1) Изучение схемы и принципа работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

2) Определение изменение параметров рабочего тела вдоль тракта камеры ЖРД.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖРД

2.1. Состав ЖРД

Реактивным двигателем называется техническое устройство, создающее тягу в результате истечения из него рабочего тела. Реактивные двигатели обеспечивают ускорение перемещающихся аппаратов различных типов.

Ракетный двигатель – это реактивный двигатель, использующий для работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на борту перемещающегося аппарата.

Жидкостной ракетный двигатель (ЖРД) – это ракетный двигатель, использующий для работы топливо (первичный источник энергии и рабочее тело), находящееся в жидком агрегатном состоянии.

ЖРД в общем случае состоит из:

2- турбонасосных агрегатов (ТНА);

3- газогенераторов;

4- трубопроводов;

5- агрегатов автоматики;

6- вспомогательных устройств

Один или несколько ЖРД, в совокупности с пневмогидравлической системой (ПГС) подачи топлива в камеры двигателя и вспомогательными агрегатами ступени ракеты, составляют жидкостную ракетную двигательную установку (ЖРДУ).

В качестве жидкого ракетного топлива (ЖРТ) используется вещество или несколько веществ (окислитель, горючее), которые способны в результате экзотермических химических реакций образовывать высокотемпературные продукты сгорания (разложения). Эти продукты являются рабочим телом двигателя.

Каждая камера ЖРД состоит из камеры сгорания и сопла. В камере ЖРД первичная химическая энергия жидкого топлива преобразуется в конечную кинетическую энергию газообразного рабочего тела, в результате истечения которого создается реактивная сила камеры.

Отдельный турбонасосный агрегат ЖРД состоит из насосов и приводящей их в действия турбины. ТНА обеспечивает подачу компонентов жидкого топлива в камеры и газогенераторы ЖРД.

Газогенератор ЖРД является агрегатом, в котором основное или вспомогательное топливо преобразуется в продукты газогенерации, используемые в качестве рабочего тела турбины и рабочих тел системы наддува баков с компонентами ЖРТ.

Система автоматики ЖРД представляет собой совокупность устройств (клапанов, регуляторов, датчиков и т.п.) различных типов: электрического, механического, гидравлического, пневматического, пиротехнического и др. Агрегаты автоматики обеспечивают запуск, управление, регулирование и останов ЖРД.

Параметры ЖРД

Основными тяговыми параметрами ЖРД являются:

Реактивная сила ЖРД - R - результирующая газо- и гидродинамических сил, действующих на внутренние поверхности ракетного двигателя при истечении из него вещества;

Тяга ЖРД - Р - равнодействующая реактивной силы ЖРД (R) и всех сил давления окружающей среды, которые действуют на внешние поверхности двигателя за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления;

Импульс тяги ЖРД - I - интеграл от тяги ЖРД по времени его работы;

Удельный импульс тяги ЖРД - I у - отношение тяги (Р) к массовому расходу топлива () ЖРД.

Основными параметрами, которые характеризуют процессы, протекающие в камере ЖРД, служат давление (р), температура (Т) и скорость потока (W) продуктов сгорания (разложения) жидкого ракетного топлива. При этом особо выделяются значения параметров на входе в сопло (индекс сечения «с»), а также в критическом («*») и выходном («а») сечениях сопла.

Расчет значений параметров в различных сечениях тракта сопла ЖРД и определение тяговых параметров двигателя проводится по соответствующим уравнениям термогазодинамики. Приближенная методика подобного расчета рассмотрена в 4 разделе данного пособия.

1. СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЖРД «РД-214»

3.1. Общая характеристика ЖРД «РД-214»

Жидкостной ракетный двигатель «РД-214» применяется в отечественной практике с 1957 года. С 1962 года он устанавливается на 1-ой ступени многоступенчатых ракетах-носителях «Космос», с помощью которых на околоземные орбиты выведены многие спутники серий «Космос» и «Интеркомос».

ЖРД «РД-214» имеет насосную систему подачи топлива. Двигатель работает на высококипящем азотно-кислотном окислителе (растворе окислов азота в азотной кислоте) и углеводородном горючем (продуктах переработки керосина). Для газогенератора применяется специальный компонент – жидкая перекись водорода.

Основные параметры двигателя имеют следующие значения:

Тяга в пустоте Р п = 726 кН;

Удельный импульс тяги в пустоте I уп = 2590 Н×с/кг;

Давление газа в камере сгорания р к = 4,4 МПа;

Степень расширения газа в сопле e = 64

ЖРД «РД-214», (рис. 1) состоит из:

Четырех камер (поз. 6);

Одного турбонасосного агрегата (ТНА) (поз. 1, 2, 3, 4);

Газогенератора (поз. 5);

Трубопровода;

Агрегатов автоматики (поз. 7, 8)

ТНА двигателя состоит из насоса окислителя (поз. 2), насоса горючего (поз. 3), насоса перекиси водорода (поз. 4) и турбины (поз. 1). Ротора (вращающиеся части) насосов и турбины связаны одним валом.

Агрегаты и узлы, обеспечивающие подачу компонентов в камеру двигателя, газогенератор и турбину, объединяются в три отдельные системы – магистрали:

Систему подачи окислителя

Систему подачи горючего

Систему парогазогенерации перекиси водорода.

Рис.1. Схема жидкостного ракетного двигателя

1 – турбина; 2 – насос окислителя; 3 – насос горючего;

4 – насос перекиси водорода; 5 – газогенератор (реактор);

6 – камера двигателя; 7, 8 – элементы автоматики.

3.2. Характеристика агрегатов ЖРД «РД-214»

3.2.1. Камера ЖРД

Четыре камеры ЖРД связаны в единый блок по двум сечениям с помощью болтов.

Каждая камера ЖРД (поз. 6) состоит из смесительной головки и корпуса. Смесительная головка включает верхнее, среднее и нижнее (огневое) днища. Между верхним и средним днищами образована полость для окислителя, между средним и огневым – полость для горючего. Каждая из полостей с помощью соответствующих форсунок связана с внутренним объемом корпуса двигателя.

В процессе работы ЖРД через смесительную головку и ее форсунки осуществляется подача, распыл и смешение жидких компонентов топлива.

Корпус камеры ЖРД включает часть камеры сгорания и сопло. Сопло ЖРД сверхзвуковое, имеет сходящуюся и расходящуюся части.

Корпус камеры ЖРД двухстенный. Внутренняя (огневая) и наружная (силовая) стенки корпуса связаны между собой проставками. При этом, с помощью проставок, между стенками образованы каналы тракта жидкостного охлаждения корпуса. В качестве охладителя используется горючее.

Во время работы двигателя горючее подается в тракт охлаждения через специальные патрубки коллектора, расположенного на конечной части сопла. Пройдя тракт охлаждения, горючее поступает в соответствующую полость смесительной головки и через форсунки вводится в камеру сгорания. Одновременно через другую полость смесительной головки и соответствующие форсунки, в камеру сгорания поступает окислитель.

В объеме камеры сгорания происходит распыл, смешение и сгорание жидких компонентов топлива. В результате образуется высокотемпературное газообразное рабочее тело двигателя.

Затем в сверхзвуковом сопле осуществляется преобразование тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию его струи, при истечении которой создается тяга ЖРД.

3.2.2. Газогенератор и турбонасосный агрегат

Газогенератор (рис. 1, поз. 5) является агрегатом, в котором жидкая перекись водорода в результате экзотермического разложения преобразуется в высокотемпературное парообразное рабочее тело турбины.

Турбонасосный агрегат обеспечивает напорную подачу жидких компонентов топлива в камеру и газогенератор двигателя.

ТНА состоит из (рис. 1):

Шнекоцентробежного насоса окислителя (поз. 2);

Шнекоцентробежного насоса горючего (поз. 3);

Центробежного насоса перекиси водорода (поз. 4);

Газовой турбины (поз. 1).

Каждый насос и турбина имеет неподвижный статор и вращающийся ротор. Роторы насосов и турбины имеют общий вал, состоящий из двух частей, которые связаны рессорой.

Турбина (поз. 1) служит приводом насосов. Основными элементами статора турбины являются корпус и сопловой аппарат, а ротора – вал и рабочее колесо с лопатками. В процессе работы, на турбину из газогенератора поступает перекисный парогаз. При прохождении парогаза через сопловой аппарат и лопатки рабочего колеса турбины, его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения колеса и вала ротора турбины. Отработанный парогаз собирается в выходном коллекторе корпуса турбины и сбрасывается в атмосферу через специальные отбросные сопла. При этом создается некоторая дополнительная тяга ЖРД.

Насосы окислителя (поз. 2) и горючего (поз. 3) шнекоцентробежного типа. Основными элементами каждого из насосов является корпус и ротор. Ротор имеет вал, шнек и центробежное колесо с лопатками. В процессе работы от турбины к насосу через общий вал подводится механическая энергия, обеспечивающая вращения ротора насоса. В результате воздействия лопаток шнека и центробежного колеса на прокачиваемую насосами жидкость (компонент топлива), механическая энергия вращения ротора насоса преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости, что обеспечивает подачу компонента в камеру двигателя. Шнек перед центробежным колесом насоса устанавливается для предварительного повышения давления жидкости на входе в межлопаточные каналы рабочего колеса с целью предотвращения холодного вскипания жидкости (кавитации) и нарушения ее сплошности. Нарушения сплошности потока компонента может вызвать неустойчивость процесса сгорания топлива в камере двигателя, а, следовательно, и неустойчивость работы ЖРД в целом.

Для подачи в газогенератор перекиси водорода применяется центробежный насос (поз. 4). Сравнительно малый расход компонента создает условия бескавитационной работы центробежного насоса без установки перед ним шнекового преднасоса.

3.3. Принцип работы двигателя

Пуск, управление и остановка двигателя выполняется автоматически по электрическим командам с борта ракеты на соответствующие элементы автоматики.

Для начального воспламенения компонентов топлива используется специальное пусковое горючее, самовоспламеняющиеся с окислителем. Пусковое горючее первоначально заполняет небольшой участок трубопровода перед насосом горючего. В момент запуска ЖРД в камеру поступает пусковое горючее и окислитель, происходит их самовоспламенение и лишь затем в камеру начинают подаваться основные компоненты топлива.

В процессе работы двигателя окислитель последовательно проходит элементы и агрегаты магистрали (системы), включающей:

Разделительный клапан;

Насос окислителя;

Клапан окислителя;

Смесительную головку камеры двигателя.

Поток горючего протекает по магистрали, включающей:

Разделительные клапана;

Насос горючего;

Коллектор и тракт охлаждения камеры двигателя;

Смесительную головку камеры.

Перекись водорода и образующийся парогаз последовательно проходят элементы и агрегаты системы парогазогенерации, включающей:

Разделительный клапан;

Насос перекиси водорода;

Гидроредуктор;

Газогенератор;

Сопловой аппарат турбины;

Лопатки рабочего колеса турбины;

Коллектор турбины;

Отбросные сопла.

В результате непрерывной подачи турбонасосным агрегатом компонентов топлива в камеру двигателя, их сгорание с образованием высокотемпературного рабочего тела и истечения рабочего тела из камеры, создается тяга ЖРД.

Варьирование значения тяги двигателя в процессе его работы обеспечивается с помощью изменения расхода перекиси водорода, подаваемой в газогенератор. При этом изменяется мощность турбины и насосов, а, следовательно, и подача компонентов топлива в камеру двигателя.

Останов ЖРД производится в две ступени с помощью элементов автоматики. С основного режима двигатель сначала переводится на конечный режим работы с меньшей тягой и лишь затем выключается полностью.

1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Объем и порядок выполнения работы

В процессе выполнения работы последовательно выполняются следующие действия.

1) Изучается схема ЖРД «РД-214». Рассматривается назначение и состав ЖРД, конструкция агрегатов, принцип работы двигателя.

2) Производится измерение геометрических параметров сопла ЖРД. Находится диаметр входного («с»), критического («*») и выходного («а») сечений сопла (D с, D * , D а).

3) Рассчитывается значение параметров рабочего тела ЖРД во входном, критическом и выходном сечениях сопла ЖРД.

По результатам расчетов строится обобщенный график изменения температуры (Т), давления (р) и скорости (W) рабочего тела вдоль тракта сопла (L) ЖРД.

4) Определяются тяговые параметры ЖРД при расчетном режиме работы сопла ().

4.2. Исходные данные для расчета параметров ЖРД «РД-214»

Давление газа в камере (см. вариант)

Температура газов в камере

Газовая постоянная

Показатель изоэнтропы

Функция

Принимается, что процессы в камере протекают без потерь энергии. При этом коэффициенты потерь энергии в камере сгорания и сопле соответственно равны

Режим работы сопла расчетный (индекс «r »).

Посредством измерения определяются:

Диаметр критического сечения сопла ;

Диаметр выходного сечения сопла .

4.3. Последовательность расчета параметров ЖРД

А) Параметры в выходном сечении сопла («а») определяются в следующей последовательности.

1) Площадь выходного сечения сопла

2) Площадь критического сечения сопла

3) Геометрическая степень расширения газа

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково значение ЖРД «РД-214»?

2. Перечислите основные системы изученного ЖРД.

3. Каково назначение камеры ЖРД, из каких частей она состоит?

4. Каково назначение ТНА, перечислите его основные агрегаты?

5. Каково назначение и состав системы парогазогенерации ЖРД «РД-214»?

6. Опишите последовательность прохождения рабочего тела турбины.

7. Перечислите основные тяговые параметры ЖРД; назовите их значения для ЖРД «РД-214».

УДК 62-762

АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ НАСОСОВ И ТУРБИН ТНА ЖРД

©2011 А. В. Иванов Воронежский государственный технический университет

В статье рассмотрены факторы, влияющие на изменение зазоров в уплотнениях высокооборотных турбо-машин, предложены аппроксимирующие зависимости для анализа изменения зазора в процессе работы агрегата. Показано, что для высокооборотных агрегатов нежелательно при проведении расчета и анализа работы тур-бомашин использовать предположение постоянства зазора на всех режимах работы.

Уплотнение, ротор, статор, зазор, турбомашина, деформации.

При создании высокооборотных тур-бомашин одним из ключевых моментов является выбор зазора между роторным и ста-торным элементами уплотнения. Выбор оптимальных величин и анализ изменения зазоров в уплотнениях проточной части играют важную роль при создании уплотнитель-ного узла, так как именно зазоры во многом определяют эффективность и работоспособность конструкции. Особенно актуальной эта задача является для турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей, элементы конструкции которых подвергаются значительным силовым и температурным деформациям (перепады давления на элементах уплотнения до 60 МПа, температуры до 1000 К, окружные скорости роторных элементов уплотнений до 600 м/с). Важность проблемы выбора зазора обусловлена следующим:

Снижение зазора ведет к уменьшению утечек через уплотнения, то есть повышению экономичности турбомашины;

Уменьшение зазора приводит к росту вероятности возникновения фрикционного или ударного контакта между роторным и статорным элементами уплотнения, то есть повреждению уплотнительных поверхностей и, возможно, выходу агрегата из строя.

В турбонасосных агрегатах наиболее широкое распространение получили неподвижные и самоустанавливающиеся уплотнения с гарантированным зазором.

Для бесконтактных уплотнений можно выделить три вида зазоров - монтажные, рабочие и минимальные гарантированные зазоры. Монтажные зазоры - зазоры между роторным и статорным элементами уплотнения при сборке, определенные как полуразность диаметров, исходя из предположения о концентричном взаимном расположении ротора и статора. Рабочие зазоры - за-

зоры между ротором и статором с учетом силовых и температурных деформаций, полученные из условия осесимметричности деформаций, определяющие расход через уплотнение. Минимальные гарантированные зазоры - зазоры, определенные с учетом силовых и температурных деформаций, а также возможного взаимного монтажного и эксплуатационного смещения элементов конструкции, определяющие работоспособность уплотнения .

В общем случае имеется два типа причин, вызывающих изменение зазора между роторными и статорными частями уплотнения:

Монтажные смещения, то есть смещения осей уплотнительных поверхностей относительно геометрической оси, которые имеются в собранном агрегате перед его запуском, на них влияют три группы факторов: конструктивная схема агрегата, особенности технологического процесса и фактические погрешности изготовления деталей, технологический процесс сборки и контроля узлов уплотнений;

Эксплуатационные смещения, вызванные условиями работы агрегата в составе двигателя - температурными и силовыми деформациями, изгибом вала от действия гидравлических и газовых сил, нагрузками от дисбалансов, колебаниями и т.д.

Номинальные значения радиальных зазоров в уплотнениях назначают исходя из опыта проектирования и статистики эксплуатации аналогичных агрегатов или расчетным путем. Как правило, используется комбинация этих двух способов. Обычно для каждого уплотнения выполняется расчет напряженно-деформированного состояния на номинальном режиме работы. Так же выполняются расчеты динамики изменения теплового состояния конструкции в процессе

работы агрегата . Эти расчеты выполняются в специализированных САЕ-системах с применением метода конечных элементов с целью определения номинальных значений деформаций элементов уплотнения, назначения номинальных монтажных и рабочих зазоров. Расчет монтажных и эксплуатационных смещений производится по предельным, наиболее неблагоприятным с точки зрения работоспособности сочетаниям допусков размеров, формы и расположения поверхностей. Выполнение расчета методом конечных элементов для каждого режима работы (запуска, останова, перехода с режима на режим) является сложным, длительным и трудоемким процессом. В связи с этим целесообразно проведение расчета динамики изменения радиального зазора с использованием упрощенных зависимостей. Такие зависимости должны удовлетворять следующим требованиям:

1) универсальность - должны обеспечивать возможность расчета значений радиального минимального гарантированного и рабочего зазоров для любой лопаточной машины: насоса, турбины, компрессора;

2) простота - не должны требовать применения дополнительных расчетов с использованием САЕ-систем;

3) высокая точность - должны учитывать все доступные при проектировании роторного и статорного элементов уплотнения данные о деформациях элементов уплотнения, допусках размеров, формы и расположения поверхностей.

Рассмотрим уплотнения ротора с гарантированным зазором. Радиальный рабочий зазор в уплотнении АКР равен разнице монтажного зазора АКМ и суммы величин силовых и термических деформаций АКД вращающегося и неподвижного уплотни-тельных элементов:

ЛЯ^Л^-Л^. (1)

Местный минимальный зазор

А^^А^-А^-бЯ.-в, (2)

где = 8R¡б + 8Rlaб - местное

уменьшение радиуса уплотнительной поверхности корпуса, вызванное отклонениями ее формы при изготовлении и сборке (8 7?фб) и отклонениями формы из-за воздействия силового и температурного нагруже-

ния при работе (8 R£a6);

s=£c6+sPa6 - смещение оси уплотнительной поверхности ротора относительно оси уплотнительной поверхности статора при сборке (всб) и за счет силового и температурного нагружения при работе (£раб)-

Монтажный зазор в уплотнении равен разнице радиусов уплотнительных поверхностей статорного Ry.c и роторного i?y p, измеренных при сборке:

Величина монтажного зазора выбирается из условия выполнения условия ARmin >0 на всех режимах работы. Суммарное значение силовых и термических деформаций определяется как

ARM=5RCM + 5Rvn-5RVM+

где 5 Мс [ - деформация уплотнительного элемента корпуса от перепада давления на уплотнении;

8 Rpц - деформация уплотнительного элемента ротора от центробежных сил;

8 Rpд - деформация уплотнительного

элемента ротора от перепада давления на уплотнении;

8 Rpt - термическая деформация уплотнительного элемента ротора;

8 Rct - термическая деформация уплотнительного элемента корпуса.

Термические деформации 8 Rpt, 8 Rct

имеют положительное значение, если температура конструкции выше температуры деталей при сборке, и отрицательное - при температуре конструкции ниже температуры деталей при сборке.

Величина смещения осей уплотнительных поверхностей

S - S + £ + £ + £ + £ + £ + £ ,

р Р с с.и пр д к.т п "

s - монтажное смещение оси по-

верхности уплотнительного элемента ротора относительно оси его вращения, вызванное зазорами по посадочным поверхностям деталей, отклонениями взаимного расположения поверхностей деталей при изготовлении, зазорами в подшипниках;

£рс - монтажное смещение осей уплотнительных элементов статора при сборке

агрегата, вызванное зазорами по посадкам деталей и отклонениями взаимного расположения поверхностей деталей при их изготовлении;

вси - монтажное смещение осей уп-лотнительных элементов, вызванное деформациями корпусов агрегата в процессе сборки агрегата и двигателя;

Радиус прецессии ротора в процессе работы;

£д - смещение осей уплотнительных

элементов при работе вследствие силовых и термических деформаций корпусов агрегата; вкт - смещение осей уплотнительных

элементов при работе, вызванное деформациями корпусов агрегата под воздействием присоединенных трубопроводов и крепежных элементов двигателя;

£п - смещение осей уплотнительных

элементов, вызванное прогибом ротора под воздействием гидродинамических сил в полостях агрегата.

Из уравнений (1), (2) следует:

Приведенные зависимости справедливы для любых типов бесконтактных уплотнений.

Как следует из зависимостей (2), (3), (4), выбор минимальной, но достаточной для безопасной работы величины монтажного зазора является сложной задачей, так как при этом требуется учесть целый ряд составляющих деформаций и смещений осей уплотнительных элементов. Эта задача осложняется еще и тем, что величины и векторные направления деформаций и смещений осей носят вероятностный характер.

В соответствии с зависимостью (5) минимальное значение рабочего зазора АКр в уплотнении обеспечивается при минимальных значениях <5 и е. Таким образом, одним из направлений обеспечения минимального значения рабочего зазора является повышение точности изготовления деталей агрегата, повышение качества сборки агрегата и двигателя, увеличение жесткости ротора и корпусов агрегата. Более радикальным направлением является использование уплотнений с плавающими кольцами. Схема расчета зазоров в уплотнении с фиксированной гладкой стенкой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема расчета зазоров в уплотнении с фиксированной гладкой стенкой

В уплотнении с плавающим кольцом смещение оси ротора относительно оси корпуса компенсируется радиальным смещением плавающего кольца. Кроме того, из-за отсутствия жесткой связи между кольцом и корпусом исключается возможность изменения формы уплотнительных элементов при сборке и работе. Плавающее кольцо в процессе работы за счет действия гидродинамических сил в уплотнительной щели, которые на всех режимах работы превышают силу трения по торцу кольца, самоустанавливается относительно уплотнительной поверхности ротора. При этом рабочий зазор в уплотнении равен местному минимальному зазору - А Щ = А11тЫ. Схема расчета зазоров в самоустанавливающемся уплотнении с плавающим кольцом приведена на рис. 2, а.

Уплотнения ТНА работают при высоких перепадах давления, в результате чего на плавающее кольцо действует повышенная сила прижатия к торцу корпуса, не позволяющая ему самоустанавливаться при прецессии оси уплотнительной поверхности ротора. Такие уплотнения относятся к типу полуподвижных уплотнений. В полуподвижных уплотнениях кольцо самоустанавливается относительно уплотнительной поверхности ротора, компенсируя смещения оси и прогибы ротора, но при этом не компенсируются монтажные биения уплотнительной поверхности ротора и ее биения, связанные с прецессией ротора при работе. Следует отметить, что при монтаже полуподвижное кольцо может быть смещено относительно ротора в пределах монтажного зазора и, как следствие, возможен контакт кольца и ротора. При запуске (останове), когда гидродинамические силы меньше сил трения по торцу кольца, полуподвижное кольцо выставляется относительно ротора за счет соударений

между ними . При работе на режиме полуподвижное кольцо выставляется относительно ротора за счет гидродинамических сил в уплотнительной щели, так как они превышают силу трения по торцу кольца. В течение работы агрегата полуподвижное кольцо не отслеживает биений ротора, однако отслеживает положение ротора при переходе с режима на режим. В полуподвижном уплотнении рабочий зазор определяется соотношением

ЛЯ =ЛЯ +8 . (6)

р.п тгп р пр V J

Рабочий зазор в полуподвижном уплотнении (рис. 2, б) меньше, чем в щелевом, на величину

5 Нр Н + £Р с + £с и + £д + т + £п. (7)

Я > 3 ш ^ £

Рис. 2. Схема расчета зазоров в самоустанавливающихся уплотнениях: а - с плавающим кольцом; б - с полуподвижным кольцом

Это главное достоинство уплотнения с полуподвижным кольцом по сравнению со щелевым уплотнением, обеспечивающее пониженные утечки рабочей среды. В щелевых уплотнениях в связи с тем, что величины смещения оси и прогиб ротора трудно прогнозируемы, при небольших монтажных зазорах существует вероятность заклинивания ротора до его работы или выработка уп-лотнительных поверхностей при работе. Уплотнение с полуподвижным кольцом обладает более высокой надежностью, так как лишено указанного недостатка.

Следует отметить, что силовые и термические деформации уплотнительных элементов и прогиб ротора могут быть определены расчетным путем с определенной погрешностью. Кроме того, силовые деформации и прогиб ротора изменяются в зависимости от режима работы, а термические деформации - во времени по мере достижения стационарных значений температуры конструкции. Поэтому необходимо стремиться к достижению минимальных значений деформаций и прогиба ротора. При ЛЯД = 0 рабочий зазор в щелевом уплотнении АЯ^ =ЛКм, а в уплотнении с плавающим кольцом

Разница термических деформаций уплотнительных элементов корпуса и ротора может равняться нулю при одинаковых величинах температуры и одинаковых конструкционных материалах элементов уплотнения, а также при условии, если рабочая температура конструкции мало отличается от температуры, при которой ведется сборка.

Силовые деформации в уплотнениях ТНА двигателей без дожигания были малы. Основной вклад вносили температурные деформации, так как для крыльчаток насосов часто использовались алюминиевые сплавы. В двигателях с дожиганием существенно возросли силовые деформации элементов уплотнений, особенно в кислородно-водородных ЖРД, в которых повышенные деформации обусловлены более высокой напряженностью конструкции. В настоящее время при создании многоразовых ЖРД многократного использования важно сохранение стабильности деформаций и зазоров от пуска к пуску ТНА.

Аппроксимирующие зависимости для определения составляющих деформаций роторного и статорного элементов уплотнения в предположении зависимости перепадов давления на элементах уплотнения от частоты вращения ротора можно представить следующим образом:

5йс.д(т) = <5ДСН°М (п(т)/пном)2 - силовые деформации статорного элемента уплотнения в произвольный момент времени т;

Силовые деформации статорного элемента уплотнения на номинальном режиме работы;

и(т) - частота вращения ротора в про-

извольныи момент времени т; ином - номинальная частота вращения ротора;

5Др.д(т) = °м (п(т)/пном)2 - силовые деформации роторного элемента уплотнения от действия перепада давления в произвольный момент времени т;

<5/?р °м - силовые деформации роторного элемента уплотнения от действия перепада давления на номинальном режиме работы;

гЯр.ц(т) = 5йр°м (п(т)/пном)2 - силовые деформации роторного элемента уплотнения от действия центробежных сил в произвольный момент времени т;

5йр °м - силовые деформации роторного элемента уплотнения от действия центробежных сил на номинальном режиме работы;

пературные деформации статорного элемента уплотнения в произвольный момент времени т;

(т) = ^ (т) - ^ сб - изменение температуры статорного элемента уплотнения;

tc(т) - температура статорного элемента уплотнения в произвольный момент времени т; tccб - температура статорного элемента при сборке уплотнения;

ас (т)) - температурный коэффициент линейного расширения материала статорного элемента уплотнения в зависимости от его температуры в произвольный момент времени т, полученный из аппроксимирующей зависимости ;

«Мт) = *р(тК("Р(Т))ЛР "тем"

пературные деформации роторного элемента уплотнения в произвольный момент времени т;

¿Ц,(т) = *р(т)-*рсб - изменение температуры роторного элемента уплотнения;

/р (т) - температура роторного элемента уплотнения в произвольный момент вре-температура роторного элемен-

та при сборке уплотнения;

ар (т)) - температурный коэффициент линейного расширения материала роторного элемента уплотнения в зависимости от его температуры в произвольный момент

времени т, полученный из аппроксимирующей зависимости.

Обобщенная зависимость для определения рабочего зазора:

чаНОМ/ чаНОМ/

р.ц (Щ2 - (гяс.с(т) - <5Др.,(т)) .

Для минимального гарантированного зазора:

МпЫ = ДДМ - (<5Д£б + "

\ 4 /"-ном/ / ^"^ном"

^* "■ном" ^

В приведенных зависимостях составляющие деформаций, отклонений формы и расположения роторного и статорного элементов уплотнения имеют положительное значение, если ведут к уменьшению монтажного зазора, отрицательные, если ведут к увеличению радиального зазора.

В качестве примера приведем результаты расчета динамики изменения рабочего и местного гарантированного зазоров в процессе проведения испытаний высокооборотной турбомашины (рис. 3). Все параметры на графике, кроме времени, являются нормированными, то есть отнесенными к номинальному значению соответствующего параметра.

Рис. 3. Изменение параметров в процессе проведения испытания:

1 -.минимальный гарантированный зазор; 2 ^рабочий зазор; 3 - температура элементов уплотнения; 4 - частота вращения ротора

При выполнении расчета динамики изменения радиальных зазоров приняты следующие допущения: температура роторного и статорного элементов уплотнения одинакова; смещение осей уплотнительных поверхностей и местное уменьшения радиуса

уплотнительной поверхности корпуса постоянны, независимо от режима работы агрегата, силовые и температурные деформации элементов уплотнения имеют осесим-метричный характер.

Видно, что минимальный гарантированный зазор на некоторых режимах работы составляет до 15 % от монтажного зазора, рабочий зазор - до 30 % от монтажного.

В процессе работы агрегата радиальный рабочий зазор в уплотнении может изменяться в 2-4 раза по сравнению с монтажным, а минимальный гарантирован-ный зазор - в 2-10 раз. Таким образом, часто используемые способы применения при анализе испытаний, работы ТНА расчетов в предположении постоянства радиального зазора не всегда приемлемы.

Библиографический список

1. Дмитренко, А.И. Анализ уплотнений

проточной части насосов и турбин ТНА ЖРД [Текст] / А.И. Дмитренко, A.B. Иванов // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики. - Воронеж: ИПФ «Воронеж». - 2001. - С. 364-370.

Diadia_Sidor >да ну её (политику) к чёрту. я тебе лучше, что нить из жизни ТНА расскажу

varban >давай. это интересно и достойно

Спрашивай, тна люблю, он же и в ярде имеет место быть

О насосах - шнекоцентробежные у всех применяются или это местный коллорит?

У всех причём сначала были посто центробежные, потом стали ставить шнек перед насосом, а потом с развитием технологии они слились в единое целое. но всё таки до сих пор наиболее популярно шнек отдельно, колесо отдельно

А я на заводе проектировал шнекоцентробежный насос для... горячей воды. На одном колесе

Ещё сильно зависит от того чего качать
одно дело набрать необходимый напор на воде и другое на водороде, там не только шнекоцентробежным не обойдёшся, там здоровенное колесо нужно, да не одна ступень

Кстати, в ТНА центробежные насосы без конкуренции? я других не встречал

И не встретишь

А турбины? Там аксиальные больше? И ступеней сколько?

Турбины используются разные, осевые одно и двухступенчатые, на вонючих моторах - радиальные на открытых схемах делают парциальные турбины

А вот это не встречалось - какие такие парциальные?

Наверняка встечались. в парциальной турбине газ подводится в не по всей площади входа в решётку турбины, а в каком-то секторе

А зачем? так не используется полностью колесо

При открытой схеме, расход на турбине не очень большой и если его размазывать по всему входу, получаются слишком короткие лопатки, при этом резко валится кпд турбины. а потери на парциальность вполне терпимы

Припоминал у меня был чертеж ТНА какого то РД-350 (или ошибаюсь), там такая примерно история, турбина одноступенчатая и с подводом газов в окно

Это обычное дело фау-2 рд-107/108

У V-2 на перекиси турбина крутится?

Ага там сопловой аппарат смешной, несколько наклонных сопел выпиленных вручную

Сопловой аппарат турбины?

А подшипники? поди оборотов на 20000 даже у фау

На следующий день:

varban >приветствую!

Diadia_Sidor >и Вас!

А чё это мы вдруг на Вы? или ты к моей компьютерной отарой обращаешся?

А штош я, к хорошему человеку на Вы обратиться не могу?

Можеш, можеш;) давай возобновим интервью по тна, но сначала и более систематически

С удовольствием, только паузы у меня могут быть побольше, работы подвалило, да и свалить я сегодня планирую по раньше

И у меня могут быть паузы - комп один дохнет
В свете несуществуюшей главы в развитие РД ТНА должно быть особое место - не будь ТНА (чисто гипотонический случай;) и ЖРД бы проиграли соревнование с РДТТ. Именно ТНА позволил создать ЖРД, гораздо легче, чем аналогичные по тяги/импульсу РДТТ.

Не аналогичные, а превосходящие

Да, превосходящие Кстати, интересный экскурс в прошлое:
отчего Цандер упорно разрабатывал устройство питания РДТТ зарядами. Ведь не дурак же! Только таким образом можно приблизить РДТТ к насосным ЖРД. Ведь принципиальное преимущество ЖРД с ТНА перед РДТТ - то, что камера ЖРД в сотни и тысячи раз меньше, чем баки (или камера РДТТ - тот же бак). Сделай устройство питания РДТТ шашками, и это позволит уменьшить камеру (совсем другое дело, что этот мотор будет сочетать не столько преимущества ЖРД и РДТТ, сколько недостатков)

Шуки шутками, но в НИИТП работали над РДТТ с непрерывной системой подачи, подробностей не спрашивай - не знаю, да и что знал - забыл

И я слышал такое - но я тоже не буду углубляться. Чисто по этическим причинам - разработка не окончена. Я разработчику все это высказывал, да и он понимает вроде. Кстати, он не шашку в камеру подает, а надвигает камеру на шашку - камера-то меньше!

Здорово, давай к насосам

Как все это началось? Не будем про идеи - их было довольно. Кого бы ты поставил первым ТНА-щиком из реальных конструкторов?

А тут и думать нечего первый нормальный тна - фау-2 у нас у Душкина были интересные разработки, даже испытывались, а как стендовые до сих пор работают, но они НИКОГДА НЕ ЛЕТАЛИ, а фау ЛЕТАЛА

И у главных соперников все от V-2 пошло - и у амов, и у вас?

Примечание: Не думай только, что я скатываюсь до примитивного уровня журналюг - я-то хорошо себе представляю и советский, и американский вклад в ракетную технику - он так велик, что признание влияния V-2 никак не может его уменьшить - будет просто несправедливо его не упомянуть.

Точно так оно и есть. Более того, принципиально, с тех пор в ТНА ничего не изменилось. Конечно, поменялись технологии, появились другие компоненты, но в ТНА А.4 уже всё было

А можно такое утверждать - у других (у амов, русских, французов) не было ТНА, потому что оно было им не нужно? Ведь они делали некрупные ракеты, тоесть работали в области, где вытеснительная подача компонентов не сильно или вообще не проигрывает насосной.

Тут спорно, тот же Душкин делал ТНА для самолётного мотора (Би-1, И-301) штука небольшая, но с ТНА совершенно другие характеристики. с другой стороны, настоящих ракет не делали, и без насосов прекрасно обходились

Тогда наоборот - А-4 не могла появиться без ТНА - попробуй сделай прочные баки таких размеров.
примечание: Хотя баки были вставными, а не несущими - факт, и пожалуй, ошибка. Еще тогда могли бы сделать баки несущими, во всяком случае, одно из первых улучшении А-4 в Союзе - именно это.

Это связано
не может быть большой ракеты без ТНА, так же как и ТНА не нужен сам по себе, он нужен для большой ракеты

А успехи Германии в ТНА не связаны с ее работами над ТРД - ведь в одно время появились турбореактивные самолеты и турбонасосные ракеты?

Естественно, это говорит об уровне технологий, и технологий лопаточных машин, в частности, в Германии в то время Крупнейший газодинамик того времени - Теодор фон Карман, работал там, а по нему до сих пор учатся

Давай для полноты перечисли фирмы Германии, которые делали ЖРД с ТНА. Насколько я знаю, делались они тогда (и сегодня) на одной и той же фирме.

Серийно ТНА для фау выпускался на Фау-шных серийных заводах, точную кооперацию надо дома смотреть, но к разработке были подключены и специалисты BMW и Jumo, наверняка

Конечно, производители/разработчики и первых ТРД.
Но вернемся к ТНА двигателя А-4. У него все было - на одном валу сидели турбина и два насоса - спиртовый и кислородный. Турбина парциальная (как вчера выяснили), работала по открытой схемой, на перекиси водорода, который разлагался в газогенераторе (кстати, заметна связь с торпедами немецкого флота - пробовали перекись и там).
Как ты сказал - принципиально в этом ТНА все было.
А ТНА первых "космических" моторов - 107/108 чем отличались от ТНА А-4?

Конструктивно, мало чем другие материалы использовались, более технологичные. изменилась компоновка на консольное закрепление турбины, соттветственно появились уплотнения между насосами компонентов, колёса стали лить а не фрезеровать, за турбиной поставили теплообменник для газификации азота, баки наддувать. шнеки, по-моему ещё не появились

Консольное закрепление турбины: в смысле подшипники были между кислородным и керосиновым насосами и между керосиновым насосом и турбины?
Газификация какого азота?
И шнекоцентробежная ступень была у кислородного насоса.

Про кислородный насос - правда, нет у меня картинки перед глазами и у фау и у 107/108 всего два подшипника
у фау на валу: подшипник, насос, турбина, насос, подшипник
у 107/108: подшипник, насос, насос, подшипник, турбина
газифицируется азот, которы используется для наддува баков

Ясно об азоте.
Примечание (есно, не тебе) Напоминаю, что наддувом достигают много чего:
-баки становятся жестче - хорошо будут сопротивляться аэродинамическим нагрузкам;
-зверюга-насос, не будь наддув, сомнет бак, как пустую сигаретную пачку
-самое, на мой взглядь, главное - обеспечивает подпор на первую ступень насоса и тем самым способствует бескавитационной работы агрегатины
Еще есть соображения о полезности наддува?

Всё изложил
поучительная вещь у первых атласов был очень тонкие стальные баки, так их наддували прям на фабрике, иначе ракета складывалась под собственной тяжестью, даже не заправленная

Так и российские аналогично - когда возили баки Энергии на Мясищеве, приходилось наддувать.
Теперь давай об остросюжетном - о кавитационном срыве ТНА поговорим

Эко тебя занесло,
ну поехали
но ещё одну историйку. моя жинка не сразу в институт поступила и год работала машинисткой на ЖРД-иной кафеде. Подсунул ей как-то некто Козлов (крупнейший специалист по баковым процессам) статейку перепечатать. И жинка, удивившись редкой неграмотности профессора, переправила во всём тексте наддув на наДув баков.

))
А кавитационный срыв имел место в реальных испытаниях?
Примечание: Если центробежный насос вращается (а)синхронным электродвигателем, кавитационный срыв не так страшен. Другое дело, если двигатель имеет характеристики турбины - у нее при падение нагрузки обороты растут пропорционально. И кавитационный срыв может привести к разносу агрегата.

Именно так всё и происходит, но есть ещё одно неприятное явление, приводящее к полному кирдыку. когда на входе в насос появляется кавитационная каверна, и её несёт к выходу, под действием увеличенного давления она схлопывается, если схлопывание происходит в потоке, то и чёрт бы с ним, а вот если на стенке, происходит явление, анологичное подрыву кумулятивного заряда. несколрко таких схлопываний и стенке - 3.1415926здец!

И в завершение надо сказать, что кавитационный срыв настолько быстротечен, что автоматика управление турбины не отследит увеличение оборотов. Самое лучшее - отсечет ТНА и двигатель, есно. А поскольку пускаться в полете маршевые ЖРД еще не умеют, даже вонючки, в лучшем случае - невыведение. В худшем - разрушение ТНА и пожар на борту (как раз под бакам с компонентами) Кстати, любая авария в ТНА к тому приводит

Если развивается кавитационный срыв - кирдык, однозначно

А на стендах чем ЖРД питают? Если штатный ТНА еще не отработан?

Вытесниловкой, естественно, обычно азотом

Так и думал С первыми советскими космическими ТНА разобрались. А у конкурентов? Слышал, что аварийные запуски амов в начале космической гонки в основном из-за неотработанности ДУ были. После несколько неудач Брауна главным назначили, а до того был бардак.

Да тут тоже история весёлая. что касается боевых ракет (Редстоун, Тор, Атлас) они не фантазировали и честно использовали немецкие разработки (Браун с самого начала командовал строительством Редстоуна), а в космос они хотели на маленьком Авангарде уехать, который только для этого и строился. Вот там они намудрили. ТНА сделали с зубчатой передачей. А в космос, всё равно Редстоун первым улетел

Вот-вот! Слышал я о таком, еще шуточки были типа:
На амовской ракете отказал ГТЗА (главный турбозубчатый агрегат - непременная принадлежность турбинных кораблей) - наверное уголь для котлов был некачествен. Такими сведениями разноображал у нас лекции по баллистики Кулагин;)
А ты знаеш, почему амы пошли по пути ТЗА? Чайники с ламерами делали? Или зубки сломали во время разработки дайрект-драйва?

Логика в этом есть. у окислителя и горючего разная плотность соответственно максимальное кпд каждого колеса будет достигнуто на разных оборотах, вот их и понесло
а кстати, мотор RL-10, первый в мире водородник, летает до сих пор со своим турбозубчатым агрегатом

Э, у водорода с кислородом плотности значительно разные - 0.011 и 1.6. Так что есть логика - насос для водорода - прямоприводный, а для кислорода - снизили обороты. Кстати, оттуда и раздельные ТНА на ССМЕ?
А у керосинки Авангарда плотности раза в два всего отличается, с учетом соотношения - самое то будет, только колёса насосов - разного диаметра. Все равно непонятно. Надо в инете ссылки на Авангард нарыть и разобраться, хотя м.б. и не стоит. Авангард потомства-то не дал.

Диаметр, конечно, разный, но при увеличении диаметра, уменьшается проходное сечение на выходе (высота лопатки) и кпд резко валится, вобщем вместо поиска компромиса америкосы решили понаставить зубастых колёс, а зря
про ССМЕ, кроме этого ещё есть причина их разделения если произойдёт утечка по валу и компоненты где-нить встретится, можно смело гасить свет,
а у нас эту проблему решили и построили, конструктивно, более простой мотор

Правильно, конструирование - всегда компромис
>если произойдёт утечка по валу и компоненты где-нить встретится, можно смело гасить свет
Конечно, произойдет типичный внутрикамерный процесс;)
А те тем ли диктовалась компоновка ТНА А-4 - там турбина - посередке?

Про А.4 - нет, компоненты не самовоспламеняющиеся, просто - это наиболее простая (надёжная) компоновка, а вот если кислород с водородом или НДМГ с АТ на валу сойдутся, тогда веселуха и начнётся

Резюме пока:
Первый период - фау и фау-подобные,
второй - начальный космический - усовершенствование компоновки, применение лучших материалов, разработки теории ТНА и сведения ее до инженерного уровня (пока все открытой схемы)
а третий - высококипящая отрава или все-таки водородники?
И где же революция по пути от фау до ССМЕ/РД-0120 произошла?

Я склоняюсь в сторону постепенной эволюции
принципиальное отличие вонючих замкнутых ТНА от предыдущих - турбина большого расхода
на водородных ТНА появились многоступенчатые насосы, соответственно проблемма компенсаций осевых усилий
не стал бы я делить их по поколениям

А бывало, что на серийных моторов меняли ТНА?

Нет - мотор и ТНА, это единое целое

Ясно, если переделаеш ТНА, то камеру - пара пустяков?
И слегка оф-топик А чем объясняется поразительное долголетие РД-107/108? Ведь первый космический, буржуйские ровестники давно в музеях только!
Я сбегаю поем, а то горе-журналисту жрать охота! Ты пиши

О камере - не сказал бы я, что это пара пустяков, ведь всё работает на пределе возможного, двигатель - единое целое
а 107/108 задачу свою выполняет, технология отработна до офонарения, да и Бог с ним

С камерой вопрос был несколько провокационным;),
но это - отдельная тема трёпа
Давай затронем и самый секс - замкнутые схемы
Принципиальное отличие - топливо для турбины потом дожигается в камере.
Разобрались с кислыми и сладкими газами.
А вот как ТНА изменился по сравнение с ТНА открытой схемы?

Тна изменился в лучшую сторону.
расход газа увеличился,
появилась возможность завязать с парциальными турбинами (поднять КПД),
делать нормальновысокие лопатки (поднять кпд)
турбина стала, однозначно консольной,
а отводить газ от радиальной турбины в камеру, просто удовольствие

Однако что-то и стало сложнее - давление в открытых турбинах меньше, чем в камере, а значит и в насосах - тоесть надо бороться с утечкой жидкого компонента
К турбине, уплотнение - ХОЛОДНОЕ. У ТНА замкнутой схемы наоборот?

Давление не на много больше. в основном на перепад на турбине, а перепад, на таких турбинах меньше чем в открытой схеме, расхода то хватает. утечки вызывают проблему, не потому что давление выше (оно выше незначительно) а потому, что компоненты ещё те

Да, я сообразил еще вот что:
Давление в центробежном-то насосе на периферии большое. А по центру рабочего колеса оно меньше - у меня на заводе бывали случаи подсоса воздуха или что страшнее - воды - в конц. азотку.
А у амовских ССМЕ еще и турбопреднасосы стоят. Кой такой за животный?

Рассказываю про ссме-шные бустера (преднасосы, помогают бороться с кавитацией в главных насосах) по конструкции аналогичны. из магистрали высокого давлени отбирается мало-мало расхода и пускается на гидротурбинку, коея и крутит малонапорное шнеко-центробежное колесо, а отработаный маленький расход большого давления, просто попадает в основной поток
на многих двигателях эжекторы такие же на входе ставили и ставят

Да, а как в советской практике? Я практически ни одного движка с турбопреднасосом не знаю - все шнекоцентробежная первая ступень, а далее - центробежки

120-й мотор
170/180-й с нормальными бустерами
и хренова куча вонючих моторов с эжекторными бустерами

А что, у вонючках эжекторами выгоднее? Непонятно

Проще, ни одной подвижной части

И кпд ниже

Для бустера это не важно, у него задача организовать хоть какой нить напор на входе в основное колесо

Да, точно. И любимые мною шнеки кпд не отличаются. Зато работают ничего даже в режиме развитой кавитации.
Подробности о ТНА SSME:
Насос жидкого окислителя имеет производительность 400 kg/s, а ТНА водорода - исключително высокое соотношение мощи к массе - 16.2 kW/kg.
Мощность ТНА - 56 MW, все это вместе с насосом имеет массу всего в 345 kg!
Я балдею от этих цифр.
К сожалению, у меня нет данных о ТНА 0120 и 170 -там должно быть еще хлеще!

Точно
по энергонапряжённости 170-й не имеет равных

Потому разделили ТНА?

У 170 - там же бустеры есть - считай еще пару ТНА

А понял
бустера имеет смысл отделять, так как это совсем другой агрегат, давления низкие, обороты низкие, простая конструкция

И я к тому же. А если будеш оптимизировать насосы, то сподручнее не думать о всяких там прилад типа шнека - есть подпор и все тут.

И отрабатывать проще

Я уже в файл записам переговоры.
Пока готовлю, расскажи что-нибудь поучительное в качестве концовки и пошлю с Зевсом.

Видел, как горят на стенде ТНА
просто вспыхивает огненный шар и через пару секунд остаётся оплавленный вал с ошмётками всего остального на нём

Нда...холодок пробежал по спине
хотя поучительно - значит все ажурное и легкое, вал только массивный
А нарочно сожгли или нештатно сработал?

Нарочно, искали причину серии аварий

Подробнее можно? А то об участиях в аварийных комиссиях не всегда можно распространяться.

Да это всё на стендах рвалось, так что ничего страшного

Нет, я о серию аварии говорю

Вот на стендах серия и была

Теперь-то ясно

Ладно, пошлю, но в отдельном топике - ТНА-трёп.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Аннотация

Введение

Краткое описание ТНА РД-180.

Глава 1. Технологическая часть

1.1 Условия работы лопатки турбиныТНА

1.2.3 Механические свойства материала (при Т = 20 °С)

1.2.4 Термическая обработка

1.4.1 Коэффициент использования материала

1.6.1 Виды изготовления алмазных роликов

1.6.2 Допуски

1.6.3 Конструкция

1.6.4 Зернистость

1.6.5 Сорт алмаза -- D 711 А

1.6.7 Первичное изготовление и расчет нового алмазного ролика для правки

1.6.8 Эксплуатация

1.6.9 Расположение осей

1.6.10 Режимы обработки

1.7 Выбор баз и обоснование последовательности обработки детали

1.8 Расчет припуска на механическую обработку в операции №12.

1.9 Режимы резания

1.10 Нормирование

Глава 2. Конструкторская часть

2.1 Описание приспособления

2.2 Расчет приспособления на силу зажима

Глава3. Исследовательская часть

3.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения

3.2 Технология процесса гидродробеструйного упрочнения

3.2.1 Устройство и работа установки для гидродробеструйного упрочнения

3.2.2 Технологические требования к процессу

3.2.3 Порядок обработки

3.2.4 Контроль упрочнения

3.3 Определение остаточных напряжений

3.4 Усталостные испытания лопаток

3.4.1 Цель испытаний

3.4.2 Объект испытаний - лопатки турбиныТНА

3.4.3 Исследование собственных частот.

3.4.4 Оборудование для усталостных испытаний лопаток

3.4.5 Исследование распределения относительных напряжений

3.4.6 Метод испытаний на усталость

3.4.7 Метод обработки результатов испытаний

3.5 Результаты испытаний.

Глава 4. Часть по автоматизации

4.1 Описание программного пакета CATIA

4.1.1 Применение и возможности CATIA

4.1.2. Описание модулей пакета программ CATIA

4.2 Основные функции построение модели и чертежа деталей в САПР CATIA.

4.2.1 Интерфейс пользователя

4.2.2 Создание двухмерной геометрии, образмеривание и нанесение надписей

4.2.3. Создание трехмерной модели детали и построение на ее основе двухмерной геометрии

4.3 Построение модели лопатки турбины ТНА.

Глава 5. Промышленная экология и безопасность производства.

5.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины. Определение основных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Разработка мер защиты.

5.1.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины.

5.1.2 Анализ вредных воздействий на окружающую среду и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования.

5.1.3 Анализ вредных воздействий на здоровье человека и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования.

5.2 Анализ и расчет освещённости рабочего места.

5.2.1 Анализ освещённости рабочего места

5.2.2.Расчет на освещенность рабочего места

5.3 Вентиляция производственного помещения.

5.4 Меры противопожарной защиты.

5.5 Выводы по результатам анализа вредных и опасных факторов

Глава 6. Расчет экономической эффективности внедрения нового технологического процесса

6.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА

6.1.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в проектируемом варианте

6.1.2 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в базовом варианте

6.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса

6.2.1 Расчет затрат на материал

6.2.2 Расходы на зарплату

6.2.3 Затраты на производственную площадь

6.2.4 Расчет затрат на эксплуатацию оборудования

6.2.5 Расчет энергетических затрат

6.2.6 Расчет себестоимости техпроцессов и экономического эффекта от внедрения

6.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового технологического процесса

6.3.1 Расчет капиталовложений в оборудование

6.3.2 Расчет затрат на освоение новой технологии

6.3.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового ТП.

Глава 7.Выводы по работе

Глава 8. Литература и другие источники

Аннотация

В данном дипломном проекте в технологической части (первый раздел) рассмотрен техпроцесс производства рабочей неохлаждаемой лопатки газовой турбины. Также в первом разделе описаны условия работы детали в узле, способ получения заготовки, приведены характеристики материала лопатки ЦНК-7П, проведен анализ технологичности, описан выбор баз для механической обработки, рассчитан припуск на обработку промежуточной технологической базы, проведено нормирование операций глубинного шлифования. В технологической части подробно описан способ механической обработки - глубинное шлифование и правящий алмазный инструмент. В конструкторской части рассмотрено приспособление для крепления детали при обработке хвостовика лопатки, и проведен расчет силы винтового зажима для данного приспособления. В исследовательской части рассмотрен процесс гидродробеструйного упрочнения замка лопатки: описаны сущность процесса, устройство гидродробеструйной установки, методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое и усталостные испытания детали. В части по автоматизации рассмотрен программный пакет CATIA, его применение с промышленности, программные продукты данного пакета. Также рассмотрен процесс построения двухмерной и трехмерной геометрии, процесс создания модели лопатки в системе автоматизации проектирования CATIA. . В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. В экономической части рассчитана эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Введение

Одной из самых сложных машиностроительных конструкций является газовая турбина.

Развитие газовых турбин определяется, в первую очередь, развитием авиационных газотурбинных двигателей для военных целей. При этом главным является повышение удельной тяги и снижение удельного веса. Проблемы экономики и ресурса для таких двигателей являются вторичными.

Одной из самых нагруженных деталью, ограничивающей межремонтный ресурс, являются неохлаждаемые лопатки турбины, изготавливаемые из деформируемого никелевого сплава ЭИ893. Лопатки из этого сплава из-за ограничений по длительной прочности имеют ресурс 48000 часов. В настоящее время при производстве лопаток турбин существует достаточно высокая конкуренция, поэтому вопросы снижения стоимости и повышения ресурса лопаток являются очень актуальными.

В данном дипломном проекте рассмотрена сравнительно новая для отечественной промышленности технология производства неохлаждаемых лопаток турбин большой длины (более 200 мм). В качестве заготовки лопатки применяется отливка из материала ЦНК-7П без припуска на механическую обработку пера, подвергнутая горячему изостатическому прессованию. Для снижения трудоемкости изготовления лопаток используется глубинное шлифование замка, а для повышения сопротивления усталости замок лопатки после шлифования подвергается гидродробеструйному упрочнению.

В данном дипломном проекте рассмотрена технология производства рабочей лопатки турбины. Поскольку данный техпроцесс универсален для лопаток самых разных размеров, он может применятся как для изготовления лопаток турбинынизкого давления ГТД (либо ГТУ), так и турбины ТНА ЖРД. В этой работе рассмотрена лопатка для ТНА ЖРД РД-180. Однако в силу универсальности материала лопаток и техпроцесса мы уделяем повышенное внимание также и ресурсу изделия. Подробно рассмотрен процесс глубинного шлифования для деталей из жаропрочных сплавов, какой является турбинная лопатка, и описаны технология производства и свойства используемых в глубинном шлифовании алмазных роликов для правки шлифовальных кругов. В проекте рассчитано на точность и силу зажима приспособление “щучья пасть”, широко применяемое при операциях глубинного шлифования в процессе производства лопатки. В исследовательской части рассмотрен процесс повышения усталостной прочности путем обдувки дробью в жидкой среде замка лопатки (гидродробеструйное упрочнение), описаны методики определения остаточных напряжений и проведения усталостных испытаний лопатки. Также в работе описана система автоматизации проектирования CATIA и создание в данной системе модели детали и конструкторской документации. В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. Рассчитана также эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Краткое описание ТНА РД-180.

*Описание дано без газогенератора.

Турбонасосный агрегат выполнен по одновальной схеме и состоит из осевой одноступенчатой реактивной турбины, одноступенчатого шнекоцентробежного насоса окислителя и двухступенчатого шнекоцентробежного насоса горючего (вторая ступень используется для подачи части горючего в газогенераторы).

На основном валу с турбиной находится насос окислителя, соосно с которым на другом валу расположены две ступени насоса горючего. Валы насосов окислителя и горючего соединены зубчатой рессорой для разгрузки вала от температурных деформаций, возникающих вследствии большой разницы температур рабрчих тел насосов, а также для предотвращения замерзания горючго.

Для защиты радиально-упорных подшипников валов от чрезмерных нагрузок применены эффективные авторазгрузочные устройства.

Турбина - осевая одноступенчатая реактивная. Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции или трения вращающихся деталей о неподвижные (вследствие выборки зазоров от деформаций или наклепа на сопрягаемых поверхностях от вибрации) зазор между лопатками соплового аппарата и ротора сделан относительно большим, а кромок лопаток - относительно толстыми.

Чтобы исключить возгорание и разрушение деталей газового тракта турбины, в конструкции применены никелевые сплавы, включая жаропрочные для горячих газовых магистралей. Статор и выхлопной тракт турбиныпринудительно охлаждаются холодным кислородом. В местах малых радиальных или торцевых зазоров используются разного рода теплозащитные покрытия (никелевые для лопаток ротора и статора, металлокерамического для ротора), а также серебряные или бронзовые элементы, исключающие возгорание даже при возможном касании вращающихся и неподвижных деталей турбонасосного агрегата.

Для уменьшения размеров и массы посторонних частиц, могущих привести к возгоранию в газовом тракте турбины, на входе в двигатель установлен фильтр с ячейкой 0.16*0.16 мм.

Насос окислителя. Высокое давление жидкого кислорода и, как следствие, повышенная опасность возгорания обусловили конструктивные особенности насоса окислителя.

Так, вместо плавающих уплотнительных колец на буртах крыльчатки (обычно используемых на менее мощных ТНА) применены неподвижные щелевые уплотнения с серебряной накладкой, поскольку процесс "всплывания" колец сопровождается трением в местах контакта крыльчатки с корпусом и может привести к возгоранию насоса.

Шнек, крыльчатка и торовый отвод нуждаются в особенно тщательном профилировании, а ротор в целом - в особых мерах по обеспечению динамической сбалансированности в процессе работы. В противном случае вследствие больших пульсаций и вибраций происходят разрушения трубопроводов, возгорания в стыках вследствие взаимного перемещения деталей, трения и наклепа.

Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции (шнека, крыльчатки и лопаток направляющего аппарата) в условиях динамического нагружения с последующим возгоранием из-за затирания обломков использованы такие средства, как повышение конструктивного совершенства и прочности за счет геометрии, материалов и чистоты отработки, а также введение новых технологий: изостатическое прессирования литых заготовок, применение гранульной технологии и другие виды.

Бустерный насос окислителя состоит из высоконапорного шнека и двухступенчатой газовой турбины, привод которой осуществляется окислительным газом, отбираемом после основной турбиныс последующим перепуском его на вход в основной насос.

Бустерный насос горючего состоит из высоконапорного шнека и одноступенчатой гидравлической турбины, работающей на керосине, отбираемом после основного насоса. Конструктивно бустерный насос горючего аналогичен бустерному насосу окислителя со следующими отличиями:

· одноступенчатая гидротурбина работает на горючем, отбираемым с выхода насоса горючего основного ТНА;

· отвод горючего высокого давления для разгрузки шнека от действий осевых производится из входного коллектора гидротурбины БНАГ.

Таблица 1: ТТХ ТНА

Параметр	Значение
	Окислитель
Давление на выходе из насоса
Расход компонента через насос
КПД насоса
Мощность на валу
Скорость вращения вала
Мощность турбины
Давление на входе в турбину
Количество ступеней
Степень понижения давления на турбине
Температура на входе в турбину
КПД турбины

Глава 1. Технологическая часть

1.1 Условия работы лопатки турбины ТНА

Лопатка турбины ТНА (лист № 1) является одной из самых нагруженных деталей турбонасосного агрегата ЖРД. В процессе работы на лопатку действуют:

Большие центробежные силы от вращения (порядка 14000 об/мин).

Горячий окислительный газ, нагретый в камере сгорания до высокой температуры порядка 600°С и содержащий избыток окислительных элементов и примеси, приводящие к окислению и газовой коррозии поверхности.

Высокие изгибающие моменты от газовых сил.

1.2 Выбор материала и заготовки

В качестве материала лопатки выбран литейный никелевый сплав ЦНК-7П, имеющий более высокий (примерно в 1.3 раза) предел длительной прочности, позволяющий повысить ресурс лопаток до 100000 часов и отлить перо лопатки без припуска на механическую обработку.

Недостатком литейного сплава является более низкий предел выносливости, вследствие более высокой пористости по сравнению с деформируемыми сплавами, что всегда ограничивало применение литейных сплавов для неохлаждаемых лопаток турбиныбольшой длины.

Применение горячего изостатического прессования (ГИП) отливок позволило существенно снизить разницу в пористости и пределах выносливости для пера. В то же время для замка, вследствие большего объема металла отливки, эта разница остается w заметной.

В качестве способа литья используется литье по выплавляемым моделям.

1.2.1 Химический состав материала

С=0.07 %, Si=0.3 %, Мn = 0.3 %, Р =0.01 %, S= 0.001%, Cu = 15.5 %, Со = 9.5 %,

Ti = 4.4 %, А1 = 4.3 %, W= 6.2 %, В= 0.2 %, Fe = 1 %, Са = 0.01 %, Mg =0.01 %, 02 =0.002 %,

Pb = 0.001 %, Ni - всё остальное

1.2.2 Физические свойства материала (при Т = 20 °С)

-модуль упругости, Е = 210 ГПа -модуль сдвига, G = 81 ГПа -теплопроводность, у = 8 Вт/ м * К -теплоёмкость, Ср = 440 Дж/К* кг

1.2.3 Механические свойства материала (при Т = 20 °С)

-предел прочности = 850 МПа -предел текучести = 750 МПА -относительное удлинение -относительное сужение

Ударная вязкость

1.2.4 Термическая обработка

Используется гомогенизация. Нагрев до Т = 1190 0 С. Скорость нагрева регламентируется отсутствием деформации изделия. Выдержка - 4 часа. Охлаждение со скоростью 30-45 градусов/мин до Т =1050 0 С. Выдержка - 2 часа. Охлаждение до Т = 850°С со скоростью 10 - 40 градусов/мин. Далее скорость не регламентируется. Атмосфера: вакуум, не менее 10-3 бар.

1.3 Технологический процесс изготовления лопатки

Данный технологический процесс изготовления рабочей лопатки турбины ТНА отличается от ранее применяемого техпроцесса: во-первых, применением в качестве заготовки отливки, подвергнутой горячему изостатическом прессованию, вместо штамповки; во-вторых, включением в техпроцесс операции глубинного шлифования, которая заменила собой операции фрезерования и шлифования; в-третьих, включением в техпроцесс операции гидродробеструйного упрочнения замка лопатки. Использование отливки и ГИП позволило исключить механическую обработку пера лопатки, применение глубинного шлифования - снизить трудоемкость механической обработки хвостовика лопатки, а гидродробеструйное упрочнение замка лопатки - повысить их предел выносливости. Ниже приведен технологический процесс изготовления лопатки (табл.2)

Таблица 2. Технологический процесс изготовления лопатки турбиныТНА

		Обрабаты-	Оборудова-	Инструмент	Приспосо
операции	операции	ваемая поверхность
	Диспетчерская		диспетчера
	Маркирование	Спинка пера	диспетчера	Маркер по металлу SARURA 130
	Контроль	Спинка пера	диспетчер
	Шлифовальная		Станок для
			глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220	180/А-024 1-500*20*203
	Шлифовальная		Станок для
			глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220	180/А-024 1-500*20*203
	Шлифовальная	Хвостовик	Станок для
		со стороны	глубинного	шлифовальный
			шлифования
	Шлифовальная		Станок для
		хвостовика	глубинного шлифования	шлифовальный 180/А-013 3-1-500*40* 203*15°
	Шлифовальная		Станок для
		хвостовика	глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220
	Контроль	Профиль хвостовика	Микроскопи проектор	УИМ-21 БП-5
	Контроль	Профиль хвостовика	Рабочее место контроллера
	Шлифовальная	Основание хвостовика		шлифовальный
	Шлифовальная		Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	330/А-108 330/А-092
	Полировальная	Профиль хвостовика	Станок полировальн ый 950/582
	Маркирование	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Бормашина БЭБП-07А	твердосплавный
	Контроль	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Рабочее место контроллера
	Шлифовальная		Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	33 0/А-108 ЗЗО/А-093
	Полировальная	Контур хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..125*10... .20*20
	Шлифовальная	Гребешок пера	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	ЗЗО/А-096 330/А-613
	Шлифовальная	Полка пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	330/А-108 330/А-093
	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный 180/А-029 1-500*50*203
	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	ЗЗО/А-097 33 0/А-108 260/А-001
	Полировальная	Скругление гребешком и Выходной	полировальн 950/582контр оллера	Войлочные круги с абразивным зерном 25А(24А) 6...10
	Промывочная
	Контроль		Рабочее место контроллера
	Промывочная		Рабочее место контроллера
	Диспетчерская		диспетчера
	Термическая (старение)
	ЛЮМ контроль 1		диспетчера
	Вибрационный контроль		диспетчера		440/А-001 440/А-001
	Гидродробестру иное упрочнение	Хвостовик лопатки	ТП1126.25. 150
	Обезжиривание		диспетчера
	Испытания на усталость
	Определение статического момента		Установка ВЭМ-0,5Н
	Окончательный контроль		Рабочее место контроллера
	Комплектовочна я		диспетчера
	Расстановка
	Маркирование	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Бормашина	твердосплавны й
	Окончательный контроль комплекта		Рабочее место контроллера
	Упаковочная

1.4 Анализ технологичности изделия

Под технологичностью конструкции детали понимается совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовление, эксплуатации и ремонта и обеспечении технологичности сборочной единицы, в состав которой входит данная деталь.

Расчёт показателей технологичности:

1.4.1 Коэффициент использования материала

где Мдет - масса готовой детали, Мзагот - масса заготовки.

1.4.2 Коэффициент точности обработки

Средний квалитет обработки,

А - квалитет обработки;

Количество поверхностей, обработанных по этому квалитету.

1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов

Число типовых технологических операций;

Число всех технологических операций;

В технологическом процессе производства рабочей лопатки используются две типовые технологические операции - глубинное шлифование и полирование.

Как видно из показателей технологичности, лопатка турбины является высоко технологичной деталью благодаря применению бесприпускного литья, и, следовательно, исключению из технологического процесса механической обработки пера и повышению коэффициента использования материала. Также технологичность повышается за счет применения процесса глубинного шлифования, которое заменило операции фрезерования и шлифования хвостовика лопатки.

1.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов

В данном разделе широко рассмотрен процесс глубинного шлифования для обработки деталей из жаропрочных сплавов, какой и является турбинная лопатка. Внедрение данного типа обработки позволило повысить производительность техпроцесса производства лопатки. Глубинное шлифование является основной операцией в данном ТП. В разделе рассмотрены история внедрения глубинного шлифования, теория процесса, различные способы обработки, виды оборудования для глубинного шлифования, шлифовальная головка

История развития процесса внедрения глубинного шлифования начался в начале 70-х годов, когда бурное наращивание объемов выпуска высокоресурсных авиационных двигателей заставило мировых производителей в отрасли авиадвигателестроения искать пути решения проблемы повышения производительности и качества обработки особо ответственных высоконагруженных деталей турбины, где вопросы обрабатываемости обеспечения ресурса стояли особенно остро.

Эффективное решение, этих задач не обеспечивалось использованием традиционных методов механической обработки, поскольку форсирование режимов обработки при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Идея производительного съема материала абразивными кругами всегда привлекала внимание специалистов, так как известно, что абразивные материалы превосходят по твердости все известные стали и сплавы. Имелись и отдельные примеры решения этой задачи. Такими примерами может служить вулканитовая резка, производительные схемы шлифования плоских поверхностей с большой глубиной резания (до 5 мм и более) боковой поверхностью круга с поперечной циклической подачей до нескольких миллиметров на ход.

Однако всегда считалось, что высокопроизводительные процессы абразивной обработки несовместимы с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя ответственных деталей, так как велика вероятность потери размерной стойкости и появления прижогов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки и явилось внедрение в производство глубинного шлифования. Оно потребовало решения комплекса вопросов с целью повышения технологической надежности процесса, включающих разработку и выбор технологических схем обработки; оборудования; режущего и правящего инструмента; рецептуры, способов подачи и очистки СОЖ, режимов правки и шлифования; теоретического и экспериментального подтверждения гарантии достижения требуемой точности и качества шлифуемой поверхности.

Особенность внедрения глубинного шлифования заключалась в том, что оно начала практически было использовано в производстве и показало отличные результаты. Так, при изготовлении турбинных лопаток производительность увеличилась в 4 раза, точность -- в 2 раза, шероховатость поверхности снизилась в 2 раза, значительно повысилась работоспособность замкового соединения. При опытной обработке условий и режимов шлифования были тщательно исследованы все контролируемые показатели качества обработанной поверхности: шероховатость, глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, возможность появления шлифовочных трещин. Все показатели при шлифовании были лучше или аналогичны ранее используемому фрезерованию. Ничем не отличался и уровень возникновения дефекта по возможному появлению несплошности поверхностного слоя, выявляемый по свечению люминофора и связанный с выходом на поверхность пор и расслоений материала по границам зерен, образующихся при литье. Однако через некоторое время этот дефект стал классифицироваться как шлифовочные трещины.

Чтобы определить границы надежного использования процесса необходимо было исследовать его теоретически. В нашей стране этим занялись специалисты ОАО «Рыбинские ученые Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и отраслевого научно-исследовательского института технологии авиадвигателестроения (НИИД).

Исследованиями этой группы изучены многие аспекты процесса: теплофизические явления в зоне контакта, микрорезание и затупление зерен, износ кругов и правка, условия существования оптимальных режимов шлифования, охлаждение и механизм образования остаточных напряжений, условия и причины появления неустойчивости процесса,-- что позволило хорошо понять процесс и осознанно применять его на практике.

Особым случаем применения глубинного шлифования является глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, какой является лопатка турбины. Из производственной и исследовательской практики известно, что шлифование жаропрочных сплавов отличается от шлифования конструкционных сталей. Наличие в жаропрочных сплавах упрочняющей интерметаллидной "-фазы и карбидов, имеющих высокую микротвердость (HV 2030-2060), приводит к интенсивному изнашиванию круга и увеличению мощности шлифования. Это подтверждается данными по относительной мощности и удельной производительности шлифования различных материалов с широким изменением прочностных и теплофизических свойств.

Если оценивать относительную мощность шлифования энергетическим

безразмерным критерием (где Pz -- тангенциальная составляющая силы резания, Н; Vk -- скорость вращения абразивного круга, м/с; V3 -- продольная подача заготовки, м/с; - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/м*К; максимальная контактная температура шлифования), а удельную производительность q -- отношением съема металла к износу круга в единицу времени, то эти показатели будут сильно отличаться для различных материалов, как это видно из таблицы 2

Таблица 3

Изнашивание инструмента является следствием истирания и выкрашивания частиц зерен под действием механических и температурных факторов. Ухудшение условий обработки вызывает рост контактной температуры шлифования и повьппает вероятность появления поверхностных дефектов на детали. Возникновение поверхностных дефектов в большей мере наблюдается при шлифовании материалов, обладающих малой теплопроводностью и аккумулирующих теплоту в тонком поверхностном слое.

При многопроходном циклическом нагреве во время обычного маятникового шлифования происходят необратимые формообразования зерен структуры обрабатываемого материала, приводящие к перераспределению микронапряжений, которые по величине могут превысить критические, характерные для малоцикловой усталости. В результате возникают поверхностные дефекты в виде шлифовочных трещин. Отсутствие многократного цикла нагрева и охлаждения является одним из преимуществ глубинного шлифования.

Таким образом, при глубинном шлифовании за счет изменения кинетики термического цикла могут быть созданы условия, исключающие возникновение термопластических деформаций поверхностного слоя и ослабляющие интенсивность протекания фазовых, микроструктурных и диффузионных процессов. Это достигается подбором состава

и способов подачи СОЖ, назначением оптимальных характеристик и циклов правки круга и режимов резания.

Проведенные исследования температурного поля заготовки при глубинном шлифовании позволили установить, что при реально создаваемой интенсивности охлаждения количество теплоты, уходящее в обрабатываемую поверхность, в зависимости от условий обработки составляет 32...83 % от всего выделившегося тепла Причем, чем больше угол наклона (чем больше глубина шлифования) и меньше скорость заготовки, тем большее количество теплоты уходит в снимаемые с заготовки слои металла и тем ближе смещаются максимальные значения температуры на ее поверхности к точке А (рис. 1.1). (Qm -- отношение температуры в произвольной точке дуги контакта М к температуре в точке А).

Рис 1.1 Схема шлифования (а) и зависимость относительной температуры по длине контакта круга с заготовкой (б) при глубинном шлифовании: 1) Ре=1; 2)Ре=0.6; 3)Ре=0.4; 4) Ре=0.1; 5) Ре=0.02

Для обеспечения отвода как можно большего количества теплоты в снимаемые слои металла кинематические параметры процесса должны удовлетворять следующему условию:

Ре -- критерий Пекле, характеризующий скорость съема металла по отношению к скорости распространения температуры в обрабатываемую заготовку;

Vз -- продольная скорость перемещения заготовки, м/с;

D -- диаметр круга, м;

t -- глубина шлифования, м;

а -- коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2 /с.

Интенсивный теплообмен в зоне шлифования обеспечивается обильной подачей СОЖ под давлением. Минимальное значение коэффициента теплообмена а0=(3,5...5)*103 Вт/(м С) служит мерой эффективности охлаждения и снижения температуры на участке контакта круга с заготовкой. Расчеты показали, что при обеспечении такой интенсивности теплообмена температура в точке А при кинематическом ограничении (1) составит 300...500 С0, что является гарантией отсутствия дефектов на обработанной поверхности в виде прижогов и трещин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Большое внимание на температуру шлифуемой поверхности оказывает скорость заготовки. При традиционных видах шлифования при t <0,1 мм и скорости детали Vз>10 м/мин, увеличение Vz приводит к некоторому уменьшению температуры шлифования. Это объясняется уменьшением времени контакта с обрабатываемой поверхностью. Интенсивность накопления теплоты в поверхностном слое снижается, и температура уменьшается. Этому способствует еще и тот факт, что при малых глубинах (до 0,04 мм) увеличение Vз не приводит к увеличению толщины срезаемого слоя, которая становится равной глубине резания, что также сказывается на интенсивности тепловыделения. При больших глубинах эта особенность уже не наблюдается, и температура возрастает постоянно, так как непрерывно увеличивается толщина срезаемого одним зерном слоя. Эти режимы являются наиболее опасными с точки зрения прижогообразования (рис. 1.2).

Для ограничения температуры шлифования нужно резко снижать скорости Vз, что является предпосылкой перехода к глубинному шлифованию.

При глубинном шлифовании с ростом Уз температура также возрастает. Однако при увеличении глубины шлифования с одновременным уменьшением Уз температура шлифования снижается, причем прирост глубины превышает темп снижения скорости заготовки за счет возрастания количества теплоты, уходящей в стружку, что увеличивает производительность процесса. Кроме того, уменьшается толщина срезаемого абразивным зерном слоя, возрастает количество режущих зерен по длине контакта круга с обрабатываемой поверхностью, и, как следствие этого, уменьшается уровень термодинамических нагрузок, воспринимаемых системой зерно-связка, участвующих в резании. Как следует из проведенных исследований, эти эффекты наблюдаются при соотношении скорости круга и заготовки.

Таким образом, бездефектное глубинное шлифование обеспечивается при режимах шлифования и технике подачи СОЖ, удовлетворяющих следующим условиям:

На основании проведенных исследований сделан вывод, что, поскольку при глубинном шлифовании абсолютная температура обработанной поверхности невелика и она более равномерно прогрета до этих умеренных температур, то в поверхностных слоях не создается условий для возникновения термопластических деформаций, а следовательно, и условий для наведения остаточных напряжений растяжения. Таким образом, остаточные напряжения, главным образом, формируются под действием сил резания абразивных зерен и являются сжимающими. Это убедительно объяснило многочисленные экспериментально полученные в период освоения кривые распределения остаточных напряжений, часть из которых приведена на рис. 1.3.

Рис 1.3 Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое после различных методов обработки: а) маятниковое шлифование (круг 25А40ПСМ27К5, сплав ХН62 МВКЮ-ВД, Vk=35 м/с, Vз=0.4 м/с, t =0.05 мм); б) фрезерование (1)ЖС6К, 2)ХН77ТЮР); в) глубинное шлифование (1)ЖС6К, 2 - ХН77ТЮР, круг 24ПВМ212К5П40-20, Vk=30 м/с, V3=0.001 м/с, t=1.5 мм)

Характерной чертой формирования остаточных напряжений при глубинном шлифовании является идентичность их распределения независимо от некоторых колебаний условий шлифования и марок обрабатываемых материалов. Распределение сжимающих напряжений происходит в более тонком слое у поверхности детали, чем при фрезеровании, что свидетельствует о меньшей глубине проникновения пластических деформаций.

Это подтверждается результатами измерений микротвердости, приведенными в таблице 4

Таблица 4

Из таблицы следует, что глубина и степень наклепа при шлифовании значительно меньше, чем при фрезеровании, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей, работающих в условиях высоких температур.

Отмеченные преимущества глубинного шлифования могут быть надежно реализованы при создании определенных технологических условий эффективной обработки. Технологические требования к процессу определяются эксплуатационными характеристиками детали и себестоимостью ее изготовления. Эти факторы определяют режимы шлифования, характеристики режущего и правящего инструментов, способ подачи и вид СОЖ, а также другие технологические параметры.

С этой целью для глубинного шлифования заготовок деталей ГТД высокой точности из труднообрабатываемых материалов разработаны технологические рекомендации. Они включают, кроме общих принципов назначения режимов шлифования, указанных выше, правила выбора характеристик абразивных кругов и условий их эксплуатации; правку и выбор правящего инструмента; способ подачи и состав СОЖ; требования к станкам с учетом специфики глубинного шлифования.

Характеристика режущего инструмента (вид абразивного материала, зернистость, твердость, структура, связка) определяется условиями работы абразивных зерен и требованиями к производительности обработки и качеству шлифованной поверхности.

Важнейшим показателем условий работы зерна является максимальная глубина его врезания в обрабатываемый материал, которая определяется глубиной врезания абразивного круга Наибольшая глубина врезания а, определяется выражении:

с -- коэффициент;

Vз и Vk -- скорости перемещения заготовки и вращения круга, м/с;

t -- глубина шлифования, м;

D -- диаметр круга, м.

Анализ формулы показывает, что при прочих равных условиях переход на режим глубинного шлифования с сохранением производительности снижает толщину срезаемого слоя одним зерном в 10...12 раз, поэтому нагрузка на зерно при микрорезании существенно снижается, а объем срезаемой стружки увеличивается. Это дает возможность применять абразивные круги самой низкой твердости ВМ1, ВМ2 и делает необходимым увеличение их пористости.

Обобщение результатов исследований прочности системы зерно -- связка в условиях динамического и теплового ударов, характеризующих работу зерна при каждом цикле резания в условиях глубинного шлифования, позволило сделать следующие выводы:

для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml прочность системы зерно -- связка при динамическом ударе определяется прочностью связки;

вероятность разрушения системы зерно -- связка при тепловом ударе определяется вероятностью разрушения зерна, которая, в свою очередь, меньше вероятности разрушения зерна при динамическом ударе;

стойкость системы зерно -- связка определяется ее долговечностью в условиях динамической нагрузки, причем наиболее слабым звеном системы является связка.

Определение стойкости системы зерно -- связка и изучение состояния режущей поверхности круга позволили получить расчетные формулы и методику инженерного вычисления размерной стойкости и износа круга. Не вдаваясь в подробности их определения, можно отметить, что стойкость и износ круга зависят от прочности обрабатываемого материала, размера шлифовального круга, соотношения скоростей заготовки и круга, отношения глубины шлифования к радиусу круга, зернистости и коэффициента температуропроводности круга, плотности зерен в рабочем слое круга, а также показателей однородности абразивного материала круга и интенсивности накопления им усталостных повреждений.

При глубинном шлифовании сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля необходимо использовать электрокорунд белый 24А, 25А. Применение монокорунда 44А не дает ожидаемого эффекта, поскольку при увеличении стоимости абразивного инструмента его режущие свойства полностью не используются, так как для обеспечения режима самозатачивания круга разрушение связки происходит быстрее, чем затупление зерен.

Зернистость круга определяется требованиями к точности обработки и условиям бездефектного шлифования. С уменьшением зернистости улучшаются условия микрорезания, уменьшаются силы резания единичным зерном, увеличивается стойкость системы зерно -- связка. С другой стороны, увеличивается число одновременно работающих зерен, благодаря чему растет средняя температура резания, и возрастает вероятность появления прижога, то есть уменьшается стойкость круга.

Аналогичная картина наблюдается с увеличением твердости круга. С одной стороны, увеличение твердости вызывает увеличение прочности системы зерно -- связка, уменьшение размерного износа круга. Одновременно это способствует меньшей самозатачиваемости круга, то есть уменьшению его стойкости вследствие появления дефекта на обрабатываемой поверхности детали.

Таким образом, при назначении зернистости и твердости инструмента исходят из его размерной и бездефектной стойкости. При этом период стойкости круга, ограниченный моментом появления прижога, должен быть не менее периода его размерной стойкости. Этим условиям при глубинном шлифовании заготовок из жаропрочных сплавов с малыми допусками лучше всего отвечают круги зернистостью 8...12 и твердостью ВМ1, ВМ2, Ml.

Структура круга определяется содержанием зерна, связки и пор. Она должна быть такой, чтобы достигалось размещение в порах круга стружки, снимаемой за один цикл резания, без его засаливания. Кроме этого, должно обеспечиваться хорошее вымывание стружки из пор и перенос порами части жидкости в зону контакта круга с заготовкой. Этими свойствами обладают только круги открытой структуры, поэтому круг для глубинного шлифования должен иметь 9... 12 структуру.

Высокая пористость кругов в достигается путем применения различных порообразующих веществ, выгораемых или выплавляемых в процессе изготовления кругов. В соответствии с технологией, разработанной ВНИИМАШ в качестве порообразующих наполнителей применяют перлит (П), полистирол синтетический (ПСС), нефтяной кокс (НК) и др. Круги твердостью ВМ1, ВМ2, Ml обеспечивают 45...50% содержание пор по объему круга, что способствует хорошему переносу жидкости, размещению и вымыванию стружки.

Условия глубинного шлифования требуют от круга высокой теплостойкости, жесткости, химической стойкости и водостойкости. Все эти свойства придают кругу только керамические связки. Чаще всего применяют связки КЗ и К5, но наряду с ними можно применять боросодержащие, огнеупорные, химические и водостойкие связки, легированные оксидами лития, бария, меди и др. Например, связка К11 характеризуется более прочной связью с зерном, чем связки КЗ и К5. В этом случае повышается стойкость системы зерно -- связка, что уменьшает износ круга.

Основным разработчиком и поставщиком высокопористых абразивных кругов является ВНИИМАШ и АО «Абразивный завод Ильич» (г. Санкт-Петербург). Научно-производственная фирма «Экси» (г. Курган) также разработала и освоила по экологически чистой технологии высокопористые круги с использованием модифицированной керамической связки К13 и специальных наполнителей. Испытания кругов 24А12НВМ112К13 и 24А12НВМ212К13 этой фирмы показали что они по всем параметрам не уступают серийным, а по некоторым параметрам превосходят их. Эти круги можно применять для всех видов глубинного шлифования.

Глубинное шлифование в современном понимании стало возможным благодаря разработке специальной техники правки абразивных кругов и созданию алмазного правящего инструмента Широкое применение нашли алмазные правящие ролики. Из основных схем правки методом радиального и тангенциального врезания наиболее распространена правка радиальным врезанием при параллельных осях ролика и круга. Профиль алмазных роликов в этом случае такой же, как у детали.

Правку (рис. 1.4, а) производят путем шлифования круга алмазным роликом при попутном вращении и соотношении скоростей ролика и круга, равным 0,6...0,8. Интенсивность правки tп оценивается в мкм на оборот круга и принимается при черновой правке tп --0,8...1,0 мкм/об, а при чистовой tп =0,3...0,6 мкм/об.

Правка осуществляется до снятия заданного припуска. Величина t зависит от твердости и зернистости круга. Для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml 9... 12 структуры и

зернистостью 10, 25,40 оптимальное значение t соответственно составляет 0,05...0,08, 0,08...0,12, 0,25...0,3 мм. Меньшие значения соответствуют более твердым кругам (Ml), а большие -- мягким кругам (ВМ1). При правке второго круга направление вращения ролика реверсируется.

При правке с тангенциальным врезанием ролика (рис. 1.4, б) абразивный круг сразу подается на величину t и проходит под правящим устройством со скоростью Vc. Правящий ролик вращается только в одну сторону, а один из кругов реверсируется для обеспечения попутной правки. Интенсивность правки определяется по формуле:

где все обозначения взяты из рис. 1.4, б и должны иметь одну размерность.

Скорость движения стола Vc, из этой формулы определяют по заданной интенсивности правки.

Тангенциальная правка обеспечивает более плавное врезание алмазного ролика и является предпочтительной при однокруговой обработке.

Ряд поверхностей с точки зрения качества можно обработать только с непрерывной правкой, при которой профилирование круга происходит в течение всего процесса шлифования, то есть круг и ролик во время всего цикла обработки находятся в постоянном контакте (рис. 1.5)

Компенсация износа круга при этом также осуществляется непрерывно, поэтому, если алмазный ролик имеет подачу врезания Sпp, то она компенсируется подачей всей шлифовальной бабки на величину врезания и правки, то есть Sвp+ Sпp.

Благодаря непрерывной правке шлифование осуществляется при неизменном состоянии режущей поверхности круга. Несмотря на то, что расход абразивного круга увеличивается по сравнению с дискретной правкой в 1,5...2 раза, производительность повышается в 5 … 7 раз по сравнению с обычным глубинным шлифованием, снижаются температуры и силы резания.

Для достижения требуемой точности и качества обработки важен как выбор смазочно-охлаждающей жидкости, так и ее эффективное использование. Выбор СОЖ определяет характер температурно-деформационных явлений в зоне обработки, интенсивность протекания адгезионных и диффузионных процессов в зоне контакта круга с заготовкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшее применение при глубинном шлифовании нашел 1,5..2%-ный водный раствор эмульсола Аквол-2. Он содержит противозадирные хлорные и серные присадки, синтетическая смесь которых обеспечивает снижение интенсивности адгезионных и диффузионных явлений, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. Большой процент воды обеспечивает высокую эффективность отвода теплоты.

Перспективной является синтетическая СОЖ, представляющая собой 2...3%-ный раствор концентрата Аквол-10М, который содержит анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и жировые присадки. Применение этой СОЖ дает снижение шероховатости на 15...20% и сил резания на 10% по сравнению с СОЖ на основе Аквол-2.

Эффективное использование СОЖ обеспечивается системой ее подачи и очистки. СОЖ подается в зону обработки под давлением 0,5.. 0,6МПа с расходом 80...200 л в минуту на один круг. Положение охлаждающего и дополнительного очистного сопла относительно обрабатываемой заготовки автоматически сохраняется по мере изнашивания круга Бак для СОЖ вмещает не менее 1500...3000л и снабжен холодильным устройством для стабилизации температуры на уровне 20..30"С. Очистное устройство надежно задерживает любые частицы размером более 5.. 15 мкм.

В ряде случаев подача СОЖ интенсифицируется за счет дополнительной подачи ее на торцы круга с наложением ультразвуковых колебаний. При этом она попадает в поры круга и под действием центробежных сил проникает на периферию, очищая режущую поверхность и дополнительно охлаждая зону контакта круга с заготовкой.

Глубинное шлифование имеет такие особенности, обусловленные кинематикой и термодинамикой процесса, которые накладывают специфические требования к конструкции станков для глубинного шлифования. Опыт эксплуатации зарубежных станков, модернизация под условия глубинного шлифования ряда отечественных станков и создание собственного оборудования позволили ОАО «Рыбинские моторы» совместно с НИИД (г. Москва) разработать технические задания на разработку гаммы отечественных станков, обеспечивающих потребности отечественного авиационного двигателестроения.

Первыми были модернизированы плоскошлифовальные станки моделей ЗБ722 и ЗД722 производства Липецкого станкоинструментального завода. На них успешно внедрены в производство операции глубинного шлифования, контактных площадок турбинных лопаток с использованием прогрессивной схемы обработки сдвоенными кругами (рис. 1.6,) со стороны «спинки» и «корыта» одновременно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В условиях ограниченных производственных мощностей на этих станках одно время обрабатывались и елочные замки турбинных лопаток газоперекачивающих агрегатов. Были также модернизированы для глубинного шлифования елочных замков морально устаревшие станки фирмы «Матрикс» (Англия). На них была внедрена непрерывная правка кругов алмазными роликами с автоматической компенсацией размера, увеличена мощность главных приводов, переоборудована система подачи СОЖ.

Опыт модернизации станков дал возможность глубже исследовать ряд технических решений и заложить более обоснованные требования к ним во вновь разрабатываемых станках.

При создании промышленных моделей станков для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе большинство требований было выполнено.

Первым был создан одношпиндельный станок модели ЛШ-220 (рис. 1.7), который представляет собой полуавтомат с прямоугольным столом, горизонтальным шпинделем и четырехкоординатным устройством ЧПУ. Компоновка станка в сочетании с конструкцией

шпинделя на подшипниках качения обеспечивает высокую жесткость шлифовальной бабки. Применение в направляющих стола и салазок фторопластовой ленты, а также винтовых пар качения в механизмах вертикального и поперечного движения подач шлифовальной бабки и перемещения стола позволили достичь плавности рабочих перемещений и высокой точности изготовления деталей.Станок нашел широкое применение на заводах отрасли. Данный станок используется в технологическом процессе производства лопатки турбины ТНА.

Недостатком станка явилось не совсем удачное конструктивное решение правящего устройства и организации рабочей зоны, ограничивающей автоматизацию цикла обработки.

Станок ЛШ-233 представляет собой полуавтомат с ЧПУ для двухстороннего глубинного шлифования. Он предназначен для одновременного шлифования симметричных или несимметричных поверхностей заготовок различных деталей. Станок имеет непрерывную правку кругов непосредственно в процессе обработки, которая используется на черновых проходах. Перед чистовым рабочим ходом оба круга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1.7 Станок ЛШ-220:

1 - станина; 2 - стол; 3 - колонна; 4 - шлифовальная головка; 5 - система подачи и очистки СОЖ; 6 - пульт управления калибруются одним роликом, что гарантирует симметричность расположения профилей и высокую точность обработки.

Станок ЛШ-233 отвечает основным требованиям высокопроизводительного глубинного шлифования.

Некоторым конструктивным недостатком этих станков является весовая несбалансированность консольно расположенных электродвигателей привода шлифовальных кругов.

Существенным шагом в дальнейшем усовершенствовании одношпиндельных плоскошлифовальных станков является создание станка модели ЛШ-236.

Станок значительно превосходит своих предшественников по технологическим возможностям. Он обладает повышенной жесткостью, быстроходностью на холостых ходах, имеет большую по высоте зону обработки.

Наличие круглого рабочего тактового стола позволяет производить предустановку деталей во время рабочего цикла, что повышает производительность и дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки.

Для расширения области применения методов профильного шлифования с непрерывной правкой кругов при обработке поверхностей сопловых лопаток турбин предназначен карусельно-шлифовальный станок ЛШ-278.

Станок может работать в широком диапазоне режимов, в том числе и в режиме глубинного шлифования, имеет дополнительный высокоскоростной шпиндель для формирования канавок и резцедержатель для их подправки резцом в режиме точения.

1.6 Алмазные ролики для правки

Алмазные ролики являются профильным инструментом для правки шлифовальных кругов. Они применяются во всех операциях глубинного шлифования в техпроцессе производства турбинной лопатки. На листе № 4 графической части приведены чертежи роликов для операций 25 , 50 и 70. Данные ролики изготовлены немецкой фирмой "Wendt". Отличие алмазных роликов этой фирмы от отечественных аналогов в том, что стойкость составляет от 50000 до 180000 условных правок, когда этот показатель для отечественных роликов составляет 10 000-40 000 правок.

Подобные документы

Технологический процесс изготовления лопатки турбины ТНА. Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов. Способы изготовления алмазных роликов для правки. Основы процесса гидродробеструйного упрочнения. Описание модулей пакета программ CATIA.

дипломная работа , добавлен 18.04.2014


Проектирование проточной части авиационного газотурбинного двигателя. Расчёт на прочность рабочей лопатки, диска турбины, узла крепления и камеры сгорания. Технологический процесс изготовления фланца, описание и подсчет режимов обработки для операций.

дипломная работа , добавлен 22.01.2012


Технологический процесс изготовления детали "Корпус". Расчет припусков на механическую обработку. Нормирование технологического процесса. Станочные и контрольные приспособления. Исследование автоколебаний технологической системы на операции шлифования.

дипломная работа , добавлен 17.10.2010


Характеристика материала для изготовления металлической скамейки. Подготовка металла к сборке и сварке. Технологический процесс изготовления. Оборудование сварочного поста ручной дуговой сварки. Расчет штучного времени на изготовление металлоконструкции.

дипломная работа , добавлен 28.01.2015


Чертеж детали для малосерийного производства, технологический процесс её изготовления. Краткое описание используемого метода, грамматики с фазовой структурой. Анализ технологического процесса и его описание с точки зрения метода языков и грамматик.

контрольная работа , добавлен 09.07.2012


Виды мороженого по способам выработки: закаленное, мягкое, домашнее. Приготовление смеси для производства мороженого, ее фильтрование и гомогенизация. Процесс фризерования и закаливания. Выпечка вафельных стаканчиков. Дозирование и расфасовка продукта.

презентация , добавлен 30.03.2017


Метод выполнения заготовок для деталей машин. Технологический процесс обработки детали класса вал. Схема базирования заготовки на токарной операции. Принцип действия двухстороннего фрезерно-центровального полуавтомата. Нормирование процесса изготовления.

курсовая работа , добавлен 03.03.2014


Граничные условия теплообмена на наружной поверхности и в каналах охлаждаемой лопатки авиационного газотурбинного двигателя. Выбор критической точки лопатки и предварительная оценка ресурса. Расчет температур и напряжений в критической точке лопатки.

курсовая работа , добавлен 02.09.2015


Расчёт и профилирование рабочей лопатки ступени компрессора, газовой турбины высокого давления, кольцевой камеры сгорания и выходного устройства. Определение компонентов треугольников скоростей и геометрических параметры решеток профилей на трех радиусах.

курсовая работа , добавлен 17.02.2012


Технологические процессы и оборудование основных производств предприятия, основное и вспомогательное технологическое оборудование. Оборудование и технологии очистки выбросов, переработки и обезвреживания отходов. Управление технологическими процессами.