XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Производство лопаток газотурбинных двигателей занимает особое место в современном машиностроении. Это обусловлено следующими особенностями изготовления лопаток: ответственным назначением лопаток в двигателе; сложностью геометрических форм и требованиями высокой точности изготовления лопаток; применением дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток; плохой обрабатываемостью материалов, применяемых для изготовления лопаток. Сочетание указанных факторов и определило специфичность производства лопаток. 

Процесс точного литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) – наиболее реальный метод производства деталей сложной конфигурации из основных современных жаропрочных сплавов, плохо поддающихся механической обработке, стоимость которых очень высока [1].

Цель работы:

Разработка методики проектирования литниковой системы для многоместных форм, обеспечивающей полное проливание пера лопатки и получение качественных отливок.

Ход работы:

Отличительной особенностью двигателей пятого поколения, является усложнение системы охлаждения лопаток турбин, связанное с усложнением ее внутренней полости и утонением пера лопатки.

В данной работе рассмотрена деталь газотурбинного двигателя (ГТД) «Лопатка рабочая» (рисунок 1).

Рисунок 1 – Лопатка рабочая

Длина лопатки составляет 180 мм, а толщина стенок пера 0,6 – 0,8 мм. Такая конструкция лопатки приводит к высокому браку.

а) б) в)

Рисунок 2 – Дефекты в отливках

а) разностенность пера лопатки; б) неспай стенки по корыту пера лопатки; в) недолив пера лопатки

Рисунок 3 – Пористость

Возникновение большинства дефектов, связано с характером заполнения формы металлом (нижнее, комбинированное или верхнее), поэтому для снижения длительности, трудоемкости и материальных затрат по разработке технологии применяется компьютерное моделирование. Этот метод включает в себя разработку физических и математических моделей, численных методов, проведение численного эксперимента с привлечением средств вычислительной техники (его результаты анализируются и используются в практических целях) [2].

Программа позволяет моделировать: заполнение формы металлом; температурные поля; сегрегацию; дефекты; напряжения и деформацию [3].

На сегодняшний день одной из актуальных проблем является разработка методики математического описания процессов заполнения форм металлом.

Задача сводится к разработке методики проектирования литниковой системы для многоместных форм, обеспечивающей полное проливание пера лопатки и получение качественных отливок.

При этом необходимо решить следующие задачи:

1. Компьютерное моделирование и анализ процесса заливки многоместного блока лопаток в PRO Cast;

2. Разработка математической модели, описывающей процесс заполнения многоместного блока лопаток;

3. Расчет времени заполнения блока лопаток и определение места слияния потоков;

4. Проверка результатов расчетов на моделях в PRO Cast.

Деталь «Рабочая лопатка ГТД» изготавливают способом ЛВМ, используя при этом четырехместный блок. На рисунке 4 представлена схема четырехместного блока лопаток.

а б

1 – Приемная чаша; 2 – Верхние питатели; 3 – Вертикальный колодец; 4 – Лопатки; 5 – Диффузор; 6 – Нижние коллектора; 7 – Зумпф

Рисунок 4 – Схема четырехместного блока лопаток

а) Вид спереди; б) Вид сверху

Блок является двухъярусным и состоит из: приемной чаши – 1, центрального стояка (вертикальный колодец) – 3 с местным сужением (диффузором) – 5 и зумпфом – 7, верхних питателей – 2, нижних коллекторов – 6 и лопаток – 4, расположенных вокруг центрального стояка и соединенных коллекторами 2 и 6.

Данная конструкция литниково-питающей системы (ЛПС) обеспечивает комбинированное заполнение формы, то есть заполнение лопаток происходит по двум литниковым каналам, расположенным снизу (сифон) и сверху через массивную замковую часть (рисунок 5). При этом путем регулирования диаметра диффузора можно управлять местом слияния потоков, поступающих сверху и снизу.

Рисунок 5 – Схема комбинированного заполнения блока лопаток

Опытные заливки проводились для двух четырехместных блоков, отличающихся друг от друга диаметром диффузора (12 и 15,5 мм), что позволило установить оптимальный диаметр диффузора, то есть диаметр, при котором наблюдается наименьший процент брака, по всем показателям качества.

Керамическая форма изготавливалась по существующей технологии включающей: приготовление стрежневой смеси и изготовление стержня; обжиг стержня; приготовление модельной массы, изготовление модели лопатки и модели литниково-питающей системы; сборку модели блока лопаток; приготовление суспензии и облицовку модели блока лопаток; вытопку модельной массы; прокаливание керамической формы.

Заливка блоков осуществлялась в специальной вакуумно-заливочной установке жаропрочным сплавом марки ЖС6У-ВИ. Температура заливки сплава составляла 1520ºС, при этом форма подогревалась до температуры 1000ºС.

На рисунках 6 и 7 представлены залитые блоки лопаток, и лопатки после отрезки.

Рисунок 6 – Залитые блоки лопаток без керамики с диаметрами диффузора 12 мм и 15,5 мм соответственно

Рисунок 7 – Лопатки после отделения от литниковой системы

Благодаря обзору научных публикаций проведен сравнительный анализ компьютерных CAE систем, а также изучены функциональные возможности каждой из компьютерных программ (таблица 1, 2). Максимально полно, выбранным критериям соответствует программный продукт ProCast.

Именно поэтому в качестве инструментария для разработки цифровой модели технологического процесса получения лопаток ГТД был выбран программный продукт ESI Group – ProCast. Эта прикладная система, способная реализовать наибольшее количество математических моделей, а также комплексно и адекватно анализировать результаты численного эксперимента.

Вывод

Рассмотрены основные виды брака лопаток, проведен анализ результатов опытных заливок четырехместных блоков лопаток.

Выполнен литературный обзор и сравнительный анализ систем компьютерного моделирования литейных процессов.

Выполнено компьютерное моделирование процесса заливки четырехместных блоков лопаток и анализ результатов с целью выявления причин возникновения дефектов.

Рассмотрен и проанализирован многоместный блок лопаток, проведено компьютерное моделирование процесса заливки многоместного блока лопаток и на основании его результатов предложена математическая модель, описывающая процесс заполнения.

Выполнен расчет и оптимизация 16-ти местного блока лопаток с помощью математической модели, что подтверждено компьютерным моделированием в системе PRO Cast.

Список использованной литературы

Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия/ под общ. ред. Е. Н. Каблова. – 2-е изд. – М.: Наука, 2006. – 632 с. – ISBN 5-02-034270-X.

Васькин В. В., Кропотин В. В., Обухов А. В. Математическое моделирование и литейные технологи. – М.: CADmaster. – 2002, №4(14), с. 35–39.

Тарасевич Н. И., Корниец И. В., Тарасевич И. Н., Дудченко А. В. Сравнительный анализ систем компьютерного моделирования металлургических и литейных процессов. – Киев: Металл и литье Украины. – 2010, № 5 с. 20 – 25.

Тихомиров М.Д., Комаров И.А. Основы моделирования литейных процессов. Что лучше – метод конечных элементов или метод конечных разностей? – М.: Литейное производство. – 2002, No 5, с.22 – 28.

Код для цитирования: Скопировать