Авторизация
Авторизируйтесь
X
  • Логин*
  • Пароль *
или зарегистрируйтесь
Регистрация
X
  • Логин
    (3-15 символов)*
  • Пароль
    (6-15 символов)
    *
  • Подтвердите пароль *
Сообщение администратору
X
 <<
>>

Технологическое обеспечение ресурса рабочих лопаток первых ступеней турбины авиационных и наземных газотурбинных двигателей

Орлов Михаил Романович

Технологическое обеспечение ресурса рабочих лопаток первых ступеней турбины авиационных и наземных газотурбинных двигателей

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва - 2008

Диссертация | 2008 | Россия | docx/pdf | 14.28 Мб

Для доступа к источнику авторизируйтесь или зарегистрируйтесь.

Внимание! Все источники запакованы в zip архивы! Для распаковки на android-устройствах Вы можете воспользоваться одним из сторонних приложений, например Total Commander



Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов»
Обострение конкурентной борьбы на мировом рынке авиационного двигателестроения выдвигает новые требования по повышению надежности, работоспособности и экономичности газотурбинных двигателей (ГТД).
Эти требования в свою очередь ставят перед разработчиками и производителями ГТД задачи увеличения гарантированного ресурса, повышения мощности двигателей при одновременном снижении их веса. Ресурс и экономичность двигателей определяются работоспособностью турбины, в первую очередь, наиболее нагруженной ее частью - I и II ступенями.
Ужесточение температурно-силовых условий эксплуатации рабочих лопаток первых ступеней турбины обусловило разработку конструкций пустотелых охлаждаемых лопаток и технологии их изготовления методом литья с равноосной и направленной кристаллизацией жаропрочных никелевых сплавов.
Разработка новых конструкций охлаждаемых лопаток основана на инженерных расчетах динамики газового потока, расчетах температурных полей, полей напряжений и полей упруго-пластических деформаций материала лопаток, а также на опыте создания и доводки лопаток ГТД предшествующих поколений, на анализе их эксплуатационных повреждений, разрушений и исследованиях причин исчерпания эксплуатационного ресурса.
Применение новых технологий и материалов предопределило изменение традиционных подходов к проблемам производства турбинных лопаток. В первую очередь это относится к необходимости учитывать высокую анизотропию упругопластических свойств монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов, как на стадии конструирования лопаток, так и в технологическом цикле их производства. Изготовление монокристаллических лопаток потребовало изменения технологических схем производства с целью исключения появления хрупких технологических трещин в отливках, образования рекристаллизованных зерен на поверхности лопаток после пневмоабразивной и механической обработки, а также электроэрозионного прожига перфорационных отверстий.
Использование множества прикладных программ по оптимизации процессов равноосной и направленной кристаллизации отливок и расчету температурно-силовых условий работы турбинных лопаток ГТД не может заменить результаты практических исследований состояния материала лопаток после различных этапов технологического цикла производства, а также стендовых испытаний и наработки на двигателях с максимальным ресурсом. 
Это обусловлено тем, что каждая из многопараметрических моделей, применяемая на этапах создания лопатки - от проектирования ее конструкции до разработки технологии производства, содержит неопределенное количество параметров с неизвестным межпараметрическим взаимодействием и основана на численных методах расчета нестационарных тепловых полей и упруго-пластических деформаций.
Неопределенность в оценке повреждаемости материала лопатки и защитного диффузионного покрытия в процессе длительной эксплуатации обусловлена сочетанием влияющих факторов, включая конструктивные особенности лопаток, свойства материала лопатки и защитного покрытия, технологические параметры производства и специфические условия эксплуатации двигателей различного назначения.
В настоящее время основой технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней турбины в процессе доводки серийных ГТД и разработки новых двигателей остается диагностика необратимых структурных ' изменений в материале лопаток, исследование эксплуатационных повреждений и разрушений лопаток. Обратная связь в цепочке «конструкция - технология - эксплуатация», основанная на диагностике лопаток, становится подтверждением правильности выполненных расчетов, выбора состава материала лопаток и защитных диффузионных покрытий, технологической схемы производства, или является основанием для доработки конструкции лопатки и оптимизации технологии ее производства.
Работоспособность лопаток первых ступеней турбины, лимитирующая ресурс авиационных ГТД, описывается совокупностью факторов, включающих:
- температурно-силовую нагрузку жаропрочного сплава (конструкция изделия);
- структурное состояние жаропрочного сплава (состав материалов и технология производства лопаток);
- накопление необратимых изменений тонкой структуры сплава в процессе длительной работы на взлетном режиме и при забросах температуры газового потока на чрезвычайном режиме (ЧР) работы двигателя, высокотемпературное окисление и коррозионное повреждение проточных поверхностей лопаток (состав материалов и эксплуатация);
- фреттинг-износ замков и бандажных полок, образование механических забоин от попадания в трактовую часть двигателя посторонних предметов (эксплуатация);
- работа лопаток в резонансном режиме автоколебаний с зарождением и последующим развитием усталостных трещин и др. (эксплуатация). 
Наиболее сложными и неоднозначными являются вопросы технологической наследственности снижения эксплуатационного ресурса лопаток. Для решения этих задач требуется детальный анализ технологических дефектов производства лопаток, моделирование условий образования дефектов в процессе технологических операций путем варьирования технологических параметров и пооперационного исследования изменения дефектов в лопатках до конца технологического цикла производства.
В соответствии с изложенным, решение проблемы технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней ГТД, основанное на всесторонних исследованиях структурных изменений материала турбинных лопаток, а также их эксплуатационных повреждений и разрушений, является важной и актуальной задачей.
Работа посвящена решению важной народно-хозяйственной задачи - повышению надежности и ресурса авиационных ГТД для пассажирских, транспортных и боевых самолетов, а также наземных газотурбинных установок (ГТУ).
В связи с тем, что надежность и ресурс ГТД и ГТУ определяются работоспособностью лопаток турбины первых ступеней, поставленная в работе цель - повышение ресурса рабочих лопаток турбины требует решения следующих основных задач:
- проведение диагностики эксплуатационных разрушений и структурных повреждений, как основного материала лопаток - литых жаропрочных никелевых сплавов, так и диффузионных защитных покрытий;
- исследование свойств и поведения материала рабочих лопаток турбины первых ступеней в условиях температурно-силового воздействия, близкого к условиям работы лопаток - развития необратимых структурных изменений, анизотропии механических характеристик и усталостной прочности, механизма пластической деформации, статического, усталостного и термоусталостного разрушения;
- установление наследственных технологических дефектов, проявляющихся в эксплуатации, моделирование их происхождения в технологическом цикле производства и
оптимизация технологии изготовления лопаток;
- обоснование выбора жаропрочных сплавов и защитных покрытий для рабочих лопаток турбины первых ступеней ГТД и ГТУ различных конструкций, для монокристаллических лопаток - регламентация аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентировки сплава относительно геометрических осей лопатки;
разработка технологии восстановительного ремонта рабочих лопаток турбины после отработки ресурса на ГТД и ГТУ.

Содержание

Введение 5
1. Исследование необратимых структурных изменений в никелевых жаропрочных сплавах в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток турбины 8
1.1. Формирование упрочняющей у' фазы в результате высокотемпературных
технологических нагревов при изготовлении лопаток и образование «рафт» структуры в процессе длительной эксплуатации 8
1.2. Исследование особенностей образования ТПУ фаз в никелевых жаропрочных
сплавах в технологическом цикле производства турбинных лопаток и в процессе эксплуатации 16
1.3. Развитие карбидных реакций в жаропрочных никелевых сплавах в процессе
изготовления и эксплуатации рабочих лопаток ГТД 25
1.4. Структурная повреждаемость и работоспособность рабочих лопаток турбины с
равноосной, направленной и монокристаллической структурой 29
Выводы по главе 1 43
2. Особенности эксплуатационных повреждений и разрушений рабочих лопаток
первых ступеней ГТД и ГТУ 45
2.1. Статический обрыв пера рабочих лопаток турбины 45
2.2. Термоусталостное и усталостное разрушение рабочих лопаток с равноосной и
монокристаллической структурой 52
Выводы по главе 2 74
3. Исследование условий образования технологических пор в жаропрочных
никелевых сплавах и разработка способов их устранения 75
3.1. Формирование усадочной и газовой пористости при литье турбинных лопаток
из никелевых жаропрочных сплавов 75
3.2. Образование пор в рабочих лопатках турбины с монокристаллической и
равноосной структурой в процессе технологических нагревов 81
3.3. Образование зернограничных пор в рабочих лопатках турбины с направленной
и равноосной структурой на операциях глубинного шлифования елки хвостовика и электроннолучевой пайки износостойких пластин 91
3.4. Применение ГИП для устранения технологических пор в турбинных лопатках
из жаропрочных никелевых сплавов 93
3.5. Разработка технологии ГИП охлаждаемых турбинных лопатках из
жаропрочных никелевых сплавов 99 
3.5.1. Разработка технологии ГИП рабочих лопаток ТНД ГТД АЛ-31Ф из
жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ 100
3.5.2. Разработка технологии ГИП монокристаллических рабочих лопаток ТВД
ГТД АЛ-31Ф из жаропрочного сплава ЖС32-ВИ 104
Выводы по главе 3 110
4. Исследование механизма и условий образования хрупких технологических трещин в монокристаллических отливках рабочих лопаток ГТД охлаждаемой конструкции 112
4.1. Исследование взаимодействия щелочных и кислотных электролитов с
жаропрочными никелевыми сплавами 113
4.2. Оценка напряженно-деформированного состояния монокристаллических
охлаждаемых лопаток с керамическим стержнем внутри после кристаллизации 122
4.3. Отработка технологии релаксационного отжига монокристаллических жаропрочных сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ с целью снижения величины объемных растягивающих напряжений лопаток перед операцией удаления керамических стержней 131
4.4. Отработка технологии удаления керамических стержней из монокристаллических отливок турбинных лопаток из жаропрочных сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ 134
Выводы по главе 4 137
5. Исследование анизотропии свойств жаропрочных никелевых сплавов и регламентация кристаллографической ориентировки сплавов в составе рабочих лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции 139
5.1. Применение жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ для изготовления
монокристаллических охлаждаемых лопаток ТВД ГТД Д-18Т. Исследование анизотропии прочностных, пластических характеристик и длительной прочности монокристаллических образцов и усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток ТВД 140
5.2. Обоснование выбора оптимальной КГО монокристаллического жаропрочного
сплава для охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток турбины 150
5.3. Разработка метода определения аксиальной, азимутальной КГО и
разориентировки субструктуры монокристаллических жаропрочных сплавов в рабочих
лопатках турбины 156
5.4. Разработка метода усталостных испытаний рабочих лопатках турбины с
направленной макроструктурой 159
Выводы по главе 5 164 
6. Исследование повреждения рабочих лопаток турбины в результате окисления, эрозии и сульфидной коррозии и разработка технологии ремонта лопаток 165
6.1. Эрозия защитных диффузионных покрытий и сульфидное коррозионное повреждение внутренних поверхностей охлаждаемых каналов рабочих лопаток турбины 168
6.2. Разработка технологии ремонта лопаток ГТД с использованием
восстановительного отжига в водородной среде 172
6.3. Разработка восстановительного ремонта рабочих лопаток ГТД с применением
ГИП и защитой контактных поверхностей елки хвостовика 175
Выводы по главе 6 183
Общие выводы 184
Литература 185
Список работ, опубликованных по теме диссертации 197
Приложения
Заключение ФГУП «ММПП «Салют»» о диссертационной работе
204
Акт ЗМКБ «Прогресс» о внедрении результатов диссертационной работы
206
Свидетельство ЗНТУ об использовании результатов диссертационной работы 207

Диссертация | 2008 | Россия | docx/pdf | 14.28 Мб

Для доступа к источнику авторизируйтесь или зарегистрируйтесь.

Внимание! Все источники запакованы в zip архивы! Для распаковки на android-устройствах Вы можете воспользоваться одним из сторонних приложений, например Total Commander



Технологическое обеспечение ресурса рабочих лопаток первых ступеней турбины авиационных и наземных газотурбинных двигателей

релевантные научные источники:

Другие источники по дисциплине Металловедение и термическая обработка металлов:

  1. Совершенствование механизма оценки трещинообразования для повышения надежности магистральных трубопроводов
    Афанасьев Алексей Викторович | Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара - 2019 | Диссертация | 2019 | Россия | docx/pdf | 13.2 Мб
  2. Исследование структурных и фазовых превращений в алюмокомпозитах систем AL-CU, AL-NI-CU, AL-MG при модифицировании их керамическими наночастицами
    Иванов Борис Сергеевич | Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2019 г. | Диссертация | 2019 | Россия | docx/pdf | 12.92 Мб
  3. Разработка и исследование вольфрамо-титано-кобальтовых сплавов на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6
    Кругляков Олег Викторович | Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Курск - 2019 | Диссертация | 2019 | Россия | docx/pdf | 7.42 Мб
  4. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства порошковых низколегированных сталей, модифицированных наноразмерными порошками Ni и NiO
    Тер-Ваганянц Юлия Суреновна | Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Москва - 2019 | Диссертация | 2019 | Россия | docx/pdf | 9.83 Мб
  5. Гетерогенная структура булатной стали и возможность её получения
    Амаглобели Бадри Геронтьевич | Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тбилиси - 1984 | Диссертация | 1984 | Россия | docx/pdf | 15.55 Мб