Техникоэкономическая целесообразность ремонта Авиационные двигатели АД относятся к машинам котор

Работа добавлена на сайт samzan.net:

ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

1. Технико-экономическая целесообразность ремонта

Авиационные двигатели (АД) относятся к машинам, которые быстро совершенствуются. У авиационных ГТД наблюдается тенденция к снижению удельных расходов, росту параметров цикла (степени повышения давления, температуры газа перед турбиной, степени двухконтурности), усложнению систем регулирования и автоматики.

В настоящее время летательный аппарат (ЛА), двигатель и их агрегаты в основном списываются по исчерпанию ресурса и достижению предельного технического состояния. Но уже имеют место ситуации, когда списание вызвано моральным старением. Для предотвращения списания ЛА авиационного двигателя и их агрегатов как морально устаревших необходимо, чтобы сроки их службы до исчерпания ресурса составляли 10-15 лет. В связи с этим возникает необходимость более интенсивного использования парка ЛА и АД, т.е. сведения к минимуму всех простоев. Наибольшие технические простои авиационной техники при их ремонте. Поэтому уменьшение календарного времени нахождения ЛА и АД в ремонте является важной экономической задачей. Например, применительно к двигателям гражданских среднемагистральных самолетов продолжительность ремонта должна быть 5-8 суток. Столь жесткие сроки ремонта требуют соответствующей организации всей системы планирования и организации ремонта.

Необходимо обеспечить также своевременность заказов и поступление необходимых для ремонта запасных частей, высокую слаженность работы цехов и служб ремонтного завода. Важность

перечисленных выше задач очевидна из того, что сверхнормативное нахождение двигателя в ремонте приводит к неизбежному увеличению парка двигателей, предназначенных для обслуживания конкретного типа летательных аппаратов.

Весьма показательно отношение общего числа двигателей, которые находятся в обороте, к числу мест для них в действующем парке ЛА. Например, для гражданской авиации нормально, когда указанное соотношение составляет 1,4 – 1,6, т.е. примерно 30-40% парка АД находятся в ожидании установки на ЛА, в ожидании ремонта или проходят ремонт.

Требование снижения себестоимости эксплуатации ЛА означает необходимость снижения стоимости ремонта – Ci, где i – номер ремонта. Очевидно, что увеличение межремонтного ресурса Тp(i+1) снижает стоимость летного часа эксплуатации. Таким образом, снижение стоимости летного часа зависит от отношения Ci/Тр(i+1). Иными словами, повышение надежности авиационной техники означает снижение себестоимости полетов ЛА.

Неисправность и отказ подразделяют на устранимые в условиях эксплуатации и неустранимые, вызывающие необходимость ремонта или списания. Устранимые неисправности и отказы вызывают потери, связанные с затратами на их устранение и дополнительными простоями летательного аппарата. Качество ремонта сказывается на интенсивности потока устранимых отказов и неисправностей. Чем ниже качество ремонта, тем выше интенсивность потока устранимых отказов. Это означает, что снижение затрат на ремонт и уменьшение календарной продолжительности ремонта должно сопровождаться повышением качества ремонта. Иначе, кажущееся снижение затрат на ремонт обернется повышенными потерями в процессе эксплуатации двигателя и простоями ЛА.

На лопатке газовой турбины в процессе эксплуатации появляются различные дефекты в виде повреждения поверхностного слоя пера, наклепов по стыковым поверхностям бандажей, износа бандажных полок. Лопатки турбины изготовляют из дорогостоящего материала, при этом выход годных при литье и изготовлении сложных лопаток невелик и составляет 15-20 %.

Процесс ремонта лопаток (напыление, упрочнение замковой части и т.д.) требует приобретения сложного оборудования, а также очень дорог. Однако по своей стоимости, затратах энергетических, материальных и трудовых ресурсов ремонт составляет примерно 20% от затрат на изготовление новой лопатки. Стоимость ремонта складывается из стоимости постоянных работ, которые не зависят от состояния машины, и стоимости переменных работ, которые связаны с ремонтом и заменой отдельных неисправных частей.

К числу постоянных работ относятся монтажные и демонтажные работы, проверка и регулировка. Переменные работы зависят от ресурсов отдельных частей двигателя, конкретных неисправностей. Очевидно, что по мере увеличения порядкового номера ремонта растет число деталей, ресурс которых оказывается исчерпанным, т.е. растет число агрегатов, подлежащих восстановлению или замене. Стоимость ремонта при этом, естественно, также увеличивается.

Стоимость производства нового двигателя также не остается постоянной. Совершенствование технологии, повышение производительности труда приводят к постоянному снижению себестоимости производства двигателя. Помимо этого себестоимость двигателя уменьшается в силу морального старения (рис.6.1). Точка А на рисунке соответствует ситуации, когда стоимость ремонта становится выше стоимости новой машины. Из графика следует, что не имеет смысла ремонтировать ЛА более трех раз.

2. СИСТЕМЫ РЕМОНТОВ

Периодические виды технического обслуживания (ТО) называют регламентными работами. Регламентные работы выполняются в рамках эксплуатационного предприятия. Они включают и текущий ремонт. Капитальные и средние ремонты являются разновидностью регламентных работ, но обладают по сравнению с ними большей трудоемкостью. Последовательность капитальных и средних ремонтов образуют систему ремонтов.

Планово-предупредительная система капитальных ремонтов. При этой системе для двигателя и его агрегатов назначаются ресурсы Тр1, Тр2, Тр3. Машины направляются в ремонт независимо от состояния, как только будет исчерпан очередной ресурс до(Трi). Ресурс Тр1 и последующие ресурсы устанавливаются по наиболее «слабым» местам, т.е. по тем частям двигателя или агрегата, на которых наиболее быстро возникает дефект. При этом речь идет о частях, устранение неисправностей в которых не может быть выполнено в условиях эксплуатационных предприятий из-за большого объема демонтажных и монтажных работ, регулировок, испытаний и отсутствия специального оборудования. Обычно двигатель имеет несколько «слабых» мест. Ими могут быть увеличение зазора по бандажным полкам лопаток, растрескивание корпуса жаровой трубы, повышенные вибрации из-за износа межвальных и межроторных подшипников и др. Ресурс до ремонта должен быть таков, чтобы развитие дефекта не привело к отказу. Поэтому среди всех «слабых» мест выделяется группа, развитие дефектов на которой идет наиболее быстро и создает наибольшую опасность возникновения отказа.

Планово-предупредительная система капитальных ремонтов обеспечивает высокую безопасность полетов. Это связано с тем, что независимо от своего состояния машина полностью разбирается и все ее части подвергаются контролю. Недостатком этой системы является ее большая трудоемкость и большие простои авиационной техники.

Система регламентированных ремонтов. При этой системе весь объем капитального ремонта (КР) разбивается на несколько этапов (обычно не больше четырех), каждый из которых представляет собой средний ремонт (СР). Работы, выполненные на всех этапах, образуют полный объем КР так, что после их выполнения оказывается, что все части машины были проверены с целью выявления и устранения неисправностей. Этапы ремонта располагаются по наработке через некоторые заранее определенные промежутки. На каждом этапе есть группа постоянных работ, которые выполняются независимо от состояния машины, и группа переменных работ, которые зависят от имеющихся неисправностей. Объем работ на каждом последующем этапе больше, чем на предыдущем. На данном этапе ремонта выполняется только тот объем демонтажных работ, который диктуется возможными на этом этапе дефектами.

Преимущество рассматриваемой системы состоит в том, что на каждом этапе объем демонтажных и монтажных работ целиком диктуется только теми неисправностями, появление которых возможно. В отличие от этого при планово-предупредительной системе капитальных ремонтов объем демонтажных и монтажных работ намного превышает минимально необходимый объем для устранения имеющихся неисправностей. Следует иметь в виду, что система регламентированных ремонтов требует для обеспечения безопасности полетов тщательного изучения закономерностей появления неисправностей.

Система ремонтов по фактическому техническому состоянию. Для перечисленных выше систем ремонтов характерно, что наработка до очередного ремонта задается заранее и не связана с состоянием конкретного двигателя. При этом оказывается, что для части двигателей, которые находились в более благоприятных условиях эксплуатации, ремонт мог бы быть выполнен намного позже, чем это диктует величина Трi. Экономически целесообразно ремонтировать машину в момент, когда ее техническое состояние требует ремонта.

Если ремонт выполняется при наработке, отвечающей некоторому предельному состоянию машины, при котором она требует устранения неисправностей, то говорят, что используется система ремонтов по фактическому техническому состоянию. Выполнение требований обеспечения высокой безопасности полетов при системе ремонтов по фактическому состоянию является сложной задачей.

Возможность использования этой системы ремонтов должна быть заложена в процессе конструирования и изготовления машины, т.е. должны быть обеспечены высокие живучесть, контролепригодность и взаимозаменяемость частей машины. Высокая живучесть означает, что дефекты и вызываемые ими неисправности весьма медленно развиваются и поэтому имеется достаточное время для их выявления, прежде чем наступит отказ.

Высокая контролепригодность машины означает, что все ее части могут быть без общего демонтажа машины подвергнуты диагностированию для выявления их технического состояния. Для этого машина должна иметь встроенные диагностические датчики, снабжена приборами для контроля отдельных ее частей и иметь достаточное количество окон и лючков для осмотра и контроля состояния роторов, статоров камер сгорания и других частей двигателя.

Легкосъемность частей должна позволять производить их замену без общей разборки двигателя.

В связи с тем, что при ремонте по техническому состоянию резко снижается объем демонтажных работ, необходимы методы выявления технического состояния тех частей, которые остаются недоступными для непосредственного обследования. В настоящее время находят распространение методы косвенного выявления технического состояния. Например, в авиационных двигателях используются счетчики режимов работы или счетчики наработки (см. также п. 2.7). На возникновение дефектов влияет не только напряженность режимов двигателя, но и частота, с которой происходит смена режимов, так как это приводит к периодическому изменению напряженного состояния, вызванного переменными механическими нагрузками и термическими напряжениями. Счетчик наработки позволяет зафиксировать по времени продолжительность каждого из режимов двигателя во время эксплуатации и рассчитать параметр повреждаемости, по численному значению которого можно судить о выработке ресурса двигателя. Для более нагруженных машин необходим больший объем работ по демонтажу и дефектации. Соответствие между объемом дефектации и нагруженностью машины должно быть установлено на основе опыта эксплуатации.

При эксплуатации двигателя по техническому состоянию внедряется использование прогнозирующего параметра, который представляет собой численную, доступную для измерения,

характеристику, связанную с техническим состоянием двигателя или его отдельного узла. Например, применительно к подшипнику это может быть спектр вибраций опоры, спектр шумов, генерируемый подшипником. Виброперегрузка, измеренная в центре масс двигателя, может служить прогнозирующим параметром для выявления дисбаланса ротора.

Поэтому при системе ремонтов по техническому состоянию особое внимание уделяется поиску прогнозирующих параметров, изучению динамики их изменения по мере наработки.

Для ряда систем двигателя, обладающих высокой надежностью, достаточно проверки работоспособности. Примером может служить гидросистема двигателя. Неисправности гидросистемы до наработки 10-12 тыс. ч появляются сравнительно редко. В этот период ремонт гидросистемы может осуществляться по техническому состоянию. При этом неисправные части системы выявляются в ходе испытания ее работоспособности. При достижении наработок, при которых возможны массовые неисправности (выход из строя прокладок, резиновых уплотнений), приходиться прибегать к демонтажу частей системы.

ПОДГОТОВКА ДВИГАТЕЛЯ К РЕМОНТУ

Подготовительная стадия является одной из основных в ремонтном производстве. Она включает в себя внешнюю промывку, разборку, дефектацию и комплектование. Трудоемкость процесса подготовки к ремонту составляет 20-25% от общей трудоемкости ремонта. Общая технологическая последовательность подготовки двигателя к ремонту включает следующие производственные процессы: приемку, транспортировку и наружную промывку, разборку и дефектацию, промывку и очистку деталей, передачу снятых узлов и деталей в ремонтные участки.

Распакованный на складе двигатель сначала разбирают на отдельные узлы, затем разбирают и узлы. При разборке крупногабаритных двигателей используют специальные стенды, позволяющие устанавливать двигатель как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.

Особую осторожность необходимо проявлять при выпрессовке деталей во время разборки узлов и деталей. Неправильная выпрессовка может привести к отбраковке целого узла. Для выпрессовки применяют разнообразные приспособления, зажимы и съемники.

К рабочим местам предъявляются определенные требования. Так, в помещении, в котором осуществляется разборка двигателя, должны быть соблюдены следующие условия: температура воздуха – 18-25 С; относительная влажность – 40-60%; скорость движения воздуха – до 0,2 м/с.

Промывка и очистка. Процесс очистки объектов ремонта заключается в удалении с их поверхности всех видов загрязнений с помощью твердой, жидкой или газообразной среды. В процессе эксплуатации на деталях появляются различного рода загрязнения: масляные, лаковые и смолистые отложения, нагароотложения, пыль. Необратимые изменения претерпевают лакокрасочные покрытия, герметики, клеевые материалы. Загрязнения удаляют промывкой, растворением с помощью химических реакций, механическим воздействием.

Нагароотложения в основном встречаются на стенках камер сгорания, форсунках, коллекторах, элементах форсажной камеры сгорания. Толщина слоя нагара может достигать нескольких миллиметров. По структуре нагар может быть плотным, рыхлым и пластичным. Химический состав нагаров и внешний вид зависят от сортов масел и топлив и условий образования. Нагар обладает высокой механической плотностью и хорошей адгезией. Наличие нагарообразования значительно ухудшает надежность работы двигателя, так как нарушается нормальный процесс сгорания топлива.

Лаковые отложения образуются под воздействием кислорода воздуха, высоких температур и катализирующих свойств металла. В лаковой пленке присутствуют также масла, смолы, асфальтены и другие вещества. Внешне лаковые отложения представляют собой тонкую и прочную пленку с гладкой поверхностью. Пленка образуется на деталях, где отсутствуют условия для сгорания масла, но имеется достаточно высокая температура, активизирующая процесс окисления, например, на маслотрубопроводах, внутренних поверхностях коллекторов.

Смолистые отложения - легкоплавкие вещества от темно-коричневого до черного цвета. Смолы образуются при хранении топлива в результате окисления и полимеризации ненасыщенных углеводородов. Осадки на внутренних коммуникациях двигателя, на фильтрах, в маслорадиаторах представляют собой липкую массу. В состав осадков входят: масло, вода, топливо, оксикислоты, асфальтены, зола, сажа, пыль. Осадки забивают маслопроводящие каналы и снижают фильтрующую способность систем очистки масла.

Жидкое загрязнение полностью удаляется очищающими реагентами, которые обладают способностью проникать сквозь тонкую пленку загрязнения непосредственно к поверхности металла. К таким реагентам можно отнести поверхностно-активные вещества (ПАВ), например сульфанол, сульфанат. Чаще всего ПАВ используют в комплексе с щелочными солями – каустической содой, метасиликатом натрия и др. Применяют также высокоэффективные моющие жидкости СМЖ-441-201 и СМС-441-420, используемые для удаления остаточных загрязнений струйным способом.

Методы и средства промывки и очистки. Механические методы основаны на ударном воздействии специальных инструментов или твердых частиц на очищаемую поверхность. В простейших способах механической очистки используются абразивное полотно (шкурка), металлические вращающиеся щетки, абразив, нанесенный на вращающуюся платформу.

Широкое применение нашли гидравлические и пневматические методы очистки. В этих случаях для очистки используется кинетическая энергия твердых частиц, летящих в струе жидкости или воздуха.

При пневматической очистке в качестве твердых частиц применяется свободный абразив: песок, крошка из фруктовых косточек (слив, абрикосов). Пневмоабразивный метод относится к наиболее старым. Пневмоабразивный и гидравлический методы используются и в настоящее время, так как они универсальны по отношению к форме очищаемой детали и природе загрязнения. Пневмоабразивными методами удаляют нагары, лаки, коррозию на деталях самой различной конфигурации.

Однако эти методы имеют и недостатки. Во-первых, их применение связано с необходимостью индивидуальной защиты каждого рабочего от воздействия абразивной или косточковой пыли, частиц, загрязнений. Аппараты пневмоабразивной очистки обладают высоким уровнем шума. Качество очистки нестабильно, оно зависит от степени загрязнений и измельчения частиц. Возможно засорение внутренних каналов и полостей очищаемой детали, что требует дополнительных работ после очистки.

При гидроабразивном методе очистки на поверхность очищаемой детали подается жидкость (обычно вода с антикоррозийными присадками), содержащая порошок кремния, окиси алюминия или другого материала. Вредность метода ниже, чем у пневмоабразивного. Обнаружено также упрочняющее действие гидроабразива на поверхностный слой детали за счет микронаклепа.

При электролитическом методе очищаемую деталь погружают в токопроводящий раствор, который выполняет роль катода или анода. При пропускании через водный раствор постоянного тока происходит электролиз воды с выделением водорода на катоде и кислорода на аноде. На очищаемой поверхности возникает сложный комплекс явлений, вызванный возбуждением жидкости выделяющимся газом. При очистке деталей ГТД часто используется этот метод.

Очистка методом погружения наиболее проста и экономична. При этом деталь погружают в ванну с моющей жидкостью. Ванна оборудована устройствами для подогрева, перемешивания и удаления загрязнений из жидкости. В качестве моющей жидкости используются щелочные растворы и растворители. Очистку методом погружения проводят обычно на автоматизированных линиях. Время очистки составляет примерно 20 мин. Щелочные растворы нагревают до 80-90°С.

Струйный метод осуществляется путем подачи раствора под высоким давлением на очищаемую поверхность с последующим отводом жидкости и ее регенерацией. Струя, ударяясь о поверхность, резко меняет направление и создает на поверхности зону повышенного давления. Струйный метод позволяет использовать менее концентрированные моющие растворы и значительно сократить время очистки. Моющая жидкость должна обладать малым пенообразованием. Значительное влияние на качество очистки струйным методом оказывает расход, скорость и форма струи. Обычно используют плоские струи и струи в форме полого конуса. Последние обеспечивают больший охват моющей поверхности. При очистке выполняются следующие технологические операции: предварительное обезжиривание, эмульсионное растворение и разрыхление углеродистых отложений, чистовая очистка детали и дезодорация – удаление стойкого запаха эмульсионного растворителя. Завершающим этапом является ингибирование, т.е. обработка деталей раствором антикоррозионных веществ и просушка.

Ультразвуковой метод очистки является универсальным в жидких моющих средствах как металлических, так и неметаллических материалов. Принципиальная схема установки для ультразвуковой очистки приведена на рис.6.2. Установка состоит из ванны для размещения очищаемых деталей, магнитострикторов, которые встроены в дно ванны и ультразвукового генератора. Ультразвуковой генератор питается напряжением 380 В переменного тока. От него к обмотке магнитостриктора подается два напряжения: постоянное и переменное. Постоянное используется для подмагничивания магнитостриктора, переменное – для возбуждения магнитных потоков. Созданные в магнитострикторе постоянные и переменные магнитные потоки изменяют линейные размеры пакета (явление магнитострикции). Таким образом, электрическая энергия ультразвуковой частоты преобразуется в механические колебания той же частоты. Механические колебания через диафрагму передаются жидкой среде, в которой возникает кавитация.

В качестве примера приведем некоторые технические данные ультразвуковой установки УЗВ-17М: вместимость ванны – 128 дм3; потребляемая мощность – 7,5 кВт; частота колебаний – 22 кГц; количество магнитострикторов – 3; общая масса – 250 кг.

Явление кавитации, лежащее в основе ультразвуковой очистки, сопровождается комплексом физических, химических и гидродинамических процессов. Сущность ультразвуковой очистки заключается в следующем. Образовавшиеся в моющей жидкости гидродинамические волны ультразвуковой частоты распространяются в ванне с погруженными в нее деталями. Если давление в некоторых зонах снижается до давления насыщенных паров, жидкость начинает кипеть, т.е. начинается кавитация. Возникающие при этом пузырьки воздуха проходят две стадии – расширения и смыкания (схлопывания). Весь процесс длится нсколько миллисекунд. При схлопывании возникают ударные волны, приводящие к высоким перепадам давлений (до 40 МПа) в жидкости, окружающей пузырек воздуха. Эти волны при встрече с поверхностью детали вызывают разрушение загрязнения. Большое влияние на кавитационные процессы оказывают свойства моющей жидкости: поверхностное натяжение, вязкость, упругость насыщенных паров. Оптимальным является использование растворов с высоким поверхностным натяжением, повышенной вязкостью и низкой упругостью пара.

Участки промывки и очистки относятся к зонам повышенной огнеопасности. Учитывая, что при очистке применяются щелочные растворы, растворители и другие вредные и огнеопасные вещества, к охране труда предъявляются повышенные требования. Работники должны иметь средства индивидуальной защиты (перчатки, очки, респираторы). Места проведения работ оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией. Пол и стены должны быть выполнены из материалов, легко поддающихся очистке (керамическая плитка, шлифованный бетон).

После промывки детали подвергаются дефектации и поступают на комплектование. Целью первого комплектования является группирование деталей и агрегатов по узлам для передачи в соответствующий ремонтный цех или участок. При дефектации производится отбраковка деталей, содержащих недопустимые дефекты, которые заменяют новыми или отремонтированными. Укомплектованные по группам детали передают в ремонтные цеха вместе с формулярами и картами промеров.

ПРИЧИНЫ НЕИСПРАВНОСТЕЙ, ОТКАЗОВ

И ДЕФЕКТОВ

Для выявления неисправностей и дефектов, а также для разработки технологии их устранения важно установить физические процессы, приводящие к их появлению.

Среди отказов, которые могут возникнуть в эксплуатации, наиболее серьезные связаны с разрушениями отдельных частей (силовые элементы корпуса двигателя, диски, лопатки). Различают разрушения хрупкие (мгновенные разрушения), усталостные и под воздействием длительной статической нагрузки.

Несмотря на совершенствование методов расчетов на прочность наблюдается большое расхождение между расчетными и реальными характеристиками. Кроме того, отмечается значительное рассеивание характеристик, например выносливости диска, даже для одного и того же типа двигателя. Факторы, приводящие к снижению прочности и долговечности, могут быть связаны с нестабильностью свойств материалов, производства и условиями нагружения.

В двигателестроении широко применяют высокопрочные, жаропрочные стали и сплавы, которые обладают высокими пределами прочности, выносливости, сопротивлением термической усталости, коррозионной стойкостью. Однако типичным и общим дефектом материалов такого рода является их микроструктурная неравномерность, вследствие чего возникают локальные зоны с пониженными механическими свойствами.

Как показывает опыт, прочность конструкций оказывается значительно меньшей, чем прочность материалов, из которых конструкция изготовлена. Причины этого заключаются во влиянии масштабного фактора, наличии в деталях остаточных напряжений, анизотропии свойств, различном состоянии поверхности, изменении свойств материалов в процессе эксплуатации. Учесть все эти факторы на стадии проектирования и изготовления практически невозможно. Нагрузки, которые испытывают отдельные детали и узлы двигателя, можно разделить на две группы: постоянно действующие (детерминированные) и случайные (стохастические). К первой группе относятся нагрузки от аэродинамических сил на лопатки при установившихся режимах работы двигателя, от центробежных сил вращающихся деталей. Величины этих нагрузок известны. Вторая группа нагрузок носит случайный характер. К ним относятся нагрузки на элементы компрессора, вызванные косым обдувом воздухозаборника или стрельбой реактивными снарядами. К этой группе можно отнести нагрузки, связанные с динамической неуравновешенностью ротора и колебаниями температуры рабочего тела при смене режимов работы двигателя.

Именно эта группа нагрузок вносит неопределенность в структуру действующих нагрузок. Действующие эффективные силы являются результатом сложения детерминированной и случайной (вибрационной) нагрузок.

Входной спектр колебаний может вызвать в каком-либо элементе двигателя нагрузки с пиком при определенной частоте, что будет приводить к соответствующим большим напряжениям.

Вопросы вибрационной прочности являются весьма важными в обеспечении надежной работы лопаточных машин. Наибольшую опасность представляют резонансные колебания лопаток. Многие детали ГТД подвергаются действию высоких температур и агрессивных сред, циклических нагрузок. При высокой температуре активизируются диффузионные процессы в поверхностном слое деталей, в результате чего происходит их обеднение легирующими элементами и окисление. Ухудшаются механические свойства. При длительном нагружении возникает ползучесть, которая становится одним из критериев, определяющих работоспособность лопаток и дисков турбин. Тепловые воздействия снижают работоспособность трущихся пар.

Таким образом, одной из причин отказов является необратимое изменение характеристик материала во времени, вызванное происходящими в изделиях физико-химическими процессами.

По величине дефекты твердого тела подразделяют на следующие группы:

дефекты атомного строения. Это особые зоны искажений атомной решетки, содержащиеся в реальных кристаллах в огромных количествах. В связи с этим особенно важно оценить тонкую структуру поверхностного слоя, наиболее сильно подвергающегося внешним воздействиям;
нарушение сплошности материалов микроскопического порядка. К этой группе дефектов относят микроскопические трещины, по размерам не превышающие предела разрешения оптического микроскопа (< 0,2 мкм). Они могут образовываться по границам кристаллов в процессе его роста, а также в результате напряжений, особенно знакопеременных. Субмикротрещины всегда имеются в реальном металле в том или ином количестве. Такие трещины образуются на поверхности и в глубине деталей, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации под действием внешнего нагружения. Даже при незначительной глубине (несколько микрометров) эти трещины резко снижают прочностные характеристики детали;
макроскопические дефекты. Это различного рода нарушения сплошности или однородности материала, часто видимые невооруженным глазом. Эти дефекты особенно резко снижают прочность деталей и, как правило, приводят к разрушению при эксплуатации.

Бездефектных деталей не существует. Любая деталь, изготовленная самым тщательным образом, имеет дефекты атомного или субмикроскопического порядка, которые под действием внешнего нагружения могут развиваться в микро- и макроскопические дефекты.

Поэтому улучшение характеристик деталей это, прежде всего, полное исключение наиболее опасных дефектов и сведение до некоторого разумного минимума содержания дефектов менее опасных.

Механизмы разрушения. При дефектации деталей в авиаремонтном производстве учитывают всю их технологическую предысторию, так как дефекты могут зарождаться на различных стадиях изготовления и работы: в процессе плавки и литья, обработки давлением и резанием, упрочняющих обработок и монтаже.

Конструктивные особенности определяются избранными принципами

сочетания противоречивых требований минимальной массы конструкции с наибольшей прочностью и надежностью работы.

Конструкция деталей, работающих при вибрационных нагрузках, должна удовлетворять требованиям максимальной разницы между собственной частотой колебаний и частотой вынужденных колебаний для исключения возникновения резонанса. Однако каждая деталь имеет несколько собственных частот и форм колебаний. Дефекты развиваются прежде всего в зонах, где напряжения от изгиба максимальны, т.е. в зонах «пучности», в которых кривизна детали максимальна.

Неисправности часто являются следствием повышенной чувствительности высокопрочных сталей к надрезам и трещинам.

Для правильного выбора методов контроля и ремонта важно знать основные механизмы разрушения. Их можно разделить на две группы: объемные и поверхностные. В свою очередь конструкционные материалы можно разделить на три группы: хрупкие, пластичные, полухрупкие.

Хрупкими считаются материалы, которые при нагружении дефомируются в основном упруго вплоть до разрушения. Деформация может составлять около 1%. Хрупкое разрушение характерно для большого количества высокопрочных сплавов, например, закаленных сталей типа 30ХГСА. Характерной особенностью хрупкого разрушения является быстрое развитие трещины в материале. Вероятность хрупкого разрушения углеродистых сталей увеличивается при понижении температуры, поэтому такое разрушение называют низкотемпературным хрупким разрушением. Плоскость излома обычно нормальна к поверхности детали. Пластическая деформация незначительна. Большая часть зерен разрушена сколом.

Хрупкое разрушение обычно начинается у конструктивных концентраторов напряжения. Вероятность хрупкого разрушения мало изменяется со временем наработки детали. Холодная обработка и остаточные деформации повышают чувствительность к разрушению. Никель и марганец уменьшают, а углерод увеличивает вероятность хрупкого разрушения.

Разрушению пластичных тел предшествует значительная пластическая деформация. Трещина развивается медленно, а при уменьшении нагрузки ее рост прекращается. Отсюда название – вязкое разрушение.

Внешние признаки вязкого разрушения характеризуются следами пластической деформации. Поверхности разрыва обычно невозможно плотно пригнать друг к другу. Трещины вязкого разрушения зарождаются в процессе пластической деформации, вследствие различия в упругих и пластических свойствах металла и включений при напряжениях выше предела текучести.

Наиболее важной особенностью усталостного разрушения является зарождение трещины при напряжениях, значительно ниже разрушающих и ниже предела текучести. Такие трещины обычно зарождаются в самом начале работы детали при числе циклов нагружения, составляющих 1 – 10% долговечности. Развитие трещины составляет 90 - 97% всей долговечности детали.

Различают малоцикловую усталость, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании. При усталостном нагружении значительно повышается чувствительность материала к состоянию поверхности, наличию структурных неоднородностей, коррозионному воздействию.

Многие детали горячей части двигателя разрушаются в результате термической усталости, которая приводит к растрескиванию и короблению лопаток сопловых аппаратов, разрушению рабочих лопаток, растрескиванию и разрушению элементов дисков турбины. Термическая усталость возникает в результате циклических нагревов и охлаждений, которые сопровождаются термическими деформациями и термическими напряжениями из-за неравномерности нагрева. Интенсивность воздействия таких дефектов непосредственно зависит от рабочей температуры.

Термин «поверхностное разрушение» употребляется для того, чтобы подчеркнуть, что в основе этих видов разрушений лежат механизмы контактных взаимодействий поверхностей. Долговечность работы машин в основном определяется трением, смазкой и износом деталей. Многие ответственные дорогостоящие детали часто отбраковываются только из-за недостаточной поверхностной прочности.

Изнашивание – это процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы, состояния поверхности. Различают допустимый и предельный износ. Численной оценкой износа является скорость изнашивания (отношение износа к интервалу времени, за который он возник) и интенсивность изнашивания (отношение износа к объему изношенной поверхности).

Многообразие явлений и процессов при трении и изнашивании связано в основном с особенностями строения поверхностных слоев материалов и особенностями их контактного напряжения.

Условия нагружения узлов трения характеризуется высоким уровнем случайных вибраций, что вызывает возникновение контактных напряжений. Допустимым и очень распространенным при работе деталей является окислительное изнашивание, представляющее собой непрерывный процесс образования и разрушения на поверхности трения тончайших пленок окислов. Окислительное изнашивание возникает при трении скольжения и трении качения в условиях сухого контакта при ограниченной смазке. При незначительном темпе износа процессы изнашивания приводят к образованию оптимальной по качеству поверхности.

Изнашивание при заедании возникает в результате схватывания, глубинного вырывания материала и переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникающих неровностей на сопрягаемые поверхности.

Усталостное изнашивание (осповидный износ или питтинг) характерено для подшипников качения, зубчатых колес. Усталостный износ является следствием интенсивного разрушения поверхности детали машин и обусловлен внутренними напряжениями, пластической деформацией, явлением усталости металла. Следствием этого является образование на поверхности трения микротрещин, единых и групповых впадин. Основными причинами усталостного изнашивания являются напряжения сжатия и сдвига, возникающие под действием передаваемого усилия при одновременном качении и скольжении и достигающие 100 - 150 МПа, а также вследствие пластического деформирования поверхностного слоя металла. В этом случае напряжения достигают 200 МПа.

Абразивное изнашивание вызвано попаданием абразивной среды в зону трения и заключается в разрушении поверхности деталей машин в результате местной пластической деформации, микроцарапин, микрорезания.

Наиболее сложным является процесс фреттинг-коррозии, который характерен для деталей, работающих в условиях микроперемещений, вибраций. При этом на контактирующих поверхностях образуются следы усталостного, абразивного и окислительного износов. Основной причиной разрушения поверхностных слоев металла являются усталостные и коррозионные процессы.

При фреттинг-коррозии также создаются условия для электрохимических процессов. Фреттинг-коррозия снижает циклическую долговечность металла ориентировочно в 1,5 - 2,5 раза. Особое внимание при дефектации детали необходимо уделять ведущему виду разрушения поверхности, влияющему на долговечность. Определение ведущего процесса изнашивания при дефектации позволяет правильно выбрать технологический процесс восстановления поверхности.

Для предотвращения фреттинг-коррозии стремятся не допустить относительное перемещение контактирующих поверхностей. Азотирование и боромеднение могут повысить стойкость к фреттинг-коррозии в пять-шесть раз.

Частным случаем химической коррозии является газовая коррозия, которой подвержены детали горячей части газотурбинного двигателя. Интенсивность газовой коррозии зависит от состава газовой среды, температуры материала детали, так как газовая коррозия обладает избирательной интенсивностью по отношению к различным материалам. В связи с циклическим характером изменения температуры в горячем тракте ГТД корродирующие детали постоянно подвержены температурным деформациям. Так как коэффициент линейного расширения металлов значительно выше, чем окислов, последние разрушаются, обнажая новые поверхности, которые вновь подвергаются коррозии. Как правило, детали, подвергающиеся газовой коррозии, испытывают значительные рабочие напряжения, что активизирует процесс коррозии.

Коррозия под напряжением может носить сплошной или местный характер и называется растрескиванием (при статических напряжениях) или коррозионной усталостью (при циклическом характере напряжения). Сопротивление металлов газовой коррозии в значительной степени определяет их жаростойкость.

Коррозия деталей ГТД может происходить также в среде топлив и смазочных материалов. Коррозионная активность нефтепродуктов обусловлена несколькими причинами. Прежде всего механизм коррозии связан с взаимодействием серы и ее соединений (сероводороды, сульфиды, меркаптаны) с поверхностью металла, что приводит к образованию и последующему разрушению пористых, непрочных слоев сульфидов.

В процессе окисления масел образуются низкомолекулярные кислоты (масляная, пропиновая, уксусная, муравьиная), которые весьма агрессивны к цветным металлам и сплавам. Коррозионная активность масел значительно повышается при попадании в них воды. В этом случае наряду с химическим имеет место электрохимический механизм коррозийного поражения.

Авиационные топлива, масла и жидкости, как правило, имеют присадки химически активных веществ, улучшающие их рабочие свойства. В то же время сера, содержащие серу вещества, хлор и его соединения интенсифицируют коррозионное поражение деталей, особенно из цветных сплавов. Кроме перечисленных повреждающих процессов, разрушение деталей двигателя вызывается эррозией и кавитацией. Эррозия вызывается динамическим воздействием высокоскоростного потока жидкости или газа на поверхность. Эррозии, например, подвергаются лопатки статора и ротора компрессора и турбины, поверхности проточной части двигателя, слои уплотнительных материалов проточной части. Кавитация приводит к разрушению поверхностей гидравлических систем.

Одним из универсальных способов повышения прочности является поверхностное упрочнение деталей путем наклепа. Степень упрочнения должна повышаться с ростом концентрации напряжений.

РЕМОНТ КОМПРЕССОРА

Основные процессы изнашивания деталей компрессора состоят в износе при трении, повреждении проточной части посторонними предметами, накоплении усталости, эрозии и коррозии. Износ при трении проявляется в виде изменений: размеров и формы посадочных поверхностей (цапфы, корпуса подшипников, втулок направляющих лопаток, хвостовиков лопаток, торцевых поверхностей антивибрационных полок), рисок, надиров, схватывания (пазов замков дисков, замковых частей лопаток, поверхности разъемов).

Под влиянием аэродинамических, вибрационных, изгибных сил и колебаний в материале накапливается усталость. Трещины могут возникать на обечайках корпусов, рабочих и направляющих лопатках, по сварным швам. Нестабильность течения и пульсация потока в диффузорных каналах за компрессором могут вызвать усталостные разрушения тонких стенок деталей воздушного тракта. Вибрационные напряжения в сочетании с аэродинамическими нагрузками бывают причиной усталостных разрушений лопаток.

Эрозионный износ лопаток приводит к нежелательному изменению основных параметров двигателя: тяги, удельного расхода топлива, температуры газов перед турбиной. Наибольшему повреждению подвергаются входные и выходные кромки лопаток, а также периферийные части лопаток ротора и статора. При значительном износе уменьшаются хорды лопаток, что снижает запас газодинамической устойчивости компрессора.

Повреждение ГВТ посторонними предметами (песок, мелкие камни, лед, град) наиболее характерны для летательных аппаратов с низко расположенными двигателями. Особенно сильно повреждаются передние кромки лопаток в основном первых ступеней. Забоины на поверхности лопаток особенно между узлами колебаний, где изгибные напряжения выше, являются обычно местами возникновения усталостных трещин.

Коррозии подвержены поверхности проточной части компрессора (поверхности лопаток, кольца входного и направляющего аппаратов и др.). Коррозионное повреждение лопаток снижает предел выносливости их материала на 10 - 30%.

Деформации и коробление корпусов вызываются перепадами температур и разной жесткостью корпуса по длине и радиусу.

Технические требования на ремонт компрессора включают следующие параметры:

радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и корпусом;
зазоры в лабиринтных уплотнениях;
размеры, биения и эллипсность центрирующих и посадочных поверхностей корпусов, цапф, поверхностей с уплотнительным слоем;
размеры биения по гребешкам лабиринтов;
люфты лопаток, шероховатость, размеры лопаток по профильной и замковой частям;
вибрационные характеристики рабочих лопаток;
неплоскостность торцевых поверхностей корпусов, колец направляющих аппаратов;
дисбаланс ротора и его частей.

При ремонте устраняются поверхностные дефекты, восстанавливаются размеры, форма, взаимное расположение поверхностей деталей. Зачищаются налет коррозии, риски, задиры, забоины, наклепы. Зачищенные места полируются и подвергаются антикоррозийной обработке.

Форма тонкостенных деталей восстанавливается рихтовкой (правкой). Форма и размеры центрирующих и посадочных поверхностей дисков, валов, допустимые биения торцевых и опорных поверхностей достигаются механической обработкой и нанесением покрытий.

6.5.1. Восстановление контактных поверхностей

лопаток компрессора

Опыт эксплуатации газотурбинных двигателей вскоре после начала использования на лопатках компрессора бандажных полок показал, что они в наибольшей степени подвержены износу. Большая часть лопаток могла бы продолжать успешно эксплуатироваться на двигателе, при условии восстановления поврежденных контактных поверхностей бандажных полок. Анализ состояния контактных поверхностей после определенной наработки в составе двигателя показывает, что износ может достигать 1 мм и более. По мере увеличения износа уменьшается натяг между лопатками и бандажные полки получают возможность более свободно перемещаться друг относительно друга как вдоль, так и поперек контактной поверхности. В результате может произойти нахлест бандажных полок двух радом расположенных лопаток. Таким образом, возникла задача по ремонту компрессорных лопаток газотурбинных двигателей, которая была успешно решена специалистами ММПП «Салют» в сотрудничестве с рядом ведущих институтов отрасли [31].

Лопатки первых ступеней КНД изготавливаются из высокопрочных титановых сплавов, которые имеют низкие характеристики износостойкости и по своим металлургическим свойствам почти не совместимы со всеми известными износостойкими сплавами и композитами. В связи с этим процесс наплавки для восстановления контактных поверхностей бандажных полок лопаток оказался неприемлем.

Использование методов напыления для этой цели также проблематично в связи с низкой адгезией напыляемых материалов к титановым сплавам и с возможностью подплавления верхнего слоя материала лопаток и последующим образованием хрупких интерметаллидных прослоек.

Применительно к восстановлению контактных поверхностей бандажных полок эти проблемы были решены применением разработанного нового композиционного материала ВТН-1, состоящего из твердых частиц карбида вольфрама («Релита») и припоя на титановой основе ВПр16 в качестве связки. Полученный материал сочетает высокую твердость армирующих частиц карбида вольфрама с прочным их соединением как между собой, так и с подложкой – титановой деталью. Надежное соединение с подложкой обеспечивается прочной металлической связью материала связки с титановой деталью.

Для напайки износостойкого композиционного материала ВТН-1 была спроектирована специальная установка (рис.6.3, см. цветную вклейку), состоящая из вакуумной камеры, высокочастотного генератора, вакуумной системы и приборов, контролирующих технологический процесс. Перед напайкой на поверхность обезжиренной бандажной полки наносят пасту, состоящую из смеси порошков «Релита» (WC) и припоя ВПр16 в соотношении 1:1. Смесь замешивается на 5-6%-ном растворе акриловой смолы БМК-5 и растворителя Р-5 или Р-648. Причем поверхность полки не требует специальных методов механической обработки, таких как шлифовка или обдувка электрокорундом, которые применяются при плазменном и детонационном методах напыления. Лопатка может быть допущена в

работу сразу после удаления поврежденного или изношенного слоя полки путем фрезерования.

Перед пайкой в камере создается разрежение порядка 6-8 Па, после чего камера заполняется аргоном. Нагрев места пайки осуществляется токами высокой частоты с помощью индуктора, расположенного внутри камеры сгорания. Местный нагрев был выбран с целью снижения степени термического воздействия на лопатки. Контроль температуры места пайки осуществляется пирометром. Применение в качестве защиты зоны пайки инертного газа – аргона позволяет исключить последующее удаление остатков флюса и вести непосредственное визуальное наблюдение за процессом пайки.

Анализ условий работы восстанавливаемых поверхностей (высокие ударно-вибрационные нагрузки) и механических свойств напаиваемого материала – карбида вольфрама (значительная прочность и твердость в сочетании с высокой хрупкостью) заставили отдать предпочтение применению релита не в виде цельных пластин, а в виде порошка с зернистостью 160-280 мкм.

Условия получения напаянного на лопатку слоя, с одной стороны, максимально насыщенного частицами «Релита», а с другой – максимально плотного, беспористого, определили наиболее оптимальное соотношение компонентов в смеси порошков припоя и наполнителя: 50-70% по массе. Это соотношение обеспечивает наивысшее значение износостойкости.

Для удобства нанесения на восстанавливаемые поверхности смесь порошков приготовляется в виде пасты.

Важной особенностью формирования покрытия является распределение армирующих частиц WC по высоте. Частицы релита имеют плотность в 2,5 раза больше, чем плотность припоя, и в процессе напайки происходит их оседание и как следствие обогащение нижних слоев покрытия релитом и обеднение верхних. Верхний обедненный слой наиболее отчетливо проявляется при увеличении припоя в составе пасты и при увеличении толщины напаянного слоя. Поэтому в технологическом процессе предусмотрено, что толщина нанесенного слоя пасты не должна превышать 2 мм. Практически на расстоянии 0,2-0,5 мм от упрочняющей поверхности в напаянном слое распределение армирующих частиц носит почти равномерный характер.

В результате анализа сечений напаянных покрытий получена ориентировочная зависимость распределения армирующих частиц в напаянном покрытии от толщины напаянного слоя. Пользуясь данной зависимостью, можно выбрать определенную толщину напайки, после механической обработки которой на оставшейся поверхности релит будет распределен равномерно. Обеднение верхних слоев релитом имеет и положительное значение, так как в определенной степени облегчает механическую обработку напаянной поверхности за счет пониженной твердости верхнего слоя.

Таким образом, определены состав, свойства и технология получения износостойкого композиционного покрытия ВТН-1. Технология восстановления изношенных контактных поверхностей бандажных полок выглядит следующим образом. Изношенные контактные поверхности обрабатывают механически до удаления следов разрушения: сколов, вмятин, трещин, выбоин. Результат проверяется как визуально, так и методами цветной дефектоскопии (ЦМ-15В или ЛЮМ1-ОВ). Затем приготовляется композиция из порошка карбида вольфрама и припоя ВПр16 с размером частиц 160-280 мкм в соотношении 1:1. Так как плотность карбида вольфрама в 2,5 раза выше, чем припоя ВПр16, композиция во избежании разделения ее на фракции готовится непосредственно перед использованием в количестве, необходимом для изготовления одной партии изделий, но не более 500 г. Время между приготовлением и использованием композиции должно составлять не более 8 часов. Кроме того, для смешивания берутся навески компонентов не более чем по 10 г. Время перемешивания партии композиции должно быть не менее 3-4 ч.

Затем готовится паста, состоящая, %:5-6%-ный раствор сополимера БМК5 в растворителе Р5 или Р648 – 25; смесь порошков карбида вольфрама и припоя - 75. Далее готовую пасту наносят на обезжиренные ацетоном или спиртом контактные поверхности бандажных полок лопаток слоем толщиной 0,8-1,2 мм. Для удержания пасты от растекания применяется опалубка из титановой фольги толщиной 0,15 мм, прихваченной к боковой поверхности бандажных полок по периметру контактных площадок точечной конденсаторной сваркой. С целью предотвращения растекания припоя в процессе пайки боковые поверхности бандажных полок допускается покрывать окисью хрома.

После нанесения пасты лопатки просушивают на воздухе в течение 10-15 мин и затем загружают в камеру для проведения пайки. Причем вместе с партией лопаток в камеру загружается один образец-свидетель.

Эта камера (см. рис.6.3) была спроектирована и изготовлена специально для реализации данного процесса. Она оборудована смотровым и двумя рабочими окнами, системами вакуумирования, подачи и стравливания в камеру аргона, соплом для подачи аргона непосредственно в зону нагрева, электровводом для подключения генератора, расположенного внутри камеры, фотопирометром для контроля температуры пайки и люком для загрузки и выгрузки деталей.

После загрузки партии подготовленных к пайке лопаток камера герметизируется. Производится откачка воздуха до давления 610-1...610-2 мм рт.ст. с последующим напуском в камеру аргона до избыточного давления 0,1кг/см2.

Перед началом пайки лопаток качество защитной атмосферы проверяется на образце-свидетеле. Если в результате его нагрева до температуры пайки (960 С) на образце-свидетеле появились другие цвета побежалости, кроме соломенного, это означает, что появилась окисленная поверхность. В этом случае баллон с аргоном следует заменить, так как в нем содержится большой процент влаги.

Если же проверка качества защитной атмосферы дала положительный результат, то выполняется пайка лопаток.

Часть лопатки, подлежащая нагреву (бандажная полка с нанесенным на нее композитом), помещается в индуктор генератора высокой частоты и нагревается до полного расплавления припоя. Температура нагрева контролируется с помощью фотопирометра. Напайка всей партии лопаток производится последовательно с обеих сторон. После окончания пайки лопатки выдерживают в атмосфере проточного аргона 1-3 мин. Затем камеру разгерметизируют и лопатки выгружают.

Далее производится механическая обработка лопаток с последующей термообработкой. После механической обработки осуществляют контроль качества восстановленных контактных поверхностей бандажных полок лопаток. Контролю подвергаются 100% лопаток.

Опыт эксплуатации двигателей с восстановленными по данной технологии лопатками показал, что ресурс их работы увеличился в несколько раз. Следов износа материала не выявлено, натяг лопаток после выработки ресурса удовлетворительный.

6.5.2. Восстановление лопаток компрессора

Основные операции по восстановлению лопаток КНД и КВД отражены на рис. 6.4 и 6.5. Технология восстановления износостойкого покрытия «Рэлит» на рабочих лопатках первых трех ступеней КНД изложена в п. 6.5.1. Повреждения на рабочих лопатках КНД и КВД удаляются механическим путем. Опыт эксплуатации двигателя АЛ-31Ф показал, что даже при значительных отклонениях геометрических размеров профиля ремонтных лопаток от первоначальных характеристики компрессора и его газодинамическая устойчивость остаются в допустимых пределах. Это позволило осуществлять ремонт поврежденных лопаток непосредственно на двигателе и применять их в дальнейшей эксплуатации. Допустимые нормы повреждений на лопатках приведены в гл. 5.

На пере рабочих лопаток зачищают приподнятости материала у забоин, наклеп на поверхности замка и полки. Погнутость лопаток устраняют правкой. Места после удаления забоин и вмятин полируют.

Восстановление лопаток, имеющих местные повреждения, превышающие допустимые нормы, осуществляется приваркой цилиндрических вкладышей, изготовленных из того же материала, что и лопатка. Поврежденный участок лопатки удаляют фрезерованием. Затем изготовляют вкладыш соответствующего диаметра и подгоняется по месту фрезерования пера лопатки. Вкладыш закрепляют на лопатке специальным приспособлением и вместе с лопаткой помещают в вакуумную камеру электронно-лучевой установки. Сварки проводится в условиях глубокого вакуума.

После сварки осуществляют визуальный контроль сварного шва, затем вкладыш отрезают параллельно кромке лопатки электроимпульсным способом, шлифуют и полируют с обеих сторон для получения нужного профиля. Далее проводют рентгеновский контроль сварного шва, отпуск для снятия внутренних напряжений, окончательную полировку и виброгалтовку пера лопатки.

Снятие лопаток ротора выполняется для доработки замковых частей лопаток и дисков, контроля лопаток, измерения частоты собственных колебаний.

Часто результаты дефектации вызывают необходимость замены лопаток (частичной или полной), дисков, лабиринтов, восстановление поверхностей посадочных мест хромированием. При ремонте осуществляется подбор деталей по зазорам и натягам. Например, производится подбор натяга между диском ротора и подшипником при замене диска и подшипника, подбор лопаток по посадке и массе. Для сохранения балансировки болты и гайки рабочих колес и отверстия под них клеймятся порядковыми номерами. Промытые детали подвергаются контролю неразрушающими методами, а затем проходят восстановительный ремонт и доработку. Данные технологические процессы должны обеспечивать сохранение центрирования, уравновешенности, требуемой посадки.

Для этого после ремонта и замены колец лабиринтов, подшипников, лопаток и других частей производится динамическое уравновешивание ротора.

Для ротора компрессора типовыми являются замены лопаток. Лопатки ротора компрессора низкого давления могут заменяться как полностью, так и частично. Лопатки заменяют как на новые, так и на имеющие наработку, но годные для дальнейшей эксплуатации.

Полную замену лопаток какой-либо ступени ротора КНД проводят в том случае, когда число дефектных (отбракованных) лопаток превышает 20% от общего количества лопаток в комплекте. При этом учитывают статические моменты заменяемых и заменяющих лопаток (различие в моментах не должно быть более чем 50 гсм).

Статические моменты заменяющих лопаток не должны отличаться от статических моментов заменяемых лопаток более чем на 50 гсм.

Статические моменты лопаток определяют на приспособлении, схема которого представлена на рис. 6.6. Перед началом работы проверяют правильность его наладки. Приспособление без груза 2 с переходником 4 должно быть статически отбалансировано «на ноль» по шкале с помощью сменных грузов 3. Статический момент груза 2 должен быть равен статическому моменту установленной в переходник эталонной лопатки. Масса груза 2 должна быть выгравирована в месте 5.

При балансировке определяют массу груза 1 в граммах при положении стрелки прибора на нулевой отметке.

Статический момент Мс лопатки находится по формуле, гсм,

Мс = (РА + РБ)20 г/см,

где: РА – вес груза 1,г; РБ – масса груза 2,г.

По окончании балансировки на пере каждой лопатки записывают массу груза 1.

Затем лопатки раскладываются в порядке убывания статического момента. Лопатке с наибольшей величиной статического момента присваивается № 1.

Лопатки в ступенях по пазам диска распределяются в зависимости от статического момента таким образом, чтобы векторная сумма статических моментов была близка к нулю. Разница статических моментов лопаток в комплекте должна быть не более, гсм: для 1-й ступени – 300; 2-й – 200; 3-й – 170. Точность измерений составляет 0,1 гсм.

Лопатки 4-й ступени распределяются по пазам так, чтобы расчетная векторная сумма их статических моментов была противоположна по направлению дисбалансу диска 4-й ступени и по величине отличалась не более, чем на 4 гсм.

Все лопатки клеймятся номером паза на входном торце замка лопатки электроискровым способом.

В процессе полной замены лопаток помимо определения статических моментов производится подбор и обеспечение их посадки в замке.

Замковые части титановых лопаток ротора КНД при наличии на боковых поверхностях наклепа восстанавливаются удалением поврежденного слоя фрезерованием, наплавкой титанового слоя на подошву замка в аргонно-вакуумной камере, фрезерованием наплавленного слоя с последующей притиркой подошвы для обеспечения заданной посадки лопатки в диск. Полученная поверхность упрочняется гидродробеструйной обработкой.

После восстановительного ремонта детали проходят специальный контроль. Чистоту обработанных поверхностей проверяют по эталону. Форму и размеры пера и замка проверяют микрометрическими или оптико-механическими приборами.

Частоту собственных колебаний лопаток контролируют на специальной установке, принцип работы которой заключается в следующем. Испытуемую лопатку закрепляют в специальном зажиме, который жестко соединен с генератором высокочастотных колебаний. Частоту генерируемых колебаний можно регулировать. Зажим с закрепленной на нем лопаткой имеет горизонтально расположенный поддон, заполненный жидкостью (смесь керосина с маслом).

Изменяя частоту генерируемых колебаний, добиваются ситуации, при которой лопатка входит в резонанс. Резонансную частоту определяют по появлению хорошо видимых стоячих волн на поверхности жидкости.

У лопаток с замковой частью типа «ласточкин хвост» посадка определяется зазором между боковой поверхностью замка и паза в диске (рис. 6.7,а). Этот зазор вычисляют как разность (а-b) сопряженных поверхностей, замереннe. в сечении h. Ширина паза а диска компрессора измеряется специальным устройством, которое позволяет найти отклонение фактической ширины паза от эталона, который используется при настройке прибора. Ширину b замка лопатки определяют с помощью индикаторного приспособления, также настраиваемого по эталону.

При замене лопаток производят их подгонку лопаток по пазам диска. Для этого вначале проверяют качку лопаток в направлении, перпендикулярном оси паза по стрелке Ж (рис. 6.8). При измерении качки ножку индикатора устанавливают на входную кромку лопатки перпендикулярно кромке пера на расстоянии 5 мм от торца лопатки. Качка лопаток должна быть в пределах, мм: для лопаток 1-й ступени – 1,2...2,3; 2-й ступени – 1,0...1.85; 3-й ступени – 0,8...1,59; 4-й ступени – 0,92...1,69, что соответствует монтажному зазору посадки замка лопатки в паз диска.

В случае если качка лопатки меньше указанной выше величины, лопатка устанавливается по поверхностям Г на приспособление для фрезерования и закрепляется по фаскам Д. Фрезеруется поверхность Е лопатки до получения необходимой качки в направлении стрелки Ж, но не более, чем на глубину 0,16 мм.

При подгонке замка лопаток по пазам диска вместо фрезерования разрешается притирка или шлифование поверхности Е замка лопаток.

В случае если качка лопатки больше величины, указанной выше, разрешается на основание хвостовика лопатки наносить клей К-300-61. Для этого проводят пескоструйную обработку подошвы хвостовика мокрым или корундовым песком. Профиль пера и боковые поверхности хвостовика предохраняются от обработки. Допускается зачистка подошвы замка грубой шлифовальной шкуркой.

После обработки поверхность обезжиривают и на нее наносят клей с помощью волосяной кисточки. Отверждение клея проводится при комнатной температуре в течение 24-30 ч или при температуре 80 С в течение 4 ч.

После затвердевания нанесенный слой клея шлифуют до момента обеспечения монтажного зазора.

После подбора лопаток по зазору проверяют выступание торцов А и Б замка лопатки относительно торцов диска В и Г (см. рис.6.7,б). В других конструкциях (см. рис.6.7,в) измеряют люфты в направлении оси паза и перпендикулярно к нему (зазор Д). Эти зазоры после подбора и установки лопаток заполняются герметиком.

У лопаток, устанавливаемых в кольцевые проточки, проверяют суммарный зазор между полками.

Лопатки с антивибрационными полками ставятся таким образом, чтобы были обеспечены посадка в диске, натяг и совмещение бандажных полок. Зазор между полками не допускается.

У шарнирно закрепленных лопаток 1 (см. рис.6.7,г) обеспечивается посадка пальцев, люфты лопаток и зазоры между ними. При этом контролируется размер L, место клеймения обозначено цифрой 2.

Ремонт статора КНД предусматривает: ремонт направляющих аппаратов лопаток 1…4-й ступеней; ремонт уплотнительных колец 1…3-й ступеней направляющих аппаратов; восстановление специальной смеси на уплотнительных кольцах.

Объем работ при ремонте лопаток направляющих аппаратов включает следующие операции: разборку, промывку, внешний осмотр, дефектацию, контроль методом ЛЮМ1-ОВ или ЦМ15-В направляющих лопаток 1…3-й ступеней и методом вихревых токов направляющих лопаток 4-й ступени (в собранном виде); ремонт; контроль после ремонта и полную или частичную замену лопаток.

Допустимые для ремонта повреждения на кромках пера лопаток устраняются выборкой материала полукруглым напильником или надфилем с обеспечением плавного перехода к основной кромке пера с последующей зачисткой места выборки шлифовальной шкуркой и заполировкой тонкошерстным войлочным кругом с применением шлифовального порошка с пастой 39НЕ-М28.

Выборка материала лопатки должна превышать глубину повреждения на 0,2...0,4 мм и распространяться вдоль кромки пера в каждую сторону на величину, в 3– 6 раз превышающую глубину повреждения (рис. 6.9). Кромки лопатки в месте выборки материала закругляются вписанным радиусом, с обеспечением чистоты поверхности не ниже 0,32. Место зачистки принимается по контрольному образцу.

Забоины на профиле пера зачищают плоским или фасонным надфилем до полного выведения, обеспечивая плавные переходы от места зачистки к основной поверхности. После этого место зачистки полируют.

Толщина снимаемого материала в местах зачистки не должна превышать допустимых величин и определяется как разность замеров до и после зачистки по данному месту. Места зачисток принимаются по контрольному образцу (эталону).

На все размеры, обозначенные на рис.6.9, существуют допустимые нормы, зависящие от номера ступени КНД.

После зачистки лопатки проверяются методом ЛЮМ1-ОВ или ЦМ15-В на отсутствие трещин.

Операция по замене направляющих лопаток предусматривает полную или частичную их замену. Для замены используются новые направляющие лопатки или с наработкой, но годные для дальнейшей эксплуатации.

Перед постановкой лопатки проверяют внешним осмотром на отсутствие коррозии и механических повреждений. Следы коррозии и забоины, сколы, вмятины, трещины на любой поверхности не допускаются. Далее лопатки проверяются на собираемость с половиной уплотнительного кольца. В случае несобираемости комплекта лопаток допускается постановка десяти лопаток, примерно равнорасположенных по окружности, с уменьшенным размером L и с одновременным пропорциональным уменьшением размера l (рис.6.10). В этом случае последовательно фрезеруют нижнюю и верхнюю полки со стороны корыта, выдерживая занижение размеров L и l, согласно таблице, прилагаемой к инструкции по ремонту.

После фрезерования контролируют суммарный зазор между верхними полками для всего комплекта лопаток. Суммарный зазор должен находиться в пределах 0,05...0,15 мм. В технологической карте указывают: все операции перехода, приспособление для фрезерования, режущий и мерительный инструменты.

После промывки, просушки и протирки лопаток производится их клеймение электроимпульсным способом. На клеймах указывают порядковый номер лопатки, чертежный номер, номер плавки.

6.5.3. Восстановление корпусов

компрессоров

Технологические операции по ремонту корпусов КНД и КВД приведены на рис. 6.11 и 6.12. К основным дефектам корпусов относятся: трещины, износ и наклеп посадочных поверхностей под подшипники, ослабление посадок втулок, обойм, колец, запрессованных в отверстия корпусов, ослабление посадок шпилек, коррозия, неплоскостность сопрягаемых поверхностей, повреждение резьбы в отверстиях. Ремонт корпусов отличается значительным объемом узловой обработки. Это объясняется большим количеством неразъемных соединений (сварных, заклепочных), соединений с натягом, а также расположением на корпусах узлов крепления коробок привода агрегатов и других механизмов.

Посредством узловой обработки производится замена втулок, восстановление отверстий. Процесс замены втулок включает операции по удалению забракованных втулок, подготовке посадочных поверхностей, запрессовке новых втулок и их обработке после запрессовки.

Изношенные отверстия корпусов восстанавливают шлифованием или расточкой, нанесением покрытий и окончательной механической обработкой.

Во фланцах корпусов резьбы восстанавливают заваркой изношенных отверстий, сверлением и нарезанием в наварном материале новой резьбы.

Трещины допустимых размеров в бобышках, приливах, на наружных поверхностях корпусов устраняются с помощью сварки. Неплоскостность поверхностей ликвидируют зачисткой, шабрением и притиркой с последующим контролем прилегания по краске.

Для корпусов КНД и КВД характерным является процесс восстановления надлопаточного и надлабиринтного покрытия. С целью исключения попадания узлов на сборку с радиальными и диаметральными зазорами между статором и ротором КНД, превышающими нормы ТУ, производится замер диаметров по специальной смеси по внутренним кольцам 1…4-й ступеней, а также по корпусам в узле статора. При этом подсчитывают максимальный местный и средний зазоры в каждой ступени. На радиальные зазоры между специальной смесью корпуса и рабочими лопатками ротора существуют допустимые нормы. Например, для первой ступени ротора КНД допуск на местный зазор составляет 1,2 – 2,0 мм, а средний - должен быть не более 1,75 мм. На диаметральные зазоры между специальной смесью внутренних колец направляющих аппаратов 1…3-й ступеней и гребешками лабиринта дисков КНД также существуют нормы: для 1-й ступени наименьший зазор – 1,4 мм; средний – 1,6 - 2,1 мм.

При наличии радиальных и диаметральных зазоров, превышающих нормы ТУ, а также при повреждении специальной смеси сверх допустимых норм, производится замена смеси соответствующей ступени.

Ниже приводится примерная технология восстановления специальной смеси АНБ на корпусе 1-й ступени. Вначале удаляется дефектный слой смеси с поверхности корпуса. Эту операцию проводят на токарном станке до появления гребешков резьбы, которая нанесена во впадине корпуса и служит для повышения прочности соединения слоя покрытия из смеси АНБ с корпусом. Оставшийся слой специальной смеси и подслой НА67, являющийся грунтом, удаляется из канавок резьбовой нарезки обдувкой электрокорундом размером зерен 63-80 мкм под давлением 0,4-0,5 МПа. Допускается удаление слоя смеси химическим способом. В этом случае корпус компрессора помещают в ванну с раствором едкого натрия и выдерживается в ней в течение 1 ч при температуре раствора 60-70С. Корпус периодически вынимают из ванны и с помощью волосяной щетки удаляют остатки смеси. Затем корпус промывают в горячей, а затем в холодной воде.

Подслой НА67 удаляют в растворе азотной кислоты при температуре раствора 15-20С. Время выдержки не более 1 ч. После этого корпус промывают в горячей, а затем в холодной воде и обдувают сжатым воздухом до полного удаления влаги.

На подготовленную поверхность наносят подслой НА67 и специальную смесь АНБ на корпус КНД.

На двигателе АЛ-31Ф используют два вида покрытия: покрытие АНБ (алюминий, нитрид бора) и покрытие УВС-2 (никель, нитрид бора, окись меди, графит). Восстановление покрытия АНБ производят методом плазменного напыления на плазмотроне; покрытия УВС-2 - методом газоплазменного напыления на специальной установке.

После восстановления покрытия ремонт предусматривает:

расточку смеси АНБ на корпусах 1…4-й ступеней и уплотнительных кольцах направляющих аппаратов 1…3-й ступеней;
местное снятие смеси АНБ на корпусах 1…4-й ступеней и уплотнительных кольцах направляющих аппаратов;
контрольный обмер статора КНД после ремонта.

Внешний вид и шероховатость смеси АНБ после обработки принимают по контрольному образцу.

Местное снятие специальной смеси АНБ на корпусах производится для обеспечения радиальных зазоров под рабочие лопатки 1…4-й ступеней. Место снятия смеси АНБ и величина снимаемого слоя определяют при сборке КНД. Местное снятие смеси допускается с обеспечением минимальной толщины ее по корпусам 1…4-й ступеней не менее 0,7 мм, по уплотнительным кольцам направляющих аппаратов 1…3-й ступеней - не менее 1 мм.

Необходимое качество уплотнительного покрытия достигается тщательной подготовкой покрываемой поверхности, соблюдением режимов напыления.

Основные испытания компрессора заключаются в проверке герметичности корпуса и окончательной балансировке ротора. На герметичность испытывается технологически собранный корпус. Его отверстия глушатся. В полости корпуса создается давление. Возможные места негерметичности покрывают мыльным раствором. Отсутствие появления пузырьков воздуха при создании давления внутри корпуса свидетельствует о герметичности.

При окончательном контроле проверяют клейма, номера комплекта, совпадения рисок взаимного расположения, правильность контровки гаек, размеры по вершинам лопаток, радиальные зазоры.

6.5.4. РЕМОНТ РОТОРОВ КВД и КНД

Одним из дефектов, проявляемым в процессе эксплуатации, является изменение посадки по стяжным шпилькам дисков 7…9- й ступеней КВД, диска лабиринта 9-й ступени и вала КВД сверх допустимых норм (рис.6.13).

Восстановление посадки производится путем совместного разворачивания отверстий в дисках 7…9-й ступеней, лабиринте 9-й ступени и вале КВД на следующий ремонтный размер и постановкой ремонтных шпилек (рис. 6.14).

Восстановление посадки осуществляется следующим образом. Секция барабана 1…6-й ступеней КВД устанавливается на станину радиально-сверлильного станка; выворачивают 24 шпильки с призонными поясками и снимаются гайки 2; калибруют резьбу шпилек 4 с обеих сторон. Под диск 6-й ступени 1 вставляют два технологических полукольца кондуктора 10. Затем вворачивают 12 шпилек 4 через одно отверстие «В» в полукольца и устанавливают на 12 шпилек последовательно диски 7…9-й ступеней, распорные кольца, лабиринт 9-й ступени и вал КВД. После этого устанавливают кондуктор 9 на ротор КВД. Кондуктор выставляется по отверстиям «В» при помощи шести цетрирующих пальцев кондуктора (на рис. не показаны).

Далее отверстия «В» разворачивают, вначале предварительно, а затем окончательно. Используемый режущий и мерительный инструменты и режимы обработки оговаривается в технологических картах. Чистота обработанной поверхности должна быть не ниже 6-го класса.

При наличии овальности в отверстиях «В» (след от старого отверстия) производится совместное развертывание отверстий «В» на следующий ремонтный размер с постановкой ремонтных шпилек соответствующего диаметра.

После этого по той же технологии разворачивают остальные отверстия «В». В карте сборки узла делается отметка о выполненной работе с указанием фактического диаметра отверстий «В».

Перед сборкой нового двигателя и после ремонта компрессора лопатки КНД шлифуют по торцу пера. Это делается для строгого выдерживания радиального зазора между торцем лопаток и внутренней поверхностью спецсмеси на корпусе компрессора. В процессе эксплуатации лопатки могут вытягиваться, что приводит к увеличению их высоты. Часть поврежденных лопаток может быть заменена на новые или стоявшие ранее, но годные для дальнейшей эксплуатации. В результате в новом комплекте высоты лопаток будут отличаться друг от друга. Для обеспечения одинаковой высоты всех лопаток в ступени их торцы шлифуют.

Размеры, контролируемые при шлифовании торцев лопаток ротора КНД, приведены на рис. 6.15. Перед шлифованием замеряют размер L по каждой лопатке 1-ой ступени и определяют средний арифметический размер для колеса (рис.6.16),который записывают в карту сборки. Затем все лопатки выставляют на этот размер с помощью приспособления и наборных колец с точностью до 0,2 мм. Далее лопатки плотно стягивают жгутом, чтобы избежать их перемещение во время шлифования. По такой же технологии крепятся и обматываются жгутом лопатки 2…4-й ступеней. Во избежание попадания частиц абразива и металла при шлифовании во внутреннюю полость КНД отверстия A и B и дренажные отверстия 1…3 ей ступеней заклеивают липкой лентой (см. рис.6.15).

Шлифование ротора КНД производится в центрах токарного станка. Предварительно при помощи приспособлений выверяется биение по поверхностям В и Г. Поверхность Д шлифуют с соблюдением всех размеров, указанных на рис. 6.15. Режимы обработки поверхностей Д приведены в технологических картах. Биение поверхностей Д относительно поверхностей В и Г должно быть не более 0,07 мм. Численное значение биений записывается в технологический паспорт.

В ряде случаев отдельные лопатки ротора КНД заменяют. При этом замеряют высоту подобранной на замену лопатки и производя припиловку новой лопатки. Припуск на обработку снимается равномерно по торцу лопатки, завалы не допускаются. Допуск на припиловку – 0,03 мм. Острые кромки по периметру торца скругляются радиусом 0,1 – 0,3 мм.

Перед заменой проверяют соответствие статических моментов новой и заменяемой лопатки. При этом сумма статических моментов заменяющих лопаток не должна отличаться от суммы статических моментов заменяемых лопаток более чем на 50 гсм. Доработанные лопатки маркируются порядковым номером замененных лопаток.

6.5.5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА С ПОВРЕЖДЕНИЯМИ ПЕРА

Повреждение лопаток компрессора ГТД в процессе эксплуатации посторонними предметами является основной причиной досрочного снятия большого числа двигателей. Причинами повреждения лопаток является засасывание с покрытия ВПП аэродрома мелких камней и песка, а также попадание во время полета птиц, льда.

Наиболее часто попадание в ГТД посторонних предметов вызывается вихревым засасыванием их с покрытия аэродромов. Как показывают обследования аэродромной сети России, отечественный и зарубежный опыт эксплуатации самолетов с ГТД, никакие усилия по очистке мест опробывания двигателей, рулежных дорожек и ВПП практически не могут решить проблему повреждения ГТД посторонними предметами, так как эти места постоянно засоряются щебнем, кусочками смерзшейся земли, льда и другими частицами, способными при засасывании в двигатель нанести ему недопустимые повреждения.

Анализ повреждаемости деталей авиационной техники, не восстанавливаемых в настоящее время из-за отсутствия методов восстановления, показал, что около 70 % от их общего числа составляют детали с поверхностными повреждениями глубиной 0,4-2,0 мм, большинство из которых не отработали своего ресурса и бракуются по причине износа [32].

Одними из наиболее нагруженных деталей ГТД, определяющих надежность и долговечность двигателей, являются лопатки компрессора и турбины, а также детали, составляющие с ними пары трения. Они испытывают статические, динамические и циклические нагрузки, обусловленные как механическим, так и термическим воздействием, и работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре, подвергаясь коррозии. Поверхности хвостовика и антивибрационных полок испытывают высокие контактные напряжения.

На ММПП «Салют» была определена возможность восстановления лопаток 1-й и 2-й ступеней компрессора низкого давления путем вварки вставок.

Сложность получения качественного сварного соединения с минимальными деформациями лопаток заключается в том, что лопатки имеют переменную толщину, где наиболее сложными участками являются входная и выходная кромки лопаток. Перегрев этих участков может вызвать нежелательные последствия, такие как провисание шва и коробление кромки.

Во избежание подобного рода дефектов необходимо обеспечить равномерное перемещение электронного луча по стыку и минимальную литую зону сварного соединения. Для этой цели производилась отработка режимов на плоских образцах из титанового сплава ВТЗ-1. После чего была сварена партия плоских образцов для проведения металлографических исследований и механических испытаний.

После электронно-лучевой сварки (ЭЛС) проводилась термообработка по стандартному режиму. Режимы ЭЛС приведены в таблице 6.1. [32]. Во всех случаях ускоряющее напряжение было равно 90 кВ, расстояние до детали - 354 мм, ток фокусировки – 1660 мА.

Таблица 6.1. Режимы сварки

Режим	Ток луча, мА	Скорость сварки, мм/с
1	24	12,5
2	30	16,7
3	37	22,2
4	22	8,0
5	27	8,0
6	27	8,0
7	22	8,0

Образцы для механических испытаний на разрыв изготовлялись по ГОСТ 1497-84; на ударный изгиб – по ГОСТ 9454-78. Сварной шов на образцах располагался по центру образцов. Температура испытаний была 20С. Результаты механических испытаний представлены в таблице 6.2.

Таблица 6.2. Результаты механических испытаний образцов

Режим - № образца	в, кгс/мм2	0,2, кгс/мм2	, %	, %	dотп по Бринелю	Аn, кгс/см2
1-1	106,0	105,5	13,0	44,5	3,35	2,47
1-2	107,0	106,0	12,5	42,0	3,35	1,32
1-3	107,0	106,0	15,5	40,5	3,35	1,6
2-1	109,0	107,5	14,0	42,0	3,35	1,22
2-2	110,0	108,5	12,0	40,5	3,35	1,72
2-3	109,0	108,0	13,0	42,0	3,35	2,45
3-1	109,0	108,0	14,5	42,0	3,35	2,30
3-2	110,0	109,0	15,0	44,0	3,35	2,42
3-3	109,0	106,5	14,5	44,0	3,35	2,47
4-1	106,5	108,5	13,5	44,0	3,35	1,72
4-2	110,0	108,0	14,0	44,0	3,35	1,67
4-3	110,5	100,0	14,0	44,0	3,35	0,62
5-1	110,5	109,0	14,0	42,0	3,35	2,45
5-2	109,5	107,0	14,0	41,5	3,35	2,40
5-3	111,0	108,0	14,0	39,0	3,35	1,62
6-1	104,0	-	11,5	-	-	-
6-2	106,0	-	10,0	-	-	-
6-3	89,0	-	12,5	-	-	-
7-1	105,5	-	11,5	-	-	-
7-2	107,0	-	9,5	-	-	-
7-3	106,5	-	10,0	-	-	-

На образцах 1,2 и 3 при режимах 6 и 7 разрыв материала происходил по целому месту.

Металлографические исследования образцов дали возможность наиболее полно проанализировать результаты механических испытаний и подобрать режим наиболее благоприятный для электронно-лучевой сварки. Фотографии наиболее характерных шлифов представлены на рис.6.17.

Качество сварных швов на всех образцах удовлетворительное. Дефектов не обнаружено. Макроструктура соответствует 1-2 баллу по десятибалльной шкале макроструктур титановых сплавов. Макроструктура соответствует 1-2 типу девятибалльной шкалы двухфазных титановых сплавов.

Необходимыми условиями при выборе режима являлись: минимальная ширина шва, и максимальная скорость сварки, что необходимо для уменьшения деформаций, возникающих во время сварки, для достижения максимальных прочностных характеристик. Таким условиям удовлетворял режим № 3.

После выбора наиболее благоприятного режима была произведена сварка лопаток, и проведен их металлографический анализ (рис.6.18). Как следует из рассмотрения фотографии, структура сварного шва по

сравнении с основным материалом лопатки, более мелкую структуру. Шов одинаковой толщины, что говорит о стабильности процесса сварки.

Было обнаружено, что при сварке на больших скоростях на границе сварного шва со стороны лопатки образуется цепочка пор. Так как лопатки поступают в ремонт в основном после эксплуатации, то можно предположить, что поры образуются из-за загазованности лопатки. Для борьбы с порами было решено шабрить лопатку не только по плоскости отфрезерованной части, но и по плоскостям пера лопатки вокруг фрезерованного места со стороны спинки и корыта. После введения этой операции количество пор резко сократилось.

6.6. ПРИМЕНЕНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ

Создание и ремонт роторных и корпусных конструкций ГТД осуществляются с применением различных методов сварки плавлением. Корпусные узлы свариваются аргонно-дуговой (АрДС) и электронно-лучевой сваркой (ЭЛС), а роторные конструкции, как правило, электронно-лучевой сваркой. Благодаря высокой концентрации энергии в пятне нагрева, надежной вакуумной защите металла сварочной ванны, малому объему литого металла, кратковременности теплового воздействия, незначительным деформациям соединяемых деталей, ЭЛС имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными методами сварки плавлением.

Наиболее широко в авиационных ГТД применяются титановые сплавы. Они обладают высокой чувствительностью к сварке, в результате чего в околошовной зоне и металле шва происходят неблагоприятные изменения структуры и механических свойств, что требует применения особых режимах сварки и режимов термической обработки. Основные трудности сварки титана связаны с поглощением нагретым металлом газов, в первую очередь водорода, диффузией их в зону сварки из основного металла, повышенным содержанием газов в основном и присадочным металле.

Приведенные особенности сварки титановых сплавов требуют особо чистой защитной среды для снижения пористости в сварных швах и их склонности к замедленному разрушению. Для предотвращения этих явлений необходимо сварку вести в вакууме или защитной среде при малых погонных энергиях с регулированием термического цикла сварки и последующей термической обработкой.

В данном параграфе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой технологии локальной термической обработки сварных соединений корпусных и роторных конструкций в процессе их изготовления и ремонта из титанового сплава ВТ 20.

Сплав ВТ 20 по фазовому составу относится к псевдо -сплавам. Добавка 1-2 % (по массе) - стабилизирующих элементов позволяет повысить прочность псевдо -сплавов по сравнению с -сплавами при сохранении высокотемпературных свойств -сплавов.

Единственным видом термообработки этих сплавов и их сварных соединений является низкотемпературный отжиг для снятия нагартовки и уменьшения напряжений, возникающих при сварке или других процессах технологической обработки [34], при температуре отжига 873-923 К. Отжиг после сварки не изменяет структуру и механические свойства металла сварных соединений из псевдо -сплавов.

Исследования проводились на шести парах плоских образцов из титанового сплава ВТ 20 размером 100801,5 мм, сваренных аргонно-дуговой сваркой. Определение объемных остаточных напряжений в образцах сваренных пластин до и после подварки (ремонта) с последующим локальным и печным отжигом при температуре 900 К. Двенадцать датчиков (терморезисторы с базой 3 мм) располагались около шва с двух сторон пластины. Вырезка элементов для испытаний выполнялась на электроэрозионном станке. Объемные остаточные напряжения, в частности напряжения главных направлений, проводили методом «полного освобождения» с определением.

Были исследованы шесть вариантов пар образцов:

Вариант 1. Длина сварного шва 150 мм без термообработки;
Вариант 2. Длина сварного шва 100 мм без термообработки;
Вариант 3. Длина сварного шва 150 мм. Произведена подварка шва длиной 75 мм (имитация ремонта) без термообработки;
Вариант 4. Длина сварного шва 150 мм. Произведена подварка шва длиной 75 мм с проведением последующей локальной термообработки электронным лучом;
Вариант 5. Длина сварного шва 150 мм. Произведена подварка шва длиной 75 мм с проведением последующей термообработки электродуговым нагревом в аргонно-вакуумной камере;
Вариант 6. Длина сварного шва 150 мм. Произведена подварка шва длиной 75 мм с последующим общим печным отжигом при температуре 900 К в вакууме.

Подварка (ремонт) шва осуществлялась по традиционной схеме с разделкой дефектного участка.

Локальная термическая обработка электронным лучом проводилась нагревом всего места подварки до температуры 900 К в вакуумной камере при остаточном давлении 510-5 мм.рт.ст. Размеры растра пятна нагрева составляли:

длина – 80 мм, ширина – 20 мм.

Максимальные уровни объемных остаточных напряжений в сварных пластинах приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3 Объемные остаточные напряжения в сварных пластинах

Вариант	На сжатие (кгс/мм2)	На растяжение (кгс/мм2)
1	- 15,5(-1,55)	+ 44,5(+4,45)
2	- 3,5(-0,35)	+ 39,9(+3,99)
3	- 42,1(-4,21)	+ 39,3(+3,93)
4	- 38,6(-3,86)	+ 21,3(+2,31)
5	- 39,4(-3,94)	+ 28,9(+2,89)
6	- 5,7(-0,57)	+ 4,7(+0,47)

Как видно из таблицы, минимальный уровень значений объемных остаточных напряжений в сварных пластинах получен при общем печном отжиге в вакууме. Локальная термическая обработка электронным лучом и дугой позволяет также снизить максимальный уровень объемных остаточных растягивающих напряжений. Так, локальный электронно-лучевой отжиг снижает уровень остаточных растягивающих напряжений на 50 %, а аргонодуговой отжиг – на 30 %.

Учитывая, что общий печной отжиг может приводить к короблению сварных роторных и корпусных конструкций ГТД, а применение термофиксаторов не всегда полностью решает эту задачу и также приводит к нежелательному изменению качества поверхностного слоя окончательно готовых деталей, особенно при ремонте, применение локальной термической обработки электронным лучом в вакууме является весьма актуальной и экономически оправданной операцией.

Еще более важной указанная проблема становится при сварке и ремонте роторных и корпусных конструкций из двухфазных и титановых сплавов типа ВТ3-1, ВТ-8, ВТ-9, ВТ-18 и других, т.к. последующая термическая обработка необходима не только для снятия остаточных напряжений, но и для стабилизации структуры металла сварного шва, околошовной зоны и получения необходимых механических свойств, что требует проведения уже высокотемпературного отжига и упрочняющей термообработки.

6.7. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДАМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ И СВАРКИ

Целью ремонта ГТД является увеличение общей долговечности деталей при затратах, обеспечивающих наибольшую экономическую эффективность его эксплуатации, естественно при обеспечении требуемого уровня надежности.

По данным зарубежных фирм ремонт целесообразен, если он составляет от 30 до 60% стоимости нового узла или детали. В тоже время некоторые фирмы считают целесообразным затраты на ремонт до 90% от стоимости новой детали, если модификация детали или узла при ремонте дает увеличение срока службы двигателя по сравнению с новым или улучшение его тактико-технических характеристик.

Анализ основных эксплуатационных дефектов в отечественных и зарубежных двигателях позволил выявить их распределение в следующих соотношениях, %:

износ от фреттинг-коррози – 60;
механические повреждения – 10;
термические и усталостные трещины – 25;
эрозия – 5.

Единственными методами исправления указанных дефектов, позволяющими восстановить профиль поверхности, форму входных и выходных кромок лопаток, геометрию контактных полок и устранять термические трещины являются пайка и сварка.

Наиболее дорогостоящими и теплонапряженными узлами ГТД, в основном определяющими ресурс и надежность двигателя, являются детали турбины, стоимость которых составляет 25-30% от стоимости всего двигателя.

Лопатки турбины наряду с лопатками компрессора являются наиболее массовыми деталями двигателя, но в отличие от последних, гораздо чаще и быстрее выходят из строя вследствие очень жестких условий работы.

С этой точки зрения высокотемпературная пайка жаропрочных сплавов выступает как важный технологический процесс, обеспечивающий надежные соединения в узлах, изготовленных из данного класса материалов. Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены, главным образом, возможностью формирования паяного шва ниже температуры автономного плавления соединяемых материалов.

Именно поэтому становится возможным осуществить общий нагрев паяемого узла изделия до температуры пайки, что позволяет осуществлять за одну операцию большое количество соединений в одном или нескольких узлах с минимальным короблением деталей различной толщины и сложной конфигурации. Это значительно уменьшает припуски на механическую обработку, а подчас и обеспечивает возможность пайки окончательно обработанных деталей и узлов.

Использование пайки позволяет:

получить соединения деталей в скрытых или малодоступных местах конструкции и, следовательно, изготовлять сложные узлы за один прием;
паять не только по контуру, а одновременно по всей поверхности соединения, что позволяет широко варьировать прочность соединений;
соединять разнородные материалы с большой разницей в толщине, т.е. обеспечивать универсальность процесса;
выбирать температуру процесса в зависимости от необходимости сохранения механических свойств материалов в изделии, обеспечивая совмещение нагрева под пайку и термическую обработку узла;
обеспечивать высокую плавность галтелей, а следовательно, и долговечность в условиях вибрационных и знакопеременных нагружений.

Указанные преимущества процесса пайки дают возможность получать узлы ГТД сложной геометрии с минимальной металлоемкостью и высоким коэффициентом использования металла, что делает пайку весьма перспективным методом соединения высоколегированных жаропрочных сплавов в таких ответственных узлах ГТД, как турбина, камера сгорания и компрессор высокого давления.

Следует отметить при этом, что для многих жаропрочных сплавов пайка является практически единственным методом получения качественного неразъемного соединения.

Таким образом, турбина ГТД с точки зрения стоимости, массовости деталей, относительно невысокому ресурсу вследствие тяжелых условий работы, наиболее предпочтительна для ремонта посредством пайки. В тоже время ремонт ее является сложным процессом, требующим применения наукоемких технологий и высокой культуры производства. За рубежом ремонт лопаток турбины производится ограниченным числом фирм и является признаком высокого уровня технологии и престижности фирмы.

Анализ существующих технологий ремонта узлов и деталей турбин методами сварки и пайки позволил условно классифицировать применение указанных методов в зависимости от основы и степени легирования жаропрочных сплавов следующим образом:

сварка и пайка успешно применяется для деталей, изготовляемых из сплавов на основе кобальта и никеля, легированных алюминием и титаном до 3% по весу;
высокотемпературная пайка применяется для сплавов на никелевой основе, содержащих алюминий и титан (3-6% по весу), обеспечивающая надежность соединений и их длительную работоспособность.

Основными операциями, определяющими качество как паяных, так и сварных соединений, является предварительная подготовка поверхности под сварку и пайку. Она включает в себя предварительную очистку от окислов и загрязнений, снятие жаростойких алюминидных покрытий химическим и (или) механическим методом. Для пайки осуществляется дополнительная фтористо-ионная очистка, позволяющая удалять мельчайшие окислы, в том числе находящиеся в капиллярных трещинах. Дополнительно производится вакуумная очистка для нейтрализации оставшихся ионов фтора. Далее осуществляется сварка или пайка, затем термическая обработка для упрочнения паяного шва или стабилизации структуры сварного шва и околошовной зоны.

Для ряда дефектов требуется их предварительная разделка с применением высокотвердых и прочных миниатюрных инструментов.

За рубежом ремонтом узлов ГТД занимаются свыше 80 фирм, многие из которых являются филиалами фирм-изготовителей, имеющих тесный контакт с авиационными компаниями, что позволяет оперативно и эффективно влиять как на снижение себестоимости производства ГТД, так и на эксплуатационные расходы. Там также успешно возвращаются в эксплуатацию следующие детали: диски турбины и компрессора, в том числе роторы барабанного типа, корпуса вентиляторов, сотовые уплотнения турбин, створки регулируемого сопла, лабиринтные уплотнения вала турбины, спрямляющие и направляющие аппараты компрессоров высокого и низкого давлений, форсажные камеры двигателей семейства GT-9D, RB-211, CF-6, PW-4000 и др.

В среднем в двигателе фирмами осуществляется ремонт до 60% всех деталей. В то же время имеется информация, что фирма «Люфтганза» в Ганновере может устранить до 96% всех видов повреждений, благодаря разработанных ею технологий. Основной упор в ремонте зарубежных двигателей делается на горячую часть двигателя, имеющего наименьший ресурс из-за тяжелых условий работы и высокую стоимость.

Зарубежные фирмы осуществляют ремонт или всего двигателя, или специализируются на ремонте отдельных его узлов и деталей. Так, фирма «Beol» (Великобритания) объединила четыре завода по капитальному ремонту двигателей и производит ремонт 20 типов двигателей от малых вспомогательных установок до больших двухконтурных двигателей.

В тоже время созданы специализированные интернациональные фирмы по ремонту таких массовых деталей, как, например, лопатки. Причем эти фирмы производят ремонт лопаток вне зависимости от их конструктивных особенностей, что позволило создать единую технологию их ремонта.

В практике зарубежного авиадвигателестроения наблюдается тенденция в создании предприятий, специализирующихся на ремонте однотипных деталей ГТД. Так, например, фирма «Интертурбин» (США) производит ремонт лопаток турбин, сопловых аппаратов, регулируемых створок сопла.

Отделение фирмы в Германии специализируется на ремонте корпусных узлов двигателя, таких как камеры сгорания, корпуса компрессора и турбины, корпуса сопла, уплотнения компрессора и сотовые уплотнения турбины.

Отделение фирмы в Голландии специализируется на производстве и ремонте тонколистовых корпусных узлов, таких как форсажные камеры, сопла.

Отделение фирмы в Лос-Анджелесе специализируется на изготовлении и ремонте спрямляющих и направляющих аппаратов компрессора.

За последние годы фирма «Интертурбин вложила примерно 40 млн. долларов в современное технологическое оборудование в целях улучшения ремонта различных частей ГТД и их производства. Выдающимся примером таких проектов является недавно разработанный и успешно применяемый уникальный способ ремонта сложных отливок сопловых и рабочих лопаток с помощью пайки.

Приведенные выше примеры показывают, какое важное значение придается этими компаниями вопросам ремонта, что подтверждает экономическую целесообразность ремонта.

Из анализа организации ремонта за рубежом следует:

Ремонт методами сварки, пайки и напыления осуществляется специализированными фирмами, которые часто являются филиалами заводов-изготовителей. Многие фирмы специализируются на узловом ремонте, в основном, горячего тракта двигателя. Наибольший объем занимает ремонт рабочих и сопловых лопаток турбин, который осуществляется по унифицированным технологическим процессам для каждого типоразмера лопаток. При ремонте рабочих и сопловых лопаток турбин технологические процессы распределяются в следующих объемах, %:

нанесение жаростойких, теплозащитных, износостойких антифрикционных и уплотнительных покрытий – 60;
высокотемпературная пайка – 25;
аргонно-дуговая сварка – 10;
электронно-лучевая и лазерная сварка – 5.

Объем ремонта зарубежных фирм в среднем в 2-3 раза превышает объем, осуществляемый в отечественной промышленности. Причем, ремонт многих деталей и узлов, таких как диски турбин и компрес-соров, в том числе роторов компрессоров барабанного типа, сотовых уплотнений в отечественной промышленности, практически, отсутствует.

Анализ себестоимости ремонта ГТД в отечественной промышленности показывает, что основную долю (более 50%) составляют расходы на запасные части. Ежегодно при ремонте отбраковывается около 1,7 млн. деталей. Из этого количества деталей большинство могло быть восстановлено для дальнейшей эксплуатации.

В настоящее время в отечественном двигателестроении ориентировочно до 30% бракуемых при капитальном ремонте деталей восстанавливаются различными технологическими процессами. В том числе методами сварки, пайки и напыления восстанавливается порядка 10-15%.

Объем процессов сварки и пайки распределяется в следующем соотношении:

- аргонно-дуговая сварка………………………………55%;

- плазменная сварка……………………………………4%;

- электронно-лучевая и лазерная сварка………………1%;

- высокотемпературная пайка…………………………..15%.

В отечественной промышленности ремонт осуществляется на многих заводах-изготовителях авиационной промышленности, а также на ремонтных заводах Департамента воздушного транспорта. При ремонте отечественных двигателей пайка занимает не более 15%, отсутствует лазерная сварка, объем электронно-лучевой сварки не превышает 1%. Также отсутствуют способы сварки с импульсной подачей присадочной проволоки, которые позволяют осуществлять наплавку на плохо свариваемые сплавы. Нет специализированных производств по ремонту лопаток. Заводы и ремонтные базы на однотипных деталях используют разные технологические процессы, причем далеко не всегда самые прогрессивные. При этом, если на заводах Авиапрома при ремонте методом пайки и сварки применяются пусть не последние, но достаточно прогрессивные технологические процессы, то на ремонтных заводах Гражданской авиации их уровень соответствует 15-20 летней давности и не обеспечивает требуемой производительности и качества продукции.

Следует отметить, что за рубежом, при ремонте сопловых лопаток, изготовленных из свариваемых сплавов, осуществляется замена пера лопатки посредством АДЭС или ЭЛС. При этом оставляются только бандажные полки или ввариваются фрагменты входной и выходной кромки. Удаляется более 60% трещин на пере лопатки методами пайки.

В отечественной же практике ремонт сопловых лопаток из высоколегированных литейных сплавов заключается в заделке методом пайки знаковых отверстий в бандажной полке и нанесении износостойких покрытий на боковые поверхности бандажной полки. Ремонт трещин и выработанных кромок не осуществляется. Из вышесказанного следует, что существуют достаточные возможности для повышения экономической эффективности ремонта путем более широкого внедрения сварки и пайки в технологию ремонта ГТД.

6.8. ПРИМЕНЕНИЕ АРГОННО-МИКРОПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ДВИГАТЕЛЯ

Одной из актуальных задач при производстве и эксплуатации ГТД является устранение поверхностных литейных и эксплуатационных дефектов на деталях и узлах, изготовленных из высоколегированных сталей и сплавов на основе никеля. Для решения этой задачи в настоящее время используются технологические процессы высокотемпературной пайки и плазменного напыления с

использованием порошковых материалов, включая припои, наполнители и самофлюсы.

Технологический процесс пайки предусматривает заполнение разделанного дефектного участка порошковой смесью состоящей из припоя и наполнителя. Закрепление припоя и наполнителя на дефектном участке осуществляется смесью акриловой смолы и растворителя Р-5. После этого детали подвергаются высокотемпературной пайке. Проведенные исследования показывают, что часто встречающимся дефектом при использовании такого технологического процесса является пористость в напаянном материале.

Уменьшение пористости можно достичь за счет применения мелкодисперсных фракций припоя (не более 15-20 мкм). Однако получение порошковых материалов такой грануляции связано с высокими производственными затратами.

Для ремонта поверхностных дефектов также применяются малогабаритные плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуги и с осевой подачей рабочего газа – аргона или его смесей с азотом или водородом. Подача напыляемого материала осуществляется на срезе сопла –анода. Дуга в таких плазмотронах характеризуется невысоким напряжением. Для получения дуги с мощностью, достаточной для качественного напыления, необходимы большие токи (300-500 А). При этом ресурс стержневого вольфрамового катода и выходного электрода-анода с ростом тока значительно уменьшается. Нарушение формы сопла плазмотрона отрицательно отражается на качестве покрытия.

Для расширения возможности ремонта эксплуатационных и литейных дефектов на деталях и узлах, изготовленных из высоколегированных литейных сплавов, а также получения стабильных результатов на ММПП «Салют» применялась аргонно-плазменная установка, разработанная в НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Одним из важных достоинств плазменного напыления порошковых материалов является то, что частицы порошка, деформируясь при ударе о поверхность детали, образуют структуру покрытия с минимальной пористостью.

В упомянутой установке используется аргоновый микроплазмотрон с секционированной межэлектродной вставкой (МЭВ). Длина дуги в таком плазмотроне определяется МЭВ и при одинаковых значениях тока и расхода газа больше, чем в плазмотронах с самоустанавливающейся длиной дуги. Соответственно падение напряжения на дуге в этом случае также выше, необходимая мощность достигается при меньших значениях силы тока разряда. Как локальный источник нагрева, он в достаточной мере отвечает требованиям, которые накладывают на него металлургические и технологические свойства сплавов типа ЖС6У и особенности ремонтируемых деталей и узлов ГТД.

Другой отличительной особенностью используемого плазмотрона является способ подачи напыляемого материала в плазменный поток. Порошок вводится на начальном участке плазменной дуги под углом к плазменному потоку через кольцевой канал, что обеспечивает равномерное заполнение материалом канала МЭВ. При этом нагрев и ускорение частиц материала происходит непосредственно в плазменной дуге, а не в истекающей струе, что в несколько раз повышает эффективность процесса. Благодаря этому удается получить качественные покрытия из различных материалов с высокой адгезией и низкой пористостью, с качественной защитой наносимого материала от окисления. Поток напыляемых частиц имеет очень малый угол раскрытия (3-5 при диаметре сопла-анода 2-3 мм), что позволяет наносить покрытия на небольшие поверхности.

Конструкция установки позволяет оператору легко вручную перемещать в пространстве плазмотрон, как того требует форма обрабатываемой поверхности, устанавливать, регулировать и контролировать рабочие параметры плазменной струи и расход порошка. Достоинством установки являются: незначительные масса плазмотрона (не более 0,2 кг), габариты, потребляемая мощность (до 1,8 кВт), расход аргона (не более 4 л/мин). Питание осуществляется от сети 220 в/50 Гц. Температура плазменной струи на выходе из сопла – 10000 К, грануляция порошковых материалов – до 120 мкм. Установку отличает простота в эксплуатации, стабильность параметров процесса напыления.

С целью оптимизации процесса плазменного напыления были проведены исследования по определению конструктивных, электрических и технологических параметров, влияющих на качество получаемых покрытий.

К этим параметрам относятся:

геометрические размеры газоразрядного тракта микроплазмотона;
координата ввода порошка в плазменную дугу;
величина и соотношение расходов плазмообразующего и транспортирующего газов;
ток и напряжение дугового разряда;
размер частиц порошка;
дистанция и угол напыления;
скорость вращения привода дозатора.

Также были исследованы процессы плазменного напыления смесей различных припоев и наполнителей в разных соотношениях.

Металлографические исследования образцов после напыления порошковой смеси показали, что покрытия толщиной 5-6 мкм, полученные на оптимальных режимах напыления, характеризовались качественным соединением с подложкой, а также хорошей текстурой нанесенного материала (пористость 2-4% с величиной пор 0,01-0,02 мм).

Для повышения прочностных и эксплуатационных свойств наносимых материалов осуществлялась высокотемпературная пайка образцов в вакуумной печи. Металлографические исследования и механические испытания после пайки образцов с оптимальным соотношением припоя и наполнителя показали, что полученные напаянные покрытия обладают мелкозернистой без видимых дефектов структурой с незначительной пористостью (1-2%) и достаточно высокими механическими характеристиками: длительная прочность при 1000С на базе 100 часов составляет 18-20 кгс/мм2.

Проведенные технологические исследования показали, что для ремонта деталей и узлов ГТД, изготовленных из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе, плазменное напыление с помощью аргонно-микроплазменной установки можно эффективно использовать в зависимости от условий эксплуатации как самостоятельный метод получения качественных покрытий, так и с последующей пайкой для повышения прочностных и эксплуатационных свойств.

6.9. НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ И ЛЕГИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

К числу современных методов электроэрозионной обработки металлических поверхностей с целью изменения их физико-механических и эксплуатационных свойств относится электроэрозионное упрочнение (ЭЭУ), известное также как электроискровое легирование (ЭИЛ). Сущность метода (ЭИЛ) состоит в том, что при кратковременном искровом разряде в газовой среде между обрабатываемой (легированной) поверхностью, являющейся электродом-катодом, и легирующем электродом-анодом происходит разрушение материала анода и продукты эрозии анода под действием сил электрического поля переносятся на катод и образуют слой покрытия или, внедряясь в поверхностный слой катода, обогащают его собой.

В результате образуется упрочненный слой высокой твердости и износостойкий, называемый «белым» слоем, который получается на поверхности титанового сплава ВТ-9 электроискровым легированием сплавом Т15К6. В качестве электродов используются стандартные твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтом марок Т15К6, ВК6, электролитический никель, хром, графиты малозольные марок ЭГ2, ЭГ4.

Интенсивность процесса ЭИЛ зависит от величины энергии, выделяющейся в межэлектродном промежутке. Чем меньше энергия импульсов, т.е. чем мягче применяемый режим, тем меньше толщина слоя, получаемого на 1см2 поверхности за 1 мин.

Специфической особенностью ЭИЛ является наличие предела толщины покрытия. Причем предельная толщина слоя покрытия зависит от материалов электрода и детали и режима обработки. Наиболее интенсивный перенос металла происходит на начальной стадии процесса, затем процесс переноса замедляется и прекращается. При этом может происходить снятие и разрушение нанесенного слоя.

Практически определена оптимальная производительность процесса ЭИЛ, равная 0,31,0 см2 в минуту для титановых, никелевых сплавов и нержавеющих сталей, которая обеспечивает получение качественного слоя с минимальным количеством пропусков и прижогов. Толщина легированного слоя составляет для никелевых сплавов и сталей до 50 мкм, для титановых сплавов – до 20 мкм.

Для ЭИЛ на ММПП «Салют» используются установки «Элитрон-20», «Элитрон-22А» и «UR-121» с ручными электромагнитными вибраторами. В электрододержателе вибратора закрепляется легирующий электрод. Частота импульсов вибрации электрододержателя составляет 100 Гц. Амплитуда вибрации – 0,3 мм. Нормальная работа вибратора обеспечивает оптимальную производительность процесса при хорошем качестве обработанной поверхности детали. Установка «Элитрон-22А» представлена на рис.6.19.

Установка «UR-121» имеет два режима работы. При режиме «НОРМА» производится легирование с обычной частотой вибрации - 100 Гц. При режиме «ТУРБО» – легирование с повышенной частотой порядка 400 Гц. Режим «НОРМА» используется для получения максимально возможной толщины покрытия при данном электрическом режиме. Режим «ТУРБО» используется, если необходимо повысить частоту обработанной поверхности после режима «НОРМА» или получить чистовое покрытие с повышенной производительностью. Режим «ТУРБО» используется после или вместо режима «НОРМА».

Установка «Эльфа-731» обеспечивает легирование поверхности по программе в автоматическом режиме. Особенностью этой установки является отсутствие механического воздействия электрода на обрабатываемую поверхность, что позволяет получать покрытия толщиной 5-10 мкм с низкой пористостью и шероховатостью в пределах 1,254,0 мкм. Недостатком этой установки является малая мощность генератора импульсов тока и ограниченность номенклатуры применяемых электродов. (Установка комплектуется электродами стержневого типа диаметром 1,0 мм из сплава ВК6). В таблице 6.4 приведены оптимальные режимы ЭИЛ.

Таблица 6.4. Характеристики оптимальных режимов ЭИЛ

Режим	Рабочий ток, А	Время легирования, мин./1см2	Толщина слоя, мкм	Шероховатость обработанной пов-ти Ra, мкм
Мягкий	0,25-0,80	1,0 – 1,5	0,005 – 0,015	2,5 – 6,3
Средний	1 - 2	1,5 – 2,0	0,01 – 0,013	20 – 160
Грубый	2 - 3	2 - 3	0,02 – 0,050	160

Легирование производится при постоянном перемещении электрода по легируемой поверхности в различных направлениях со скоростью 0,5–2,0 см/с. В процессе ЭИЛ поверхность периодически просматривается в лупу с четырехкратным увеличением. На легированной поверхности не допускаются прижоги, пропуски в покрытии и бугры.

В двигателе АЛ-31ф и его модификациях ЭИЛ нашло широкое применение. В частности наружные и внутренние кольцевые поверхности деталей наружного контура (шарниры, втулки, обтюраторы, каретки и др.) из титановых сплавов легируются твердым сплавом Т15К6 и графитом. Торцевые поверхности замков статорных лопаток и уплотнительных секторов компрессора из титановых сплавов ВТ3 и ОТ4-1 легируются никелем.

В корпусе редуктора центральной коробки передач (ЦКП) из сплава ВТ-20Л в местах посадки обойм подшипников произведена замена гальванического никеля на ЭИЛ сплавом Т15К6, что позволило улучшить работу на трение деталей из титановых сплавов, которые плохо работают на трение, особенно в паре друг с другом.

При использовании ЭИЛ дополнительной обработки легированных поверхностей не требуется. Допускается легкая доводка и полировка. В отдельных случаях, где к легированной поверхности предъявляются высокие требования по шероховатости, геометрии и размерам, доводка поверхности производится механическим шлифованием эльборовым кругом.

РЕМОНТ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

На характер дефектов камеры сгорания основное влияние оказывают температурные воздействия. Из-за неравномерного нагрева жаровых труб по оси, радиусу и в окружном направлении возникают температурные напряжения. На жаровых трубах, патрубках, кожухах, диффузорах появляются термоусталостные трещины.

Неполное сгорание топлива и наличие в нем серы и других веществ приводит к нагарообразованию. Слой нагара на стенках ухудшает охлаждение камеры, создает условия для местного перегрева, что вызывает коробление и растрескивание.

Колебания давления газов в ГВТ и колебания участков камер сгорания при резонансных частотах могут вызвать усталостные трещины и разрушения. Процессы зарождения и развития трещин стимулируются концентраторами напряжений: отверстиями, заклепками, сварными швами, резкими изменениями размеров.

Газовая коррозия поверхностей ГВТ снижает статическую и динамическую прочность деталей. В посадочных поясах возникают износы при трении, вызывающие наклепы, которые нарушают посадки, центрирование корпусов и диффузоров. Износ при трении может быть очень значительным.

Технические требования на ремонт камеры сгорания регламентируют следующие параметры:

точность формы и размеры посадочных поверхностей корпусов, кожухов, жаровых труб;
величина биения, осевые зазоры, зазоры в щелях поверхностей жаровых труб;
неперпендикулярность торцевых поверхностей фланцев к посадочным поверхностям;
неплоскостность поверхностей стыков;
герметичность сварных соединений.

Основу ремонта камер сгорания составляет ремонт корпусов и жаровых труб. Технологической особенностью ремонта является преобладание узловой обработки. Эта особенность обусловлена большим количеством неподвижных неразъемных соединений в узлах камер сгорания. При восстановлении таких соединений широко используется сварка.

Основными элементами камеры сгорания являются корпус камеры сгорания, жаровая труба и топливный коллектор.

Конструктивная схема камеры сгорания представлена на рис. 3.7.

РЕМОНТ КОРПУСА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Корпусы камеры сгорания в процессе узловой обработки подвергаются: проверке на герметичность по сварным швам; испытанию, контролю и восстановлению размеров и формы рабочих и посадочных поверхностей; устранению поверхностных дефектов и трещин.

Герметичность сварных швов проверяется методом проникающих жидкостей. Если обнаруживается трещина, шов подваривается и проверка повторяется. Периодически корпусы после проверки швов на герметичность проходят гидроиспытания, при которых во внутренних полостях корпуса создается давление жидкости 78 МПа, что соответствует рабочим давлениям при больших сверхзвуковых скоростях полета (см. ниже). После испытаний производится контроль геометрических размеров. Выявленные искажения формы и размеров

устраняются слесарными методами, механической обработкой. В процессе обработки должны обеспечиваться плоскостность и параллельность торцов фланцев, точность формы и размеров центрирующих поверхностей корпусов. Там, где можно, в качестве баз используются посадочные поверхности подшипников опор.

Определение технического состояния деталей и узлов корпуса камеры сгорания. Одним из важнейших качеств камеры сгорания является равномерность температурного поля на выходе в окружном направлении и изменение температуры газа в радиальном направлении (по высоте лопатки) по требуемому закону в соответствии с нормами ТУ. Нарушение этих требований может привести к местным перегревам и оплавлениям частей жаровых труб и их короблению, перегреву лопаток сопловых аппаратов, местному увеличению температуры газа перед турбиной, деформации корпусов турбины.

У каждой камеры, прошедшей ремонт, производится проверка неравномерности поля температур газа на полноразмерной установке. В случае несоответствия неравномерности полей температур установленным нормам камера сгорания направляется для проверки соответствия ее изготовления чертежу и доработки согласно инструкции.

При дефектации корпуса камеры сгорания проверяются диаметры крышки лабиринтов: А, Б, В, Г, Д (рис.6.20). Допускается изменение диаметров крышек лабиринтов в пределах, обеспечивающих зазоры согласно нормам, оговоренным в ТУ. Фактическое значение диаметров записывается в ведомость обмеров. При несоответствии диаметральных зазоров установленным нормам крышку лабиринтов заменяет.

При дефектации также проверяется врезание по сотам от гребешков лабиринта ротора КВД, намины по сотам, выкрашивание сот. Если эти дефекты находятся в пределах установленных норм, крышка лабиринтов допускается к дальнейшей эксплуатации. В случае превышения норм она подлежит замене.

При изготовлении в серийном производстве и после ремонта каждый корпус камеры сгорания проходит проверку на прочность и герметичность давлением воды. Гидроиспытания проводятся на установке, принципиальная схема которой приведена на рис.6.21. Корпус камеры сгорания устанавливается на приспособление, при помощи которого создается герметичность внутренней полости. Далее происходит плавное ступенчатое нагружение полостей давлением Р1 (Р1=3,5 МПа) и Р2 (Р2=0,875) МПа воды с выдержкой на каждой ступени в течение 3 мин.

Осмотр камеры производится после выхода на давления Р1 = 2,8 МПа и Р2 = 0,7 МПа и выдержки при этом давлении в течение 10 мин. Скорость нагружения и снятия давлений оговаривается в ТУ. Герметичность при испытаниях должна быть полная. При обнаружении негерметичности на сварных швах корпуса отмечаются места течи. Производится разделка мест негерметичности и подварка сварных швов в местах разделки. Сила тока, марка и диаметр присадочной проволоки, марка электрода, расход аргона оговариваются в ТУ. После подварки производятся повторное гидроиспытание корпуса камеры сгорания.

Для периодического контроля качества изготовления корпусов камер сгорания в серийном производстве ежегодно проводятся статические испытания корпусов до разрушения. Во время этих испытаний корпус камеры сгорания плавно нагружается внутренними избыточными давлениями Р1 = Р2 = 0,8 МПа, после чего осуществляется визуальная оценка герметичности стыков приспособления и сброс давления.

Затем производится плавное ступенчатое нагружение камеры внутренними избыточными давлениями Р1 и Р2 до разрушения корпуса камеры. Отношения избыточных давлений разрушения корпуса камеры сгорания должно быть Р1 / Р2  7,0/1,75 МПа. При получении избыточного разрушающего давления меньше указанного выше уровня, испытанию подвергаются дополнительно два корпуса камеры.

При получении отношения давлений разрушения меньше Р1 / Р2 = 5,30/1,325 проводятся исследования причины разрушения по специальной программе. В этом случае на корпусе камеры сгорания, прошедшим статические испытания до разрушения, проводятся следующие работы:

вырезается из корпуса дефектное место;
замеряются толщины всех элементов стенки корпуса вдоль излома;
проводится металлографическое исследование материала;
определяются механические свойства материала.

На основе исследований и проведенных работ принимается решение по устранению дефекта.

РЕМОНТ ЖАРОВОЙ ТРУБЫ

Ремонт жаровых труб включает следующие операции: подготовку к ремонту, восстановление, доработку и замену деталей (частей), сборку, узловую сборку и испытание. Подготовка к ремонту заключается в проведении качественной дефектации. При этом в зависимости от типа камеры сгорания производится частичная или полная разборка для очистки и дефектации трудно доступных мест. Тщательно проверяются сварные швы. В некоторых случаях хорошие результаты дает удаление нагара путем «выжигания». Оно осуществляется нагревом жаровой трубы до температуры 600-700С, при которой нагар из-за выгорания углерода утрачивает сцепляемость со стенками и легко удаляется при легком простукивании.

Жаровая труба на двигателе АЛ-31Ф изготовляется двух типов: точеная и листовая.

Ремонт листовых жаровых труб. Конструктивная схема листовой камеры сгорания с указанием размеров, которые контролируются во время ремонта, приведена на рис.6.22. Характерные дефекты жаровых труб представлены на рис.6.23. Важным этапом при ремонте является определение технического состояния жаровых труб. Ниже приведены некоторые характерные дефекты, которые могут появиться во время эксплуатации, и методы их устранения:

потеря подвижности завихрителя и выработка его посадочных мест. В этом случае завихритель дорабатывается;
суммарное смещение поверхностей Ф734,5 А3 и Ф620,5 С3 от номинального положения на величину более 2,0 мм;
увеличение зазоров между патрубками на величину более 2,2 мм. Патрубки рихтуются до получения чертежных размеров;
обгар, оплавление и трещины выходных кромок и ребер патрубка. В пределах допустимых норм устраняется зачисткой, В противном случае головка заменяется;
трещины: у компенсационных прорезей обечайки, на обечайке, от отверстий компенсационных прорезей, от отбортовки отверстий до торца обечайки, по основному материалу, по перемычке между отверстиями и по сварному шву, и расходящиеся трещины от кромок основных отверстий, и др. Если трещины в пределах допустимых норм, жаровая труба допускается к дальнейшей эксплуатации. В противном случае трещины завариваются АДС с последующей зачисткой швов шлифовальной головкой.
уменьшение и увеличение щелей охлаждения на внутреннем и наружном смесителях сверх допустимых норм (рис. 6.22) устраняется рихтовкой с применением специальных оправок и щупов;
местные сколы теплозащитного покрытия ВКПН-5 на поверхностях жаровых труб сверх допустимых норм перепокрываются;

Замена головки, наружного смесителя и внутреннего смесителя жаровой трубы. Листовая жаровая труба по сравнению с точеной боле приспособлена для ремонта и восстановления ее элементов. При замене головки срезаются заклепки 3 (рис.6.22) и снимается наружный смеситель 4 с головки жаровой трубы. Отрезается хвостовая часть головки жаровой трубы по сварному шву приварки воздухозаборника 6 в месте А. Затем головка жаровой трубы устанавливается на специальное приспособление, в котором центрируется по семи отверстиям Б в кронштейнах 7 и закрепляется. Подрезается торец воздухозаборника 6 до необходимого размера, острые кромки притупляются, размеры контролируются штангенрейсмасом. Зачищаются до металлического блеска поверхности под аргонно-дуговую сварку в воздухозаборнике, головке жаровой трубы, обечайки и внутреннего смесителя. Привариваются все детали сборочной единицы АДС. После сварки жаровая труба устанавливается на контрольно-измерительный прибор с фиксацией по семи отверстиям Б для проверки ее размеров и биения поверхностей. Для обеспечения величины биения допускается легкая рихтовка внутреннего смесителя.

Производится нанесение покрытия ВКПН-5 на внутреннюю поверхность смесителя и головки жаровой трубы по месту сварки.

После этого головку жаровой трубы с внутренним смесителем устанавливают на приспособление и центрируют по отверстиям Б. Наружный смеситель подгоняется по сопрягаемой поверхности к головке жаровой трубы, обеспечивая плотное прилегание поверхностей в местах клепочного соединения. Наружный смеситель 4 устанавливается на головку жаровой трубы и фиксируется в угловом положении по отверстию В. Далее в головке жаровой трубы через отверстия в наружном смесителе 4 рассверливаются равномерно по окружности 12 отверстий. Прошиваются детали 2 и 4 технологическими заклепками и рассверливаются последовательно остальные 100 отверстий через отверстия в наружном смесителе. Удаляются из 12 отверстий технологические заклепки и производится клепка наружного смесителя (рис. 6.24).

Собранная жаровая труба устанавливается на приспособление и проверяется размер 304,5 и биение поверхности Г относительно осей отверстия Б. Допускается рихтовка наружного смесителя.

Нанесение покрытия ВКНП-5 на внутреннюю поверхность жаровой трубы Нанесение теплозащитного покрытия ВКПН-5 наносится на внутреннюю поверхность жаровой трубы в случае его повреждения сверх допустимых норм и в местах сварных швов, сделанных во время ремонта. Подготовка поверхности под нанесение покрытия заключается в следующем. Места скола покрытий зачищаются до металлического блеска. Сварные швы и зачищенные места обезжириваются бензином и просушиваются на воздухе. Жаровая труба устанавливается в пескоструйную камеру, и зачищенные места обрабатываются электрокорундом до получения равномерной матовой поверхности. Давление сжатого воздуха при пескоструйной обработке составляет 0,40,6 МПа. После обработки электрокорундом подготовленные поверхности обдуваются сухим сжатым воздухом с целью удаления частиц электрокорунда.

Подготовленная к напылению жаровая труба устанавливается в камеру напыления. Места напыления протираются спиртом и просушиваются.

Эластичный шнур ВКНА заправляется в горелку, посредством которой осуществляется нанесение покрытия. Шнур должен быть диаметром 3,9  4,4 мм. В процессе работы допускается подбор и смена сопел горелки по фактическому диаметру шнура.

Горелка с вставленным в нее шнуром подводится к месту напыления и включают вращатель камеры напыления, затем зажигают горелку и напыляют подслой ВКНА на зачищенные поверхности газоплазменным методом толщиной 0,050,1 мм. Толщина слоя покрытия обеспечивается технологически за один проход.

Режим напыления: давление ацетилена 0,060,1 МПа; давление кислорода 0,40,6 МПа; давление внутреннего распыляющего сжатого воздуха 0,20,3 МПа; давление внешнего загибающего сжатого воздуха 0,60,7 МПа; расстояние от сопла до напыляемой поверхности 80...100 мм; скорость подачи шнура 150200 мм/мин.

По той же технологии производится напыление покрытия ВКПН-5 на поверхности, покрытые слоем ВКНА. Толщина покрытия 0,10,2 мм обеспечивается технологически за два прохода. Разрыв по времени между нанесением покрытий ВКНА и ВКПН-5 не более 2-х часов.

Ремонт точеных жаровых труб. Элементы жаровых труб камер сгорания работают в сложных условиях термомеханического нагружения. Наиболее трудные условия работы в сужающейся части проточного участка камеры сгорания. Особенно термонапряженными являются экраны внутренней стенки, направляющие воздух. Они разогреваются значительно сильнее (до 1100 С), чем внутренняя часть корпуса (550-770 С). Термические напряжения, возникающие в экранных козырьках на рабочем режиме, сжимающие, превышающие предел упругости. Материал ползет, экран укорачивается. В эксплуатации во время выключения двигателя сократившийся в размерах экран начинает с охлаждением растягиваться. После выработки в эксплуатации 1-го ресурса наблюдается сильное растрескивание направляющих экранов в этой части газового тракта.

Возможность повышения термоциклической долговечности путем замены материала на более жаропрочный сплав ВЖ145 или ВХ4А исследовалась в ЦИАМе. В диапазонах термоциклирования 250 – 900С, 250 – 1000С, 250 – 1100С ресурс образцов на базе 200-300 циклов увеличился с заменой материала, примерно, на 50 %, а для базы в 1000 теплосмен, примерно, в 2 раза.

Более радикальным мероприятием, проведенным на ММПП «Салют», была замена поврежденного участка жаровой трубы во время ремонта на новый. При этом сохраняется самая дорогостоящая часть камеры.

Наружный корпус камеры сгорания составной, разборный и проблем с заменой поврежденного участка не возникает. Внутренний – неразъемный из сварных колец. Поэтому для замены поврежденной части ее отрезают, а затем приваривают новую. Повторная сварка вызывает изменение структуры и химического состава материала в основной (старой) части жаровой трубы, что может привести к ухудшению ее прочностных свойств.

В связи с этим был исследован вопрос влияния повторной сварки на прочностные характеристики сварного шва и зоны термического влияния сварки.

Для правильного выбора технологии ремонта жаровых труб необходимо было исследовать температурный режим стенок жаровых труб, с тем чтобы определить места сварных швов при ремонте и исследовать структуру материала самого шва и околошовной области, а также исследовать напряжения в различных частях жаровой трубы на разных режимах работы двигателя.

С этой целью были проведены работы по термометрированию жаровой трубы для определения температуры максимального нагрева стенки жаровой трубы в районе места приварки ремонтной секции. Температурные данные были необходимы для проведения усталостных ресурсных испытаний сварного шва жаровой трубы.

С жаровой трубы был снят наружный смеситель, отрезан внутренний смеситель с головки жаровой трубы и приварены новые секции внутреннего смесителя. Качество сварного шва проверялось визуально с использованием лупы четырехкратного увеличения и рентгеноконтролем.

В камере сгорания была установлены термопары, а затем проведены огневые испытания с замером температурного поля и определением температуры стенки жаровой трубы. Также были определены скорости нарастания температур на выходе их компрессора, на выходе из турбины и температуры перегрева стенки жаровой трубы в местах установки термопар.

Полученные результаты термометрирования жаровой трубы использовались при разработке технологии ремонта камеры сгорания.

Были проведены испытания на термоусталость образцов из материалов камер сгорания ВХ4А и ВЖ145 по режимам теплосмен, С: 250  900, 250 1000, 250 1100. Внутренний корпус жаровой трубы на рабочем режиме нагружен не только внутренним давлением, но и растяжением от сильно разогретых экранных козырьков, т.е. при максимальной температуре корпус в отличие от экрана будет растянут. Во время охлаждения камеры в элементах внутреннего корпуса возникают сжимающие термические напряжения от охлаждающихся экранов. Таким образом, режим нагружения внутреннего корпуса противофазен режиму нагружения экранов.

В ЦИАМе были проведены испытания образцов, вырезанных из внутреннего корпуса жаровых труб и образцов из экранных козырьков. Воспроизведение эксплуатационных условий работы образцов было осуществлено на машине с термомеханическим нагружением. Испытывались три партии образцов: 1) не имеющих эксплуатационной наработки, 2) с эксплуатационной наработкой 294 часа и 3) прошедших ремонт после эксплуатационной наработки. Циклическая долговечность определялась по наработке до полного разрушения рабочего участка образца. При подборе режима испытаний заданной длительности, начальные уровни нагрузок назначались вблизи предела текучести материала при температуре 770С.

На рис. 6.25 представлена структура материала сварного образца из сплава ЭП648ВИ после разрушения. Стрелками показаны участки (1, 2, 3) с соответствующей текстурой поверхности.

Анализ результатов испытаний образцов показал, что в материале внутреннего корпуса секций жаровых труб значительного повреждения не накопилось, и циклическая долговечность образцов из новых и отработавших 500 часа секций практически одинаковая. Сопоставление экспериментальных данных показали, что предложенная технология ремонта камеры сгорания полностью восстанавливает ее сопротивление термоциклическим нагрузкам.

Таким образом, место для приварки ремонтных секций внутреннего корпуса жаровой трубы выбрано правильно.

При повреждении эмалевого покрытия жаровые трубы эмалируют заново. Старый слой эмали удаляют растворителем в кислотной ванне. После этого жаровую трубу промывают заново, нейтрализуют в содовом растворе и просушивают. Поверхности обезжиривают, промывают и сушат. Новый слой эмали наносят распылителем. Жаровая труба с нанесенным слоем эмали подвергается обжигу. После охлаждения контролируют качество эмали

РЕМОНТ ТОПЛИВНОГО КОЛЛЕКТОРА И ФОРСУНОК

Топливный коллектор предназначен для подачи топлива к форсункам. Он имеет два кольцевых канала, один из которых предназначен для подачи топлива в первый каскад форсунок, а второй – для подачи топлива во второй каскад. Топливный коллектор расположен в кольцевом пространстве между наружным и внутренним корпусами камеры сгорания (рис.3.7).

В настоящее время при работе двигателя АЛ-31Ф происходит закоксовывание канала первого каскада подвода топлива к форсунке. Это вызывает изменение расхода топлива через форсунки, расположенные в зоне закоксованного участка коллектора, что приводит к неравномерности температурного поля на входе в турбину. Наряду с этим наблюдается закоксованность соплового пакета форсунки.

Кроме этого во время эксплуатации на колпачках форсунок появляется выработка, образовываются трещины на кронштейнах коллектора и наблюдается выработка отверстий в кронштейнах крепления коллектора (рис. 6.26). Дефекты топливного коллектора на рис.6.26 выделены жирными линиями.

В результате двигатель преждевременно должен отправляться в ремонт.

Перечисленные эксплуатационные дефекты топливного коллектора устраняются при ремонте следующими мероприятиями. Удаление нагара с деталей соплового пакета форсунок и кольца коллектора производится химической очисткой деталей в специальном моющем составе, в котором нагар размягчается, с дальнейшей ультразвуковой очисткой форсунок и коллектора.

Отверстия в кронштейнах крепления коллектора восстанавливаются наплавкой металла с последующей механической обработкой под нужный размер.

Появившиеся трещины на кронштейнах коллектора завариваются аргонно-дуговой сваркой с последующим контролем сварного шва. Выработка на колпачках форсунок устраняется заменой колпачков на новые.

Закоксовывание внутреннего канала коллектора не всегда удается удалить моющими средствами и ультразвуковой очисткой. В этом случае допускается замена форсунок вырезкой закоксованного участка и впайкой нового сектора коллектора с форсунками. Замененный участок коллектора не должен содержать более шести форсунок.

Технология замены сектора в коллекторе состоит в следующем. Из коллектора вырезается сектор с дефектным местом при помощи дискового шлифовального круга, укрепленного в патрон пневмодрели. На кольцах коллектора зачищаются острые кромки и цвета побежалости до металлического блеска. При этом не допускается попадание стружки и абразива в полость коллектора.

Подлежащий установке на коллектор сектор подгоняется по зазору между его кольцами и соединительной муфтой. Зазор размером 0,050,2 мм обеспечивается за счет подгонки поверхностей сопрягаемых деталей. Далее сектор, коллектор и соединительные муфты промываются бензином и обдуваются сжатым воздухом. Сектор, соединительные муфты и коллектор устанавливаются на специальный стапель. Соединительные муфты прихватываются к кольцам коллектора аргонно-дуговой сваркой. В технологической карте указывается режим сварки: сила тока, марка электрода, присадочный материал, сорт аргона.

После этого на паяемые поверхности укладывается припой в виде проволоки (рис. 6.27) с каждой стороны соединительной муфты по шесть-восемь витков и прихватывается точечной сваркой.

Подготовленный таким образом для пайки коллектор устанавливается на стапель и закрепляется жестко при помощи специальных колец и клиньев. Пайку коллектора осуществляют в контейнере, схема которого с размещенным в нем стапелем, представлена на рис. 6.28. Для создания вакуума в контейнере предусмотрена воздухоотводная трубка 1. На кронштейны контейнера 3 устанавливается стапель 6 с коллектором и закрепляется клиньями 9. В пенал 7 засыпается флюс, состоящий из порошка калия, бора и фтора. Затем на контейнер 3 устанавливают крышку 4 и приваривают к нему в месте Б по всему периметру АДС. В трубки 5 и 8 вставляются термопары и закрепляют стальной фольгой к поверхности А контейнера точечной сваркой. После этого заваривают отверстие в трубке 2 и проверяют герметичность сварного шва мыльным раствором с последующим наддувом полости контейнера аргоном. Отсутствие пузырьков на поверхности шва свидетельствует о герметичности контейнера.

Затем создается в полости контейнера вакуум не менее 510-5 рт. ст. и выдерживается в течении 10 мин для подтверждения полной герметичности контейнера. Далее срезают конец трубки 2, устанавливают постоянный расход аргона через контейнер и он загружается в электропечь, прогретую до температуры 1200С. Пайка осуществляется в среде аргона и флюса, пары которого заполняют пространство контейнера. В печи контейнер выдерживают в течение 58 минут. При этом температура пайки контролируется по электронному потенциометру и уточняется по плавлению припоя.

По окончании процесса пайки качество паяных швов проверяются визуально и с применением ренгеноконтроля.

РЕМОНТ ФОРСУНОК

Характерным дефектом деталей распылительного пакета форсунки является эрозионный износ под действием быстродвижущегося топлива в тангенциальных пазах завихрителя и распылителя, в выходном сопле распылителя. Эрозия влияет на производительнсть форсунки и искажение факела распыляемого топлива. Это вызывается различием в размерах и форме тангенциальных пазов одного и того же завихрителя или распылителя, отклонениями от правильной формы конуса и выходного сопла распылителя.

Определение пропускной способности форсунок и оценка неравномерности распыла топлива производится на специальных стендах. На этих стендах испытываются одновременно несколько форсунок и замеряется расход через них. Также контролируется качество и равномерность распыла.

Испытание форсунок заключается в проверке следующих параметров: производительности форсунки при разных давлениях на входе; неравномерности распределения топлива вокруг оси факела распыла, который делится обычно на 12 секторов и расход определяется в каждом секторе; угла и качества распыла, давления открытия и герметичности обратных клапанов форсунки.

По производительности форсунки разделяются на несколько групп. На каждом двигателе для получения равномерного поля температуры газов перед турбиной устанавливаются форсунки только одной группы.

Во время дефектации распылителя и завихрителя замеряются размеры, определяющие производительность форсунки и форму факела распыляемого топлива.

В случае, если корпус форсунок и коллектор представляют собой разборную конструкцию, ремонт форсунок может осуществляться по следующей технологии 16.

Перед ремонтом форсунки тщательно обезжиривают в многокомпонентных обезжиривающих растворах или в растворах для электрохимического обезжиривания. Составы растворов приводятся в работе [16]. Форсунки очищают от нагара путем его размягчения в жидкости следующего состава, %: раствор масла касторового сульфидированного в воде (1:2 по объему) – 75; 10 %-ный раствор гидрооксида натрия (едкого натра) – 5 %; этилцеллозольв - 20. Форсунки, размещенные в специальном приспособлении, погружают в ванну с жидкостью, имеющей температуру 70-75 С, и выдерживают в течение одного часа, а затем погружают ванну, содержащую 0,5 %-ный водный раствор препаратов ОП-7 или ОП-10, нагретый до 40-50 С. Этим раствором с помощью жестких волосяных щеток удаляют размягченный нагар, после чего форсунки промывают теплым водным раствором, содержащим по 0,2 % по массе карбоната натрия (кальцинированной соды) и бихромата калия (хромпика), и сушат сжатым воздухом.

Собранные форсунки проверяют на герметичность, равномерность и угол распыла. Контролируется также расход топлива через форсунку. Испытания проводят как в холодном, так и в горячем состоянии.

Дефектами форсунок являются: негерметичность, которая может явиться причиной отклонения факела пламени, прогара камеры сгорания и неравномерности температурного поля за камерой сгорания; равномерность расхода топлива через форсунки.

Детали форсунок подвергают магнитному контролю. Форсунки с трещинами бракуют. Визуально выявляют эрозию металла, выгорание и газовую коррозию. Детали с этими повреждениями также бракуют.

Все уплотнительные торцы форсунки должны быть без повреждений и деформаций. Собранная форсунка допускается к работе, если она полностью герметична в горячем состоянии.

РЕМОНТ ТУРБИНЫ

Узел турбины относится к наиболее напряженным элементам двигателя. Условия работы характеризуются не только очень высокими уровнями рабочих температур, но и частыми сменами их значений, что приводит к потере прочности материала лопаток и разрушению защитных покрытий на поверхности лопаток. Проточная часть турбины подвержена воздействию высокоскоростного потока газа, который содержит агрессивные компоненты вызывающие газовую коррозию лопаток. Кроме того, в потоке газа находятся твердые частицы, приводящие к повреждению поверхности лопаток и их абразивному износу.

В процессе эксплуатации на лопатках турбины могут появляться местные зоны перегрева, образовываться трещины как на пере лопатки, так и в районе перфорации, выработка и наклеп на втулках под цапфы блоков сопловых аппаратов, износ бандажных полок и т.д.

С перепадами температур связаны деформации и усадка корпусов. Внутренняя часть корпуса нагревается сильнее наружной, обдуваемой воздухом. Внутренний диаметр остывающего корпуса быстро уменьшается. В слоях металла, примыкающей к внутренней поверхности, возникают напряжения сжатия, в наружных – растяжения. Создаются условия для пластических деформаций корпуса, возникает коробление, изменение посадок. Последствия нагрева выражаются и в недопустимых структурных превращениях в металле.

Ползучесть вызывает необратимые деформации лопаток и дисков. Усугубляющее влияние оказывают повреждения поверхностного слоя. Даже мельчайшие трещины (размером до 1 мкм) значительно снижают сопротивление ползучести. Остаточные удлинения от ползучести рабочих лопаток и дисков изменяют радиальные зазоры.

Перечисленное налагает свой отпечаток на технические требования и технологию ремонта. Большинство дефектов так или иначе связано с вибрациями. Снижение вибраций достигается многократными выверками биений, сложной системой уравновешивания роторов. Технические требования предусматривают ограничения на следующих параметров:

радиальных зазоров между корпусом турбины и рабочими лопатками, ободами дисков и бандажными полками, в лабиринтных уплотнениях;
размеров и биений посадочных поверхностей валов, дисков, рабочих колес, сопловых аппаратов, шлицов, лабиринтных поясов, сопрягаемых с гребешками лабиринтов;
отклонений от плоскости, перпендикулярности и концентричности рабочих поверхностей фланцев корпусов, сопловых аппаратов;
отклонений формы и размеров контура пера рабочих и сопловых лопаток в расчетных сечениях, елочного замка, бандажных полок, гребешков лабиринтов, елочных пазов дисков;
чистоты рабочих поверхностей деталей;
люфтов лопаток и зазоры в бандажных поясах;
остаточных дисбалансов валов, дисков, рабочих колес, ротора в целом;
площади проходного сечения сопловых аппаратов;
частоту собственных колебаний рабочих лопаток.

Перечисленные выше эксплуатационные дефекты снижают ресурс как турбины в целом, так и отдельных ее элементов. Учитывая, что лопатки, диски, корпуса, валы и другие детали турбины изготовляются из очень дорогостоящих сплавов, как правило, на основе никеля и хрома, технология производства, в особенности лопаток, чрезвычайно трудоемка, остро встает вопрос о ремонте и восстановлении работоспособности турбины.

ПРИМЕНЕНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ПРИ РЕМОНТЕ ЛОПАТОК

В материале лопаток в процессе эксплуатации под влиянием высоких температур и приложенных напряжений накапливаются структурные изменения, приводящие к понижению их несущей способности.

Структурные изменения, происходящие в материале лопаток, заключаются в укрупнении гамма-штрих фазы [18], а также в «вытягивании» ее в направлении максимально приложенных напряжений. Исходная гамма-штрих фаза расслаивается на фракции по разному обогащенные образующими элементами (Ti,Al), приводящей к химической неоднородности сплава.

В результате карбидных реакций изменяется природа исходной карбидной фазы и происходит дополнительное выделение карбидов по границам и внутри зерен. По границам зерен повышается плотность дислокаций, в приграничных зонах и междендритных областях развивается субмикроскопическая пористость.

Часть изменений структуры, возникающих при эксплуатации двигателя, являются обратимыми и могут быть устранены термической обработкой. Термической обработкой удается восстановить морфологию гамма-штрих фазы, уменьшить плотность накопленных дислокаций, «залечить» субмикропоры.

В процессе металлографического исследования лопаток после различной наработки были установлены типы характерных структур. Исследования проводились на лопатках из материала ЖС6У. Места вырезки образцов для металлографического исследования представлены на рис.6.29.

Структура двух типов, представленная на рис.6.30а и 6.30б,

свидетельствует об эксплуатации лопаток при напряжениях и температурах, близких к расчетным. Особенностью таких структур является отсутствие разной дисперсности гамма-штрих фазы.

Структура, приведенная на рис. 6.30в, характерна при длительной эксплуатации на предельно допустимом напряжении при расчетных температурах и характеризуется «вытянутой» гамма-штрих фазой в направлении максимально приложенных напряжений. На рис.6.3,г показана структура, свидетельствующая об эксплуатации двигателя при температурах,

выше расчетных. Она характеризуется резко выраженной дисперсностью гамма- штрих-фазы, а также ее повторным выделением.

Необходимость применения восстановительной термообработки при ремонте лопаток определяется по структурному состоянию материала, оцениваемого электронномикроскопическим методом, и уровнем механических характеристик материала после их наработки в составе двигателя.

Восстановительная термообработка малоэффективна в случае критической плотности дислокаций 7×109 1/см2, при которой начинается зарождение микротрещин по границам зерен. Такую плотность дислокаций следует считать структурным критерием предразрушения сплава, поэтому эффективное восстановление структуры возможно до момента появления плотности дислокаций 7×109 1/см2.

Термообработка обеспечивает восстановление структуры и свойств сплава и увеличивает назначенный ресурс двигателя в 1,5¸2,0 раза. На рис. 6.30 д представлена структура сплава после восстановительной термообработки.

Режимы восстановительной термообработки подбираются опытным путем для конкретного изделия. Оценкой правильности выбранного режима является соответствие механических свойств и циклических усталостных испытаний соответствующих техническим требованиям.

Восстановительная термообработка проводится в вакуумных печах при остаточном давлении не более 1×10-4 мм. рт. ст. и скорости охлаждения не менее 40 С°/мин.

6.11.2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ БАНДАЖНЫХ ПОЛОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ДУГОВОЙ НАПАЙКОЙ В ВАКУУМЕ

Охлаждаемые лопатки газовой турбины являются наиболее нагруженными деталями, которые нагреваются до температур 800-1000С и подвержены высоким растягивающим, знакопеременным изгибным напряжениям и контактным напряжениям.

В связи с этим рабочие лопатки изготавливаются в основном из литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, что позволяет довести ресурс работы материала лопаток при интенсивном конвективно-пленочном охлаждении до 1500 часов и более.

Однако из-за высоких вибрационных и контактных напряжений, а также относительно низкой окалиностойкости этих сплавов в местах соприкасания бандажных полок между собой происходит интенсивный износ их контактных поверхностей. Это сокращает ресурс работы лопаток до нескольких сотен часов, хотя замок, перо и полка еще пригодны к длительной эксплуатации.

Поэтому повышение износостойкости контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД и восстановление изношенных лопаток является весьма актуальной и одновременно сложной задачей в основном из-за металлургических особенностей сплавов типа ЖС6У и ЖС6К, которые относятся к классу несвариваемых сваркой плавлением.

При изыскании способов упрочнения и восстановления контактных поверхностей полок лопаток в различных НИИ и на ряде предприятий отрасли были опробованы детонационный и электроискровой методы, сварка электронным лучом, пайка в печах с общим нагревом в среде инертного газа и вакууме, пайка электроконтактным нагревом, наплавка дугой в среде аргона. Указанные методы подробно описаны в [31]. Однако эти способы при восстановлении бандажных полок практического применения не нашли.

Анализ всех способов упрочнения и восстановления контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток показал, что наиболее приемлемым является способ высокотемпературной напайки пластин из более износостойкого материала с использованием локального источника энергии. Условия, необходимые для напайки износостойких пластин к контактным поверхностям полок лопаток, сформулированы в [35, 36]:

В зоне теплового воздействия источника энергии максимальная температура паяемых материалов не должна превышать температуры их опасных структурных превращений (1220–1240С), так как при этой температуре начинают расплавляться расположенные в междендритных участках локальные объемы легкоплавкой эвтектики, что приводит к необратимому понижению жаропрочности и пластичности высокожаропрочных сплавов.
Температура пайки должна находиться в диапазоне 1170–1220С, так как температура плавления промышленных припоев на никелевой основе всего на 20–100С ниже температуры плавления высокопрочных сплавов.

3. Качественную пайку можно осуществить локальным источником теплоты при неподвижном пятне нагрева только при создании стационарного температурного поля, скорость изменения которого не должна превышать 1–3 С/с, что обеспечивает сведение к минимуму влияние фактора времени при дальнейшем нагреве после образования паяного соединения.

К локальному источнику, удовлетворяющему этим условиям, можно отнести дуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме. Схема процесса пайки ДРПК представлена на рис.6.31. В водоохлаждаемой горелке 1 находится находится неплавящийся катод 3, представляющий собой полый цилиндр, выполненный из тугоплавкого металла (тантала или вольфрама), через который подается плазмообразующий газ – аргон. Контакт плазмы дугового разряда с полым катодом осуществляется во внутренней полости цилиндра.

Анализ расчетных температурных полей в зоне паяемого соединения показал:

неподвижным круговым источником теплоты можно получить в зоне паяного соединения в течение 30–60 с температурное поле, близкое к стационарному;
для проведения качественной пайки соединений требуемых размеров тепловые параметры локального источника энергии должны находиться в пределах: коэффициент сосредоточенности от 0,5 до 2,5 см2; эффективная мощность – от 300 до 900 Вт.

Исследования тепловых характеристик ДРПК в зависимости от параметров режима и сравнение их с расчетными позволили установить, что ДРПК по тепловым характеристикам вполне обеспечивает требуемый прогрев указанных соединений для высокотемпературной пайки и область его оптимальных параметров режима находится в диапазоне: ток разряда от 10 до 25 А; длина дугового промежутка от 20 до 35 мм; расход аргона через полый катод от 1,5 до 2,5 мг/с при диаметре полости катода 3-4 мм [20].

Более подробно особенности технологического процесса изложены в [19]. Здесь отметим лишь то, что площадь торцевой поверхности лопатки, где расположены паяемые соединения, должна быть как минимум в 1,5-2,0 раза больше площади пятна нагрева ДРПК на режимах для пайки. Поскольку при дуговой пайке площадь пятна нагрева, как правило, больше площади бандажной полки рабочей лопатки, то на практике торцевую поверхность следует искусственно увеличивать за счет специального приспособления.

Следующим этапом при разработке технологии упрочнения и восстановления контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток был выбор материала пластин и припоя и отработка процесса дуговой пайки в вакууме на лопатках.

В конце 70-х годов ВИАМ разработал ряд припоев на никелевой основе, в частности ВПр24 и ВПр27, которые по жаропрочным характеристикам превосходили существующие отечественные припои. Поэтому для напайки пластин на контактные поверхности за базовый был взят припой ВПр27. Предпочтение этому припою было отдано благодаря более низкой температуре пайки (1170-1180С) по сравнению с ВПр24 и получению его в виде аморфной фольги толщиной 30–60 мкм.

Исследования изношенных поверхностей бандажных полок показали, что материал пластин, применяемых для упрочнения и восстановления этих поверхностей, должен обладать более высокой жаростойкостью и горячей твердостью, чем материал лопатки. В связи с этим были выбраны следующие материалы: ВКНА-2, ВЖЛ-15, ВЖЛ-2.

Подготовка контактных поверхностей под пайку включает в себя механическую обработку на глубину 1,5-2 мм и зачистку бандажной полки. Особенно тщательная зачистка поверхностей необходима в алитированных лопатках после эксплуатации, так как наличие алитированного или окисленного слоя препятствует смачиванию и растеканию припоя.

Пластины требуемых размеров после механической обработки подвергаются рентгенконтролю и цветной дефектоскопии на отсутствие трещин. Припой в виде фольги вырезается по периметру на 2-3 мм больше, чем контактная площадь пластины, и прихватываются к пластине конденсатной сваркой в двух точках. Выступающая часть фольги служит для визуального контроля за началом плавления припоя. Подготовленные таким образом пластины собираются в специальное приспособление, которое обеспечивает фиксацию лопаток и постоянное поджатие пластин к контактным поверхностям во время пайки.

Под действием давления сжатия порядка 2–3 МПа, расплавленный припой частично выдавливается из зазора, что способствует повышению прочности паяного соединения. Специальное приспособление позволяет одновременно загружать в вакуумную камеру 40–50 лопаток.

После загрузки приспособления с лопатками в камеру и получения в ней после откачки воздуха рабочего давления порядка 6–810-2 Па производится процесс дуговой пайки. Как отмечалось выше, место, где происходит пайка, обдувается аргоном. При напайке пластин размером 531,5 мм к контактным поверхностям рабочей лопатки первой ступени ТВД оптимальным был следующий режим ДРПК: ток разряда 12–15 А; напряжение 32–34 В; длина дугового промежутка разряда 20–23 мм; диаметр полости титанового катода 3,0–3,2 мм.

Процесс пайки контролировался по плавлению выступа фольги и растеканию припоя со стороны, обратной пятну нагрева ДРПК. После плавления припоя производилась выдержка при температуре пайки 12–15 с.

Измерения максимальных температур в бандажной полке с помощью термопар в процессе нагрева паяемого соединения показали, что температура в месте перехода бандажной полки в перо не превышала 800–850 С.

Оптический контроль рабочих лопаток после дуговой пайки в вакууме показал, что профиль пера и размеры всей лопатки изменялись значительно меньше допустимых пределов. Эти данные свидетельствуют о высокой локальности нагрева и незначительном термическом влиянии на наиболее нагруженные части лопатки – перо и замок.

После пайки лопатки подвергаются термообработке при 950С в течение трех часов, механической обработке паяного соединения в соответствии с чертежом и контролю зоны пайки люминесцентно-цветным методом.

Металлографические исследования паяных соединений на опытной партии лопаток показали, что их качество удовлетворяло всем необходимым требованиям. Толщина паяного шва припоя ВПр27 не превышала 5-7 мкм.

Испытания на срез паяного соединения при температуре 975С непосредственно на рабочих лопатках показали, что разрушение шло по материалу пластин. Таким образом, процесс дуговой пайки позволил получить высокоработоспособные паяные соединения.

Натурные испытания проводились на стендовых технологических двигателях по специальной программе на испытательном стенде. На каждую ступень двигателя ставились лопатки с припаянными пластинами из материалов ВКНА-2, ВЖЛ-15, ВЖЛ-2 и алитированные лопатки с неупрочненными контактными поверхностями. Это позволило в одинаковых условиях испытать разные материалы пластин и сравнить их с лопаткой без напаянных пластин.

После наработки 60–70 ч на двигателе в условиях переменных режимов работы лопатки снимались с испытаний для проведения всесторонних исследований. Состояние лопаток оценивалось на основании визуального осмотра, люминесцентно-цветовой дефектоскопии, металлографии и замера износа контактных поверхностей.

Осмотр контактных поверхностей позволил расположить их по степени увеличения износа материала пластин в следующем порядке: ВЖЛ-2, ВЖЛ-15, ВКНА-2, ЖС6У. Серия натурных испытаний на технологических двигателях также подтвердила, что наиболее износостойким материалом пластин является ВЖЛ-2. Так, после наработки лопаток на двигателе в течение 100 ч контактная поверхность пластины из материала ВЖЛ-2 была блестящей и без следов схватывания. Люминесцентно цветовой контроль не выявил образования каких-либо дефектов в зоне пайки после работы лопаток на двигателе. Металлографические исследования также показали удовлетворительное качество паяных соединений. Таким образом, натурные испытания послужили убедительным доказательством необходимости внедрения в производство лопаток и их ремонт методом дуговой напайки пластин в вакууме на бандажные полки.

Результаты этих исследований позволили при участии МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВИАМ и НИИД внедрить на ФНПЦ ММПП «Салют» принципиально новый технологический процесс, не имеющий аналогов за рубежом [31].

Упрочнение контактных поверхностей полок рабочих лопаток дуговой пайкой в вакууме позволило увеличить ресурс их работы в 2-4 раза в зависимости от типоразмера лопаток и производить трехкратное их восстановление. При этом эксплуатационные характеристики пера и замка практически не изменились.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ

Создание авиационных газотурбинных двигателей последних модификаций потребовало значительного повышения температуры газа перед турбиной, снижение удельной массы двигателя, снижение затрат энергии на охлаждение рабочих лопаток турбины. Это обусловило рост рабочей температуры на поверхности лопаток на 50-100С, что в сочетании с высокой теплонапряженностью лопаток ведет к тому, что ресурс лопаток оказался меньше назначенного ресурса для двигателя в целом.

В настоящее время гарантированный ресурс лопаток турбины высокого давления из сплава ЖС6У с комплексным диффузионным покрытием (КДП) AL-Cr, без ремонта не превышает 640–700 ч, а с конденсированным ионно-плазменным покрытием (ИПП) СДП-2 составляет 300 ч. Чтобы сохранить высокие рабочие характеристики и надежность лопаток, необходимо производить их ремонт путем снятия наружного покрытия, исчерпавшего свой ресурс, и повторного нанесения покрытия. Это позволяет продлить ресурс лопаток с первоначально нанесенным покрытием КДП до 1120-1180 ч, а лопаток с ИПП до 700 ч.

Одним из основных направлений повышения надежности и ресурса деталей ГТД, работающих в условиях высоких температур, является нанесение на их поверхность жаростойких защитных покрытий.

В ВИАМе разработана вакуумно-плазменная технология высоких энергий (ВПТВЭ) [18, 19, 31], позволяющая наносить многокомпонентные покрытия из широкого круга металлических и неметаллических материалов (металлов, сплавов, нитридов, карбидов, керметов), предназначенных для защиты рабочих поверхностей деталей ГТД от воздействия внешней среды.

По методике ВПТВЭ исходный токопроводящий материал переводится в плазменное состояние с энергией частиц 10–100 эВ, плазма фокусируется в поток и ускоряется в направлении покрываемой

поверхности. В процессе взаимодействия с поверхностью она конденсируется, образуя покрытие.

Известны методы получения покрытий в вакууме путем осаждения распыленных под действием ионной бомбардировки атомов. В отличие от них процесс осаждения покрытий из ускоренных плазменных потоков имеет следующие основные преимущества:

возможность управления энергией частиц плазмы, взаимодействующих с покрываемой поверхностью, путем ускорения или торможения ионов, изменением электрического потенциала покрываемой детали;
возможность получения беспористых покрытий на шероховатой поверхности сложного профиля;
направленность потока плазмы, что обеспечивает лучшее использование испаряемого материала;
возможность осаждения покрытий при относительно низкой температуре основы, благодаря чему нет необходимости во внешней термической активации поверхности;
возможность получения покрытий сложного состава (нитридов, карбидов и др.) путем введения в поток металлической плазмы.

Для реализации метода ВПТВЭ в ВИАМЕ была разработана оригинальная промышленная установка МАП-1, позволяющая наносить покрытия из многокомпонентных сплавов на лопатки турбины и другие детали ГТД. Схема установки приведена на рис.6.32. Внешний вид установки представлен на рис. 6.33. (см. цветную вклейку). В установке МАП-1 использован вакуумно-дуговой способ генерации плазмы из материала сплава СДП-2, который является катодом. Материал катода переводится в микрокапельную фазу, которая охлаждаясь на поверхности лопаток, образует аморфное безфазное покрытие. Осаждение покрытия производится в вакууме при давлении не выше 0,05 Па при постоянном режиме работы установки, который задается током дуги и напряжением на покрываемых деталях.

На установке МАП-1 при токе вакуумной дуги 750 А обеспечивается скорость испарения жаростойких сплавов 200–215 г/ч. В качестве защитного покрытия было внедрено покрытие из сплава СДП-2 системы Ni-Cr-Al-Y, обеспечивающее защиту лопаток, изготовленных из сплава ЖС6У, от высокотемпературного окисления при температуре до 1100–1150С.

Внедрение покрытия СДП-2 на лопатках ТВД двигателя АЛ-31Ф третьей серии позволило почти в 3 раза повысить ресурс лопаток турбины по сравнению с обычным алитированием.

После выработки ресурса покрытие с лопаток удаляется путем химического травления и наносится вновь. Покрытие СДП-2 конденсированное, состоящее из двух металлографически различных фаз: бета-фазы (NiAl) и гамма-штрих фазы (Ni3Al), дополнительно легированных иттрием, повышающим жаростойкость. В твердом растворе присутствует также гамма-фаза (NiCr) и карбиды.

Толщина наносимого покрытия на пере лопатки составляет 50-70 мкм, что является оптимальным для пустотелой лопатки. Качество покрытий на лопатках контролируется внешним осмотром, взвешиванием покрываемых деталей до и после нанесения покрытия. Оценка прочности сцепления покрытия с материалом лопатки на образцах-свидетелях производилась сравнением электрических диаграмм тока вакуумной дуги и напряжения на деталях при ионной очистке с эталонными диаграммами, а также при необходимости, металлографическим анализом покрытия на лопатках-свидетелях.

Контроль толщины покрытия осуществляется по приращению массы лопатки путем взвешивания, что гарантирует толщину защитного слоя на поверхности пера лопатки.

Прочность сцепления покрытия при доводке метода проверялась путем изгиба образца-свидетеля на оправке радиусом 4–5 мм. Сцепление считалось удовлетворительным, если после изгиба образца на угол 100 градусов покрытие не отслаивалось.

Соблюдение технологии по подготовке поверхности деталей под покрытие и по нанесению покрытия гарантируют высокое качество получаемых покрытий, так как сам процесс нанесения покрытия обладает исключительной стабильностью и повторяемостью. На рис. 6.34, а представлена структура покрытия СДП-2. Покрытие имеет характерную мелкозернистую структуру, которая обеспечивает его высокую пластичность. Химический состав покрытия на сплаве ЖС6У приведен в таблице 6.5.

Таблица 6.5

Химический состав покрытия СДП-2 на сплаве ЖС6У

после нанесения и отжига (температура отжига - 1000С; время отжига 4ч)

Место измерения	Содержание элемента, % по массе
	Ni	Cr	Al	Ti	W	Mo	Co	Nb	Si	Fe	Y
Наружная зона (3 мкм от края)	67,1	22,0	10,0	-	-	-	0,4	-	-	-	0,1
Переходная зона (3 мкм от наружной зоны)	68,5	16,0	8,0	0,9	3,4	0,5	1,9	0,4	-	-	0,2
Основа	58,4	9,0	4,9	2,9	12,1	1,5	10,0	1,1	-	-	-

Стремление к увеличению ресурса двигателей потребовало помимо применения рабочих лопаток, отливаемых методом направленной кристаллизации и монокристальной ориентации из сплавов ЖС26ВИ и ЖС32ВИ, внедрения и нового защитного жаростойкого покрытия.

Такие покрытия, как СДП-2, комплексное диффузионное покрытие (Ni-Cr) + (Cr-Al-Y) из порошков, хорошо себя зарекомендовавшие на лопатках с равноосной структурой из сплава ЖС6У, уже не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к покрытию для лопаток из сплавов ЖС26ВИ и ЖС32ВИ.

Следующим шагом в развитии метода ВПТВЭ на ФНПЦ ММПП «Салют» стало внедрение разработанного в ВИАМе жаростойкого защитного покрытия из сплава ВСДП-11 для лопаток направленной и монокристаллической ориентации.

В отличие от покрытия СДП-2 это покрытие является диффузионным. Его структура и свойства формируются в процессе диффузионного отжига в результате взаимодействия нанесенного на поверхность изделия сплава ВДСП-11 c материалом основы. С 1992 года на ФНЦП ММПП «Салют» покрытие ВСДП-11 внедрено и наносится на рабочие лопатки турбины двигателя АЛ-31Ф четвертой серии и на лопатки второй ступени двигателя Д436Т1, а также используется при ремонте лопаток.

Сплав ВСДП-11 – это алюминиевый сплав, легированный кремнием и иттрием (Al-Si-Y). Покрытие получается путем контролируемого осаждения на поверхность лопаток алюминиевого сплава и последующего высокотемпературного вакуумного отжига при температуре 1000–1050С в течение 3-4 ч. При отжиге происходит оплавление слоя алюминиевого сплава, протекает металлотермическая реакция и последующее термодиффузионное формирование покрытия.

Фазовый и элементный состав покрытия определяется составом алюминиевого сплава, а также его удельной массой, накопленной на поверхности лопаток и режимом термообработки. Покрытие имеет характерное двухзонное строение. Типичная структура покрытия после нанесения и отжига на сплаве ЖС-32 представлена на рис 6.34, б. Покрытие имеет характерную мелкозернистую структуру, которая определяет его высокую пластичность. Химический состав покрытия на сплаве ЖС-32 приведен в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Химический состав покрытия ВСДП-11 на сплаве ЖДС-32

после нанесения и отжига

(температура отжига 1050С; время отжига 3 ч; накопленная на поверхности пера масса сплава – 40 г/м2)

Место измерения	Содержание элемента, % по массе
	Ni	Cr	Al	Ti	W	Mo	Co	Nb	Si	Fe	Y
Наружная зона 3 мкм от края	57,0	2,3	20,2	5,4	6,1	1,0	6,4	0,0	1,3	0,2	 0,1
Наружная зона. 3 мкм от внутренней зоны	64,1	4,3	18,1	2,4	1,9	0,1	8,7	0,0	0,2	0,2	 0.1
Внутренняя зона	45,2	9,2	4,3	3,2	16,7	2,4	10,2	0,0	1,4	0,4	-
Основа	54,3	8,2	4,0	4,8	13,0	2,1	9,2	-	4,3	0,1	-

Наружная зона состоит из бета-фазы (Ni-Al), легированной кремнием и иттрием, которые повышают жаростойкость. Эта зона также содержит элементы жаростойкого сплава с содержанием Al от 18 до 22%.

Такое содержание алюминия в покрытии является оптимальным, так как обеспечивает высокую термостойкость покрытия при сохранении высокой жаростойкости. Содержание Al в бета-фазе в сплаве ВСДП-11 примерно в два раза выше, чем в бета-фазе сплава СДП-2, что позволило получить выигрыш в долговечности покрытия на лопатках в 1,5-2 раза.

Внутренняя переходная зона имеет гетерогенное строение и содержит бета-фазу, гамма-штрих фазу (Ni3 Al) и карбиды.

Покрытие обладает высокими защитными свойствами при температурах до 1050–1100С.

Наиболее теплонапряженной в рабочей лопатке ТВД является зона входной кромки. Поэтому толщина защитного слоя покрытия по сечению пера наносится неравномерно. Наибольшая толщина покрытия делается на входной кромке и составляет 35-50 мкм, меньшая - на поверхности пера и составляет 20-40 мкм.

Технологический процесс получения защитного покрытия из сплава ВСДП-11 в основном сходен с процессом получения покрытия СДП-2. Основной особенностью является локальное увеличение толщины покрытия (на 10-15 мкм) на участке входной кромки лопатки, имеющем максимальную рабочую температуру. Подобная «конструкция» покрытия увеличивает его долговечность за счет увеличения сопротивления как газовой коррозии на наиболее нагретых участках пера, так и термоусталостному растрескиванию в менее нагретых зонах пера (на спинке и на корыте). В результате, использование на двигателе АЛ-31Ф 4-ой серии монокристальных лопаток из сплава ЖС-32 с защитным жаростойким покрытием из сплава ВСДП-11 позволило увеличить ресурс работы изделий почти в 1,5 раза по сравнению с лопатками из сплава ЖС-6У с 2-х стадийным комплексным хромоалитированием в качестве защитного покрытия.

В настоящее время нанесение защитных покрытий методом ВПТВЭ является одним из основных технологических процессов на ФНПЦ ММПП «Салют», который продолжает успешно развиваться и совершенствоваться.

РЕМОНТ РОТОРА ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

К основным дефектам, встречающимся на рабочих лопатках ТВД, относятся трещины на профиле пера со стороны корыта и спинки, трещины на торце пера лопатки (вдоль оси лопатки), растрескивание на кромке отверстий перфорации, поверхностное растрескивание покрытия на входной кромке пера лопатки, пятна на пере лопатки, следы касания торца пера лопатки о вставки, вытяжка лопаток, перегрев лопаток на двигателях, имевших превышение («заброс») температуры сверх норм ТУ, литейные дефекты (раковины, окисные включения) на профиле пера, кромках, хвостовике и бандажной полке, превышение допустимой наработки лопаток, несоответствие внешнего вида поверхности пера лопатки контрольному образцу.

Кроме того, в процессе эксплуатации турбины могут появиться следующие дефекты: вытяжка диска, забоины, намины, растрескивания и вырывы материала на гребешках лабиринтов диска, увеличение диаметров под болты (вытяжка), износ посадочной поверхности под роликоподшипник.

При сборке, разборке, хранении и транспортировке ротора не допускается приложение осевых нагрузок к лопаткам, а также использование полок и хвостовиков лопаток в качестве опорных поверхностей, кроме операций по снятию и постановки лопаток, где опорные поверхности и применяемые приспособления оговорены особо в указаниях по ремонту.

При выполнении операций и хранении ротора щели и отверстия во внутренних полостях должны быть заклеены лейкопластырем.

При хранении собранного ротора он должен быть закрыт чехлом.

Для определения объема работ по ремонту лопаток необходимо провести их дефектацию и распределить по группам, в соответствии с характером ремонта. Эта часть работы включает в себя предварительный контроль, который включает следующие этапы:

анализ наработки лопаток и наличия забросов температуры при эксплуатации двигателя по данным формуляра;
визуальный осмотр лопаток на наличие дефектов, недопустимых по нормам оценки технического состояния, а также величины нагара на поверхности лопаток и необходимость проведения струйно-абразивной очистки (САО).

По результатам предварительного контроля лопатки делятся на 4 группы:

Лопатки, требующие контроля тонкой структуры на наличие перегрева;
Лопатки, требующие ремонта без замены покрытия;
Лопатки, требующие ремонта с заменой покрытия;
Лопатки, не пригодные к дальнейшей эксплуатации и подлежащие замене на новые или имеющие наработку и годные к постановке на двигатель по нормам оценки технического состояния.

Дефектация и ремонт

Трещины на профиле пера со стороны корыта и спинки лопатки обнаруживают при помощи метода ЛЮМ-1-ОВ. Входная и выходная кромки лопатки проверяются вихретоковым методом. При обнаружении трещин лопатка подлежит замене.

Трещины на торце пера лопатки также обнаруживают и проверяют методом ЛЮМ-1-ОВ, и замеряют с использованием лупы. К эксплуатации допускаются лопатки с трещинами по торцу длиной до 2,5 мм. Количество трещин допускается не более 5. Расстояние между трещинами должно быть не менее 3 мм. Лопатки с большими дефектами заменяются.

Растрескивания на кромке отверстий перфорации проверяются с использованием метода ЛЮМ-1 или ЦМ-15. При помощи штангенциркуля замеряют их размеры. По нормам допускается растрескивание длиной до 5 мм. Растрескивание больших размеров устраняют заменой покрытия.

Дефектация и ремонт поверхностного растрескивания покрытия на входной кромке пера лопатки аналогичны дефектации кромок отверстий перфорации. Здесь следует обратить внимание на то, что лопатки со снятым в процессе ремонта покрытием и имеющие трещины на кромках отверстий перфорации или на входной кромке, подлежат замене.

При наличии пятен на пере лопатки, последняя сравнивается с контрольным образцом. Следы касания торца пера лопатки о вставки допускаются при сравнении с контрольным образцом и после удаления заусенцев. При наличие дефектов на лопатке, превышающих аналогичные на контрольном образце, лопатка заменяется.

Допускается увеличение длины лопатки от исходного размера на 0,05 мм. Замер длины лопаток производится специальным прибором путем сравнения с эталоном. При большей вытяжке лопатка подлежит замене. После наружного осмотра и сравнения с контрольным образцом намины и забоины по нерабочим поверхностям хвостовика лопатки зачищаются, выпучивания материала по контуру повреждения заполировываются. Лопатки, не соответствующие контрольному образцу, заменяются.

На двигателях, имевших превышение («заброс») температуры газа за турбиной сверх норм, оговоренных в ТУ, производится проверка на перегрев двух лопаток из комплекта с контролем тонкой структуры материала методом электронной микроскопии. При наличии перегрева следует заменить комплект лопаток целиком и проверить на перегрев рабочие лопатки ТНД.

Литейные дефекты на профиле пера, кромках, хвостовике и бандажной полке подвергаются наружному осмотру с проверкой методом ЛЮМ-1-ОВ. В случае свечений следует перепроверить лопатку методом ЦМ-15В. Нормы допустимых литейных дефектов без их устранения приводятся в специально разработанных таблицах. При превышении норм лопатка подлежит замене.

Для исключения превышения допустимой наработки производится ее подсчет по записям в формуляре двигателя. Допустимая наработка лопаток ТВД без замены покрытия установлена 640 ч. При остатке ресурса лопаток менее межремонтного ресурса двигателя, лопатки следует отремонтировать заменой покрытия. При этом допускается не более двух ремонтов с заменой покрытия. Ресурс после перепокрытия составляет 481 ч в пределах назначенного ресурса 1121 ч.

Допускаются несоответствия внешнего вида поверхности пера лопатки контрольному образцу. Лопатки, на поверхности пера которых имеются отклонения, превышающие нормы контрольного образца, направляются на удаление покрытия.

После снятия покрытия химическим путем, удаления шлама посредством струйно-абразивной очистки и механической зачистки остатков покрытия, лопатки подвергаются дефектации по отдельной программе для лопаток со снятым покрытием.

Рабочая лопатка со снятым покрытием также сравнивается с контрольным образцом и, в случае соответствия ее внешнего вида образцу, допускается к нанесению покрытия СДП-2 или ВСДП-11.

Вытяжка диска оценивается путем замера его диаметра в двух сечениях (по «входу» и «выходу») на расстоянии 5 мм от торцов обода диска при помощи микрометра. За истинный замер следует принять среднее значение диаметров по каждому сечению в отдельности. В случае если вытяжка оказывается выше допустимых норм, диск бракуется.

Забоины, намины, растрескивания и вырывы материала на гребешках лабиринтов диска зачищаются и заполировываются до выведения дефекта с плавным переходом к целому материалу и проверяются методом ЛЮМ-1. Допускается зачистка гребешков на всю их высоту на длине не более 50 мм, при этом расстояние между зачищенными местами должно быть не менее 50 мм. Места зачистки на соседних гребешках не должны быть расположены одно против другого. Количество дефектных мест на одном гребешке допускается не более двух. При больших повреждениях диск подлежит замене.

Увеличение диаметров отверстий под болты, соединяющие носок и диск ТВД, допускается не более чем на 0,08 мм от исходного размера. При больших отклонениях диаметров следует доработать отверстия под ремонтные болты.

При износе посадочной поверхности носка ТВД под роликоподшипник допускается ее восстановление методом размерного хромирования.

РЕМОНТ БЛОКА СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ

ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

На рис. 6.35 представлен сопловой блок с характерными неисправностями. В процессе эксплуатации на сопловых венцах могут возникать такие неисправности как трещины, растрескивания поверхностного слоя, забоины, намины, вырывы материала на гребешках уплотнений, выработка материала по поверхностям вращения, биения, засор щелей. Также встречаются литейные дефекты в виде раковин и окисных включений.

После снятия с двигателя сопловой венец подвергается промывке и очистке. Растрескивание алюмосилицированного слоя обнаруживается и проверяется методом ЦМ-15.

Допускается растрескивание алюмосилицированного слоя в радиусах перехода пера в большую полку со стороны корыта и спинки (рис. 6.35, зона 1) и малую полку также со стороны корыта и спинки (зона 2). Допускается растрескивание на корыте площадью 4040 мм2 и спинке 3030 мм2 (зона 3). Не пересекающиеся между собой растрескивания защитного покрытия на большой и малой полках соплового блока также допускаются (зона 4).

На поверхностях кольцевой части соплового блока также возможно наличие забоин. Обнаруживаются они при внешнем осмотре. У забоин глубиной до 1,5 мм зачищают и полируют вспучивание металла и острые кромки. Расстояние между забоинами должно быть не менее 30 мм. При превышении указанных величин блок подлежит замене.

В сопловом блоке допускаются трещины: от отверстий перфорации на кольцевых частях блока длиной не более 10 мм; трещины от отверстий компенсационных прорезей на малой полке с выходом или без выхода на вертикальную стенку (зона 5); трещины на входной кромке между отверстиями перфорации (зона 6, допускается одна трещина длиной не более 7 мм); трещины в радиусе перехода выходной кромки в большую и малую полки (зона 7, допускаются трещины длиной не более 7 мм, по одной со стороны каждой полки).

При большом количестве трещин в радиусе перехода они устраняются плавной выборкой с последующим контролем методом ЦМ-15.

Трещины на выходной кромке устраняются выборкой дефектного места с плавным переходом к целому материалу и скруглением острых кромок. Допускаются трещины длиной до 5 мм в количестве не более одной.

Для всех рассмотренных выше примеров обнаружения и устранения трещин на сопловом венце при послеремонтном контроле используется метод ЦМ-15.

Обнаружение посторонних частиц в щелях выходных кромок производится наружным осмотром с применением лупы 4-х кратного увеличения. Посторонние частицы удаляются.

Литейные дефекты (раковины, окисные включения) на профиле пера, кромках и полках лопаток допускаются согласно специально разработанным Нормам. При превышении указанных Норм блоки подлежат замене.

Намины и вырывы материала на гребешках уплотнений зачищаются и заполировываются с плавным переходом к целому материалу с последующим контролем методом ЦМ-15.

РЕМОНТ РОТОРА ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Эксплуатационные дефекты на рабочих лопатках ТНД принципиально те же, что и на рабочих лопатках ТВД. Это забоины и вмятины на пере лопатки, возможны литейные дефекты в виде раковин и окисных включений, повреждение поверхностного слоя на пере лопатки, перегрев лопаток на двигателе, имевшем заброс по температуре газа. Кроме того, у рабочих лопаток ТНД изнашиваются и повреждаются бандажные полки.

Незначительные забоины, вмятины и другие дефекты на неалюмосилицированных и неалитированных поверхностях лопатки зачищают в пределах геометрических размеров чертежа. Зачистка производится вручную алмазным надфилем с последующей полировкой мест зачистки шлифовальной шкуркой. Зачистка рабочих поверхностей зубьев елочного профиля хвостовика не допускается.

Одной из ответственных операций при ремонте рабочих лопаток ТНД является замена пластин на бандажной полке лопатки методом перепайки. Физические основы метода напайки пластин на бандажные полки лопаток турбин изложены в разделе 6.11.2. Здесь же отметим лишь некоторые технологические приемы процесса напайки пластин в вакууме.

Очищенная от нагара, промытая и обезжиренная лопатка устанавливается в специальное приспособление на плоскошлифовальный станок, на котором полка лопатки шлифуется со стороны спинки и корыта. После этого проверяется неплоскостность обработанной поверхности, которая должна составлять не более 0,01 мм. Далее лопатки промываются в растворе эмульсии, просушиваются сжатым воздухом снаружи и внутри. Затем нарезаются полоски припоя ВПР-27 необходимых размеров, обезжириваются и прихватываются к пластинам точечной электросваркой в 3-4 точках.

Подготовленные к пайке лопатки и пластины с приваренными полосками припоя собираются в приспособление-рамку (рис. 6.36). В приспособление также устанавливается одна технологическая лопатка. Собранные таким образом лопатки загружаются в камеру установки ДРПК и закрепляются. В камере происходит процесс пайки, описанный в разделе 6.11.2. Установка для пайки дуговым разрядом с полым катодом представлена на рис. 6.37.

После напайки пластин лопатки извлекают из камеры и проверяют качество паяных швов. Затем бандажные полки с напаянными пластинами механически обрабатываются и шлифуются в соответствии с чертежом.

Далее лопатки промываются в бензине и загружаются в печь для термообработки. Термообработка производится в вакууме при температуре 950С в течение 2-3 ч. Бандажные полки готовых лопаток в местах пайки пластин проверяются методом ЦМ15-В. Появление краски по паяному шву не допускается.

В роторе ТНД при ремонте разрешается производить замену отдельных лопаток в количестве 10 штук без последующей расстановки лопаток в процессе балансировки ротора. Замену дефектных лопаток разрешается производить лопатками первой категории или имеющими наработку, обеспечивающую в дальнейшем межремонтный ресурс двигателя и годными по результатам дефектации.

Определение статических моментов заменяемых и заменяющих лопаток выполняется автоматически на специальной установке. Подбор лопаток выполняется так, чтобы статические моменты заменяемых и заменяющих лопаток отличались не более, чем на 15-20 гсм.

Вал ТНД – составной (рис.6.38). Он состоит из трех частей: переднего, среднего и заднего валов, которые между собой соединены штифтами. В задней части вала имеется привод откачивающего маслонасоса опоры турбины. В передней части вала имеются шлицы, передающие крутящий момент на ротор КНД через рессору.

В процессе эксплуатации возможно повреждение вала ТНД: появление трещин на наружных торцах и поверхностях завальцовок штифтов, соединяющих передний, средний и задний валы, несоответствие диаметра под межвальный подшипник на переднем валу, износ сверх допустимых норм по посадочным диаметрам, шлицам, а также несоответствие заданным требованиям других посадочных диаметров на валу (рис.6.38). В этом случае передний и задний валы заменяются.

При ремонте вала ТНД средний вал, как правило, не подвергается замене или ремонту.

Вал ТНД перед началом ремонта промывают бензином, после чего отправляют на дефектацию.

Трещины на наружных торцах и поверхностях завальцовок штифтов, соединяющих передний, средний, и задний валы, не допускаются. Их диагностика проводится методом ЦМ-15В. В случае обнаружения трещин штифты удаляются. Освободившиеся отверстия механически обрабатываются до ближайшего диаметра ремонтных штифтов. (Ремонтные диаметры штифтов «идут» с шагом 0,1 мм).

Механические повреждения и радиальные риски на торце А (рис.6.38) устраняются проточкой торца. Эти повреждения недопустимы, так как стык торца А и торца носка ТНД служит для исключения попадания масла из масляной системы в полости и тракт двигателя.

В случае несоответствия диаметра под межвальный подшипник (Ф95) на переднем валу в соответствии с требованиями, указанными в ТУ, проводится размерное хромирование кольца подшипника или хромирование посадочного места под подшипник. При износе гребешков лабиринта вала сверх допустимых норм, лабиринты заменяются.

В случае несоответствия других посадочных диаметров на валу вал ТНД подлежит замене.

РЕМОНТ СОПЛОВОГО ВЕНЦА ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Узел соплового венца ТНД представлен на рис.6.39.

При эксплуатации двигателя в сопловом венце ТНД могут появляться следующие дефекты:

1 – трещины на выходной кромке блока сопловых лопаток;

2 – трещины на вставках ТНД;

3 – трещины на ободе по сварному шву приварки фланцев;

4 – врезание в сотовом уплотнении от гребешков лабиринта сверх допустимых норм, выкрашивание сотового уплотнения;

5 – появление биения по цилиндрическим поверхностям 1 и 2;

6 – отклонение размера L между торцом фланца и торцом обода.

Ремонт сопловых венцов ТНД состоит в следующем.

Осуществляется проверка состояния блоков сопловых лопаток методом ЦМ-15В для выявления трещин на выходной кромке

лопаток. Максимальная длина допустимых трещин – 5 мм. Количество трещин на одном блоке не должно быть более двух. В местах трещин выбирается материал размером 615 мм. Место выборки полируют. После ремонта сопловые блоки снова проверяются методом ЦМ-15В на наличие трещин. В местах устранения трещин допускается отсутствие алюмосилицированного слоя.

Проверка вставок ТНД проводится методом ЦМ-15В для выявления трещин. Проверка производится по всей окружности. Сотовые уплотнения контролю этим методом не подвергаются. При обнаружении трещин вставки бракуются.
На ободе соплового венца в месте приварки фланца по сварному шву допускается не более одной трещины, длина которой не должна быть более 20 мм. Трещина удаляется следующим образом. Сварной шов в зоне трещины разделывается на глубину 0,6-0,8 мм и шириной не более 2 мм. Материал вокруг трещины зачищается до металлического блеска с обеих сторон шва и обезжиривается бензином. Трещина заваривается ручной аргонодуговой сваркой. Место подварки зачищается заподлицо, не задевая основной материал. После этого шов проверяется методом ЦМ-15В по типовому технологическому процессу.
Врезание в сотовом уплотнении от гребешков лабиринта и выкрашивание сотового уплотнения устраняется заменой вставок сотового уплотнения с последующей электроэрозионной обработкой сот для получения диаметра в пределах требований чертежа.
Биение по диаметрам устраняют шлифованием этих поверхностей в специальном приспособлении на величину не более 0,2 мм. Во избежание попадания стружки во внутренние полости соплового венца все отверстия и каналы заглушаются.
Отклонение размера между торцом фланца и торцом обода ликвидируется проточкой торца фланца и торца обода.

6.11.8. РЕМОНТ ОПОРЫ ТУРБИНЫ

В состав опоры турбины (рис.6.40) входят корпус турбины и корпус подшипника. Корпус опоры состоит из наружного корпуса, внутренних колец, соединенных силовыми стойками и образующих силовую схему опоры турбины. В состав опоры входят также экран с обтекателями, пеногасящая сетка и крепежные детали. Внутри силовых стоек размещены трубопроводы: подвода и откачки масла, суфлирования масляных полостей, слива масла.

Через полости силовых стоек подводится воздух на охлаждение ТНД и отводится воздух из предмасляной полости. Силовые стойки закрыты снаружи обтекателями. Экран с обтекателями образует проточную часть газо-воздушного тракта за ТНД. Корпус подшипника и крышки образуют масляную полость опоры турбины. Масляная полость термоизолирована. На корпусе подшипника установлены маслооткачивающий насос и масляный коллектор. Между наружной обоймой роликоподшипника ротора ТНД и корпусом подшипника размещен упругомасляный демпфер.

К основным дефектам опоры турбины относятся: трещины по основному материалу и сварным швам. Кроме того, наблюдается износ посадочной поверхности под вибропакет и биение посадочного диаметра корпуса под подшипник.

Трещины на различных сварных швах обнаруживаются визуально и методом ЦМ-15В. В случае если трещины по размерам и количеству укладываются в допустимые нормы, они оставляются без ремонта. В противном случае они устраняются аргонодуговой сваркой.

Если биение посадочной поверхности под подшипник превышает допустимое значение 0,12 мм, производится расточка корпуса подшипника по этой поверхности под ремонтный вибропакет.

6.11.9. УЗЛОВАЯ ОБРАБОТКА И ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ТУРБИНЫ

Узловой обработке подвергаются рабочие колеса, валы с дисками, диски с лабиринтами, сопловые аппараты, роторы. При обработке достигается концентричность поверхностей гребешков лабиринтов, точность центрирующих и перпендикулярность торцевых поверхностей к оси вращения, уравновешенность. В качестве баз используются поверхности, определяющие положение колеса в узле. Ограничения остаточного дисбаланса могут заставить проводить отдельную балансировку рабочего колеса. Для этой цели производится перестановка балансировочных грузов или шлифуется поверхность вала в предназначенном для этой цели месте.

Узловая обработка частей статора должна обеспечивать размеры и биения внутренних поверхностей вставок, торцевые биения лопаток. Соосность посадочных поверхностей соплового аппарата и поверхности вставок обеспечивает равномерность радиального зазора.

Восстановительный ремонт дисков предусматривает устранение поверхностных дефектов, восстановление посадочных и базовых поверхностей и лабиринтов. Объемные дефекты служат основанием для отбраковки. При обнаружении перегрева лопаток диск проверяется по ободу на твердость и, если твердость низка, бракуется. Упрочнение елочных пазов и других поверхностей производится микрошариками. Размеры елочных пазов определяются с использованием роликов.

Замена деталей занимает важное место в технологическом процессе ремонта. Рабочие лопатки при замене подбираются по весовому моменту, посадке в пазах диска и зазорам в бандажных полках. Группировка лопаток по весовому моменту создает предварительную уравновешенность рабочего колеса. Пазы диска клеймятся порядковыми номерами. Лопатки в пазах проверяются на тангенциальный люфт, который замеряется у каждой лопатки. Для этого лопатки с бандажными полками устанавливаются через паз.

Зазоры в стыках бандажных полок замеряются на собранном лопаточном венце.

Вставки сопловых аппаратов меняются в случае изменения внутреннего диаметра или их дефектов. При замене вставок должна

быть обеспечена плотная посадка по посадочным поверхностям. Контролю подлежат зазоры по боковым поверхностям и стыкам вставок.

Окончательный контроль турбины включает проверку балансировки ротора и площади проходного сечения сопловых аппаратов (СА). Последняя операция является очень ответственной, т.к. площадь соплового аппарата определяет расход газа через турбину и положение расчетной точки на характеристике компрессора.

Применяется два способа контроля площади проходного сечения СА:

Измерение площади проходного сечения СА как суммы площадей межлопаточных каналов в местах минимальной ширины;
Продувка сопловых аппаратов воздухом на специальном стенде. При этом устанавливается сверхкритический перепад давления на СА и замеряется расход воздуха, по которому определяется площадь СА.

Контроль площадей проходных сечений сопловых блоков и суммарных площадей сопловых аппаратов турбины производится в следующих случаях:

при изготовлении блоков;
при сборке новых сопловых аппаратов;
при переборках и ремонте в случае замены одного или нескольких блоков (допускается производить замеры только в окнах, образованных замененными блоками).

Все блоки и окна между блоками нумеруют, и замеры производят по порядку, согласно этой нумерации.

Обмер блоков и сопловых аппаратов производится в двух сечениях А1 –А1

и А2 – А2 (рис.6.41, а). При этом замеряются следующие величины:

ширина окна а в каждом сечении для блока и для каждого окна, образованного соседними блоками на глубине 1,5 мм от выходных кромок лопаток (6.41, б);

высота Н каждого окна измеряется в радиальном направлении (рис.6.41, в).

Площадь проходного сечения каждого окна в блоке и между блоками подсчитывается по формуле:

F = H  (a1 + a 2) / 2.

Площадь блока определяется путем сложения величин замеров двух окон в блоке. Полученные величины площадей блоков, окон в блоке и между блоками заносятся в таблицу. Площадь проходного сечения всего соплового аппарата определяется путем сложения имеющихся площадей блоков и площадей окон между блоками. Полученная суммарная площадь соплового аппарата записывается в паспорт данной сборочной единицы.

Для обеспечения площади проходного сечения соплового аппарата в требуемых ТУ пределах производится подбор блоков по площади.

РЕМОНТ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ И РЕАКТИВНОГО СОПЛА

Регулируемое сопло является одним из наиболее ответственных модулей двигателя, во многом определяющим такие важнейшие параметры, как его надежность и ресурс.

Максимальная расчетная температура в районе сверхзвуковых створок сопла превышает 1000С. Такое высокое значение температуры объясняется тем, что при расчетных режимах коэффициент избытка воздуха в пристеночном слое равен ~ 1,6, что соответствует температуре газов свыше 1500К.

Из-за разницы между статическим давлением в основном потоке и давлением в межстворочном пространстве продукты сгорания через зазоры между внутренними створками попадают в межстворочное пространство, в котором имеет место течение газа из смеси продуктов сгорания и атмосферного воздуха.

Параметры течения газового потока в межстворочном пространстве вызывают динамические колебания элементов регулируемого сопла, что вызывает значительные усилия в подвижных элементах.

На рис. 6.42 представлена конструктивная схема реактивного сопла с указанием температур деталей в градусах С. Как следует из рисунка, уровень температур некоторых деталей достигает значений 880-960С, что в сочетании со сменами режимов работы двигателя делает этот узел очень напряженным.

Анализ дефектов, выявленных при эксплуатации показал, что имели место случаи:

коррозионного поражения осей кинематики реактивных сопел, приводящего к заклиниванию соединения гидроцилиндр-рычаг и, как следствие, к обрыву элементов кинематики РС (вилок гидроцилиндров, осей, рычагов);
растрескивание элементов внешних створок и проставок;
выработки опорных поверхностей сопрягаемых деталей;
термоусталостное растрескивание внутренних створок и проставок.

Исследованиями установлено, что поломки кинематики деталей РС связаны с увеличением сил трения в соединении «вилка-рычаг» из-за коррозионного поражения соединительных осей, чему способствует чрезмерная длительность хранения изделия на объекте.

Растрескивание внешних створок, расположенных в зоне влияния хвостового обтекателя двигателя, связано с воздействием повышенных динамических нагрузок, возникающих в результате конструктивных особенностей объекта.

Причиной термоусталостного растрескивания внутренних створок и проставок является возникновение внутренних напряжений в условиях циклического воздействия высоких рабочих температур.

Внедренные конструктивные мероприятия по замене материалов осей и их хромированию с консервацией элементов кинематики позволили снизить эксплуатационные дефекты.

В настоящее время в конструкторских и ремонтных службах ФНПЦ ММПП «Салют» разработаны и внедрены новые методы ремонта узлов и деталей регулируемого реактивного сопла и форсажной камеры.

На рис. 6.43 иллюстрируется контроль зацепления внешних створок с проставками регулируемого реактивного сопла. Там же обозначены основные элементы реактивного сопла.

Работоспособность наружных проставок, имеющих выработку основного материала на днище и боковых поверхностях, восстанавливается наплавкой металла аргоно-дуговой сваркой присадочной проволокой в среде защитных газов. После наплавки производится зачистка проплава заподлицо с основным материалом, термообработка (старение) и проверка качества ремонта методом цветной дефектоскопии. Основная трудность при осуществлении технологических операций аналогичного типа состоит в том, что в данном случае производится наплавка металла на тонколистовую поверхность с толщиной до 1,0 мм. Качество наплавленного слоя определяется подбором соответствующих режимов наплавки.

На рис. 6.44 представлена конструктивная схема наружной створки РС с элементами технологии ремонта. Доработка наружных поверхностей кронштейнов наружных створок, имеющих выработку по трущимся поверхностям, производится методом наплавки на ребра (стойки) присадочной проволокой в среде защитных газов. Последующей зачисткой обеспечивается чертежный размер.

Особенность указанной операции заключается в том, что при наплавке происходит разогрев металла кронштейна до температуры, при которой возникают термические напряжения, снять которые необходимо быстрым теплоотводом из зоны наплавки. В этих целях перед наплавкой металла деталь скрепляют медным кондуктором, который выполняет двойную роль, как проводник тепла и фиксатор габаритных размеров кронштейна.

В процессе эксплуатации происходит изнашивание трущихся поверхностей упора внутренних надстворок (рис.6.45). Восстановление заданных размеров опорных поверхностей в местах выработки производится наплавкой присадочной проволоки аргоно-дуговой сваркой в среде защитных газов. Для обеспечения быстрого теплоотвода предусмотрено изготовление медного приспособления, повторяющего контуры боковых поверхностей кронштейнов. Контроль качества наплавки и состояние поверхности после механической обработки производится визуально и мерительным инструментом.

В результате сильных динамических нагрузок при работе сопла происходит деформация и разрушение теплозащитного экрана внутренних надстворок РС (рис. 6.46).

Первоначально технология замены теплозащитного экрана на новый предполагала заварку имеющихся отверстий крепления экрана и рассверливание отверстий по наплавленным местам. При этом в районе заваренных отверстий появлялись трещины и возникали растрескивания по целому материалу из-за больших термических напряжений.

В связи с трудностями замены дефектного экрана на новый, предложен метод смещения крепежных отверстий и последующей клепкой опорных планок к новым местам соединения. В данном случае имеет место сознательное изменение некоторых чертежных размеров собранного узла без изменения габаритов.

При работе сопла в результате окисления соединительных осей кинематики может происходить их заклинивание, что иногда приводит к поломке элементов крепления наружных створок. Предложен метод ремонта наружных створок, предусматривающий вырезание монтажного окна вместе с деформированным кронштейном на днище створки. На место деформированного кронштейна устанавливается при помощи клепки новый кронштейн с последующей приваркой по периметру окна.

В связи с тем, что конструкцией створок предусмотрено клепаное соединение тонкостенных листовых деталей в общий пакет, то основная сложность при вырезании монтажного окна заключается в прорезании одного тонкого листа без повреждения сопрягаемых деталей. В данном случае применен электроэрозионный способ резки по заранее изготовленному шаблону. При этом достигается большая точность и высокая технологичность операции.

Однако после выполнения электроэрозионного прожига листа необходима специальная подготовка узла для последующей сварки тонколистовых деталей в среде защитных газов.

В процессе подготовки технологического процесса ремонта створок указанным способом проводилось специальное лабораторное исследование, предусматривающее возможность сравнение механических и прочностных свойств новых и ремонтных деталей. Анализ результатов исследования показал, что прочностные характеристики отремонтированного узла не уступают новому, что дало возможность установить отремонтированные створки на изделие для длительного технологического испытания. Контроль сварного шва ремонтных створок производится методом цветной дефектоскопии.

На рис.6.46 представлен элемент фронтового устройства форсажной камеры. При эксплуатации может происходить закоксовывание внутренних каналов форсунок, что вызывает неравномерность расхода через форсунки. В этом случае форсунки заменяют на новые. Сначала бракованные форсунки отрезаются в месте их крепления к коллектору, а затем привариваются в тонкостенную трубку на собранном коллекторе.

Учитывая особую ответственность узла, расположенного в зоне повышенных тепловых и механических нагрузок, требования к качеству сварного соединения предъявляются очень высокие. Основная сложность заключается в необходимости подбора режимов сварки с целью недопущения прожога тонкостенного коллектора и попадания металла во внутренние полости.

На рис.6.47 представлена внутренняя проставка реактивного сопла. В результате значительных динамических и тепловых нагрузок, действующих на элементы РС, в некоторых случаях происходит механическое повреждение стоек ограничителя и заклепок, соединяющих ограничитель с корпусом внутренних проставок. Ремонт проставок заключается в замене заклепок и установке нового ограничителя.

В данном случае изменена технология сборки узла из-за того, что при замене кронштейна возникает опасность нарушения соосности отверстий сопрягаемых деталей. По этой причине при ремонте замена стойки производится посредством сверления сквозных отверстий в стойке через существующие отверстия в проставке.

С увеличением наработки изделия в ряде случаев имеют место дефекты, связанные с влиянием высоких температур. На внутренних проставках иногда происходит коробление профиля, величина которого достигает недопустимых величин. Исправление коробления производится безударным способом на специальных приспособлениях. После рихтовки производится термообработка.

Отличительной особенностью данного метода ремонта является практически полное выполнение требований чертежа и технических условий, только изменен порядок и последовательность проведения термической обработки с целью сохранения структуры металла и снятия остаточных напряжений.

РЕМОНТ АГРЕГАТОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Агрегаты представляют собой сложные конструкции с малогабаритными деталями, имеющие жесткие допуски размеров и высокую чистоту поверхности. Основными агрегатами являются топливные и масляные насосы, насосы-регуляторы, агрегаты автоматики.

Особенности ремонта агрегатов определяются:

малыми эксплуатационными износами деталей и, соответственно, малыми допусками на зазоры трущихся пар;
индивидуальным подбором ответственных деталей (плунжерные и золотниковые пары). Это резко повышает объем доводочных работ, увеличивает номенклатуру оснастки и оборудования;
испытаниями частей и агрегатов с индивидуальной настройкой и регулировкой;
многообразием конструкций агрегатов.

Указанные особенности вынуждают ремонтировать агрегаты в отдельном цехе, в котором выполняются все операции ремонта.

При разборке используются быстросъемные бестисковые зажимные приспособления, исключающие деформации корпусов и сокращающие время на установку и закрепление агрегатов. Корпуса агрегатов с сетью внутренних каналов перед промывкой прокачивают горячим маслом или керосином под давлением.

Для повышения эффективности очистки в струю керосина периодически подается сжатый воздух. Качество прокачки проверяется по контрольной сетке, установленной на выходе из агрегата. Отсутствие загрязнений на сетке свидетельствует о чистоте каналов.

Основными видами изнашивания агрегатов являются: износ при трении, эрозия, коррозия, усталость. Износ при трении приводит к изменению формы и размеров трущихся поверхностей, забоинам, рискам, потертостям, наклепам.

На наружных несопрягаемых поверхностях корпусов обнаруживаются поверхностные дефекты (забоины, вмятины, царапины, скалывание ребер охлаждения, или жесткости). Недостаточная фильтрация рабочей жидкости приводит к возникновению рисок, надиров, абразивного износа на внутренней поверхности корпусов.

Эрозионные язвы и раковины появляются в разгрузочных канавках, на торцевых поверхностях колодцев корпусов насосов, изготовленных из алюминиевых сплавов.

Коррозия наиболее часто поражает поверхности трубопроводов, шестерен, валиков, золотников, плунжеров. Влага и агрессивные примеси в масле и топливе являются основной причиной коррозии.

Распространена контактная усталость, поражающая рабочие поверхности зубьев, подшипников, опорных поверхностей шестерен-валиков насосов.

Техническими требованиями на ремонт в общем случае устанавливаются:

погрешности взаимного расположения рабочих поверхностей (несоосность рабочих поверхностей втулок, неперпендикулярность торцевых поверхностей втулок к осям;
размеры, погрешности формы и чистота посадочных поверхностей вращающихся деталей и сопрягаемых с ними поверхностей корпусов, деталей золотниковых и плунжерных пар;
допуски сопряжений основных соединений;
жесткость пружин и их длина под определенной нагрузкой;
виды и характеристики дефектов, подлежащих и не подлежащих устранению;
характеристики по расходу и давлению агрегатов, пределы рабочих давлений;
характеристики расхода топлива по углу поворота рычага управления двигателем, по давлению и температуре воздуха на входе в двигатель, температуре газа за турбиной;
производительность топливных и масляных насосов на всех режимах работы двигателя;
качество отделения масла от воздуха;
давление и продолжительность срабатывания регулирующих элементов.

К золотникам, плунжерам и сопрягаемым с ними отверстиям предъявляются очень жесткие требования по точности размеров и чистоте обработки.

При дефектации золотниковых и плунжерных пар макрометрический обмер производится с применением оптических измерительных средств.

Ремонт агрегатов состоит из обычных типовых элементов: восстановительного и узлового ремонтов, доработок, замены и испытаний.

Агрегат при ремонте проходит следующие стадии: внешнюю промывку и осмотр, разборку частичную или полную. Далее осуществляются предварительный контрольный осмотр деталей, промывка деталей, контроль состояния деталей путем осмотра невооруженным глазом и с помощью оптических средств, обмер деталей и их проверка с применением специальных приборов для обнаружения дефектов и отклонений размеров от чертежа.

Особенностью сборки агрегата после ремонта является то, что почти все детали, за исключением стандартных крепежных, должны быть поставлены на тот же агрегат, с которого они были сняты. Поэтому разборка агрегата на составные части должна быть организована так, чтобы снятые детали комплектно проходили все необходимые операции: очистку, промывку, контроль и т.д.

Дефектацию производят для выяснения технического состояния деталей и определения их пригодности к дальнейшей работе или возможности их ремонта и восстановления. Дефектации подлежат все детали и узлы разобранного агрегата независимо от их состояния, за исключением деталей, подлежащих обязательной замене (сальники, резиновые прокладки и т.д.).

В указаниях по дефектации приняты следующие наименования дефектов: царапины и риски, надиры, следы наклепа, вымывание материала, молекулярное схватывание, выкрашивание, засветление, вмятины.

По конструкции и условиям эксплуатации детали при дефектации можно разделить на три основные группы: 1) детали, подвергающиеся износу в процессе работы агрегата (золотниковые и плунжерные пары, подшипники, валики, зубчатые колеса и т.д.); 2) неподвижные детали (корпусы и крышки); 3) штуцера, пробки, пружины и крепежные детали (болты, гайки, шайбы).

Детали первой группы подлежат внешнему осмотру, измерению и проверке на специальных приспособлениях. Обмер сопряженных деталей производится для проверки геометрических размеров, правильности форм, посадок и гарантийных зазоров, которые обеспечивают работу агрегата. Температура помещения, в котором производится обмер, должна быть 18–20 С.

Рабочие цилиндрические поверхности деталей обмеряют по всей их длине в нескольких сечениях во взаимно перпендикулярных направлениях. При подсчете зазоров за расчетные величины берут средние арифметические значения замеров.

Детали второй группы подвергают в основном только внешнему осмотру с целью выявления трещин, забоин, оценки чистоты плоскостей разъема, обнаружения повреждений резьбы в отверстиях.

Детали третьей группы подвергают внешнему осмотру с целью обнаружения коррозии и повреждения защитных покрытий, повреждений резьб, замятия граней у гаек и болтов и проверке состояния контровочных отверстий. У пружин проверяется их жесткостная характеристика.

Для определения годности деталей, у которых обнаружены отклонения, не поддающиеся простому и удобному количественному определению (риски, царапины, надиры), пользуются эталонами. Эталоны представляют собой детали, которые имеют допустимые повреждения. Вопрос о годности той или иной детали решается путем сравнения с эталоном, т.е. в какой-то степени оценивается субъективно.

Эталоны утверждаются постоянно действующей комиссией ремонтного предприятия, которая определяет периодичность проверки эталона в зависимости от характера допускаемых отклонений.

При замене подшипников для обеспечения необходимых посадок их подбирают по размерам с сопрягаемыми деталями. Роторы с замененными подшипниками иногда подвергают динамической балансировке.

Заменяемые зубчатые колеса для обеспечения требуемых посадок подбирают по размерам посадочных мест и внутренних колец подшипников.

Для установления осевых зазоров и зазоров в зубьях с сопрягаемыми зубчатыми колесами подбирают регулировочные кольца и прокладки. Качество зацепления зубьев проверяют по отпечаткам краски, которая наносится на рабочую поверхность зубьев.

Прецизионные пары подбирают по зазору в сопряжениях, который обеспечивают подбором или индивидуальной пригонкой (притиркой) и окончательно контролируют гидроопрессовкой.

Существуют два вида испытаний агрегатов: обкатка и сдаточные и контрольные испытания. Обкатка – это испытание, в процессе которого производится приработка трущихся деталей на постепенно нарастающих режимах работы ненагруженного агрегата. При обкатке рабочие параметры агрегата не замеряются, а лишь контролируется время работы на каждом режиме, температура рабочей жидкости, наличие посторонних шумов. Продолжительность обкатки зависит от числа трущихся деталей, количества установленных новых деталей и может изменяться от 30 до 150 мин. После обкатки агрегаты подвергаются сдаточным испытаниям на стендах. При этом агрегат регулируется и замеряются его рабочие параметры. Агрегаты, прошедшие обкатку и сдаточные испытания, направляются на контрольную переборку, а после нее подвергаются контрольному испытанию.

Контрольные испытания – это испытания приработанного и отрегулированного агрегата под рабочей нагрузкой, в процессе которых замеряются основные рабочие параметры.

При испытаниях топливных и масляных насосов проверяются: производительность на максимальных и минимальных оборотах при различных давлениях рабочей жидкости на входе и на выходе из насоса, производится регулировка редукционного клапана.

Во время испытаний воздухоотделителей контролируется: герметичность, качество прокачки смеси масла с воздухом на оборотах, соответствующих малому газу, рабочих оборотах при различных давлениях на входе и выходе из агрегата. Во время испытаний также контролируется процентное содержание воздуха в масле на входе и выходе из агрегата.

При испытании регуляторов оборотов осуществляются следующие операции:

проверка производительности маслонасоса регулятора;
замер утечек масла по зазорам в золотниковых парах;
проверка отклонения оборотов от равновесных при изменении температуры масла на входе в агрегат;
контроль чувствительности регулятора;
регулировка редукционного клапана и проверка максимального давления масла в каналах, регулирующих шаг винта (для ТВД);
проверка специальных свойств регулятора (ввод винта в веерное положение и вывод из него, автоматическое флюгирование по падению давления масла в системе измерения крутящего момента).

При испытаниях топливорегулирующих агрегатов производятся следующие операции:

проверка и регулировка дроссельной характеристики Gt = f(), где Gt –расход топлива,  – угол поворота рычага управления двигателем;
регулирование минимальной подачи топлива;
регулирование ограничителя максимальных оборотов двигателя;
регулирование максимальной производительности насоса-регулятора;
регулирование автомата запуска;
регулирование узла приемистости двигателя.

После испытаний и приемки производится консервация агрегатов обезвоженным и нагретым маслом.

РЕМОНТ НАСОСОВ

В топливорегулирующих системах двигателя используются центробежные, шестеренчатые и плунжерные насосы. Центробежные насосы используются для создания напора перед насосом-регулятором и для перекачивающих агрегатов. Шестеренчатые насосы применяются в насосах-регуляторах, для управления створками реактивного сопла, в качестве откачивающих и перекачивающих насосов в масляной системе. Плунжерные насосы используются для подачи топлива в форсажную камеру и, наряду с шестеренчатыми, используются в насосах-регуляторах.

Насосы приводятся во вращение от коробки привода агрегатов двигателя. Температура топлива на входе в насос в зависимости от погодных условий и скорости полета самолета может колебаться от –60 до + 115С.

Шестеренчатые насосы являются составной частью насоса-регулятора и предназначены для подачи топлива под высоким давлением (до 12 МПа и более) в основной контур двигателя. Основные требования к ремонту и сборке насосов состоят в следующем. Для плунжерных насосов – обеспечение зазоров в плунжерных парах 0,008-0,012 мм, соосности подшипников ротора в крышке и корпусе (отклонение не более 0,008 мм), соосности цапф, настройки системы поворота подшипника с наклонной шайбой. Для шестеренчатых насосов – обеспечение радиального зазора в шестернях (0,06-0,08 мм), разницы высот смежных подпятников не более 0,005 мм), момента страгивания рессоры (не более 12,5 Нм). Для центробежных насосов – обеспечение соосности улитки с корпусом насоса, герметичности уплотнений, легкости вращения крыльчатки.

Перед разборкой насосы расконсервируют, промывают снаружи и производят внешний осмотр для выявления внешних механических повреждений. После разборки насосов, очистки и промывки деталей производят дефектацию.

При наличии на корпусах трещин, срыве резьбы в отверстиях (более одной нитки) корпуса бракуют. Забоины и риски на плоскостях разъемов и на резьбе в отверстиях, а так же на резьбе шпилек (не менее двух ниток в начале резьбы) зачищают шабером и шкуркой, а резьба калибруется. При обнаружении негерметичности по уплотнительным кольцам корпуса бракуют.

На дефекты в подвижных частях насосов (роторы, плунжеры, золотники, клапаны) существуют нормы, в которых оговариваются условия, при которых деталь бракуется или допускается ее восстановление. Трещины и выкрашивание на рабочих поверхностях трущихся пар являются выбраковочными признаками. Риски, следы коррозии и незначительную выработку удаляют притиркой.

При дефектации пружин особое внимание уделяется на наличие механических повреждений, погнутости, потертостей. Если длина пружины в свободном состоянии или ее жесткость не соответствует допускам, то пружина бракуется.

В процессе ремонта агрегата выдерживают указанные в руководстве по ремонту зазоры и размеры. При замене одной из сочленяемых деталей новой рекомендуется выдерживать в сочленении зазор, указанный для нового агрегата. Отклонения от правильной геометрической формы (овальность, конусообразность) рабочих поверхностей сопрягаемых деталей допускаются в пределах, указанных в операционных картах. Если допуски на отклонения геометрической формы не оговорены в операционных картах ремонтной технологии, то отклонения допускаются в пределах допуска на зазор (натяг) для новых агрегатов.

Очень ответственным являются опорные поверхности шестерен-валиков насосов, которые выполняют роль беговых дорожек игольчатых подшипников. Эти поверхности имеют высокую точность и высоту. На них нередко наблюдается выкрашивание материала. Дефекты типа рисок и коррозии устраняются притиркой, после чего контролируются размеры и форма.

На рабочем месте или участке контроля деталей после ремонта должны быть эталоны шероховатости поверхности, желательно в виде готовых деталей.

КОНТРОЛЬ ЗАЗОРА, ЗАЦЕПЛЕНИЯ И БИЕНИЯ В ЗУБЧАТЫХ СОПРЯЖЕНИЯХ АГРЕГАТОВ

Боковой зазор между зубьями сопряженных колес обеспечивает свободный поворот одного колеса при неподвижном втором. Он необходим для нормальной работы передачи при ее нагреве. Для цилиндрических колес боковой зазор определяется в сечении, перпендикулярном направлению зубьев, в плоскости, касательной к основным цилиндрам двух сопряженных колес, а для конических – по нормали к боковым поверхностям зубьев у большого основания делительного конуса. Боковой зазор измеряют на радиусе начальной окружности при помощи щупа или индикатора. Щуп вводится между

зубьями пары зацепляющихся колес в области начальной окружности, при этом одно из зубчатых колес отжимают в сторону вращения, а второе – в противоположную сторону. Зазор измеряют в трех-четырех точках и записывают его среднее значение, полученное при поворотах колес.

Индикатором измеряют угловое перемещение одного колеса относительно другого, принимая это перемещение за боковой зазор. Шток индикатора прижимают к зубу одного из колес в точке, лежащей на радиусе начальной окружности, а другое колесо закрепляют неподвижно. Покачивая свободное колесо, отмечают показание стрелки индикатора, которое соответствует боковому зазору.

Плавность зацепления и вращения зубчатых колес проверяют на ощупь при вращении одного из колес. Заедания и рывков не должно быть.

Правильность зацепления зубьев колес и взаимного расположения осей определяют проверкой прилегания зубьев по краске. Для этого зубья одного из колес (ведущего) смазывают тонким слоем краски (берлинской лазури) и проворачивают по ходу. При этом второе колесо слегка притормаживают для создания при вращении колес небольшого давления на зубья, чтобы получить более отчетливый отпечаток. При хорошем зацеплении зубьев отпечаток на зубе ведомого колеса должен располагаться по линии зацепления и длина его должна составлять 60-70 % от длины зуба. При расстоянии между осями колес, большем допустимого, отпечаток переместится к головке зуба, а при меньшем – к основанию зуба. В обоих последних случаях прилегание зубьев неудовлетворительное и узел бракуется. Одностороннее расположение отпечатка относительно длины зуба свидетельствует о перекосе осей зубчатых колес.

Нормы точности определяются относительными размерами пятна контакта в процентах (табл.6.7). По ширине зуба нормы точности определяются отношением расстояния между крайними точками следов прилегания за вычетом разрывов к полной ширине зуба. По высоте зуба нормы точности определяются отношением средней высоты пятна прилегания по всей длине зуба к рабочей высоте зуба.

Таблица 6.7

Относительные размеры пятна контакта

Способ измерения	Величина пятна контакта в % при степени точности
	3	4	5	6	7	8	9	10	11
По высоте	65	60	55	50	45	40	30	25	20
По ширине	95	90	80	70	60	50	40	30	25

У конических колес пятно может быть сдвинуто в сторону более тонкой части зуба, что допускается с учетом деформации передачи во время работы. Для проверки пятна касания создаются контрольные карты, на которых указываются допустимые искажения формы и положения пятна контакта.

Погрешности, характеризуемые неправильными отпечатками, устраняются подбором пары колес. Слесарная подгонка не допускается.

Радиальные и осевые биения проверяются с помощью индикатора. В этом случае измерительной базой является начальная окружность колеса. Для этой цели используют ролики или шарики диаметром около 1,7 модуля, укладываемые во впадины между зубьями, шток индикатора подводится к внешней поверхности ролика или шарика.

После ремонта и сборки все агрегаты подвергаются обкатке для проверки правильности сборки и приработки деталей и узлов, восстановленных и замененных в процессе ремонта.

Обкатку производят на безмоторных стендах по специальной программе. Для обкатки применяют отфильтрованное топливо Т-1 или ТС-1 без следов влаги, щелочи и кислотности. Обкатку производят в два этапа: сначала на смеси, состоящей из 50% топлива и 50% масла МК-22 или МС-20. На втором этапе для обкатки используется только топливо. При первой обкатке наблюдают за продолжительностью

работы насоса на каждом режиме, изменением режимов, температурой рабочей жидкости, чистотой фильтров и давлением, создаваемым откачивающими насосами стенда. Продолжительность обкатки составляет 15-70 мин и зависит от количества трущихся деталей. На втором этапе проверяют производительность насоса.

После обкатки насосы подлежат разборке с целью выявления и устранения дефектов, если они появились.

РЕМОНТ ФИЛЬТРОВ

Для обеспечения питания двигателей топливом фильтры, как правило, снабжены перепускными клапанами, которые автоматически срабатывают при достижении заданного перепада давлений на фильтрующем элементе в случае его засорения или обмерзания и сохраняют необходимый расход топлива.

При рабочем давлении 0,3 МПа клапан срабатывает при перепаде давлений 40–60 кПа, а при рабочем давлении до 0,6 МПа клапан срабатывает при перепаде 70–90 кПа. Фильтрующие элементы изготовляют из сетки (сетчатые), проволоки (щелевые) и бумаги. Материал сетки – латунная или никелевая проволока.

Таблица 6.8

Характеристика фильтрующих элементов

Характеристика	С е т к а
Материал	Бумага АФБ-15	Н и к е л е в а я	Латунная
Номер сетки	-	Саржевого плетения	Плющенная № 004	004	01	028
Тонкость очистки, мкм	8-12	12-16	20-30	4	100	280

Сетчатые фильтрующие элементы выполняют в виде каркасов, имеющих в сечении цилиндрическую форму, а так же в виде тарельчатых перфорированных дисков. Бумажные фильтрующие элементы изготовляют из бумаги АБФ-15, пропитанной спиртовым раствором бакелитового лака. Для увеличения площади поверхности бумага собрана в складки, поддерживаемые металлическим каркасом. Подбор фильтра выполняют по его гидравлическим сопротивлениям.

Фильтры ремонтируют в случае прорыва фильтрующего элемента. В качестве примера ниже приведен порядок ремонта дроссельного пакета и дросселя топлива [16]. При обнаружении дефекта сеток дроссельные пакеты, так же как и фильтры разбирают. Корпуса с фильтрующей и каркасной сетками помещают в ванну со щелочным раствором. Состав раствора: едкий натр - 550-700 г/л, азотнокислый натрий - 150-300 г/л. Сетки выдерживают в растворе при температуре 140С до полного растворения припоя.

Затем фильтры промывают в горячей и холодной воде, снимают с них сетки, после чего корпуса электрополируют в течение 1-2 мин при температуре электролита 70-90С. Плотность тока при электрополировке – 20-40 А/см2, напряжение 80 В.

Пайка новых сеток осуществляется следующим образом. Вырезаются по шаблону фильтрующие каркасные сетки. Места пайки на корпусах лудят припоем ПСр 2,5 с применением флюса ФИМ. Состав флюса: этиловый спирт -175 см3, дистиллированная вода -135 см3, ортофосфорная кислота – 20 см3.

Затем на каркас накладывают каркасную и фильтрующую сетки и осуществляют их пайку. После пайки контролируется ширина шва на сетке по образующей цилиндра и качество пайки. Окончательное качество фильтров проверяется их проливкой.

Одной из очень важных проблем при ремонте является восстановление фильтрующей способности фильтров. Для этой цели применяется магнитострикционный принцип очистки, при котором фильтры помещаются в ванну, наполненную специальным раствором (см.п.6.3). Магнитострикционные преобразователи генерируют в жидкости ультразвуковые волны, которые, взаимодействуя с загрязненными фильтрующими элементами, производят их очистку. Такие установки применительно к очистке авиационных фильтров имеют ряд недостатков. Они запитываются от силовой трехфазной сети 380 В и потребляют в зависимости от модели от 1,5 до 15 кВт. Кроме того, для многих из них требуется проточная охлаждающая жидкость.

В последнее время для очистки авиационных фильтров стали применяться разработанные в ЗАО «НПП «КОР» установки, в которых вместо магнитных ультразвуковых излучателей применены пьезоэлектрические, обладающие целым рядом преимуществ. Новые установки на порядок дешевле, потребляют меньше электроэнергии ( 100 – 400 Вт), не требуют охлаждающей жидкости, запитываются от бортовой однофазной сети 220 В, а портативные модели – так же и от бортовой сети 27 В. К настоящему времени в аэропорту «Шереметьево» очищено 150 тыс. фильтров, причем досрочного съема фильтров с самолетов и двигателей из-за некачественной очистки не было.

Портативные модели позволяют, используя имеющиеся на борту жидкости (керосин или АМГ), и, запитав установки от бортовой сети, промыть фильтры в полевых условиях.

1. Хаим Бялик
2. . ИСТОРИЯ ПРАВА УДЕРЖАНИЯ [] [] Не приводится
3. Хронотерапия ГБ и ИБС
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФИНАНСОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ
5. Патриотическое воспитание в начальной школе
6. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Одеса
7. Риформинг как способ получения бензинов с улучшенными характеристиками
8. Лекция 8- Типы рыночных структур Вопросы- 1 Монополия 2 Олигополия 3 Мо
9. Город ждет перемен 1
10. Правило 1 Роль удачи при игре в турнирах Что означает такое понятие как
11. Центр правовой и информационной помощи молодежи Выбор 125480 г
12. Могу ли Я действительно улучшить свою самодисциплину всего за десять дней
13. Стандартизация машин
14. Тема работы
15. СНБ 4010203 Противопожарное водоснабжение; заменить ссылку- ВСН 6089-Госкомархитектуры Устройства связи
16. либо промежуток времени или нужно определить уровень явления на будущее т
17. Плетеная мебель Детская кроватка
18. Порядок расследования профессиональных заболеваний
19. Налоги и налогообложение проводит конкурс на лучшее эссе Возможные темы- В этом мире неизбежны т
20. 98 4 ЗАРЕГИСТРИРОВАНО в Министерстве юстиции Украины 10

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе