ВВЕДЕНИЕ 6
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ ГТД 9
1.1 Анализ традиционной технологии изготовления соплового аппарата
турбины 9
1.2 Технологический процесс литья по выплавляемым моделям отливки
детали «Соловой аппарат» 15
1.3 Анализ систем компьютерного моделирования литейных процессов .... 18
1.4 Выводы по главе 21
2. РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ СОПОЛОВОГО АППАРАТА ПРИ ПОМОЩИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 23
2.1 Расчет процесса литья и кристаллизации отливки соплового аппарата
турбины ГТД 24
2.1.1 Построение объёмной модели литейного блока 24
2.1.2 Проектирование конечно-элементной модели отливки 26
2.1.3 Настройка параметров процесса расчета и запуск на расчёт 31
2.2 Анализ результата компьютерного моделирования базового процесса
литья соплового аппарата 39
2.2.1 Анализ результатов гидродинамических расчетов, полученных с использованием СКМ ЛП ProCast; 39
2.2.3 Анализ результатов расчетов напряженно-деформированного
состояния отливки, полученных с использованием СКМ ЛП ProCast 46
2.2.4 Анализ расчетов зеренной структуры в отливке 49
2.3 Проектирование модернизированного технологического процесса 50
2.4 Выводы по главе 57
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОТЛИВОК СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИННЫ ГТД ПРИ ПОМОЩИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ 59
3.1 Сравнение методов аддитивных технологий 60
3.2 Применение технологии быстрого прототипирования в изготовлении
восковок для литья сопловых аппаратов по выплавляемым моделям 66
3.2.1 Проектирование 3D модели для изготовления мастер-модели 69
3.2.2 Изготовление силиконовой формы и получение восковых моделей 74
3.3 Выводы к главе 77
4 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОСКОВЫХ МОДЕЛЕЙ СОПЛОВЫХ АППАРАТОВ ТУРБИНЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ 79
4.1 Экономический расчет изготовления восковых моделей в условиях
реализации аддитивного производства 79
4.1.1 Стоимость печати прототипа детали 79
4.1.2 Стоимость изготовления силиконовой формы 82
4.2 Экономический расчет изготовления восковых моделей с применением
традиционной технологии изготовления 87
4.2.1 Стоимость изготовления металлической пресс-формы 87
4.3 Сравнительный анализ расчетов 91
4.4 Выводы по главе 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
ПРИЛОЖЕНИЯ 103
Современный газотурбинный двигатель (ГТД) - это комплекс инновационных конструкторских и технологических решений, направленных на достижение высоких показателей, которые характеризуют конструктивное совершенство двигателя. Наиболее значимыми параметрами силовой установки являются: удельная тяга, удельный расход топлива, затраты на техническую эксплуатацию и т. д.
Одним из решений задач, направленных на повышение данных показателей, является увеличение температуры газа перед турбиной. Турбина является наиболее нагруженной и сложной в конструкторском плане частью двигателя. Это обусловлено тяжёлыми условиями работы деталей горячего тракта:
- работа в агрессивных средах;
- высокие температуры;
- топлива, содержащие серу;
- работа в пылевлагонасыщенных районах, когда возможно
попадание солей натрия и кальция.
Наибольшую нагрузку воспринимают на себя сопловые аппараты и рабочие сопловые аппараты первой ступени, так как температура газа имеет свое максимальное значение.
Помимо тяжелых условий работы, требующих применение особых сплавов и покрытий, сопловой аппарат ГТД имеют сложную пространственную геометрическую форму и высокие требования по точности изготовления. Жаропрочные металлы, применяемые при производстве, имеют низкий коэффициент обрабатываемости, что значительно усложняет процесс механической обработки и требует применения бесприпусковых технологий производства заготовок.
Наибольшее распространение получила технология литья по выплавляемым моделям. Так как данный метод позволяет производить
заготовки со сложной пространственной геометрией с высокой точностью, при наименьшем значение припуска, что значительно упрощает процесс механической обработки.
Однако данный метод не лишен ряда недостатков, наиболее значимыми из них являются: высокая стоимость отливок, и, несмотря на большой опыт использования технологии и значительные количество эмпирических данных, высокий процент брака (порядка 50%).
Данные особенности изготовления соплового аппарат турбины, делают их наиболее дорогостоящими деталями газотурбинного двигателя (20 - 35% от общей стоимости) и наиболее трудоёмкими в производстве (20 - 30% от общей трудоёмкости) [1 - 3].
Помимо затрат на серийное производство деталей значительный вклад в стоимость двигателя вносит опытное производство, так как приходиться осуществлять несколько итераций конструкции и технологического процесса изготовления деталей в том числе и сопловых аппаратов турбины.
С целью сокращения затрат на опытное производство и снижения количества брака при литье сопловых аппаратов необходимо рассмотреть возможность применения компьютерного двойника технологического процесса литья по выплавляемым моделям детали «Сопловой аппарат первой ступени» [4].
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. изучить технологический процесс литья детали «Сопловой аппарат первой ступени»;
2. спроектировать цифровой двойник технологического процесса и проанализировать его адекватность;
3. на основе полученных результатов разработать
модернизированный технологический процесса и создать цифровой двойник;
4. провести сравнительный анализ и выбрать вариант с наименьшими дефектами.
Объектом исследования является заготовка соплового аппарата турбины ГТД первой ступени.
Предметом исследования является технологический процесс изготовления соплового аппарата турбины ГТД первой ступени.
Научной новизной работы является:
1. проектирование цифровой модели-двойника технологического процесса литья соплового аппарата, отличающейся от существующих аналогов возможностью моделирования взаимосвязанных задач напряжено- деформированного состояния и пористости в отливке;
2. прогнозирование усадки, образования пористости, при помощи моделирования, а также оценка эффективности литниково-питающей системы;
3. исследование влияния геометрических параметров литниково - питающей системы на качество отливки.
По теме выпускной работы магистра опубликованы: 4 статьи в периодических изданиях, одна из них имеет цитирование в РНЦ.
В ходе работы был произведен анализ современного состояния технологического процесса изготовления деталей газотурбинного двигателя, а именно технологии литья соплового аппарата турбины первой ступени. По результатам которого, были поставлены задачи по снижению влияния недостатков данной технологии на технологический процесс изготовления детали «Сопловой аппарат», а именно высокому проценту брака отливок и серьёзных экономических затрат на изготовления отливок при опытном производстве.
В первую очередь была произведена симуляция технологического процесса литья по выплавляемым моделям рассматриваемой детали в программном комплексе ProCast. По результатам симуляции были сформулированы рекомендации по модернизации ЛПС. После симуляции модернизированного технологического процесса можно сделать вывод о снижении процента брака отливок, благодаря повышению эффективности литниково-питающей системы, снижению пористости и ряда других параметров.
Так же был разработан модернизированный технологический процесс изготовления отливок, суть которого является в замене этапа изготовления металлических пресс-форм на изготовления силиконовых с помощью метода быстрого прототипирования.
Результаты сравнения эффективности использования технологии быстрого прототипирования относительно традиционной технологии показали, что для опытного производства отливок детали «Сопловой аппарат» более выгоден с экономической точки зрения применение метода быстрого прототипирования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
