Разработка технологии высокоинтенсивной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД при их изготовлении и ремонте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Сироткин, Игорь Александрович

• Сироткин, Игорь Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сироткин, Игорь Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ.

1.1. Анализ видов загрязнений.

1.1.1. Физико-химические свойства загрязнений.

1.2. Анализ существующих моющих сред для очистки металлических поверхностей.

1.3. Методы контроля качества очистки деталей машин и механизмов.

1.4. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ.,.

2.1. Технология производства литых охлаждаемых лопаток турбины по выплавляемым моделям.

2.2. Физические основы ультразвука и ультразвуковой очистки.

2.3. Технологическое оборудование для ультразвуковой очистки.

2.3.1. Типы ультразвуковых преобразователей.

2.3.2. Ультразвуковые концентраторы.

2.3.3. Ультразвуковые генераторы.

2.4. Аналитический подбор режимов высокоинтенсивной направленной | ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток турбины.60 !

2.4.1. Анализ давлений, обусловленных ультразвуковыми колебаниями в жидкости.

2.4.2. Исследование факторов, влияющих на качество ультразвуковой очистки.

2.5. Оборудование для проведения экспериментов.

2.6. Выводы по главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКЕ.

3.1. Методика проведения экспериментов по ультразвуковой очистке.

3.2. Последовательность проведения экспериментов.

3.3. Анализ загрязнений внутренних охлаждающих каналов лопаток 1 турбины.

3.4. Выбор оптимальной рабочей моющей среды.

3.5. Высокоинтенсивная направленная ультразвуковая очистка охлаждаемых лопаток турбины.

3.6. Анализ результатов очистки охлаждающих каналов лопаток турбины. 108.

3.7. Выводы по главе 3.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ' ПО ВЫБОРУ РЕЖИМОВ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛОВ ЛОПАТОК ТУРБИН.

4.1. Построении алгоритма подбора режимов высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД.

4.2. Общие требования к оборудованию по ультразвуковой о»чистке.

4.3. Выводы по главе 4.

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКЕ ВНУТРЕННИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛОВ ЛОПАТОК ТУРБИН. 120 j

5.1. Внедрение ультразвукового оборудования в технологический I процесс производства охлаждаемых лопаток турбины.

5.2. Технико-экономический расчет эффективности от внедрения ультразвуковой очистки внутренних охлаждающих каналов лопаток турбины в технологический процесс их производства и ремонта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии высокоинтенсивной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД при их изготовлении и ремонте»

Актуальность работы.

Современная авиационная техника характеризуется все возрастающими требованиями к таким характеристикам изделий-, как качество, надежность и долговечность, которые в значительной степени зависят от чистоты поверхностей деталей и узлов оборудования.

Надежность1 газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. Лопатки подвергаются действию статических, динамических, циклических нагрузок, а также испытывают циклические термические напряжения, они работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре и подвергаются газовой коррозии.

Технологический1 процесс изготовления лопаток должен обеспечивать их высокое качество, надежность и заданный ресурс. Вместе с тем при выборе способа обработки массовых деталей, таких как лопатки ГТД, необходимо учитывать и экономическую эффективность [48].

В настоящее, время^ еще отсутствуют строго обоснованные соотношения между загрязненностью! деталей, поступающих на сборку, и ресурсом соответствующих машин и агрегатов, но связь между качеством1 очистки деталей машин при ремонте и их надежностью в процессе эксплуатации никем не отрицается [4]. Так на многих авиаремонтных заводах существует большая проблема качественной очистки охлаждающих каналов лопаток турбины газотурбинных двигателей без потери надежности очищаемой детали.

Для очистки прецизионных изделий широко применяются ультразвуковые ванны, которые работают на частоте от 20 до 40 кГц при интенсивности излучения в моющую среду до 2,5 Вт/см . Ультразвуковая очистка в таких ваннах эффективна, в основном, для наружных поверхностей деталей.

Очистка внутренних полостей и глубоких отверстий малого диаметра требует более интенсивных акустических полей с соответствующими им явлениями кавитации и турбулизации жидкости, которые позволяют интенсифицировать очистку сложнофасонных деталей и узлов. Также, следует отметить, что в настоящее время на предприятиях отечественного машиностроения; не придается большого значениям операциям очистки, что часто приводит к разрушению деталей при их эксплуатации.

Решение задачи очистки охлаждающих* каналов лопаток турбины может быть осуществлено посредством применения принципиально нового метода ультразвуковой очистки, который позволит резко снизить количество брака по засорам охлаждаемых лопаток.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности разработки? достаточно? эффективной технологии высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД.

Методы исследований. В работе использованы научные основы, технологии; машиностроения; теории обработки? материалов давлением,, и ультразвуковой обработки деталей машин; а также современные методики, и оборудование исследования охлаждающих^каналов лопаток.турбин;

Научная новизна работы заключалась в разработке' концепции определения технологических режимов; высокоинтенсивной1 ультразвуковой очистки охлаждаемых каналов лопаток ГТД путем:•

- аналитического исследования; процесса высокоинтенсивной направленной; очистки; охлаждаемых каналов лопаток ГТД, учитывающего давления в зоне обработки и геометрические особенности конструкции;лопаток,турбины;

- построения' алгоритма подбора режимов высокоинтенсивной направленной ультразвуковой« очистки^ охлаждаемых лопаток ГТД, основанного на проведениитналитического определения; эффективных диапазонов обработки и; экспериментального получения; технологических режимов: ультразвуковой' очистки.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты ее работы использованы в:

- в понижении количества брака по засором внутренних охлаждающих каналов лопаток турбины высокого давления изд. 99 (АЛ-31Ф и его модификации);

- разработке специализированной установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки; разработке технологических рекомендаций по высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистке охлаждающих каналов ГТД;

- при выборе экспериментально обоснованного метода контроля качества очистки охлаждаемых каналов ГТД.

Результаты работы позволили уменьшить количество брака по засорам внутренних охлаждающих каналов лопаток турбины высокого давления изд. 99 (АЛ-31Ф и его модификации) на 30 - 35% после операции хромалитирования. Положения, выносимые на защиту:

1. Методика подбора технологических режимов высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД, основанная, на расчете давлений в зоне обработки и учитывающая геометрические особенности системы охлаждающих каналов;

2. Метод контроля качества высокоинтенсивной ультразвуковой1 очистки охлаждаемых каналов лопаток ГТД, включающий в себя проведение рентгеновского анализа и тепловизионного контроля качества очистки;

3. Техническое обоснование и доведение до реализации технологического процесса высокоинтенсивной ультразвуковой- очистки охлаждаемых лопаток ГТД, обеспечивающее получение высокого уровня качества очистки.

Достоверность результатов и выводов подтверждена серией проведенных экспериментов, подтверждающих полученные аналитические заключения.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов "Будущее машиностроения России 2008" в г. Москве, на Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2008" в г. Москве.

Публикации.

Основные результаты работы опубликованы в 4 печатных работах в том числе 1 одобренной ВАКом.

Реализация результатов работы.

Работа выполнялась в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) и легла в основу разработки серии ультразвукового оборудования для очистки деталей ГТД, таких как форсунки, коллектора, лопатки турбины.

На основе полученных в работе данных и алгоритмов на ФГУП ММ1111 «Салют» отработана и внедрена в серийное производство технологическая операция высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, 42 рисунка, 7 таблиц, общих выводов и списка использованных источников.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Сироткин, Игорь Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. На основе проведенных исследований определен алгоритм подбора режима высокоинтенсивной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД, который состоит из расчетной части, когда определяются давления в зоне обработки и диапазоны параметров обработки и экспериментальной части, когда в полученных диапазонах подбираются рабочие параметры технологической операции очистки. Это позволяет снизить количество проводимых экспериментов на этапе внедрения операции очистки в серийное производство.

2. Доказана необходимость проведения очистки системы охлаждающих каналов после операций механической, электроэрозионной обработок, хромалитирования и т.д. Это вызвано тем фактом, что каждая из операций по изготовлению лопаток вносит свои специфические загрязнения в систему охлаждающих каналов лопаток турбины. В конечном счете при совмещении типов загрязнений усложняется процесс подбора технологической моющей среды.

3. Полученные в 3 главе зависимости массы (т) загрязнения вымываемого из системы охлаждаемых каналов лопаток турбины от времени обработки и расстояния от торца концентратора до соответствующего отверстия лопатки позволяют без проведения предварительных расчетов назначать режимы технологической операции высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток ГТД.

4. На основании проведенного эксперимента установлено, что в процессе высокоинтенсивной ультразвуковой очистки в кавитационном поле может происходить процесс упрочнения поверхностного слоя обрабатываемой детали.

5. В результате применения разработанного технологического процесса на производстве количество брака по засорам охлаждаемых лопаток ГТД снизилось на 60%.

6. На разработанном в рамках диссертации оборудовании для высокоинтенсивной ультразвуковой очистки в создаваемом кавитационном поле не происходит разрушения поверхности обрабатываемой лопатки в пределах заданного времени обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сироткин, Игорь Александрович, 2010 год

1. 12.2.051-80, Система безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности., Москва, Стандарты.

2. Алексеев П.М., Егоров А.Л., Михелькевич В.Н., Нерубай М.С. Способ очистки рабочей поверхности шлифовальных кругов / A.c. 066674 СССР.

3. Абрамзон A.A., Зайченко Л.П., Файнгольд С.И. Поверхностно-активные вещества. Ленинград: Химия, 1988. 220с.

4. Абрамов О.В., Приходько В.М. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. М.: Янус-К, 2006. 688с.

5. Агранат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородский Ю.И., Хавский H.H. Ультразвуковая технология. М.: Металлургия, 1974. 504с.

6. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. М.: Высшая школа, 1987. 352с.

7. Адельсон C.B., Вишнякова Т.П., Паушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1985. 608с.

8. Акуличев В.А. Пульсация кавитационных полостей. Мощные ультразвуковые поля, под ред. Розенберга Л. Д. М.: Наука, 1968. с. 129-166.

9. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959.-914с.

10. Бабиков О.И. Ультразвук и его применение в промышленности. М.: Изд-во физико-математической литературы, 1958.-260с.

11. Н.Балакин И.Я., Зинин Ю.Н. Технология очистки отливок. Ленинград: Машиностроение, 1986. 182с.

12. Белов П.С. Основы технологии нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1982.-279с.

13. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. лит., 1956. 728с.

14. Беренсон С.Я. Химическая технология очистки деталей двигателей внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1967. -268с.

15. Богомолов E.H. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. М.: Машиностроение, 1987. 157с.

16. Вёрёш А. Очистка отливок. М.: Машиностроение, 1982. — 256с.

17. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981.-287с.

18. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. — 169с.

19. Вологин М.Ф., Калашников В.В., Нерубай М.С., Штриков Б.Л. Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке. М.: Машиностроение, 2002. 264с.

20. Гершгал Д. А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура промышленного назначения. М., Энергия, 1967. — 264с.

21. Гинберг А.М., Федотова Н.Я. Ультразвук в гальванотехнике. М.: Металлургия, 1969.-208с.

22. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1976. 288с.1

23. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Отрывные и кавитационные течения. Новосибирск: Наука, 1990. 384с.

24. Голямина И.П. Ультразвук: маленькая энциклопедия. Мю.: Сов. энцикл., 1979.-400с.

25. ГОСТ 12.1.001-89, Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности., Москва, Стандарты.

26. ГОСТ 12.2.007.10-87, Система безопасности труда. Установки, генераторы и нагреватели индукционные для электротермии, установки и генераторы ультразвуковые. Требования безопасности., Москва, Стандарты.

27. ГОСТ 12.4.077-79, Система безопасности труда. Ультразвук. Метод измерения звукового давления на рабочих местах, Москва, Стандарты.

28. ГОСТ 6.30-97 УСД, Требования к оформлению документов, Москва, Стандарты.

29. ГОСТ Р345326-94, Генераторы для ультразвуковых технологических установок. Номинальные мощности.

30. Гузь А.Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями. В 2-х томах. Киев: Наук. Думка, 1986, т. 1. 376 е., т. 2. - 538 с.

31. Гусев Е.А., Карпельсон А.Е., Потапов ВН., Соснин ФР. Ультразвуковой и рентгеновский контроль отливок. М.: Машиностроение, 1990. — 208с.

32. Делимарский Ю.К., Фишмар И.Р., Зарубицкий О.Г. Электрохимическая очистка отливок в ионных расплавах. М.: Машиностроение, 1976. — 208с.

33. Донской A.B. Ультразвуковые электротехнологические установки. Ленинград: Энергоиздат, 1982. -208с.

34. Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г., Крымов В.В., Хворостухин JI.A. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2003.-512с.

35. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966.-519с.

36. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике. М.: Связь, 1979.-312с.

37. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495с.

38. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. -43с.

39. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977.-336с.

40. Капустин А.П., Капустина O.A. Акустика жидких кристаллов. М.: Наука, 1986.-248с.

41. Карнфельд М.Н. Упругость и прочность жидкостей. М.: Металлургиздат, 1951.-107с.

42. Келлер O.K., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка. Ленинград: Машиностроение, 1977. 184с.

43. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М.: Мир, 1972. — 424с.

44. Копелов С.З., Галкин М.Н., Харин A.A., Шевченко И.В. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1993. 176с.

45. Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. М.: Машиностроение, 1982. — 157с.

46. Косолапов Г.Ф. Рентгенография. М.: Высшая школа, 1962. 331с.

47. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника. М.: Издательство иностранной литературы, 1958. 354с.

48. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2002. 376с.

49. Кулемин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.- 199с.

50. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978. 448

51. Логинов Вас.Е., Логинов Вл.Е., Тихомиров В.И. Ремонт агрегатов реактивных двигателей (справочное пособие). М.: МАИ, 1994. — 376с.

52. Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. М.: Наука, 1978. 160с.

53. Маргулис МА. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. М.: Химия, 1986.-288с.

54. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материаловэ М.: Машиностроение, 1980. 237с.

55. Мериин Б.В. Электро-гидравлическая обработка машиностроительных изделий. М.: Машиностроение, 1985. 118с.

56. Меркулов Л.Г., Харитонов A.B. Теория и расчет составных концентраторов. // Акустический журнал, 1959, № 2.

57. Метелкин А.Ф., Матюшин Л.В. Влияние температуры на интенсивность процесса ультразвуковой очистки в жидкой среде. УЗТ, 1968, № 3.

58. Мечетнер А. Концентраторы-инструметы для ультразвуковой обработки. Способы их крепления. М.: НИИМАШ, 1965. 53с.

59. Мунин А.Г., Квитки E.B. Авиационная акустика. М.: Машиностроение, 1973.-448с.

60. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура металлов и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996. — 184с.

61. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний для интенсификации процессов химической технологии. М.: Машиностроение, 1978.-56с.

62. Ноздрев В.Ф. Применение ультраакустики в молекулярной физике. М.: Физматгиз, 1958.-444с.

63. Панов А.П., Пискунов Ю.Ф. Высокоамплитудная ультразвуковая очистка. М.: Машиностроение, 1980. — 52с.

64. Перник Л.Д. Проблемы кавитации Ленинград: Судостроение, 1963. -439с.

65. Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой обработки С.-Петербург: Изд-во «Андреевский издательский дом», 2003. — 168с.

66. Современные технологии: ремонт узлов и деталей из суперсплавов / Amideon systems limited- URL: http://amideon.com, Дата обращения 12.03.2007.

67. Рождественский B.B. Кавитация. Ленинград: Судостроение, 1977. 248с.

68. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192с.

69. Сагателян Г.Р. Технология изготовления пьезоэлектрических преобразователей для аппаратов ультразвуковой терапии, диагностики и хирургии. М.: Изд-во МГТУ, 1993. 64с.

70. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко A.B. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1973. 288с.

71. Скубачевский P.C. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1981.-550с.

72. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.: Советское радио, 1971. 199с.

73. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1959.-330с.

74. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976.-256с.

75. Фомченко С.И., Балакин И .Я., Докторович A.C., Костров JI.H. Очистка отливок. М.: Машиностроение, 1969. 182с.

76. Холопов Ю.В. Оборудование для ультразвуковой сварки. Ленинград: Ленинградское отделение Энергоатомидат, 1985. — 168с.

77. Хронин Д.В. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1989. — 368с.

78. Чжен П. Отрывные течения T.l. М.: Мир, 1972. 300с.

79. Шварц А., Пери Дж., Берч Дж. Поверхностноактивные вещества и моющие средства. М.: издательство иностранной литературы, 1960. — 550с.

80. Эммануэль Н.М., Денисов Е.Т., Майзус Е.К. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. М.: Наука, 1965. — 375с.

81. Петушко И.В. Ультразвуковые диспергаторы серии УЗД Промышленный каталог №16.13.13-01. М.: Информэлектро, 2001.

82. РаджБ. РаджендранВ. Паланичами П. Применение ультразвука. М.: Техносфера Мир физики и техники, 2006. 576 с.

83. Ультразвуковая очистка / Акустический институт имени академика H.H. Андреева URL: http ://ras.akin.ru/main.htm. Дата обращения 05.08.2009.