CC BY
105
УДК 621.452
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВНЕДРЕНИЯ ПРОГРЕССИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В СЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА «НК»
© 2011 Е. И. Алексенцев, И. Л. Шитарев, В. П. Курбатов, Е. А. Гриценко
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
Определены комплексные научно-технические требования к организации серийного производства двигателей и условия, предопределяющие необходимость разработки новых технологических процессов изготовления. Показана эффективность новых процессов. Реализация комплекса прогрессивных процессов изготовления деталей и узлов позволила получить существенное повышение технических характеристик двигателей семейства «НК», их высокие эксплуатационную надёжность и ресурс.
Газотурбинный двигатель, энергетическое машиностроение, опыт изготовления двигателя различного назначения, технико-экономические показатели, характеристики двигателя, сравнение с западными двигателями.
Газотурбинные двигатели (ГТД) семейства «НК» широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в авиации, газовой и нефтяной промышленности и энергетике.
Особое место занимает оборонная про -мышленность.
На рис. 1-3 показано применение различных моделей двигателей в авиации.
Рис. 2. Двигатель НК-8-4 и самолёт Ил-62
Рис. 1. ТВД НК-12МП и бомбардировщик Ту-95МС
Создание ГТД требует решения сложной комплексной научно-технической проблемы, в том числе на этапе освоения их изготовления и организации серийного производства.
Рис. 3. ТРДДФ НК-32 и самолет Ту-160
Ввиду различного назначения двигателей «НК» к ним соответственно предъявляются и различные требования по эксплуатации, что обуславливает различные технологии их изготовления.
Наиболее нагруженными узлами в ГТД являются роторы компрессора и турбины вследствие воздействия на них высоких оборотов (до 20000 об/мин), давлений (до 30 атм) и температур (до 1600 К).
В роторах самыми сложными по конструкции являются лопатки, диски и валы. Поэтому в процессе производства двигателей наибольшую сложность вызывают именно их технологии изготовления.
На рис. 4 и 5 показаны роторы компрессора и турбины, конструкция которых вызывает сложность их изготовления.
б
Рис. 4. Ротор компрессора двигателя НК -12 МП: общий вид ротора (а) и ротор на балансировочной машине ДБ-1001 (б)
На примерах изготовления деталей этих узлов - лопаток, дисков и валов - показаны разработанные новые высокоэффективные процессы изготовления, в том числе высокоскоростная штамповка и шлифование компрессорных лопаток и дисков с постоянным удельным давлением режущего инструмента, литьё турбинных лопаток с направ-
ленной кристаллизацией и из монокристалла и финишная обработка лопаток и валов микрошариками и абразивно-жидкостной смесью во взвешенном состоянии.
б
Рис. 5. Вид ротора турбины двигателя НК -12 МП: под углом к оси вала (а) и в плоскости оси вала (б)
Уникальность конструкции и прогрессивность технологии изготовления двигателей НК-12 подтверждается их эксплуатацией в течение многих десятилетий и по настоящее время на самолётах Ту-22, Ту-95, Ту-126, Ту-142, Ан-22. Двигатели НК-8 с модификациями широко эксплуатируются на самолётах Ил-62 и Ту-154.
Особо следует отметить создание многорежимного двухконтурного турбовентиляторного трёхвального двигателя с форсажной камерой для стратегического бомбардировщика Ту-160 (рис. 3). Уникальность его конструкции и технические характеристики двигателя позволили завоевать ему конкурентную приоритетность в мировом двигателестроении.
Однако это обусловило большие сложности в его изготовлении вследствие:
• сложной конфигурации лопаток компрессора (длина 15-500 мм, хорда до 160
мм, угол закрутки пера до 60°, его переменность),
• сложной конфигурации внутренних полостей охлаждаемых турбинных лопаток,
• большой длины (до 2500 мм) и малой толщины стенки (менее 10 мм) валов,
• малой толщины полотна дисков компрессора и турбины,
• больших диаметров силовых базовых колец,
• многоступенчатости компрессора и турбины,
• больших габаритов двигателей.
В процессе освоения серийного производства двигателей «НК» были разработаны прогрессивные процессы:
• высокоскоростная штамповка лопаток компрессора (ВСШ),
• адаптивный управляемый автоматически процесс шлифования,
• управляющие методы обработки наиболее ответственных деталей микрошариками,
• процессы изготовления лопаток турбины с внутренним охлаждением,
• изготовление силовых колец.
Суть ВСШ состоит в разработке метода высокоскоростной штамповки лопаток выдавливанием из мерной (по объёму и весу) заготовки в закрытом штампе за один рабочий приём. При этом скорость истечения материала (штамповки лопаток) в матрицу выбирается на 15-20% ниже критической, при которой возможен отрыв пера от замка, а после выдавливания заготовки выдерживается усилие, возникающее от термических напряжений, что предотвращает коробление пера.
Рис. 6 и 7 иллюстрируют схему штамповки заготовки лопатки и упругих перемещений элементов штампа.
На рис. 8 показаны заготовки ВСШ. Упрочняющие операции выполняются с целью повышения прочностных свойств материала поверхностного слоя посредством осуществления его пластической деформации от воздействия силы удара микрошариками. Упрочнению микрошариками подвергаются лопатки компрессора и турбины, полотна дисков.
стку
повой оснастки
После «жесткого» упрочнения поверхностей микрошариками выполняется «мягкая» обработка поверхностей абразивным порошком в сжатой жидкостной среде.
Рис. 8. Заготовки лопаток компрессора НК - 25, изготовленные методом ВСШ
На рис. 9 показаны отличия процессов шлифования по жесткой и адаптивной схемам.
1 — лопатка обрабатываемая; 2,3 — круги алмазные;
Япр - подача продольная; 5;шр - подача поперечное (угловая);
V - скорость резания; Р - сила прижима круга к перу лопатки; О, - О1 - ось планшайбы; ОТ - ось шпинделя; 01, - ось лопатки
а) Схема шлифования
Упругая схема
б) Схемы удаления припуска
Рис. 9. Схема шлифования пера лопатки на станке типа СПЛ
Рис. 10 иллюстрирует заготовки лопаток, полученных ВСШ с обработкой на станках типа СПЛ.
Рис. 10. Заготовки лопаток, полученных методом ВСШ, и их вид после обработки на станке СПЛ-3К
Усталостная прочность лопаток полученных ВСШ и обработанных на станках СПЛ, повышается (рис. 11).
Рис. 11. Кривые усталостной прочности лопаток из различных .материалов после шлифования на станке мод, СПЛ-ЗК (а) и лопаток из ВТ9 после обработки по различным схемам (б)
Упрочняющие методы обработки микрошариками формируют в поверхностном слое сжимающие остаточные напряжения в
лопатках и дисках (рис. 12).
Полотно диска (в радиальном направлении)
1?0 ПКМ
* обр /?-/ х-оф/?-2 э — обр 9~3
Рис. 12. Эпюры остаточных напряжений после упрочнения микрошариками
Из-за большой длины валов их обработка производится на специальном оборудовании (рис. 13).
Рис. 13. Обработка вала на специальном станке
На рис. 14 показана установка абразивно-жидкостной обработки пазов дисков тур -бины.
Рис. 14. Диск турбины и общий вид установки «АЖО» для обработки дисков турбины
Новизна и уровень эффективности разработанного научно-технологического комплекса подтверждены конкретными техническими разработками и широтой охвата различных проблем, в том числе:
а) совершенствованием конструкции лопаток, дисков и валов с целью повышения
надежности их работы и повышения технологичности их изготовления;
б) освоением в производстве технологии изготовления новых конструктивных элементов указанных деталей;
в) разработкой принципиально новых базовых процессов изготовления лопаток дисков и валов и типов оборудования для их реализации;
г) нахождением закономерностей прохо-ждения процессов в материалах деталей при выполнении основных базовых операций;
д) совершенствованием схем и кинематики разработанных процессов и оборудования;
е) повышением уровня механизации и автоматизации выполнения процессов при изготовлении деталей;
ж) подтверждением положительных технико-экономических аспектов при реализации разработанного технологического комплекса;
з) созданием конкурентоспособной научно-технической основы в разработанном технологическом комплексе.
В процессе проектирования ГТД задаются технические характеристики двигателей на основе всесторонних расчетов - тепловых, газодинамических и прочностных, а также циклов работы двигателей в целом и компьютерного моделирования работы двигателя на различных режимах и, в ряде случаев, натурных испытаний основных элементов и узлов двигателей.
Безусловно, отправными данными при этом являются технические условия по эксплуатации, задаваемые заказчиком двигателей. Изготовление лидерных образцов ГТД и их испытания позволяют определить первичные технические характеристики. Последующая доводка и эксплуатация двигателей позволяют «наращивать» технические характеристики, которые уже классифицируются как эксплуатационные. Безусловно, технические и эксплуатационные характеристики отличаются для двигателей различного назначения.
Улучшение эксплуатационных характеристик авиационных двигателей осуществляется за счет:
• конструктивных изменений двигателей;
• улучшения технологии серийного изготовления двигателей;
• организационных мероприятий по эксплуатации двигателей;
• других мероприятий, выполняемых в рамках программ «Обеспечение надежности» и «Безопасность полетов».
Реализация научно-технического комплекса при серийном освоении двигателей позволила в целом:
• увеличить до 2,5 раз ресурсы двигателей, как межремонтный, так и назначенный;
• значительно улучшить параметры надежности двигателей;
• существенно улучшить удельные параметры двигателей, что ставит их в один ряд с наилучшими образцами в мире;
• увеличить межрегламентный период обслуживания двигателей, что существенно снижает эксплуатационные расходы;
• обеспечить показатели надежности двигателей на уровне ТУ.
Наиболее распространенными из эксплуатирующихся авиационных двигателей семейства «НК» является двигатель «НК-25». На примере этого двигателя можно показать влияние внедряемых конструктивнотехнологических мероприятий на изменение характеристик двигателей.
Так, в 1990 году межремонтный ресурс двигателя был увеличен с 400 до 625 часов и гарантийный срок эксплуатации с 8 до 10 лет. Необходимо учесть, что на момент освоения этого двигателя на серийном заводе в 1988 году ресурс его составлял всего 100 часов.
В 1997 году межремонтный ресурс был установлен 1250 часов, гарантийный срок эксплуатации и хранения 18 лет. На сегодня гарантийный срок эксплуатации составляет 21 год.
Аналогичный порядок назначения ресурсов и контроля состояния был применен и на авиационных двигателях «НК-32». Так, в 1992 году межремонтный ресурс двигателей составил 400 часов и срок эксплуатации
и хранения 8 лет. В 1996 году межремонтный ресурс был установлен 10 лет.
В 2001 году межремонтный ресурс уже достиг уровня 1000 часов, а гарантийный срок эксплуатации и хранения 12 лет. На сегодня срок эксплуатации и хранения этих двигателей составляет 21 год.
Особо следует отметить повышение ресурса НК-25 и НК-32:
• внедрение рабочей лопатки турбины с вихревой матрицей позволило довести ресурс до капитального ремонта с 300 до 750 часов;
• разработка и внедрение теплозащитного покрытия турбинных лопаток позволило увеличить ресурс до капитального ремонта до 1250 часов;
• назначенный ресурс двигателей НК-25 и НК-32 доведен до 2600 часов.
На примере двигателей НК-16СТ и НК-36СТ показано существенное достижение по надежности двигателей наземного применения:
• назначенный ресурс - 100000 часов;
• ресурс до капитального ремонта -25000 часов;
• наработка на отказ - 4000 часов.
Приведенные данные по конкретным
двигателям свидетельствуют, что за время серийного изготовления двигателей семейства «НК» постоянно улучшались их эксплуатационные характеристики, предпосылками этому является постоянное усиление многих аспектов научно-технического комплекса.
Для двигателей мод. НК-14СТ достигнуты следующие характеристики:
• наработка на съем двигателей увеличилась с 15128 до 34147 часов;
• наработка на отказ двигателей увеличилась с 3146 до 9561 часа;
• назначенный ресурс двигателей увеличился с 50000 до 100000 часов.
Эксплуатационные характеристики двигателей семейства «НК» соответствуют в целом лучшим мировым образцам двигателей, а по ряду показателей даже их превышают (табл. 1).
Таблица 1. Сравнительные характеристики ГТД производства ОАО «Моторостроитель»
с зарубежными аналогами
Производитель Модель Г од начала серийного производства Номинальная /пиковая мощность, МВт (ISO) Расход топлива на номинальном режиме КПД, % Температура газов на выхлопе, К
ОАО «Моторостроитель » HK-12CT 1974 6,3/- 1S2Q 26,1 941
HK-44CT 1995 S,6/- 192Q 32 75Q
НК-14Э 199S 1Q/- 21SQ 33 75Q
Alstom Power Tornado б,75 19S1 6,74S/- 1545 31,4 751
Tempest 1995 7,71Q/- 1S3Q 32,5 S26
Cyclone 1997 12,S69/- 2742 34,S S42
GE Industrial Aeroderiv- PGT^ 19S9 13,76/- 2S59 - 761
Hitachi H-15 199Q 13,8/- 32QQ - S23
Hitachi Zosen GT151 19S2 14,76/- 364Q - 7Q9
Kawasaki Heavy Inda- M7A-Q2 1997 6,95S/- 162Q -
MAN Turbomashmen THM13Q4 D+ 199S 1Q,QQ/- 25Q4 - 765
Mitsubisi Heavy Indus- MF-111 - 14,57/- 33S3 - SQ3
Mitsui Engineering and Shipbuilding MSC9Q 19S7 9,29/- 21Q6 31,S 737
MSC1QQ 19S9 1Q,69/- 2369 32,5 761
Rolls-Royce Avon 1964 14,5S/- 37S9 - 715
Solar Turbines, Inc Mars9Q 1992 9,4/- - 31,S 72S
Mars 100 1994 1Q,659/- - 32,5 755
Tuma TurbomachSA TBM-M9Q 1992 9,28/10 21QS - 734
TBM-M1QQ 1994 1Q,6S/- 2366 - 756
ОАО «Моторострои- HK-36CT 1994 25,QQ/- 5163 36,5 698
HK-37 1997 25/- 5255 36,4 727
Alstom Power GT1Q 19S1 24,77/26,67 5212 34,2 S16
GE Industrial Aeroderiv- LM25QQ+PV 199S 2S,5/- 533S - 774
LM25QQ+P H 19S6 2S,Q6Q/- 4919 - 77Q
Hitachi PG5371 19S7 26,3/27,S3 6645 - 76Q
H-25 19SS 26,9/- 5S2Q - S23
MAN Turbomashinen AO GNN FTS Power Рас 199Q 25,69/27,57 4S1S - 73Q
Двигатели семейства «НК» по эффективности не уступают аналогичным двигателям, выпускаемым в России, Украине и дальнем зарубежье. На рис. 15 приведена зависимость эффективного КПД различных приводных двигателей от мощности, из которой видно, что двигатели, выпускаемые ОАО «Моторостроитель», по КПД не уступают аналогичным образцам других фирм.
Технико-экономические показатели
внедрения разработок в целом складываются из следующих основных составляющих.
Составляющие внедрения по компрессорным лопаткам:
• повышен коэффициент использования материалов при высокоскоростном выдавли-
вании заготовок лопаток по сравнению с традиционной объемной штамповкой - в 2...2,5 раза;
• повышены механические свойства материалов до 12% и усталостная прочность за счет применения регламентированных режимов шлифования и поверхностного упрочнения, что позволило увеличить надежность и долговечность лопаток в 1,5.2 раза;
• существенно повышена точность формообразования профилей пера (до 1.2 класса);
• сокращено число основных операций маршрутного процесса - с 28 до 12;
КПД дв, %
КПД наземных ГТД
40
30
•
у/ < / вЛ п п • • • • • 1 . • • • • •
/о’ /Й • / й г ° ~ " > • • • О о ) о •
1*0 • О • • О • во Л X
• % / • • О
10
• - зарубежные о -Россия,Украина
20
30 40
ОАО "Моторостроитель"
60
Мепр, МВт
Д - НК-12СТ □ - НК-14СТ
▲ -НК-14Э ■ -НК-14СТ-10
0 - НК - 36СТ
Рис. 15. КПД различных двигателей
• снижена трудоемкость изготовления лопаток - на 35.40%, а ручных слесарных работ - в 2 раза;
• механизация процесса штамповки заготовок и автоматизация процесса шлифования профиля пера лопаток позволили реализовать многостаночное обслуживание оборудования;
• улучшены условия труда и техники безопасности за счет механизации и автоматизации выполнения основных технологических операций.
Составляющие внедрения по турбинным лопаткам:
• разработана и внедрена уникальная конструкция пустотелой охлаждаемой лопатки 1-й ступени турбины (лопатка литая, бесприпусковая с монокристаллической структурой и вихревой схемой охлаждения), что позволило в 2,5 раза повысить ресурс лопаток;
• внедрена технология нанесения теплозащитного покрытия на лопатки, что позволило дополнительно увеличить ресурс турбины еще в 2 раза и полностью исключить съем двигателей с эксплуатации по дефектам лопаток турбины;
• исключена отбраковка лопаток по причине несовершенства выполнения технологии изготовления.
Составляющие внедрения по дискам:
• Протягивание пазов на компрессорных дисках с фиксацией в приспособлении гидроприводом вместо пневмопривода обеспечило получение стабильных размеров.
• Замена ручных слесарных работ по скруглению кромок пазов и полировки полотна на турбоабразивную обработку (ТАО) повышает производительность операции в 23 раза и стабильно обеспечивает заданную шероховатость поверхности.
• Упрочнение полотна, пазов и трактовых поверхностей дисков микрошариками на установке мод. УДМ-3 с последующим виброшлифованием на установке мод. ВГС-125 создает упрочненный поверхностный слой, что исключает образование микротрещин на поверхности, повышая усталостную прочность дисков.
• Химическое пассивирование дисков повышает коррозионную и эрозионную стойкость дисков за счет образования защитного слоя.
• Турбинные диски подвергаются обработке: микрошариками для создания упрочняющего слоя, абразивно-жидкостной смесью (АЖО) с целью снятия заусенцев, ликвидации рисок и повышения чистоты поверхности, что исключает образование при-жогов ввиду того, что процесс выполняется в интенсивно охлаждаемой среде, а обработка пазов выполняется ТАО. Эти процессы (ТАО и АЖО) позволяют механизировать процессы отделочной обработки с одновременным повышением производительности в 3-5 раз с гарантированным обеспечением качества.
Валы большой длины (>2500 мм) с малой толщиной стенок (<10 мм) затруднительно получать с высокой точностью базовых поверхностей и с минимально допустимой разнотолщинностью стенок.
Решение этих задач достигнуто благодаря разработке автоматизированного приспособления по обнаружению разнотолщин-ности стенок валов с последующим выравниванием их толщины на станке, что обеспечивает требуемое вибрационное их состояние и соответственно повышение ресурса.
Внедрение разработанного научнотехнического комплекса позволило увеличить ресурс двигателей семейства «НК» в 1012 раз, например двигателя НК-25 в 10 раз.
Внедрение в производство разработанного технологического комплекса на указанных предприятиях позволило обеспечить:
• механизацию и автоматизацию выполнения наиболее ответственных операций, в том числе получение заготовок деталей, шлифование и упрочнение, нанесение прочностных и защитных покрытий;
• повышение коэффициента использования материалов в 2.2,5 раза;
• значительное сокращение числа основных операций при выполнении маршрутных процессов изготовления деталей на 45-60%;
• сокращение количества технологического оборудования при изготовлении деталей на 35-50%;
• реализацию многостаночного обслуживания оборудования;
• получение стабильного высокого качества изготовления основных деталей по всему маршрутному циклу, что подтверждается повышением надежности и ресурса работы двигателей различного назначения (в целом в 10 раз).
Содержание авторских свидетельств на разработанный научно-технический комплекс свидетельствует во многих случаях о принципиальной новизне конкретных процессов и оборудования, что вполне обоснованно позволяет считать их конкурентоспособными.
Экономический эффект от внедрения научно-технического комплекса изготовления основных деталей двигателей всех упомянутых типов и моделей составляет в год более 1250,0 млн. руб.
Уровень научно-технических разработок технологического комплекса, его объективная новизна и реальное внедрение в производство, обеспечивающие в целом устойчивое качественное и мобильное производство основных деталей современных двигателей, позволяют применять его на родственных предприятиях отрасли.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010.
EFFICIENCY OF TECHNICAL WORKINGS OUT IN BATCH PRODUCTION GTE
© 2011 E. I. Aleksentsev, I. L. Shitarev, V. P. Kurbatov, E. A. Gritsenko
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
Complex scientific and technical requirements to the organization of a batch production of engines and the conditions predetermining necessity of working out of new technological processes of manufacturing are defined. Efficiency of new processes is shown. Realization of a complex of progressive processes of manufacturing of details and knots
has allowed to receive essential increase of technical characteristics engines families "NK", their high operational reliability and resource.
The gasturbine engine, aviation, military, civil, aircraft, power mechanical engineering, experience of manufacturing of the engine of different function, examples of especially responsible operations, technical and economic indicators, engine characteristics, comparison with the western engines.
Информация об авторах
Алексенцев Евгений Иванович, кандидат технических наук, главный научный сотрудник, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 227-35-15. Область научных интересов: технология и организация производства двигателей.
Шитарев Игорь Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Производство двигателей летательных аппаратов», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 334-74-91. Область научных интересов: технология и организация производства двигателей.
Курбатов Валерий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Производство двигателей летательных аппаратов», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Область научных интересов: проектирование и изготовление двигателей.
Гриценко Евгений Александрович, доктор технических наук, профессор, генеральный конструктор ОАО «Двигатели Владимир Климов - Мотор СИЧ», г. Москва. Область научных интересов: проектирование и изготовление двигателей.
Aleksentsev Evgenie Ivanovich, Candidate of Technical Sciences, the senior research assistant, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 227-35-15. Area of research: Technology and the organization of manufacture of engines.
Shitarev Igor Leonidovich, Doctor of Technical Sciences, the professor, managing chair «Manufacture of engines of flying machines», Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 334-74-91. Area of research: Technology and the organization of manufacture of engines.
Kurbatov Valery Pavlovich, Candidate of Technical Sciences, associate Professor, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Area of research: Designing and manufacturing of engines.
Gritsenko Evgenie Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, the professor, the general designer. Moscow. Area of research: Designing and manufacturing of engines.
