Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Карпов Александр Вячеславович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ РЕГУЛИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
05.02.08 Технология машиностроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Самара 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет на кафедре "Инструментальные системы и сервис автомобилей"
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Круцило Виталий Григорьевич
Официальные оппоненты: Демин Феликс Ильич доктор технических наук, профессор кафедры Производства двигателей летательных аппаратов ФГБОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет);
Уютов Анатолий Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры Техническая эксплуатация и ремонт транспортных средств ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет филиал в г. Сызрани
Ведущая организация: Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Защита состоится 28 июня 2012 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус №6, ауд. 33.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет
Автореферат разослан л22 мая 2012 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью), просим направить по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02.
Ученый секретарь диссертационного совета Денисенко Александр Фдорович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Упрочнение ряда деталей газотурбинных двигателей (ГТД), таких как лопатки, диски, дефлекторы имеет большое значение не только для авиационной промышленности, но и для газодобывающей отрасли, где используются газоперекачивающие агрегаты (ГПА), в основу работы которых положен принцип работы ГТД.
К числу наиболее нагруженных и ответственных деталей ГТД относятся лопатки роторов турбины и компрессора, от качества работы которых зависят надежность и экономичность изделия. Рабочие лопатки испытывают значительные осевые и радиальные нагрузки. Перо лопаток помимо растяжения от центробежных сил, изгиба и кручения от газового потока испытывает переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых меняются в широких пределах. Кроме того, лопатки работают при высоких температурах, снижающих сопротивление усталости материала.
Из ранее сказанного вытекают определенные требования к материалам лопаток ГТД, а также предъявляются высокие требования к технологии изготовления, в частности, к последующей механической или термомеханической обработке, существенно влияющей на состояние поверхностного слоя.
Как показали исследования И.А. Биргера, Л.Б. Гецова, Н.Н. Давиденкова, Ф.И. Демина, С.Т. Кишкина, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, И.А. Одинга, А.В. Подзея, А.М.Сулимы, А.А. Чижика и других ученых, поверхностный слой влияет на сопротивление усталости лопаток, на долговечность их работы, и, следовательно, на надежность и ресурс двигателя.
Установлено, что для повышения сопротивления усталости лопаток ГТД, работающих при высоких температурах, в поверхностном слое должны быть сформированы остаточные напряжения сжатия. При этом большое значение имеет минимизация деформационного упрочнения (наклепа). Данное требование вызвано тем, что наличие значительной пластической деформации в поверхностном слое в условиях длительного воздействия на лопатки ГТД высоких температур, приводит к резкому увеличению диффузионной подвижности атомов, ускоряя процессы возврата, рекристаллизации и т.д. Указанные обстоятельства заставляют изыскивать новые методы упрочняющей обработки, которые бы удовлетворяли всем эксплуатационным и технологическим требованиям производства. Одним из них является метод термопластического упрочнения (ТПУ), предложенный д.т.н., профессором, заслуженным деятелем науки и техники РФ Б.А. Кравченко. Дальнейшее развитие ТПУ получило в работах: Вишнякова М.А., Горелова В.В., Костиной Г.Н., Круцило В.Г., Медведева С.Д., Уютова А.А. и др. Однако в этих работах ТПУ проводилось на установках с нерегулируемой системой охлаждения, что не позволяло обеспечить равномерное охлаждение всей поверхности упрочняемой детали. От способа охлаждения зависит качество упрочнения, поэтому разработка регулируемой системы охлаждения, позволяющей оптимизировать процесс охлаждения, является актуальной задачей.
Метод ТПУ, обеспечивающий формирование благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое детали при минимальных величинах деформационного упрочнения, является одним из наиболее перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД.
Диссертационная работа посвящена решению задачи увеличения долговечности рабочих лопаток ГТК за счет оптимизации процесса охлаждения при ТПУ на основе применения регулируемых систем, способствующих формированию благоприятного напряженного состояния в поверхностном слое лопаток ГТК.
Объект исследования. Объектом исследования являются лопатки второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10.
Цель работы. Повышение долговечности рабочих лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 на основе совершенствования технологического метода термопластического упрочнения.
Для достижения приведенной цели сформулированы следующие задачи:
1. На основе критериев подобия гидрогазодинамики уточнить методику определения коэффициента теплоотдачи при проведении ТПУ с нерегулируемыми и регулируемыми системами охлаждения. В программном пакете Ansys Workbench произвести расчет температурных полей, напряжений и деформаций со значениями коэффициента теплоотдачи, рассчитанными по уточненной методике.
2. Разработать новую конструкцию установки для термопластического упрочнения с регулируемой системой охлаждения, исходя из сравнительных эксплуатационных характеристик ранее разработанных установок для термопластического упрочнения.
3. Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния регулируемой системы охлаждения на формирование теплового поля и напряженно-деформированного состояния в поверхностном слое деталей при термопластическом упрочнении.
4. Определить рациональные условия процесса ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.
5. Произвести металлографический анализ образцов прошедших термопластическое упрочнение на новой установке с регулируемой системой охлаждения до и после усталостных испытаний Методы исследований. Проведенные в работе исследования формируются на основе критериев подобия гидрогазодинамики, статики, термической обработки. Для компьютерных исследований использовались программные пакеты Mathcad и Ansys.
Экспериментальная часть работы содержит исследования: величин (значений) остаточных напряжений, сформированных в поверхностном слое упрочненных образцов, с использованием метода Давиденкова Н.Н.; результатов испытаний на усталость, проведенных в соответствии с едиными техническими условиями на усталостные испытания лопаток газотурбинных уста новок; металлографического анализа образцов, подверженных термопластическому упрочнению, до и после испытаний на усталость.
Достоверность результатов. Достоверность приведенных в диссертационной работе результатов обеспечивается строгостью применяемого математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, корреляцией результатов, полученных эмпирическим и расчетным путем.
Результаты, выносимые на защиту
1. Уточненная методика определения коэффициента теплоотдачи при термопластическом упрочнении лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10.
2. Рациональный режим метода ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.
3. Результаты экспериментальных исследований температурных полей, напряжений и испытаний на усталость.
4. Результаты металлографического исследования поверхностного слоя образцов из жаропрочных сплавов.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:
1. Уточнена методика определения коэффициента теплоотдачи при проведении ТПУ изделий из жаропрочных сплавов.
2. Определен рациональный режим метода ТПУ лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения.
3. Получены новые результаты экспериментальных исследований температурных полей, напряжений и испытаний на усталость.
4. Получены результаты металлографического исследования структуры поверхностного слоя упрочненных образцов из жаропрочных сплавов Практическая ценность Разработана новая конструкция установки для термопластического упрочнения деталей, позволяющая производить охлаждение деталей в свободном падении с использованием регулируемых систем охлаждения.
Уточненная методика определения коэффициента теплоотдачи и результаты расчета температурных полей, напряжений и деформаций позволяют проводить анализ параметров метода ТПУ, оценивать его эффективность и обосновывать рекомендации по выбору оптимальных режимов ТПУ.
Реализация результатов Результаты работы использованы при разработке, изготовлении и испытании опытных установок для ТПУ турбинных лопаток ГТК-10 для ДОАО Центрэнергогаз ОАО "Газпром", а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на ежегодной Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении" (СамГТУ, г. Самара, 2002...2011 гг.); на Международной научно-технической конференции "Про блемы и перспективы развития двигателестроения" (СГАУ, г. Самара, 2009, 2011 гг.); в производственно-техническом предприятии ДОАО Центрэнергогаз ОАО "Газпром"; на расширенном заседании кафедры "Инструментальные системы и сервис автомобилей" СамГТУ.
Публикации. Материалы диссертации отражены в 30 опубликованных работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 5 статей. Получен патент № 101447 РФ на полезную модель от 20.01.2011 Установка для термопластического упрочнения деталей Объм и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объм диссертации составляет 204 страницы, включая 69 рисунков, 9 таблиц и 4 приложения. Перечень источников включает 102 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 выполнен анализ литературных источников. В начале главы рассматриваются различные методы упрочнения поверхностного слоя ответственных деталей ГТД такие как: термомеханическое упрочнение; упрочнение поверхностным пластическим деформированием; термопластическое упрочнение. Проведенный анализ методов упрочнения позволил определить, что одним из наиболее перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД, работающих при высоких температурах, является метод ТПУ.
Далее исследуется влияние различных параметров качества поверхностного слоя на сопротивление усталости, среди которых особо отмечается роль остаточных напряжений. Этому посвящены многие работы [Белозеров В.В., Бойцов Ю.П., Иванов С.И., Кравченко Б.А., Павлов В.Ф., Папшев Д.Д.]. В процессе нагружения симметричным циклом при наличии остаточных напряжений суммарная эпюра смещается относительно нулевой оси. Сжимающие остаточные напряжения увеличивают сжимающие и уменьшают растягивающие напряжения цикла. Растягивающие - наоборот. Учитывая, что большинство жаропрочных сплавов являются неравнопрочными (предел прочности при сжатии выше, чем при растяжении), то смещение цикла в сторону больших суммарных сжимающих напряжений является особо благоприятным. Таким образом, остаточные напряжения в поверхностном слое при циклических нагрузках напрямую связаны с сопротивлением усталости деталей: сжимающие его повышают, растягивающие же действуют неблагоприятно.
Приводятся основные известные методики определения остаточных напряжений.
Приводится обзор способов ТПУ и установок, имеющих авторские свидетельства или патенты на изобретения (полезную модель), предназначенных для термопластического упрочнения деталей (лопаток) газотурбинных двига телей. На основе рассмотренных установок для термопластического упрочнения, а также, оценивая тенденции дальнейшего развития ТПУ, предложена классификация методов термопластического упрочнения.
Заканчивается обзор выводами, полученными по результатам изучения текущего состояния поставленного в диссертации вопроса.
Вторая глава посвящена разработке методики для оценки коэффициента теплоотдачи при проведении ТПУ и расчету температурных полей, напряжений и деформаций со значениями коэффициента теплоотдачи, рассчитанными по новой методике.
Теоретическое исследование упругих напряжений, возникающих в процессах термической обработки, можно найти во многих работах, однако только в некоторых из них рассчитываются термопластические деформации и остаточные напряжения. При этом во многих работах по определению остаточных напряжений при нагреве и охлаждении путем погружения в среду охлаждения для простых тел (пластин, полых и сплошных цилиндров) коэффициент теплоотдачи (T) считался постоянным. Для процессов охлаждения, в которых (T) существенно зависит от температуры охлаждаемой поверхности, принятое предположение приводит к значительным погрешностям. Интенсивное охлаждение поверхности детали приводит к возникновению пластических деформаций, которые и определяют величину остаточных напряжений после того, как деталь охладится.
Исследование влияния односторонней и двухсторонней нормальной схем охлаждения (рис. 1а, б, в) при ТПУ на коэффициент теплоотдачи рассмотрено в работах Барвинка В.А., Вишнякова М.А., Гутмана Г.Н., Кравченко Б.А., Круцило В.Г. и др. В работах Круцило В.Г. впервые предложено в процессе ТПУ после нагрева производить охлаждение свободно падающих деталей по двухсторонней угловой схеме охлаждения (рис. 1 г).
X X X X Рисунок 1 - Схемы охлаждения при ТПУ Z Z Z Z а - нормальная двухсторонняя, б, в - односторонняя, г - двухсторонняя угловая h 2h 2h h а) б) в) г) В работах Кравченко Б.А. принято, что коэффициент теплоотдачи в значительной степени зависит от температуры. Но ряд исследователей, таких как Ф. Крейт, У. Блэк, В.Ф. Очков, А.А. Александров, К.А. Орлов и другие утверждают, что на формирование величины коэффициента теплоотдачи (T) влияет не только температура, но и скорость движения воды, которую необходимо учитывать. Для определения величины коэффициента теплоотдачи при наличии 10 и более каналов с коридорным или шахматным расположени ем, по которым движется жидкость или газ с турбулентным течением, Ф.
Крейт предложил следующую формулу:
= 0.33 (Re)0,6 Pr0,3, (1) D где - коэффициент теплопроводности; D - диаметр канала; Re - число Рейнольдса; Pr - число Прандтля. Расчет коэффициента теплопроводности и числа Прандтля производился по методике, предложенной д.т.н., профессором В.Ф. Очковым, с использованием программного комплекса Mathcad. Отверстия канала в нашем случае соответствуют отверстиям спрейерной решетки охлаждения, которые имеют форму равностороннего треугольника, а диаметр отверстия спрейерной решетки определялся как для вписанной в треугольник окружности, то есть был равен 2/3 высоты треугольника, сторона треугольника равнялась 3 мм. Число Рейнольдса оценивалось с помощью следующего выражения:
D Re, (2) где - плотность воды; - скорость движения воды; - коэффициент динамической вязкости воды. Плотность воды определяется по справочным данным с учетом температуры. Расчет коэффициента динамической вязкости воды производился по методике, предложенной д.т.н., профессором В.Ф. Очковым, с использованием программного комплекса Mathcad. Для упрощения расчетов в случаях параллельноструйного движения воды вводят понятия средней скорости течения, которая определяется соотношением согласно методике, предложенной Лойцянским Л.Г.:
Q =, (3) Q - расход жидкости, то есть е объм, проходящий в единицу времени; - площадь живого сечения.
На основе проведенных экспериментов с учетом формулы (1) получена эмпирическая зависимость, позволяющая определять коэффициент теплоотдачи, с учетом скорости движения лопатки в установке с регулируемой системой охлаждения:
k Т 0,33 (Re)0,6 Рr0. (4) D Т Т где - темп охлаждения лопатки в установке с регулируемой системой Т охлаждения; - темп охлаждения лопатки в установке с нерегулируе мой системой охлаждения; k - коэффициент учитывающий массу упрочняемой лопатки.
Формула (4) позволяет оценить коэффициент теплоотдачи, при проведении ТПУ с реализацией двухсторонней угловой схемы охлаждения.
Проведенные расчеты показали, что максимальные значения коэффициента теплоотдачи при ТПУ для установки с регулируемой системой охлаждения соответствуют = 2,63105 Вт/м2К и = 4,62105 Вт/м2К при давлениях в системе охлаждения Р=0,6 МПа и Р=1,5 МПа. При более низких коэффициентах = (1-3) 104 Вт/м2К, которые характерны для хорошо циркулируемой проточной воды, наведение эпюры сжимающих остаточных напряжений, по данным Кравченко Б.А., возможно лишь на материалах, предел текучести которых не превышает величины т = 300 - 350 МПа.
В программном пакете Ansys Workbench была построена модель образца длиной 243,4 мм (соответствует рабочей длине лопатки турбины второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10) и толщиной 4 мм эквивалентной толщине корневого сечения. Модель была разбита на конечные элементы, заданы оси симметрии, заданы граничные условия (приложение температурных нагрузок). Затем производилось моделирование охлаждения заданного образца в водной среде с введенными в программный пакет ANSYS Workbench значениями коэффициента теплоотдачи (рис. 2), рассчитанными по уточненной методике. Методом конечных элементов для ТПУ получены результаты расчета температурных полей (рис. 3), деформаций (рис. 4) и напряжений (рис. 6, кривые 3, 4).
Уточненная методика позволяет проводить анализ параметров процесса ТПУ, оценивать его эффективность и обосновывать рекомендации по выбору рациональных режимов процесса ТПУ деталей ГТД и ГПА, что обеспечивает преимущество данной методики перед известными.
а) б) Рисунок 2 - Значения коэффициента теплоотдачи для регулируемой системы охлаждения при давлении: а)-0,6 МПа и б)-1,5 МПа По результатам расчета температурных полей в процессе ТПУ во время охлаждения (рис. 3, а) можно сделать вывод о том, что охлаждение в процессе ТПУ очень скоротечно, и оно состоялось за 0,1секунды. Так как в данном временном интервале температура на поверхности образца не превышает С, а максимальные значения коэффициента теплоотдачи (см. рис. 2) достигают при температурах Т = (150-160) 0С.
Рисунок 3 - Результаты расчета температурных полей модели образца в программном пакете Ansys Workbench: а) - изменение температуры поверхности образца; б) - изменение температуры середины образца. 1, 3 - давление в нерегулируемой системе охлаждения 0,6 МПа и 1,5 МПа;
2, 4 - давление в регулируемой системе охлаждения 0,МПа и 1,5 МПа.
Из результатов расчета пластической деформации, показанных на рисунке 4, видно, что максимальные значения пластической деформации в процессе ТПУ не превышают 0,5%, что свидетельствует о минимизации деформационного упрочнения, что положительно влияет на эксплуатационные характеристики лопаток ГТД, работающих в условиях высоких температур.
Рисунок 4 - Распределение пластической деформации по толщине образца Режим упрочнения: Т=700 0С, Р=0,6 МПа (кривые 1, 2) и Р=1,5 МПа (кривые 3, 4) 1, 3 - для нерегулируемой системы охлаждения;
2, 4 - для регулируемой системы охлаждения.
В третьей главе приведены объект исследования, методика исследований остаточных напряжений и сопротивления усталости, методика металлографических исследований, а также оборудование для проведения экспериментальных исследований. Объектом экспериментального исследования являются рабочие лопатки турбины второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10. Материалом для изготовления турбинных лопаток газоперекачивающего агрегата ГТК-10 служит жаропрочный сплав ХН65ВМЮТ (ЭИ893).
Рабочие лопатки второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 обладают существенными геометрическими параметрами: рабочая длина составляет 243,4 мм, ширина лопатки в корневом сечении - 70 мм, и, как следствие, имеют большую массу 1,5 кг. Поэтому для упрочнения лопаток второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, была разработана новая конструкция установки для ТПУ, принципиальная схема которой показана на рисунке 5. Основной отличительной особенностью новой конструкции установки для ТПУ от рассмотренных ранее (в первой главе) установок является камера охлаждения 27, в которой установлены четыре регулируемые спрейерные решетки охлаждения 24 с насадками 26, при этом две верхние спрейерные решетки охлаждения выполнены с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, две нижних - с возможностью изменения угла наклона от 0 до 75, а насадки выполнены с возможностью изменения размеров отверстий спрейерных решеток охлаждения. Отверстия спрейерных решеток охлаждения могут иметь различную форму (треугольную, трапециевидную, круглую, прямоугольную и т.д.), но наиболее рациональной без использования насадка является круглая форма отверстия, а при использовании - форма равностороннего треугольника. Отверстия спрейерных решеток охлаждения, имеющие форму равностороннего треугольника, при использовании насадка сохраняют принцип подобия, то есть происходит изменение размеров отверстий спрейерных решеток охлаждения, а форма струи воды на выходе из отверстий остатся неизменной. Размеры отверстий решеток охлаждения регулируемые насадкой изменяются в зависимости от формы, габаритных размеров, массы упрочняемых лопаток.
При термопластическом упрочнении лопаток на установке, показанной на рисунке 5, необходимо учитывать не только скорость движения воды, но и скорость движения лопатки. Из электропечи 36 (рис. 5), нагретая до температур термопластических превращений, лопатка 1 падает в камеру охлаждения 27, где упрочняется и попадает в емкость заполненную водой 14 через эластичный склиз 16. Падение лопатки 1 из печи до мкости заполненной водой 14 можно разделить на четыре участка. На первом участке на выходе из печи движение лопатки можно считать свободным до момента контакта с водой, поступающей из верхних спрейерных решеток охлаждения 24, расположенных параллельно оси движения лопатки. На втором участке лопатка движется с замедлением из-за сопротивления струй воды, направленных перпендикулярно оси движения лопатки, из верхних спрейерных решеток охлаждения 24.
На третьем участке лопатка испытывает ще большее сопротивление движению от струй воды направленных под углом (рис. 1 г), из нижних спрейерных решеток охлаждения 24. Преодолев сопротивление воды, на четвертом участке лопатка продолжает сво движение до момента контакта с водой заполненной мкости 14.
Режим упрочнения лопаток определялся исходя из опыта предыдущих работ, конструктивных особенностей спроектированной установки для ТПУ, а также формы и размеров упрочняемых деталей. Температура нагрева упрочняемых деталей варьировалась от 600 до 800 С, а давления охлаждающей жидкости (воды) от 0,6 до 1,5 МПа. Как показали экспериментальные исследования, для лопаток второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, изготовленных из сплава ЭИ893, при ТПУ оптимальная температура нагрева составляет 700 +50 С, а давление охлаждающей жидкости 1 - 1,5 МПа.
Рисунок 5 - Принципиальная схема установки для термопластического упрочнения деталей: 1 - деталь, 2 - толкатель, 3 - вентилятор, 4 - конечный выключатель, - фильтр, 6, 12 - кран, 7 - поплавок, 8 - испаритель, 9 - конденсатор, 10 - теплоизоляция, 11 - компрессор, 13 - блок, 14 - емкость, 15 - контейнер, 16 - эластичный склиз, 17 - виброопора, 18 - фильтр, 19 - эластичный толкатель, 20 - насосы высокого давления (НВД), 21 - переходник для шлангов, 22 - шланги для подачи воды, 23 - направляющие для фиксации угла наклона нижних спрейерных решеток охлаждения, 24 - спрейерные решетки охлаждения, 25 - салазки для горизонтального перемещения верхних спрейерных решеток охлаждения, 26 - насадки, регулирующие размеры отверстий спрейерных решеток охлаждения, 27 - камера охлаждения, 28 - задвижка камеры охлаждения, 29 - захват, 30 - неподвижный упор, 31, 37 - задвижка печи, 32 - отводная труба, 33 - термопара, 34 - температурное реле, 35, 38 - направляющая, 36 - электропечь, 39 - манометр, 40 - крышка люка, 41 - прибор, регистрирующий температуру охлаждающей жидкости, 42 - реле времени с электронным таймером, 43 - датчик температуры охлаждающей жидкости.
Из верхней и средней части пера упрочненных лопаток электроискровым способом вырезали образцы толщиной до 4 мм и определяли величину и знак остаточных напряжений в осевом направлении образца res. Остаточные z напряжения определялись на установке ПИОН-2 методом академика Н.Н.
Давиденкова.
Усталостные испытания упрочненных лопаток проводились в соответствии с "Едиными техническими условиями на усталостные испытания лопаток газотурбинных установок" НД 631.301.0216-03-98 на электромагнитном вибростенде ЭМВС-1 с наработкой 1,5; 5 и 10 тыс. часов. База N=107 циклов, температура 20 С.
Металлографические исследования образцов проводились на электронном микроскопе JEOL JSM-6510 со встроенным энергодисперсионным рентгеновским спектрометром JED - 2300.
Глава 4 включает в себя результаты экспериментальных исследований остаточных напряжений, усталостных испытаний и металлографических исследований.
Результаты исследования остаточных напряжений (рис. 6) показывают, что наибольшее влияние на формирование остаточных напряжений при термопластическом упрочнении оказывает интенсивность охлаждения, с увеличением которой величина остаточных напряжений сжатия возрастает.
Рисунок 6 - Эпюры остаточных напряжений после ТПУ:
а) - давление в системе охлаждения 0,6 МПа;
б) - давление в системе охлаждения 1,5 МПа;
1, 2 - эксперимент: кривая 1 - эпюра остаточных напряжений после ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения; кривая 2 - эпюра остаточных напряжений после ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения;
3, 4 - расчет в программе ANSYS WORKBENCH: кривая 3 - эпюра остаточных напряжений после моделирования метода ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения; кривая 4 - эпюра остаточных напряжений после моделирования метода ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения.
Результаты усталостных испытаний лопаток, упрочненных на установках с регулируемой и нерегулируемой системами охлаждения и базовой технологией упрочнения, приведены на рисунке 7. Упрочнение на установке с регулируемой системой охлаждения, по сравнению с упрочнением на установке с нерегулируемой системой охлаждения, увеличивает предел выносливости турбинных лопаток второй ступени агрегата ГТК-10 на 3,5-5%, что увеличивает долговечность их работы на 700-1000 часов.
Рисунок 7 - Пределы выносливости рабочих лопаток турбины из сплава ЭИ893:
1 - ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения;
2 - ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения;
3 - ультразвуковое упрочнение;
4 - упрочнение по базовой технологии Изучение формы и строения усталостных изломов образцов после термопластического упрочнения и без него позволило установить, что характер излома имеет определнную закономерность. На образцах, не подвергнувшихся ТПУ, очаг разрушения расположен на поверхности, а зона усталостного разрушения чрезвычайно мала, излом можно отнести к хрупким. Усталостные изломы образцов, прошедших термопластическое упрочнение характеризуется более волокнистым строением, что свойственно для пластичного характера разрушения (рис. 8). Кроме того, в последнем случае заметно смещение очага разрушения под поверхность.
При изучении изломов (рис. 8) можно заметить, что зона усталостного разрушения у образцов после термопластического упрочнения занимает значительно большую площадь, чем у не упрочненных образцов, что свойственно для более пластичных изломов. Это является свидетельством того, что образец после зарождения усталостной трещины работал еще довольно длительное время.
а - увеличение 100 б - увеличение 50Рисунок 8 - Усталостные изломы образцов после ТПУ Повышение предела выносливости и его относительное возрастание с повышением базы испытаний, наблюдаемое на исследованных образцах из жаропрочных сплавов после термопластического упрочнения связано с определенным механизмом положительного воздействия сжимающих остаточных напряжений и их проявлением в процессе эксплуатации.
При ТПУ в микроструктуре сплава ЭИ893 появляется обогащенная алюминием и титаном интерметаллидная '-фаза с когерентной связью с гранецентрированной кубической решеткой. Упрочненные образцы из сплава ЭИ893 имеют малую скорость разупрочнения, которая связана с незначительной диффузионной подвижностью атомов алюминия и титана при высоких температурах вследствие высоких значений сил межатомных связей в решетке '-фазы.
Таким образом, при термоупрочнении проявляется благоприятное влияние двух факторов: сжимающих остаточных напряжений с одной стороны и появления в поверхностном слое структуры с наличием субграниц за счет динамики термоупрочнения - с другой. Причем, если остаточные напряжения выполняют свою роль, прежде всего на первом этапе циклического нагружения, когда вероятность появления микротрещин Ч наибольшая, то по мере релаксации этих напряжений все большее значение приобретает второй фактор, закрепляющийся деформационным старением. Этим обстоятельством можно объяснить наблюдаемое повышение выносливости после наработки, что приводит к значительному увеличению долговечности лопаток и повышению их ресурса.
В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы.
Приложения содержат: копию патента на полезную модель, акт о внедрении НИР, листинги программного обеспечения Ansys Workbench для расчета температурных полей, напряжений и деформаций при ТПУ образца из сплава ЭИ893, результаты расчетов коэффициента динамической вязкости, коэффициента теплопроводности и числа Прандтля с использованием программного комплекса Mathcad.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. На основе критериев подобия гидрогазодинамики уточнена методика определения коэффициента теплоотдачи при термопластическом упрочнении изделий из жаропрочных сплавов. В программном пакете Ansys Workbench произведен расчет температурных полей, напряжений и деформаций со значениями коэффициента теплоотдачи, рассчитанными по уточненной методике. Полученные результаты подтверждают высокую скорость охлаждения и эффективность процесса ТПУ как технологического метода упрочнения деталей из жаропрочных материалов.
2. Теоретическими расчетами и экспериментально установлено, что наибольшее влияние на формирование остаточных напряжений при термопластическом упрочнении оказывает интенсивность охлаждения, с увеличением которой величина остаточных напряжений возрастает.
3. Разработана новая конструкция установки для термопластического упрочнения с регулируемой системой охлаждения, защищенная патентом РФ №101447. Упрочнение на установке с регулируемой системой охлаждения позволяет по сравнению с остальными рассмотренными схемами упрочнения увеличить значения коэффициента теплоотдачи на 20-25%, что повышает эффективность ТПУ. Для установки с регулируемой системой охлаждения разработана двухсторонняя угловая схема охлаждения, которая реализуется при свободном падении охлаждаемых деталей.
4. Определен рациональный режим метода ТПУ лопаток турбины второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10 в установке с регулируемой системой охлаждения. Оптимальная температура нагрева составляет 700 +50 С, а давление охлаждающей жидкости (1 - 1,5) МПа.
5. Проведен металлографический анализ образцов из сплава ЭИ893, прошедших термопластическое упрочнение на новой установке с регулируемой системой охлаждения, до и после усталостных испытаний.
6. Термопластическое упрочнение повышает предел выносливости лопаток второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10. Полученный эффект практически не снижается при длительной эксплуатации, что позволяет увеличить ресурс работы газоперекачивающего агрегата. Упрочнение на установке с регулируемой системой охлаждения, по сравнению с упрочнением на установке с нерегулируемой системой охлаждения, увеличивает предел выносливости турбинных лопаток второй ступени агрегата ГТК-10 на 3,5-5%, что увеличивает долговечность их работы на 700-1000 часов.
7. Результаты выполненной НИР внедрены в производственно-техническое предприятие ДОАО Центрэнергогаз филиал Самарский ОАО "Газпром".
Включение термопластического упрочнения в технологию восстановительного ремонта лопаток первой и второй ступени способствует значительному увеличению их долговечности. Годовой экономический эффект от продленного ресурса составил 689049 рублей.
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Кротинов Н.Б., Круцило В.Г., Карпов А.В. Формирование устойчивого напряженно-деформированного состояния поверхностной упрочняющей обработкой и прогнозирование процесса его релаксации // Упрочняющие технологии и покрытия. Москва - 2007. №8. - С. 21-36.
2. Карпов А.В., Кротинов Н.Б., Круцило В.Г., Никишов О.В. Проектирование новой конструкции камеры охлаждения для установки термопластического упрочнения и экспериментальные сравнения эффективности упрочнения образцов из сплава ЭИ437Б в кольцевом спрейере и в новой конструкции камеры охлаждения // Упрочняющие технологии и покрытия. Москва - 2011.
№ 5 - С. 44-47.
3. Карпов А.В. Повышение износостойкости поверхностного слоя лопаток ГТД на основе совершенствования процесса термопластического упрочнения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, № 4, 2011. - С. 1073-1076.
4. Карпов А.В. Сравнительный анализ установок для реализации процесса термопластического упрочнения лопаток газотурбинных двигателей и газоперекачивающих агрегатов // Вестник СГАУ № 3, часть 2. Самара - 2011.
- С. 271-276.
5. Карпов А.В. Повышение качества поверхностного слоя и увеличение долговечности лопаток второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10 на основе совершенствования технологического процесса термопластического упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. Москва - 2012. № 3 - С. 19-22.
Патент РФ на полезную модель 6. Патент 101447 РФ, (51) МПК C21D 9/00 (2006.01). Установка для термопластического упрочнения деталей / А.В. Карпов, С. А. Папчихин № 2010126356; опубл.: 20.01.2011 Бюл. № 2.
Публикации в других изданиях 7. Карпов А.В., Кротинов Н.Б. Установка для термопластического упрочнения лопаток газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4 // Высокие технологии в машиностроении: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Самара:
СамГТУ, 2002. - С. 38-40.
8. Кротинов Н.Б., Круцило В.Г., Карпов А.В. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса релаксации остаточных напряжений в зависимости от способа упрочняющей обработки // Высокие технологии в машиностроении: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2006. - С. 185-188.
9. Карпов А.В., Кротинов Н.Б. Особенности ТПУ при односторонней схеме охлаждения изделий ГПА // Высокие технологии в машиностроении:
Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2007. - С. 140142.
10. Круцило В.Г., Карпов А.В. Термопластическое упрочнение лопаток ГТД и разработка новой схемы конструкции установки для его осуществления // Высокие технологии в машиностроении: Мат. докл. Междунар. науч.-техн.
конф. - Самара: СамГТУ, 2008. - С. 64-66.
11 Карпов А.В., Круцило В.Г. Фрактографический анализ усталостных изломов образцов из сплава ЭИ437Б без упрочнения и с термопластическим упрочнением // Высокие технологии в машиностроении: Мат. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2008. - С. 32.
12. Карпов А.В. Разработка новой модели конструкции камеры охлаждения установки для термопластического упрочнения // Междунар. науч.-техн.
конф.: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы докладов. Самара: СГАУ 2009, часть 2, С. 126-127.
13. Круцило В.Г., Карпов А.В., Кутьков К.Ю. Новая конструкция установки для термопластического упрочнения лопаток газотурбинных двигателей // Высокие технологии в машиностроении: Мат. докл. Междунар. науч.техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 91-93.
14. Карпов А.В. Металлографические исследования поверхности образцов из лопатки второй ступени турбины ГТК-10 после термопластического упрочнения // Междунар. науч.-техн. конф.: Проблемы и перспективы разви тия двигателестроения. Материалы докладов. Самара: СГАУ 2011. В 2 Ч. Ч. 1, С. 133-134.
15. Карпов А.В. Совершенствование технологического процесса термопластического упрочнения лопаток второй ступени газоперекачивающего агрегата ГТК-10 // Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства. Труды III междунар.
науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) Тольятти: ТГУ, 2011. - С. 219-221.
16. Карпов А.В. Повышение сопротивления усталости лопаток газоперекачивающего агрегата ГТК-10 за счт оптимизации процесса термопластического упрочнения // Материалы XV Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева в 2-х частях. СибГАУ - Красноярск, 2011. ЦЧ.
1. - С. 329-331.
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.02 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 28 от 18 мая 2012 г.) Заказ № 424 Формат 60х84 1/16. Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии.
Самарского государственного технического университета.
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 корпус 8.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям