5. Обеспечение высокой точности изготовления
ДЕТАЛЕЙ, СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ВСЕГО ИЗДЕЛИЯ.
Приведенные на рисунке.1.1 радиальные Р1,Р2,Р3,...Рn зазоры между лопатками компрессора и турбины с элементами корпуса; осевые зазоры О1,О2,О3,...Оn; зазоры В1,В2,...Вn, между валами, а также зазоры Л1,Л2,Л3,...Лn в лабиринтных уплотнениях определяют тягу, расход топлива, температурную напряженность элементов конструкции и КПД отдельных узлов и всего двигателя. Точность расположения деталей относительно друг друга является важной характеристикой показателей качества. Например, положение ионизационного датчика относительно среза сопла (размер А) непосредственно влияет на показания о стабильности работы ответственной сборочной единицы.
Таким образом, можно отметить, что точность выполнения геометрических параметров ГТД - залог надежной и качественной работы всего изделия. В тоже время, например точность радиального зазора Рn определяется точностью изготовления входящих деталей: лопаток турбины - р1, диска турбины - р2, подшипника - р3, р4 и статора турбины - р5, р6. В связи с этим показатели точности отдельных деталей ГТД являются весьма высокими. Точность рабочих шеек валов выполняется в пределах IT5. Точность формы шеек валов обеспечивается до 0,003 мм. Допустимое биение шеек валов относительно друг друга не более 0,01 - 0,02 мм. Точность замков лопаток компрессора и турбины выполняется в пределах IT5 и выше. Точность расположения элементов замка лопатки относительно друг друга не более 0,008 мм. Точность зазоров в лабиринтных уплотнениях компрессора и турбины 0,03 - 0,04 мм. Точность зазоров в бандажных венцах колес турбины 1 и 2 ступеней не более 0,05 мм. Допустимое смещение профиля пера лопатки компрессора, турбины, соплового и направляющего аппарата не более 0,08 - 0,15 мм. Точность динамической балансировки роторов компрессора и турбины в пределах 0,3-0,4 н/см2 и т.д.
Размерные расчеты, проводимые на стадии проектирования и при сборке изделий, базируются на первоначальном сделанном допущении об идеальности формы и взаимного расположения граничных поверхностей деталей. Реальные поверхности деталей по своей топографической форме и взаимному расположению вследствие технологических погрешностей могут существенным образом отличаться от идеализированных прототипов, положенных в основу применяющихся размерных расчетов. Как показывают исследования [5], именно контактные явления соответственные каждой паре соприкасающихся поверхностей, обуславливают стабильность выходных характеристик изделия. На рисунке 1 (элемент А) показано место соединения роторов компрессора и турбины ГТД контактные условия, сопряжения которого являются весьма важным и от качества исполнения стыковых поверхностей соединения непосредственно зависит надежность изделия.
В месте соединения лопаток турбины в верхнем бандажном венце также происходят контактные сопряжения элементов лопаток, которые работают при значительных динамических и температурных нагрузках в процессе эксплуатации. От качества подготовки этих элементов также зависит надежность всего изделия. В связи с этим в задачах, возникающих при размерном анализе изделий, зона стыка представляется в виде (составляющего) звена размерной цепи. Звено-стык представляется как замыкающее звено контактной цепи, в которой составляющими звеньями являются контактные деформации (сближения) стыковых поверхностей сопрягаемых деталей. Условия работы стыковых элементов ГТД могут иметь пластический, пластический с упрочнением, упругопластический и упругий характер. При этом требования по состоянию поверхностей стыковых соединений существенно возрастают, так шероховатость стыковых поверхностей лопаток определяется значениями Ra 0.2-0.32 мкм. и выше. Точность исполнения этих поверхностей выполняется в пределах IT5 - IT8 и часто требует введения специальных доводочных операций при сборке колес турбины и компрессоров.
При таких путях совершенствования ГТД значительно возросла сложность изготовления отдельных деталей и сборочных единиц. Например, применение в ГТД лопаток турбины из жаропрочных, трудно обрабатываемых сплавов с наличием сложной внутренней полости охлаждения и весьма высоких требований к точности профиля пера, к точности замка и бандажных полок резко усложнило производство.
Применение в ГТД промежуточных колец большого диаметра (1,5 - 2 м.) с малыми толщинами стенок (8 - 10 мм.) и наличием значительных боковых фланцев для крепления увеличивают длительность технологического процесса и материалоемкость. Использование традиционных способов получения заготовок колец и методов их обработки для трудно обрабатываемых материалов усложняют задачи производства.
Такое положение в развитии ГТД выдвинуло на первый план задачи по совершенствованию методов и средств производства деталей и сборочных единиц.
Жесткие требования к срокам освоения новых изделий в производстве (срок освоения двигателя должен быть не более 2-3 лет) при относительно небольших партиях выпускаемых изделий в год делают эти задачи весьма сложными.
Создание конкурентоспособных ГТД с хорошими экономическими показателями производства требует разработки быстропереналаживаемых и экономически выгодных технологических процессов изготовления современных изделий.
1.3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ГТД И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ.
Понятие технологичность конструкции изделия - понятие относительное. По мере совершенствования конструкции, совершенствования средств производства, изменения способов и условий эксплуатации изделия изменяются экономические показатели производства и эксплуатации.
Мера использования экономичных и производительных методов изготовления и оптимальных технологических процессов определяет технологичность конструкции. Конструкция изделия, в которой эти возможности полностью учтены, называется технологичной.
Технологичность конструкции изделия определяется совокупностью свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества.
Особое внимание на стадии технологической подготовки производства следует уделять производственной технологичности конструкции изделия, определяемой применительно к его изготовлению [7,8]. Конструкция изделия, разработанная для мелкосерийного производства, оказывается неприемлемой для серийного и массового производства и наоборот.
На базе многолетнего развития и совершенствования техники и технологии производства изделий в машиностроении и в частности в авиадвигателестроении сложились определенные правила по проектированию изделий и технологических процессов для изготовления изделий и его элементов. Эти правила постоянно изменяются и совершенствуются.
Для экономичного производства деталей ГТД необходимо выполнять следующие основные правила:
1) создавать детали с простой конфигурацией поверхностей, позволяющей обрабатывать их с максимальной производительностью;
2) обеспечивать наличие простых и качественных базовых поверхностей деталей для надежного закрепления и ориентирования заготовок в технологической системе;
3) использовать конструкцию деталей, обладающей высокой жесткостью для применения максимальных режимов при обработке поверхностей;
4) применять материалы деталей с хорошей обрабатываемостью на различных этапах технологического процесса;
5) обеспечивать оптимальную простановку геометрических и других параметров для поверхностей деталей и их расположения относительно друг друга позволяющую производить обработку поверхностей на настроенном оборудовании в автоматическом и полуавтоматическом режиме и т.д.
Эти условия показывают, что многие детали ГТД обладают невысокой, с точки зрения состояния машиностроительного производства, технологичностью. Так, например обрабатываемость жаропрочных сплавов при холодной обработке металлов резанием в 10 и более раз ниже, чем обрабатываемость машиностроительных сталей.
Конфигурация профиля пера лопаток роторной и статорной части ГТД имеют сложную пространственную форму у маложесткого элемента конструкции.
У большинства лопаток роторов компрессора и турбины отсутствуют надежные технологические базовые установочные поверхности и т.д.
Эти примеры показывают, что изготовление ГТД является весьма сложным производством. Поэтому кроме традиционных методов и средств обработки, применяемых в машиностроительном производстве в авиадвигателестроении, идет постоянный поиск и совершенствование методов и средств производства, отражающих особенности конструкции ГТД и требований к ним.
НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.
Развитие современных ГТД, вызвавшее применение облегченной, ажурной конструкции из трудно обрабатываемых материалов, повышенные требования к точности исполнения отдельных элементов деталей и сборочных единиц; повышенные требования к качеству поверхностей и соединений; повышенные требования к мобильности производства, определило основные направления совершенствования технологических процессов производства.