, так и упрочнение шариками. С использованием стеклянных шариков способы струйной обработки в среде жидкости становятся особенно перспективны для упрочнения хромоникелевых и титановых лопаток компрессора. Применение стеклянных шариков, по сравнению со стальными, позволяет более гибко управлять интенсивностью обработки ажурных лопаток компрессора без наплыва металла на гонких кромках рабочей части пера и коробления.

Лопатки компрессора высокого давления изд. НК для повышения износостойкости и ресурса двигателя в целом, его конкурентной способност и, подвергаются напылению нитридом титана. Поверхность лопатки для напыления покрытия должна иметь равномерную шероховатость 11а = 0,2 - 0.4 мкм, не иметь рисок и наплывов метала на острых кромках. Эти требования можно обеспечить при упрочнении стеклянными шариками. Упрочнение титановых лопаток компрессора стальной дробью приводит к внедрению металлической пыли в поверхностной слой лопатки, что в дальнейшем снижает ее эксплуатационные качества и затрудняет нанесение покрытия 'ПК.

Однако широкое применение этих способов сдерживает отсутствие производства стеклянных шариков (на стеклянные шарики для упрочнения до настоящего времени отсутствует ГОСТ) и их невысокая стойкость, а также недостаточная теоретическая и экспериментальная база исследований их технологических возможностей. Обработка в жидкости позволяет существенно увеличить стойкость стеклянных шариков.

Таким образом в производстве лопаток компрессора возникла задача внедрения способов струйной обработки в среде жидкости стеклянными шариками. При переводе лопаток на эту технологию для каждой ступени требуется назначать режимы обработки, подбирать их экспериментально для всей номенклатуры лопаток не представляется возможным. Следовательно необходимо создать математическую модель и методику расчета режима обработки в зависимости от требуемых параметров поверхностного слоя лопатки заложенных в чертеже. В этом отношении тема работы является актуальной и обусловлена потребностью производства.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное исследование технологических возможностей п не в могид ростру йной обработки в среде жидкости абразивом и стеклянными шариками. Это сегодня наиболее простой для практической реализации способ обработки в среде жидкости, требующий минимальных затрат для внедрения.

Нумерация формул начинается в каждом разделе заново, при ссылке на формулу находящуюся в текущем разделе указывается только ее номер - (7). Если формула находится в другом разделе, то в ее обозначении указывается сперва номер раздела, а затем через дефис номер формулы: ссылка (3.5.4-6) обозначает, что формула (6) находится в разделе 3.5.4 (глава 3, раздел 5, параграф 4). Нумерация рисунков в каждой главе начинается заново, причем номер рисунка всегда включает номер главы. Давление выраженное в Паскалях абсолютное, а в кгс/см2 избыточное (приводится для сравнения).

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Лабутин, Александр Юрьевич

Результаты работы могут быть использованы при проектировании технологического процесса и оборудования для обработки лопаток турбины, наружных и внутренних поверхностей корпусных деталей сложной конфигурации в среде жидкости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лабутин, Александр Юрьевич, 1999 год

1. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 1977. 391 с.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. 888 с.

3. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 715 с.

4. Авчинников Б.Е. Расчет усталостной прочности и оптимальных режимов упрочнения деталей авиационных конструкций. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт. техн. наук. ВВИА им. А.Н. Жуковского, 1968.

5. Авчинников Б.Е. Усталостная прочность поверхностно упрочненных деталей. Труды ВВИА им. Н.Е. Жуковского. Выпуск 1188. М., 1967.

6. Агасарян Р.Р., Дохикян Р.Т. Струйно-абразивная обработка металлов. Ереван: АрмНИИНТИ, 1990. 52 с.

7. Адгамов Р.И., Дунин H.A., Лабутин А.К) Струйная обработка деталей ГТД в среде рабочей жидкости. АЛ2. 7 Тезисы докл. Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии». Москва: МАТИ, 1997. С. 15.

8. Адгамов Р.И. Дунин H.A., Лабутин А.Ю Струйная обработка лопаток ГТД в среде рабочей жидкости. АЛЗ./У Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 4. С. 63-66.

9. Балашов Б.Ф. Повышение усталостной прочности деталей машин поверхностным наклепом. / В кн. Повышение долговечности деталей машин. Под ред. М.М. Хрущева. М.: Машгиз, 1956.

10. Белкин М.Я., Веншега A.C., Дунаевский В.И. и Воякин В.Н. Определение глубины наклепанного слоя легированных сталей. // Заводская лаборатория. 1965. №4.

11. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. Л.: Металлургия. 1970. 472 с.

12. Билик Ш.М. Абразивно-жидкостная обработка металлов. М.: Машгиз, 1960. 198 с.

13. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз. 1963.

14. Бочвар A.A. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956.

15. Васильев Ю.Н. Некоторые одномерные задачи течения двухфазной газо-парожидкостной смеси. Сб. "Лопаточные машины и струйные аппараты", М.: Машиностроение, 1972. С. 179-201.

16. Васильев Ю.Н. Теория двухфазного газо-жидкоетного эжектора с цилиндрической камерой смешения. 7 Сб. "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 5. Машиностроение, 1971. С. 175-261.

17. Виноградов Б.С. Прикладная газовая динамика. М.: Изд. Университета дружбы народов им. П. Лумумбы, 1965. 348 с.

18. Волков В.И., Пудков С.И., Родкина J1.E. Эффективность упрочняющей обработки лопаток ГТД при эксплуатационных температурах. 7 Авиационная промышленность. 1984. № 10. С. 24.

19. Гиацинтов Е.В., Степнов М.Н. Повышение долговечности и надежности конструкционных легких сплавов. /У Авиационная промышленность. 1966. № 4.

20. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.

21. Дейч М.Е., Филипов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиз-дат, 1981.472 с.

22. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: Машиностроение, 1978.

23. Дрозд М.С. Определение глубины наклепанного слоя металла при дробеструйной обработке. / Научные труды Волгоградского механического института, т. 2. Волгоград, 1955.

24. Дрозд М.С. Осипенко А.П. Аналитическое исследование напряженного состояния при внедрении упругой сферы в упругопластическое пространство. В кн.: Металловедение и прочность металлов. Вып. VIII. Волгоград: ВПИ, 1977. С. 58-68.

25. Дрозд М.С., Федоров A.B., Лебский С.Л., и др. Выбор режимов дробеструйной обработки обеспечивающих заданные параметры наклепанного слоя. Вестник машиностроения. 1977. № 3 с. 42-45.

26. Дунин H.A. Исследование процесса дробеструйного упрочнения лопаток компрессора ГТД. / Автореф. дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. Казань: КАИ, 1969.

27. Дунин H.A. Качество поверхностного слоя деталей и его влияние на эксплуатационные свойства изделий. Казань: КАИ, 1980. 66 с.

28. Дунин H.A., Жадин Г.П. Дробеструйная установка для поверхностного упрочнения изделий. Авторское свидетельство № 190395 от 30.09.65 г. Бюллетень изобретений и товарных знаков, 1967, № 2.

29. Дунин H.A., Жадин Г.П. Исследование активного отпечатка потока дроби из сопла дробеструйной установки. Научно-технический сб.: Вакуумная техника, вып. 1. Казань: татарское книжное издательство, 1968.

30. Кобрин М.М. Эпюры остаточных напряжений при контактной и контактно-сдвиговой схемах поверхностного пластического деформирования. 7 Вестник машиностроения. 1963. №1. С. 56-60.

31. Котрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлурги здат, 1958.

32. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. 1976.256 с.

33. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. М.: Машиностроение, 1968.

34. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М.: Машгиз, 1951.

35. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом (методом чеканки). / Сб. Повышение долговечности деталей машин методами поверхностного наклепа. ЦНИИТМАШ. М.: Машиностроение, 1965.

36. Кудрявцев И.В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин. М.: Машиностроение, 1969. 100 с.

37. Кудрявцев PI.В., Петушков Г.Е. Влияние кривизны поверхностей на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом. /7 Вестник машиностроения. 1966. № 7.

38. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела, т. 3, гл. 25. Томск: Красное знамя, 1944/

39. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. 296 с.

40. Лабупш А.К). Глубина наклепа поверхностного слоя лопаток компрессора после пневмогидроструйного упрочнения шариками в среде жидкости. / Тезисы докл. Всероссийской научной конференции «Тепловые двигатели в XXI веке». Казань: КГТУ (КАИ), 1999. С. 92.

41. Лабугин АЛО. Построение технологического процесса струйной отделоч-но-упрочняющей обработки лопаток компрессора ГТД. АЛ4.// тезисы докл. Международной молодежной научной конференции «XXV Гагаринские чтения». Москва: МАТИ, 1999. С. 939-940.

42. Лабугин АЛО. Струйная обработка деталей ГТД в среде рабочей жидкости. АЛ5.'7 тезисы докл. XXIV Всероссийской молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». Москва: МАТИ, 1998. С. 52.

43. Лабутн А.Ю, Струйная отделочно-упрочняющая обработка лопаток ГТД в среде рабочей жидкости. |AJI6| Тезисы докл. II Республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов. Казань: КГТУ (КАИ), 1996. С. 47.

44. Лабугин АЛО , Адгамов Р.И. Построение математической модели пневмо-гидроструйной обработки лопаток ГТД под водой. 7 Известия вузов. Авиационная техника. 1999. № 2. С.

45. Лабу гин АЛО., Адгамов Р.И. Разработка нового технологического процесса пневмогидроетруйной обработки деталей. // Тезисы докл. Всероссийской междисциплинарной научной конференции III Вавиловские чтения. Йошкар-Ола: МГТУ, 1999. С. 54-57.

46. Лабушн АЛО , Адгамов Р.И., Дунин H.A. Струйные способы обработки лопаток ГТД в среде рабочей жидкости. ¡АЛ7} Тезисы докл. Всероссийской междисциплинарной научной конференции «II Вавиловские чтения». Йошкар-Ола: МГТУ, 1997 г. С. 99.

47. Лабутин А.Ю , Дунин H.A. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД в среде рабочей жидкости. АЛ8.// Тезисы докл. XXIII Всероссийской молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». Москва: МАТИ, 1997. С. 32.

48. Лабугин АЛО., Дунин H.A. Технологические возможности гидроструйной обработки в среде рабочей жидкости. /7 Вестник КГТУ. 1997. № 4. С. 15-16.АЛ9.

49. Лаб\'1ин АЛО., Лабутин Ю.П. Халимулин P.M. Способ страной обработки. Патент РФ № 2009864АЛ 10. С1. Кл. 5 В 24 С 1/00. Опубл. 30.03.94 бюл. № 6.

50. Лабушн Л.Ю., Лабутин Ю.П., Халимулин P.M. Способ струйной обработки. Патент № 2066616 С1. Кл. 6 В 24 С 1/00 опубл. 20.09.96 бюл. № 26.

51. Лабутин Ю.П. и др. Влияние параметров виброударного упрочнения на глу бину наклепа деталей из сплава АВ-Т1. // Авиационная промышленность. 1971. №9. С. 27-31.

52. Лабутин Ю.П. Сопловые устройства для упрочнения поверхностей деталей наклепом. // Авиационная промышленность. 1987. № 10.

53. Лабутин Ю.П., Исайкин H.A. Контроль пневмодробеструйного процесса упрочнения элементов поверхностей деталей. // Авиационная промышленность. 1981. №5. С. 23-27.

54. Лабутин Ю.П., Шканов И.Н. Выбор оптимальной глу бины наклепа при проектировании технологического процесса упрочнения детали. / Сб. Авиационная технология и организация производства, вып. 141. Труды КАИ. 1972. С. 47-53.

55. Лахтин Ю.М. Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

56. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 736 с.

57. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение, 1988. 256 с.

58. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высш. шк„ 1991.480 с.

59. Новиков И.И. Дефекты кристаллической решетки металлов. М.: Металлургия, 1968. 188 с.

60. Одинг И.А. Теория дислокаций в металлах и ее применение. М.: Р1зд-во АН СССР, 1959.

61. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

62. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение, 1977.

63. Пирогов Я.В., Пилякин Ю.С. Шемет Б.Р. Поверхностное упрочнение деталей из алюминиевых сплавов стеклянными шариками отечественного произволе гва. //Авиационная промышленность. 1989. №2. С. 30-31.

64. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технол. методы упрочнения. В 2 т. М.: Л.В.М-СКРИПТ, Машиностроение, 1995.

65. Примеры расчетов по гидравлике.// Под ред. А.Д.Альтшуля. М.: Стройиз-дат, 1977. 255 с.

66. Пудков С.И., Волков В.И., Егоров В.М., Рыбаков Г.М. Упрочняющая обработка лопаток ГТД стеклошарикамн. /У Авиационная промышленность. 1989. №5. С. 21-22.

67. Ривкнн С. Л., Александров A.A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984. 80 с.

68. Рид В. Дислокации в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1957.

69. Рыковский Б.П., Пудков С.И., Якимчиков H.H. Пневмогидродробеструй-ное упрочнение лопаток компрессора стеклошариками. 7 Авиационная промышленность. 1984. № 11. с. 26-27.

70. Рыковский Б.П., Смирнов В.А., Щетинин Г.М. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. М.: Машиностроение, 1985. 152 с.

71. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. М.: Машгиз, 1955. 312 с.

72. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Металловедение. М.: Металлургия, 1969.456 с.

73. СергельО.С. Прикладная гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1981. 374 с.

74. Серенсен С.В. Сопротивление усталости в связи с упрочнением и конструктивными факторами. // Сб. Повышение усталостной прочности деталей машин поверхностной обработкой. М.: Машгиз. 1952.

75. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981. 550 с.

76. Смирнов В.А. Исследование напряженно-деформированного состояния и формоизменения при дробеструйной обработке деталей малой жесткости. / Диссертация на соискание уч. ст. канд. техн. наук. Казань: КАИ, 1969.

77. Соколов Е.Я. Зингер Н.М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970. 288 с.

78. Стефановский В.А. Аналитическое решение некоторых задач гидродинамики двухфазной среды газ-жидкость-пар.// Сб. "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 6, Машиностроение, 1972. С. 202-210.

79. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1971. 424 с.

80. Струнина Е.М., Пеньковская Г.И. Зарипова З.С., Лабутин Ю.П. Влияние механической обработки и упрочнения на состояние поверхностного слоя и усталостную прочность лопаток компрессора из сплава ВТ8. /У Авиационная промышленность. 1968. № 8.

81. Теплов A.B., Викханский Л.Н., Чарей В.Е. Основы гидравлики. Л.: Машиностроение, 1969. 224 с.

82. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440 с.

83. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. Перевод с английского. // Под ред. Р1.Ф. Образцова. М.: Машиностроение, 1969.

84. Хейфец С.Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя при обкатке роликами стальных деталей. / В кн. Новые исследования в области прочности машиностроительных материалов. Под ред. И.В. Кудрявцева. М.: Машгиз, 1952. (ЦНИИТМАШ, кн. 49).

85. Цегельский В.Г. К теории двухфазного струйного аппарата./ Изв. вузов. Машиностроение, 1984. №6. С. 79-85.