ВЫСОКОИНТЕНСИВНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПРОИЗВОДСТВА И РЕМОНТНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Рассмотрена высокоинтенсивная направленная ультразвуковая очистка охлаждаемых каналов лопаток турбины в процессе их производства и ремонтных операций. Проведена классификация загрязнений. Описано применяемое оборудование для ультразвуковой очистки и диагностики качества очистки охлаждаемых каналов лопаток турбины. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Ресурс газотурбинных двигателей (ГТД) во многом зависит от надёжности работы лопаток турбины, которые подвергаются высоким динамическим и циклическим нагрузкам при термических напряжениях и работают в условиях агрессивной газовой среды.

При изготовлении охлаждаемых лопаток выполняется более 100 операций, причём в большинстве случаев после обработки (выщелачивания, шлифования, гидроабразивной обработки, электроэрозии, рентгеновского анализа и т. д.) требуется очистка внутренних поверхностей лопаток. Как правило, это осуществляется подачей жидкости или воздуха под давлением. Выход годных деталей по засорам составляет 10-15 %, поэтому необходимы новые технологические решения, которые позволят очищать лопатки как при изготовлении, так и при ремонте.

Для очистки прецизионных изделий применяются ультразвуковые ванны, которые работают на частоте 20-40 кГц при интенсивности излучения в моющую среду до 2,5 Вт/см2. Ультразвуковая очистка в таких ваннах эффективна в основном для наружных поверхностей деталей.

Внутренние полости, глубокие и малые отверстие требуют более интенсивных акустических полей с соответствующими им явлениями кавитации и турбулизации жидкости, что позволяет значительно интенсифицировать очистку сложнофасонных деталей и узлов.

В настоящее время на предприятиях отечественного машиностроения не уделяется должное внимание операциям очистки, что часто приводит к разрушению деталей при их эксплуатации.

На производстве и в процессе ремонта, как правило, сталкиваются с различными типами загрязнений. Это связано с тем, что при изготовлении деталей каждая операция обработки включает множество факторов воздействия на деталь. На этапах ремонта возникают загрязнения в основном биологического характера (мелкие частицы песка, солевых отложений и т.п.), износа деталей (стружка), использования специальных жидкостей (масел, консервационных жидкостей, топлива и т.д.). Поэтому необходимо анализировать большинство производственных операций, а также загрязнений, вызванных условиями эксплуатации.

В зависимости от предшествующих операций загрязнения можно подразделить на группы: после механической обработки резанием (стружка, станочные эмульсии и смазки), чистовой или отделочной обработки, притирки, доводки (абразивная пыль и зерна, пасты, масла, смазки, эмульсии, наклеечные смолы);
после электроэрозионной обработки (шлам); после лить (окалина, окисные плёнки, припары);
после термообработки (окалина, окисные плёнки, сажа, кокс, нагар, продукты осмоления и коксования);
после хромалитирования (спекшиеся частицы CrAl);
после рентгеновского анализа внутренних каналов лопаток турбин (металлический порошок).

Все загрязнения имеют различную связь с очищаемой поверхностью, поэтому можно выделить три основных вида связи:

механическая связь с очищаемой поверхностью, которая происходит за счёт сил трения (например, частички стружки, шаржированные частицы абразива и т.п.);

химическая связь с поверхностью, возникающая за счёт химического взаимодействия обрабатываемого материала с окружающей средой (окисные пленки, углеродистые отложения и т.д.);

адгезионная связь, которая обусловлена удержанием частиц и плёнок на поверхности твёрдого тела силами молекулярного взаимодействия, капиллярных сил в жидкости и рядом других причин (такую связь с поверхностью имеют различные лакокрасочные и жировые плёнки, мелкие механические частицы).

Технологические жидкости, используемые в процессах ультразвуковой очистки, подразделяются на моющие среды и жидкости для дополнительной обработки (предварительное замачивание, промывание, пассивирование и консервация изделий).

Часто в качестве жидкостей для дополнительной обработки используют непосредственно моющие среды. Выбор технологических жидкостей является важной предпосылкой получения необходимого качества очистки. При подборе технологических жидкостей необходимо выполнить ряд требований, иногда противоречивых. Поэтому следует учитывать все особенности технологического процесса изготовления изделий, свойства их материала и состав загрязнений.

В качестве моющих сред при ультразвуковой очистке используются вода, водные растворы щелочей, поверхностно-активные вещества (ПАВ), растворы кислот, органические растворители и эмульсионные составы.

Основными свойствами ПАВ являются: способность к адсорбции, т.е. способность молекул собираться на межфазной поверхности в концентрации, многократно превышающей концентрацию в объёмах граничащих фаз, и плотно заполнять поверхностный слой;

самопроизвольность протекания процесса адсорбции, термодинамически предопределяемая избытком свободной энергии на исходной поверхности раздела фаз и обеспечивающая концентрирование в той мере, в какой кинетические факторы (массоперенос, диффузия ) позволяют осуществляться. В специфике физико-химических взаимодействий на межфазной границе лежат научные основы изменения в нужном направлении природы данной границы — гидрофилизации (при отмывании, нанесении ядохимикатов, вытеснении остаточной нефти), олефилизации (пигментов и наполнителей породы при пуске скважины).

При разработке процессов ультразвуковой очистки и эксплуатации ультразвукового оборудования необходимо уделять больше внимания контролю качества очистки. Неправильный выбор метода контроля может препятствовать достижению заданного критерия очистки или привести к необоснованному увеличению времени, т.е. снижению производительности и повышению энергоёмкости процесса.

Все методы контроля качества очистки можно разделить на две группы — прямые и косвенные.

К прямым методам контроля качества очистки относятся визуальный, фотографический и др., которые непосредственно отражают качество очищенной поверхности.

Косвенные методы, как правило, показывают одну из эксплуатационных характеристик очищенных деталей и разрабатываются исходя из условий эксплуатации каждой конкретной детали.

Охлаждаемые лопатки турбины ГТД подвергаются следующим методам контроля:
рентгенографический метод основан на получении рентгеновского снимка охлаждающих каналов лопаток. Преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет определить характер и место загрязнения во внутренних полостях лопаток. Это способствует получению статистических данных и выбору метода очистки. К недостаткам можно отнести невозможность количественно оценить степень засорённости. Побочным действием метода является тот факт, что при рентгеновской съёмке во внутреннюю полость лопатки засыпают металлический порошок, который также необходимо удалять;
тепловизионный метод основан на проведении испытаний, приближённых к рабочим условиям работы охлаждаемых лопаток турбины, и показывает степень охлаждения лопатки. Преимуществом данного метода, в отличие от рентгенографического, является количественная оценка качества охлаждения лопатки. К недостаткам следует отнести невозможность определения характера загрязнения, и определение точного места засора.

В общем случае комплекс оборудования для высокоамплитудной ультразвуковой очистки состоит из ультразвукового генератора, одной или нескольких стержневых колебательных систем и технологической установки с ваннами или камерами для проведения операции, снабжённой транспортными средствами и системами для поддержания заданных параметров технологических сред. Основной частью ультразвуковой установки является технологическое устройство, с помощью которого осуществляется технологический процесс, включающий комплекс операций как с ультразвуком, так и без него.

На основании геометрии лопатки и направления действия преобразователей (волноводов) разработано приспособление для крепления лопатки внутри ванны с технологической моющей жидкостью. Материал приспособления выбирался из соображений, что лопатка вместе с приспособлением должна находиться в агрессивной жидкости при повышенной относительно нормальных условий температуре под действием ультразвуковых волн и кавитации.

На рис. 1 представлена схема разработанной установки для высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых лопаток турбины.

Общий вид установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

Рис. 1. Общий вид установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

1- генератор; 2 – программатор; 3 – коммутатор;, 4 – стойки; 5 – преобразователи; 6 – приспособление для фиксации и ориентирования лопатки; 7 – направляющие; 8 – стол; 9 – ванна

В таблице приведена техническая характеристика установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины.

техническая характеристика установки высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

Для оценки загрязнений внутренних каналов турбинных лопаток были представлены рентгенографические снимки и результаты тепловизионных испытаний. По полученным данным сделаны следующие выводы:

во внутренней полости присутствуют загрязнения , снижающие эффективность охлаждения лопаток (рис. 2);

лопатки со стороны хвостовика практически не имеют загрязнений;

наибольшее загрязнение приходится на внутренние каналы пера лопатки, в особенности на выходную кромку лопатки (см. рис. 2);

на ряде лопаток значение загрязнения изменяется от минимального к максимальному (количеству) от центральной части к входной и выходной кромке.

Результаты рентгенографических и тепловизиооных исследований качества высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

Рис. 2. Результаты рентгенографических и тепловизиооных исследований качества высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки лопаток турбины

В процессе очистки были получены следующие результаты:

средняя масса удалённых из одной лопатки загрязнений составляет 2-3 г. при времени обработки до 2 мин;

оптимальный зазор от торца волновода до зоны обработки до 20 мм;

при обработке лопатки со стороны замка выделяется в 2-2,5 раза загрязнений больше, но качество очистки повышалось при последовательной обработке со всех сторон;

при загрязнениях в процессе ремонтных операций, когда в состав различного рода загрязнений входят смолистые загрязнения, являющиеся связывающим элементом между очищаемой поверхностью и загрязнениями твёрдой фракции,
рекомендуется чередование замачивания с очисткой (несколько циклов).

Технология, описанная выше, позволяет решить проблему очистки лопаток как при изготовлении, так и при ремонте, если выполняются следующие условия:

при изготовлении необходимо очищать лопатки после каждой операции, тогда общее время очистки (6 мин) можно снизить в 4—5 раз;
для замачивания и очистки лопаток, имеющих сильные загрязнения, рекомендуются биоразлагаемые на водной основе средства: «ТМ-Унилан», «ТМ-Унилан К50» и «ТМ-Унилан-Карбон»;
очистку проводить в подогретой до 60° жидкости;
для предотвращения вторичного загрязнения лопаток рекомендуется каждую лопатку очищать в профильтрованной жидкости;
очищенные с помощью ультразвука лопатки необходимо промывать проточной водой и просушивать.

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: из всех известных технологий по очистке лопаток (внутренних каналов) разрабатываемая   является наилучшей по производительности;

ультразвуковая очистка является наиболее дешёвой по отношению к другим технологиям очистки;

ультразвуковая очистка может применяться без специфических реагентов и химических средств (щёлочи применяются для интенсификации процесса и не являются основополагающими);

ультразвуковая очистка наиболее безопасна в обслуживании (эксплуатации);
при очистке охлаждающих каналов лопаток турбины метод высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки не приводит к повреждению детали при оптимально выбранном режиме обработки;

в процессе высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки деталей возможен процесс ультразвукового упрочнения поверхности за счёт создания высоких ударных нагрузок в зоне обработки. Данный эффект не сказывается на прочностных характеристиках лопаток турбины, так как в процессе работы они подвергаются действию высоких температур, которые значительно выше температуры релаксации материала, и как следствие, поверхностные напряжения релаксируют в процессе выхода ГТД на крейсерский режим работы.

Библиографические ссылки:

1. Келлер О.К., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка. Л.;  Машиностроение, 1977. 184 с.

2. Панов А.П., Пискунов Ю.Ф. Высокоамплитудная ультразвуковая очистка. М.: Машиностроение, 1980. 52 с.

____________________

Е.И. Ивкин, канд. техн. наук, И.А. Сироткин
(Московский авиационный институт)

Ключевые слова: высокоинтенсивная ультразвуковая очистка, поверхностно-активные вещества, раствор кислоты, органический растворитель, эмульсионный состав, адсорбция.

Просмотров: 121

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*

code