Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Особенности высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых каналов лопаток турбины газотурбинных двигателей

# 08, август 2009
автор: Сироткин И. А.

 

 

Ресурс газотурбинных двигателей (ГТД) во многом зависит от надежности работы лопаток турбины. Лопатки турбины подвергаются действию высоких динамических и циклических нагрузок при термических напряжениях и в условиях агрессивной газовой среды.

При изготовлении охлаждаемых лопаток выполняются более 100 операций, причем в большинстве случаев после обработки (выщелачивания, шлифования, гидроабразивной обработки, электроэрозии, рентгеновского анализа и т.д.) требуется очистка внутренних поверхностей лопаток. Как правило, это осуществляется за счет подачи жидкости или воздуха под давлением. Выход годных деталей по засорам 10-15%, поэтому необходим поиск новых технологических решений, которые позволят очищать лопатки как при изготовлении, так и при ремонте.

Для очистки прецизионных изделий широко применяются ультразвуковые ванны, которые работают на частоте 20-40кГц при интенсивности излучения в моющую среду до 2,5 Вт/см2. Ультразвуковая очистка в таких ваннах эффективна в основном для наружных поверхностей деталей.

Внутренние полости, глубокие и малые отверстия требуют более интенсивных акустических полей с соответствующими им явлениями кавитации и турбулизации жидкости позволяет значительно интенсифицировать очистку сложнофасонных деталей и узлов.

Также в настоящее время на предприятиях отечественного машиностроения не придается большого значения операциям очистки, что часто приводит к разрушению деталей при их эксплуатации.

На производстве и в процессе ремонта, как правило, сталкиваются с композицией различных типов загрязнений. Это связано в большей мере с тем, что в процессе изготовления деталей, каждая операция обработки включает в себя множество факторов воздействия на деталь, а на этапах ремонта, возникают загрязнения, в основном, биологического характера (мелкие частицы песка, солевых отложений и т.п., в зависимости от характера эксплуатации ГТД), процесса износа деталей (стружка), использования специальных жидкостей (масла, консервационные жидкости, топлива и т.д.). Это вносит необходимость анализа большинства производственных операций, а также загрязнений, вызванных условиями эксплуатации.

В зависимости от предшествующих операций, загряз­нения можно подразделить на такие группы:

1. После механической обработки резанием (стружка, станочные эмульсии и смазки), чистовой или отделочной обработки, притирки, доводки (абразив­ная пыль и зерна, пасты, масла, смазки, эмульсии, наклеечные смолы);

2. После электроэрозионной обработки (шлам).

3. После литья (окалина, окисные пленки, припары);

4. После термообработки (окалина, окисные пленки, сажа, кокс, нагар, продукты осмоления и коксования);

5. После хромалитирования (спекшиеся частицы CrAl).

6. После рентгеновского анализа внутренних каналов лопаток турбин (металлический порошок).

Все виды загрязнения имеют различную связь с очищаемой поверхностью. Можно выделить три основных вида связи:

1. Загрязнения, имеющие механическую связь с очищаемой поверхностью. Механическая связь происходит за счет сил трения. Например, частички стружки, шаржированные частицы абразива и т.п.

2. Загрязнения, имеющие химическую связь с поверхностью. Химические связи возникают за счет химического взаимодействия обрабатываемого материала с окружающей средой (окисные пленки, углеродистые отложения и т.д.).

3. Загрязнения, удерживаемые на поверхности за счет адгезии. Явление адгезии частиц и пленок связано с удержанием их на поверхности твердого тела за счет сил молекулярного взаимо­действия, капиллярных сил в жидкости и ряда других причин. Адгезионную связь с поверхно­стью имеют различные лакокрасочные и жировые пленки, мел­кие механические частицы.

Технологические жидкости, используемые в процессах ультразвуковой очистки, подразделяются на моющие среды и жидкости для дополнительной обработки (предварительной замочки, про­мывки, пассивирования и консервации изделий). Зачастую в каче­стве жидкостей для дополнительной обработки используют не­посредственно моющие среды. Выбор технологических жидкостей является важной предпосылкой получения необходимого качества очистки. При подборе технологических жидкостей надо выполнить ряд требований, иногда противоречивых, поэтому следует учиты­вать все особенности технологического процесса изготовления изделий, свойства их материала и состав загрязнений.

В качестве моющих сред при ультразвуковой очистке исполь­зуются вода, водные растворы щелочей и поверхностно-активных веществ (ПАВ), растворы кислот, органические растворители, эмульсионные составы.

Основными свойствами ПАВ, непосредственно отражающими природу поверхностной активности и обуславливающими применение ПАВ как малых добавок, являются:

- способность ПАВ к адсорбции, т.е. способность данных молекул собираться на межфазной поверхности в концентрации, многократно превосходящей концентрацию в объемах граничащих фаз, и плотно заполнять поверхностный слой;

- самопроизвольность протекания процесса адсорбции, термодинамически предопределяемая избытком свободной энергии на исходной поверхности раздела фаз и обеспечивающая это концентрирование в той мере, в какой кинетические факторы (массоперенос диффузия) позволяют осуществляться. В специфике физико-химических взаимодействий на межфазной границе, лежат научные основы изменения в нужном направлении природы данной границы: гидрофилизации (при отмывании, при нанесении ядохимикатов, вытеснении остаточной нефти); олефилизации (пигментов и наполнителей породы при пуске скважины).

При разработке процессов ультразвуковой очистки и эксплуа­тации ультразвукового оборудования необходимо уделять боль­шее внимание вопросу контроля качества очистки. Неправильный выбор метода контроля может стать препятствием к достижению заданного критерия очистки или привести к необоснованному уве­личению времени, а, следовательно, к снижению производительно­сти и повышению энергоемкости процесса.

Все методы контроля качества очистки можно разделить на две группы:

1. Прямые.

2. Косвенные.

К прямым методам контроля качества очистки относятся визуальный контроль, фотографический и др. Данные методы отражают непосредственное качество очищенной поверхности. Косвенные, как правило, показывают какую-либо из эксплуатационных характеристик очищенных деталей и разрабатываются исходя из условий эксплуатации каждой конкретной детали. Так, охлаждаемые лопатки турбины ГТД подвергаются обоим методам контроля:

1. Рентгенографический метод, основанный на получении рентгеновского снимка охлаждающих каналов лопаток. Преимуществом данного метода является тот факт, что он позволяет определить характер и место залегания загрязнения во внутренних полостях лопаток, что способствует в получении статистических данных и выборе метода очистки. К недостаткам данного метода можно отнести невозможность дать количественную оценку степени засоренности, а также побочным действием данного метода является тот факт, что при рентгеновской съемке во внутреннюю полость лопатки засыпают металлический порошок, который также необходимо удалять.

2. Тепловизионный метод, основанный на проведении испытаний, приближенных к рабочим условиям работы охлаждаемых лопаток турбины, показывает степень охлаждения лопатки. Преимуществом данного метода, в отличие от рентгенографического, является количественная оценка качества охлаждения лопатки. К недостаткам следует отнести невозможность определения характера загрязнения, точное место залегания засора.

В общем случае комплекс оборудования для высокоампли­тудной ультразвуковой очистки состоит из ультразвукового ге­нератора, одной или нескольких стержневых колебательных сис­тем и технологической установки с ваннами или камерами для проведения операции, снабженной транспортными средствами и системами для поддержания заданных параметров технологичес­ких сред. Основной частью ультразвуковой установки является технологическое устройство, по­средством которого и осуществляется весь технологический про­цесс, включающий в себя комплекс операций, как с ультразвуком, так и без него.

На основании геометрии лопатки и направления действия преобразователей (волноводов) было разработано приспособление для крепления лопатки внутри ванны с технологической моющей жидкостью. Материал приспособления выбирался из тех соображений, что лопатка вместе с приспособлением должна находится в агрессивной жидкость при повешенной относительно нормальных условий температуре под действием ультразвуковых волн и кавитации.

В конечном счете, установка приняла следующий вид (см. рис.1).

Установка состоит из следующих составляющих:

  1. Ультразвуковой генератор.

  2. Зона очистки:

2.1. Ванна с направляющими.

2.2. Приспособление.

2.3. Накладка, воспринимающая ударную волну.

2.4. Ультразвуковые преобразователи.

2.4. Ультразвуковые концентраторы.

Технические характеристики установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

Мощность установки

до 1000Вт

Резонансная частота пьезокерамического преобразователя

22 кГц

Амплитуда колебаний

до 50мкм

Охлаждение пьезопреобразователей

принудительное

Напряжения питания

220В

Время обработки

от 2 с и выше

Количество преобразователей

3

 

 

1- генератор; 2- программатор; 3- коммутатор; 4- стойки;
5- преобразователи; 6- приспособление для фиксации и ориентирования лопатки; 7- направляющие; 8- стол; 9- ванна.

 

Рис. 1. Общий вид установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины.

Для оценки загрязнений внутренних каналов турбинных лопаток были представлены рентгенографические снимки и результаты тепловизионных испытаний. По полученным данным можно сделать следующие выводы:

- во внутренней полости присутствуют загрязнения, снижающие эффективность охлаждения лопаток (рис.2);

- лопатки со стороны хвостовика практически не имеют загрязнений;

- наибольшее загрязнение приходится на внутренние каналы пера лопатки, в особенности на выходную кромку лопатки (табл. 1);

- на ряде лопаток загрязнение изменяется от минимального к максимального значению (количеству) от центральной части к входной и выходной кромке.

Таблица 1

Результаты рентгеновского анализа лопаток до очистки

Результаты тепловизионного контроля лопаток до очистки

Результаты тепловизионного контроля лопаток после очистки

Выводы

1. Охлаждение затруднено в центральной части лопатки и выходной кромке.

2. После очистки охлаждение лопатки удовлетворяет ТУ.

1. Охлаждение затруднено в центральной части лопатки и выходной кромке.

2. После очистки охлаждение лопатки удовлетворяет ТУ.

1. Охлаждение затруднено в центральной части лопатки и выходной кромке.

2. После очистки охлаждение лопатки удовлетворяет ТУ.

 

В процессе очистки были получены следующие результаты

- Средняя масса удаленных из одной лопатки загрязнений – 2 - 3гр при времени обработки до 2мин.

- Оптимальный зазор от торца волновода до зоны обработки до 20мм.

- При обработке лопатки со стороны замка выделяется в 2-2,5 раза загрязнений больше, но качество очистки повышалось при последовательной обработке со всех сторон.

- При загрязнениях в процессе ремонтных операций, когда в состав различного рода загрязнений входят смолистые загрязнений, являющиеся связывающим элементом между очищаемой поверхностью и загрязнениями твердой фракции, рекомендуется чередование замочки с очисткой (несколько циклов).

Технология может решить проблему очистки лопаток, как при их изготовлении, так и при ремонте при выполнении следующих условий:

- при изготовлении необходимо очищать лопатки после каждой выполненной операции, тогда общее время очистки (сейчас 6 минут) можно снизить в 4 – 5 раз;

- для замочки и очистки лопаток, имеющих сильные загрязнения, рекомендуется биоразлагаемые на водной основе средства: «ТМ-Унилан», «ТМ-Унилан К50» и «ТМ- Унилан-Карбон»;

- очистку проводить в подогретой до 600 жидкости;

- для предотвращения вторичного загрязнения лопаток рекомендуется очистку каждой лопатки осуществлять в профильтрованной жидкости;

- очищенные с помощью ультразвука лопатки необходимо промывать проточной водой и подвергать сушке.

Основные результаты и выводы.

1. Из всех известных технологий по очистке лопаток (внутренних каналов), разрабатываемая является наилучшей по производительности;

2. Ультразвуковая очистка является наиболее дешевой по отношению к другим технологиям очистки;

3. Ультразвуковая очистка может применяться без специфических реагентов и химических средств (щелочи применяются для интенсификации процесса и не являются основополагающими);

4. Ультразвуковая очистка наиболее безопасна в обслуживании (эксплуатации);

5. При очистке охлаждающих каналов лопаток турбины метод высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки не приводит к повреждению детали при оптимально выбранном режиме обработки.

6. В процессе высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки деталей возможен процесс ультразвукового упрочнения поверхности за счет создания высоких ударных нагрузок в зоне обработки. Данный эффект не сказывается на прочностных характеристиках лопаток турбины, так как в процессе работы они подвергаются действию высоких температур, которые значительно выше температуры релаксации материала и как следствие поверхностные напряжения релаксируют в процессе выхода ГТД на крейсерский режим работы.

 

Библиографические ссылки:

1. Агранат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородский Ю.И., Хавский Н.Н. Ультразвуковая технология - М.: Металлургия, 1974.

2. Келлер О.К., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д., Ультразвуковая очистка, Ленинград, Машиностроение, 1977.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике - М.: Изд-во иностр. лит., 1956.

4. Голямина И.П. Ультразвук: маленькая энциклопедия - Мю.: Сов. энцикл., 1979.

5. Донской А.В. Ультразвуковые электротехнологические установки- Ленинград: Энергоиздат, 1982.

6. Панов А.П., Пискунов Ю.Ф., Высокоамплитудная ультразвуковая очистка, М, Машиностроение, 1980.

7. Ресурсы сети Internet: http://salut.ru/ViewTopic.php?Id=142.


Публикации с ключевыми словами: высокоинтенсивная ультразвуковая очистка
Публикации со словами: высокоинтенсивная ультразвуковая очистка
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)