Разработка и анализ технологического процесса обработки сопловых лопаток турбины высокого давления

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России

Б.Н. Ельцина»

Курсовая работа по дисциплине “Технология производства газовых турбин”

Разработка и анализ технологического процесса обработки сопловых лопаток ТВД

Преподаватель

Новиков В. А.

Студент

Кшесинский Д.С.

Т-47042

2011

Содержание

Введение

1. Назначение лопаток и конструкции сопловых лопаток ТВД

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

3. Вид заготовки

4.Основные требования к механической обработке лопаток

5. Типовой процесс механической обработки

6. Вид станков

7. Закрепление заготовок

8. Технический контроль лопаток

9. Реальное выполнение технологического процесса

10. Предложения по совершенствованию технологического процесса

Заключение

Библиографический список

Введение

Производство лопаток газотурбинных двигателей занимает особое место в современном машиностроении. Это обусловлено следующими особенностями изготовления лопаток.

Ответственным назначением лопаток в двигателе. Лопатки в решающей степени определяют надёжность и безотказность работы газотурбинных двигателей. Ресурс работы двигателя определяется, как правило, работоспособностью лопаток. В связи с этим, технология изготовления и контроля лопаток должна обеспечивать стабильность качества их изготовления и исключать возможность установки в двигателе лопаток с отклонениями по геометрическим размерам, качеству поверхности, с металлургическими и иными дефектами.

Сложностью геометрических форм и требованиями высокой точности изготовления лопаток. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,050,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,010,02 мм.

Массовостью изготовления лопаток. Современный двигатель с осевым компрессором насчитывает до 2000 лопаток. В связи с этим даже при выпуске опытных образцов двигателей изготовление лопаток носит серийный характер.

Применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток. В связи с этим технологический процесс производства лопаток должен гарантировать минимальный процент брака.

Плохой обрабатываемостью материалов, применяемых для изготовления лопаток. Лопатки турбины изготовляют из сплавов на никелевой основе, имеющих относительно большую твёрдость при высокой вязкости.

Сочетание указанных факторов и определило специфичность производства лопаток.

Производство лопаток совершенствуется и в настоящее время, главным образом, в направлении механизации и автоматизации. Исключение ручного труда позволяет не только сократить трудоемкость, но и повысить качество изготовления лопаток.

Значительные успехи достигнуты за последнее время в области интенсификации режимов обработки жаропрочных и титановых сталей и сплавов, а также в области изготовления керамических лопаток.

В данной курсовой работе необходимо разработать и проанализировать технологический процесс обработки направляющей (сопловой) лопатки ТВД.

1. Назначение и конструкции сопловых лопаток

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.

Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее ответственной частью турбины. Экономичность турбины -- ее к. п. д.--в первую очередь зависит от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42--45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей.

Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном паре.

Указанные условия требуют особо тщательного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбора материалов для них и организации их производства. Особо тщательно следует выполнять все образующие формы лопаток размеры и соблюдать установленные для их изготовления технические требования. Отклонения от чертежей могут вызвать в лопатках дополнительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к серьезной аварии турбин.

Сопловой аппарат первой ступени омывается газом, температура которого с учетом неравномерности после камеры сгорания может на 100 -120 °С превышать среднемассовую перед турбиной. Поэтому в высокотемпературных газовых турбинах его охлаждают весьма интенсивно. Под среднемассовой температурой перед турбиной следует считать средневзвешенную температуру торможения непосредственно перед рабочими лопатками. Это позволяет более свободно расходовать воздух на охлаждение сопловых лопаток первой ступени, однако при этом должны быть обеспечены малые аэродинамические потери в самом сопловом аппарате и максимально равномерный по температуре, давлению и направлению поток непосредственно перед рабочими лопатками этой ступени.

Сопловые лопатки обычно слабо закручены по радиусу и поэтому применяемые системы охлаждения могут быть реализованы практически при всех законах закрутки ступеней.

Сопловой аппарат первой ступени турбины обычно выполняют разборным с двухопорными соплами, так как он воспринимает наибольший перепад давления, но с необходимой свободой термического расширения (рис. 1, а). Все новые ГТУ имеют охлаждаемые сопловые лопатки с выпуском воздуха большей частью в выходную кромку. Этот воздух, смешиваясь с основным потоком газа, работает в последующих венцах турбины, поэтому его расход не наносит большого ущерба для экономичности турбины. Полые охлаждаемые сопловые лопатки изготовляют точным литьем (по выплавляемым моделям). Первая ступень турбины агрегата ГТК-16 ТМЗ имеет сварно-паяные лопатки.

Для сопловых аппаратов последующих ступеней в стационарной практике применяют консольно- закрепленные лопатки (рис.1, б). На турбомоторном заводе их объединяют в пакеты (сегменты) по три-четыре штуки, а между пакетами оставляют

Конструкции соловых лопаток

а)

б)

в)

а - двухопорная воздухоохлаждаемая сопловая лопатка; б - консольно закрепленная направляющая лопатка турбины; в - регулируемый сопловой аппарат со сферическими ограничивающими поверхностями.

Рис. 1

Сечения профильной части охлаждаемых сопловых лопаток

а - конвективного охлаждения с дефлектором; б - конвективно-пленочного охлаждения; в - проникающего охлаждения; г - внутристеночного охлаждения;

1 - дефлектор; 2 - литая лопатка; 3 - пористое покрытие; 4 - теплозащитное покрытие.

Рис. 2

Неразборные сопловые аппараты применяют в виде сварных диафрагм. Для них требуются специальные конструктивные мероприятия по обеспечению термоэластичности и для избежания поводок. Предпочтительны полые и тонкостенные диафрагмы без горизонтального разъема.

Неохлаждаемые сопловые лопатки также желательно выполнять полыми для снижения термических напряжений в выходных кромках при внезапных остановах. Во всех случаях необходимо сводить к минимуму теплоотвод от сопловых лопаток к крепящим их деталям статора.

Сопловые аппараты двух и трехвальных ГТУ требуют жесткого допуска на площадь выходного сечения первой ступени каждой турбины для обеспечения расчетного распределения теплоперепадов между ними. В рабочем состоянии площадь у турбин высокого и низкого давлений увеличивается на разную величину.

Особого внимания в конструкции требуют регулируемые сопловые аппараты. Для уменьшения радиальных зазоров по концам лопаток примыкающие к поворотным направляющим лопаткам меридиональные поверхности должны быть выполнены по сферам, описанным радиусами из центра, расположенного на пересечении оси цапф лопатки с осью турбины (рис. 1, в). Упрощение конструкции достигается при сравнительно небольшом числе широких лопаток, однако при этом сильнее меняется осевой зазор между сопловыми и рабочими лопатками при их повороте. Необходимый рабочий диапазон изменения площади соплового аппарата составляет ±10%.

Среди различных конструкций охлаждаемых сопловых лопаток более других распространены дефлекторные лопатки (рис.2, а). Наружную силовую оболочку изготовляют обычно точным литьем. Вставной тонкостенный дефлектор позволяет организовать хорошее конвективное охлаждение стенок и струйное охлаждение изнутри входной кромки лопатки. Охладитель покидает лопатку чаще всего через выходную кромку, выполняемую полой, или рядом с ней. В таких лопатках осуществлено движение охладителя поперек оси лопатки. В ранних конструкциях охлаждаемых сопловых аппаратов первой ступени использовали продольное течение охладителя без выпуска воздуха в кромку. Сейчас такие конструкции из-за малого охлаждающего эффекта применяют редко и только для второй или третьей ступени.

Преимущества лопатки со вставным дефлектором при поперечном сечении охладителя:

сближение коэффициентов теплоотдачи воздуха и газа, что дает равномерную температуру по сечению лопатки;

возможность реализации дифференцированного охлаждения участков лопатки по высоте и по сечению за счет расположения и числа отверстий в дефлекторе;

возможность регулирования глубины охлаждения лопатки в процессе доводки или увеличения ресурса;

сравнительная простота интенсификации теплообмена со стороны воздуха за счет различных турбулизаторов.

Дефлектор представляет собой тонкостенную штампованную оболочку из двух частей, соединяемых с помощью точечной или роликовой сварки, иногда пайки. Возможно изготовление дефлектора путем деформации и рассверловки тонкостенной трубки. Перфорация дефлектора в определенных местах позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен за счет струйного охлаждения. Концентрацию струйного охлаждения в одном месте называют душевым охлаждением.

Сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением применяют для более высоких температур газа ( Тг > 1200 - 1250 °С), чем при чисто конвективном. При этом тратится больше охлаждающего воздуха, чем без выдува охлаждающей пленки. Однако для сопловых лопаток первой ступени это не имеет решающего значения. Достоинство конвективно-пленочного охлаждения лопаток (рис.2, б) -- возможность дополнительного снижения температуры металла на 100 °С и более. Другое преимущество -- возможность устранения местного перегрева лопатки путем создания перед участком с завышенной температурой дополнительной щели выдува. Однако пленка быстро размывается и щели для выдува нужно повторять. Кроме того, воздействие вдуваемой пленки на пограничный слой вызывает увеличение аэродинамических потерь. При пленочном охлаждении обычно имеет место неравномерность температур по сечению лопатки.

В отечественных приводных ГТУ сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением в конце 80-х годов еще не были распространены, однако появляются в новых ГТУ 90-х годов.

Среди разрабатываемых, но не внедренных в практику систем охлаждения сопловых лопаток, упомянем лопатки с проникающим охлаждением и лопатки с внутристеночным охлаждением.

Проникающее охлаждение, при котором воздух проходит через мелкие отверстия (поры) в стенке лопатки, предназначено для очень высоких температур, например Тг = 1600 °С. Именно при этих условиях можно достигнуть значительного снижения расхода охлаждающего воздуха по сравнению с конвективно-пленочным охлаждением. Проникающее охлаждение теснее других способов охлаждения связано с технологией изготовления стенок лопаток. Как правило, сопловые лопатки с проникающим охлаждением являются гильзовыми, т.е. тонкая оболочка покрывает жесткий сердечник лопатки (рис.2, в). Существенными недостатками являются необходимость тщательной очистки охлаждающего воздуха и опасность заноса пор дисперсными частицами, содержащимися в продуктах сгорания.

Другой перспективный вид гильзовых (оболочковых) лопаток - лопатки с внутристеночным охлаждением. Здесь используют продольное течение охладителя (рис.2, г).

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

Температура металла сопловых лопаток определяется температурой рабочего тела, омывающего лопатки данной ступени, и системой охлаждения. Напряжения изгиба, возникающие под действием газового потока, составляют 50-80 МПа, а в перспективных высокотемпературных мощных ГТУ достигают 130 МПа.

Лопатки подвергаются статическому и динамическому воздействию газового потока. При этом возможны температурные перепады типа тепловых ударов до 400 0С, а в перспективных ГТУ до 600 -700 0С. Для приводных турбин число пусков на ресурс достигает 200, для пиковых - 5000. Лопатки подвергаются также эрозионному и коррозионному воздействию потока продуктов сгорания при скорости его до 700 м/с. Запыленность потока твердыми частицами размером до 100 мкм может достигать концентрации 0,3 мг/м3. При неблагоприятных атмосферных условиях эти величины могут кратковременно повышаться соответственно до 250 мкм и 2,5 мг/м3. При наличии воздухоочистных устройств запыленность воздушного потока не должна превышать установленных норм.

Анализ условий, в которых работают лопатки, и изучение типичных аварий лопаточных аппаратов обусловили следующие требования к материалу сопловых лопаток турбин:

А) высокая жаропрочность, т.е. сохранение высоких показателей прочности при высокой рабочей температуре;

Б) высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сечения лопатки; хорошая сопротивляемость местным напряжениям;

В) высокая усталостная прочность (выносливость);

Г) высокий декремент затухания;

Д) стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбин;

Е) высокая сопротивляемость окислению и окалинообразованию при высоких температурах;

Ж) благоприятные технологические свойства, позволяющие применять более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь - резанием) и обеспечивающих точное выполнение размера профиля и высокую чистоту обработки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штамповаться, расклёпываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конструкций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.

З) Высокая сопротивляемость эрозии.

В качестве материала сопловых лопаток первых ступеней используют литейные или деформируемые сплавы на никелевой основе. При температуре газов до 700 °С ранее применяли аустенитные стали. Для лопаток последних ступеней при температуре газов менее 580 °С возможно также использование легированных хромистых сталей. Для лопаток, работающих при температурах свыше 650 до 8000 С, используются жаропрочные металлические сплавы на никелевой основе. Среди них ЖС6К, ЭИ929ВД, ЭИ893,Н70ВМЮТ, ХН80ТБЮ и др.

При температуре газов 800°С и выше, а при наличии в топливном газе серы и при 720°С необходимо нанесение защитных покрытий на сопловые и рабочие лопатки, имеющие содержание хрома в сплаве менее 20%, путем хромоалитирования, хромосили-цирования или хромоалюмосилицирования и т. п. Толщина защитного покрытия-30 - 60 мкм, Применяют также эмалевые покрытия, а для охлаждаемых лопаток--теплозащитные покрытия.

3. Вид заготовки

Для изготовления лопаток применяются следующие виды заготовок: полосовая сталь, листовая сталь, поковки, штамповки, горячекатаные профильные полосы (так называемый светлокатаный профиль) и точное литье по выплавляемым моделям. Наиболее распространенными заготовками для лопаток являются светлокатаный профиль и штамповки.

Вид заготовки оказывает большое влияние на последующий технологический процесс обработки, поэтому при выборе рациональных заготовок следует учитывать все конкретные условия производства и, в частности, форму лопаток, их количество и сроки выполнения заказов.

Основным методом изготовления лопаток соплового аппарата является прецизионное литье по выплавляемым моделям преимущественно из литейных сплавов ЛК4, ЖС6, ЖС6-К и др.

Применение точного литья по выплавляемым моделям позволяет получать заготовки с минимальным припуском по перу. Механическая обработка заготовок таких лопаток заключается главным образом в обработке замков лопаток.

Литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами получения заготовок лопаток соплового аппарата;

1) возможность получения заготовок сложной формы, с чистотой поверхности 5--б и точностью в пределах 4-го класса;

2) возможность получения пустотелых лопаток с толщиной стенок до 0,5 мм.

К недостаткам данного метода относятся:

1) необходимость применения для отливки дорогостоящих сплавов и вспомогательных материалов;

2) длительность производственного цикла.

В некоторых двигателях лопатки соплового аппарата начали изготавливать из листового жаропрочного материала методом холодной штамповки с последующей электросваркой выходной кромки.

4. Основные требования к механической обработке лопаток

Хорошее качество лопаток, как и всех прочих деталей турбины, зависит от правильного выполнения установленных в чертежах конструктивных размеров и чистоты обработки поверхностей. Каждые части лопатки (хвост, рабочая часть и головка) имеют различное назначение. Хвост служит для надежного закрепления лопатки в корпусе турбины. Рабочая часть предназначена для восприятия давления пара, а головка для крепления бандажа. Если у хвоста лопатки в соответствии с его служебным назначением большое значение имеет степень точности, с которой выполнены все посадочные размеры хвоста, то для рабочей части, размеры которой не являются посадочными, большое значение имеет степень чистоты обработки. Хорошо отполированная поверхность рабочей части содействует уменьшению потерь пара на трение о поверхность лопатки, увеличивая в то же самое время антикоррозийную стойкость лопатки.

Все размеры лопаток, по требованиям к их точности, можно разбить на три группы.

Первая: размеры, от которых зависит характер соединения лопаток с другими деталями турбины, т.е. посадочные детали. К ним относятся в первую очередь размеры хвостов и шипов под насадку бандажных лент. Диаметр шипа (при круглом шипе) и ширина, и толщина шипа (при прямоугольном шипе) выполняются по ходовым посадкам 4-го класса.

Вторая: размеры, не являющиеся посадочными, но требующие повышенной точности. К ним относятся размеры сечений рабочих частей; размеры, определяющие установку лопаток и расположение отверстий под скрепляющую проволоку и т.п. Выполняются эти размеры или по третьему и четвёртому классам точности, или по свободным нестандартным допускам в пределах от 0,1 мм до 0,5 мм, в зависимости от размеров лопатки.

Третья: свободные размеры, к которым обычно относятся размеры галтелей, фасок и других менее ответственных элементов лопаток. Точность свободных размеров или совсем не нормируется или ограничивается допусками 7-го класса точности. Однако даже и в том случае, когда на свободные размеры не установлено никаких допусков, они выполняются обычно по допускам, установленным на свободные размеры специальными технологическими инструкциями, выпускаемыми на данном предприятии.

Чистота обработки посадочных поверхностей выдерживается в пределах 6-го класса, рабочих профилей и галтелей у рабочих частей - 8-9-го класса.

Наиболее ответственными являются посадочные размеры хвостовых соединений. Эти размеры, а также и чистота обработки должны быть обеспечены соответствующей точностью станочной обработки и качеством режущего инструмента. Чертёж типовой лопатки соплового аппарата приведён на рис. 3.

Рис. 3. Чертёж типовой лопатки соплового аппарата

а)

б)

а - беззамковой конструкции, б-с замком.

Точность изготовления основных поверхностей лопаток характеризуется следующими данными:

допуск на толщину профиля пера …………………;

допуск на толщину кромок ………………………. ±0.2;

непрямолинейность профиля ..……………………. 0,8 мм;

непрямолинейность выходной кромки……………. 0,8 мм;

допуск на толщину стенки пустотелых лопаток .....±0,3мм;

чистота поверхности замка ………………………...4--5.

5. Типовой процесс механической обработки

Технологический процесс обработки любой новой лопатки может быть легко и быстро разработан технологом при наличии классификатора и типовых технологических операциях.

Сплавы, из которых изготовлены лопатки, плохо обрабатываются резанием (особенно металлическим инструментом). В связи с этим операции по обработке этих лопаток выполняют, как правило, шлифованием.

Для заготовок лопаток соплового аппарата, изготовленных точной отливкой с припуском по перу под шлифование основным видом механической обработки является шлифование замков.

Отделку пера лопаток производят обычно вручную на полировальных бабках. Первоначальную зачистку пера производят абразивными кругами зернистостью 46--60.

Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата (с замками) состоит из следующих операций:

№ операции	Наименование операции	Оборудование
1	Заготовка -- точное литье без припуска на механическую обработку по перу
2	Контроль заготовки
3	Шлифование базовых плоскостей	Плоскошлифовальный станок МСЗ
4	Слесарная зачистка выходной кромки заподлицо с основной поверхностью
5	Притирка боковых плоскостей замка со стороны корыта	Притирочный станок
6	Шлифование плоскостей замка	Плоскошлифовальный станок МСЗ
7	Шлифование литника	Плоскошлифовальный станок МСЗ
8	Шлифование двух плоскостей замка со стороны спинки	Плоскошлифовальный МСЗ
9	Электроэрозионная обработка отверстий в замке	Специальная установка
10	Промывка	Моечная машина
11	Фрезерование паза на подошве замка	Вертикально-фрезерный станок
12	Слесарная (притупление острых кромок после механической обработки)
13	Промывка и обдувка	Моечная машина
14	Окончательный контроль
15	Цветная дефектоскопия	Специальная установка
16	Зачистка дефектных участков после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
17	Травление	Ванна
18	Контроль после зачистки дефектных мест
19	Люминесцентный контроль
20	Зачистка дефектов после люминесцентного контроля	Полировальная бабка
21	Промывка и протирка	Моечная машина

Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата беззамковой конструкции состоит из следующих операций:

№ операции	Наименование операции	Оборудование
1	Заготовка -- точное литье без припуска на механическую обработку по перу
2	Шлифование торца пера	Плоскошлифовальный станок МСЗ
3	Фрезерование радиуса со стороны входной кромки	Горизонтально-фрезерный станок
4	Фрезерование радиуса со стороны вход ной кромки	Горизонтально-фрезерный станок
5	Слесарная зачистка заусенцев после фрезерования и притупления острых кромок	Полировальная бабка
6	Промывка и обдувка	Моечная машина
7	Окончательный контроль
8	Цветная дефектоскопия	Специальная установка
9	Зачистка дефектов после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
10	Травление	Ванна
11	Контроль после зачистки
12	Люминесцентный контроль	Специальная установка
13	Зачистка заусенцев после люминесцентного контроля	Полировальная бабка
14	Промывка и протирка	Моечная машина

Далее перо полируют фетровыми кругами с наклеенным абразивом. Полирование осуществляют в три перехода. Зернистость абразива, применяемого при такой обработке, составляет соответственно 60, 180 и 220.

6. Вид станков

В связи с большой трудоемкостью операций ручной подгонки профиля на отдельных заводах были предприняты попытки механизировать эти операции.

На рис. 4 показан модернизированный станок ПСЛ для полирования спинки лопаток соплового аппарата. На этом станке можно обрабатывать несколько деталей одновременно.

Станки МШ-81 и МШ-82 Московского завода шлифовальных станков (рис. 5) предназначены для обработки беззамковых сопловых лопаток, спинка и корыто которых имеют постоянный профиль во всех сечениях. Перо обрабатывают профильным кругом, который правится специальной профильной шарошкой. На рис. 6 показано специальное устройство, примененное на круглошлифовальных станках, для шлифования спинки лопаток соплового аппарата.

Устройство состоит из механизма синхронного вращения шпинделя шлифовального круга и шпинделя передней балки, механизма для правки шлифовального круга и механизма для привода копира.

Шпиндель 3 передней бабки получает вращение от шпинделя шлифовальной головки через систему зубчатых колес для обеспечения синхронности вращения круга и изделия.

От шпинделя изделия вращения с передаточным отношением 2:1 передается объемному копиру 2, который служит для правки шлифовального круга. Круг 9 правится с помощью специального механизма. На валу 10 механизма для правки круга жестко сидит рычаг, несущий профилирующий инструмент 8. На другом конце вала 10 смонтирован ролик 11, связанный с роликом 6, упирающимся в объемный копир 12. Механизм для правки перемещается вдоль оси вращения шлифовального круга. Для предварительного шлифования объемного копира используется эталонная лопатка 6, в которую упирается диск 7, заменяющий шлифовальный круг.

При вращении эталонной лопатки 6 диск 7 получает горизонтальное перемещение, которое через рычаг вала 10 механизма для правки передается механизму шлифовального круга, шлифующему профиль объемного копира.

После шлифования объемного копира вместо шлифовального круга устанавливают ролик 11, диаметр которого равен диаметру круга. Вместо сектора--диска устанавливают алмаз 8, который профилирует шлифовальный круг. После правки шлифовального круга обрабатывают спинку лопатки, установленной вместо эталонной лопатки.

Лопатки соплового аппарата ряда газотурбинных двигателей изготавливают методом точного литья по выплавляемым моделям с припуском по перу под шлифование.

В этом случае технологический процесс обработки лопаток включает в себя (дополнительно к указанным операциям) также и операции по шлифованию профиля пера, выполняемые на станках ХШ-185В, ХШ-186 и на модернизированных универсальношлифовальных станках.

Значительное распространение в высокотемпературных газотурбинных двигателях получили лопатки соплового аппарата пустотелой конструкции. Такие лопатки также изготавливают методом точного литья, с керамическими или иными стержнями, образующими внутреннюю полость.

Замки лопаток соплового аппарата обрабатывают на плоскошлифовальных станках. Обрабатываемую лопатку устанавливают в специальную кассету. Базами при этом служат поверхность корыта и кромка пера. Зажим осуществляют по поверхности спинки. Требуемое расположение плоскостей замков достигается поворотом кассеты и установкой ее соответствующими поверхностями рис. 7.

Обработка баз лопаток соплового аппарата может быть произведена наплоскошлифовальном полуавтомате модели БС-200. Станок работает по полуавтоматическому циклу и обеспечивает равномерное распределение припуска между спинкой и корытом. На станке имеется электронное устройство для равномерного распределения припуска по профилю пера, а также приспособление для безалмазной правки круга. Детали крепятся в специальном приспособлении с быстродействующим зажимом.

7. Закрепление заготовок

лопатка механическая обработка заготовка

В процессе обработки заготовка (деталь) соответственно сориентирована, должна быть неподвижной. Это достигается ее закреплением в приспособлении или на станке.

В отличие от базирования заготовки, когда на нее накладывается различное число связей и она лишается трех, четырех, пяти и шести степеней свободы, во всех случаях закрепления заготовка должна быть лишена шести степеней свободы.

С этой целью применяют разнообразные зажимные устройства (механические, гидравлические, пневматические, магнитные, вакуумные и др.), основанные на использовании сил трения.

Зажимные устройства в приспособлениях должны создать постоянство контакта баз с опорными точками (обеспечивать правильное базирование) и неподвижность заготовки в процессе ее обработки (закрепление заготовки).

Следует отметить, что чем меньше число баз и опорных точек, используемых при базировании заготовок, тем проще, производительнее и дешевле получается конструкция приспособлений. Поэтому при базировании обрабатываемых заготовок необходимо стремиться использовать наименьшее число баз с наименьшим числом опорных точек, при котором может быть обеспечено выполнение заданных чертежом размеров и формы детали.

Рис. 4. Полирование спинки пера лопаток соплового аппарата на модернизированном станке ПСЛ



Рис. 5. Общий вид и рабочая зона плоскошлифовального станка моделей МШ-81 и МШ-82

Рис. 6. Шлифование спинки лопатки соплового аппарата на модернизированном копировально-шлифовальном станке

1--упоры, 2--копир, 3--шпиндель, 4-- оправа для закрепления эталонной лопатки, 5--лопатка, 6--эталонная лопатка, 7--диск, 8--алмаз, 9--шлифовальный круг, 10--валы механизма правки, 11--ролик, 12--диск копира.

Рис. 7. Шлифование плоскостей замков лопатки соплового аппарата

8. Технический контроль лопаток

Лопатки проверяют как в процессе механической обработки, так и после ее окончания. Контроль лопаток включает в себя:

выявление внешних и внутренних дефектов материала; проверку шероховатости обрабатываемых поверхностей в соответствии с требованиями чертежа; проверку размеров, формы профилей пера (спинки, корыта) и замков и их взаимного расположения; определение массы и частоты собственных колебаний лопаток; выборочные испытания рабочих лопаток турбины и компрессора на усталость. В пустотелых охлаждаемых рабочих лопатках ТВД проверяют расход воды через внутреннюю полость (испытания лопаток на пролив).

Контроль внешних и внутренних дефектов материала лопаток позволяет выявить трещины и волосовины на поверхности, раковины, пористость, расслоения, инородные включения и флокены в материале. Для этой цели применяют травление, цветную дефектоскопию, люминесцентный, магнитный и ультразвуковой методы контроля.

Магнитопорошковый метод основан на притяжении частиц порошка железа к магнитным полюсам, образующимся у намагниченной детали в местах нарушения сплошности. Магнитопорошковым методом выявляются трещины с шириной раскрытия 0,001 мм и более, глубиной 0,01 мм и более. Относительная простота и довольно высокая надежность этого метода способствовали его широкому внедрению.

Цветной и люминесцентный методы контроля (капиллярные методы дефектоскопии) применяются для выявления дефектов, выходящих на "поверхность детали. Метод цветной дефектоскопии основан на способности специальной красной краски проникать в глубь поверхностных дефектов и белой краски впитывать в себя красную краску из дефекта. Метод обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,3 мм.

Люминесцентный метод (ЛЮМ-А) основан на способности некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Люминесцентный метод ЛЮМ-А надежно выявляет выходящие на поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные пленки, засоры и т.д. Он обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,2 мм. Чувствительность метода ЛЮМ-А несколько выше метода цветной дефектоскопии. Внутренние дефекты материала лопаток проверяются рентгеновским и ультразвуковым методами.

Рентгеновский метод обнаружения дефектов основан на ослаблении рентгеновского излучения материалом детали, при котором теневое изображение просвечиваемой детали регистрируется на рентгенографической пленке. Достоинством метода является высокая чувствительность к выявлению в материале детали внутренних пор, раковин, инородных включений и др.

Для просвечивания литых лопаток турбины используются передвижные кабельные рентгеновские аппараты типа РУП-100-10, РУП-150-10-1 и др.

Ультразвуковой метод контроля с использованием поверхностных волн позволяет выявлять поверхностные трещины и металлургические дефекты материала. Данный метод применяется обычно для выявления трещин входной и выходной кромок, реже -- на поверхности спинки и корыта, возникающих при изготовлении и эксплуатации лопатки.Метод основан на прозвучивании контролируемого материала кратковременными импульсами ультразвуковых колебаний, распространяющихся по поверхности лопатки, и улавливании их отражений (эхо-сигналов) от дефектов.

Контроль геометрических размеров, формы профилей пера и замка и их взаимного расположения. Операции этого вида технического контроля лопаток наиболее трудоемкие. Приборы, применяемые на этих операциях, можно разделить на две основные группы: бесконтактные -- оптико-проекционные и контактные -- механические, оптико-механические, пневматические и пневмогидравлические.

Перо лопатки проверяют в расчетных поперечных сечениях бесконтактными и контактными методами. Одним из бесконтактных методов контроля является проверка профиля на проекторах, используемая в единичном производстве. У нас они не нашли применения.

При малом масштабе производства профиль пера лопаток иногда проверяют шаблонами. Отклонение профиля спинки и корыта от шаблона определяют визуально на просвет или с помощью щупа. Контроль пера шаблонами малопроизводителен, субъективен и требует громоздкого шаблонно-измерительного хозяйства.

В серийном производстве использовались механические приборы с индикаторами часового типа, настраиваемые по эталонной лопатке. Они просты и удобны в работе, но малопроизводительны.

Многомерные приборы и измерительные машины производительны. Их можно быстро переналаживать на контроль других лопаток по эталонной лопатке. Базой для крепления лопатки является замок или центровые углубления, два из которых имеются на боковых поверхностях замка и одно -- у конца пера. К числу таких приборов относятся универсальные многомерные оптико-механические приборы типа ПОМКЛ для одновременного контроля профиля пера, смещения пера с оси замка, угла закрутки и толщины пера в поперечных сечениях лопатки компрессора.

Основные геометрические параметры замков лопаток турбины и компрессора обычно проверяются механическими приборами с индикаторными часами, настраиваемыми по эталону.

Расход воды через внутреннюю полость пера охлаждаемых лопаток ТВД проверяют на специальной установке. Лопатка устанавливается в приспособление и проливается водой при избыточном давлении в 4±0,05 кгс/см2 (0,3±0,005 МПа) и температуре 20±5 "С в течение 20 с. Проверяют пропускную способность внутреннего канала у всего I комплекта лопаток данной ступени. Сравнивают среднее значение расхода с результатом пролива каждой лопатки в комплекте. Различие по расходу воды у рабочих лопаток в комплекте (разнорасходность) должна составлять не более 13... 15 % от среднего расхода воды в комплекте лопаток

Частоты собственных колебаний рабочих лопаток турбины и компрессора проверяют на электродинамических вибростендах.

Рабочие лопатки турбины и компрессора взвешивают на весах типа ВТК-500 с точностью 0,1 г.

9. Реальное выполнение технологического процесса на УТМЗ

Рассмотрим реальный технологический процесс на примере направляющей лопатки первой ступени ГТН-6У . Вид заготовки - точное литье по выплавляемым моделям, материал заготовки - сплав ХН648МКЮТ - УСЗМИ - ЗУ.

Маршрутный технологический процесс механической обработки направляющей лопатки первой ступени ГТН-6У состоит из следующих основных операций:

№ опера-ции	Наименование операции	Оборудование
1	Входной контроль - люминесцентный	Индикаторная жидкость
2	Шлифование базовых плоскостей (плоскостей хвостовика, бандажа)	Плоскошлифовальный станок ЛШ-220(а)
3	Слесарная зачистка выходной кромки заподлицо с основной поверхностью	Верстак
4	Токарно - карусельная обработка хвостовика и бандажа	Токарно - карусельный станок №1541
5	Электроимпульсная обработка - прожег канавки	Специальная установка 4А - 722
6	Шлифование профиля лопатки	Плоскошлифовальный станок ДШ - 96
7	Проверка лопатки по расходу охл воздуха через щели на выходной кромке	Специальная установка
8	Люминесцентный контроль окончательно обработанной лопатки	Индикаторная жидкость
9	Отрезная
10	Термообработка (химико - термическое жаростойкое, защитное покрытие поверхности пера лопатки и проточной части полок).
11	Слесарная обработка	Верстак
12	Упокование

10. Предложения по совершенствования технологического процесса

Расширение серийного производства паровых и газовых турбин, вызванное задачами развития энергетики и газовой промышленности страны, содействовало ускоренному техническому прогрессу в турбиностроении.

Особо значительные успехи в этом направлении достигнуты в производстве турбинных лопаток. На всех стадиях технологического процесса, начиная с подготовки основных базовых поверхностей, применяются специальные станки и станки с ЧПУ. Как наиболее важное мероприятие по повышению производительности труда и повышению качества стало внедрение многошпиндельных станков для кругового фрезерования поперечными строчкам внутреннего и наружного профилей рабочих частей длинных лопаток.

Перевод обработки определенной номенклатуры лопаток на станки с программным управлением позволил объединить несколько операций в одну и тем самым сократить цикл заготовления лопаток, освободить рабочего от выполнения тяжелых ручных работ, повысить точность обработки по размерам а шероховатости за счет исключения переустановок и работы на расчетных режимах резания.

Среди перспективных работ, требуемых научного обоснования и выполнения, следует назвать следующие:

- совершенствование производства штампованных заготовок в точки зрения сокращения припусков на механическую обработку;

- механизация шлифовальных работ по доводке профилей рабочих частей длинных лопаток;

- проведение научно-исследовательских работ по определению научно обоснованных параметров допустимых отклонении от проектных размеров профильных частей соответственно длины и ширины рабочих и направляющих лопаток.

Значительный технический прогресс в турбиностроении будет достигнут путем организации централизованного проектирования а изготовления лопаток на одном специализированном заводе при широкой типизации лопаток и, таким образом, перевода их механической обработки в поточных и автоматически действующих линиях, подготовка к которым практически уже осуществляется в настоящее время на заводе турбинных лопаток (ЛЗТД).

Важным фактором технического прогресса в данном мероприятии явится приближение процесса конструирования лопаток к их производству.

Заключение

В данной курсовой работе разработан и проанализирован технологический процесс обработки направляющей (сопловой) лопатки ТВД. Практической базой для курсовой работы послужило изучение производства лопаток газотурбинных двигателей на УТМЗ.

Библиографический список

1. Технология производства паровых и газовых турбин/ Н.Я.Бауман, М.Н. Яковлев, Свечков Н.Н.М.:Машиностроение,1973,464с.

2. Механическая обработка лопаток газотурбинных двигателей/ М. Ф. Идзон. М: Оборонгиз, 1963, 320с.

3. Основы технологии производства газотурбинных двигателей/ А.М. Сулима, А.А. Носков, Г. З. Серебренников. М.:Машиностроение,1996,480с.

4. Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газа. Справочное пособие/ Б.С. Ревзин, И.Д. Ларионов. М.:Недра,1991,303с.

1. Размещено на www.allbest.ru