Проекты

Внедрение холодного газодинамического напыления высокого давления в процесс ремонта турбореактивного двигателя

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Машиностроение, транспорт» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Машиностроение
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1434
Предметы: Физика, Математика, Химия, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Холодное газодинамическое напыление высокого давления (ХГН ВД) – это процесс формирования металлических покрытий при соударении холодных (с температурой, существенно меньшей температуры плавления) металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым инертным газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали.

В ходе C check- и D check-проверок воздушного судна оно проходит капитальный ремонт, в том числе капитальный ремонт проходят двигатели. Двигатель самолёта – одна из самых важных и дорогих частей воздушного судна. Интенсивную нагрузку и износ испытывают на себе лопатки двигателей, т. к. они подвергаются высоким тепловым и физическим нагрузкам. Из вышесказанного следует, что лопатки подлежат достаточно частой замене. В данный момент стоимость этих лопаток очень большая, потому что процесс их изготовления ресурсозатратен и трудоёмок. Выработавшую свой ресурс лопатку утилизируют.

Внедрение ХГН ВД сделает возможным понизить стоимость ремонта лопаток, т. к. выработавшая свой ресурс лопатка не утилизируется, а восстанавливается, отправляясь в производственное помещение для ремонта, где происходит напыление порошка на изношенную часть лопатки. Далее после вспомогательных операций и контроля качества лопатки возвращаются в эксплуатацию. Применение ХГН позволит значительно снизить расходы на ремонт двигателя воздушного судна.

Цель

Удешевление ремонта турбореактивных двигателей (ТРД) и других металлических или металлокерамических конструкций при помощи ХГН ВД.

Задачи

  1. Познакомиться с технологией ХГН ВД.
  2. Провести анализ существующих решений поставленной проблемы.
  3. Разработать дорожную карту проекта, отражающую реальный ход работы над проектом.
  4. Разработать техническое решение выявленной проблемы и описать принцип его действия.
  5. Провести анализ разработанного решения и возможных последствий его применения.
  6. Разработать рекомендации по дальнейшей деятельности.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Установка для ХГН ВД Impact Spray System 5/11
  • Промышленный робот-манипулятор KUKA KR22 R1610
  • Инструменты для постобработки детали, восстановленной при помощи ХГН

Описание

Холодное газодинамическое напыление высокого давления – это процесс формирования металлических покрытий при соударении холодных (с температурой, существенно меньшей температуры плавления) металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым инертным газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали.

Процесс ХГН состоит из следующих этапов:

  • сжатый инертный газ (азот или аргон) подаётся в нагревательную камеру, где нагревается до заданной температуры вплоть до 800 °С;
  • нагретый газ поступает в сверхзвуковое сопло;
  • порошковый материал, который может представлять собой механическую смесь металлических и керамических частиц размером порядка 50 мкм подаётся в сверхзвуковой поток нагретого инертного газа за критическим сечением сопла (та часть сопла, где давление в потоке несколько ниже атмосферного);
  • частицы порошка ускоряются потоком газа до скоростей примерно в 300–600 м/с;
  • порошинки взаимодействуют с поверхностью подложки, на которой формируется металлическое или металлокерамическое покрытие.

Напылив на лопатку восстанавливающий слой, можно снова ввести в эксплуатацию отработавшую свой ресурс деталь, это позволит сократить ресурсозатраты на ремонт двигателя воздушного судна.

Особенности технологии холодного газодинамического напыления высокого давления.

  • Для работы установки необходимы: сжатый (инертный) газ, электроэнергия и напыляемые частицы;
  • Частицы порошка не нагреваются до высоких температур (температур плавления напыляемых материалов), следовательно, не происходят процессы окисления подложки и напыляемых частиц, а сами частицы соединяются между собой за счёт деформации;
  • Нет деформации подложки и изменения её структуры;
  • Нет агрессивных воздействий на окружающую среду (нет излучения, вредных веществ и др.);
  • При холодном газодинамическом напылении высокого давления в подложке, на которую происходит напыление, и в самом напыляемом слое не возникает напряжений, что положительно влияет на прочностные характеристики детали. При других видах обработки и создания деталей в них появляются напряжения, что отрицательно влияет на прочностные характеристики получаемой детали. В качестве примера можно привести литьё или закаливание детали;
  • Холодным газодинамическим напылением высокого давления можно напылять различные материалы, тем самым получать требуемые свойства покрытий. В качестве частиц для напыления может использоваться как металлический порошок, так и смеси металлического порошка с керамическим порошком. Состав смесей варьируется для получения нужных свойств напыляемого слоя

Результаты работы/выводы

Внедрение ХГН ВД в ремонт сложных металлических и металлокерамических конструкций позволит экономить ресурсы на ремонте воздушных судов, кораблей и других транспортных средств.

Из-за снижения расхода ресурсов транспортные компании могут чаще обслуживать лопатки ТРД в процессе стандартного обслуживания двигателя, что положительно скажется на надёжности силовых установок воздушного судна, а, следовательно, на безопасности грузоперевозок.

За счёт удешевления ремонта силовых установок воздушных судов может понизиться цена на грузоперевозки, а из этого следует, что могут упасть цены на перевозимые авиатранспортом товары и пассажирские перевозки.
 

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы можно использовать далее для исследования предложенного проектного решения на практике и дальнейшего его применения в будущем.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Мнение автора

«В ходе работы над проектом были получены результаты, которые в дальнейшем можно использовать для усовершенствования процесса ремонта турбореактивного двигателя и продления эффективного времени использования деталей турбореактивного двигателя в ходе их жизненного цикла.

«Инженерный класс в московской школе», открытую городскую научно-практическую конференцию «Инженеры будущего» считаю перспективными и необходимыми для дальнейшего проведения»