Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности

С увеличением объемной производительности насоса наблюдается рост мощности насоса, рис.74, а:

Коэффициент полезного действия насоса определяется по формуле:

При увеличении объемной производительности объемный к.п.д. г| об также увеличивается, т.к. доля утечек по отношению к расходу жидкости, перекачиваемой насосом, уменьшается, рис.74, б.

Гидравлический к.п.д. с ростом объемной производительности уменьшается, т.к. увеличивается скорость жидкости, а значит потери на трение и удар, рис.74, б.

С увеличением объемной производительности насоса доля механических потерь, по сравнению с увеличением мощности уменьшается, следовательно, растет, рис.74, б.

Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности.

Турбина ТНА

Одним из основных элементов ТНА является газовая турбина. В турбине потенциальная энергия продуктов сгорания из газогенератора или паров охладителя преобразуется в механическую работу турбины. Турбина предназначена для приведение во вращение насосов ТНА. Турбина состоит из соплового аппарата 1, рабочего колеса 2 с двумя рядами рабочих лопаток 3 и 4, направляющего аппарата 5 и корпуса турбины 6 с выходным патрубком 7, рис.75.

Первая ступень турбины представляет совокупность соплового аппарата 1 и лопаток рабочего колеса 3, вторая образована неподвижными лопатками направляющего аппарата 5 и вторым рядом рабочих лопаток 4.

Преобразование энтальпии газового потока в механическую энергию вращения вала осуществляется в два этапа: энтальпии газового потока - в кинетическую энергию струи (в сопловом аппарате); кинетической энергии струи - в механическую энергию вращения вала (на рабочем колесе).

Конструкция турбины ТНА

Валы турбонасосных агрегатов (ТНА) работают при высоких нагрузках и больших числах оборотов. Для облегчения веса их делают полыми. Наибольшие знакопеременные напряжения в металле вала возникают на его наружной поверхности. При этом всякого вида резкие переходы, следы от режущего инструмента и другие дефекты поверхности являются концентраторами напряжений. В этих местах при работе могут образоваться трещины, что приведет к поломке вала. Поэтому особое внимание уделяется чистоте отделки поверхности вала с введением в некоторых случаях упрочняющих операций. Отделке подвергаются не только места под подшипники, уплотнения, посадки, но и все другие участки вала, не сопрягаемые с другими деталями.

Большие числа оборотов (10000-20000 об/мин и более) заставляют конструктора назначать очень жесткие допуски на соосность шеек и посадочных мест, точность расположения осевого отверстия, разностенность и другие размеры. Малейшие геометрические погрешности приводят к неравномерному распредзелению вращающихся масс металла, что вызывает вибрации и тряску ТНА.

На рис.76 изображено два наиболее характерных типа валов: с фланцем (а) и без фланца (б).

Наиболее ответственные валы изготовляются из высококачественной легированной стали с пределом прочности после соответствующей термической обработки 1000-1200 Мн/м 2 (100-120 кГ/мм 2 ). Применяются стали 2X13, 18ХНВА, 40ХНМА, 12ХНЗА и некоторые другие.

Для менее ответственных валов используются стали типа 38ХА или сталь 45.

Диски турбин ТНА работают при больших числах оборотов, вследствие чего в металле возникают высокие напряжения от действия центробежных сил. Кроме того, возникают температурные напряжения от неравномерности нагрева металла диска.

Характерные типы валов

Диски турбин изготовляют из высоколегированных сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и жаростойкостью: стали ЭИ415, ЭИ481, ЭИ395, Х18Н9Т, сплавы ЭИ437Б, ЭИ617 (ХН70ВМТЮ) и другие.

Форма дисков определяется из условия равнопрочности, т. е. примерно равной нагруженности металла во всех сечениях диска.

На рис.77 изображено несколько характерных конструкций дисков турбин. Диск состоит из ступицы для соединения с валом, обода для крепления лопаток и средней части, соединяющей ступицу с ободом. Нагрузка от центробежных сил возрастает по мере приближения к ступице, что вызывает необходимость выполнять среднюю часть с постепенным утолщением к ступице. Профили А и Б средней части получаются сложными, что затрудняет обработку диска. Хотя торцовые поверхности А и Б не сопрягаются с другими деталями, они должны быть выполнены точно, с высокой чистотой поверхности. Все дефекты механической обработки в виде рисок (следов от резца) или переходов являются концентраторами напряжений и понижают механическую прочность диска. Очень большое значение имеет равномерное распределение массы металла по диску.

Даже небольшие односторонние утолщения приводят к неравномерности распределения массы, что ведет к неуравновешенности. При быстром вращении неуравновешенных дисков появляются недопустимые вибрации тур-

бины, которые могут привести к аварии. Поэтому при конструировании дисков задаются жесткие допуски на все размеры дисков.

Конструкция дисков турбин ТНА

Особенно высокие требования по точности обработки предъявляются к сопрягаемым размерам - посадочному отверстию в ступице или посадочным пояскам и к пазам для крепления лопаток. Посадочные пояски и отверстия в ступице обычно выполняются по 2-му классу точности. Допуски на размеры паза для крепления лопаток- 0,01-0,03 мм. Допускаемое биение наружных поверхностей посадочных мест - 0,03-0,06 мм.

Передача крутящего момента от диска к валу осуществляется болтами или штифтами, вставляемыми в отверстия Г (см. рис.77,а) или шлицами Е (см. рис.77,б). Иногда вал вытачивается заодно с фланцем, а диск турбины приваривается к фланцу вала, как это изображено на рис.77,в. При такой конструкции диска достигается экономия дорогостоящих жаропрочных сплавов, так как вал изготовляется из более дешевых сталей.

При конструировании дисков турбин очень большое внимание уделяется рациональному способу крепления лопаток с учетом конструктивной прочности и технологичности конструкции.

Наибольшая конструктивная прочность при минимальном весе диска достигается в том случае, когда лопатки выполнены за одно целое с диском. У таких дисков обод получается наиболее легким. Однако технология их изготовления сложна и сопряженна с большой затратой труда. Кроме того, качество обработки профиля лопаток выше, если лопатки изготовляются отдельно от ротора. Повышенная шероховатость или несоответствие профиля лопатки расчетному снижает коэффициент полезного действия турбины. Все эти факторы подробно анализируются и в каждой конкретной конструкции ТНА находится наиболее рациональное решение.

Несмотря на кажущиеся выгоды получения заготовок дисков турбин за одно целое с лопатками в реальных условиях иногда целесообразнее изготовлять лопатки отдельно с последующим соединением их с диском с помощью замков или сваркой.

Лопатка газовой турбины состоит из двух основных конструктивных элементов - пера и корневой части с замком. Перо-рабочий элемент лопатки, а корневая часть, или замок, служит для соединения пера с диском турбины. Перо лопатки имеет сложную форму, определяемую газодинамическим расчетом. Вогнутую сторону пера называют корытом, а выпуклую-спинкой. Профили корыта и спинки соединяются, образуя кромки пера: переднюю, или входную, кромку со стороны входа газа на лопатку и заднюю, или выходную, кромку. На практике широкое распространение получили три характерных типа лопаток газовых турбин ТНА:

лопатка, изготовленная отдельно и соединяемая с диском турбины сваркой или замком;

лопатки открытого типа, выполненные за одно целое с диском турбины;

лопатки, выполненные за одно целое с диском турбины, соединенные сверху бандажным кольцом.

У каждого из этих типов лопаток свои достоинства и недостатки как эксплуатационного, так и технологического характера.

Лопатки первого типа изготовляются отдельно от диска и могут быть выполнены более точно и с лучшей чистотой поверхности, чем лопатки остальных типов.

На каждую турбину идет большое количество лопаток, что позволяет даже при мелкосерийном производстве ТНА организовать поточное изготовление лопаток с применением специального оборудования и высокопроизводительной оснастки. Однако необходимость крепления отдельно выполненных лопаток к диску с помощью замков усложняет технологический процесс и утяжеляет диск турбины. Этот недостаток в значительной мере устраняется при соединении лопаток с диском сваркой.

Лопатки второго типа наиболее рациональны конструктивно, так как не требуют крепления. Однако такие лопатки нельзя изготовить обычной механической обработкой. Для выбирания металла между лопатками приходится применять электроэрозионный, ультразвуковой или другие методы, по производительности значительно уступающие обычной механической обработке. Кроме того, изготовление такого типа лопаток требует весьма точного соблюдения технологического процесса, так как наличие одной забракованной лопатки ведет к браку всего диска турбины. Лопатки второго и третьего типа не могут быть выполнены из металла или сплава, отличного от металла диска (так как составляют с диском одно целое), что не всегда рационально, а иногда даже недопустимо.

Лопатки третьего типа так же рациональны с конструктивной точки зрения, как и лопатки второго типа. Наличие бандажа, выполненного за одно целое с лопатками, даже улучшает их характеристики, но технология изготовления таких лопаток не позволяет получить точные геометрические размеры профиля лопаток. Отливка по выплавляемым моделям дает значительные погрешности, а обработка закрытых профилей лопаток затруднена.

Технологический процесс изготовления каждого из трех типов лопаток имеет свои особенности. Большое влияние на технологический процесс оказывает также материал лопаток.

Лопатки газовых турбин работают в тяжелых условиях-при высокой температуре и высоких напряжениях от центробежных сил. Материал лопаток должен обладать хорошей жаропрочностью и вместе с тем удовлетворительно обрабатываться резанием и давлением. Материал для литых лопаток должен обладать высокими литейными свойствами. Материал приварных лопаток должен хорошо свариваться с материалом диска. Для изготовления лопаток турбины применяются следующие стали и сплавы: 1Х18Н9Т, ЗОХГСА, ЭИ69, ВЛ7-20 и другие.

Для кратковременной работы при не очень высоких температурах могут применяться сплавы на алюминиевой основе типа АК4.

Корпусные детали турбонасосных агрегатов можно разделить на следующие основные группы:

Корпусы насосов.

Корпусы турбин.

Выхлопные патрубки и коллекторы.

Рис.78 Корпусные детали ТНА Большинство корпусных деталей ТНА, рис.78, имеет сложную форму, образованную криволинейными, плоскими и цилиндрическими поверхностями. Криволинейные поверхности, образующие улитки, полости, выемки, не подвергаются механической обработке, но зачищаются для удаления неровностей поверхности. Некоторые из таких поверхностей обозначены буквой Я.

Для установки подшипников, уплотнений и других деталей, примыкающих к валам турбин и насосов, в корпусах делаются расточки, выточки, посадочные пояски. Эти посадочные места механически обрабатываются с высокой точностью-по 2 или 1 -му классу. Взаимное биение посадочных поверхностей допускается в пределах 0,03-0,05 мм, а непараллельность торцев - 0,03-0,08 мм. С такой же высокой точностью обрабатываются места стыков корпусных деталей друг с другом по плоскостям разъема П. Особенно жесткие требования к посадочным и стыковочным местам предъявляются в конструкциях ТНА, имеющих общий вал турбины и насосов.

Сочетание в одной детали необработанных поверхностей, имеющих относительно грубые допуски, с поверхностями, обработанными с высокой точностью, - одна из характерных особенностей корпусных деталей.

Материал для корпусов выбирается исходя из условий их работы, возможно минимального веса и технологичности конструкции. Корпусы насосов изготовляют чаще всего из алюминиевых литейных сплавов типа АЛ4, обладающих высокими литейными свойствами при достаточной прочности.

Корпусы турбин также предпочтительно изготовлять из сплавов типа АЛ4, если это допускается по температурным условиям. При высокой температуре газов корпусы турбин изготовляют из жаропрочных нержавеющих сталей типа 1Х18Н9Т. Корпусы насосов для перекачивания агрессивных жидкостей изготовляют из титановых сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью. Иногда по условиям минимального веса и конструктивным соображениям корпусные детали изготовляются штамповкой из листа с последующей сваркой. Для сварных штампованных корпусов применяют сплавы ЭИ606, ЭИ654, сталь 1Х18Н9Т и другие.

Сварные корпусы из листовых материалов, как правило, дешевле и легче литых, поэтому они находят широкое применение.

Сварной корпус турбины:

1-фланец; 2 - коллектор; 3-кольцо

На рис.79 показан пример изготовления сварного корпуса турбины с выхлопным коллектором.

Корпус расчленен на три элементарные детали. Средняя часть - коллектор 2 изготовляется штамповкой из тонкого листа, а фланец 1 и посадочное кольцо 3 получены токарной обработкой. Элементарные детали соединены двумя кольцевыми сварными швами С. Сварка ведется в специальном приспособлении, детали поворачиваются сварочным манипулятором.

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к жидкостным ракетным двигателям, работающим на криогенном окислителе и на углеводородном горючем. Задача изобретения - повышение надежности ТНА. Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, содержащий установленные на валу, который в свою очередь установлен не менее чем на двух опорах, детали ротора турбонасосного агрегата: крыльчатку насоса окислителя, крыльчатку насоса горючего и рабочее колесо турбины, размещенные в корпусе турбонасосного агрегата крыльчатку дополнительного насоса горючего с валом и крыльчаткой дополнительного насоса горючего, при этом все опоры выполнены магнитными, между рабочим колесом турбины и крыльчаткой насоса окислителя установлены магнитная муфта и мультипликатор. Между насосом окислителя и насосом горючего установлены магнитная муфта и мультипликатор. Между насосом горючего и дополнительным насосом горючего установлены магнитная муфта и мультипликатор. Изобретение обеспечивает пожаробезопасность и взрывобезопасность турбонасосного агрегата. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2318129

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к жидкостным ракетным двигателям ЖРД, работающим на криогенном окислителе и на углеводородном горючем.

Известный жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2095607, предназначенный для использования в составе космических разгонных блоков, ступеней ракетоносителей и как маршевый двигатель космических аппаратов, включает в себя камеру сгорания с регенеративным трактом охлаждения турбонасосный агрегат - ТНА. ТНА содержит насосы подачи компонентов - горючего и окислителя с турбиной на одном валу, в который введен конденсатор. Выход конденсатора по линии хладагента соединен с входом в камеру сгорания и с входом в тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания. Выход из конденсатора по линии теплоносителя соединен с входом в насос одного из компонентов. Выход из насоса того же компонента сообщен с входом конденсатора по линии хладагента. Второй вход конденсатора сообщен с выходом турбины. Выход насоса другого компонента сообщен с входом в камеру сгорания.

Недостатком ТНА двигателя является ухудшение кавитационных свойств насоса при перепуске конденсата. Такое свойство насоса неминуемо приводит к уменьшению расхода одного из компонентов топлива через ТНА, падению тяги ракеты в несколько раз и срыву программы полета ракеты или к катастрофе.

Известны способ работы ЖРД и жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2187684. Способ работы жидкостного ракетного двигателя заключается в подаче компонентов топлива в камеру сгорания двигателя, газификации одного из компонентов в тракте охлаждения камеры сгорания, подводе его на турбину турбонасосного агрегата с последующим сбросом в форсуночную головку камеры сгорания. Часть расхода одного из компонентов топлива направляют в камеру сгорания, а оставшуюся часть газифицируют и направляют на турбины турбонасосных агрегатов. Отработанный на турбинах газообразный компонент смешивают с жидким компонентом, поступающим в двигатель при давлении, превышающем давление насыщенных паров получаемой смеси. Жидкостный ракетный двигатель содержит камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, насосы подачи компонентов топлива и турбину. Насосы и турбины скомпонованы в два ТНА: основной и бустерный. Двигатель содержит установленные последовательно перед насосом подачи одного из компонентов топлива основного турбонасосного агрегата насос бустерного турбонасосного агрегата и смеситель. Выход насоса основного турбонасосного агрегата соединен как с форсуночной головкой камеры сгорания, так и с трактом регенеративного охлаждения камеры сгорания. Тракт регенеративного охлаждения, в свою очередь, связан с турбинами основного и бустерного турбонасосных агрегатов, выходы которых соединены со смесителем.

Недостатком этой схемы является то, что тепловой энергии, снимаемой при охлаждении камеры сгорания, может оказаться недостаточно для привода турбонасосного агрегата двигателя очень большой мощности.

Известен ЖРД по патенту РФ на изобретение №2190114, МПК 7 F02K 9/48, опубл. 27.09.2002 г. Этот ЖРД включает в себя камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, турбонасосный агрегат ТНА с насосами окислителя и горючего, выходные магистрали которых соединены с головкой камеры сгорания, основную турбину и контур привода основной турбины. В контур привода основной турбины входят последовательно соединенные между собой насос горючего и тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания, соединенный с входом в основную турбину. Выход из турбины ТНА соединен с входом второй ступени насоса горючего.

Этот двигатель имеет существенный недостаток. Перепуск подогретого в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания горючего на вход во вторую ступень насоса горючего приведет к его кавитации и к последствиям, указанным выше. Большинство ЖРД используют такие компоненты топлива, что расход окислителя почти всегда больше расхода горючего. Следовательно, для мощных ЖРД, имеющих большую тягу и большое давление в камере сгорания, эта схема не приемлема, т.к. расхода горючего будет недостаточно для охлаждения камеры сгорания и привода основной турбины.

Кроме того, не проработана система запуска ЖРД, система воспламенения компонентов топлива и система выключения ЖРД и его очистки от остатков горючего в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания.

Известен жидкостный ракетный двигатель и способ его запуска по патенту РФ на изобретение №2232915, опубл. 10.09.2003 г. (прототип), который содержит камеру сгорания, турбонасосный агрегат, газогенератор, систему запуска, средства для зажигания компонентов топлива и топливные магистрали. Выход насоса окислителя соединен с входом в газогенератор. Выход первой ступени насоса горючего соединен с каналами регенеративного охлаждения камеры и со смесительной головкой. Выход второй ступени насоса горючего (дополнительного насоса горючего) соединен с регулятором расхода с электроприводом. Другой вход регулятора соединен с пусковьм бачком со штатным горючим. Выход из регулятора соединен с газогенератором. Выход из газогенератора соединен с входом в турбину турбонасосного агрегата, выход из которой соединен со смесительной головкой. Регулятор расхода снабжен гидроприводом предварительной ступени, который через кавитирующий жиклер и гидрореле соединен с пусковым бачком со штатным горючим. Гидрореле соединено со второй ступенью насоса горючего. Дроссель, установленный на выходе первой ступени насоса горючего, выполнен совместно с управляемьм клапаном предварительной ступени.

Недостатком такой схемы является пожар или взрыв ТНА и ракеты на старте или в полете вследствие низкой надежности уплотнения между турбиной и насосом окислителя, между насосом окислителя и горючего, а также между насосом горючего и дополнительным насосом горючего из-за действия на них большого перепада давления: 300...400 кгс/см 2 для современных ЖРД. Например, при использовании в качестве компонентов ракетного топлива водорода и кислорода самые незначительные утечки этих компонентов приводят к образованию «гремучей смеси» и практически всегда - к взрыву ракеты.

Практически всегда для охлаждения опор ТНА используют компоненты ракетного топлива. Это очень опасно и может привести к пожару или взрыву, вследствие перегрева компонента ракетного топлива, прокачиваемого через опоры. Особенно опасно применение для смазки опор жидкого кислорода.

Задача изобретения - предотвращение взрыва ТНА или ракеты на старте или в полете.

Решение указанной задачи достигнуто в турбонасосном агрегате жидкостного ракетного двигателя, содержащем детали ротора турбонасосного агрегата: крыльчатку насоса окислителя, крыльчатку дополнительного насоса горючего с валом и крыльчаткой дополнительного насоса горючего, тем, что все опоры выполнены магнитными, между рабочим колесом турбины и крыльчаткой насоса окислителя установлены магнитная муфта и мультипликатор. Между насосом окислителя и насосом горючего могут быть установлены магнитная муфта и мультипликатор. Между насосом горючего и дополнительным насосом горючего могут быть установлены магнитная муфта и мультипликатор.

Проведенные патентные исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Новизна подтверждается проведенными патентными исследованиями, изобретательский уровень - достижение нового эффекта - абсолютной герметичности соединений между турбиной и насосами, а также между насосами и предотвращение взрыва ТНА и ракеты на старте или в полете.

Промышленная применимость обусловлена тем, что все элементы, входящие в компоновку ТНА, известны из уровня техники и широко применяются в двигателестроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...3,

где на фиг.1 приведена схема первого варианта ТНА,

на фиг.2 приведена схема второго варианта ТНА,

на фиг.3 приведена схема третьего варианта ТНА,

Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя ТНА (Фиг.1) содержит корпус 1, вал ТНА 2 (или части вала ТНА) 2 и 3, на котором (которых) установлены детали ротора ТНА: крыльчатка насоса окислителя 4, крыльчатка насоса горючего 5 и рабочее колесо турбины 6. Все детали ротора ТНА размещены внутри корпуса ТНА 7. Дополнительный насос горючего 8, имеющий крыльчатку дополнительного насоса горючего 9 и вал дополнительного насоса горючего 10, выполнен соосно с продольной осью корпуса ТНА 1 и установлен на стороне, противоположной рабочему колесу турбины 6. Крыльчатка дополнительного насоса горючего 9 установлена в корпусе дополнительного насоса горючего 11, полость «Б» которого герметизирована относительно полости ТНА «А». Между крыльчаткой насоса горючего 5 и дополнительным насосом горючего 8 в корпусе ТНА 1 установлены магнитная муфта 12 и мультипликатор 13. Магнитная муфта 12 и все другие магнитные муфты состоят из ведущего диска магнитной муфты и ведомого диска магнитной муфты. Между дисками магнитной муфты выполнена перегородка из немагнитного материала, например из немагнитной стали.

Вал ТНА 2 установлен не менее чем на двух магнитных опорах 14.

Газогенератор 15 установлен соосно с корпусом ТНА 1 над сопловьм аппаратом турбины 16. Газогенератор 15 содержит головку газогенератора 17, внутри которой выполнены наружная плита 18 и внутренняя плита 19 с полостью «В» над ними и полостью «Г» между ними. Внутри головки газогенератора 17 установлены форсунки окислителя 20 и форсунки горючего 21. Форсунки окислителя 20 сообщают полость «В» с внутренней полостью газогенератора «Д», а форсунки горючего 21 сообщают полость «Г» с внутренней полостью газогенератора «Д». На наружной поверхности газогенератора 15 установлен коллектор горючего 22, к которому подходит топливопровод высокого давления 23 от дополнительного насоса горючего 8. В линии трубопровода высокого давления 23 установлен клапан высокого давления 24 и регулятор расхода 25 с приводом регулятора расхода 26. Выход из крыльчатки насоса горючего 5 соединен трубопроводом 27 с входом в дополнительный насос горючего 8 и с камерой сгорания (камера сгорания на фиг.1 не показана).

Выход из крыльчатки насоса окислителя 4 трубопроводом окислителя 28 через клапан окислителя 29 соединен с полостью «В» газогенератора 15. На газогенераторе 15 установлены одно или несколько запальных устройств 30. Блок управления 31 соединен электрическими связями с запальными устройствами 30, клапаном высокого давления 24, клапаном окислителя 29 и приводом регулятора расхода 26.

При запуске ЖРД с блока управления 31 подаются электрические сигналы на клапаны 24 и 29 и запальное (запальные) устройства 30. Окислитель и горючее из крыльчаток насосов 4, 5 и 9 самотеком поступает в газогенератор 15, где воспламеняется, продукты сгорания раскручивают рабочее колесо турбины 6, давление на выходе из крыльчаток насосов 4 и 5 возрастает. Часть топлива (около 10%) поступает в дополнительный насос горючего 8, где его давление значительно увеличивается. Дополнительный насос горючего 8 приводится во вращение через магнитную муфту 12 и мультипликатор 13. Вследствие этого, из-за отсутствия уплотнения по валу дополнительного насоса горючего 10 его надежность возрастает. При давлении на входе в крыльчатку насоса горючего 5 порядка Р 1 =2...4 кгс/см 2 , на выходе из крыльчатки насосов горючего 5 Р 2 =400 кгс/см 2 и при давлении на выходе из дополнительного насоса горючего 8 примерно Р 3 =900 кгс/см 2 возникший между ними перепад давления примерно в 600 кгс/см 2 воспринимается перегородкой из немагнитного материала. Давление на входе в насос окислителя Р 4 =4...5 кгс/см 2 , на выходе из насоса окислителя Р 5 =500 кгс/см 2 , на входе в камеру сгорания Р 6 =400 кгс/см 2 . Наличие магнитных муфт между насосами и насосом окислителя и турбиной обеспечивает полную герметичность всех модулей относительно друг друга, наличие мультипликаторов - согласование оборотов вращения турбины и насосов и одновременно модульность конструкции.

В результате появилась реальная возможность спроектировать все основные узлы ТНА: турбину и насос на оптимальные параметры, в том числе по частотам вращения и согласовать частоты вращения за счет применения одного мультипликатора между турбиной и насосами или нескольких мультипликаторов, а это позволило минимизировать вес ТНА, что имеет решающее значение в ракетной технике.

Применение изобретения позволяет

1) предотвратить взрыв ТНА и ракеты при старте или в полете вследствие контакта окислителя и горючего в полости между насосами или проникновения продуктов сгорания из турбины в один из компонентов топлива, если в качестве компонентов ракетного топлива используется кислород и водород или другие агрессивные компоненты; также исключить применение для смазки опор компонентов ракетного топлива в связи с тем, что магнитные опоры вообще не требуют смазки;

2) обеспечить модульность конструкции ТНА и их раздельную доводку при испытаниях;

3) спроектировать все узлы ТНА: турбину и насос на оптимальные параметры, в том числе частоты вращения и согласовать частоты вращения за счет применения одного мультипликатора между турбиной и насосами или нескольких мультипликаторов;

4) повысить надежность ТНА за счет отсутствия уплотнения по валу дополнительного насоса горючего и его полной герметичности за счет применения магнитной муфты;

5) упростить кинематическую схему ТНА за счет отказа от редуктора;

6) уменьшить общий вес ТНА за счет исключения редуктора и его корпуса;

7) полностью предотвратить утечку горючего в дренаж из редуктора и из полости между насосами окислителя и горючего;

8) улучшить пожаробезопасность ТНА за счет:

Использования магнитных опор, не требующих смазки,

Уменьшения вероятности контакта окислителя и горючего в полости между насосами окислителя и горючего,

Исключения из конструкции системы редуктора, охлаждаемого пожароопасным компонентом ракетного топлива - горючим.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, содержащий, установленные на валу, который в свою очередь установлен не менее чем на двух опорах, детали ротора турбонасосного агрегата: крыльчатку насоса окислителя, крыльчатку насоса горючего и рабочее колесо турбины, размещенные в корпусе турбонасосного агрегата крыльчатку дополнительного насоса горючего с валом и крыльчаткой дополнительного насоса горючего, отличающийся тем, что все опоры выполнены магнитными, между рабочим колесом турбины и крыльчаткой насоса окислителя установлены магнитная муфта и мультипликатор.

2. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что между насосом окислителя и насосом горючего установлены магнитная муфта и мультипликатор.

3. Турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п.1 или 2, отличающийся тем, что между насосом горючего и дополнительным насосом горючего установлены магнитная муфта и мультипликатор.

Рис.74

Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности.

8.11. Турбина ТНА

Рис.75

Конструкция турбины ТНА

На рис.76 изображено два наиболее характерных типа валов: с фланцем (а) и без фланца (б).

Для менее ответственных валов используются стали типа 38ХА или сталь 45.

Рис.76

Характерные типы валов

Рис.77

Конструкция дисков турбин ТНА

Передача крутящего момента от диска к валу осуществляется болтами или штифтами, вставляемыми в отверстия Г (см. рис.77,а) или шлицами Е (см. рис.77, б). Иногда вал вытачивается заодно с фланцем, а диск турбины приваривается к фланцу вала, как это изображено на рис.77, в. При такой конструкции диска достигается экономия дорогостоящих жаропрочных сплавов, так как вал изготовляется из более дешевых сталей.

лопатка, изготовленная отдельно и соединяемая с диском турбины сваркой или замком;
лопатки открытого типа, выполненные за одно целое с диском турбины;
лопатки, выполненные за одно целое с диском турбины, соединенные сверху бандажным кольцом.

Корпусные детали турбонасосных агрегатов можно разделить на следующие основные группы:

Корпусы насосов.
Корпусы турбин.
Выхлопные патрубки и коллекторы.
Крышки.

Рис.78

Корпусные детали ТНА

Большинство корпусных деталей ТНА, рис.78, имеет сложную форму, образованную криволинейными, плоскими и цилиндрическими поверхностями. Криволинейные поверхности, образующие улитки, полости, выемки, не подвергаются механической обработке, но зачищаются для удаления неровностей поверхности. Некоторые из таких поверхностей обозначены буквой Я.

Рис.79

Сварной корпус турбины:

1-фланец; 2 - коллектор; 3-кольцо

На рис.79 показан пример изготовления сварного корпуса турбины с выхлопным коллектором.

8.12. Классификация турбин

По различным признакам турбины разделяют на активные и реактивные, осевые, радиальные и тангенциальные, одноступенчатые и многоступенчатые. Кроме того, отличают турбины со ступенями скорости и ступенями давления, парциальные и непарциальные, одновальные и двухвальные.

Разделение на активные и реактивные турбины производится по способу распределения перепадов давления в ступени турбины.

В активных турбинах весь перепад давления, приходящийся на ступень, срабатывается в сопловом аппарате, а на рабочих лопатках колеса турбины перепад давлений отсутствует. В межлопаточном канале колеса поток поворачивается и на лопатки действует сила реакции. Таким образом, часть энергии газов передается ротору и абсолютная скорость газа уменьшается. Если пренебречь потерями, относительная скорость w остается неизменной, т. е. w 1 = w 2 -В реактивных турбинах перепад давления срабатывается в сопловом аппарате и на рабочих лопатках. Вследствие расширения газа на рабочих лопатках относительная скорость w возрастает, т. е. w 2 >wi, рис.80.

Рис.80

Элементарная схема и треугольники скоростей турбины:

а -активной; б-реактивной

Величина располагаемой работы L 0 , т. е. максимально возможной работы турбины без потерь, определяется адиабатическим перепадом тепла h ад (теплоперепадом) от параметров газа в заторможенном состоянии на входе в турбину (Рвх; Твх) до давления на выходе Рвых.:

Где: R, k - показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела турбины, соответственно;

Твх и Рвх - заторможенные значения температуры и давления газа перед турбиной, соответственно; Рвых - давление газа за турбиной.

Отношение адиабатического перепада тепла, срабатываемого на рабочих лопатках, к полному перепаду тепла на ступени называется степенью реактивности:

Классификация турбин на осевые, радиальные и тангенциальные производится по направлению газового потока, рис.81.

Рис.81

Типы турбин:

Осевая; б -радиальная центростремительная; в -тангенциальная: 7-сопловый аппарат, 2-лопатки

Осевыми турбинами называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении параллельно (или почти параллельно) оси турбины.

Радиальными называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении перпендикулярно оси турбины. В зависимости от направления потока газа различают центростремительные (направление потока от периферии к центру) и центробежные (направление потока от центра к пе-

риферии) турбины. В некоторых случаях применение радиальной турбины упрощает компоновку ТНА

Тангенциальными называются турбины, в которых газ движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси турбины, и за счет трения увлекает за собой лопатки турбины.

По числу ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые турбины, рис.82.

Рис.82

Многоступенчатые турбины:

а -со ступенями скорости; б- со ступенями давления;

В-с поворотом газа

В многоступенчатой турбине газ после выхода из лопаток колеса попадает в спрямляющий (сопловой) аппарат и снова поступает на колесо во второй ряд рабочих лопаток. Количество ступеней может равняться двум, трем и более. Применение многоступенчатых турбин позволяет использовать больший теплоперепад, хотя установка ступеней связана с дополнительными гидравлическими потерями, вследствие чего максимальное значение КПД многоступенчатой турбины меньше, чем КПД одноступенчатой. Применение более двух ступеней дает незначительный выигрыш в работе.

Различают многоступенчатые турбины со ступенями скорости и со ступенями давления. В первых - перепад давлений срабатывается в сопловом аппарате первой ступени и полученная кинетическая энергия постепенно используется на других ступенях. В турбине со ступенями давления в каждой ступени срабатывает определенный перепад давления. Турбины со ступенями скорости имеют меньший КПД, по сравнению с турбинами со ступенями давления, однако, при их применении:

Требуется меньшее количество ступеней для срабатывания задан
ного теплоперепада (при одинаковой окружной скорости)".

более существенно снижается температура газа, поступающего в последующие ступени;

значительно уменьшаются осевые силы.

В целом турбины со ступенями скорости проще и в сравнительно небольших ЖРД целесообразны. В двигателях больших тяг с выбросом генераторного газа в окружающую среду, когда эффективность ТНА играет существенную роль, возможно применение турбин со ступенями давления.

Разновидностью многоступенчатой турбины со ступенями скорости является турбина с поворотом подвода газа В этих турбинах газ из рабочих лопаток колеса поступает в поворотный канал, где изменяется направление потока, и повторно подводится к рабочему колесу. Такая турбина имеет большие потери, но зато рабочее колесо имеет один венец. Известно применение турбины с поворотом потока в ЖРД «Вальтер».

По степени использования проходного сечения соплового аппарата различают парциальные и непарциальные турбины Парциальными называются турбины, в которых сопловые каналы имеются только на части окружности. Отношение рабочей дуги соплового аппарата а р ко всей окружности называется степенью парциальности:

Парциальность вызывает дополнительные потери. В ряде случаев улучшение КПД турбины за счет увеличения и и за счет увеличена длины лопаток получается большим, чем падение его вследствие потерь на парциальность. Кроме того, при заданной температуре газа температура лопаток парциальной турбины ниже.

По числу валов различают одновальные и двухвальные турбины. Схема двухвальной турбины показана на рис.83.

Применение двухвальной турбины в ТНА ЖРД может оказаться целесообразным из-за значительной разницы в максимально допустимых числах оборотов насосов горючего и окислителя. Однако применение двухвальных турбин в ТНА может привести к усложнению запуска и регулирования двигателя, а также и усложняет конструкцию ТНА в целом.

Специфика условий работы турбины в ТНА и требования к ТНА, как важнейшему агрегату двигательной установки, определяют типы турбин, которые рационально использовать при различных схемах двигательных установок ЖРД. В ТНА жидкостных ракетных двигателей применяются главным образом осевые активные турбины. Эти турбины конструктивно проще и достаточно надежны в работе. Для ТНА жидкостных ракетных двигателей, работающих по открытой схеме (с выбросом генераторного газа в окружающую среду),

Рис.83

Двухвальная турбина

Характерно применение парциальных активных турбин. Дело в том, что при открытой схеме для уменьшения потерь компонентов на привод ТНА стремятся уменьшить расход рабочего тела на турбину (это достигается увеличением перепада давления на турбине= Рвх / Рвых = 15 - 60, за счет снижения давления за турбиной; однако, Рвых,min > 1,4 Рн). Вследствие малых расходов турбину целесообразно выполнять парциальной. Наличие же парциальности обусловливает применение активных турбин, так как в реактивных турбинах вследствие перепада давлений на лопатках колеса возникли бы большие потери из-за перетекания газа в области перед рабочими лопатками, где отсутствуют окна для подачи рабочего тела.

В ТНА двигателей открытых схем используют как одно-, так и двухступенчатые турбины, чаще со ступенями скорости.

В ТНА жидкостных ракетных двигателей с замкнутой схемой (с подводом генераторного газа в головку камеры ЖРД) в основном используются осевые одноступенчатые, низконапорные (п т = 1,15-1,8) турбины с большим расходом рабочего тела. Применение нескольких ступеней при этом нецелесообразно из-за малого срабатываемого теплоперепада. При замкнутой схеме наряду с активными турбинами могут использоваться и турбины с небольшой реактивностью. Из удобства компоновки при замкнутой схеме возможно применение радиальных турбин.

Турбины для первоначальной раскрутки ТНА, работающие от пиро-стартера, обычно выполняют осевыми, одноступенчатыми, парциальными.

8.13. Основные параметры турбины

1. Мощность турбины

Nt = Nh , o +N H . r +Nвсп. ,

Где: NHО, Nht , Nbc п. - мощности насосов окислителя, горючего и вспомогатель-ныхагрегатов, соответственно.

2. Перепад давления на турбине

П т = Рвх / Рвых.

3. Температура газа перед турбиной

Величина Тг, как правило, определяется жаропрочностью материала лопаток, Тг= 1100-1500 К.

4. Число оборотов вала турбины

N = 60 u / (п Дср), где:

И - окружная скорость рабочих лопаток, м/с; Дср - средний диаметр рабочих лопаток турбины.

При одновальной компановки ТНА число оборотов рабочего колеса турбины определяется исходя из условия безкавитационной работы насосов, а при многовальной - из условия обеспечения максимального коэффициента полезного действия турбины.

5. Эффективный коэффициент полезного действия турбины

Потери на трение в сопловом аппарате;

Потери на перетекание рабочего тела через радиальный зазор, образован
ный торцами рабочих лопаток и корпусом турбины;

Потери на трение и удар о диск турбины;

Механические потери в подшипниках и лабиринтных уплотнениях;

Потери с выходной скорость, т.е. потери обусловленные выбросом газо
вого потока в окружающую среду. Данный вид потерь характерен только для
ЖРД без дожигания генераторного газа;

Учитывает вентилляционные потери, обусловленные перетеканием рабо-

Чего тела из зоны повышенного давления за рабочими лопатками в зону пониженного после соплового аппарата на тех участках соплового аппарата, где отсутствуют выходные сечения сопел.

8.14. Требования, предъявляемые к газогенераторам

Величина тяги ЖРД, как известно, является линейной функцией секундного расхода топлива. Секундный расход топлива для каждого конкретного двигателя с насосной системой подачи компонентов зависит от мощности, развиваемой турбиной. Мощность турбины полностью определяется секундным расходом и параметрами рабочего тела на входе в турбину, т. е. на выходе из газогенератора. Поэтому газогенератор является устройством, задающим режим работы всей двигательной установки. Это обстоятельство и определяет особые требования к данному звену системы топливоподачи (помимо общих требований, предъявляемых ко всем агрегатам ЖРД, вне зависимости от специфики их работы). Эти требования сводятся к следующему.

1. Высокая стабильность работы. Это значит, что газогенератор на всех режимах работы двигателя должен возможно точнее обеспечивать заданный секундный расход газа и при этом значения параметров газа (состав, давление, температура и др.) не должны выходить за определенные (допустимые) пределы. Чем стабильнее работа газогенератора, тем меньшие нагрузки испытывают в полете системы управления работой двигателя, а это повышает надежность двигателя и точность стрельбы.

Особенно важна стабильность работы газогенератора для ракет с нерегулируемыми ЖРД и ракет, управление дальностью полета которых осуществляется только по скорости полета в конце активного участка траектории. В последнем случае отклонение координат конца активного участка траектории, вызванное отклонением тяги двигателя от расчетного значения, вследствие нестабильной работы газогенератора, целиком перейдет в отклонение точки падения ракеты от цели.

2. Простота управления рабочим процессом в широком диапазоне из
менения его параметров. Это требование также обусловлено регулирующим
воздействием газогенератора на двигатель и необходимостью изменения режи
ма работы двигателя в процессе одного запуска (при регулировании тяги во
время старта и в полете, при переходе с главной ступени тяги на конечную и т.

3. Высокая работоспособность генераторного газа, обусловливающая
либо минимальную затрату энергии (и соответственно минимальный расход
топлива) на привод ТНА, либо повышение мощности ТНА. Это требование
выдвигается в связи с тем, что удельный импульс двигателя определяется от
ношением тяги ко всему секундному расходу отбрасываемой массы. В понятие
же «отбрасываемая масса» входят как продукты сгорания топлива в камере, так
и отработанный после турбины газ. Для ЖРД, у которых этот газ выбрасывает
ся в атмосферу и развивает удельный импульс меньший, чем продукты сгора
ния топлива, истекающие из камеры двигателя, решающим условием повыше
ния экономичности двигателя является уменьшение расхода топлива на привод
ТНА. Для ЖРД с дожиганием генераторного газа главное-увеличение мощно
сти ТНА, так как это позволяет увеличить давление в камере и при заданном
значении давления на срезе сопла повысить степень расширения отбрасывав-

Мыхпродуктов сгорания, т. е. увеличить термический КПД камеры. Уменьше-ниерасхода топлива на привод ТНА и увеличение мощности ТНА зависят от количества энергии, отдаваемой турбине одним килограммом рабочего тела. Эга энергия равна, как известно, произведению относительного эффективного КПД турбины на располагаемый адиабатический теплоперепад.

8.15. Классификация газогенераторов

Основу классификации газогенераторов составляет способ получения генераторного газа. В настоящее время распространены три способа газогенерации.

1. Разложение (с помощью катализаторов или без них) вещества, способного после внешнего инициирующего воздействия перейти к дальнейшему устойчивому самопроизвольному распаду, сопровождающемуся выделением значительного количества тепловой энергии и газообразных продуктов разложения. Таким веществом может быть как компонент основного топлива двигателя, так и специальное средство газогенерации, запасенное только для этой цели на борту ракеты. Газогенераторы, в которых реализуется этот процесс, называются однокомпонентными. В дальнейшем их различают главным образом по виду разлагаемого вещества (перекисеводородные, гидразиновые, на твердом топливе и т.п.).

2. Сжигание жидкого топлива, состоящего из двух компонентов. Лучше всего использовать для этой цели основное топливо двигателя, так как при этом существенно упрощается его подача в газогенератор и улучшаются условия эксплуатации ракеты. Газогенераторы этого типа называются двухкомпо-нентными.

3. Испарение жидкости в тракте охлаждения камеры двигателя. При этом способе получения рабочего тела турбины одновременно решается и задача охлаждении стенок камеры двигателя. Газогенераторы этого типа называют парогенераторами, а схемы двигателей-безгенераторными. Схемы парогенераторов подразделяются на циркуляционные и со сменой рабочего тела. В первых произвольное рабочее тело (например, вода) циркулирует по замкнутому контуру «тракт охлаждения камеры - турбина - конденсатор - насос - тракт охлаждения камеры», превращаясь попеременно то в пар, то в жидкость в различных его частях. В схемах со сменой рабочего тела эта циркуляция отсутствует. Рабочее тело после турбины выводится из цикла. Очевидно, что непосредственный выброс отработавшего газа в атмосферу заметно ухудшил бы экономичность двигателя, так как удельная тяга выхлопных патрубков всегда меньше удельной тяги камеры двигателя. Чтобы устранить эти потери, в тракт охлаждения камеры обычно посылается один из компонентов топлива. После испарения и срабатывания в турбине он направляется в камеру двигателя, где и сжигается вместе со вторым компонентом. Таким образом, безгенераторные двигатели выполняются по схеме с дожиганием рабочего тела турбины.

По конструкции системы газогенерации значительно, отличаются друг от друга, но тем не менее в каждой из них можно выделить следующие общие основные элементы:

газогенератор;
топливоподающие устройства;
автоматику.

В газогенераторе (иногда называемом реактором) непосредственно образуется рабочее тело турбины - газ или пар заданных параметров. Топливоподающие устройства обеспечивают поступление средств газогенерации (исходных веществ) в реактор. Автоматика осуществляет регулирование рабочего процесса, а также запуск и выключение газогенератора. Иногда (например, при работе на основном топливе) система газогенерации не имеет самостоятельных топливоподающих устройств. В этом случае питание газогенератора топливом обеспечивается системой подачи двигателя. В ЖРД нашли применение следующие типы газогенераторов (ГТ):

твердотопливный (ТГГ);
гибридный (ТГГ);
однокомпонентный жидкостный (однокомпонетный ЖГГ);
двухкомпонентный жидкостный (двухкомпонентный ЖГГ);
испарительный жидкостный (испарительный ЖГГ);
аккумулятор сжатого газа (АСГ).

1) Изучение схемы и принципа работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

2) Определение изменение параметров рабочего тела вдоль тракта камеры ЖРД.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖРД

2.1. Состав ЖРД

Реактивным двигателем называется техническое устройство, создающее тягу в результате истечения из него рабочего тела. Реактивные двигатели обеспечивают ускорение перемещающихся аппаратов различных типов.

Ракетный двигатель – это реактивный двигатель, использующий для работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на борту перемещающегося аппарата.

Жидкостной ракетный двигатель (ЖРД) – это ракетный двигатель, использующий для работы топливо (первичный источник энергии и рабочее тело), находящееся в жидком агрегатном состоянии.

ЖРД в общем случае состоит из:

2- турбонасосных агрегатов (ТНА);

3- газогенераторов;

4- трубопроводов;

5- агрегатов автоматики;

6- вспомогательных устройств

Один или несколько ЖРД, в совокупности с пневмогидравлической системой (ПГС) подачи топлива в камеры двигателя и вспомогательными агрегатами ступени ракеты, составляют жидкостную ракетную двигательную установку (ЖРДУ).

В качестве жидкого ракетного топлива (ЖРТ) используется вещество или несколько веществ (окислитель, горючее), которые способны в результате экзотермических химических реакций образовывать высокотемпературные продукты сгорания (разложения). Эти продукты являются рабочим телом двигателя.

Каждая камера ЖРД состоит из камеры сгорания и сопла. В камере ЖРД первичная химическая энергия жидкого топлива преобразуется в конечную кинетическую энергию газообразного рабочего тела, в результате истечения которого создается реактивная сила камеры.

Отдельный турбонасосный агрегат ЖРД состоит из насосов и приводящей их в действия турбины. ТНА обеспечивает подачу компонентов жидкого топлива в камеры и газогенераторы ЖРД.

Газогенератор ЖРД является агрегатом, в котором основное или вспомогательное топливо преобразуется в продукты газогенерации, используемые в качестве рабочего тела турбины и рабочих тел системы наддува баков с компонентами ЖРТ.

Система автоматики ЖРД представляет собой совокупность устройств (клапанов, регуляторов, датчиков и т.п.) различных типов: электрического, механического, гидравлического, пневматического, пиротехнического и др. Агрегаты автоматики обеспечивают запуск, управление, регулирование и останов ЖРД.

Параметры ЖРД

Основными тяговыми параметрами ЖРД являются:

Реактивная сила ЖРД - R - результирующая газо- и гидродинамических сил, действующих на внутренние поверхности ракетного двигателя при истечении из него вещества;

Тяга ЖРД - Р - равнодействующая реактивной силы ЖРД (R) и всех сил давления окружающей среды, которые действуют на внешние поверхности двигателя за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления;

Импульс тяги ЖРД - I - интеграл от тяги ЖРД по времени его работы;

Удельный импульс тяги ЖРД - I у - отношение тяги (Р) к массовому расходу топлива () ЖРД.

Основными параметрами, которые характеризуют процессы, протекающие в камере ЖРД, служат давление (р), температура (Т) и скорость потока (W) продуктов сгорания (разложения) жидкого ракетного топлива. При этом особо выделяются значения параметров на входе в сопло (индекс сечения «с»), а также в критическом («*») и выходном («а») сечениях сопла.

Расчет значений параметров в различных сечениях тракта сопла ЖРД и определение тяговых параметров двигателя проводится по соответствующим уравнениям термогазодинамики. Приближенная методика подобного расчета рассмотрена в 4 разделе данного пособия.

СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЖРД «РД-214»

3.1. Общая характеристика ЖРД «РД-214»

Жидкостной ракетный двигатель «РД-214» применяется в отечественной практике с 1957 года. С 1962 года он устанавливается на 1-ой ступени многоступенчатых ракетах-носителях «Космос», с помощью которых на околоземные орбиты выведены многие спутники серий «Космос» и «Интеркомос».

ЖРД «РД-214» имеет насосную систему подачи топлива. Двигатель работает на высококипящем азотно-кислотном окислителе (растворе окислов азота в азотной кислоте) и углеводородном горючем (продуктах переработки керосина). Для газогенератора применяется специальный компонент – жидкая перекись водорода.

Основные параметры двигателя имеют следующие значения:

Тяга в пустоте Р п = 726 кН;

Удельный импульс тяги в пустоте I уп = 2590 Н×с/кг;

Давление газа в камере сгорания р к = 4,4 МПа;

Степень расширения газа в сопле e = 64

ЖРД «РД-214», (рис. 1) состоит из:

Четырех камер (поз. 6);

Одного турбонасосного агрегата (ТНА) (поз. 1, 2, 3, 4);

Газогенератора (поз. 5);

Трубопровода;

Агрегатов автоматики (поз. 7, 8)

ТНА двигателя состоит из насоса окислителя (поз. 2), насоса горючего (поз. 3), насоса перекиси водорода (поз. 4) и турбины (поз. 1). Ротора (вращающиеся части) насосов и турбины связаны одним валом.

Агрегаты и узлы, обеспечивающие подачу компонентов в камеру двигателя, газогенератор и турбину, объединяются в три отдельные системы – магистрали:

Систему подачи окислителя

Систему подачи горючего

Систему парогазогенерации перекиси водорода.

Рис.1. Схема жидкостного ракетного двигателя

1 – турбина; 2 – насос окислителя; 3 – насос горючего;

4 – насос перекиси водорода; 5 – газогенератор (реактор);

6 – камера двигателя; 7, 8 – элементы автоматики.

3.2. Характеристика агрегатов ЖРД «РД-214»

3.2.1. Камера ЖРД

Четыре камеры ЖРД связаны в единый блок по двум сечениям с помощью болтов.

Каждая камера ЖРД (поз. 6) состоит из смесительной головки и корпуса. Смесительная головка включает верхнее, среднее и нижнее (огневое) днища. Между верхним и средним днищами образована полость для окислителя, между средним и огневым – полость для горючего. Каждая из полостей с помощью соответствующих форсунок связана с внутренним объемом корпуса двигателя.

В процессе работы ЖРД через смесительную головку и ее форсунки осуществляется подача, распыл и смешение жидких компонентов топлива.

Корпус камеры ЖРД включает часть камеры сгорания и сопло. Сопло ЖРД сверхзвуковое, имеет сходящуюся и расходящуюся части.

Корпус камеры ЖРД двухстенный. Внутренняя (огневая) и наружная (силовая) стенки корпуса связаны между собой проставками. При этом, с помощью проставок, между стенками образованы каналы тракта жидкостного охлаждения корпуса. В качестве охладителя используется горючее.

Во время работы двигателя горючее подается в тракт охлаждения через специальные патрубки коллектора, расположенного на конечной части сопла. Пройдя тракт охлаждения, горючее поступает в соответствующую полость смесительной головки и через форсунки вводится в камеру сгорания. Одновременно через другую полость смесительной головки и соответствующие форсунки, в камеру сгорания поступает окислитель.

В объеме камеры сгорания происходит распыл, смешение и сгорание жидких компонентов топлива. В результате образуется высокотемпературное газообразное рабочее тело двигателя.

Затем в сверхзвуковом сопле осуществляется преобразование тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию его струи, при истечении которой создается тяга ЖРД.

3.2.2. Газогенератор и турбонасосный агрегат

Газогенератор (рис. 1, поз. 5) является агрегатом, в котором жидкая перекись водорода в результате экзотермического разложения преобразуется в высокотемпературное парообразное рабочее тело турбины.

Турбонасосный агрегат обеспечивает напорную подачу жидких компонентов топлива в камеру и газогенератор двигателя.

ТНА состоит из (рис. 1):

Шнекоцентробежного насоса окислителя (поз. 2);

Шнекоцентробежного насоса горючего (поз. 3);

Центробежного насоса перекиси водорода (поз. 4);

Газовой турбины (поз. 1).

Каждый насос и турбина имеет неподвижный статор и вращающийся ротор. Роторы насосов и турбины имеют общий вал, состоящий из двух частей, которые связаны рессорой.

Турбина (поз. 1) служит приводом насосов. Основными элементами статора турбины являются корпус и сопловой аппарат, а ротора – вал и рабочее колесо с лопатками. В процессе работы, на турбину из газогенератора поступает перекисный парогаз. При прохождении парогаза через сопловой аппарат и лопатки рабочего колеса турбины, его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения колеса и вала ротора турбины. Отработанный парогаз собирается в выходном коллекторе корпуса турбины и сбрасывается в атмосферу через специальные отбросные сопла. При этом создается некоторая дополнительная тяга ЖРД.

Насосы окислителя (поз. 2) и горючего (поз. 3) шнекоцентробежного типа. Основными элементами каждого из насосов является корпус и ротор. Ротор имеет вал, шнек и центробежное колесо с лопатками. В процессе работы от турбины к насосу через общий вал подводится механическая энергия, обеспечивающая вращения ротора насоса. В результате воздействия лопаток шнека и центробежного колеса на прокачиваемую насосами жидкость (компонент топлива), механическая энергия вращения ротора насоса преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости, что обеспечивает подачу компонента в камеру двигателя. Шнек перед центробежным колесом насоса устанавливается для предварительного повышения давления жидкости на входе в межлопаточные каналы рабочего колеса с целью предотвращения холодного вскипания жидкости (кавитации) и нарушения ее сплошности. Нарушения сплошности потока компонента может вызвать неустойчивость процесса сгорания топлива в камере двигателя, а, следовательно, и неустойчивость работы ЖРД в целом.

Для подачи в газогенератор перекиси водорода применяется центробежный насос (поз. 4). Сравнительно малый расход компонента создает условия бескавитационной работы центробежного насоса без установки перед ним шнекового преднасоса.

3.3. Принцип работы двигателя

Пуск, управление и остановка двигателя выполняется автоматически по электрическим командам с борта ракеты на соответствующие элементы автоматики.

Для начального воспламенения компонентов топлива используется специальное пусковое горючее, самовоспламеняющиеся с окислителем. Пусковое горючее первоначально заполняет небольшой участок трубопровода перед насосом горючего. В момент запуска ЖРД в камеру поступает пусковое горючее и окислитель, происходит их самовоспламенение и лишь затем в камеру начинают подаваться основные компоненты топлива.

В процессе работы двигателя окислитель последовательно проходит элементы и агрегаты магистрали (системы), включающей:

Разделительный клапан;

Насос окислителя;

Клапан окислителя;

Смесительную головку камеры двигателя.

Поток горючего протекает по магистрали, включающей:

Разделительные клапана;

Насос горючего;

Коллектор и тракт охлаждения камеры двигателя;

Смесительную головку камеры.

Перекись водорода и образующийся парогаз последовательно проходят элементы и агрегаты системы парогазогенерации, включающей:

Разделительный клапан;

Насос перекиси водорода;

Гидроредуктор;

Газогенератор;

Сопловой аппарат турбины;

Лопатки рабочего колеса турбины;

Коллектор турбины;

Отбросные сопла.

В результате непрерывной подачи турбонасосным агрегатом компонентов топлива в камеру двигателя, их сгорание с образованием высокотемпературного рабочего тела и истечения рабочего тела из камеры, создается тяга ЖРД.

Варьирование значения тяги двигателя в процессе его работы обеспечивается с помощью изменения расхода перекиси водорода, подаваемой в газогенератор. При этом изменяется мощность турбины и насосов, а, следовательно, и подача компонентов топлива в камеру двигателя.

Останов ЖРД производится в две ступени с помощью элементов автоматики. С основного режима двигатель сначала переводится на конечный режим работы с меньшей тягой и лишь затем выключается полностью.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Объем и порядок выполнения работы

В процессе выполнения работы последовательно выполняются следующие действия.

1) Изучается схема ЖРД «РД-214». Рассматривается назначение и состав ЖРД, конструкция агрегатов, принцип работы двигателя.

2) Производится измерение геометрических параметров сопла ЖРД. Находится диаметр входного («с»), критического («*») и выходного («а») сечений сопла (D с, D * , D а).

3) Рассчитывается значение параметров рабочего тела ЖРД во входном, критическом и выходном сечениях сопла ЖРД.

По результатам расчетов строится обобщенный график изменения температуры (Т), давления (р) и скорости (W) рабочего тела вдоль тракта сопла (L) ЖРД.

4) Определяются тяговые параметры ЖРД при расчетном режиме работы сопла ().

4.2. Исходные данные для расчета параметров ЖРД «РД-214»

Давление газа в камере (см. вариант)

Температура газов в камере

Газовая постоянная

Показатель изоэнтропы

Функция

Принимается, что процессы в камере протекают без потерь энергии. При этом коэффициенты потерь энергии в камере сгорания и сопле соответственно равны

Режим работы сопла расчетный (индекс «r »).

Посредством измерения определяются:

Диаметр критического сечения сопла ;

Диаметр выходного сечения сопла .

4.3. Последовательность расчета параметров ЖРД

А) Параметры в выходном сечении сопла («а») определяются в следующей последовательности.

1) Площадь выходного сечения сопла

2) Площадь критического сечения сопла

3) Геометрическая степень расширения газа

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково значение ЖРД «РД-214»?

2. Перечислите основные системы изученного ЖРД.

3. Каково назначение камеры ЖРД, из каких частей она состоит?

4. Каково назначение ТНА, перечислите его основные агрегаты?

5. Каково назначение и состав системы парогазогенерации ЖРД «РД-214»?

6. Опишите последовательность прохождения рабочего тела турбины.

7. Перечислите основные тяговые параметры ЖРД; назовите их значения для ЖРД «РД-214».

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Аннотация

Введение

Краткое описание ТНА РД-180.

Глава 1. Технологическая часть

1.1 Условия работы лопатки турбиныТНА

1.2.3 Механические свойства материала (при Т = 20 °С)

1.2.4 Термическая обработка

1.4.1 Коэффициент использования материала

1.6.1 Виды изготовления алмазных роликов

1.6.2 Допуски

1.6.3 Конструкция

1.6.4 Зернистость

1.6.5 Сорт алмаза -- D 711 А

1.6.7 Первичное изготовление и расчет нового алмазного ролика для правки

1.6.8 Эксплуатация

1.6.9 Расположение осей

1.6.10 Режимы обработки

1.7 Выбор баз и обоснование последовательности обработки детали

1.8 Расчет припуска на механическую обработку в операции №12.

1.9 Режимы резания

1.10 Нормирование

Глава 2. Конструкторская часть

2.1 Описание приспособления

2.2 Расчет приспособления на силу зажима

Глава3. Исследовательская часть

3.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения

3.2 Технология процесса гидродробеструйного упрочнения

3.2.1 Устройство и работа установки для гидродробеструйного упрочнения

3.2.2 Технологические требования к процессу

3.2.3 Порядок обработки

3.2.4 Контроль упрочнения

3.3 Определение остаточных напряжений

3.4 Усталостные испытания лопаток

3.4.1 Цель испытаний

3.4.2 Объект испытаний - лопатки турбиныТНА

3.4.3 Исследование собственных частот.

3.4.4 Оборудование для усталостных испытаний лопаток

3.4.5 Исследование распределения относительных напряжений

3.4.6 Метод испытаний на усталость

3.4.7 Метод обработки результатов испытаний

3.5 Результаты испытаний.

Глава 4. Часть по автоматизации

4.1 Описание программного пакета CATIA

4.1.1 Применение и возможности CATIA

4.1.2. Описание модулей пакета программ CATIA

4.2 Основные функции построение модели и чертежа деталей в САПР CATIA.

4.2.1 Интерфейс пользователя

4.2.2 Создание двухмерной геометрии, образмеривание и нанесение надписей

4.2.3. Создание трехмерной модели детали и построение на ее основе двухмерной геометрии

4.3 Построение модели лопатки турбины ТНА.

Глава 5. Промышленная экология и безопасность производства.

5.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины. Определение основных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Разработка мер защиты.

5.1.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины.

5.1.2 Анализ вредных воздействий на окружающую среду и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования.

5.1.3 Анализ вредных воздействий на здоровье человека и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования.

5.2 Анализ и расчет освещённости рабочего места.

5.2.1 Анализ освещённости рабочего места

5.2.2.Расчет на освещенность рабочего места

5.3 Вентиляция производственного помещения.

5.4 Меры противопожарной защиты.

5.5 Выводы по результатам анализа вредных и опасных факторов

Глава 6. Расчет экономической эффективности внедрения нового технологического процесса

6.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА

6.1.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в проектируемом варианте

6.1.2 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в базовом варианте

6.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса

6.2.1 Расчет затрат на материал

6.2.2 Расходы на зарплату

6.2.3 Затраты на производственную площадь

6.2.4 Расчет затрат на эксплуатацию оборудования

6.2.5 Расчет энергетических затрат

6.2.6 Расчет себестоимости техпроцессов и экономического эффекта от внедрения

6.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового технологического процесса

6.3.1 Расчет капиталовложений в оборудование

6.3.2 Расчет затрат на освоение новой технологии

6.3.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового ТП.

Глава 7.Выводы по работе

Глава 8. Литература и другие источники

Аннотация

В данном дипломном проекте в технологической части (первый раздел) рассмотрен техпроцесс производства рабочей неохлаждаемой лопатки газовой турбины. Также в первом разделе описаны условия работы детали в узле, способ получения заготовки, приведены характеристики материала лопатки ЦНК-7П, проведен анализ технологичности, описан выбор баз для механической обработки, рассчитан припуск на обработку промежуточной технологической базы, проведено нормирование операций глубинного шлифования. В технологической части подробно описан способ механической обработки - глубинное шлифование и правящий алмазный инструмент. В конструкторской части рассмотрено приспособление для крепления детали при обработке хвостовика лопатки, и проведен расчет силы винтового зажима для данного приспособления. В исследовательской части рассмотрен процесс гидродробеструйного упрочнения замка лопатки: описаны сущность процесса, устройство гидродробеструйной установки, методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое и усталостные испытания детали. В части по автоматизации рассмотрен программный пакет CATIA, его применение с промышленности, программные продукты данного пакета. Также рассмотрен процесс построения двухмерной и трехмерной геометрии, процесс создания модели лопатки в системе автоматизации проектирования CATIA. . В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. В экономической части рассчитана эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Введение

Одной из самых сложных машиностроительных конструкций является газовая турбина.

Развитие газовых турбин определяется, в первую очередь, развитием авиационных газотурбинных двигателей для военных целей. При этом главным является повышение удельной тяги и снижение удельного веса. Проблемы экономики и ресурса для таких двигателей являются вторичными.

Одной из самых нагруженных деталью, ограничивающей межремонтный ресурс, являются неохлаждаемые лопатки турбины, изготавливаемые из деформируемого никелевого сплава ЭИ893. Лопатки из этого сплава из-за ограничений по длительной прочности имеют ресурс 48000 часов. В настоящее время при производстве лопаток турбин существует достаточно высокая конкуренция, поэтому вопросы снижения стоимости и повышения ресурса лопаток являются очень актуальными.

В данном дипломном проекте рассмотрена сравнительно новая для отечественной промышленности технология производства неохлаждаемых лопаток турбин большой длины (более 200 мм). В качестве заготовки лопатки применяется отливка из материала ЦНК-7П без припуска на механическую обработку пера, подвергнутая горячему изостатическому прессованию. Для снижения трудоемкости изготовления лопаток используется глубинное шлифование замка, а для повышения сопротивления усталости замок лопатки после шлифования подвергается гидродробеструйному упрочнению.

В данном дипломном проекте рассмотрена технология производства рабочей лопатки турбины. Поскольку данный техпроцесс универсален для лопаток самых разных размеров, он может применятся как для изготовления лопаток турбинынизкого давления ГТД (либо ГТУ), так и турбины ТНА ЖРД. В этой работе рассмотрена лопатка для ТНА ЖРД РД-180. Однако в силу универсальности материала лопаток и техпроцесса мы уделяем повышенное внимание также и ресурсу изделия. Подробно рассмотрен процесс глубинного шлифования для деталей из жаропрочных сплавов, какой является турбинная лопатка, и описаны технология производства и свойства используемых в глубинном шлифовании алмазных роликов для правки шлифовальных кругов. В проекте рассчитано на точность и силу зажима приспособление “щучья пасть”, широко применяемое при операциях глубинного шлифования в процессе производства лопатки. В исследовательской части рассмотрен процесс повышения усталостной прочности путем обдувки дробью в жидкой среде замка лопатки (гидродробеструйное упрочнение), описаны методики определения остаточных напряжений и проведения усталостных испытаний лопатки. Также в работе описана система автоматизации проектирования CATIA и создание в данной системе модели детали и конструкторской документации. В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. Рассчитана также эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.

Краткое описание ТНА РД-180.

*Описание дано без газогенератора.

Турбонасосный агрегат выполнен по одновальной схеме и состоит из осевой одноступенчатой реактивной турбины, одноступенчатого шнекоцентробежного насоса окислителя и двухступенчатого шнекоцентробежного насоса горючего (вторая ступень используется для подачи части горючего в газогенераторы).

На основном валу с турбиной находится насос окислителя, соосно с которым на другом валу расположены две ступени насоса горючего. Валы насосов окислителя и горючего соединены зубчатой рессорой для разгрузки вала от температурных деформаций, возникающих вследствии большой разницы температур рабрчих тел насосов, а также для предотвращения замерзания горючго.

Для защиты радиально-упорных подшипников валов от чрезмерных нагрузок применены эффективные авторазгрузочные устройства.

Турбина - осевая одноступенчатая реактивная. Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции или трения вращающихся деталей о неподвижные (вследствие выборки зазоров от деформаций или наклепа на сопрягаемых поверхностях от вибрации) зазор между лопатками соплового аппарата и ротора сделан относительно большим, а кромок лопаток - относительно толстыми.

Чтобы исключить возгорание и разрушение деталей газового тракта турбины, в конструкции применены никелевые сплавы, включая жаропрочные для горячих газовых магистралей. Статор и выхлопной тракт турбиныпринудительно охлаждаются холодным кислородом. В местах малых радиальных или торцевых зазоров используются разного рода теплозащитные покрытия (никелевые для лопаток ротора и статора, металлокерамического для ротора), а также серебряные или бронзовые элементы, исключающие возгорание даже при возможном касании вращающихся и неподвижных деталей турбонасосного агрегата.

Для уменьшения размеров и массы посторонних частиц, могущих привести к возгоранию в газовом тракте турбины, на входе в двигатель установлен фильтр с ячейкой 0.16*0.16 мм.

Насос окислителя. Высокое давление жидкого кислорода и, как следствие, повышенная опасность возгорания обусловили конструктивные особенности насоса окислителя.

Так, вместо плавающих уплотнительных колец на буртах крыльчатки (обычно используемых на менее мощных ТНА) применены неподвижные щелевые уплотнения с серебряной накладкой, поскольку процесс "всплывания" колец сопровождается трением в местах контакта крыльчатки с корпусом и может привести к возгоранию насоса.

Шнек, крыльчатка и торовый отвод нуждаются в особенно тщательном профилировании, а ротор в целом - в особых мерах по обеспечению динамической сбалансированности в процессе работы. В противном случае вследствие больших пульсаций и вибраций происходят разрушения трубопроводов, возгорания в стыках вследствие взаимного перемещения деталей, трения и наклепа.

Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции (шнека, крыльчатки и лопаток направляющего аппарата) в условиях динамического нагружения с последующим возгоранием из-за затирания обломков использованы такие средства, как повышение конструктивного совершенства и прочности за счет геометрии, материалов и чистоты отработки, а также введение новых технологий: изостатическое прессирования литых заготовок, применение гранульной технологии и другие виды.

Бустерный насос окислителя состоит из высоконапорного шнека и двухступенчатой газовой турбины, привод которой осуществляется окислительным газом, отбираемом после основной турбиныс последующим перепуском его на вход в основной насос.

Бустерный насос горючего состоит из высоконапорного шнека и одноступенчатой гидравлической турбины, работающей на керосине, отбираемом после основного насоса. Конструктивно бустерный насос горючего аналогичен бустерному насосу окислителя со следующими отличиями:

· одноступенчатая гидротурбина работает на горючем, отбираемым с выхода насоса горючего основного ТНА;

· отвод горючего высокого давления для разгрузки шнека от действий осевых производится из входного коллектора гидротурбины БНАГ.

Таблица 1: ТТХ ТНА

Параметр	Значение
	Окислитель
Давление на выходе из насоса
Расход компонента через насос
КПД насоса
Мощность на валу
Скорость вращения вала
Мощность турбины
Давление на входе в турбину
Количество ступеней
Степень понижения давления на турбине
Температура на входе в турбину
КПД турбины

Глава 1. Технологическая часть

1.1 Условия работы лопатки турбины ТНА

Лопатка турбины ТНА (лист № 1) является одной из самых нагруженных деталей турбонасосного агрегата ЖРД. В процессе работы на лопатку действуют:

Большие центробежные силы от вращения (порядка 14000 об/мин).

Горячий окислительный газ, нагретый в камере сгорания до высокой температуры порядка 600°С и содержащий избыток окислительных элементов и примеси, приводящие к окислению и газовой коррозии поверхности.

Высокие изгибающие моменты от газовых сил.

1.2 Выбор материала и заготовки

В качестве материала лопатки выбран литейный никелевый сплав ЦНК-7П, имеющий более высокий (примерно в 1.3 раза) предел длительной прочности, позволяющий повысить ресурс лопаток до 100000 часов и отлить перо лопатки без припуска на механическую обработку.

Недостатком литейного сплава является более низкий предел выносливости, вследствие более высокой пористости по сравнению с деформируемыми сплавами, что всегда ограничивало применение литейных сплавов для неохлаждаемых лопаток турбиныбольшой длины.

Применение горячего изостатического прессования (ГИП) отливок позволило существенно снизить разницу в пористости и пределах выносливости для пера. В то же время для замка, вследствие большего объема металла отливки, эта разница остается w заметной.

В качестве способа литья используется литье по выплавляемым моделям.

1.2.1 Химический состав материала

С=0.07 %, Si=0.3 %, Мn = 0.3 %, Р =0.01 %, S= 0.001%, Cu = 15.5 %, Со = 9.5 %,

Ti = 4.4 %, А1 = 4.3 %, W= 6.2 %, В= 0.2 %, Fe = 1 %, Са = 0.01 %, Mg =0.01 %, 02 =0.002 %,

Pb = 0.001 %, Ni - всё остальное

1.2.2 Физические свойства материала (при Т = 20 °С)

-модуль упругости, Е = 210 ГПа -модуль сдвига, G = 81 ГПа -теплопроводность, у = 8 Вт/ м * К -теплоёмкость, Ср = 440 Дж/К* кг

1.2.3 Механические свойства материала (при Т = 20 °С)

-предел прочности = 850 МПа -предел текучести = 750 МПА -относительное удлинение -относительное сужение

Ударная вязкость

1.2.4 Термическая обработка

Используется гомогенизация. Нагрев до Т = 1190 0 С. Скорость нагрева регламентируется отсутствием деформации изделия. Выдержка - 4 часа. Охлаждение со скоростью 30-45 градусов/мин до Т =1050 0 С. Выдержка - 2 часа. Охлаждение до Т = 850°С со скоростью 10 - 40 градусов/мин. Далее скорость не регламентируется. Атмосфера: вакуум, не менее 10-3 бар.

1.3 Технологический процесс изготовления лопатки

Данный технологический процесс изготовления рабочей лопатки турбины ТНА отличается от ранее применяемого техпроцесса: во-первых, применением в качестве заготовки отливки, подвергнутой горячему изостатическом прессованию, вместо штамповки; во-вторых, включением в техпроцесс операции глубинного шлифования, которая заменила собой операции фрезерования и шлифования; в-третьих, включением в техпроцесс операции гидродробеструйного упрочнения замка лопатки. Использование отливки и ГИП позволило исключить механическую обработку пера лопатки, применение глубинного шлифования - снизить трудоемкость механической обработки хвостовика лопатки, а гидродробеструйное упрочнение замка лопатки - повысить их предел выносливости. Ниже приведен технологический процесс изготовления лопатки (табл.2)

Таблица 2. Технологический процесс изготовления лопатки турбиныТНА

		Обрабаты-	Оборудова-	Инструмент	Приспосо
операции	операции	ваемая поверхность
	Диспетчерская		диспетчера
	Маркирование	Спинка пера	диспетчера	Маркер по металлу SARURA 130
	Контроль	Спинка пера	диспетчер
	Шлифовальная		Станок для
			глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220	180/А-024 1-50020203
	Шлифовальная		Станок для
			глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220	180/А-024 1-50020203
	Шлифовальная	Хвостовик	Станок для
		со стороны	глубинного	шлифовальный
			шлифования

	Шлифовальная		Станок для
		хвостовика	глубинного шлифования	шлифовальный 180/А-013 3-1-50040 203*15°
	Шлифовальная		Станок для
		хвостовика	глубинного	шлифовальный
			шлифования ЛШ-220
	Контроль	Профиль хвостовика	Микроскопи проектор	УИМ-21 БП-5
	Контроль	Профиль хвостовика	Рабочее место контроллера
	Шлифовальная	Основание хвостовика		шлифовальный
	Шлифовальная		Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	330/А-108 330/А-092
	Полировальная	Профиль хвостовика	Станок полировальн ый 950/582
	Маркирование	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Бормашина БЭБП-07А	твердосплавный
	Контроль	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Рабочее место контроллера
	Шлифовальная		Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	33 0/А-108 ЗЗО/А-093
	Полировальная	Контур хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..12510... .2020
	Шлифовальная	Гребешок пера	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	ЗЗО/А-096 330/А-613
	Шлифовальная	Полка пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	330/А-108 330/А-093
	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный 180/А-029 1-50050203
	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	шлифовальный	ЗЗО/А-097 33 0/А-108 260/А-001
	Полировальная	Скругление гребешком и Выходной	полировальн 950/582контр оллера	Войлочные круги с абразивным зерном 25А(24А) 6...10
	Промывочная
	Контроль		Рабочее место контроллера
	Промывочная		Рабочее место контроллера
	Диспетчерская		диспетчера
	Термическая (старение)
	ЛЮМ контроль 1		диспетчера
	Вибрационный контроль		диспетчера		440/А-001 440/А-001
	Гидродробестру иное упрочнение	Хвостовик лопатки	ТП1126.25. 150
	Обезжиривание		диспетчера
	Испытания на усталость
	Определение статического момента		Установка ВЭМ-0,5Н
	Окончательный контроль		Рабочее место контроллера
	Комплектовочна я		диспетчера
	Расстановка
	Маркирование	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Бормашина	твердосплавны й
	Окончательный контроль комплекта		Рабочее место контроллера
	Упаковочная

1.4 Анализ технологичности изделия

Под технологичностью конструкции детали понимается совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовление, эксплуатации и ремонта и обеспечении технологичности сборочной единицы, в состав которой входит данная деталь.

Расчёт показателей технологичности:

1.4.1 Коэффициент использования материала

где Мдет - масса готовой детали, Мзагот - масса заготовки.

1.4.2 Коэффициент точности обработки

Средний квалитет обработки,

А - квалитет обработки;

Количество поверхностей, обработанных по этому квалитету.

1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов

Число типовых технологических операций;

Число всех технологических операций;

В технологическом процессе производства рабочей лопатки используются две типовые технологические операции - глубинное шлифование и полирование.

Как видно из показателей технологичности, лопатка турбины является высоко технологичной деталью благодаря применению бесприпускного литья, и, следовательно, исключению из технологического процесса механической обработки пера и повышению коэффициента использования материала. Также технологичность повышается за счет применения процесса глубинного шлифования, которое заменило операции фрезерования и шлифования хвостовика лопатки.

1.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов

В данном разделе широко рассмотрен процесс глубинного шлифования для обработки деталей из жаропрочных сплавов, какой и является турбинная лопатка. Внедрение данного типа обработки позволило повысить производительность техпроцесса производства лопатки. Глубинное шлифование является основной операцией в данном ТП. В разделе рассмотрены история внедрения глубинного шлифования, теория процесса, различные способы обработки, виды оборудования для глубинного шлифования, шлифовальная головка

История развития процесса внедрения глубинного шлифования начался в начале 70-х годов, когда бурное наращивание объемов выпуска высокоресурсных авиационных двигателей заставило мировых производителей в отрасли авиадвигателестроения искать пути решения проблемы повышения производительности и качества обработки особо ответственных высоконагруженных деталей турбины, где вопросы обрабатываемости обеспечения ресурса стояли особенно остро.

Эффективное решение, этих задач не обеспечивалось использованием традиционных методов механической обработки, поскольку форсирование режимов обработки при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Идея производительного съема материала абразивными кругами всегда привлекала внимание специалистов, так как известно, что абразивные материалы превосходят по твердости все известные стали и сплавы. Имелись и отдельные примеры решения этой задачи. Такими примерами может служить вулканитовая резка, производительные схемы шлифования плоских поверхностей с большой глубиной резания (до 5 мм и более) боковой поверхностью круга с поперечной циклической подачей до нескольких миллиметров на ход.

Однако всегда считалось, что высокопроизводительные процессы абразивной обработки несовместимы с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя ответственных деталей, так как велика вероятность потери размерной стойкости и появления прижогов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки и явилось внедрение в производство глубинного шлифования. Оно потребовало решения комплекса вопросов с целью повышения технологической надежности процесса, включающих разработку и выбор технологических схем обработки; оборудования; режущего и правящего инструмента; рецептуры, способов подачи и очистки СОЖ, режимов правки и шлифования; теоретического и экспериментального подтверждения гарантии достижения требуемой точности и качества шлифуемой поверхности.

Особенность внедрения глубинного шлифования заключалась в том, что оно начала практически было использовано в производстве и показало отличные результаты. Так, при изготовлении турбинных лопаток производительность увеличилась в 4 раза, точность -- в 2 раза, шероховатость поверхности снизилась в 2 раза, значительно повысилась работоспособность замкового соединения. При опытной обработке условий и режимов шлифования были тщательно исследованы все контролируемые показатели качества обработанной поверхности: шероховатость, глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, возможность появления шлифовочных трещин. Все показатели при шлифовании были лучше или аналогичны ранее используемому фрезерованию. Ничем не отличался и уровень возникновения дефекта по возможному появлению несплошности поверхностного слоя, выявляемый по свечению люминофора и связанный с выходом на поверхность пор и расслоений материала по границам зерен, образующихся при литье. Однако через некоторое время этот дефект стал классифицироваться как шлифовочные трещины.

Чтобы определить границы надежного использования процесса необходимо было исследовать его теоретически. В нашей стране этим занялись специалисты ОАО «Рыбинские ученые Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и отраслевого научно-исследовательского института технологии авиадвигателестроения (НИИД).

Исследованиями этой группы изучены многие аспекты процесса: теплофизические явления в зоне контакта, микрорезание и затупление зерен, износ кругов и правка, условия существования оптимальных режимов шлифования, охлаждение и механизм образования остаточных напряжений, условия и причины появления неустойчивости процесса,-- что позволило хорошо понять процесс и осознанно применять его на практике.

Особым случаем применения глубинного шлифования является глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, какой является лопатка турбины. Из производственной и исследовательской практики известно, что шлифование жаропрочных сплавов отличается от шлифования конструкционных сталей. Наличие в жаропрочных сплавах упрочняющей интерметаллидной "-фазы и карбидов, имеющих высокую микротвердость (HV 2030-2060), приводит к интенсивному изнашиванию круга и увеличению мощности шлифования. Это подтверждается данными по относительной мощности и удельной производительности шлифования различных материалов с широким изменением прочностных и теплофизических свойств.

Если оценивать относительную мощность шлифования энергетическим

безразмерным критерием (где Pz -- тангенциальная составляющая силы резания, Н; Vk -- скорость вращения абразивного круга, м/с; V3 -- продольная подача заготовки, м/с; - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/м*К; максимальная контактная температура шлифования), а удельную производительность q -- отношением съема металла к износу круга в единицу времени, то эти показатели будут сильно отличаться для различных материалов, как это видно из таблицы 2

Таблица 3

Изнашивание инструмента является следствием истирания и выкрашивания частиц зерен под действием механических и температурных факторов. Ухудшение условий обработки вызывает рост контактной температуры шлифования и повьппает вероятность появления поверхностных дефектов на детали. Возникновение поверхностных дефектов в большей мере наблюдается при шлифовании материалов, обладающих малой теплопроводностью и аккумулирующих теплоту в тонком поверхностном слое.

При многопроходном циклическом нагреве во время обычного маятникового шлифования происходят необратимые формообразования зерен структуры обрабатываемого материала, приводящие к перераспределению микронапряжений, которые по величине могут превысить критические, характерные для малоцикловой усталости. В результате возникают поверхностные дефекты в виде шлифовочных трещин. Отсутствие многократного цикла нагрева и охлаждения является одним из преимуществ глубинного шлифования.

Таким образом, при глубинном шлифовании за счет изменения кинетики термического цикла могут быть созданы условия, исключающие возникновение термопластических деформаций поверхностного слоя и ослабляющие интенсивность протекания фазовых, микроструктурных и диффузионных процессов. Это достигается подбором состава

и способов подачи СОЖ, назначением оптимальных характеристик и циклов правки круга и режимов резания.

Проведенные исследования температурного поля заготовки при глубинном шлифовании позволили установить, что при реально создаваемой интенсивности охлаждения количество теплоты, уходящее в обрабатываемую поверхность, в зависимости от условий обработки составляет 32...83 % от всего выделившегося тепла Причем, чем больше угол наклона (чем больше глубина шлифования) и меньше скорость заготовки, тем большее количество теплоты уходит в снимаемые с заготовки слои металла и тем ближе смещаются максимальные значения температуры на ее поверхности к точке А (рис. 1.1). (Qm -- отношение температуры в произвольной точке дуги контакта М к температуре в точке А).

Рис 1.1 Схема шлифования (а) и зависимость относительной температуры по длине контакта круга с заготовкой (б) при глубинном шлифовании: 1) Ре=1; 2)Ре=0.6; 3)Ре=0.4; 4) Ре=0.1; 5) Ре=0.02

Для обеспечения отвода как можно большего количества теплоты в снимаемые слои металла кинематические параметры процесса должны удовлетворять следующему условию:

Ре -- критерий Пекле, характеризующий скорость съема металла по отношению к скорости распространения температуры в обрабатываемую заготовку;

Vз -- продольная скорость перемещения заготовки, м/с;

D -- диаметр круга, м;

t -- глубина шлифования, м;

а -- коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2 /с.

Интенсивный теплообмен в зоне шлифования обеспечивается обильной подачей СОЖ под давлением. Минимальное значение коэффициента теплообмена а0=(3,5...5)*103 Вт/(м С) служит мерой эффективности охлаждения и снижения температуры на участке контакта круга с заготовкой. Расчеты показали, что при обеспечении такой интенсивности теплообмена температура в точке А при кинематическом ограничении (1) составит 300...500 С0, что является гарантией отсутствия дефектов на обработанной поверхности в виде прижогов и трещин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Большое внимание на температуру шлифуемой поверхности оказывает скорость заготовки. При традиционных видах шлифования при t <0,1 мм и скорости детали Vз>10 м/мин, увеличение Vz приводит к некоторому уменьшению температуры шлифования. Это объясняется уменьшением времени контакта с обрабатываемой поверхностью. Интенсивность накопления теплоты в поверхностном слое снижается, и температура уменьшается. Этому способствует еще и тот факт, что при малых глубинах (до 0,04 мм) увеличение Vз не приводит к увеличению толщины срезаемого слоя, которая становится равной глубине резания, что также сказывается на интенсивности тепловыделения. При больших глубинах эта особенность уже не наблюдается, и температура возрастает постоянно, так как непрерывно увеличивается толщина срезаемого одним зерном слоя. Эти режимы являются наиболее опасными с точки зрения прижогообразования (рис. 1.2).

Для ограничения температуры шлифования нужно резко снижать скорости Vз, что является предпосылкой перехода к глубинному шлифованию.

При глубинном шлифовании с ростом Уз температура также возрастает. Однако при увеличении глубины шлифования с одновременным уменьшением Уз температура шлифования снижается, причем прирост глубины превышает темп снижения скорости заготовки за счет возрастания количества теплоты, уходящей в стружку, что увеличивает производительность процесса. Кроме того, уменьшается толщина срезаемого абразивным зерном слоя, возрастает количество режущих зерен по длине контакта круга с обрабатываемой поверхностью, и, как следствие этого, уменьшается уровень термодинамических нагрузок, воспринимаемых системой зерно-связка, участвующих в резании. Как следует из проведенных исследований, эти эффекты наблюдаются при соотношении скорости круга и заготовки.

Таким образом, бездефектное глубинное шлифование обеспечивается при режимах шлифования и технике подачи СОЖ, удовлетворяющих следующим условиям:

На основании проведенных исследований сделан вывод, что, поскольку при глубинном шлифовании абсолютная температура обработанной поверхности невелика и она более равномерно прогрета до этих умеренных температур, то в поверхностных слоях не создается условий для возникновения термопластических деформаций, а следовательно, и условий для наведения остаточных напряжений растяжения. Таким образом, остаточные напряжения, главным образом, формируются под действием сил резания абразивных зерен и являются сжимающими. Это убедительно объяснило многочисленные экспериментально полученные в период освоения кривые распределения остаточных напряжений, часть из которых приведена на рис. 1.3.

Рис 1.3 Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое после различных методов обработки: а) маятниковое шлифование (круг 25А40ПСМ27К5, сплав ХН62 МВКЮ-ВД, Vk=35 м/с, Vз=0.4 м/с, t =0.05 мм); б) фрезерование (1)ЖС6К, 2)ХН77ТЮР); в) глубинное шлифование (1)ЖС6К, 2 - ХН77ТЮР, круг 24ПВМ212К5П40-20, Vk=30 м/с, V3=0.001 м/с, t=1.5 мм)

Характерной чертой формирования остаточных напряжений при глубинном шлифовании является идентичность их распределения независимо от некоторых колебаний условий шлифования и марок обрабатываемых материалов. Распределение сжимающих напряжений происходит в более тонком слое у поверхности детали, чем при фрезеровании, что свидетельствует о меньшей глубине проникновения пластических деформаций.

Это подтверждается результатами измерений микротвердости, приведенными в таблице 4

Таблица 4

Из таблицы следует, что глубина и степень наклепа при шлифовании значительно меньше, чем при фрезеровании, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей, работающих в условиях высоких температур.

Отмеченные преимущества глубинного шлифования могут быть надежно реализованы при создании определенных технологических условий эффективной обработки. Технологические требования к процессу определяются эксплуатационными характеристиками детали и себестоимостью ее изготовления. Эти факторы определяют режимы шлифования, характеристики режущего и правящего инструментов, способ подачи и вид СОЖ, а также другие технологические параметры.

С этой целью для глубинного шлифования заготовок деталей ГТД высокой точности из труднообрабатываемых материалов разработаны технологические рекомендации. Они включают, кроме общих принципов назначения режимов шлифования, указанных выше, правила выбора характеристик абразивных кругов и условий их эксплуатации; правку и выбор правящего инструмента; способ подачи и состав СОЖ; требования к станкам с учетом специфики глубинного шлифования.

Характеристика режущего инструмента (вид абразивного материала, зернистость, твердость, структура, связка) определяется условиями работы абразивных зерен и требованиями к производительности обработки и качеству шлифованной поверхности.

Важнейшим показателем условий работы зерна является максимальная глубина его врезания в обрабатываемый материал, которая определяется глубиной врезания абразивного круга Наибольшая глубина врезания а, определяется выражении:

с -- коэффициент;

Vз и Vk -- скорости перемещения заготовки и вращения круга, м/с;

t -- глубина шлифования, м;

D -- диаметр круга, м.

Анализ формулы показывает, что при прочих равных условиях переход на режим глубинного шлифования с сохранением производительности снижает толщину срезаемого слоя одним зерном в 10...12 раз, поэтому нагрузка на зерно при микрорезании существенно снижается, а объем срезаемой стружки увеличивается. Это дает возможность применять абразивные круги самой низкой твердости ВМ1, ВМ2 и делает необходимым увеличение их пористости.

Обобщение результатов исследований прочности системы зерно -- связка в условиях динамического и теплового ударов, характеризующих работу зерна при каждом цикле резания в условиях глубинного шлифования, позволило сделать следующие выводы:

для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml прочность системы зерно -- связка при динамическом ударе определяется прочностью связки;

вероятность разрушения системы зерно -- связка при тепловом ударе определяется вероятностью разрушения зерна, которая, в свою очередь, меньше вероятности разрушения зерна при динамическом ударе;

стойкость системы зерно -- связка определяется ее долговечностью в условиях динамической нагрузки, причем наиболее слабым звеном системы является связка.

Определение стойкости системы зерно -- связка и изучение состояния режущей поверхности круга позволили получить расчетные формулы и методику инженерного вычисления размерной стойкости и износа круга. Не вдаваясь в подробности их определения, можно отметить, что стойкость и износ круга зависят от прочности обрабатываемого материала, размера шлифовального круга, соотношения скоростей заготовки и круга, отношения глубины шлифования к радиусу круга, зернистости и коэффициента температуропроводности круга, плотности зерен в рабочем слое круга, а также показателей однородности абразивного материала круга и интенсивности накопления им усталостных повреждений.

При глубинном шлифовании сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля необходимо использовать электрокорунд белый 24А, 25А. Применение монокорунда 44А не дает ожидаемого эффекта, поскольку при увеличении стоимости абразивного инструмента его режущие свойства полностью не используются, так как для обеспечения режима самозатачивания круга разрушение связки происходит быстрее, чем затупление зерен.

Зернистость круга определяется требованиями к точности обработки и условиям бездефектного шлифования. С уменьшением зернистости улучшаются условия микрорезания, уменьшаются силы резания единичным зерном, увеличивается стойкость системы зерно -- связка. С другой стороны, увеличивается число одновременно работающих зерен, благодаря чему растет средняя температура резания, и возрастает вероятность появления прижога, то есть уменьшается стойкость круга.

Аналогичная картина наблюдается с увеличением твердости круга. С одной стороны, увеличение твердости вызывает увеличение прочности системы зерно -- связка, уменьшение размерного износа круга. Одновременно это способствует меньшей самозатачиваемости круга, то есть уменьшению его стойкости вследствие появления дефекта на обрабатываемой поверхности детали.

Таким образом, при назначении зернистости и твердости инструмента исходят из его размерной и бездефектной стойкости. При этом период стойкости круга, ограниченный моментом появления прижога, должен быть не менее периода его размерной стойкости. Этим условиям при глубинном шлифовании заготовок из жаропрочных сплавов с малыми допусками лучше всего отвечают круги зернистостью 8...12 и твердостью ВМ1, ВМ2, Ml.

Структура круга определяется содержанием зерна, связки и пор. Она должна быть такой, чтобы достигалось размещение в порах круга стружки, снимаемой за один цикл резания, без его засаливания. Кроме этого, должно обеспечиваться хорошее вымывание стружки из пор и перенос порами части жидкости в зону контакта круга с заготовкой. Этими свойствами обладают только круги открытой структуры, поэтому круг для глубинного шлифования должен иметь 9... 12 структуру.

Высокая пористость кругов в достигается путем применения различных порообразующих веществ, выгораемых или выплавляемых в процессе изготовления кругов. В соответствии с технологией, разработанной ВНИИМАШ в качестве порообразующих наполнителей применяют перлит (П), полистирол синтетический (ПСС), нефтяной кокс (НК) и др. Круги твердостью ВМ1, ВМ2, Ml обеспечивают 45...50% содержание пор по объему круга, что способствует хорошему переносу жидкости, размещению и вымыванию стружки.

Условия глубинного шлифования требуют от круга высокой теплостойкости, жесткости, химической стойкости и водостойкости. Все эти свойства придают кругу только керамические связки. Чаще всего применяют связки КЗ и К5, но наряду с ними можно применять боросодержащие, огнеупорные, химические и водостойкие связки, легированные оксидами лития, бария, меди и др. Например, связка К11 характеризуется более прочной связью с зерном, чем связки КЗ и К5. В этом случае повышается стойкость системы зерно -- связка, что уменьшает износ круга.

Основным разработчиком и поставщиком высокопористых абразивных кругов является ВНИИМАШ и АО «Абразивный завод Ильич» (г. Санкт-Петербург). Научно-производственная фирма «Экси» (г. Курган) также разработала и освоила по экологически чистой технологии высокопористые круги с использованием модифицированной керамической связки К13 и специальных наполнителей. Испытания кругов 24А12НВМ112К13 и 24А12НВМ212К13 этой фирмы показали что они по всем параметрам не уступают серийным, а по некоторым параметрам превосходят их. Эти круги можно применять для всех видов глубинного шлифования.

Глубинное шлифование в современном понимании стало возможным благодаря разработке специальной техники правки абразивных кругов и созданию алмазного правящего инструмента Широкое применение нашли алмазные правящие ролики. Из основных схем правки методом радиального и тангенциального врезания наиболее распространена правка радиальным врезанием при параллельных осях ролика и круга. Профиль алмазных роликов в этом случае такой же, как у детали.

Правку (рис. 1.4, а) производят путем шлифования круга алмазным роликом при попутном вращении и соотношении скоростей ролика и круга, равным 0,6...0,8. Интенсивность правки tп оценивается в мкм на оборот круга и принимается при черновой правке tп --0,8...1,0 мкм/об, а при чистовой tп =0,3...0,6 мкм/об.

Правка осуществляется до снятия заданного припуска. Величина t зависит от твердости и зернистости круга. Для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml 9... 12 структуры и

зернистостью 10, 25,40 оптимальное значение t соответственно составляет 0,05...0,08, 0,08...0,12, 0,25...0,3 мм. Меньшие значения соответствуют более твердым кругам (Ml), а большие -- мягким кругам (ВМ1). При правке второго круга направление вращения ролика реверсируется.

При правке с тангенциальным врезанием ролика (рис. 1.4, б) абразивный круг сразу подается на величину t и проходит под правящим устройством со скоростью Vc. Правящий ролик вращается только в одну сторону, а один из кругов реверсируется для обеспечения попутной правки. Интенсивность правки определяется по формуле:

где все обозначения взяты из рис. 1.4, б и должны иметь одну размерность.

Скорость движения стола Vc, из этой формулы определяют по заданной интенсивности правки.

Тангенциальная правка обеспечивает более плавное врезание алмазного ролика и является предпочтительной при однокруговой обработке.

Ряд поверхностей с точки зрения качества можно обработать только с непрерывной правкой, при которой профилирование круга происходит в течение всего процесса шлифования, то есть круг и ролик во время всего цикла обработки находятся в постоянном контакте (рис. 1.5)

Компенсация износа круга при этом также осуществляется непрерывно, поэтому, если алмазный ролик имеет подачу врезания Sпp, то она компенсируется подачей всей шлифовальной бабки на величину врезания и правки, то есть Sвp+ Sпp.

Благодаря непрерывной правке шлифование осуществляется при неизменном состоянии режущей поверхности круга. Несмотря на то, что расход абразивного круга увеличивается по сравнению с дискретной правкой в 1,5...2 раза, производительность повышается в 5 … 7 раз по сравнению с обычным глубинным шлифованием, снижаются температуры и силы резания.

Для достижения требуемой точности и качества обработки важен как выбор смазочно-охлаждающей жидкости, так и ее эффективное использование. Выбор СОЖ определяет характер температурно-деформационных явлений в зоне обработки, интенсивность протекания адгезионных и диффузионных процессов в зоне контакта круга с заготовкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшее применение при глубинном шлифовании нашел 1,5..2%-ный водный раствор эмульсола Аквол-2. Он содержит противозадирные хлорные и серные присадки, синтетическая смесь которых обеспечивает снижение интенсивности адгезионных и диффузионных явлений, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. Большой процент воды обеспечивает высокую эффективность отвода теплоты.

Перспективной является синтетическая СОЖ, представляющая собой 2...3%-ный раствор концентрата Аквол-10М, который содержит анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и жировые присадки. Применение этой СОЖ дает снижение шероховатости на 15...20% и сил резания на 10% по сравнению с СОЖ на основе Аквол-2.

Эффективное использование СОЖ обеспечивается системой ее подачи и очистки. СОЖ подается в зону обработки под давлением 0,5.. 0,6МПа с расходом 80...200 л в минуту на один круг. Положение охлаждающего и дополнительного очистного сопла относительно обрабатываемой заготовки автоматически сохраняется по мере изнашивания круга Бак для СОЖ вмещает не менее 1500...3000л и снабжен холодильным устройством для стабилизации температуры на уровне 20..30"С. Очистное устройство надежно задерживает любые частицы размером более 5.. 15 мкм.

В ряде случаев подача СОЖ интенсифицируется за счет дополнительной подачи ее на торцы круга с наложением ультразвуковых колебаний. При этом она попадает в поры круга и под действием центробежных сил проникает на периферию, очищая режущую поверхность и дополнительно охлаждая зону контакта круга с заготовкой.

Глубинное шлифование имеет такие особенности, обусловленные кинематикой и термодинамикой процесса, которые накладывают специфические требования к конструкции станков для глубинного шлифования. Опыт эксплуатации зарубежных станков, модернизация под условия глубинного шлифования ряда отечественных станков и создание собственного оборудования позволили ОАО «Рыбинские моторы» совместно с НИИД (г. Москва) разработать технические задания на разработку гаммы отечественных станков, обеспечивающих потребности отечественного авиационного двигателестроения.

Первыми были модернизированы плоскошлифовальные станки моделей ЗБ722 и ЗД722 производства Липецкого станкоинструментального завода. На них успешно внедрены в производство операции глубинного шлифования, контактных площадок турбинных лопаток с использованием прогрессивной схемы обработки сдвоенными кругами (рис. 1.6,) со стороны «спинки» и «корыта» одновременно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В условиях ограниченных производственных мощностей на этих станках одно время обрабатывались и елочные замки турбинных лопаток газоперекачивающих агрегатов. Были также модернизированы для глубинного шлифования елочных замков морально устаревшие станки фирмы «Матрикс» (Англия). На них была внедрена непрерывная правка кругов алмазными роликами с автоматической компенсацией размера, увеличена мощность главных приводов, переоборудована система подачи СОЖ.

Опыт модернизации станков дал возможность глубже исследовать ряд технических решений и заложить более обоснованные требования к ним во вновь разрабатываемых станках.

При создании промышленных моделей станков для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе большинство требований было выполнено.

Первым был создан одношпиндельный станок модели ЛШ-220 (рис. 1.7), который представляет собой полуавтомат с прямоугольным столом, горизонтальным шпинделем и четырехкоординатным устройством ЧПУ. Компоновка станка в сочетании с конструкцией

шпинделя на подшипниках качения обеспечивает высокую жесткость шлифовальной бабки. Применение в направляющих стола и салазок фторопластовой ленты, а также винтовых пар качения в механизмах вертикального и поперечного движения подач шлифовальной бабки и перемещения стола позволили достичь плавности рабочих перемещений и высокой точности изготовления деталей.Станок нашел широкое применение на заводах отрасли. Данный станок используется в технологическом процессе производства лопатки турбины ТНА.

Недостатком станка явилось не совсем удачное конструктивное решение правящего устройства и организации рабочей зоны, ограничивающей автоматизацию цикла обработки.

Станок ЛШ-233 представляет собой полуавтомат с ЧПУ для двухстороннего глубинного шлифования. Он предназначен для одновременного шлифования симметричных или несимметричных поверхностей заготовок различных деталей. Станок имеет непрерывную правку кругов непосредственно в процессе обработки, которая используется на черновых проходах. Перед чистовым рабочим ходом оба круга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1.7 Станок ЛШ-220:

1 - станина; 2 - стол; 3 - колонна; 4 - шлифовальная головка; 5 - система подачи и очистки СОЖ; 6 - пульт управления калибруются одним роликом, что гарантирует симметричность расположения профилей и высокую точность обработки.

Станок ЛШ-233 отвечает основным требованиям высокопроизводительного глубинного шлифования.

Некоторым конструктивным недостатком этих станков является весовая несбалансированность консольно расположенных электродвигателей привода шлифовальных кругов.

Существенным шагом в дальнейшем усовершенствовании одношпиндельных плоскошлифовальных станков является создание станка модели ЛШ-236.

Станок значительно превосходит своих предшественников по технологическим возможностям. Он обладает повышенной жесткостью, быстроходностью на холостых ходах, имеет большую по высоте зону обработки.

Наличие круглого рабочего тактового стола позволяет производить предустановку деталей во время рабочего цикла, что повышает производительность и дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки.

Для расширения области применения методов профильного шлифования с непрерывной правкой кругов при обработке поверхностей сопловых лопаток турбин предназначен карусельно-шлифовальный станок ЛШ-278.

Станок может работать в широком диапазоне режимов, в том числе и в режиме глубинного шлифования, имеет дополнительный высокоскоростной шпиндель для формирования канавок и резцедержатель для их подправки резцом в режиме точения.

1.6 Алмазные ролики для правки

Алмазные ролики являются профильным инструментом для правки шлифовальных кругов. Они применяются во всех операциях глубинного шлифования в техпроцессе производства турбинной лопатки. На листе № 4 графической части приведены чертежи роликов для операций 25 , 50 и 70. Данные ролики изготовлены немецкой фирмой "Wendt". Отличие алмазных роликов этой фирмы от отечественных аналогов в том, что стойкость составляет от 50000 до 180000 условных правок, когда этот показатель для отечественных роликов составляет 10 000-40 000 правок.

Подобные документы

Технологический процесс изготовления лопатки турбины ТНА. Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов. Способы изготовления алмазных роликов для правки. Основы процесса гидродробеструйного упрочнения. Описание модулей пакета программ CATIA.

дипломная работа , добавлен 18.04.2014

Проектирование проточной части авиационного газотурбинного двигателя. Расчёт на прочность рабочей лопатки, диска турбины, узла крепления и камеры сгорания. Технологический процесс изготовления фланца, описание и подсчет режимов обработки для операций.

дипломная работа , добавлен 22.01.2012

Технологический процесс изготовления детали "Корпус". Расчет припусков на механическую обработку. Нормирование технологического процесса. Станочные и контрольные приспособления. Исследование автоколебаний технологической системы на операции шлифования.

дипломная работа , добавлен 17.10.2010

Характеристика материала для изготовления металлической скамейки. Подготовка металла к сборке и сварке. Технологический процесс изготовления. Оборудование сварочного поста ручной дуговой сварки. Расчет штучного времени на изготовление металлоконструкции.

дипломная работа , добавлен 28.01.2015

Чертеж детали для малосерийного производства, технологический процесс её изготовления. Краткое описание используемого метода, грамматики с фазовой структурой. Анализ технологического процесса и его описание с точки зрения метода языков и грамматик.

контрольная работа , добавлен 09.07.2012

Виды мороженого по способам выработки: закаленное, мягкое, домашнее. Приготовление смеси для производства мороженого, ее фильтрование и гомогенизация. Процесс фризерования и закаливания. Выпечка вафельных стаканчиков. Дозирование и расфасовка продукта.

презентация , добавлен 30.03.2017

Метод выполнения заготовок для деталей машин. Технологический процесс обработки детали класса вал. Схема базирования заготовки на токарной операции. Принцип действия двухстороннего фрезерно-центровального полуавтомата. Нормирование процесса изготовления.

курсовая работа , добавлен 03.03.2014

Граничные условия теплообмена на наружной поверхности и в каналах охлаждаемой лопатки авиационного газотурбинного двигателя. Выбор критической точки лопатки и предварительная оценка ресурса. Расчет температур и напряжений в критической точке лопатки.

курсовая работа , добавлен 02.09.2015

Расчёт и профилирование рабочей лопатки ступени компрессора, газовой турбины высокого давления, кольцевой камеры сгорания и выходного устройства. Определение компонентов треугольников скоростей и геометрических параметры решеток профилей на трех радиусах.

курсовая работа , добавлен 17.02.2012

Технологические процессы и оборудование основных производств предприятия, основное и вспомогательное технологическое оборудование. Оборудование и технологии очистки выбросов, переработки и обезвреживания отходов. Управление технологическими процессами.

Также по теме

Овощная икра на зиму: варианты рецептов Икра из патиссонов с томатной пастой

Окрошка — классический рецепт и секреты приготовления

Классический рецепт приготовления алкогольного пунша Как приготовить пунш в домашних условиях

Пшенная каша с курицей: способ приготовления в духовке и в мультиварке

Знак Зодиака Близнецы: работа и финансы