Комбинированный метод обработки повысил качество лопаток для турбин ракетных двигателей

Турбина ракетного двигателя, на которой расположены лопатки.

© Александр Рязанцев

Ученые предложили перспективную технологию изготовления лопаток для турбин ракетных двигателей. Традиционно эти детали получают с помощью сварки, литья или штамповки, но такие подходы часто не позволяют добиться точной формы и высокого качества лопаток. В рамках нового подхода полученные изотермическим прессованием заготовки корпусов турбины обрабатываются электрохимическим способом, который позволяет добиться точных геометрических размеров и качественного поверхностного слоя детали. Предложенный подход поможет предприятиям аэрокосмической отрасли повысить качество и надежность существующих моделей турбин, а также разработать новые, более совершенные двигатели. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Известия высших учебных заведений. Машиностроение».

В большинстве отечественных ракет используются жидкостные ракетные двигатели. Такой двигатель представляет собой сложную систему, состоящую из большого числа связанных между собой элементов, один из которых — турбонасосный агрегат. Он с большой скоростью под избыточным давлением обеспечивает поступление горючего в камеру сгорания. Подача топлива выполняется благодаря вращающейся турбине, в конструкции которой используются лопатки. Эти элементы двигателя работают в экстремальных условиях: они сталкиваются с потоками раскаленных химически агрессивных газов. Поэтому лопатки должны быть жаропрочными и при этом иметь точную аэродинамическую форму для эффективного вращения. Традиционно лопатки турбин изготавливают из высокопрочной нержавеющей стали, никелевых и титановых сплавов путем сварки, литья или штамповки. Но такие подходы зачастую не позволяют добиться необходимой формы деталей и качества их поверхности, из-за чего лопатки требуют дополнительной сложной и дорогой механической обработки.

Исследователи из Воронежского государственного технического университета (Воронеж) и АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (Воронеж) предложили перспективный метод получения окончательного профиля лопаток турбин жидкостных ракетных двигателей с использованием электрофизического метода обработки. На первом этапе создают заготовку турбины изостатическим прессованием. Для этого используют газонепроницаемую форму, в которую засыпают металлический порошок из жаропрочного никелевого или титанового сплава. Горячее изостатическое прессование проводят в газостате в среде аргона при давлении до 1500 атмосфер и температуре до 1250°С. В результате такой обработки получается плотная и прочная заготовка.

Однако заготовка имеет отклонения геометрических размеров и некачественный поверхностный слой, поэтому требует дополнительной обработки. Авторы предложили проводить ее с использованием электрохимического метода. При таком подходе необрабатываемые поверхности изолируются, и деталь помещают в емкость с электролитом — раствором веществ, проводящих электричество, — после чего через жидкость пропускают ток. Под его действием металл удаляется с поверхности заготовки лопатки, при этом обеспечивается высокая точность геометрических размеров и нужная шероховатость поверхности окончательно изготовленной турбины. Для внедрения электрохимической обработки авторы с использованием отечественных систем автоматизированного проектирования разработали конструкторскую документацию на специальные средства технологического оснащения.

Чтобы точно контролировать изменения размеров заготовки, ее профиль сравнивают с «шаблоном», форма которого зеркально повторяет заданный конструкторской документацией профиль лопатки. Это позволяет обеспечить необходимые геометрические размеры и качественный поверхностный слой окончательно изготовленного изделия.

«Турбины широко используются в конструкциях не только ракетных двигателей, но и в устройствах из сферы энергетики и транспорта. От качества поверхностного слоя и геометрических размеров лопаток турбин зависит работоспособность изделия. Поэтому наша технология может внести значительный вклад в развитие отечественной космонавтики и других отраслей машиностроения. В дальнейшем мы планируем продолжить наши фундаментальные и прикладные исследования в части расширения области применения электрофизических методов обработки для изделий аэрокосмической отрасли со сложным профилем из труднообрабатываемых материалов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Рязанцев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Воронежского государственного технического университета, начальник конструкторского отдела АО «Конструкторское бюро химавтоматики».

Источник: indicator.ru