CC BY
6
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.1.013 УДК 621.9.047
ТЕХНОЛОГИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧЕГО КАНАЛА В ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ ФОРСУНКАХ ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
С.В. Сафонов, Е.А. Салтанаева, О.В. Скрыгин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрена технология изготовления рабочих каналов в форсунках для подачи топлива из минерало-керамических материалов. Показано, что использование комбинированных методов обработки позволяет создавать новые виды технологичных форсунок с проточной частью, в которой реализуются ранее не достижимые требования конструкторов при проектировании высокоресурсных форсунок. Достигается высокая производственная технологичность, где путем использования совместного воздействия анодного растворения металлической вставки и импульсов ультразвукового луча в комбинированном технологическом процессе обеспечивается требуемый массовынос при формировании сопла с геометрией, отвечающей эксплуатационным требованиям к современным энергетическим машинам. Приведены результаты испытаний форсунок на стандартных и специальных установках. Показано, что разработанный комбинированный процесс изготовления каналов в соплах стабильно обеспечивает заданные эксплуатационные требования к показателям качества проточной части сопла по точности и качеству поверхностного слоя. При этом применение мине-ралокерамических форсунок обеспечивает стабильность горения топлив в пределах ±5%, а ресурс форсунок возрастает в 2-3 раза, что полностью компенсирует дополнительные расходы на изготовление каналов, а за счет снижения эксплуатационных затрат достигается большой экономический эффект особенно в системе энергоснабжения
Ключевые слова: форсунка, минералокерамика, комбинированные методы обработки, теплостойкость, технология изготовления каналов
Введение
В агрегатах подачи рабочих горючих смесей энергетических машин I (двигателей летательных аппаратов, агрегатах тепловых электрических станций) основную роль в повышении их экономичности и ресурса имеют форсунки, работающие при высоких температурах и давлениях, превышающих 20 МПа. В применяемых в настоящее время форсунках используют, как правило, металлические сопла с каналами круглого сечения, которые имеют ограниченный ресурс и в процессе эксплуатации утрачивают характеристики, первоначально заложенные в их конструкцию. Принципиально новым подходом к созданию энергосберегающих высокоресурсных энергетических систем может явиться использование для горячей части форсунок жаростойких керамик, применяемых в авиакосмической отрасли. Однако технология изготовления из них деталей достаточно сложна, слабо освоена в промышленности и требует больших затрат материальных и трудовых ресурсов. Такие технологии допустимы при производстве тепловых двигателей транспортных средств, выпускаемых в единичных количествах (например, в ракетных двигателях), но не приемлемы для серийного производства энергетических машин. Здесь требуется создание новых технологических процес-
© Сафонов С.В., Салтанаева Е.А., Скрыгин О.В., 2019
сов для получения каналов в проточной части форсунок из керамических материалов, трудно поддающихся механической обработке, но обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, повышающими качество энергетических систем до мирового уровня. Это является одним из магистральных направлений развития технологии комбинированных методов обработки. С этой целью при участии авторов разработаны новые способы обработки для изготовления каналов требуемого профиля в мине-ралокерамиках, защищенные охранными документами [1], [2].
Анализ технологичности типовых конструкций форсунок
Отработку технологичности выполняют на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации изделий. Применительно к форсункам из керамических материалов каналы могут иметь не только круглое сечение, но и переменный профиль по длине и сечению канала. Диаметр проходного сечения может изменяться от десятых долей до нескольких миллиметров. Для улучшения распыла и эффективности сжигания рабочей смеси площади сечения каждого канала могут изменять за счет изменения профиля или увеличения числа отверстий, переходя от относительно простых конструкций к достаточно сложным в изготовлении многоструйным форсункам.
На рис. 1 приведены типовые конструкции минералокерамических форсунок для подачи горючих смесей. Они могут работать в условиях больших перепадов давления, температур, воздействия химически активных газообразных жидких и твердых веществ. Геометрия каналов в минералокерамических форсунках близка к той, которая применяется для металлических изделий.
е) ж)
Рис. 1. Форсунки для подачи горючих смесей:
а) цельная осевая струйная: 1 - канал сопла постоянного
по длине сечения; 2 - перемычки внутри канала; 3 - место крепления форсунки при монтаже; 4 - корпус из минералокерамики. Сечения канала сопла: А - круглое; В - эллиптическое; С - многогранное; Б - с рассекателями потока (перемычками);
б) осевая одноструйная цельная с каналом сопла (1) переменного сечения; в) сборная одноструйная разъемная; г) цельная многоструйная с однорядными цилиндрическими радиальными отверстиями (3) в корпусе 4 с обтекателем 5; д) цельная центробежная с тангенциальными
цилиндрическими каналами 6; е) центробежная со шнековым смесителем компонентов 7; ж) сборная осевая одноструйная сборная неразъемная многокомпонентная со шнековым смесителем 8; 1 - канал сопла; 5 - керамический обтекатель корпуса; 9 - каналы в керамическом корпусе для подачи второго компонента горючей смеси; 10 - место соединения обтекателя 5 с корпусом форсунки
Форсунки, приведенные на рис. 1, могут иметь одно (а, б, в, е) или несколько (г, д, ж) каналов сопел. Для повышения производственной технологичности в большинстве случаев отверстия выполняют круглыми. Однако это не всегда обеспечивает выполнение эксплуатационной технологичности. С разработкой комбинированных методов обработки удалось значительно расширить технологические возможности изготовления каналов, в том числе в керамических форсунках. Появились (рис. 1, а) отверстия с некруглой формой сечения (овальной, эллипсной, многогранной).
Для улучшения эксплуатационных характеристик форсунок (распыла струи) изменяют сечение канала сопла по длине, делая его кон-фузорным (рис. 1, б) диффузорным или другого переменного сечения (рис. 2).
Это может значительно усложнить обработку канала, особенно в керамической форсунке, но с созданием новых способов комбинированной обработки [1], [2] появилась возможность выполнять каналы с произвольным сечением и геометрией оси (прямолинейные, изогнутые, спиральные и др.).
д) г)
Рис. 2. Типовые сечения каналов в соплах форсунок: а - постоянного сечения; б, в - переменного (конфузор, диффузор) сечения; г - сопло Лаваля
Форсунки работают в условиях высоких температур, их ресурс, даже при использовании минералокерамики, ограничен. Поэтому обычно их рабочую часть (как правило из керамики) делают съемной (рис. 1, в, е) и устанавливают таким образом, чтобы можно было быстро заменить.
Многоструйные форсунки (рис. 1, г, д) расширяют эксплуатационные возможности изделий по расходу, распылу, но усложняют обработку каналов, особенно в керамических
форсунках.
Для закрутки потока горючей смеси и смешивания компонентов в форсунках (рис. 1, е, ж) используют шнековые металлические и неметаллические смесители с постоянным и переменным шагом канавок.
При отработке технологичности следует учитывать, что трудоемкость обработки керамических деталей значительно выше, чем металлических, поэтому ограничивают область применения керамики горячей зоной форсунки, выполняя смежные элементы из металла (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция форсунки с минералокерамической втулкой: 1 - корпус форсунки из нержавеющей стали;
2 - минералокерамическая втулка;
3 - канал сопла для подачи горючей смеси
На рис. 3 показана форсунка, где корпус 1 выполнен из жаропрочного материала, а втулка 2 выполнена прессованием из порошка с каналом 3, имеющим форму сопла.
Форсунки, приведенные на рис. 1, учитывают выполнение эксплуатационных требований при использовании в тепловых двигателях и, как правило, прошли этап отработки технологичности у заказчика продукции. Реализация этих требований должна быть выполнена в процессе проектирования форсунок и отработки технологичности их конструкции, которая представлена на рис. 1. На этапе отработки осуществляется воплощение замыслов конструкторов, которые должны дать ответ на вопросы: возможно ли в принципе изготовить заданные изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками, имеются ли для этого эффективные способы и устройства, материальная, научная база и производственный персонал, имеются ли варианты повышения технико-экономических показателей изготовления предлагаемых конструкций. В процессе производственной отработки конструкции технологи могут опираться на достигнутый уровень совершенствования технологии или опираться на перспективные научные разработки, часть которых находится на стадии создания изобретений или экспериментальных работ.
Если для использования новых технологических приемов требуется изменение конструкции изделий, то необходимо согласование предложений технологов с конструкторами (а в ряде случаев и с заказчиками). Результатом отработки технологичности является уточнение сроков запуска в производство и затрат на технологическую подготовку производства нового изделия.
Технологические процессы, применяемые при изготовлении керамических форсунок
Для металлических деталей сборных форсунок применяют традиционные методы обработки металлическим и абразивным инструментом. Для доступных участков керамических деталей также используют металлорежущий инструмент, преимущественно из алмазного и других сверхтвердых материалов.
Проблема обработки каналов в соплах ми-нералокерамических форсунок была решена после создания комбинированных методов обработки [патенты 1, 2] и проведения исследований в области технологии комбинированных [3, 4] и ультразвуковых [3, 5] методов обработки.
На рис. 4 приведена схема разработанного с участием авторов метода комбинированной обработки каналов в сопле путем удаления из минералокерамической втулки 6 (рис. 3), заложенной в нее перед прессованием металлической вставки 7, профиль которой отвечает требованиям заказчика и конструктора изделия. Это должно быть согласовано с технологами на стадии отработки технологичности запускаемого в производство нового изделия. С учетом технологических возможностей предложенных комбинированных способов обработки геометрия каналов может иметь любой профиль, а оси отверстий быть прямыми или криволинейными, в том числе при сочетании по длине нескольких участков, что ранее считалось неосуществимым.
На рис. 4 показана схема получения канала сопла в минералокерамической втулке 6. Профиль канала может быть задан конструктором исходя из эксплуатационных требований к форсунке и, прежде всего, к ее ресурсу и экономичности. Канал может быть круглым, овальным, крестообразным, цилиндрическим, коническим и другим (часть таких сечений приведена на рис. 2). Это традиционными методами получают на наружной поверхности металлической вставки 7, которая устанавливается во втулку 6 до начала прессования порошка и сохраняется
при прессовании и спекании. Один из концов вставки 7 выходит за пределы втулки 6 и служит для подвода тока от генератора 8 (низковольтного источника постоянного тока), обеспечивающего анодное растворение вставки 7 со стороны электрода-инструмента 4. Процесс протекает в среде электролита 9, который может прокачивается через зазор между вставкой 7 и электродом-инструментом 4. Излучатель 3 (инструмент) удален от втулки 6 зазор между излучателем 3 и катодом 4 возрастает по мере анодного растворения вставки 7, поэтому расстояние между излучателем 3 и торцом вставки 7 возрастает на длину вставки во втулке. Продукты обработки заполняют обработанную часть канала во втулке, массовынос прекращается и процесс обработки затухает. Катод 4 имеет вращательное движение (рис. 5) и в момент совпадения осей отверстия 5 и вставки 7 ультразвуковой луч поступает в отверстие втулки 6, вызывает на поверхности обработки вставки активную кавитацию жидкой среды и мощный выброс из отверстия во вставке 6 продуктов обработки. Это восстанавливает массо-вынос и открывает возможность удаления вставки за счет ее анодного растворения.
Рис. 4. Схема комбинированного удаления вставки из минералокерамической втулки: 1 - ультразвуковой генератор; 2 - преобразователь; 3 - излучатель; 4 - катод; 5 - отверстие для прохождения ультразвукового луча; 6 - минералокерамическая втулка; 7 - металлическая вставка; 8 - генератор тока для электрохимической обработки; 9 - электролит; 10-14 - участки системы, определяющие межэлектродный зазор
Показатели использования керамических форсунок
Применение керамических форсунок в агрегатах двигателей и энергетических установках [6] показало, что разработанный комбинированный процесс изготовления каналов в соплах стабильно обеспечивает заданные эксплуатационные требования к показателям качества проточной части сопла (точность не ниже 2-5 квалитета, шероховатость Ra 1,25-0,63 мкм). Для сборных форсунок допускается погрешность не более 0,03 мм. Применение минералокерамических форсунок обеспечивает стабильность горения топлив в пределах ±5%. При этом ресурс форсунок возрастает в 2-3 раза, что полностью компенсирует дополнительные расходы на изготовление каналов, а за счет снижения эксплуатационных затрат достигается большой экономический эффект особенно в системе энергоснабжения.
Заключение
1. Разработанные способы и устройства для комбинированной обработки каналов сопел керамических форсунок решили принципиально значимую проблему эффективного использования перспективных материалов с высокой жаростойкостью и обеспечили повышение ресурса тепловых агрегатов, работающих на жидком топливе.
2. Технология комбинированного изготовления форсунок с проточной частью из мине-ралокерамических материалов позволяет повысить технические характеристики тепловых агрегатов энергетических систем за счет резкого повышения теплонагрузки на форсунки, что улучшает теплоотдачу топлива и показатели тепловых агрегатов.
3. Достоинством предлагаемой технологии обработки проточной части форсунок из минера-локерамических материалов является возможность использования для их изготовления выпускаемых промышленностью технических средств, что ускоряет систему подготовки производства и способствует быстрейшему освоению конкурентоспособной энергетической продукции.
Литература
1. А.С. № 1299719 (СССР) Способ электрохимической обработки металлических покрытий на диэлектриках / В.П. Смоленцев и др. Бюл. изобр. № 12, 1987.
2. Пат. 2216437 Российская Федерация Способ электрохимической обработки / Смоленцев В.П., Газизуллин К.М. Бюл. изобр. № 32, 2003.
3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов; под ред. В.П. Смоленцева. М.: Высш. шк, 1983. Т. 1. 247 с.
4. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
5. Приходько В.М. Ультразвуковая технология в
машиностроении // Наукоемкие технологии в машиностроении; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2012. 528 с.
6. Салтанаева Е.А., Газизуллин К.М. Изготовление отверстий в керамических форсунках системы подачи топлива энергетических установок // Проблемы энергетики. 2013. № 11-12. С. 68-76.
Поступила 03.12.2018; принята к публикации 04.02.2019 Информация об авторах
Сафонов Сергей Владимирович - д-р техн. наук, доцент, первый проректор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89192463474
Салтанаева Елена Андреевна - соискатель кафедры автоматизированного оборудования машиностроительных производств, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89033076378
Скрыгин Олег Викторович - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89601370222
TECHNOLOGY OF COMBINED PROCESSING OF THE WORKING CHANNEL IN HIGH-RESOURCE NOZZLES FROM MINERAL CERAMIC MATERIALS
S.V. Safonov, Е.А. Saltanaeva, O.V. Skrygin
Voronezh State Technical University, Russia
Abstract: the paper considers the technology of manufacturing working channels in the nozzles for fuel supply from mineral ceramic materials. It is shown that the use of combined processing methods allows one to create new types of technologically advanced injectors with a flow part in which previously unattainable requirements of designers were implemented when designing high-resource injectors. High production manufacturability is achieved, where by using the combined effect of anodic dissolution of the metal insert and ultrasonic beam pulses in the combined process, the required mass transfer is achieved when the nozzle is formed with a geometry that meets the operational requirements for modern energy machines. The results of testing nozzles on standard and special installations are given. It is shown that the developed combined process of manufacturing channels in the nozzles stably ensures the specified operational requirements for the quality indicators of the nozzle flow part in terms of accuracy and quality of the surface layer. At the same time, the use of mineral ceramic nozzles ensures the stability of fuel combustion within + -5%, and the nozzle life increases by 2-3 times, which fully compensates for the additional costs of manufacturing channels, and by reducing operating costs, a large economic effect is achieved, especially in the system power supply
Key words: nozzle, mineral ceramics, combined methods of processing, heat resistance, channel manufacturing technology
References
1. Smolentsev V.P. et al. A.C. #1299719 (USSR) "The method of electrochemical processing of metal insulator coatings" ("Sposob elektrokhimicheskoy obrabotki metallicheskikh pokrytiy na dielektrikakh"), The Bulletin of Inventions (Byul. izobr.), 1987, no. 12.
2. Smolentsev V.P., Gazizullin K.M. Patent 2216437 (RF) "Method of electrochemical processing" ("Sposob elektrokhimic h-eskoy obrabotki"), The Bulletin of Inventions (Byul. izobr.), 2003, no. 32.
3. Ed. Smolentsev V.P. "Electrophysical and electrochemical methods of processing materials" ("Elektrofizicheskie i el-ektrokhimicheskie metody obrabotki materialov"), Moscow, Vysshaya Shkola, 1983, 247 p.
4. Smolentsev V.P. "Design of electric and combined processing methods" ("Proektirovanie elektricheskikh i kom-binirovannykh metodov obrabotki"), Moscow, Mashinostroenie, 2005, 511 p.
5. Prikhod'ko V.M. "Ultrasonic technology in machine construction", in the book "Science-based technologies in machine construction" ("Naukoyemkie tekhnologii v mashino-stroyenii"), ed. A.G.Suslov, Moscow, Mashinostroenie, 2012, 528 p.
6. Saltanaeva E.A., Gazizullin K.M. "Manufacturing holes in ceramic nozzles of the fuel-supplying system of power installations", Problems of Energetics (Problemy Energetiki), 2013, no. 11-12, pp. 68-76.
Submitted 03.12.2018; revised 04.02.2019
Information about the authors
Sergey V. Safonov, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, First Vice-rector, Voronezh State Technical University (14 Moskov-skiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89192463474
Elena A. Saltanaeva, Seeker, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89033076378
Oleg V. Skrygin, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89601370222
