Введение к работе
Актуальность темы. В современных конструкциях вентиляторов авиационных двигателей широкое применение находят крупногабаритные широкохордные лопатки, позволяющие существенно повысить аэродинамические характеристики вентилятора, увеличить тягу и в целом повысить эффективность газотурбинного двигателя (ГТД).
Производство лопаток данного класса по традиционным технологиям, включающим в себя изготовление штамповкой заготовки лопатки с закруткой профиля пера и припусками по перу и замку, с последующим удалением припусков обработкой резанием, электрофизическими и иными методами, отличается значительной трудоёмкостью и металлоёмкостью. Для повышения рентабельности производства авиационных двигателей, снижения трудоёмкости производства крупногабаритных лопаток ГТД на ОАО «НПО «Сатурн» предложен новый метод построения технологических процессов их изготовления, сущность которого заключается в изготовлении штамповки лопатки без закрутки пера, удалении основного припуска и выполнении горячей закрутки сечений пера с последующими операциями изотермической термофиксирующей калибровки и отделочными операциями рабочих поверхностей лопатки.
Однако имеющиеся отдельные экспериментальные материалы по применению закрутки пера, как вспомогательной доводочной операции при изготовлении лопаток, не позволяют разработать научно обоснованные рекомендации для проектирования технологических процессов производства штампованных заготовок лопаток с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции. Также, практически не изучено влияние процесса горячей закрутки на служебные характеристики лопаток. Разработка методики проектирования технологических процессов и оборудования для производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции, является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности производства крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД посредством разработки теоретических основ операции горячей закрутки пера лопаток и ее применении в технологическом процессе изготовления штампованных заготовок.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать математическую модель горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине.
-
Разработать методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для анализа деформированного состояния лопаток ГТД при горячей закрутке пера.
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса горячей закрутки пера лопатки ГТД с аэродинамическими, переменными по длине сечениями, выполнить анализ деформированного состояния образцов и определить основные энергосиловые параметры реализации процесса.
-
Провести металлургические исследования для определения влияния технологических факторов горячей закрутки пера на служебные характеристики и свойства лопаток.
-
На основе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, разработать технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с применением горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции.
-
Разработать технические требования и принципиальные схемы оборудования для реализации процесса горячей закрутки пера лопаток ГТД.
Методы исследований и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием энергетического метода (метода баланса мощностей). Экспериментальные исследования проводились на основе теории инженерного эксперимента с проверкой адекватности теоретических зависимостей реальным процессам деформирования. Результаты экспериментов обрабатывались методом наименьших квадратов. Относительная погрешность результатов расчетов и экспериментов, по определению силовых параметров процесса, не превышает 20%. Обоснованность и достоверность полученных результатов, научных положений и выводов обеспечиваются: использованием фундаментальных положений теории упругости и пластичности, обработки металлов давлением, сопротивления материалов, теоретической механики, статистической обработкой экспериментальных данных, удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных исследований, а также совпадением с результатами численного моделирования методом конечных элементов.
Автор защищает:
- основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке стержней с аэродинамическими, переменными по длине сечениями;
- методику обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке стержней с сечениями аэродинамического профиля;
- разработанные, на базе проведенных теоретических, экспериментальных и металлургических исследований, технологические схемы процесса изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД, с использованием горячей закрутки пера, как базовой формообразующей операции;
- разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине:
- получены основные уравнения и соотношения, необходимые для расчета силовых параметров при горячей закрутке пера лопаток ГТД;
- разработана методика обработки экспериментальных данных на основе метода делительных сеток для определения деформированного состояния при закрутке пера лопаток ГТД.
Практическая ценность. На основе выполненных экспериментальных и металлургических исследований, проводимых на образцах-лопатках из титанового сплава ВТ6, установлено, что введение в технологический процесс изготовления штампованных заготовок операции горячей закрутки пера, не ухудшает служебные характеристики и свойства лопаток.
Разработанная прикладная программа для расчета деформаций по методу делительных сеток в условии решения пространственной задачи (операции закрутки) позволяет существенно снизить трудоемкость обработки экспериментальных данных.
Для предприятий авиадвигателестроительной отрасли, в зависимости от уровня развития кузнечно-штамповочного производства, предлагаются две технологические схемы изготовления крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД, позволяющие существенно снизить трудоемкость производства лопаток данного класса.
Разработанные принципиальные схемы установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД, могут служить основой для создания полупромышленного оборудования.
Реализация работы. Теоретические исследования по определению силовых параметров процесса горячей закрутки стержней с сечениями аэродинамического профиля, переменными по длине, использованы при проектировании установок для реализации процесса горячей закрутки профиля пера лопаток ГТД на ОАО «НПО «Сатурн». Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Ковка и объемная штамповка», «Технология обработки авиационных материалов», «Специальные способы штамповки авиационных материалов».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Жуковский, 2007 г.); на IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2007 г.); на научно-практической конференции, посвященной 50-летию основания кафедры «Авиационные двигатели» «Актуальные проблемы двигателестроения» (Рыбинск, 2007 г.), на IV Всероссийской ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов, посвященная 83-й годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2008).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 1 статье в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК; 1 заявке на изобретение; 1 статье материалов Международного молодежного форума; 1 статье сборника трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов; 1 тезисе доклада Всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и трех приложений, изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 100 формул, 10 таблиц, 117 рисунков.
Похожие диссертации на Исследование технологического процесса изготовления штампованных заготовок крупногабаритных широкохордных лопаток ГТД с использованием операции горячей закрутки пера
