Совершенствование технологии термопластического упрочнения лопаток газотурбинных комплексов на основе регулируемой системы охлаждения Карпов, Александр Вячеславович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Упрочнение ряда деталей газотурбинных двигателей (ГТД), таких как лопатки, диски, дефлекторы имеет большое значение не только для авиационной промышленности, но и для газодобывающей отрасли, где используются газоперекачивающие агрегаты (ГПА), в основу работы которых положен принцип работы ГТД.

К числу наиболее нагруженных и ответственных деталей ГТД относятся лопатки роторов турбины и компрессора, от качества работы которых зависят надежность и экономичность изделия. Рабочие лопатки испытывают значительные осевые и радиальные нагрузки. Перо лопаток помимо растяжения от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывает переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых меняются в широких пределах. Кроме того, лопатки работают при высоких температурах, снижающих сопротивление усталости материала.

Из ранее сказанного вытекают определенные требования к материалам лопаток ГТД, а также предъявляются высокие требования к технологии изготовления, в частности, к последующей механической или термомеханической обработке, существенно влияющей на состояние поверхностного слоя.

Как показали исследования И.А. Биргера, Л.Б. Гецова, Н.Н. Давиденкова, Ф.И. Демина, С.Т. Кишкина, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, И.А. Одинга, А.В. Подзея, А.М.Сулимы, А.А. Чижика и других ученых, поверхностный слой влияет на сопротивление усталости лопаток, на долговечность их работы, и, следовательно, на надежность и ресурс двигателя.

Установлено, что для повышения сопротивления усталости лопаток ГТД, работающих при высоких температурах, в поверхностном слое должны быть сформированы остаточные напряжения сжатия. При этом большое значение имеет минимизация деформационного упрочнения (наклепа). Данное требование вызвано тем, что наличие значительной пластической деформации в поверхностном слое в условиях длительного воздействия на лопатки ГТД высоких температур, приводит к резкому увеличению диффузионной подвижности атомов, ускоряя процессы возврата, рекристаллизации и т.д. Указанные обстоятельства заставляют изыскивать новые методы упрочняющей обработки, которые бы удовлетворяли всем эксплуатационным и технологическим требованиям производства. Одним из них является метод термопластического упрочнения (ТПУ), предложенный д.т.н., профессором, заслуженным деятелем науки и техники РФ Б. А. Кравченко. Дальнейшее развитие ТПУ получило в работах: Вишнякова М.А., Горелова В.В., Костиной Г.Н., Круци- ло В.Г., Медведева С.Д., Уютова А.А. и др. Однако в этих работах ТПУ проводилось на установках с нерегулируемой системой охлаждения, что не позволяло обеспечить равномерное охлаждение всей поверхности упрочняемой детали. От способа охлаждения зависит качество упрочнения, поэтому разработка регулируемой системы охлаждения, позволяющей оптимизировать процесс охлаждения, является актуальной задачей.

Метод ТПУ, обеспечивающий формирование благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое детали при минимальных величинах деформационного упрочнения, является одним из наиболее перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД.

Диссертационная работа посвящена решению задачи увеличения долговечности рабочих лопаток ГТК за счет оптимизации процесса охлаждения при ТПУ на основе применения регулируемых систем, способствующих формированию благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое лопаток ГТК.

Объект исследования. Объектом исследования являются лопатки второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10.

Цель работы. Повышение долговечности рабочих лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 на основе совершенствования технологического метода термопластического упрочнения.

Для достижения приведенной цели сформулированы следующие задачи:

1. На основе критериев подобия гидрогазодинамики уточнить методику определения коэффициента теплоотдачи при проведении ТПУ с нерегулируемыми и регулируемыми системами охлаждения. В программном пакете Ansys Workbench произвести расчет температурных полей, напряжений и деформаций со значениями коэффициента теплоотдачи, рассчитанными по уточненной методике.

2. Разработать новую конструкцию установки для термопластического упрочнения с регулируемой системой охлаждения, исходя из сравнительных эксплуатационных характеристик ранее разработанных установок для термопластического упрочнения.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния регулируемой системы охлаждения на формирование теплового поля и напряженно-деформированного состояния в поверхностном слое деталей при термопластическом упрочнении.

4. Определить рациональные условия процесса ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.

5. Произвести металлографический анализ образцов прошедших термопластическое упрочнение на новой установке с регулируемой системой охлаждения до и после усталостных испытаний

Методы исследований. Проведенные в работе исследования формируются на основе критериев подобия гидрогазодинамики, статики, термической обработки. Для компьютерных исследований использовались программные пакеты Mathcad и Ansys.

Экспериментальная часть работы содержит исследования: величин (значений) остаточных напряжений, сформированных в поверхностном слое упрочненных образцов, с использованием метода Давиденкова Н.Н.; результатов испытаний на усталость, проведенных в соответствии с едиными техническими условиями на усталостные испытания лопаток газотурбинных установок; металлографического анализа образцов, подверженных термопластическому упрочнению, до и после испытаний на усталость.

Достоверность результатов. Достоверность приведенных в диссертационной работе результатов обеспечивается строгостью применяемого математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, корреляцией результатов, полученных эмпирическим и расчетным путем.

Результаты, выносимые на защиту

5. 1. Уточненная методика определения коэффициента теплоотдачи при термопластическом упрочнении лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10.

   2. Рациональный режим метода ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.

   3. Результаты экспериментальных исследований температурных полей, напряжений и испытаний на усталость.

   4. Результаты металлографического исследования поверхностного слоя образцов из жаропрочных сплавов.

   Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

   5. 4. 1. Уточнена методика определения коэффициента теплоотдачи при проведении ТПУ изделий из жаропрочных сплавов.

         2. Определен рациональный режим метода ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.

         3. Получены новые результаты экспериментальных исследований температурных полей, напряжений и испытаний на усталость.

         4. Получены результаты металлографического исследования структуры поверхностного слоя упрочненных образцов из жаропрочных сплавов

         Практическая ценность Разработана новая конструкция установки для термопластического упрочнения деталей, позволяющая производить охлаждение деталей в свободном падении с использованием регулируемых систем охлаждения. - Уточненная методика определения коэффициента теплоотдачи и результаты расчета температурных полей, напряжений и деформаций позволяют проводить анализ параметров метода ТПУ, оценивать его эффективность и обосновывать рекомендации по выбору оптимальных режимов ТПУ.

         Реализация результатов

         Результаты работы использованы при разработке, изготовлении и испытании опытных установок для ТПУ турбинных лопаток ГТК-10 для ДОАО «Центрэнергогаз» ОАО "Газпром", а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях.

         Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на ежегодной Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении" (СамГТУ, г. Самара, 2002...2011 гг.); на Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (СГАУ, г. Самара, 2009, 2011 гг.); в производственно-техническом предприятии ДОАО «Центрэнерго- газ» ОАО "Газпром"; на расширенном заседании кафедры "Инструментальные системы и сервис автомобилей" СамГТУ.

         Публикации. Материалы диссертации отражены в 30 опубликованных работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 5 статей. Получен патент № 101447 РФ на полезную модель от 20.01.2011 «Установка для термопластического упрочнения деталей»

         Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём диссертации составляет 204 страницы, включая 69 рисунков, 9 таблиц и 4 приложения. Перечень источников включает 102 наименования.

         Похожие диссертации на Совершенствование технологии термопластического упрочнения лопаток газотурбинных комплексов на основе регулируемой системы охлаждения

         

         Повышение эффективности поверхностного упрочнения ремонтных лопаток газотурбинного комплекса на основе прогнозирования релаксационной стойкости остаточных напряженийКротинов Николай Борисович

         

         Повышение долговечности буровых шарошечных долот на основе совершенствования технологии сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубкамиКремлёв Виталий Игоревич

         

         Совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей "тело вращения" на основе применения ультразвукового упрочнения и поверхностно-активных веществКудашева Ирина Олеговна

         

         Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения на основе комплексного применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционных материаловГоршков Евгений Александрович

         

         Совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционных материаловМарьина Надежда Леонидовна

         

         Совершенствование технологии изготовления высоконагруженных резьбовых соединений атомных энергоустановок типа бн-800, бн-1200Котов Игорь Владимирович

         Повышение производительности процесса и качества поверхностей деталей судовых машин и механизмов при регуляризации микрорельефа на основе совершенствования технологии и оснасткиИвахненко, Николаи Николаевич

         Повышение качества конических подшипников путем совершенствования технологии окончательной обработки дорожек каченияРахчеев, Валерий Геннадьевич

         Совершенствование технологии нанесения твердого антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействияНосков, Александр Сергеевич

         

         Повышение производительности и качества изготовления лопаток компрессора ГТД за счет совершенствования технологии круговой электрохимической обработкиОрлов Александр Алексеевич