CC BY
27УДК 621.45
Т.В. Хавлин1, А.Н. Михайлов2, Д.А. Михайлов2, В.А. Михайлов2, С.В. Глухов1
1 Донецкая академия внутренних дел МВД ДНР, Донецк, 283001;
2 Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001 e-mail: strana. sovetov. 80@mail. ru
СОЗДАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ТУРБИН АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В данной статье рассматривается процесс повышения качества одной из основных деталей авиационного газотурбинного двигателя - рабочей лопатки турбины. Создается методика разработки общего подхода в создании функционально-ориентированной технологии и формируется синтез методов, применяемых в данном исследовании. Также предлагается вариант алгоритма технологического процесса, применяемого для повышения качества лопаток турбины на базе функционально-ориентированного подхода.
Ключевые слова: лопатка турбины авиационного двигателя, синтез методов, функционально -ориентированные технологии, алгоритм синтеза.
T.V. Khavlin1, A.N. Mikhailov2, D.A. Mikhailov2, V.A. Mikhailov2, S.V. Glukhov1
1 Donetsk Academy of Internal Affairs DPR, Donetsk, 283001;
2 Donetsk National Technical University, Donetsk, 283001 e-mail: strana. sovetov. 80@mail. ru
FUNCTIONALLY-ORIENTATED TECHNOLOGY TO INCREASE THE SERVICE LIFE OF TURBINE BLADES FOR AIRCRAFT ENGINES
The process of improving the quality of one of the main parts of the aircraft gas turbine engine - turbine blade is discussed. The method of development of the general approach in creation of the functionally-oriented technology is created and synthesis of methods applied in this research is formed. The variant of the technological synthesis algorithm used to improve the quality of turbine blades based on a functionally oriented approach is also proposed.
Key words: aircraft engine turbine blade, synthesis of methods, functionally-oriented technologies, synthesis algorithm.
Ведение
Прогрессу в авиационном двигателестроении во многом способствует наличие и непосредственное применение технологий, способных придать особые свойства деталям двигателя. Для изготовления изделий повышенного ресурса сегодня существует множество современных, можно сказать, специальных методов и технологий, применение которых способствует техническому прогрессу [1-3].Такой процесс изготовления изделий носит полиэдрический характер и возможен за счет применения функционально-ориентированных технологий (далее - ФОТ).
В данной работе изучается возможность повышения качества одной из основных деталей авиационного газотурбинного двигателя (далее - ГТД) - это рабочая лопатка турбины (далее -ЛТ), в связи с чем решается ряд проблем, таких как:
1) необходимость разработки общего подхода в создании ФОТ и формирования синтеза методов повышения качества ЛТ на базе функционально-ориентированного подхода;
2) необходимость создания алгоритма функционально-ориентированного подхода для повышения качества лопаток турбины.
Цель данной работы - создание ФОТ для повышения ресурса ЛТ ГТД.
Для выполнения целевого исследования в данной работе решаются следующие задачи:
1. Рассматриваются этапы и возможные составляющие разработки общего подхода и синтез метода повышения качества ЛТ в создании ФОТ.
2. Предлагается вариант алгоритма функционально-ориентированного подхода для повышения качества лопаток турбины.
Основное содержание и результаты работы по разработке общего подхода в создании ФОТ
Определив предмет и цель исследования, проводимого в данной работе, необходимо обратить внимание на тот факт, что создаваемая технология должна учитывать особенности эксплуатационных функций и их взаимосвязь на уровнях абстракции, как на уровне потребностей (возможностей) общество - технологии -экономика, так и на самом низшем -уровне зон детали с постоянной ориентацией на уровень (требования) технического прогресса (современных условий). Общая модель подхода «Динамический синтез процесса повышения ресурса ЛТ ГТД» (рис. 1) представляет собой перечень объектов и описание процесса их взаимодействия (запросов и возможностей) на разных уровнях абстрагирования (1-й, 2-й, 3-й, ... N- 1-й). Среди изображенных составляющих предлагается рассматривать по три основных каждого уровня, например: уровень развития общества, уровень развития науки и техники, уровень развития экономики и т. д. На следующем уровне могут быть рассмотрены объ-Рис. 1. Общая модель «Динамический синтез екты, такие как: особенности сферы
процесса повышения ресурса ЛТ ГТД» использования, особенности планиро-
вания финансового сопровождения, уровень логистики в вопросах технического обеспечения. На третьем уровне рассматриваются непосредственно объекты эксплуатации и условия, определяющие особенности эксплуатации машины (самолет, вертолет), прикладные примеры технического обслуживания, практическое освоение финансовых средств по схеме хранение - эксплуатация (рекламация) - обеспечение -обслуживание - ремонт - замена. Уровни абстрагирования двигатель - функциональные зоны позволяют изучить возможности ориентирования процесса создания технологий непосредственно на целевые, независимые или сложноструктурированные условия эксплуатации машины -двигателя - детали. Взаимосвязь между составляющими уровня абстрагирования определяет наличие объектов операторов (оказывающих воздействие) и объектов операндов (испытывающих воздействие). Такое взаимодействие может быть описано посредством управляющих отношения ^У, где 1 - объект оператор,] - объект операнд. Петли с указанием управляющих отношений типа Ен", Еоо, Еээ описывают способности каждого составляющего объекта уровня абстрагирования к внутреннему саморазвитию и самоконтролю на фоне постоянного получения и передачи сигналов, команд, условий, требований и т. д., содержащихся в управляющих отношениях. При этом, как сама модель, содержащая множество уровней, составляющих (объектов) и уровней связей (от верхнего уровня до функционального элемента - ФЭ, далее до функциональной части - ФЧи далее до функциональной зоны - ФЗ детали) так и каждый элемент, и уровень связей может быть изучен ориентированно. Это значит изучено в целевом спектре требований, необходимых для создания технологий, которые позволят придать ЛТ ГТД требуемые функционально-ориентированные свойства (далее - ФОС).
Данная модель способна, в общем, сформировать понимание процесса изучения условий эксплуатации и выбора технологий изготовления (ремонта) с целью повысить ресурс ЛТ ГТД.
Уровни связей операторов и операндов возможные до наноструктуры
Уровень прямых п обратных связен операторов н операндов первого и второго уровнен абстрагирования
Уровень прямых н обратных связей операторов и операндов второго и третьего уровней абстрагирования
Характеристика объекта исследования (ЛТ ГТД)
Рис. 2. Характеристика ЛТ ГТД
Одним из примеров применения модели можно определить процесс изучения и установления основных характеристик ЛТ ГТД.
Процесс взаимодействия также может быть описан посредством управляющего отношения Г/, где 1 - объект оператор, у - объект операнд.
На рис. 2 показаны характеристики ЛТ ГТД.
1. Тип объекта - деталь, ЛТ ГТД, что технически определяет формат ее применения и позволит перечислить эксплуатационные функции, а именно:
1.1. Функции назначения. Функции, выполняемые в формате служебного назначения, определяющиеся происходящими процессами в лопаточной машине.
1.2. Уровень сложности функций. Характеристика ЛТ по средству изучения иерархической структуры технических функций (подфункций) детали.
1.3. Рабочие функции. Выполняемая работа представляет описание элементарного набора функциональных действий и воздействий (частей, элементов, зон) или действия в целом ЛТ.
1.4. Уровень абстрактности функций. Прецизионное изучение условия эксплуатации (действия) детали.
1.5. Структура функций. Характеристика, описывающая набор элементов (операторов и операндов), объединяющихся под одним результатом (воздействие, преобразование, разрушение, взаимодействие, повышение ресурса и т. д.).
Аналогичным образом могут быть изучены по уровням (подуровням) последующие характеристики, такие как: способ действия, состояние объекта и т. д.
2. Способ действия ЛТ ГТД. Данная характеристика представляет собой логическое описание способа реализации целевой функции.
3. Структура объекта исследования. Характеризует ЛТ ГТД как деталь в целом, так и позволяет изучать ее, выполнив предварительно декомпозицию.
4. Состояние объекта исследования. Позволяет осуществить повышение ресурса с учетом анализа состояния объекта как после изготовления, так и объекта после эксплуатации.
Все установленные характеристики того или иного процесса или объекта, рассмотренные на возможных уровнях иерархии, позволят придать динамику процесса синтеза методов.
Особенности эксплуатации, определяющие необходимость применения функционально-ориентированного подхода, рассматриваются в [4-6 и др.], их изучение в совокупности с правильно выполненной характеристикой детали будет являться шагом к разработке синтеза методов повышения качества ЛТ ГТД.
Как, например, можно рассмотреть разрушение выходной кромки пера лопатки, указанное под цифрой 1 (цифра 2 указывает на большое наличие концентраторов напряжений ниже срединной части входной кромки) (рис. 3).
Такое явление обусловлено большой температурной напряженностью (области разгара защитных покрытий), усложняемой сульфидной коррозией, ориентированной сепарацией механических частиц рабочего тела, особенностями геометрии проточной части, происходящее на фоне увеличения скорости относительного движения частиц по высоте пера ЛТ. Применяемые защит-
Рис. 3. Неоднородность повреждения лопаток ГТД ТРДДФ EJ200 в виде разрушения покрытия в зоне входной, выходной кромки и корытца пера [9]
ные технологии способны обеспечить работоспособность на определенный срок, но не гарантируют повторную ремонтопригодность или снижение затрат вследствие неоднородности износа [7, 8 и др.]. На рис. 3 видно, что при полностью разрушенной выходной кромке и частично корыта и входной кромки на 80% поверхностей защитное покрытие остается. И это в большинстве случаев не зависит от видов покрытия, будь то диффузионное толщиной 50...70 мкм или электронно-лучевое до 300 мкм. И поэтому, изучая условия эксплуатации, можно выполнить еще один этап создания технологии, составляющим которого будет ориентированная классификация ЛТ ГТД в направлении целевого назначения (применения) (рис. 4), где среди основных критериев классификации могут выступать:
- принадлежность к виду авиационного транспорта;
- принадлежность к типу ГТД;
- тип осуществления рабочего действия;
- сложность формы рабочей детали;
- технология получения заготовки. Такая классификация находится в тесном
взаимодействии с процессом установления характеристик объекта в виде информационного потока данных, как об условиях эксплуатации, так и о процессе изготовления ЛТ ГТД.
Далее следует обратить внимание на еще один немаловажный этап общего подхода и синтеза технологии - это прецизионное изучение ЛТ ГТД по средству выполнения декомпозиции изделия. Так как при реализации ФОТ технологические воздействия орудий и средств обработки на ЛТ ГТД выполняются на местных уровнях, для чего и выполняется деление по иерархии элементов детали [1]:
1. Уровень всей ЛТ ГТД как изделия (ФИ).
2. Уровень функциональных частей (ФЧ).
3. Уровень функциональных составляющих (ФС).
4. Уровень функциональных зон (ФЗ).
Рис. 4. Ориентированная классификация ЛТ ГТД
5. Уровень макрозон (ФЗМ).
6. Уровень микрозон (ФЗм).
7. Уровень нанозон (ФЗн).
Если рассматривать конкретно ЛТ ГТД, следует иметь в виду, что для конкретного функционального элемента /-го уровня деления необходимо выполнять его декомпозицию на множество функциональных элементов (/ + 1)-го уровня. На рис. 5 представлена схема декомпозиции функционального элемента/-го уровня глубины технологии на множество функциональных элементов (/ + 1)-го уровня, а именно: здесь - функциональный элемент /-го уровня деления лопатки; /(]+1)г( +1) - любой +1) -й функциональный элемент (/ + 1)-го уровня деления лопатки; +1} -мощность множества (количество функциональных элементов на (/ + 1)-м уровне лопатки[1].
Рис. 5. Граф функциональных элементов ЛТ ГТД по уровням деления
Данная последовательность этапов - это часть общего процесса повышения качества ЛТ ГТД. Используя как классификацию изделия, характеристику изделия, так и многоуровневую иерархию, возможно достигнуть выполнения суперточного воздействия орудий и средств обработки в процессе изготовления или ремонта ЛТ ГТД, при этом улучшая экономические показатели, повышая ресурс изделия, удовлетворяя потребности общества.
Вариант алгоритма функционально-ориентированного подхода для повышения качества
лопаток турбины
Алгоритм (рис. 6), описывающий процесс повышения ресурса ЛТ ГТД с применением защитных покрытий, предоставляет возможность пошагово, универсально осуществлять создание технологии и непосредственно улучшать свойства детали с целью создания разноуровневой равно-эффективной защиты, как при изготовлении, так и при восстановлении изделия (r - количество циклов восстановления, r = 1, 2, 3, 4, ...., n), где r, 5 - параметры (особенность разрушения, цикл восстановления), определяющие технологического воздействия (ТВ)ТВ = fr, 5); W и V - выход и вход процесса; ОРРЗ - технологическое обеспечение разноуровневой равноэффективной защиты; S, E, I - информационный, энергетический и материальный поток.
Вывод
По результатам проведенных исследований можно утверждать, что выполненная часть разработки общего подхода в создании ФОТ и формирования синтеза методов повышения качества ЛТ на базе функционально-ориентированного подхода, а также создание варианта алгоритма функционально-ориентированного подхода для повышения качества лопаток турбины обеспечит придание особых (специальных свойств) производимым изделиям.
Литература
1. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - С. 347.
2. Михайлов А.Н., Хавлин Т.В. Особенности технологического процесса повышения ресурса лопаток турбины авиационных двигателя на базе функционально-ориентированной технологии // Международный сборник научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения». - Донецк: ДонНТУ, 2017. - № 1. - С. 84-100.
3. Хавлин Т.В. Актуальность функционально-ориентированного подхода в повышении свойств изделий // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века - 2016». - Севастополь: ДонНТУ, 2016. - Т. 2. - С. 149-150.
4. Гишваров А.С., Давыдов Н.М. Методы испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию // Вестник УГАТУ. - 2015. - С. 45-54
5. Воскобойников Д.В., Кесель Б.А. Способ увеличения срока службы моторного масла и повышение надежности трибологической системы ГТД // Механика и машиностроение. -2015. - С. 133-138
6. Чичков Б.А. Рабочие лопатки авиационных ГТД. Часть 1. Эксплуатационная повреждаемость рабочих лопаток. - М.: МГТУ ГА, 2004. - 74 с.
7. Строганов Г.Б., Чепкин В.М., Терентьева В.С. Жаропрочные покрытия для газовых турбин. - М.: Навигатор-Экстра, 2000. - 165 с.
8. Абраимов Н.В. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.
9. URL: https://m.wikipedia.org/wiki/Жаропрочные сплавы
Рис. 6. Алгоритм повышения ресурса ЛТ ГТД
