Повышение сопротивления усталости лопаток газоперекачивающего агрегата ГТК-10 за счет оптимизации процесса термопластического упрочнения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

выбор технологической схемы и режимов ЭЭО. Современные генераторы импульсов позволяют достаточно эффективно производить обработку одиночных и групповых отверстий, если их глубина не превышает 10-15 диаметров. При многоэлектродной обработке увеличивается производительность процесса, однако возникают проблемы с изготовлением многоэлектродного инструмента и реализацией ЭЭО. Поэтому сегодня перед машиностроительным производством стоит задача изыскания новых высокоэффективных процессов ЭЭО.

Но для повышения точности и качества обработки различных поверхностей и прецизионных отверстий, в частности, необходимо решить следующие задачи:

- разработать научные принципы формирования структуры в поверхностном слое при воздействии высококонцентрированных источников энергии на поверхность деталей;

- разработать алгоритм выбора режимов обработки для обеспечения заданных эксплуатационных параметров поверхностного слоя;

- разработать технологию повышения качества рабочих поверхностей отверстий при ЭЭО.

Электроэрозионная обработка вот уже несколько десятилетий позволяет машино- и приборостроителям решать сложные технологические задачи при изготовлении деталей сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов. ЭЭО позволяет конструкторам и технологам выбрать оптимальный вариант конструкции, материал детали и режим технологического процесса. С помощью этих методов существенно повышается качество и точность обработки материалов. Именно поэтому необходимо далее развивать данное техническое направление, решая необходимые задачи по усовершенствованию элктроэрозионной обработки.

S. N. Karpenyuk JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant», Russia, Krasnoyarsk

INCREASE OF THE EFFICIENCY OF ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING OF PRECISION HOLES AND THE QUALITY OF THEIR SURFACE

The article outlines the main problems at use of critical technology of EDM in manufacture of parts and units of RST.

© KapneHTOK C. H., 2011

УДК 621.892

А. В. Карпов

Самарский государственный технический университет, Россия, Самара

ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ЛОПАТОК ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА ГТК-10 ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО

УПРОЧНЕНИЯ

Приведены результаты исследования остаточных напряжений, усталостных испытаний образцов, выполненных из сплава ЭИ893, вырезанных электроискровым способом из пера лопатки второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10, предварительно подвергнутой термопластическому упрочнению.

Упрочнение ряда деталей газотурбинных двигателей (ГТД), таких как лопатки, диски, имеет большое значение не только для авиационной промышленности, но и для газодобывающей отрасли, где используются газоперекачивающие агрегаты (ГТК).

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.

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

Решетневскце чтения

обработки, которые бы удовлетворяли всем эксплуатационным и технологическим требованиям производства. Одним из таких способов является метод термопластического упрочнения (ТПУ), предложенный академиком РАЕН, доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РФ Борисом Алексеевичем Кравченко [1].

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. Суть ТПУ заключается в нагреве детали до температуры начала термопластических деформаций с последующим резким душевым (спрейерным) охлаждением.

Объектом исследования являются рабочие лопатки второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, которые обладают существенными геометрическими параметрами: рабочая длина составляет 243,4 мм, ширина лопатки в корневом сечении - 70 мм и, как следствие, лопатки имеют большую массу -1,5 кг. Поэтому для упрочнения таких деталей, как лопатки второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, была разработана новая конструкция установки для термопластического упрочнения [2].

Режим упрочнения лопаток определялся исходя из опыта предыдущих работ [1] и с учетом конструктивных требований спроектированной установки для ТПУ, а также формы и размеров упрочняемых деталей. Таким образом был обоснован выбор доверительного интервала температуры нагрева упрочняемых деталей, который варьируется от 600 до 800 °С (как наиболее рациональный при упрочнении деталей из жаропрочных сплавов согласно [1]), а также был определен оптимальный интервал давления охлаждающей жидкости (воды) от 0,5 до 0,6 МПа [3]. Как показали экспериментальные исследования, для лопаток второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, изготовленных из сплава ЭИ893 при ТПУ, оптимальная температура нагрева составляет 700-750 °С. Давление охлаждающей жидкости, в вихревой поток которой падает лопатка, необходимо увеличить до 1-1,5 МПа [2].

Из средней части пера упрочненных лопаток электроискровым способом на электроэрозионном станке модели 4В721 вырезали образцы в зоне выходной кромки лопатки, являющейся самым слабым местом, и определяли величину и знак остаточных напряжений в осевом направлении образца у Zes. После чего проводилось исследование остаточных напряжений на образцах толщиной ~ 4 мм. Остаточные напряжения определялись на установке ПИОН-2 методом академика Давиденкова Н. Н. (рис. 1).

Усталостные испытания упрочненных лопаток проводились в лаборатории Самарского научно-инженерного центра АПИДМ. Усталостные испытания упрочненных лопаток проводились в соответствии с «Едиными техническими условиями на устало-

стные испытания лопаток газотурбинных установок» НД 631.301.0216-03-98 на электромагнитном вибростенде ЭМВС-1 с указанной ранее наработкой. База N = 107 циклов, температура составляла 20 °С. (рис. 2).

I

I g-

г

0,5 1

Глубина слоя. мм

Рис. 1. Результаты остаточных напряжений образцов: 1 - ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения; 2 - ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения

т

300

М 200 1

100

1 1""-- /

—

3

I d

Ю Ю- 10' 2-10'

Число циклоЬ N

Рис. 2. Результаты усталостных испытаний лопаток 1 - ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения; 2 - ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения; 3 - без упрочнения

Таким образом, при испытаниях были получены следующие результаты:

- экспериментально установлены оптимальные режимы упрочнения;

- представлены результаты исследования остаточных напряжений;

- приведены результаты усталостных испытаний образцов, выполненных из сплава ЭИ893.

Библиографические ссылки

1. Кравченко Б. А., Круцило В. Г., Гутман Г. Н. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: монография. Самара : Самар. гос. технич. ун-т, 2000.

2. Пат. 101447 РФ, (51) МПК С2Ю 9/00 (2006. 01). Установка для термопластического упрочнения деталей / А. В. Карпов, С. А. Папчихин ; № 2010126356 ; опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2.

3. Пат. 2143011 РФ, (51) МПК6 С22Р1/10. Способ повышения циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля / Б. А. Кравченко ; № 96113810/02 ; опубл. 20.12.1999.

4. Пат. 2170272 РФ, (51) МПК7 С2Ю9/00, С2Ш1/62, С2Ш1/10. Установка для термопластического упрочнения лопаток / Б. А. Кравченко, Н. И. Россеев, В. Г. Круцило и др. ; № 2000116938/02 ; опубл. 10.07.2001, Бюл. № 19.

A. V. Karpov Samara State Technical University, Russia, Samara

IMPROVEMENT OF FATIGUE RESISTANCE OF BLADES OF GAS PUMPING UNIT OF GTK-10 WITH OPTIMIZED PROCESSES THERMOPLASTIC HARDENING

The authors present the results of a study of residual stresses, fatigue testing, and microstructure of samples of alloy EI893 cut electric spark method from the blade the second stage gas compressor unit of GTK-10, previously subjected to thermoplastic reinforcement at the facility with controlled cooling system

© Карпов А. В., 2011

УДК 621.798.1-034

Е. А. Клипов, А. Ш. Герюков, М. А. Лубнин ОАО «Красноярский машиностроительный завод», Россия, Красноярск

В. В. Богданов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИАЦИОННО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЙ

Предложен метод неразрушающего контроля с использованием генерации акустических волн в металлах при помощи импульсных пучков электронов. Показано применение данного метода для измерения толщины изделий, выполненных из токопроводящих немагнитных материалов.

Метод генерации акустических колебаний пучками электронов обеспечивает формирование УЗ импульсов малой длительности, порядка десятков наносекунд с весьма крутыми фронтами, что чрезвычайно важно для повышения точности измерений [1]. При измерении акустических импульсов, возбуждаемых в образцах, выполненных из сплава АМг-6, толщиной 18 мм длительность импульса тока ускорителя составляла 10 нс, а длительность генерируемого акустического импульса, зависящая от глубины проникновения электронов в тело мишени, была примерно равна 50 нс. Расстояние между импульсами составило примерно 5,75 мкс, что равно двойному времени пробега акустической волны в мишени (см. рисунок).

Радиационный метод генерации УЗ колебаний обеспечивает дистанционное возбуждение стабильных акустических импульсов с параметрами, слабо зависящими от качества контролируемой поверхности. Указанные преимущества радиационно-акусти-ческого метода положены в основу разработанного бесконтактного УЗ толщиномера для контроля изделий из токопроводящих немагнитных материалов. В качестве генератора акустических импульсов использован малогабаритный импульсный ускоритель электронов. Длительность импульса тока электронов

составляет 10 нс, средняя энергия электронов в спектре - 0,2 МэВ, частота следования токовых импульсов -10 Гц, радиус выведенного пучка электронов - 3 мм, максимальное расстояние, на котором возможна эффективная генерация УЗ колебаний - около 60 мм. Минимальная толщина контролируемых изделий, изготавленных из алюминиевых сплавов, зависящая от глубины проникновения электронов в вещество изделия, составляет 0,3 мм.

А

Осциллограммы зарегистрированных акустических импульсов, генерируемых пучком электронов в образцах, выполненных из сплава АМг-6, толщиной 18 мм

В основу принципа измерения времени пробега акустическим импульсом пути, равного толщине из-