Разработка техпроцесса создания рабочей лопатки ТВД газотурбинного двигателя АЛ-31Ф

Состав чертежей

1.  График размерных связей (формат А4)
2. Чертеж заготовки (формат А2)
3. Чертеж корпус (формат А1)
4. Рабочий чертеж лопатки  ТВД (формат А1) (3 листа)
5. Анализ методов получения защитных жаростойких покрытий
6. Чертеж сравнительных характеристик различных видов высокотемпературных припоев, диаграмма состояния сплавов системы медь-цинк, диаграмма состояния сплавов системы медь-никель, диаграмма состояний сплавов системы серебро-палладий (формат А1)
7. Таблица расчетных показаталей и график лопасти (формат А1)
8. Чертеж расчетный левая половина экрана (формат А1)
9. Деталь кожух (формат А4)
10. Чертеж первая половина экрана (формат А1)
11. Расчетный чертеж совмещенной схемы (формат А4)
12. Организационно-экономическое обоснование проекта 13-33. Чертежи комплект маршрутных карт на изготовление рабочей лопатки ТВД – полный набор
13. Карта обработки
14. Сборочный чертеж приспособления для напыления (формат А1)
15. 3D-модель первой половины экрана 37-40. 3D-модель лопатки
16. 3D-модель корпуса
17. 3D-модель кожуха
18. корпус 3D-чертеж
19. чертеж 3D второй половины экрана

Описание

Рабочие лопатки турбины являются наиболее нагруженными деталями, в основном определяющими эффективность, надежность и, в конечном счете, ресурс газотурбинных двигателей. Ресурс работы лопаток в двигателях для военной авиации составляет 500…1000 ч. Лопатки работают в условиях высоких температур воздуха (газа) достигающих для турбины 800…1200 0С. Многократное изменение тепловых режимов работы двигателя – быстрый нагрев в момент запуска и быстрое охлаждение при остановке двигателя – вызывает циклическое изменение термических напряжений, характеризуемое как тепловая усталость.
Профильная часть пера и хвостовик лопаток помимо растяжения и изгиба от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах.
Надежность рабочих лопаток турбины зависит не только от конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления.
Деталь «Рабочая лопатка ТВД» (1402.140100.887 ЧД) изготовлена из сложнолегированного никелевого сплава ЖС32, важнейшим преимуществом которого является высокая термическая стабильность, термостойкость, высокая сопротивляемость разрушению при термической и малоцикловой усталости. Все эти качества позволяют успешно использовать ЖС32 в качестве материала для ответственной детали двигателя типа АЛ-31Ф истребителя «Су-27».
Увеличение температуры газа в авиационных ГТД и рост агрессивности топлива, используемого в промышленных и корабельных ГТУ, привели к тому, что однослойные многокомпонентные покрытия Me-Cr-Al-Y, получаемые конденсацией в вакууме, все же исчерпывают свой защитный ресурс за весьма ограниченное время (300-6000 ч). Усовершенствования в технологии нанесения металлических покрытий не привели к кардинальному решению вопроса по созданию покрытий, более стойких к высокотемпературной газовой коррозии и эрозии, чем однослойные покрытия типа Me-Cr-Al-Y. В современных ГТД для защиты охлаждаемых лопаток от воздействия теплового потока необходимо, чтобы жаростойкие защитные покрытия обладали не только высокой стойкостью к высокотемпературной газовой коррозии и эрозии в агрессивной среде продуктов сгорания топлива, но и служили термическим барьером по отношению к тепловому излучению газового потока. Для этого необходимо разработать новые многослойные покрытия, которые обеспечат мультипликацию необходимых свойств.

В дипломной работе были поставлены следующие задачи:

1. изучение рабочего чертежа детали, анализ ее конструкции и условия работы в изделии;
2. оценка технологичности изготовления детали;
3. выбор и обоснование метода получения заготовки, оценка КИМ;
4. разработка плана обработки детали, расчет операционных размеров;
5. разработка операционных технологических процессов (на 3÷4 операции), выбор инструмента, расчет режимов обработки, нормы штучного времени;
6. разработка технологии нанесения жаростойкого многослойного покрытия с температурой жаростойкости до 1050 0С.

В дипломной работе выполнена разработка технологического маршрутного процесса создания рабочей лопатки ТВД с конструированием приспособления для плазменного напыления анкерного подслоя многослойного керамического покрытия на деталь

В дипломе намечяен перспективный технологический процесс получения теплозащитных покрытий с анкерным эффектом на рабочих лопатках ТВД. Деталь «Рабочая лопатка ТВД» – это деталь, входящая в состав газотурбинного двигателя АЛ-31Ф и представляющая собой деталь сложного геометрического профиля. Данная деталь работает при высоких температурах и сильных знакопеременных циклических нагрузках, следовательно, при ее проектировании необходимо обеспечить высокую жаропрочность и высокую сопротивляемость разрушению при термической и малоцикловой усталости. Поэтому лопатку изготовляют полой, с циклонно-вихревой системой охлаждения. В переднюю полость лопатки воздух поступает через отверстия в наружной полке, а затем через отверстия в дефлекторе обеспечивает струйное охлаждение внутренних стенок и выходит через отверстия перфораций во входной кромке.

Основные данные ТВД:

В технологическом разделе дипломного проекта была выполнена разработка технологического маршрутного процесса создания рабочей лопатки ТВД. Рассмотрены условия работы детали в изделии и проведен анализ конструкции. Дана качественная и количественная оценка технологичности. Выполнено обоснование исходной заготовки. Осуществлен выбор заготовки с точки зрения обеспечения необходимой точности, а также себестоимости. Проведен анализ технологического базового процесса и проектируемого технологического маршрутного процесса. Выполнена разработка технологического операционного процесса создания рабочей лопатки ТВД.

Подбор средств технологического обеспечения. Выбираем плазмотрон F4, характеристики которого удовлетворяют рассчитанным.
Основные элементы приспособления: кожух для установки лопатки в экране (поз. 3), перфорированный экран, опорные винты (поз. 5), втулка (поз. 4), подшипник (поз. 7), ведомые колеса (поз. 2), корпус (поз. 1), электродвигатель. Лопатка в экране устанавливается в кожух, и закрепляется там опорными винтами. При обработке движение от вала электромотора передается к шестерне, от неё – в колесам, соединенным в свою очередь через вал кожуха с кожухом. Четное количество обрабатываемых лопаток (десять) обеспечивает условие соседства зубчатых колес.
Контроль операции проводится с помощью измерения привеса на весах ВЛКТ-500.

В конструкторской разработке выполнено создание приспособления для напыления анкерного подслоя многослойного керамического покрытия на деталь «Рабочая лопатка ТВД». Дано общее описание построения «островкового» подслоя с анкерным эффектом. Разработан метод создания теплозащитного покрытия с островковой переходной зоной для лопаток турбины ГТД. Рассмотрены составные элементы в приспособлении для напыления лопаток ГТД. Произведен расчет на точность, подобраны электродвигатель и необходимое оснащение для автоматизации процесса нанесения покрытия. Спроектированы краны, представлена последовательность сборки оснастки.

Одной из задач данной выпускной квалификационной работы является  разработка конструкции ТЗП, содержащего:

• замковую переходную зону, состоящую из дискретного (островкового) слоя содержащего высокотемпературный припой ВПР36  и ПВНХ16Ю6Ит (аналог СДП-2) толщиной 20-25 мкм;
• внешний газотермический керамический слой толщиной 120 мкм из диоксида циркония, стабилизированного иттрием ЦрОИ-7 (система ZrO₂-8%Y₂O₃).

Высокотемпературные припои на никелевой основе и технологии пайки обеспечивают  жаростойкость паяных соединений на уровне жаростойкости основного материала; жаропрочность стыковых соединений на уровне 0,7-0,9 жаропрочности основного материала; совмещение пайки с термообработкой основного материала; пайку тонкостенных конструкций с минимальной эрозией основного материала; возможность ремонта литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включая монокристаллические сплавы. Исходя из основного материала лопатки (ЖС32)  и рабочей температуры соединения, а также возможности его напыления газотермическим методом выбираем припой марки ВПр36.

Характеристики высокотемпературных припоев на никелевой основе

Предлагаемое ТЗП  представляет собой следующую конструкцию. На поверхность  основного материала лопатки 1, с использованием разработанной маски нанесен дискретный слой 2, представляющий собой смесь припоя ВПР-36 и жаростойкого порошка ПВНХ16Ю6Ит (аналог СДП-2), толщиной 20-25 мкм и состоящий из  расположенных в шахматном порядке  островков  круглой формы 5, диаметром 1,4 – 2,0 мм и дистанцией между ними  – 2,5…3 мм. На образованную поверхность, также  газотермическим методом нанесен внешний керамический  слой 3  диоксида циркония стабилизированного иттрием  марки   ЦрОИ-7 (система ZrO₂-8%Y₂O₃).  После нанесения покрытие подвергнуто диффузионному отжигу.

Способ получения теплозащитного покрытия с ОПЗ для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей, включающий очистку электрокорундом поверхности 2 детали 1 под нанесение на него газотермическим методом дискретного подслоя 3 из смеси высокотемпературного припоя ВПР36 и жаростойкого порошка ПВНХ16Ю6Ит (аналог СДП-2) в виде островковых участков, на дискретный слой 3 и открытые участки поверхности 2 газотермическим способом наносят внешний сплошной керамический слой 4 толщиной 120 мкм. В качестве материала внешнего керамического слоя 4 используют ZrO2-Y2O3 в соотношении Y2О3 – 8% вес, ZrO2 – остальное. Нанесение слоев с 3 по 4 теплозащитного покрытия осуществляют газотермическим методом. После нанесения покрытия производят его диффузионный отжиг.

Составные элементы в приспособлении для напыления лопаток ГТД. Приспособление для плазменного напыления состоит из: 1 – корпус; 2 – подшипник ; 3 – ведомое колесо; 4 – ведущая шестерня; 5 – ось установки кожуха с кожухом; 6 – втулка. В кожух устанавливается деталь лопатка ТВД в двухстворчатом экране. Лопатка с экраном фиксируется винтом. Вращающее движение передается от электродвигателя к кожуху посредством зубчатого зацепления.

Для сборки оснастки необходимо выполнить следующие пункты:

1. Поставить корпус на стол-вращатель деталей;
2. установить подшипники в корпус защитной шайбой вниз;
3. установить кожух;
4. установить втулку на вал кожуха;
5. установить зубчатые колеса на валы кожуха, с применением шпоночного соединения;
6. установить на вал шайбу и зафиксировать вал кожуха с помощью гайки;
7. установить электродвигатель в корпус;
8. установить на вал электродвигателя муфту;
9. установить ведущий вал в муфту;
10. установить через шпоночное зацепление ведущую шестерню и закрепить её;
11. одеть на лопатки защитные экраны;
12. установить лопатки с экранами в кожух и зафиксировать винтами.

Таким образом в данном разделе спроектировано приспособление для нанесения «анкерного» подслоя, произведены рассчеты на точность и прочность, подобрано необходимое оборудование.

В специальном разделе проекта были рассмотрены высокотемпературные припои для деталей ГТД и эффектом жаростойкости при температурах выше 1050 °С. Таким образом из всех рассмотренных припоев можно рекомендовать припои систем Cu-Ni, Cu-Pd, Ag-Pd, Pd-Ni, Ni-Cu-Pd, Ni-Pd-Cu-Ge, Ni-Pd-Cr-Ge, Ni-Cr-W-Co-B. Палладий, вводимый в припои в качестве компонента, значительно повышает их коррозионную стойкость, пластичность, электропроводность, теплопроводность, а так же способствуют растеканию их по паяемой поверхности. Палладий с серебром, медью, никелем образуют ряд твердых растворов, поэтому припои, содержащие их, имеют высокую пластичность паяных соединений. Добавки палладия в припои снижают их способность проникать в паяемый металл и разъедать его. Введение в состав припоев кремния повышает жаропрочность припоя, меди – повышает жидкотекучесть и растекаемость, серебра – увеличивает тепло- и электропроводность, пластичность, коррозионную стойкостью и технологичность. Хром значительно повышает жаропрочность и жаростойкость никелевых сплавов и температуру плавления. Понижают температуру плавления также введением кремния, бора, фосфора, марганца. Вольфрам и ниобий, повышая жаростойкость, несколько понижают температуру плавления никелевых сплавов. Германий повышает жаростойкость припоя. Кобальт увеличивает жаропрочность и механические свойства.
Так как рассматривается пайка никелевого сплава ЖС32 и металлокерамики, то выбираем никелевые припои. По совокупности свойств наилучшим из рассмотренных вариантов представляется припой ВПр36, обладающий необходимой жаростойкостью и рядом технологичностью. Для большего увеличения жаростойкости возможно добавление небольшого количества (10-15%) алюминидного порошка состава СДП-2.

В организационно-экономическом разделе был проведен SWOT – анализ предлагаемого метода создания жаростойкого покрытия. Рассчитана трудоемкость и плановая себестоимость проведения, создан сетевой график выполнения НИР. Дана общая оценка показателей технического уровня. Построена диаграмма технических уровней способов нанесения жаростойких покрытий.

SWOT – анализ:

Изучен вопрос обеспечения безопасных условий работы оператора установки для нанесения покрытий открытой плазмой. Определено значение шума в производственных условиях. Разработаны нормативные документы, регламентирующие уровень шума на рабочих местах. Описаны основные средства и способы защиты от шума в производственных помещениях. Рассчитана звукоизолирующая кабина.

Таким образом в результате выполнения данной работы:

1. изучен рабочий чертеж детали, проанализирована ее конструкция и условия работы в изделии;
2. дана оценка технологичности изготовления детали;
3. выбран и обоснован метод получения заготовки, дана оценка КИМ;
4. разработан план обработки детали, произведен расчет операционных размеров;
5. разработаны операционные технологические процессы, выбран инструмент, расчитаны режимы обработки, нормы штучного времени;
6. разработана технология нанесения подслоя жаростойкого многослойного покрытия с температурой жаростойкости до 1050 0С.

В приложении к дипломному проекту были представлены совмещенная схема обработки, граф размерных связей, базовый ТП изготовления детали, а также диаграмма Ганта.