Przeglad WLOP - Nowe technologie produkcji Å‚opatek [Lotnictwo].pdf - Przegląd WLiOP - damiano031

TECHNIKA I EKSPLOATACJA

Pþk rez. prof. dr hab. inŇ. Jan Godzimirski

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Techniki Lotniczej

Nowe technologie produkcji þopatek

lotniczych silnikw turbinowych

Ļci lotniczych silnikw turbinowych. SĢ

to zarazem najbardziej obciĢŇone elementy sil-

nika. Od ich trwaþoĻci zaleŇy resurs silnika.

We wspþczesnych silnikach moŇe byę od

2000 do 3500 þopatek. ZwaŇywszy na tak duŇĢ

liczbħ tych czħĻci w porwnaniu z liczbĢ in-

nych czħĻci silnika, na niezawodnoĻę i trwa-

þoĻę silnika w gþwnej mierze wpþywa wiħc nie-

zawodnoĻę þopatek. Resurs lotniczych silnikw

turbinowych stosowanych w wojskowych stat-

kach powietrznych wynosi od 500 do 1000

godzin, a w cywilnych Î od 10 000 do 20 000

godzin. Ze wzglħdu na to, Ňe w silnikach turbi-

nowych þopatki montowane sĢ tak licznie, wy-

twarza siħ je w warunkach produkcji wielkose-

ryjnej, nawet wtedy, gdy produkcja silnikw jest

jednostkowa. Koszt i czasochþonnoĻę wytwa-

rzania þopatek stanowiĢ od 20 do 35% kosztu

i czasochþonnoĻci produkcji silnika.

Podczas eksploatacji þopatki poddawane sĢ:

rozciĢganiu i zginaniu pod wpþywem siþ od-

Ļrodkowych,

zginaniu i skrħcaniu pod wpþywem siþ ae-

rodynamicznych,

wpþywowi zmiennych naprħŇeı spowodo-

wanych drganiami,

wpþywowi podwyŇszonej lub wysokiej tem-

peratury (od 300 do 600 C w wypadku

þopatek sprħŇarek, od 800 do 1200 C w wy-

padku þopatek turbin),

zmħczeniu cieplnemu spowodowanemu

gwaþtownym zmianom temperatury w sta-

nach przejĻciowych silnika,

erozji pyþowej, wodnej (deszczowej) i ga-

zowej,

korozji elektrochemicznej i gazowej wyso-

kotemperaturowej,

zuŇyciu ciernokorozyjnemu (frettingowi)

w miejscach poþĢczeı (zamkw, pþek ban-

daŇowych i antywibracyjnych).

W jednakowych warunkach obciĢŇenia

trwaþoĻę i niezawodnoĻę þopatek sprħŇarki i þo-

patek turbiny zaleŇĢ od wielu czynnikw, miħ-

dzy innymi od:

¡ cech konstrukcyjnych þopatek zapewniajĢ-

cych wyrwnanie wystħpujĢcych naprħŇeı

i brak ich koncentracji,

¡ zastosowanych materiaþw i ich stanu po

uksztaþtowaniu pþfabrykatu,

¡ stanu uzyskanej warstwy wierzchniej (chro-

powatoĻci, znaku i wartoĻci naprħŇeı

szczĢtkowych, stopnia umocnienia itp.),

¡ rodzaju i wþaĻciwoĻci pokrycia.

Trzy ostatnie z wymienionych czynnikw

sĢ bezpoĻrednio zwiĢzane z procesem produk-

cyjnym. ýopatki moŇna sklasyfikowaę, przyj-

mujĢc za kryterium:

¨ przeznaczenie Î wirnikowe (robocze) þopat-

ki sprħŇarki, wirnikowe þopatki turbiny,

þopatki kierujĢce sprħŇarki, þopatki dyszo-

we turbiny,

¨ cechy konstrukcyjne Î peþne, wydrĢŇone,

wydrĢŇone z deflektorem, z kanaþami, spa-

jane z dwch poþwek, chþodzone trans-

piracyjnie, polikrystaliczne, monokrysta-

liczne,

¨ metody wykonania Î przerabiane plastycz-

nie (kute, walcowane, prasowane), odlewa-

ne, spawane, spiekane.

Elementami konstrukcyjnymi þopatek sĢ:

piro, zamek, pþka zamka oraz ewentualnie

PrzeglĢd Siþ Powietrznych

ý opatki to bardzo charakterystyczne czħ-

Rys. 1. Przykþady þopatek wirnikowych: a) wielokanaþowa chþodzona z zamkiem jodeþkowym, b) jednokana-

þowa chþodzona, c) z wydþuŇonym zamkiem i pþkĢ bandaŇa, d) z rurkĢ bandaŇa, e) z pþkĢ antywibracyjnĢ,

f) z zamkiem typu ájaskþczy ogonÑ, 1 Î piro, 2 Î pþka, 3 Î zamek, 4 Î pþka bandaŇa, 5 Î wystħp

labiryntu, 6 Î labirynt czoþowy, 7 Î wydþuŇenie zamka, 8 Î otwr doprowadzenia powietrza, 9 Î rurka bandaŇa,

10 Î pþka antywibracyjna

pþka bandaŇa i pþka antywibracyjna (rys. 1).

Wypukþa czħĻę pira nazywana jest grzbietem,

a wklħsþa korytem. KrawħdŅ pira od strony

wejĻcia gazw nazywana jest krawħdziĢ na-

tarcia, a przeciwlegþa krawħdziĢ spþywu.

ýopatki wirnikowe majĢ bardziej zþoŇony

ksztaþt i naraŇone sĢ na wiħksze obciĢŇenia

mechaniczne niŇ þopatki kierujĢce, dlatego

wymagajĢ stosowania szczeglnych techno-

logii produkcyjnych, zapewniajĢcych wyma-

ganĢ wytrzymaþoĻę i niezawodnoĻę. Pira wir-

nikowych þopatek sprħŇarek majĢ zmienne

przekroje i promienie krzywizn wzdþuŇ pira,

ich kĢt skrħcenia dochodzi do 40 , a gruboĻę

krawħdzi nie jest wiħksza niŇ 0,1 Î 0,25 mm.

W silnikach nowej generacji, w celu podwyŇ-

szenia sprawnoĻci sprħŇarek i wentylatorw

oraz wyeliminowania pþek antywibracyjnych

z zachowaniem niezbħdnej sztywnoĻci, stoso-

wane sĢ þopatki szerokociħciwowe, czħsto

o bardzo zþoŇonej geometrii przekroju (rys. 2).

Pira wirnikowych þopatek turbin majĢ zmien-

ne przekroje wzdþuŇ dþugoĻci pira i skrħce-

nia dochodzĢce do 60 . W porwnaniu z þo-

patkami sprħŇarek przekroje þopatek turbin

sĢ grubsze, co umoŇliwia zastosowanie we-

wnħtrznych kanaþw do chþodzenia þopatek.

Pira þopatek sĢ wykonywane z tolerancjĢ

rzħdu 0,1 mm, a ich chropowatoĻę wynosi

Ra = 0,08 - 0,63 mm. Zamki natomiast wyko-

nywane sĢ z tolerancjĢ rzħdu 0,01mm, a ich

chropowatoĻę moŇe wynosię Ra = 1,25 mm.

Wytwarzanie þopatek stanowi szczeglny

etap w produkcji lotniczych silnikw turbino-

wych. Wynika to z:

zþoŇonej i rŇnorodnej geometrii tych wy-

robw,

wymagaı dotyczĢcych dokþadnoĻci wyko-

nania i stanu warstwy wierzchniej,

stosowania drogich i trudno obrabialnych

materiaþw,

duŇej pracochþonnoĻci,

koniecznoĻci stosowania do obrbki i kon-

troli specjalistycznego oprzyrzĢdowania oraz

zatrudniania wykwalifikowanego personelu.

Rys. 2. ýopatka wentylatora silnika TREND 5000

Marzec 2006

Wybrane technologie produkcji

wirnikowych þopatek sprħŇarkowych

gotowanie gotowego produktu o wymaga-

nych wymiarach geometrycznych,

moŇliwoĻę wykonania pþfabrykatu z ma-

teriaþw stosowanych na þopatki,

uzyskanie produktu o optymalnej struktu-

rze i wþaĻciwoĻciach fizyczno-mechanicz-

nych,

uzyskanie pþfabrykatu bez potencjalnych

ognisk inicjacji zniszczenia (wad),

minimalne zuŇycie materiaþu,

jak najmniejsze czasochþonnoĻę i koszty,

uzyskanie prefabrykatu wymagajĢcego je-

dynie w minimalnym zakresie obrbki me-

chanicznej,

uzyskanie prefabrykatu wymagajĢcego je-

dynie w minimalnym zakresie obrbki rħcz-

nej.

Obecnie najczħĻciej stosuje siħ nastħpujĢ-

ce metody przygotowania pþfabrykatw þopa-

tek sprħŇarkowych:

¨ matrycowe prasowanie na gorĢco na pra-

sach Ļrubowych lub korbowych,

¨ izotermiczne prasowanie (matryce podgrza-

ne do temperatury surwki),

¨ dynamiczne wyciskanie,

¨ walcowanie na gorĢco lub izotermiczne.

SurwkĢ do wykonania pþfabrykatu jest

walec o okreĻlonych wymiarach i chropowa-

toĻci Rz

Wirnikowe þopatki sprħŇarkowe mogĢ rŇ-

nię siħ wymiarami, ksztaþtem oraz sposobem

poþĢczenia z tarczĢ (rys. 3). Przeciħtna wyso-

koĻę typowych þopatek sprħŇarkowych zawie-

ra siħ w granicach 60 - 150 mm, ale wysokoĻę

þopatek wentylatorowych moŇe wynosię do

1000 mm. JeĻli temperatura pracy þopatek

sprħŇarkowych nie przekracza 500 C, sĢ one

wytwarzane ze stopw tytanu, jeĻli zakres tem-

peratury pracy wynosi 500 Î 650 C, þopatki

wytwarza siħ ze specjalnych stali Ňarowytrzy-

maþych i Ňaroodpornych, jeĻli natomiast tem-

peratura pracy jest wyŇsza niŇ 650 C Î to ze

stopw Ňarowytrzymaþych i Ňaroodpornych na

osnowie niklu. Podejmowane sĢ prby Î trze-

ba zaznaczyę, Ňe obiecujĢce Î wytwarzania

þopatek wentylatorowych z kompozytw me-

talicznych aluminium-bor, a ostatnich stopni

sprħŇarek z intermetali tytan-aluminium.

W procesie wytwarzania þopatek sprħŇar-

kowych bardzo waŇne jest przygotowanie

pþfabrykatu, gdyŇ od niego w duŇym stop-

niu zaleŇy struktura materiaþu. Proces przy-

gotowania pþfabrykatu powinien zapewniaę:

uzyskanie pþfabrykatu z takimi naddatka-

mi technologicznymi, ktre zapewniĢ przy-

40 mm wykonany z walcowanego

Rys. 3. ýopatki sprħŇarkowe:

1 - 7 Î grupy wymiarowe

þopatek

PrzeglĢd Siþ Powietrznych

na gorĢco prħta. Na powierzchni surwki nie

moŇe byę pħkniħę, wþosowatoĻci, wgnieceı

czy innych wad. Surwka jest rwnieŇ kon-

trolowana ultradŅwiħkami w celu wykrycia

wad wewnħtrznych.

Kucie matrycowe obejmuje ksztaþtowanie

wstħpne, matrycowanie wstħpne i matrycowa-

nie ostateczne. Ksztaþtowanie wstħpne pþfa-

brykatw þopatek polega na spħczeniu mate-

riaþu pod zamek i ewentualnie pþki. Spħcza-

nie moŇna wykonywaę, stosujĢc metodħ spħ-

czania na kowarkach poziomych lub metodħ

walcowania na gorĢco. Znane sĢ i bardziej

wydajne metody: spħczanie elektrycznoopo-

rowe i walcowanie cykliczne.

W trakcie elektrospħczania dokonuje siħ

elektrooporowego nagrzewania tylko tej czħ-

Ļci surwki, ktra podlega deformacji (rys. 4),

materiaþ ulega deformacji w miarħ nagrzewa-

nia. Specjalne urzĢdzenia pracujĢ w cyklu

pþautomatycznym Î pþfabrykat jest moco-

wany i zdejmowany rħcznie, cykl roboczy zaĻ

jest sterowany automatycznie. Parametry elek-

trospħczania dobierane sĢ eksperymentalnie.

PrawidþowoĻę doboru parametrw ocenia siħ

na podstawie ksztaþtu i wymiarw oraz struk-

tury materiaþu spħczanej czħĻci. Spħczaę moŇ-

na koıce prħta, a takŇe jego ĻrodkowĢ czħĻę

(np. pod pþkħ antywibracyjnĢ). Ta metoda

spħczania ma wiele zalet, miħdzy innymi tħ,

Ňe nie trzeba ogrzewaę surwki w piecu. Po-

niewaŇ czas nagrzewania jest krtki (0,5 -

- 2 min), nie tworzy siħ zgorzelina ani nie

zmieniajĢ siħ wþaĻciwoĻci chemiczne warstwy

wierzchniej. Spħczanie zachodzi w jednej

operacji niezaleŇnie od wielkoĻci odksztaþce-

nia, gdyŇ nie ma ryzyka utraty statecznoĻci

(wyboczenia), bo materiaþ jest nagrzewany

i odksztaþca siħ stopniowo.

Pþfabrykaty þopatek moŇna wstħpnie przy-

gotowaę, stosujĢc rwnieŇ metodħ wzdþuŇ-

nego walcowania cyklicznego (rys. 5). Pod-

grzanĢ surwkħ, w postaci dþugiego prħta (do

1800 mm), zabezpiecza siħ pokryciem, ktre

speþnia funkcjħ smaru, izolacji termicznej i ba-

riery ochronnej przed korozjĢ, nasycaniem ga-

zami oraz wypalaniem dodatkw stopowych,

a nastħpnie przepuszcza przez odpowiednie wy-

profilowane walce. Podczas jednego obrotu

waþkw nastħpuje przewalcowanie i oddziele-

nie od surwki kilku pþfabrykatw. PierĻcie-

nie ograniczajĢce zapobiegajĢ powstawaniu

wypþywek. Jest to metoda wysoko wydajna,

opþacalna przy duŇej produkcji.

Wstħpnie uksztaþtowane pþfabrykaty þopa-

tek poddawane sĢ prasowaniu matrycowemu

Î zwykþemu lub izotermicznemu. Matrycowa-

nie izotermiczne jest o wiele korzystniejsze

w porwnaniu z matrycowaniem zwykþym.

Pozwala uzyskaę przy jednym lub niewielkiej

liczbie przejĻę bardzo dokþadne pþfabrykaty

þopatek rŇnego ksztaþtu i wymiarw, z pþ-

kami antywibracyjnymi wþĢcznie. Podczas

matrycowania izotermicznego pþfabrykatw

Rys.4. Schemat spħczania elektrooporowego: 1 Î

surwka, 2 Î zacisk promieniowy, 3 Î styk oporowy,

P Î siþa docisku, T Î siþa tarcia, Q Î siþa spħczania

Rys. 5. Schemat wzdþuŇnego walcowania cyklicz-

nego: 1, 2 Î rolki robocze, 3, 4 Î elementy ograni-

czajĢce, 5, 6 Î wejĻciowa i wyjĻciowa prowadnica,

7 Î pþfabrykat

Marzec 2006

ze stopw tytanu zarwno surwka, jak i ma-

tryce podgrzewane sĢ do temperatury

930°10 C. Na koniec pþfabrykaty sĢ trawio-

ne w celu usuniħcia warstwy wierzchniej

utwardzonej poprzez dyfuzjħ gazw.

CiekawĢ metodĢ wytwarzania dokþadnych

pþfabrykatw þopatek sprħŇarkowych o dþu-

goĻci do 150 mm ze stopw tytanu lub Ňaro-

wytrzymaþych stali jest dynamiczne wyciska-

nie (rys. 6). Podgrzana surwka wtþaczana jest

do gniazda matrycy z duŇĢ prħdkoĻciĢ Î od

35 do 40 m/s. Matryca skþada siħ z dwch czħ-

Ļci, ktrych powierzchnie zewnħtrzne po zþo-

Ňeniu majĢ ksztaþt stoŇka. Dzielona matryca jest

osadzana w sztywnym korpusie. W pþaszczyŅ-

nie podziaþu matrycy wykonane jest gniazdo,

ktrego ksztaþt odpowiada ksztaþtowi wytwa-

rzanego pþfabrykatu. Surwka, nagrzana do

odpowiedniej temperatury, jest odksztaþcana

w wyniku dynamicznego uderzania w niĢ bija-

ka. Uderzanie z duŇĢ prħdkoĻciĢ wywoþuje

w materiale naprħŇenia, ktre umoŇliwiajĢ od-

ksztaþcenie tego materiaþu rzħdu 90%. Warun-

ki przemieszczania materiaþu polepszajĢ siħ, co

umoŇliwia z kolei zapeþnienie trudno dostħp-

nych przestrzeni matrycy podgrzanej do tem-

peratury 300 - 350 C. Pozwala to na wykona-

nie dokþadnych, cienkoĻciennych pþfabryka-

tw z naddatkami na pirze rzħdu dziesiĢtych

czħĻci milimetra na stronħ. Do wyjħcia pþfa-

brykatu sþuŇy ciħgno, za pomocĢ ktrego ma-

tryca jest rozkþadana. Po wyjħciu uksztaþtowa-

nego pþfabrykatu, przesmarowaniu gniazda

i wciĢgniħciu matrycy w gniazdo korpusu cykl

ksztaþtowania moŇna powtrzyę.

W zaleŇnoĻci od metody wytwarzania pþ-

fabrykaty þopatek wykonywane sĢ jako pþ-

precyzyjne, z naddatkami pira od 1,5 do

2,5 mm na stronħ, lub precyzyjne, z naddat-

kami od 0,2 do 0,6 mm. W pierwszej kolejno-

Ļci obrabiane sĢ zamki þopatek. Obrbkħ wy-

konuje siħ metodami: frezowania, przeciĢga-

nia lub toczenia i szlifowania. Obrobiony za-

mek staje siħ bazĢ do obrbki pira. Obrbka

pir, w zaleŇnoĻci od dokþadnoĻci wykonania

pþfabrykatw þopatek, polega na frezowaniu,

szlifowaniu i ewentualnie polerowaniu (pþ-

fabrykaty pþprecyzyjne) lub szlifowaniu i po-

Rys. 6. Schemat wyciskania dynamicznego (a)

i uzyskany pþfabrykat (b): 1, 2 Î rozkþadane czħ-

Ļci matrycy, 3 Î gniazdo matrycy, 4 - korpus, 5 Î

surwka, 6 Î bijak, 7 Î docisk matrycy, 8 - ciħgno

lerowaniu (pþfabrykaty precyzyjne). Frezo-

wanie i szlifowanie pir jest sterowane nume-

rycznie. Do szlifowania wykorzystywane sĢ

szlifierki taĻmowe, gdyŇ szlifowanie na takich

szlifierkach powoduje powstawanie w war-

stwie wierzchniej pira korzystnych naprħŇeı

ĻciskajĢcych. Frezowanie czħsto zastħpuje siħ

ksztaþtowĢ obrbkĢ elektrochemicznĢ, a szli-

fowanie i polerowanie szlifowaniem elektro-

chemicznym. W produkcji þopatek sprħŇarko-

wych wykonywanych bez pþek stosuje siħ

czasami precyzyjne walcowanie na zimno.

KoıcowĢ operacjĢ obrbki pira czħsto jest

obrbka wibroĻcierna (odmiana obrbki luŅ-

nymi ksztaþtkami Ļciernymi). Aby zwiħkszyę

trwaþoĻę i niezawodnoĻę þopatek sprħŇarko-

wych, powierzchnie pir umacnia siħ zgnio-

tem, na powierzchnie pir nanosi siħ pokry-

cia ochronne, wprowadza jonowo dodatki sto-

powe, wykonuje srebrzenie roboczych po-

wierzchni zamkw oraz nanosi pokrycia od-

porne na Ļcieranie na stykajĢce siħ powierzch-

nie pþek antywibracyjnych.

Wybrane technologie produkcji

þopatek turbinowych

ýopatki wirnikowe turbin sĢ najbardziej

obciĢŇonymi czħĻciami lotniczych silnikw

turbinowych. NaraŇone sĢ na duŇe obciĢŇe-

nia mechaniczne w wysokiej temperaturze

PrzeglĢd Siþ Powietrznych

Przeglad WLOP - Nowe technologie produkcji Å‚opatek [Lotnictwo].pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: