книги / Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей

Здесь деталь в окончательно обработанном виде, за исключением поверхностей, на которые имеется припуск на разгонные испытания, по­ мещают на ротор установки, имитирующий рабочие посадочные поверх­ ности ГТД. До определения вытяжки размеров наружного контура и по­ садочных диаметров проводят их геометрические измерения, причем на­ ружный диаметр измеряют в трех положениях по длине окружности че­ рез 120°.

Фактические размеры каждого диаметра заносят в протокол испыта­ ний. Точность измерения для посадочных поверхностей на ротор ГТД должна составлять 0,001 мм, для диаметров проточной части 0,01 мм, причем диаметры на проточной части измеряются также в трех плоско­ стях по гребешкам лопаток, соответствующих 0, 120 и 240°.

Разгонные испытания проводят на предварительно отбалансирован­ ном колесе. В процессе испытаний к ротору установки с расположенной на нем испытуемой крыльчаткой подводят сжатый воздух. Температура воздуха должна соответствовать условиям работы крыльчатки. Для крыльчаток компрессора это - 200...250 °С. Подачу воздуха регулируют до достижения крыльчаткой рабочей частоты вращения, которая в зави­ симости от типа двигателя обычно составляет (10000...40000 ± 500) об/мин.

Крыльчатки, работающие с меньшей частотой вращения, этому ис­ пытанию на подвергают. Время разгона обычно < 1 мин; время работы ротора на максимальном режиме, как правило, 5 минут. По завершении испытания с данной временной выдержкой подача воздуха прекращается и происходит естественный останов ротора. При этом фиксируется время останова, по величине которого оценивают состояние подшипников.

По окончании испытаний контролируют геометрические размеры крыльчатки и величину дисбаланса. Допустимое ее изменение после раз­ гоночных испытаний в зависимости от размера крыльчатки не должно превышать 1...5 г-см, а допустимое изменение диаметров должно быть < 0,2 мм.

После контроля геометрических размеров крыльчатки осуществля­ ется ее окончательная обработка, в ходе которой восстанавливают поса­ дочные поверхности колеса и проверяют резцом наружный контур про­ точной части. При необходимости колесо добалансируют. Затем ведут контроль дефектов поверхностного слоя, например, методом ЛЮМ-10В.

По завершении данной операции рекомендуется повторить опера­ цию безразмерного полирования в торовом вибраторе фирмы Ябв^г.

Контроль моноколес. Основными геометрическими параметрами, проверяемыми при окончательном контроле, являются:

-угловое расположение лопаток;

-толщина лопаток на линии равных толщин;

-биение цилиндрических и торцовых поверхностей относительно посадочных (базовых), расположение профиля в поперечном и продоль­ ном направлениях;

-частота собственных колебаний лопаток.

Угловое расположение проверяют с помощью специальных шабло­ нов, толщину лопаток - посредством специального индикаторного при­ бора. Конструкции данных приборов достаточно тривиальны, многие из них приведены в работах [4, 17, 20].

Параметры профиля лопаток измеряют на специальной машине, управляющая программа которой соответствует математической модели лопатки. Ощупывая точки профиля лопаток, машина устанавливает от­ клонение фактического профиля от теоретического.

Частоту собственных колебаний лопаток проверяют на установке с помощью звуковых колебаний различной частоты, вызываемых генера­ тором. При этом частота собственных колебаний лопатки должна совпа­ дать с частотой колебаний датчика установки.

Кроме того, крыльчатки контролируют на выявление внешних и внутренних дефектов (трещин, пор, рыхлот, шлаковых включений). Внешние дефекты обнаруживают методом ЛЮМ-10В, внутренние рентгеновским или ультразвуковым методом.

4.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ И КОМПРЕССОРА В СБОРОЧНЫХ УЗЛАХ

Механическая обработка лопаток ГТД не завершается изготовлени­ ем отдельных деталей. Окончательным этапом их обработки является обработка лопаток в узлах, т.е. в роторе и статоре.

Отметим, что обработке лопаток в роторе и статоре предшествуют технологические операции сборки и обработки отдельных поверхностей узлов в сборе. Из них наиболее сложен процесс сборки, балансировки и обработки ротора турбокомпрессора в сборе. Целью механической обра­ ботки ротора является гарантированное достижение требуемых зазо­ ров между вращающимися поверхностями ротора и неподвижными статора.

Рис. 4.22. Операционная карта шлифования ротора турбокомпрессора в сборе

Пример такой технологической операции приведен на рис. 4.22. Представленная на данном рисунке операционная карта шлифования ро­ тора турбокомпрессора завершает операции достаточно длительного и ответственного технологического процесса. Эта операция состоит из сле­ дующих основных этапов.

1. Балансировка ротора турбокомпрессора без лопаток. Показан­ ный на рис. 4.22 ротор является ротором смешанного типа. С одной сто­ роны, он содержит сварной барабан компрессора с кольцевыми канавка­ ми под шесть ступеней лопаток, с другой - включает в себя три ступени турбины, каждая из которых представляет собой индивидуальный диск.

На каждом из дисков присутствуют свои посадочные поверхности в виде цилиндрических поясков и торцов с отверстиями под призонные болты, по которым осуществляется сборка турбокомпрессора.

В процессе сборки к каждой ступени турбины последовательно при­ соединяется новая ступень. Соответственно, положение оси присоеди­ няемой ступени относительно первой определяется допуском на соеди­ няемые поверхности. В результате ось турбины является ломаной линией.

Аналогичным образом соединяют компрессор и турбину, т.е. вели­ чина несовпадения их осей определяется допуском на поверхности, по которым осуществляется соединение этих узлов.

Таким образом, технологическая сборка роторов данного типа пре­ допределяет наличие дисбалансов, причем даже если центр масс ротора находится на геометрической оси его вращения, то центры масс каждой ступени турбины и барабана компрессора на ней не находятся. Все это

вызывает моментные дисбалансы, которые определяют необходимость динамической балансировки ротора турбокомпрессора в сборе.

Балансировку роторов данного вида наиболее целесообразно осуще­ ствлять на станках с горизонтальным расположением ротора и осевым соединениям с приводом, например ДБ-1001 [8]. Характеристики данного станка обеспечивают следующие параметры балансируемого ротора, а именно: массу 100... 1000 кг; диаметр 2000 мм; диаметр цапф 300 мм.

Станок этой модели наиболее универсален, а типоразмеры баланси­ руемых деталей соответствуют наиболее распространенным типоразме­ рам роторов ГТД. Ротор устанавливают в станок на цилиндрические цапфы А и В; проверяют его биения по посадочным поверхностям; мон­ тируют ограничительные упорные подшипники в каждой из опор А и В; устанавливают осевую муфту привода. Затем включают привод и осуще­ ствляют балансировку ротора относительно цапф А и В в плоскостях коррекции.

Плоскости коррекции определены чертежом ротора. Дисбаланс уст­ раняют налепкой пластилина в плоскостях коррекции. По окончании ба­ лансировки налепки пластилина взвешивают, определяют их массу и ме­ сто расположения. По массе пластилина подбирают балансировочные грузы и устанавливают в плоскостях коррекции. Также допускается ме­ ханический съем металла, если это предусмотрено конструкцией ротора.

2. Первая промежуточная сборка турбокомпрессора и его балан­ сировка. На этом этапе в ротор устанавливают лопатки турбины третьей ступени и лопатки компрессора пятой и шестой ступеней, после чего турбокомпрессор балансируется.

Перед установкой лопаток осуществляют операцию взвешивания лопаток пятой и шестой ступеней компрессора, а также лопаток турбины третьей ступени. Массу каждой лопатки записывают на лопатке со сто­ роны корыта. Затем определяют статические моменты лопаток на специ­ альных весовых приборах.

Технология измерения заключается в выяснении разности между статическими моментами проверяемой и эталонной лопаток, а затем ее перерасчете от статического момента эталонной лопатки [8]. После изме­ рения статических моментов лопаток каждой из ступеней рассчитывают распределение лопаток в колесе.

Расстановку лопаток осуществляют в такой последовательности:

-сначала подбирают лопатки с наибольшей и наименьшей массой и

сбольшей массой устанавливают в легкое место диска, с меньшей - в тяжелое;

-оставшиеся лопатки раскладывают в порядке убывания величины статического момента, считая первой лопатку с наибольшим статическим моментом;

-размещают первую лопатку из данного ряда в диск, а вторую диа­ метрально противоположно первой;

-последнюю из ряда устанавливают около первой, а предпослед­ нюю противоположно последней и т.д.

Расстановку сопровождают постоянной маркировкой на лопатках номера паза в диске, в который она должна быть установлена. Целью такой разбивки лопаток является достижение требуемого дисбаланса в процессе сборки ротора.

Поэтому сейчас на большинстве предприятий осуществляют расста­ новку с помощью машинных программ. Эти программы могут быть раз­ ными, но все они подчинены критерию минимально возможного значе­ ния дисбаланса собираемого лопаточного колеса.

Пример расстановки лопаток с помощью ЭВМ приведен в табл. 4.3. Необходимо расстановить лопатки в диске в количестве 34 шт., при­

чем наибольший статический момент лопатки составляет 682 г-см, а наи­ меньший 596 г-см. Разброс по статическим моментам 86 г см. Как видно из табл. 4.3, расстановка лопаток не соответствует изложенному выше порядку. Это обусловлено тем, что ЭВМ имеет значительно больше возможностей для расчета и сопоставления различных вариантов расста­ новки лопаток в диске, а соответственно, и для определения наименьшего из всех возможных значений дисбаланса. В данном случае он практиче­ ски равен нулю.

После установки в ротор лопаток третьей ступени турбины, пятой и шестой ступеней компрессора осуществляют балансировку ротора тур­ бокомпрессора после первой промежуточной сборки. В ходе балансиров­ ки определяют величину дисбаланса, подсчитывают массу балансиро­ вочных грузов и устанавливают их в плоскостях коррекции.

3.Вторая промежуточная сборка турбокомпрессора и его балан­ сировка. На этом этапе в турбокомпрессор устанавливают лопатки тур­ бины второй ступени и лопатки компрессора третьей и четвертой ступе­ ней. Порядок определения статических моментов лопаток, их распреде­ ления и балансировки повторяют предыдущие этапы.

4.Окончательная сборка турбокомпрессора и его балансировка. На этом этапе в ротор устанавливают лопатки первой ступени турбины и первой и второй ступеней компрессора. Технологические операции рас­ становки, сборки и балансировки ротора турбокомпрессора повторяют предыдущие операции.

Таким образом, турбокомпрессор, представленный на рис. 4.22, пе­ ред завершающей операцией механической обработки прошел четыре этапа последовательной сборки и балансировки. При осуществлении этих этапов балансировку ротора выполняли в первую очередь путем расста­ новки в нем лопаток.

5. Операция механической обработки ротора турбокомпрессора.

Целью операции является получение цилиндрических поверхностей на каждой ступени турбины и компрессора, т.е. обеспечение требуемых биений относительно посадочных поверхностей ротора, а также конкрет­ ных размеров диаметров на роторе турбокомпрессора. Обеспечение тре­ буемых геометрических размеров гарантирует отсутствие касаний дета­ лей ротора и статора друг относительно друга.

Операция осуществляется на круглошлифовальном станке. Модель станка выбирают исходя из условий размещения ротора над его стани­ ной. В ряде случаев такая операция может быть выполнена на универ­ сальных токарно-винторезных станках большого типоразмера. При этом на месте резцедержателя размещают шлифовальную фортуну с приво­ дом. В данном случае диаметр устанавливаемого круга < 200 мм. При этом деталь одной из цилиндрических поверхностей, например А, уста­ навливается в четырехкулачковый патрон, расположенный на планшайбе станка. Другой поверхностью она крепится к заднему центру станка. При этом внутренняя фаска на цапфе ротора должна быть концентрична на­ ружной поверхности.

Перед обработкой выверяют биения ротора по поверхностям А и В. Взаимное биение должно соответствовать чертежу, в частности для рото­ ра, представленного на рис. 4.22, оно не должно превышать 0,02 мм.

После выверки ротора его закрепляют. Шлифуют торцы лопаток компрессора до достижения размеров Ф,® и ®,©. Все размеры достига­ ются благодаря профессиональным навыкам рабочего, который в процес­ се обработки перемещает суппорт вручную. При этом он периодически измеряет размеры диаметров и биения наружной поверхности. Биение измеряют с помощью индикаторов, диаметры - посредством специальных приспособлений, осуществляющих измерение от поверхностей А и В.

По завершении обработки деталь из станка не вынимают, а достиг­ нутые размеры проверяют контролер. Фактические размеры Ф,® и ®,® заносят в паспорт детали и сопроводительную карту. Затем деталь рас­ крепляют и ротор переворачивают, при этом поверхность В устанавли­ вают в патрон, а поверхность А - в задний центр. После этого операцию повторяют, при обработке выдерживают размеры диаметров ©,©,® и биение ©.

Рекомендуемые режимы обработки: круг 63С25(40)ПСМ2 7К5 или 24А25(40)ПСЗ 7К5, скорость круга 15... 18 м/с; подача ручная (по искре), т.е. шлифовщик, оценивая напряженность процесса шлифования, осуще­ ствляет подачу на врезание только после того, как пропадет искра от пре­ дыдущего перемещения круга к детали.

При обработке может повреждаться проточная часть лопаток искра­ ми, образующимися при шлифовании. Поэтому перед обработкой лопат­ ки покрывают лаком, предотвращающим такие повреждения. Для исклю­ чения возможных вибраций лопаток в сборе на них устанавливают бан­ даж. Чаще всего это резиновый жгут большой длины, с помощью которо­ го лопатки переплетают в несколько рядов. Соответственно, после такой обработки ротор разбирают, детали моют, а затем вновь устанавливают в ротор, причем установка проходит именно в том порядке или в той по­ следовательности, как при обработке.

Точность обработки, качество поверхностного слоя обрабатываемых поверхностей, а соответственно, технологическую надежность выпол­ няемой операции обработки ротора в сборе можно существенно повысить путем осуществления данной операции в автоматическом цикле, т.е. на станках с ЧПУ. Модель круглошлифовального станка для этой операции выбирают исходя из геометрических размеров и массы ротора. Большая часть роторов ГТД имеет значительные габаритные размеры и массу, технологических возможностей круглошлифовального станка недоста­ точно для обработки всех поверхностей ротора, поэтому для выполнения данных операций разработаны и выпускаются специальные горизонталь­ ные токарно-шлифовальные станки (рис. 4.23).

Здесь представлен специальный станок для проточки и шлифования роторов ГТД, выполненный в виде станины 7, на которой размещена не­ подвижно шпиндельная бабка 2 изделия с планшайбой 3 и задняя бабка 4, имеющая возможность продольного и поперечных перемещений с по­ мощью своих суппортов 7 и 8. При необходимости на станине станка соосно оси центров шпиндельной и задней бабок могут быть установле­ ны люнеты.

Станину 1 обычно набирают из секций длиной до 2 м, которые в сборе друг с другом могут обеспечить достаточно большое расстояние между передней и задней бабками станка (до 10... 15 м). Каждый из суп­ портов, отвечающих за перемещение револьверной головки 5 шлифо­ вальной бабки б, а также заднего центра, имеет свои приводы и систему управления, которые позволяют индивидуально управлять их работой.

Рис. 4.23. Компоновочная схема специального горизонтального токарно-шлифовального станка для обработки роторов ГТД

Данное оборудование способно обрабатывать детали длиной до 10 м и более, а также массой от одной до нескольких десятков тонн.

Станки такого типа достаточно дороги, характеризуются, как прави­ ло, низкой загрузкой. Однако любое предприятие, производящее ГТД, обязано их иметь, так как они входят в технологический минимум обору­ дования, необходимого для высококачественного изготовления роторов ГТД.

Обработка роторов в сборе с обеспечением высокой концентрично­ сти поверхностей ротора его геометрической оси является основным ус­ ловием, гарантирующим его динамическую балансировку, снижает веро­ ятность возникновения вибраций, т.е. определяет устойчивую работу двигателя на всех возможных режимах, увеличивает его ресурс.

Аналогичным образом осуществляют технологические операции механической обработки лопаток, собранных в статоре. Одна из них при­ ведена на рис. 4.24.

Здесь представлен статор компрессора, состоящий из четырех сту­ пеней лопаток, причем две ступени поворотных лопаток установлены в одном корпусе, каждая из последующих собрана в свое кольцо. Сборку корпусов каждой ступени осуществляют путем поочередного присоеди­ нения одной ступени к другой. Центрирование каждой присоединяемой ступени осуществляют по посадочным диаметрам предыдущей. Естест­ венно, при такой сборке ось каждой из ступеней не совпадает с общей осью статора, что обусловлено величиной допусков на центрирующие поверхности корпусов отдельных ступеней.

Такое несовпадение и обусловливает необходимость механической обработки статора по внутреннему диаметру каждой ступени. Для этого собранный статор устанавливают на поверхность Т\ приспособления, выполненного в виде планшайбы. Статор центрируют по цилиндриче­ скому пояску на планшайбе. Точность установки на планшайбе приспо­ собления контролируют путем проверки соосности внутренней поверх­ ности планшайбы Т2 и цилиндрического пояска на внутренней поверхно­ сти статора Б.

Биение поверхности относительно Т2 не должно превышать 0,1 мм. Данное требование выполняется выверкой статора на планшайбе и уста­ новкой подкладок из фольги на поверхность Тхпод опорный торец стато­ ра. В достигнутом выверкой положении статор закрепляют в планшайбе.

В этом положении его заливают быстротвердеющей массой на осно­ ве мочевины. Заливку осуществляют с целью бандажирования лопаток