Войти
Комплексные поставки
для производства и склада

Статьи

Преимущество использования прессов Hydraulico в производственных операциях при экструзии и высадке лопаток для реактивных двигателей

articlebig

15 марта 2015

Летательные аппараты должны быть более эффективными - это основополагающая задача, когда мы сталкиваемся с проектированием реактивных двигателей. Однако, при создании проекта и подборе компонентов для изготовления комплектующих деталей двигателя, инженеры обязаны учитывать экономическую целесообразность применения материала для массового производства. В связи с этим разрабатываются всё более новые технологические цепочки, обеспечивающие большую свободу в дизайне и позволяющие повышать эффективность производства, а также проведение ремонтных процессов.

Поскольку в статье речь пойдет о частях реактивного двигателя, приведем краткую историческую справку о самом реактивном двигателе и о его основном принципе работы (Рис. 1).


Устройство реактивного двигателя

Рис. 1. Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain), выдающимся немецким инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle). 

Первый патент на работающий газотурбинный двигатель, был получен в 1930 году Фрэнк Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

Второго августа 1939 года в небо поднялся первый реактивный самолет - He 178 (Хейнкель 178), снаряженный двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

Устройство реактивного двигателя достаточно просто и одновременно крайне сложно. Просто по принципу действия: забортный воздух (в ракетных двигателях - жидкий кислород) засасывается в турбину, там смешивается с топливом и, сгорая, в конце турбины образует т.н. “рабочее тело” (реактивная струя), которое и двигает машину.

Кажется все просто, но на деле - это целая область науки, ибо в таких двигателях рабочая температура достигает тысяч градусов по Цельсию. Одна из самых главных проблем турбореактивного двигателестроения - создание не плавящихся деталей, из плавящихся металлов. Но для того, что бы понять проблемы конструкторов и изобретателей нужно сначала более детально изучить принципиальное устройство двигателя.

В современном гражданском реактивном двигателе можно выделить 4 основные зоны: вентилятор, компрессор, камера сгорания и турбина.

В начале турбины всегда стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Вентилятор обладает большой площадью и огромным количеством  лопастей специальной формы, сделанных из титана.    

Основных задач две - первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом, путем прокачивания воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.

Сразу за вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.

Камера сгорания выполняет еще и роль карбюратора, смешивая топливо с воздухом. После образования топливовоздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей  - её необходимо постоянно интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сгорания горящая топливовоздушная смесь направляется непосредственно в турбину.

Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором “сидят” вентилятор и компрессор. Таким образом, система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционирования.

После турбины поток направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя - последняя, но далеко не по значению часть реактивного двигателя. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый вентилятором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Этот поток ограничивает манжету сопла от сверх горячего реактивного потока и не дает ей расплавиться.

Если подытожить вкратце, вентилятор подает воздух к компрессору, затем воздух поступает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом и зажигается. После этого выхлопные газы при высокой скорости и давлении выбрасываются из турбины, которая приводит в действие вентилятор и компрессор (Рис. 2).

Схема устройства реактивного двигателя

Рис. 2. Схема устройства реактивного двигателя

Следует отметить, что почти 80% воздуха, подаваемого вентилятором, проходит за пределами двигателя, обходя его. Только 20% воздуха используется для эксплуатации двигателя.

Сейчас мы подошли к предмету нашего непосредственного интереса реактивного двигателя и важнейшей его части - штампованных турбинных лопаток, и каким образом пресса Hydraulico имеют преимущества в их изготовлении, в отличие от конкурентов.

Рассмотрим подробнее схему размещения, краткую классификацию и используемый материал, из которого изготовлены лопатки в реактивном двигателе (Рис. 3).

Штампованные турбинные лопатки реактивного двигателя Rolls Royce Trent (Произведено на оборудовании Hydraulico)

Рис. 3. Штампованные турбинные лопатки реактивного двигателя Rolls Royce Trent (Произведено на оборудовании Hydraulico)

Лопатки крупногабаритных вентиляторов в настоящее время изготавливаются с использованием специальных патентованных процессов и больше не подвергаются ковке. Турбинные лопатки, выполненные из жаропрочных сплавов со сложным составом, являются литыми.

Существует 2 вида компрессорных лопаток: роторные и статорные. Роторные лопатки собраны на дисках, поддерживаемых валами, проходящими по всей длине двигателя и присоединенными к турбине. Эти лопатки, как правило, выковывают из сплавов титана, стали и никеля, в зависимости от их местоположения и того, насколько высокую температуру им предстоит выдерживать в двигателе.

Роторные лопатки имеют один хвост (или ножку) (Рис.4).

Роторные лопатки

Рис. 4. Роторные лопатки

Стандартный процесс ковки роторных лопаток включает в себя экструзию, ковку для предварительного формования и окончательную ковку. Операция экструзии позволяет разместить оптимальное количество материала в зоне хвоста и в зоне профиля лопатки.

Большинство статорных лопаток, которые располагаются рядами между рядами роторных лопаток и являются неподвижными внутри двигателя, крепятся на кольцах обеими своими концевыми частями. Это означает, что у них по два хвоста.

Далее, процесс может включать в себя дополнительную отковку для второго хвоста.

После экструзии может также выполняться операция высадки или две операции высадки, по одной на каждый хвост, начиная от заготовки, имеющей подходящий размер для профильной части лопатки. Некоторые из них, называемые «поворотными лопатками», могут вращаться вокруг своей оси, регулируя воздушный поток в двигателе (Рис.5).

Роторные лопатки

Рис. 5. Роторные лопатки

Как правило, в компрессорном отсеке находится от 800 до 1200 лопаток, разделенных почти поровну между роторами и статорами.

Ковка лопаток в компрессорном отсеке начинается с прямой экструзии заготовок.

Экструдированные заготовки

Рис. 6. Экструдированные заготовки

Изображение двух экструдированных заготовок со стержнем, направленным влево (Рис.6).

В качестве материала можно использовать никель, титан и сталь.

Лопатки изготавливаются из нагретых круглых заготовок, из которых экструдируется стержень. Экструдированную деталь затем проковывают для получения предварительно формованной лопатки, после чего выполняют окончательную ковку.

Профильная часть лопатки подвергается окончательной отделке, а ножка - операциям механической обработки.

Для осуществления прямой экструзии стержня нагретую круглую заготовку помещают в штамп и подвергают экструзии, получая стержень меньшего диаметра (Рис.7).      

Процесс экструзии

Рис. 7. Процесс экструзии

Проблемой при экструзии всегда является относительное соотношение между диаметром ножки и диаметром стержня и необходимость поддержания размера/фазы зерна в пределах допуска.

Преимущество использования для этой цели прессов Hydraulico по сравнению с механическим прессом заключается в следующем.

Пресс Hydraulico позволяет производить деталь, у которой соотношение диаметров ножки и стержня находится в диапазоне от 3,5 до 4.

Механический пресс позволяет производить деталь с максимальным соотношением диаметров 2,5.

Например, при производстве детали с ножкой 40 мм и стержнем 11 мм в механическом прессе сначала необходимо использовать заготовку Ø 25 мм и экструдировать стержень 11 мм, чтобы получить ножку Ø 28 мм (соотношение 1:2,5), после чего выполняют операцию объемной штамповки (высадки), которая расширяет ножку с 28 мм до 40 мм. Это требует использования дополнительного штампа, дополнительных подачи и перемещения, дополнительного повторного нагрева и дополнительной операции высадки.

Пресс Hydraulico позволяет изготовить такую деталь всего за одну операцию (с соотношением 1:4).

В процессе экструзии используется, например, заготовка 36 мм, которая расширяется до 40 мм со стороны ножки, после чего выполняется экструзия стержня через отверстие 11 мм. Соотношение 1:3,6.

Почему это происходит? Это происходит потому, что титановые и никелевые детали очень чувствительны к размерам зерна и (или) фазам в ходе металлургического процесса, которые и определяют механические свойства изделия.

При экструдировании стержня течение материала в штампе создает трение, которое снова приводит к возрастанию температуры материала.

Рост температуры в никеле и титане может привести к выходу размера/фазы зерна за пределы допуска. В этом случае невозможно получить приемлемые размер/фазу зерну, поэтому деталь должна быть отбракована.

При использовании механического пресса температура, как правило, возрастает на величину от 30 до 40 градусов Цельсия.

При использовании пресса Hydraulico рост температуры можно контролировать благодаря возможностям регулирования усилия, скорости и позиционирования пуансона станка.

Причина заключается в том, что механический пресс имеет высокую фиксированную скорость, поэтому течение материала должно соответствовать скорости механического пресса. Это способствует повышению давления в штампе, что вызывает повышение трения и, соответственно, температуры.

В прессе Hydraulico усилие и скорость можно ограничить определенными максимальными значениями, что ограничит рост давления в штампе и, следовательно, позволит контролировать трение и уменьшить рост температуры.

Какие можно сделать из этого выводы? 

Очевидно, что металлургические свойства никелевых и титановых деталей при использовании пресса Hydraulico для экструдирования стержня улучшаются.

При использовании пресса Hydraulico экономия эксплуатационных затрат составляет не менее 25%, поскольку дополнительный нагрев, дополнительные подачу и перемещение и дополнительную операцию высадки можно исключить.

Устраняются затраты на высадочный штамп и операцию высадки при использовании пресса Hydraulico.

Экономия затрат на техническое обслуживание и замену деталей вследствие меньшего износа при использовании пресса Hydraulico. Уменьшенное трение снижает износ и увеличивает срок службы штампа.

Также можно задать следующий вопрос: возрастает ли риск серьезной поломки в случае использования механического пресса при установке нового штампа, если высота закрытия (НМТ) имеет неправильное значение, или эта проблема носит лишь теоретический характер?

Несомненно, да, поскольку датчик ограничения усилия на прессе Hydraulico остановит ползун в случае ошибки при настройке НМТ и предотвратит поломку деталей штампа.

Рассмотрим ещё одно преимущество пресса Hydraulico в технологии двойной высадки прутка для статорных лопаток в сплавах титана и стали (Рис. 8).

Статорные лопатки

Рис. 8. Статорные лопатки

Статорные лопатки шарнирно соединены на обоих концах. Для получения такой детали на обоих концах выполняется высадка нагретого прутка. При высадке пруток расширяется, благодаря чему может быть получено шарнирное соединение. После высадки деталь проковывают дважды, выполняя операции предварительной и окончательной ковки.

Заготовка (пруток) и два вида деталей с различной высадкой

Рис. 9. Заготовка (пруток) и два вида деталей с различной высадкой

На рисунке 9 изображен пруток посередине и два вида деталей с различной высадкой.

В случае высадки прутка с помощью механического пресса происходит следующий процесс.

На пруток необходимо нанести покрытие и нагреть его. Затем поместить в механический пресс и произвести высадку на одном конце. После этого пруток должен пройти операцию очистки, операцию покрытия и повторный нагрев. Затем пруток нужно поместить в механический пресс и произвести высадку на другом его конце.

Всего операций: 2 операции покрытия, 2 операции нагрева, 2 операции прессования, 1 операция очистки, 10 операций подачи и перемещения.

При использовании гидравлического пресса Hydraulico USP Servo может применяться двойная высадка.

Это означает, что нагретый пруток с покрытием может подвергаться высадке на обоих концах одновременно за одну операцию.

Это приводит к экономии эксплуатационных затрат приблизительно на 30 %, особенно благодаря сокращению времени настройки, а также повышению качества работы и экономии электроэнергии. Кроме того, такую операцию намного легче автоматизировать по сравнению с операцией, выполняемой на типовом механическом высадочном прессе.

Всего операций: 1 операция покрытия, 1 операция нагрева, 1 операция прессования, 4 операции подачи и перемещения.

Слева на рисунке 10 показан принцип двойной высадки. Справа на рисунке 10 представлено решение Hydraulico.

Критическим параметром является быстрота выполнения операций после нагрева с целью минимизации охлаждения титановых прутков.

Различия между металлургическими и геометрическими свойствами детали, прокованной с использованием механического пресса или пресса Hydraulico USP Servo.

Один (1) гидравлический пресс Hydraulico USP Servo за четыре месяца выпускает такой же объем продукции, как 2 (два) механических пресса за один год.

Процесс высадки на прессе Hydraulico

Рис. 10. Процесс высадки на прессе Hydraulico

В заключении, в отношении технологии высадки лопаток посредством пресса Hydraulico можно сделать следующие выводы:

  1. Значительная экономия вложенных средств и затрат на единицу продукции, поскольку один пресс Hydraulico USP Servo с одной печью, двумя роботами и одним смазочным агрегатом выпускает такой же объем продукции, как 6 механических прессов с 6 печами, 12 роботами и 6 смазочными агрегатами.
  2. Высадка статорных лопаток в прессе Hydraulico USP Servo сокращает количество операций ковки с четырех до трех.
  3. Затраты времени на ввод в эксплуатацию при замене штампов и регулировке параметров сокращаются, как правило, на 4 часа при использовании одного штампа в прессе Hydraulico по сравнению с настройкой 2 штампов в механическом прессе.
  4. Пресс Hydraulico USP Servo отличается высокой гибкостью. В нем гораздо проще производить замену штампов по сравнению с механическим прессом.
  5. Объем технического обслуживания на прессе Hydraulico USP Servo намного меньше, чем на механическом прессе вследствие сложности конструкции последнего.
  6. Прессы Hydraulico USP Servo намного легче полностью автоматизировать.

Являясь лидером в технологии производства современных прессов, компания Hydraulico предлагает современные технические решения, которые включают не только прессы глубокой вытяжки, но и производственные линии, подающие автоматические устройства, размотчики рулона и другое автоматизированное оборудование.

Программа поставки также включает штамповочные и формовочные прессы, прессы холодной ковки и лабораторные прессы. Прессы Hydraulico используются для изготовления таких изделий как ручные тележки (тачки), чемоданы, контейнеры, кухонные раковины, ванны, газовые баллоны, кастрюли, сковороды, оконная арматура и автокомпоненты.

Мощность изготовляемых прессов находится в диапазоне от 100 тонн до 6000 тонн. Также компания Hydraulico производит прессы в соответствии со спецификациями клиентов.

Пресса и производственные линии компании Hydraulico работают во всех уголках земного шара. За свою 55-летнюю историю компания поставила более 4000 прессов клиентам из многих стран.

Опыт и ноу-хау компании в рамках передовых производственных технологий позволяют нам создавать инновационные эффективные и высококачественные решения для клиентов по всему миру.

Ознакомьтесь подробнее с нашей продукцией и услугами и обращайтесь к нам для получения более подробной информации на сайте www.sidus.ru.


Руководитель отдела продаж производственного оборудования 

Ильяшенко Вадим Анатольевич ООО "Сидус". Тольятти, Россия.

 

Показать все статьи
Для склада