Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

REVIEW OF PROGRESSIVE METHODS FOR MANUFACTURE OF THE AXIAL BLISKS OF THE AVIATION GAS TURBINE ENGINES

Lunev A.N. 1 Kurylev D.V. 1
1 Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI»
В связи с современной тенденцией применения осевых моноколес вместо обычной конструкции в авиационных газотурбинных двигателях существует необходимость всесторонней оценки различных вариантов для производства турбинных колес. Таким образом, в данной работе рассматриваются различные методы изготовления моноколес блисковой конструкции. Вместе с обычным фрезерованием и электрохимической обработкой также приводятся альтернативные технологии производства, такие как лазерная наплавка, резка струей воды и обработка кольцевой фрезой. Оценка различных цепочек процесса проводится на основе данных, полученных в различных источниках. Выявлено отсутствие оптимальных технологий изготовления и ремонта моноколес блисковой конструкции, отвечающей всем требованиям и критериям. А также анализ показал, что альтернативные технологии более эффективны по сравнению с традиционным фрезерованием.
Due to the modern trend of blisk demands instead of the conventional design in aviation gas turbine engines need for a comprehensive assessment of the various options for the production of turbine wheels. Therefore, in this paper different methods of blisks manufacturing are reviewed. Beside conventional milling and electrochemical machining also alternative manufacturing technologies like laser cladding and water jet cutting and cup milling are reported. Evaluation of various chains process is carried out on the based of data obtained from different sources. The lack of optimal technology manufacturing and repair blisks, which meets all the requirements and measures, was revealed. Also, analysis showed that the alternative technologies more effective than traditional milling.
review
blisk
cup milling
1. Bagrov S.V., Uvarov L.B. Optimizacija tehnologicheskih processov izgotovlenija osevyh monokoles kompressorov gazoturbinnyh dvigatelej // Polet. 2009. no. 12. рр. 24–32.
2. Bychkov V.M. Kontrol kachestva pri izgotovlenii bliskov s primeneniem linejnoj svarki treniem // Vestnik ufimskogo gosudarstvennogo aviacionnogo tehnicheskogo universiteta. 2012. T.16 no. 7. рр. 95–101.
3. Gejkin V.A., Sharonova N.I. Tehnologija proizvodstva dvigatelej novogo pokolenija // Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij. 2010. T. 3, no. 2 (45). рр. 11–13.
4. Inozemcev A.A., Nihamkin M.A. Gazoturbinnye dvigateli. Perm: Izd-vo OAO «Aviadvigatel», 2006. T. 2 рр. 365.
5. Kachan A.Ja. Tehnologija obrabotki monokoljos vysokoskorostnym frezerovaniem // Vestnik dvigatelestroenija. 2006. no. 1. рр. 106–117.
6. Krymov V.V., Eliseev Ju.S., Zudin K.I. Proizvodstvo lopatok gazoturbinnyh dvigatelej M.: Mashinostroenie, 2003. рр. 376.
7. Lunev A.N., Moiseeva L.T., Turanov A.V. Optimizacija rezhimov frezerovanija mezhlopatochnyh kanalov bliskov kolcevym instrumentom // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Aviacionnaja tehnika. 2006. no. 3. рр. 60–63.
8. Lunev A.N. Raschet kinematicheskoj pogreshnosti pri obrabotke kolcevym instrumentom mezhlopatochnogo kanala monokoles GTD // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Aviacionnaja tehnika. 2007. no. 3. рр. 72–74.
9. Magerramova L.A. Primenenie bimetallicheskih bliskov, izgotavlivaemyh metodom GIP iz granuliruemyh i litejnyh nikelevyh supersplavov, dlja uvelichenija nadezhnosti i resursa gazovyh turbin // Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviacionnogo tehnicheskogo universiteta. 2011. T. 15 no. 4. рр. 33–38.
10. Moiseeva L.T. Modelirovanie processa obrabotki mezhlopatochnyh kanalov monokoles GTD kolcevym instrumentom. // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Aviacionnaja tehnika. 2005. no. 4. рр. 62–66.
11. Patent RF no. 2010144983/02, 20.05.12 / Kajbyshev O.A. Sposob izgotovlenija diskov s lopatkami tipa «blisk» (varianty) i shtamp dlja osushhestvlenija sposoba // Patent Rossii no. 2450883.2010 Bjul. no. 1.
12. Pechenkin M.V., Abzalov A.R. Kinematika formoobrazovanija bokovoj poverhnosti zubev giperboloidnoj peredachi koncevym instrumentom // Fundamentalnye issledovanija. 2014. no. 12–11. рр. 2310–2314.
13. Fomichev E.O., Voronin N.N. Analiz sushhestvujushhih sposobov vosstanovlenija lopatok kompressora gazoturbinnogo dvigatelja // Dvigatel. 2013. no. 5 (89). рр. 20–21.
14. Bhamji I. Solid state joining of metals by linear friction welding: a literature review // Materials Science and Technology. 2011. T. 27, no. 1. рр. 2–12.
15. Holding E. ECM jelektrohimicheskaja obrabotka // Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij. 2013. no. 2 (62). рр. 6–12.
16. Klocke F. Technological and Economical Comparison of Roughing Strategies via Milling, EDM and ECM for Titanium- and Nickel-based Blisks // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2013. T. 6, no. 3. рр. 198–203.
17. Klocke F., Technological and Economical Assessment of Alternative Process Chains for Blisk ManufactureOriginal Research Article // Procedia CIRP. 2015. T. 35. рр. 67–72.

Современные авиационные газотурбинные двигатели должны отвечать требованиям относительно надежности, минимального веса, высокой эффективности, экономичности и долговечности. Ротор компрессора является одним из главных элементов его конструкции. Использование моноколес (блисков) позволяет добиться снижения массы конструкции до 25 % от исходного и повысить критическое число оборотов [4].

Блиск – это рабочее колесо, в котором лопатки выполнены с диском за одно целое. Главное преимущество «блисковой» конструкции – отсутствие трудозатратных замковых соединений лопаток с диском, а также отсутствием проблем, связанных с обеспечением прочности и долговечности машины (концентрация напряжений в замковых пазах дисков, коррозия на контактных поверхностях и снижение вибропрочности лопаток и дисков) [6].

Целью данной работы является выявление оптимальной технологии изготовления осевого моноколеса типа блиска с учетом технологических требований и условий эксплуатации газотурбинных двигателей.

В настоящее время моноколеса блисковой конструкции производятся соединением лопатки и диска [17], либо из цельной заготовки [6] в зависимости от конструкции и предъявляемых требований [1].

В первом случае изготавливаются отдельно диск колеса и лопатки [1], а затем их соединяют сваркой трения [17, 14] (рис. 1, а), или лазерной сваркой [6] (рис. 1, б), или другими видами сварки и пайки [2].

Данные технологии пригодны не только для изготовления новых моноколес, но также ремонта и геометрической модификации существующих [13, 17]. Однако из-за сварного соединения блиск имеет меньшую прочность по сравнению с блиском, полученным из монолитной заготовки [13], а также необходим контроль качества сварных соединений и геометрических параметров сварного узла [9].

В ЦИАМ разрабатывается технология изготовления методом гидростатического прессования, основанная на спекании лопаток с порошковым сплавом, образующим диск. При этом заранее изготовленные литые лопатки с помощью керамических закладных элементов упаковываются в капсулу, в которую затем засыпают гранулы порошкового сплава. После спекания капсула удаляется травлением, диск подвергается механической обработке [9].

Изготовление блисков из монолитной заготовки в связи с развитием технологий получило широкое распространение на производстве. Одной из самых производительных является электрохимическая обработка (ЭХО) металлов [15]. В процессе обработки заготовка присоединяется к аноду, а инструмент – к катоду источника постоянного либо импульсного тока.

pic_64.tif pic_65.tif

а б

Рис. 1. Соединение лопаток

Перенос заряда в зазоре между катодом и анодом происходит за счет потока электролита, чаще всего хлорида или нитрата натрия [16]. При этом происходит отделение ионов металла с поверхности заготовки. Форма инструмента (катода) задается в зависимости от технологических задач обработки (рис. 2). Электрохимическое снятие припуска гарантирует получение поверхностей высочайшего качества [15].

pic_66.tif

Рис. 2. Электрохимическая обработка

Трудоемкость ЭХО зависит от режимов обработки и материала изготавливаемой детали [15].

Существует способ обработки моноколес с помощью струйной резки под действием струи высокого давления, смешанной с абразивом (гидроабразивная обработка) [1]. Форма струи имеет вид идеального точечного инструмента, что дает возможность обрабатывать изделия сложного профиля практически с любым радиусом закругления (минимальный радиус скругления будет равен радиусу струи) [1].

К основным преимуществам ГАО следует отнести: широкий диапазон обрабатываемых материалов и высокую скорость обработки (до 25 м/мин) при резке по контуру [1, 16].

Еще существует способ изготовления дисков с лопатками типа «блиск» с помощью штампа [11]. Нагретую заготовку устанавливают в изотермический штамп, содержащий обойму и керамические формообразующие элементы. Заготовку деформируют шародвижным пуансоном (рис. 3). При этом производят формирование лопаток выдавливанием материала заготовки в полости между формообразующими элементами. Готовый диск с лопатками удаляют из штампа путем разрушения керамических элементов.

Данный вид обработки обеспечивает изготовление моноколес с хорошими прочностными параметрами и имеет высокую производительность. Недостатками же является необходимость изготовления штампа и последующий его износ. Данную технологию используют при изготовлении небольших колес.

Самым распространенным способом изготовления моноколес из монолитной заготовки является фрезерование [6]. Это – традиционный производственный маршрут. В любом случае это самый быстрый путь для того, чтобы делать опытные образцы и испытательные аппаратные средства. Моноколеса из высокопрочных сталей и никелевых сплавов получать фрезерованием неэффективно вследствие низкой обрабатываемости этих материалов. Фрезерованием невозможно получить очень тонкие лопатки.

pic_67.tif pic_68.tif

Рис. 3. Обработка моноколес штамповкой

pic_69.tif pic_70.tif

а б

Рис. 4. Черновая обработка с одной (а) и с другой (б) стороны

В ПАО «МоторСич» (Украина) исследовалось высокоскоростное фрезерование моноколес. Технологический процесс изготовления моноколeс состоит из черновой, получистовой и чистовой обработки [3]. Черновые операции выполняются на трехкоординатном станке. Получистовые и чистовые операции производились на пятикоординатном станке. Черновое фрезерование межлопаточного пространства осуществляется последовательно с двух сторон за две операции (рис. 4). После завершения цикла обработки одного межлопаточного пространства производился поворот делительного диска стола приспособления с заготовкой на шаг следующей лопатки, и цикл обработки повторялся снова.

Также стоит упомянуть, что есть технологии снятия межлопаточного припуска на черновой операции за один установ с использованием на пятикоординатном станке [6].

После операции прорезки межлопаточного пространства заготовку направляют на термостабилизацию. После термообработки моноколёса проходят получистовое и чистовое фрезерование на высокоскоростном фрезерном станке. Для придания лопатке необходимой дополнительной жесткости при чистовом фрезеровании межлопаточное пространство заполнялось специальной демпфирующей массой, которая выполняла еще и функции твёрдой СОЖ.

Данной технологией возможно изготовление осевых моноколес любых размеров и конфигурации. Фрезерование является оптимальной технологией [16] по критерию себестоимости на черновом этапе (рис. 5, a).

В работе [17] произведена оценка эффективности различных технологий по критериям трудоемкости и себестоимости. Сравнительный анализ (рис. 5, б) показал, что изготовление моноколес путем ГАО на черновом этапе и ЭХО на чистовом этапе является самым эффективным. Однако по результатам оценки целесообразности внедрения ГАО для предварительной обработки межлопаточных каналов моноколес взамен существующей черновой обработки фрезерованием на предприятии ФГУП НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ» технология ГАО в производстве является экономически нецелесообразной [1].

При черновой операции для снятия большого количества металла выгодно использовать крупногабаритные фрезы, но из-за конструкции моноколеса невозможно использовать большие концевые фрезы.

Существует инструмент для обработки зубчатых колес со сложной формой зубьев, имеющий равномерно расположенные режущие зубья по периметру кольцевой формы с торцевыми режущими элементами и установленный с возможностью вращения вокруг своей оси [8, 12]. кольцевой инструмент устанавливают в исходном положении. Далее инструмент начинает обработку межлопаточного канала моноколеса, при этом корыто лопатки обрабатывает внешняя режущая кромка, спинку лопатки – внутренняя, а дно межлопаточного канала – торцевая (рис. 6) [10]. После обработки одного межлопаточного канала осуществляют поворот моноколеса на 360°/n, где n – число лопаток моноколеса, и производят обработку следующего межлопаточного канала. Этот процесс более производителен, чем обработка концевыми фрезами [7].

pic_71.tif pic_72.tif

а б

Рис. 5. Зависимости (а) себестоимости черновой обработки от годовой программы выпуска блисков, полученная в работе [16], и (б) трудоемкости от метода изготовления, полученная в работе [17]

pic_73.tif

Рис. 6. Фрезерование моноколес кольцевым инструментом

Кольцевой инструмент позволяет обрабатывать межлопаточные каналы сложного профиля с большой закруткой пера, больших размеров и большой кривизной поперечных сечений лопаток моноколеса [10]. При этом, используя кольцевой инструмент, можно решить поставленную задачу с большей производительностью. Технический результат достигается тем, что инструмент выполнен в форме кольца c равномерно расположенными по периметру режущими элементами. Однако вследствие возникновения погрешности формообразования [8] обработку кольцевым инструментом можно производить только на черновом этапе.

Таким образом, с учетом вышесказанного можно утверждать, что нет единой оптимальной технологии изготовления и ремонта моноколес блисковой конструкции, отвечающей всем требованиям и критериям. Так, например, при массовом изготовлении моноколес небольших размеров целесообразно использовать штамповки. Если же необходимо изготовление колес из разноименных сплавов, то тогда используются различные технологии соединения лопатки с диском.

Для крупных осевых моноколес газотурбинных двигателей фрезерование из монолитной заготовки является наилучшим решением, особенно на стадии чернового снятия материала. При этом использование кольцевого инструмента при формообразовании позволяет в значительной степени повысить производительность.

Использование лазерных технологий позволяет проводить ремонт поврежденных осевых моноколес, что увеличивает ресурс авиационных газотурбинных двигателей.