Способы и средства повышения качества рабочих колес ТНА ЖРД

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

исходит при однократном контакте абразива и материала).

Критическая плотность контактирования определяется в предположении, что величины износа при полидеформационном разрушении и микрорезании равны (отношение пр / пд = 1).

При условии равенства объемов Ур и Уд, соотношение режущих и деформирующих частиц равно (Пр / Пд)Кр = 0,69 / N.

Уменьшение соотношения Уд/Ур ведет к снижению нижнего предела соотношения (Пр/пд)кр, т. е. при

Уд/Ур ^0

При другом граничном значении Уд / Ур ^ 1 числитель правой части уравнения имеет вид

lim [ln (1 + Уд / Ур)] = lim [ln 2] = 0,693.

Следовательно, соотношение пр / пд может изменяться в диапазоне от 0 до 0,693, т. е. от 0 до 7 %. По данным исследований доминирующий процесс микрорезания при абразивном изнашивании наступает при количестве режущих частиц не более 7,0 % от числа пластически деформирующих.

При низких температурах соотношение режущих и деформирующих частиц абразива изменяется, что связано с изменением физико-механических свойств материалов и состояния абразива. В работах по исследованию износостойкости материалов при низких

температурах показано, что в результате повышенного упрочнения и охрупчивания материалов при низких температурах увеличивается доля диспергирования, а сопротивление разрушению уменьшается. Работа сил трения при понижении температуры до минус 60 °С снижается до 60-65,0 % от значения при температуре плюс 20 °С. Это значит, что разрушение поверхности материала абразивными частицами происходит при усилиях на 35-40 % меньше, чем они необходимы при нормальной температуре. В ряде работ показано, что величина обратная коэффициенту стружкообразования 1/Кс (Кс - коэффициент стружко-образования), отражающая сопротивление материала разрушению снижается, повторяя кривую снижения износостойкости сталей. Приведенные факты указывают на рост интенсивности разрушения материалов абразивными частицами при понижении температуры, а следовательно, снижение износостойкости.

Таким образом, выполненный анализ многочисленных исследований при различных условиях изнашивания материалов показывает, что долговечность деталей и рабочих органов машин полностью зависит от износостойкости материалов, из которых они изготовлены.

© Андреева И. А., Хомич А. И., 2014

УДК 621.454.2;629.76;629.78

И. В. Буртылъ1 Научный руководитель - Г. Г. Крушенко1, 2 1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск 2Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧИХ КОЛЕС ТНА ЖРД

Представлены результаты применения некоторых технологий и средств, обеспечивающих повышение качества рабочих колес турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) подача компонентов топлива осуществляется насосами, которые приводятся во вращение газовой турбиной. В совокупности насосы с турбиной образуют турбо-насосный агрегат (ТНА), являющийся важнейшим узлом ЖРД [1-4].

Комплектующие ТНА детали по условиям эксплуатации делятся на две группы - вращающиеся, к которым относятся вал и смонтированные на нем рабочие колеса (диски), и неподвижные - корпуса, внутри которых располагается вал с дисками (ротор). Вращающиеся детали работают в исключительно жестких условиях [5].

Диски ТНА изготовляют методом литья по выплавляемым моделям [6] из жаропрочных сплавов на никелевой основе [7], содержащие упрочняющие ин-терметаллидные у'-фазы [8].

К качеству дисков предъявляются высокие требования, что вызывает их значительную отбраковку на каждой контрольной операции по причине выявлении разного рода дефектов, начиная от визуального ос-

мотра и вплоть до рентгенопросвечивания. Применение «простых» технологических мероприятий не во всех случаях приводило к положительным результатам, что, по-видимому, можно объяснить незнанием всех факторов, определяющих качество отливок, в связи с чем и был выполнен ряд исследований по повышению качества дисков.

С целью установления причин возникновения дефектов и принятия мер по их предотвращению, проведено исследование с применением метода экспертных оценок [9], основанном на априорном выявлении значения («веса») влияния отдельных факторов на возникновение тех или иных дефектов, что определяли на основании опыта специалистов, накопленного ими в предшествующей деятельности.

На основании обработки полученных данных была разработана конструкция ЛПС, характеризующаяся наличием шаровой прибыли со щелевым подводом в нее металла. Такая форма прибыли обладает наибольшей эффективностью в отношении питания -подвода жидкого металла к кристаллизующимся объ-

Секция « Технология производства ракетно-космической техники»

емам отливки, что объясняется ее минимальной поверхностью охлаждения, т. е. минимально возможной потерей металлом тепла. Функция вертикальной щелевой ЛПС заключается в исключении возможного разрушения оболочки в результате динамического воздействия струи металла при заливке. В нижней части стояка ЛПС было устроено ответвление для гашения удара первой порции струи заливаемого металла. Такое устройство ЛПС предотвратило возникновение таких дефектов, как недолив лопаток, межлопаточные прорывы керамической формы, усадочные рыхлоты, трещины, надрывы, газовые раковины и др.

Качество поверхности металлических деталей, включая и отливки, отвечает за целый ряд рабочих характеристик механизмов, в состав которых они входят. Что касается литых дисков, то качество, чистота их поверхности определяет массовую производительность ТНА. При этом качество поверхности дисков зависит от состава модельной массы, применяющейся для изготовления выплавляемых моделей -прототипов будущей отливки. В настоящей работе с применением метода математического планирования эксперимента [10], при реализации которого в качестве параметра оптимизации были приняты прочностные показатели, проведено исследование по разработке нового состава модельной массы. Это связано с тем, что содержащийся в ее стандартном составе стеарин (стеарин + парафин в соотношении 50/50), взаимодействует со связующим (гидролизованный раствор этилсиликата), образуя на поверхности модели неровности, шероховатости и другие дефекты, которые передаются поверхностям отливок. Кроме того, стандартный состав обладает низкой теплопроводностью, что приводит к деформации моделей при нарушении температурного режима их хранения, и, как следствие, к нарушению геометрии отливок. Разработанная модельная масса (60 % парафина, 17 % буро-угольного воска и 23 % пчелиного воска) характеризуется повышенными свойствами, которые обеспечивает получение отливок с чистотой поверхности требуемого качества.

Разработанные мероприятия обеспечили 100-процентную годность отливок по рентгеновскому контролю, и уменьшили в 2,5-3 раза отсев на других контрольных операциях при одновременном уменьшении расхода дорогостоящего сплава до 3-х кг на одну отливку. При этом была использована технология электрошлакового переплава отделенной от отли-

вок диска ЛПС, что позволило получать металл повышенного качества, предоставляя возможность его использования взамен первичной шихты, что также дает экономический эффект.

Библиографические ссылки

1. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2005. 488 с.

2. Турбонасосные агрегаты ЖРД конструкции НПО «Энергомаш» / Иванов В. К., Кашкаров А. М., Ромасенко Е. Н. и др. // Конверсия в машиностроении. 2006. № 1. С. 15-21.

3. Попов В. Г., Ярославцев Н. Л. Жидкостные ракетные двигатели. М. : Изд-во МАТИ - КТУ им. К. Э. Циолковского. 2001. 171 с.

4. Seong Min Jeon et al. Rotordynamic analysis of a high thrust liquid rocket engine fuel turbopump // Aerospace Science and Technology. 2013. Vol. 26, Iss. 1. P. 169-175.

5. Прочность и ресурс ЖРД / Н. А. Махутов, В. С. Рачук, М. М. Гаденин и др. М. : Наука, 2011. 525 с.

6. Оборин Л. А. Научно-технологические основы производства литых деталей по выплавляемым моделям для силовых установок летательных аппаратов ; СибГАУ Красноярск, 2013. 238 с.

7. Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н. Применение жаропрочных сплавов для получения литых деталей двигателей летательных аппаратов // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. Омск : Изд-во ОмГТУ. 2011. С. 119-121.

8. Масленков С. Б., Масленкова Е. А. Стали и сплавы для высоких температур. М. : Металлургия. 1991. 832 с.

9. Haase T., Termath W., Martsch M. How to Save Expert Knowledge for the Organization: Methods for Collecting and Documenting Expert Knowledge Using Virtual Reality based Learning Environments // Procedia Computer Science. 2013. Vol. 25. P. 236-246.

10. Gunasegaram D. R., Farnsworth D. J., Nguyen T. T. Identification of critical factors affecting shrinkage porosity in permanent mold casting using numerical simulations based on design of experiments // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. Iss. 3. P. 1209-1219.

© Буртыль И. В., 2014