УДК 621.762.001
РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ ТОЧНОЙ ШТАМПОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДВИГАТЕЛЕЙ И ТУРБОАГРЕГАТОВ

Владимир Михайлович Воробьев, ООО "МНТЦ Аверт", к.т.н.
Алексей Викторович Соколов, РГТУ им. К.Э. Циолковского (МАТИ), к.т.н.

 

Рассматриваются примеры развития технологических процессов точной объемной штамповки рабочих колес турбоагрегатов ГТД для производства воздушных турбостартеров, турбодетандеров, турбонасосов и в поршневых двигателях для турбонаддува, а так же вентиляторных колес компрессора ГТД. Штампованые колеса с повышенными механическими свойствами по направлению действия максимальных нагрузок, регламентированной структурой, готовыми после деформирования функциональными поверхностями под виброгалтовку и виброшлифовку.

Article presents examples of development of technological processes of one-piece extruded driving-wheels of ventilating fan of a gas-turbine engine, air turbo-starters, turbo-expanders, turbo-pumps and piston engines for the turbo-supercharge, and also compressor's fan wheels of the gas-turbine engine. Author presents extruded wheels with improved mechanical characteristics in the direction of action of maximum loads, with specified structure, and with finished after forming functional surfaces, ready for tumble and grinding by vibration.

Ключевые слова: технология двигателестроения, точная штамповка, диск вместе с лопатками.

Keywords: technology of engine producting, precise extrusion, integrated blade disc configuration.

Цель данной работы - рассмотреть процессы точной штамповки рабочих колес турбоагрегатов за 90 лет производства турбомашин в двигателестроении, а также разработать классификацию цельноштампованых (по схеме ''диск вместе с лопатками'') рабочих колес турбомашин и разработать опытно-промышленные схемы штампового инструмента.

К современному авиационному двигателестроению предъявляются все более высокие требования, вызванные высокой теплонапряженностью, механической напряженностью, вибронапряженностью деталей, узлов и агрегатов ГТД, труднообрабатываемостью материалов, высокими требованиями к точности изготовления, коррозионной стойкости. Эти и другие требования обуславливают применение самых сложных решений, что выдвигает технологию производства авиадвигателей в ряд инновационных направлений: определяющих технологический прогресс всего машиностроения.

Одним из инновационных направлений заготовительного кузнечно-штамповочного производства является технология формоизменения в многоразъемном штамповом инструменте, которая позволяет изготавливать рабочие колеса турбомашин по схеме "диск вместе с лопатками" с готовыми (бесприпусковыми) функциональными поверхностями и с заданными свойствами по направлениям действия максимальных нагрузок при эксплуатации благодаря направленности волокон.

Впервые авиационная турбина поднялась в воздух в виде агрегата турбонаддува поршневого двигателя в 1918 г. (разработка А. Рато). Это событие поставило перед авиационными технологами ряд проблем по созданию и производству рабочих колес лопаточных машин, а именно агрегатов турбонаддува поршневых двигателей.

Эти проблемы актуальны до настоящего времени, так как турбоагрегаты находят широкое применение в авиадвигателестроении в виде: агрегатов турбонаддува на двигателях внутреннего сгорания; воздушных турбостартерах; турбодетандерах; турбонасосах и других турбомашинах.

В середине 30-х годов для высотных авиационных двигателей конструкции А.Д. Швецова, А.А. Микулина, В.Я. Климова применялись агрегаты турбонаддува, рабочие компрессорные колеса которых штамповались в городе Кольчугино Владимирской области на паровоздушных молотах с уклонами семь градусов и большими напусками на механическую обработку (рис. 1,а). При этом в открытых штампах частично удавалось получать необходимое направление волокон в лопатках компрессорного колеса. Во второй половине 30-х годов в Московском авиационном институте (МАИ) при втором факультете была создана лаборатория по созданию конструкций и технологии производства газотурбинных двигателей, а с организацией Московского авиационно-технологического института (МАТИ) в 1943 г. вопросы технологии перешли в него. В конце 40-х годов учеными НИАТ и МАТИ было организовано на Ордена Ленина п/я 3 (Верхняя Салда, Свердловской области) производство цельноштампованных колес компрессора (вентиляторных) из сплава АКЧ-1 на паровоздушном молоте с весом падающих частей 23 т.
Компрессорное (вентиляторное) колесо представляло составную конструкцию: из двустороннего колеса П.8. и двух направляющих аппаратов П.12.

В Германии в конце 30-х - начале 40-х годов был разработан и изготовлен гидравлический штамповочный пресс c усилием 30 000 тс, смонтированный и запущенный в эксплуатацию в 1944 г. В документации данного пресса имеются чертежи штампов и поковок вентиляторных колес газотурбинных авиационных двигателей с минимальными уклонами и припусками на механическую обработку.

С появлением машин ударного нагружения в США в 1955 г. (пневмомеханические машины), которые применяли в качестве энергоносителя газ высокого давления, дало возможным значительно снизить массы подвижных частей машины и ее габариты. На принципе использования газа высокого давления (вместо воздуха или пара) была изготовлена машина для высокоскоростного деформирования типа ДИНАПАК, которую впервые продемонстрировали в 1958 г. В ней в качестве энергоносителя применяют сжатый до 150 атм азот, перепускаемый через систему клапанов и разгоняющий при этом массивную бабу (стессель) до 64,5 м/с. Последняя машина, созданная Glearing Division of Us Industry, имеет тот же принцип действия и отличается от предыдущей тем, что в ней установлены два подвижных элемента (стесселя и рамы разной массы), движущиеся навстречу друг другу, что делает эту штамповочную машину подобной бесшаботному молоту.

В дальнейшем в качестве энергоносителя до давления 60 атм стали использовать сжатый воздух, а выше указанного давления -азот, что позволило отдать предпочтение при процессах формоизменения горячей объемной штамповке и выдавливания главным образом при изготовлении штамповок высокой точности.

В нашей стране в Воронежском Специальном Конструкторском бюро кузнечного машиностроения был создан ряд кузнечных машин с газовым приводом различных мощностей, которые изготавливал Воронежский завод КПО им. М.И. Калинина.

Первый высокоскоростной молот марки М7352 с энергией 16000 кгм был установлен в Эникмаше, на базе которого сотрудниками ЭНИКМАШа и НИАТа по заданию Минавиапрома в середине 60-х годов были выполнены хоздоговорные работы по разработке технологических процессов и штампового инструмента пяти наименований вентиляторных колес (по схеме "диск вместе с лопатками" прямым выдавливанием). Было отштамповано по 3-5 из алюминиевых сплавов колес каждого наименования, но в серийное производство данные разработки не были внедрены (рис. 1,б).

В США в 1964 г. был запатентован способ изготовления цельноштампованных турбинных колес, в том же 1964 г. в 12 номере журнала появилась статья "New technology in Turbine Wheel Production". Автор статьи Morgan K. описал производство цельно-штампованных турбинных колес по схеме "диск вместе с лопатками" на 8000-тонном горячештамповочном прессе, оборудованном специальными гидравлическими прижимами.

В 1968 г. группой ученых кафедры обработки металлов давлением Ленинградского политехнического института под руководством К.Н. Богоявленского и А.П. Атрошенко были начаты работы по исследованию возможности изготовления штампованного диска с лопатками [3, 4, 5]. Вторая работа "Исследование и разработка технологии штамповки диска из жаропрочного сплава марки Эи437БУ" [9] была выполнена в 1971 г.

Одной из первых комплексных работ в области формоизменения в многоразъемном штамповом инструменте для рабочих колес турбоагрегатов была кандидатская диссертация автора, выполненная в 1976 г. под руководством профессора В.Т. Мещерина и доцента С.С. Соловцова [9]. Выполненные в этой работе исследования поставили ряд важных научно-технических проблем, без решения которых невозможно дальнейшее развитие данных технологических процессов.

Серьезным препятствием для дальнейшего развития прогрессивного процесса формоизменения в многоразъемных штампах является отсутствие теории, которая отражала бы реальную картину деформирования заготовки в многоканальных штампах и удовлетворяла требованиям практики, а также слабая изученность процесса, отсутствие методик построения технологического процесса изготовления точных поковок и конструирования штампового инструмента и средств механизации. Кроме того отсутствуют достоверные данные о механических, структурных и физических свойствах металла цельноштампованных рабочих колес лопаточных машин. Помимо материаловедческих проблем существует вопрос об экономической целесообразности вновь создаваемых технологических процессов производства цельноштампованных колес лопаточных машин.

Таким образом, прогресс в области формоизменения цельно-штампованных колес в многоразъемном штамповом инструменте требует дальнейших исследований в теоретическом и прикладном планах.

Первая попытка создания классификатора моноколес была осуществлена в работе [1, 2], в основу которого был заложен: конструктивный подход; функциональное назначение; геометрия лопаточного аппарата; габариты поковки.

Другим примером [6] является классификация монолитных колес, в основу которой легли конструктивные признаки, технологические особенности и форма аэродинамических поверхностей лопаток, диска и колёс гидромашин [7].

В данной работе классификация базируется на особенностях течения деформируемого металла в процессе выдавливания, а значит на технологическом признаке [9].

Особенности межлопаточных пространств определяют конструкцию каналов многоразъемных штампов, применение тех или иных методов и средств производственных технологических процессов, что позволяет разделить перечисленные типы цельноштампованных колес на виды - открытые и полузакрытые.

Каждый вид колес в зависимости от формы и размеров элементов аэродинамических поверхностей лопаток и диска разделен на шесть групп.

Тип колес А - радиальные, составляют 7% от изученной номенклатуры ГТД и 100% центробежных насосов. Особенностью их является увеличение площади поперечного сечения межлопаточных каналов от входа к радиальному выходу. Поверхности лопаток радиальных колес описаны прямыми линиями или дугами сопряженных друг с другом окружностей, заданных в чертеже фиксированными радиусами.

Профиль пера лопаток определен линейчатыми поверхностями, разворачивающимися на плоскость, что существенно упрощает технологические схемы формоизменения. Преимущественное перемещение металла в каналах штампа - осевое (прямое и обратное выдавливание).

Тип Б, вид 2, группы 2 и 3 и тип Е, вид 6, группа 9 - осевые колеса, лопатки которых выполнены радиально от ступицы, а межлопаточные каналы - открытые. Их число составляет 51% от общего числа колес. Разновидность групп 2 и 3 осевых колес определяется различием геометрических форм аэродинамических поверхностей лопаток и ступиц (диска). Каждая классификационная группа осевых колес имеет присущие ей геометрические особенности формы лопаток и формы ступиц.

К группе 2 относятся поковки колес турбин с лопатками постоянного сечения, контур поверхности ступицы которых образован линейчатыми поверхностями, например коническими. Основными геометрическими параметрами, характеризующими их форму, являются минимальный и максимальный диаметры ступиц и угол конусности.

К группе 3 относятся диагональные поковки моноколес, поверхность ступицы которых образована криволинейной образующей, имеющей выпукло-вогнутую форму, заданную каркасом точек совокупности поперечных и продольных сечений колеса.

Особенность типа Е заключается в том, что заготовкой является кольцо.

Классификацию по виду также дополняет технологический признак - преимущественное перемещение металла в каналах - радиальное (боковое выдавливание).

Тип колес В с технологическими особенностями вида 3 и тип колес Г, вид 4, группа 7 - радиально-осевые колеса. Их число составляет 42% от общего числа колес.

Группа 4 - моноколеса с полузакрытыми межлопаточными каналами и плоскими лопатками.

Группа 5 - моноколеса с полузакрытыми межлопаточными каналами и лопатками, боковые поверхности которых описаны сложнофасонными пространственными поверхностями, не разворачивающимися на плоскость.

Группу 6 составляют колеса с промежуточными лопатками.

Рассматриваемый тип колес В - наиболее сложный, лопатки которых обладают признаками, характерными для лопаток предыдущих двух типов колес А и Б: радиальных и осевых, поэтому технологическая схема формоизменения поверхностей лопаток и диска наиболее сложна. Комбинация осевого (прямого, обратного) и радиального выдавливания в большинстве случаев требует применения специального разборного инструмента.

Тип Д колес направляющих аппаратов - отдельный тип, поковки которого получаются аксиальным выдавливанием кольцевой заготовки. Межлопаточные каналы - закрытые.

Исходя из проведенной классификации, можно определить структуру технологического оборудования кузнечно-штамповочного производства - это гидравлические прессы, высокоскоростные молоты, гидровинтовые пресс-молоты, которые наиболее подходят для разъема разборных штампов и подъема верхних половин для извлечения поковки вместе со вставками с помощью выталкивателей [10 - 14].

Литература

1. Дмитриевский В.И., Холщевников К.В. Нагнетатели и наддув авиационных двигателей. Оборонгиз, 1939.
2. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., "Машиностроение", 1976.
3. Богоявлинский К.Н. Обработка цветных металлов и сплавов давлением. Металлургиздат, 1964.
4. Богоявлинский К.Н. Исследование возможности изготовления штампованного диска с лопатками. Отчет М-22-2/5072 ЛПИ им. М.И. Калинина, Л., 1968.
5. Богоявлинский К.Н. Исследование возможности изготовления штампованного диска из жаропрочного сплава марки ЭИ437БУ. Отчет М-22-2/6022 ЛПИ им. М.И. Калинина, Л., 1971.
6. Зубов В.П., Пудовина Г.А. Анализ конструктивно технологических особенностей монолитных колес газотурбинных двигателей. Приложение к журналу "Авиационная промышленность", № 2, 1990.
7. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть 1. г. Запорожье, изд. ОАО "Мотор Сич", 2003.
8. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М., "Машиностроение", 1966.
9. Воробьев В.М. Экспериментальные исследования и разработка процессов высокоскоростного бокового выдавливания. Автореферат. диссертации к.т.н. Станкин, 1976.
10. Данилов Ю.П., Осипов И.И., Воробьев В.М. Новые технологии получения турбинных колес с лопатками. "Авиационная промышленность" № 12, 1974., с. 18-19.
11. Воробьев В.М., Тихонов В.В. Исследование и разработка новой технологии получения штампованных колес с лопатками. СБ. "Повышение точности и качества при штамповке", МДНТП, 1975., с. 47-55.
12. Воробьев В.М. и др. Новое в технологии штамповки рабочих турбинных колес "Кузнечно-штамповочное производство" № 4, 1975., с. 11-13.
13. Воробьев В.М., Дроздова Н.Ю. Точность поковок изготовляемых на высокоскоростных молотах. "Кузнечно-штамповочное производство" № 5, 1985.
14. Осипов И.И., Воробьев В.М. Высокоскоростная радиальная штамповка рабочих колес турбоагрегатов "Авиационная промышленность", № 2, 1976.

Связь с автором:
тел.: +7 (499) 978-04-34.
Электронная почта: avert_msk@mail.ru