Способы изготовления лопаток турбин

Филиал АО «Газэнергосервис» — завод «Турбодеталь» имени И.И. Соколовского был создан в 1989 году в результате технического перевооружения Центральной базы промтехобслуживания и комплектации. За годы производственной деятельности завод стал передовым предприятием на территории России и СНГ по изготовлению точнолитых деталей из жаропрочных сплавов для турбин газоперекачивающих агрегатов импортного и отечественного производства.
Сегодня «Турбодеталь» специализируется на производстве лопаток газовых турбин из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям и предлагает более ста двадцати наименований рабочих и направляющих лопаток газовых турбин как отечественного, так и импортного производства.

Этап 1
Технологический процесс производства литых заготовок турбинных лопаток из жаропрочных сплавов начинается с изготовления керамических стержней, формирующих в лопатках охлаждаемые внутренние полости. Прессование керамических стержней осуществляется на инжекционном прессе. Разогретый до пластичного состояния керамический шликер на основе плавленого кварца заполняет полость пресс-формы керамического стержня и затвердевает, формируя сырой керамический стержень. Извлеченный из пресс-формы стержень фиксируют в драйере для обеспечения стабильной геометрии. После выдержки в драйере керамические стержни укладывают в керамические короба с порошком засыпки и проводят сушку и обжиг в электрической или газовой печах для придания им прочности и способности противостоять воздействию жидкого металла. После обжига стержни извлекаются из материала засыпки, очищаются от прилипших частиц порошка и поступают на зачистку облоя.
Зачистка больших партий керамических стержней производится на лазерной установке высокой производительности. Луч лазера по специальной управляющей программе удаляет облой, технологические перемычки и скругляет острые кромки стержня. Далее обожженные керамические стержни поступают на визуальный контроль, пропитку специальным составом для увеличения прочности, контроль геометрии и подготовку к запрессовке в восковые модели.

Этап 2
Изготовление восковых моделей производится методом запрессовки расплавленной модельной композиции в формообразующую оснастку с предварительно установленным в нее керамическим стержнем. При запрессовке пластичная модельная масса заполняет полость оснастки, образуя модель со стержнем. После извлечения из пресс-формы восковая модель устанавливается в драйер для стабилизации геометрических размеров. Далее восковые модели передаются на операции проведения визуального и рентгеновского контроля, ультразвукового контроля толщины стенки пера, подготовки к сборке в блоки восковых моделей.

Этап 3
Блоки восковых моделей состоят из моделей отливок и элементов литниково-питающих систем, литниковых чаш, также изготовленных из модельных восков. Конструкция литниково-питающей системы должна обеспечивать равномерное заполнение керамической формы расплавленным металлом и его затвердевание без появления в отливках недопустимых металлургических дефектов. Операция сборки литейных блоков очень ответственна, так как качество сборки оказывает ключевое влияние на металлургическое качество отливки. Собранные модельные блоки поступают на роботизированную линию для изготовления керамической формы. Перед изготовлением керамической формы проводится операция обезжиривания блоков в целях обеспечения смачиваемости керамической суспензией поверхностей восковой модели и модельного блока.

Подготовка восковых моделей отливок рабочих лопаток к сборке в литейные блоки

Этап 4
Изготовление керамических форм производится последовательным (послойным) нанесением керамической суспензии и материала обсыпки на модельный блок с сушкой каждого слоя. Количество слоев керамической формы различно для каждого блока и зависит от массогабаритных размеров отливки и параметров заливки жидким металлом. После сушки последнего слоя керамической оболочки и вскрытия литейной чаши, формы-оболочки устанавливаются в корзину бойлерклава, где под действием температуры и давления пара модельная композиция расплавляется и удаляется через вскрытую литейную чашу. Остатки модельной массы выжигаются из полости формы при ее предварительном прокаливании. Полученные формы оборачиваются огнеупорным теплоизоляционным материалом для создания оптимального режима охлаждения отливки после заполнения формы жидким металлом. Таким образом, снижается количество металлургических дефектов и повышается уровень качества отливок.

Этап 5
Заливка прокаленных горячих керамических форм осуществляется в вакуумной плавильно-заливочной установке подготовленным жидким жаропрочным сплавом. При этом контролируются все важнейшие параметры процесса плавки и заливки металла. Залитую металлом форму после кристаллизации сплава извлекают из плавильной установки и устанавливают на стол для охлаждения.

Литейные формы после охлаждения до температуры цеха и удаления остатков наружной керамической оболочки проходят операцию абразивной отрезки отливок от литейного блока. Для удаления остатков керамической формы с наружных поверхностей, отливки проходят струйно-абразивную обработку. В местах отрезки остатки от литников, элементы для удаления воска удаляются с помощью абразивно-шлифовальных и ленточно-шлифовальных станков, ручных шлифовальных машинок. Здесь же производится зачистка облоя отливок. Полученные отливки направляются на операцию удаления керамических стержней из их внутренних полостей в автоклаве. В автоклаве, под действием давления, температуры и раствора щелочи керамический стержень разрушается, освобождая внутреннюю полость отливки. В заключении выполняется контроль геометрических размеров сравнением оцифрованных объёмных изображений реальных литых заготовок с теоретической 3D-моделью отливки.

Этап 6
При передаче отливок из литейного в механический цех контролируется химический состав каждого залитого блока, а все отливки проходят визуальный контроль, контроль макроструктуры, люминесцентный контроль, рентгеновскую дефектоскопию.

Этап 7
Механическая обработка газодинамических профилей отливок производится на ленточно-шлифовальных станках для обеспечения соответствия требованиям конструкторской документации, а также для увеличения класса чистоты поверхности. После обработки пера все отливки рабочих и направляющих лопаток поступают для контроля геометрии с помощью оптической измерительной системы или контрольно-измерительных приборов. При контроле геометрических размеров с использованием оптической измерительной системы производится сравнение оцифрованных объёмных изображений реальных литых заготовок с теоретической 3D-моделью отливки. На этом этапе выполняется также ультразвуковой контроль толщины стенок пера отливок.

Этап 8
Обработка профилей хвостовика и других поверхностей рабочих лопаток производится с использованием методов глубинного шлифования и фрезерования с контролем соответствия геометрических размеров и качества поверхности требованием конструкторской документации после выполнения каждой операции.

Этап 9
На рабочие и направляющие лопатки методом ионно-плазменного напыления, а также с использованием шликера или засыпки высокоактивных порошков наносятся высокотемпературные защитные покрытия на проточные поверхности пера и полок и поверхности внутренних полостей отливок.

Все лопатки и отливки подвергаются термической обработке в вакууме с точностью поддержания температуры в садке ±10 0 С и регулируемой скоростью охлаждения в среде защитного газа аргона для придания металлу, из которого они изготовлены, необходимого комплекса прочностных свойств. Для рабочих лопаток производится взвешивание моментных весов и балансировка в комплектах с предоставлением карты порядка установки лопаток на диск.

Источник

Технология изготовления рабочих лопаток паровых турбин

В процессе изготовления рабочих лопаток одно из главных условий — строгое соблюдение алгоритма производства

Есть перечень способов обработки изделий, самыми популярными из которых на данный момент являются фрезерное вытачивание, строгание или точение изделий.

Станковое вытачивание рабочих лопаток

Форма изготавливаемых рабочих лопаток, вырезаемых фрезой, зачастую подбираются таким образом, чтобы внешние и внутренних поверхности частей имели форму цилиндра или конуса. Такое условие дает возможность вытачивать контуры изделия с единственной профильной фрезой. Продольные лопатки нижних ступеней тоже могут вытачиваться фрезой. И внешний и внутренний профили таких изделий обладают сложной структурой и вытачивание их выполняется профильными фрезами с применением специально подобранных копиров.

Способы изготовления лопаток турбин путем строгания или точения с использованием шаблона не обязуют инженера к соблюдениею радиусов контура по высоте изделия, что необходимо в случае метода фрезерования. Контуры изделия, сконструированные согласно данным методикам, планируются на чертеже по точкам и радиусам, смещающимся от среза к срезу. Здесь достигаются предъявляемые критерии аэродинамических условий работы.

Повсеместно используются светлокатанные профили, подразумевающие наименьшие траты стали. Выполнение изделий в светлокатанном контуре доступнее вытачиваемых фрезой. Контуры лопаток не нуждаются в длительной дополнительном вытачивании в связи с тем, что внешняя структура обладает высокой чистотой вытачивания и осуществляется с высоким уровнем точности.

Отрицательные качества изготовления рабочих лопаток из светлокатанного профиля проявляются в сравнительной низкой прочности хвостовых стыков, из-за чего их чаще используют для изделий с низкой массой. Дополнительный недостаток уменьшение границ усталости, определяемое воздействующим давлением и эрозийным разрушением в местах стыков изделия и промежуточного тела.

Литье рабочих лопаток

Точные и высокопрочные формы рабочих лопаток также получают посредство литья. Наиболее распространенным является литье с использованием высокого давления и с применением моделей изделия, литье в оболочку и кокиль, в зависимости от необходимых размеров.

Для производства лопаток по выплавляемым моделям подготавливаются отливки небольшого размера из сплавов с фиксированными размерами без последующего дополнительной механической обработки. При необходимости корректировки поверхностей и достижения масксимальной точности, выполняется шлифовка и последующая полировка модели.

Процесс изготовления включает несколько этапов:

Изготовление модели из стали или сплавов меди, впоследствии обрабатываемой до максимального соответствия размеров заданным.
Производство пресс-формы из легких не тугоплавких металлических сплавов.
В выплавленнх формах отливают восковые модели будущих деталей. Чаще используются искусственные заменители воска, например, парафин.

Далее полученная модель изделия окрашивается и покрывается тонким слоем прокаленного кварцевого или корундового порошка и высушивается в течении нескольких часов. Затем производится выплавка дополнительных восковых моделей с выдержкой в 1,5-2 часа и прокаливанием моделей при температуре 800-850ᵒ. После полной подготовки форм осуществляется заливка. Для наиболее точного заполнения формы лопатки расплавленным металлом используется давление пресса или центробежной силы.

Материал для изготовления

При производстве рабочих лопаток турбин используются полосовая, катанная или штампованная заготовки. В производстве изделий с использованием полосовой стали коэффициент использования металла низкий и находится в пределах от 10% до 25%, а остаток массы металла преобразуется в стружку. Изделия, изготовляемые из катанной, штампованной сталей обладают большим коэффициентом и используются с наименьшими затратами усилий при вытачивании изделия. Вытачивание лопаток выполняется с использованием фрезерных, строгальных и токарных станков.

Стандарты качества рабочих лопаток паровых турбин

Отсутствие внешних повреждений – трещин, сколов на изделии, следов воздействия химически-активных веществ, существенных коррозионных повреждений.
Соответствие размеров изделия заданным в соответствующей регламентирующей документации.
Успешное прохождение вибрационных испытаний, устойчивость изделия к влиянию допустимы деформирующих воздействий.

Актуальные способы проектирования и производства дают возможность выполнять лопатки разных размеров и конструкций как цилиндрических форм размерами от 15 до 20 мм, так и сложных, обладающих винтовой формой, до 1000-1100 мм.

Источник

Турбинные лопатки

Лопатка — это рабочая деталь ротора турбины. Ступень надежно фиксируется под оптимальным углом наклона. Элементы работают под колоссальными нагрузками, поэтому к ним предъявляют самые жесткие требования по качеству, надежности и долговечности.

Применение и виды лопаточных механизмов

Лопаточные механизмы широко применяются в машинах различного назначения. Наиболее часто используют их в турбинах и компрессорах.

Турбина — ротационный двигатель, работающий под действием значительных центробежных сил. Основной рабочий орган машины — ротор, на котором по всему диаметру закреплены лопатки. Все элементы помещены в общий корпус специальной формы в виде нагнетающего и подающего патрубков или сопел. На лопатки подается рабочая среда (пар, газ или вода), приводя в движение ротор.

Таким образом, кинетическая энергия движущегося потока преобразуется в механическую энергию на валу.

Различают два основных вида турбинных лопаток:

Рабочие — находятся на вращающих валах. Детали передают механическую полезную мощность на присоединенную рабочую машину (часто это генератор). Давление на рабочих лопатках остается постоянным благодаря тому, что направляющие лопатки всю разность энтальпий преобразуют в энергию потока.
Направляющие — закреплены в корпусе турбины. Данные элементы частично преобразуют энергию потока, благодаря чему вращение колес получает тангенциальное усилие. В турбине разница энтальпий должна быть понижена. Это достигается путем уменьшения числа ступеней. Если установить слишком много направляющих лопаток, то срыв потока будет угрожать ускоренному потоку турбины.

Методы изготовления турбинных лопаток

Турбинные лопатки изготавливают методом литья по выплавляемым деталям из высококачественного металлопроката. Используют полосу, квадрат, допускается применение штампованных заготовок. Последний вариант предпочтителен на крупных производствах, так как коэффициент использования металла достаточно высок, а трудозатраты — минимальны.

Лопасти турбин проходят обязательную термическую обработку. Поверхность покрывается защитными составами против развития коррозионных процессов, а также специальными составами, повышающие прочность механизма при работе в условиях высокой температуры. Например, никелевые сплавы практически не поддаются механической обработке, поэтому методы штамповки для производства лопаток не подходят.

Современные технологии подарили возможность производства турбинных лопаток методом направленной кристаллизации. Это позволило получить рабочие элементы с такой структурой, которую практически невозможно сломать. Внедряется метод изготовления монокристальной лопасти, то есть из одного кристалла.

Этапы производства турбинных лопаток:

Литье или поковка. Литье позволяет получать лопатки высокого качества. Поковка производиться по спец заказу.
Механическая обработка. Как правило, для механической обработки применяются токарно-фрезерные автоматизированные центры, например, японский комплекс Mazak или же на фрезерные обрабатывающие центра, такие как MIKRON швейцарского производства.
В качестве финишной обработки применяют только шлифование.

Требования к лопаткам турбин, применяемые материалы

Лопатки турбины эксплуатируются в условиях агрессивной среды. Особо критична высокая температура. Детали работают под напряжением на растяжение, поэтому возникают высокие деформирующие усилия, растягивающие лопатки. Со временем детали касаются корпуса турбины, машина блокируется. Все это обуславливает применение материалов высочайшего качества для изготовления лопаток, способные выдерживать значительные нагрузки при крутящем моменте, а также любые усилия в условиях высокого давления и температуры. Качеством лопаток турбины оценивается общая эффективность агрегата. Напомним, что высокая температура необходима для повышения КПД машины, работающей по циклу Карно.

Лопатки турбины — ответственный механизм. Благодаря нему обеспечивается надежность работы агрегата. Выделим основные нагрузки во время работы турбины:

Возникают большие окружные скорости в условиях высокой температуры в паровом или газовом потоке, которые растягивают лопатки;
Формируются значительные статические и динамические температурные напряжения, не исключая и вибрационные нагрузки;
Температура в турбине достигает 1000-1700 градусов.

Все это предопределяет применение высококачественных жаропрочных и нержавеющих сталей для производства лопаток турбин.

Например, могут быть использованы такие марки как 18Х11МФНБ-ш, 15Х11МФ-ш, а также различные сплавы на основе никеля (до 65%) ХН65КМВЮБ.

В качестве легирующих элементов в состав такого сплава дополнительно вводят следующие компоненты: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения.

Лопаточный механизм должен обладать определенной теплостойкостью. Для этого в турбине делают сложные системы охлаждающих каналов и выходных отверстий, которые обеспечивают создание воздушной пленки на поверхности рабочей или направляющей лопатки. Раскаленные газы не касаются лопасти, поэтому происходит минимальный нагрев, но сами газы не остывают.

Все это повышает КПД машины. Охлаждающие каналы формируются при помощи керамических стержней.

Для их производства применяют оксид алюминия, температура плавления которого достигает 2050 градусов.

Если вы хотите заказать изготовление турбинных лопаток, перейдите по этой ссылки

Источник