«Посвящается светлой памяти профессора Николая Яковлевича Баумана В.А. Новиков ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И МОНТАЖА ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой Турбины и двигатели ...»

В турбинах отечественного производства в течение десятков тысяч часов вполне удовлетворительно работали отдельные пакеты и целые ступени с длиной рабочей части свыше 1000 мм. На основании накопленного опыта для лопаток последних ступеней паровой турбины К-200-240 применен титановый сплав марки ТС5.

Механические свойства сталей, применяемых для заготовок лопаток В соответствии с техническими условиями этот сплав имеет следующий химический состав в процентах по массе: алюминий – 4,8-6,2;

олово – 2,5-3,5; цирконий – 1,5-2,5; ванадий – 1,5-2,5; углерод –0,15; кремний – 0,15; азот – 0,05; водород – 0,01; железо – 0,30; кислород 0,15; титан – остальное.

Техническими условиями определены и механические свойства для штампованных заготовок: в 951,6 МПа (97 кгс/мм2); 11,8 %;

5 – 12,5; n – 50,9 Нм/см2 (5,7 кгсм/см2); НВ – 300.

Материалы скрепляющих деталей лопаточного аппарата. Для ленточных бандажей лопаточных аппаратов в зависимости от значений температуры и напряжений применяются стали 12Х13 и 20Х13. Для скрепляющей и демпферной проволок в паровых турбинах применяются стали типа 12Х13.

Увеличение единичной мощности газовых турбин и стремление повысить температуру рабочего тела за камерой сгорания потребовали применения для лопаток газовых турбин специальных материалов. Лопатки турбины изготавливают из жаропрочных сплавов на никель- хромовой и никель-хром-кобальтовой основе, легированных Ti, Al, Mo, W, Nb, Zr, B, V, Y, Hf, La, Re, Ta и др. Используются в основном литейные жаропрочные сплавы, реже – деформируемые. Литейные сплавы более жаропрочные и жаростойкие, чем деформируемые сплавы.

Для изготовления рабочих и сопловых лопаток применяют следующие жаропрочные сплавы: литейные при температуре нагрева 950-1000 0 C ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ-12У и др.; при 1050-1100 0 C - ЖС6УВИ, ЖС6Ф, ЖС26ВИ, ЖС30, ЖС32 и др.; деформируемые сплавы при температуре нагрева до 950 0 C ЭП929, ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и др.

Все более широкое применение для изготовления лопаток газовых турбин находят тугоплавкие металлы и их сплавы (Ta, Cr, W, Nb, и др.) и керамика.

Наиболее сложными и специфическими деталями турбины являются рабочие и сопловые лопатки. В газотурбинных установках это также лопатки осевого воздушного компрессора.

Разработка процессов изготовления лопаточного аппарата требует глубоких знаний не только технологических дисциплин, но и теории турбомашин и газодинамики. Это связано с тем, что обрабатываемые поверхности, образующие конструктивную форму лопаток и имеющие сложную конфигурацию, играют определяющую роль при эксплуатации турбин. Таким образом, разработке технологических процессов производства лопаток должно предшествовать тщательное изучение конструктивных особенностей рабочих и сопловых лопаток и анализ назначения каждой из их поверхностей.

Лопатки следует разделить на две группы:

рабочие, или подвижные, лопатки;

сопловые (направляющие), или неподвижные.

В зависимости от области применения лопатки разделяются:

В ступенях турбины с активными лопатками рабочее тело расширяется только в каналах (соплах), образованных направляющими лопатками.

При этом происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую, таким образом рабочее тело до поступления на рабочие лопатки приобретает определенную скорость.

В реактивных ступенях расширение рабочего тела происходит как в каналах, образованных сопловыми (направляющими) лопатками, так и в каналах, образованных рабочими лопатками.

Активные и реактивные лопатки заметно отличаются формой профилей.

Канал, образованный двумя соседними активными лопатками, выполнен так, что площадь сечения его по ходу струи рабочего тела остается неизменной.

У реактивных лопаток угол входа рабочего тела близок или равен 90, поэтому профиль имеет вытянутую форму. В каналах, образованных такими лопатками, происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую. На реактивных лопатках для стабильного формирования потока выходные кромки имеют прямолинейные участки значительной длины.

Каналы, которые образованы двумя соседними рабочими лопатками, должны иметь определенные сечения, достигаемые соответствующим выполнением профиля, который может быть по высоте постоянным или переменным.

Необходимое расстояние между двумя лопатками определяется конструкцией хвоста лопатки, изготовленного заодно с промежуточным телом или сопрягаемого с отдельными дополнительными вставками – промежуточными телами. Каждая часть лопатки имеет свое название, выработанное практикой (рис. 31).

Наличие большого числа турбостроительных заводов, самостоятельно конструирующих турбины, сказалось на чрезвычайно большом разнообразии форм рабочих и сопловых (направляющих) лопаток.

На рис. 32 показаны наиболее широко применяемые типы рабочих лопаток, на рис. 36 сопловых (направляющих) лопаток. Более сложными в изготовлении являются рабочие лопатки.

Рабочие лопатки независимо от разнообразия конструкций имеют следующие общие элементы, указанные на рис. 31: хвостовую часть, предназначенную для закрепления лопатки на диске или непосредственно на роторе; среднюю (рабочую) часть, на которой энергия пара или газа преобразуется в механическую энергию и головную часть, заканчивающуюся шипами, утонением или бандажными полками (рис. 32, поз. 10, 27, 3).

Лопатки некоторых ступеней с собственными бандажами, соединяющими соседние лопатки с помощью шлицов, зубцов и т. п., применяются для отстройки от резонансных колебаний.

В приведенном примере (рис. 32, поз. 3) соседние лопатки скреплены в пакеты по две с помощью электросварки.

Рис. 31. Конструктивные элементы рабочих лопаток:

а рабочая часть и хвост: 1 внутренняя поверхность; 2 выходная кромка; наружная поверхность; 4 отверстие под скрепляющую проволоку; 5 утолщение; входная кромка; 7 наружный профиль сечения; 8 внутренний профиль сечения; наружная галтель; 10 внутренняя галтель; 11 входная плоскость хвоста; 12 полуотверстия для заклепки; 13 наружная радиальная плоскость хвоста; 14 внутренняя радиальная плоскость хвоста; 15 пазы хвоста; 16 торец хвоста; 17 выходная плоскость хвоста; 18 вершина пазов;

б головка с шипом: 1 торец головки; 2 внутренняя поверхность шипа; наружная поверхность шипа; 4 входная поверхность шипа;

в головка с утонением (1);

г переход с полки хвоста в рабочую часть: 1 внутренняя плоскость полки; наружная плоскость полки;

д перемычка двухъярусной лопатки: 1 нижний ярус; 2 внутренняя нижняя галтель перемычки; 3 внутренняя плоскость перемычки; 4 выходная плоскость перемычки; 5 внутренняя верхняя галтель перемычки; 6 верхний ярус; 7 наружная плоскость яруса; 8 наружная верхняя галтель перемычки; 9 наружная плоскость перемычки; 10 входная плоскость перемычки; 11 наружная плоскость нижнего яруса;

12 наружная галтель нижней перемычки;

е разгрузочная полость хвоста (1);

ж бандажная полка: 1 внутренняя плоскость бандажной полки; 2 входная плоскость бандажной полки; 3 наружная плоскость бандажной полки; 4 выходная плоскость бандажной полки Рис. 32. Типовые представители рабочих лопаток с Т-образными и вильчатыми хвостами из комплекта облопачивания турбины 50МВт с типовыми I – колеса Кертиса (поз. 1 – 9); II – ступеней ВД и СД (поз. 10 –18);

Электросварка также широко применяется при изготовлении решетки лопаточных каналов диафрагм, сварными делаются лопатки диафрагм последних ступеней и т. п.

На рис. 33 показана группа двухъярусных лопаток. Ярусы разделены бандажными полками.

В области высокого давления турбин малой мощности слабонагруженные лопатки выполняются по всей высоте одинаковой толщины (рис.

34), а канал между лопатками для прохода пара образуется путем вставки между ними специальных промежуточных тел. У всех лопаток мощных турбин межлопаточный канал создается путем утолщения хвостов (рис. 32, поз. 3).

На рис. 35 показана лопатка газовой турбины, выполненная под торцовую заводку в паз ротора.

Наиболее распространенные виды сопловых (направляющих) лопаток показаны на рис. 36. Лопатки могут набираться в пазы, проточенные в корпусах цилиндров, направляющих аппаратов, сегментов сопел и в сопловых коробках. Лопатки некоторых видов (рис. 36, а, в, г) заливаются в тела чугунных диафрагм. Такие лопатки имеют разнообразные формы от простых до весьма сложных. В зависимости от этого заготовки заказывают штампованными (рис. 36, в), светлокатаного профиля (для сварных диафрагм) или получаемые методом точного литья по выплавляемым моделям (рис. 36, а, г), что особо эффективно в крупносерийном производстве.

Кроме монолитной (неохлаждаемой) лопатки (см. рис. 35) в газовых турбинах могут применяться охлаждаемые рабочие лопатки (рис. 37).

Охлаждаемые лопатки бывают многоканальными, дефлекторными, бездефлекторными, перфорированными и с пористой оболочкой (рис.37).

Наименьшую эффективность охлаждения имеют лопатки с тремя каналами и петлевой системой движения воздуха. Несколько лучшую эффективность охлаждения имеют лопатки с радиальными отверстиями (d=1, мм). Наилучший эффект получается в литых лопатках со вставным дефлектором и лопатках с пористым охлаждением. Большинство лопаток имеет перфорационные отверстия, они располагаются чаще всего ближе к входной кромке в два или в три ряда, реже – по спинке и корыту. Отверстия диаметром 0,3-0,6 мм, их число – до 100 и более.

Сопловые лопатки газовых турбин также бывают охлаждаемыми с дефлектором и перфорацией пера лопатки.

Приведенные конструкции рабочих и сопловых лопаток не исчерпывают всего многообразия видов, но вполне достаточны для изучения типовых технологических процессов обработки лопатки в целом, а также их отдельных типовых элементов.

Рис. 33. Типы двухъярусных рабочих лопаток:

Рис. 34. Типовые крепления лопаток турбин а – реактивной турбины; б – активной турбины:

1 – профильная часть; 2 – хвост; 3 – диск турбины;

4 – промежуточные тела (вставки);

5 – ленточный бандаж; 6 – головка лопатки с шипом Рис. 35. Вид лопатки под торцевую заводку при облопачивании Рис. 36. Типовые представители сопловых (направляющих) лопаток:

а, в, г, д – лопатки, заливаемые в тела чугунных диафрагм; б – диафрагма;

е – лопатка, устанавливаемая в паровые коробки цилиндров Рис. 37. Охлаждаемые рабочие лопатки турбины:

а – многоканальные (I – III); б – дефлекторные (I, II); в – бездефлекторные с За пределами пособия осталось рассмотрение конструкций рабочих лопаток и лопаток статора осевых воздушных компрессоров, газотурбинных установок. Однако при несомненной специфике их видов, типовой процесс изготовления компрессорных лопаток близок по своему составу и применяемым методам обработки к рассматриваемым далее техпроцессам.

2. ПОДГОТОВКА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК

2.1. Основные требования к механической обработке лопаток Все части лопаток (хвост, рабочая часть и головка) имеют различное служебное назначение. Соответственно устанавливаются технические требования к точности и шероховатости.

Если для хвоста лопатки в соответствии с его служебным назначением – быть конструкторской базой – главным является точность посадочных размеров, то для рабочей части, размеры которой не являются посадочными, большее значение имеет степень чистоты обработки. Хорошо отполированная поверхность рабочей части содействует уменьшению потерь пара на трение о поверхность лопатки, увеличивая в то же самое время антикоррозионную стойкость лопатки.

Все размеры лопаток по требованиям к их точности можно разделить на три группы.

Первая группа. Размеры, от которых зависит характер соединения лопаток с другими деталями турбины, т. е. посадочные размеры. Это размеры хвостов и шипов под насадку бандажных лент. Требования к сопряжениям хвостовых соединений приведены на рис. 38.

Вторая группа представляет размеры, не являющиеся посадочными, но требующие повышенной точности. К ним относятся координаты расположения паровых каналов относительно хвостов лопаток; размеры сечений рабочих частей; размеры, определяющие установку лопаток и расположение отверстий под скрепляющую проволоку.

Третья группа. Это свободные размеры, к которым обычно относятся размеры галтелей, фасок и других менее ответственных элементов лопаток. Точность свободных размеров часто не нормируется. Однако даже и в том случае, когда на свободные размеры не установлено никаких допусков, они выполняются обычно по допускам, установленным на свободные размеры специальными технологическими инструкциями на данном предприятии.

Наиболее ответственными являются посадочные размеры хвостовых соединений. На рис. 38 приведены допуски на величину зазоров в наиболее распространенных соединениях хвостов лопаток с венцами дисков. Эти допуски, а также и чистота обработки должны быть обеспечены соответствующей точностью станочной обработки и качеством режущего инструмента. Слесарная пригонка посадочного профиля хвоста допускается только для вильчатых соединений.

Т-образные хвосты (рис. 38, а, б) обрабатываются профильными фрезами, хвосты (рис. 38, в) – точением на карусельных станках. Для того чтобы выбрать радиальный зазор по размеру 0 (рис. 38, б) и этим избежать пригонки по размеру Р у этого типа соединений, а также и у хвостов типа в, под хвосты лопаток при облопачивании турбин подкладывают стальные пластинки. Хвосты (рис. 38, г, д) называют грибовидными. Их обрабатывают профильными пальцевыми фрезами.

Чистовые фрезы должны обеспечивать очень высокую точность выполненного профиля, чтобы зазор по размеру не превышал 0,03 мм.

а, б, в – Т-образные хвосты; г, д – грибовидные хвосты; е, ж – вильчатые хвосты;

Вильчатые хвосты (рис.38, е, ж) бывают одно- и многопазовыми. Существенным недостатком многопазовых вильчатых профилей является система предельных отклонений размеров хвоста лопатки и пазов диска (рис. 39).

При этой системе наряду с положительными величинами зазоров появляются отрицательные зазоры – натяги, вызывающие необходимость слесарной пригонки. В этом случае переоблопачивание дисков на электростанциях становится весьма затруднительным.

Опыт ТМЗ показывает возможность создания такой системы предельных отклонений, при которой полностью исключается появление натягов и при этом обеспечивается (что очень важно) удовлетворительное сопряжение новых профилей хвостов лопаток с венцами дисков действующих турбин. Вариант такой системы применительно к профилю 5004 ТМЗ Рис. 39. Допуски на размеры трехпазового вильчатого хвоста 5004 ТМЗ:

а – лопатки; б – диски; в – сопряжения (зазор 0 – 0,5 только по вершинам среднего гребня;

показан на рис. 40. При внедрении более прогрессивного метода обработки вильчатых хвостов – протягивания – этот вариант допусков даже необходим как обеспечивающий простоту и легкость точной настройки на требуемые размеры кондуктора, направляющего протяжки.

Хвосты типа и с зубчатым профилем и к – "елочные" (см. рис. 38) требуют особо точного выполнения. Это достигается фрезерованием прецизионными профильными фрезами на двухшпиндельных станках высокой точности и в случае необходимости – шлифованием. Допуск 0,005 мм как для хвоста лопатки, так и для канавки в диске предусматривает посадку с нулевым зазором по горизонтальным и наклонным поверхностям.

Хвосты (рис. 38, и) хорошо зарекомендовали себя в газотурбиностроении, но там канавки в венцах дисков прорезаются параллельно оси ротора (торцевая заводка лопаток), вследствие чего хвост лопатки заводится в канавку свободно, прилегая только по опорным горизонтальным площадкам, давая возможность лопатке в холодном состоянии качаться в пазу диска. В рабочем состоянии из-за различия температуры и коэффициентов линейного расширения металлов лопатки и диска сопряжение лопатки с диском становится плотным.

Во всех конструкциях хвостов следует избегать острых углов. Особо ответственные места отмечены на рисунке буквой R.

Радиусы скругления должны быть не менее 0,5 мм.

Положение лопатки в диске определяется соединением поверхностей профиля хвоста лопатки с сопрягаемыми поверхностями диска. Для многих конструкций соединения лопаток с диском положение лопатки определяется также сопряжением радиальных поверхностей хвоста одной лопатки с поверхностью соседних лопаток или промежуточных тел.

На рис. 41 приведены некоторые типы профилей хвоста. Предельные отклонения на посадочные размеры не зависят от размеров хвоста и устанавливаются очень точными. Во всех конструкциях хвостов нежелательны острые переходы в сопряжении поверхностей.

Допуски на размеры толщин хвоста, т. е. размеры, определяющие расстояние между радиально расположенными поверхностями хвоста, обычно устанавливаются равными ± 0,05 мм.

Конструктивное оформление шипа на примере прямоугольного шипа лопатки приведено на рис. 42.

Предельные отклонения посадочных размеров а и b зависят от размеров шипа. Они для размера а в диапазоне 4,5-10 мм обычно заданы в пределах 0,08-0,16 мм, свыше 10, до 16 мм – в пределах 0,12-0,24 мм. Размеры длины шипов в обычно заданы в пределах 0,08-0,24 мм.

Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно хвоста, заданы в трех направлениях: радиальном, аксиальном (вдоль оси ротора) и тангенциальном. Базами при измерении отклонений в указанных направлениях служат поверхности Рис. 40. Технологичная конструкция хвоста лопатки:

а – Т-образный; б – вильчатый двухпазовый; в – грибовидный двухопорный;

Рис. 42. Конструкция прямоугольного шипа хвоста, которые определяют положение лопатки после ее сборки с диском ротора. Значения предельных отклонений размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток в радиальном направлении, приведены в табл. 4. Поверхности хвостов лопаток, являющиеся базами, отмечены на эскизе таблицы буквой Б.

Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно базы в аксиальном направлении, даны в табл. 5.

Допустимые отклонения задаются на размеры от нормали к базе, совмещенной чаще всего с входной или выходной плоскостью хвоста. Размеры обозначаются: bхв в первом от хвоста корневом контрольном сечении; bгол в последнем полном контрольном сечении; bср в среднем сечении, определяемом по линейному закону относительно bхв и bгол. Для лопаток турбин радиальной и торцовой установок указанные размеры заданы относительно выходной кромки (I на рисунках таблицы), а для лопаток компрессоров радиальной и торцевой установок относительно входной кромки (II на рисунках таблицы). В табл. 5 приведены численные значения предельных отклонений на размеры, определяющие расположение головного bгол и хвостового bхв сечений, которые показывают на чертежах лопаток вне Предельные отклонения на размеры, определяющие расположение рабочей части лопаток относительно базы в радиальном направлении, мм тельно) Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно базы в аксиальном направлении, мм установки радиальной установ- торцовой установки торцовой До (включительно) Св. 300, до Св. 700, до зависимости от длины рабочей части. Значения размера bср и его предельные отклонения указывают для рабочих лопаток турбин при длине рабочей части, равной или большей 150 мм, а для лопаток осевых компрессоров и направляющих лопаток турбин при значении длины рабочей части, равной или большей 400 мм.

На рис. 43 показаны способы задания размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно базы в тангенциальном направлении, а в табл. 6 приведены численные значения предельных отклонений указанных размеров в головном и хвостовом сечениях. Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части, относятся к положению всего профиля сечения относительно базы Б (рис. 43).

Рис. 43. Задание размеров, определяющих расположение рабочей части относительно базы в тангенциальном направлении:

а – г – соответственно турбинные рабочие, турбинные направляющие, компрессорные рабочие, компрессорные направляющие лопатки радиальной установки; д – е – соответственно турбинные лопатки, компрессорные лопатки торцовой установки Задание положения профилей сечения рабочей части относительно базы на рис. 44 приведено на примере турбинных рабочих лопаток радиальной установки. Плоскость 1 профилей сечений составляет угол базой Б хвоста. Предельные отклонения от этого угла и определяют точность задания расположения профилей сечений. Численное значение предельных отклонений задается в зависимости от данных рабочей части лопаток. Назначаемые для хвостовых сечений предельные отклонения угла зависят также от угла выхода потока.

Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно базы в тангенциальном направлении, До 100 (включительно) Св. 100, до Св. 300, до Св. 500, до Св. 700, до Св. 900, до Св. Для рабочих лопаток с длиной рабочей части лопаток до 500 мм и углом выхода потока до 20° предельные отклонения угла установлены ± 5, а для лопаток той же длины рабочей части, но с углом больше 20° ± 12. Предельные отклонения угла головного сечения при любом угле выхода потока составляют ± 12'. Для лопаток, длина рабочих частей которых превышает 500 мм, предельные отклонения угла хвостовых сечений назначаются такими же, как и для лопаток с длиной рабочей части до 500 мм, а в головных сечениях вне зависимости от угла выхода потока они увеличиваются до ± 0,30 мм.

Рис. 44. Расположение профилей сечений рабочей части лопаток турбин От тех же, что и данные в табл. 4, баз определяется положение в радиальном направлении отверстий для связи лопаток между собой в пакеты.

В аксиальном направлении их положение чаще всего устанавливается размерами, заданными от входной поверхности хвоста.

При расстоянии от базы до оси отверстия в радиальном направлении, не превышающем 300 мм, предельные отклонения на этот размер составляют ± 0,15 мм, а при размере свыше 300 мм ± 0,20 мм. Смещение оси отверстия в аксиальном направлении должно находиться в пределах ± 0,20 мм. Допуск на диаметр отверстий, подготавливаемых под пайку, устанавливается в пределах пятого класса точности, а для Z-образных связей в пределах четвертого класса.

После выявления положения конструкторских баз и анализа взаимосвязи с ними поверхностей, относящихся к размерным целям первой группы, приступают к назначению технических требований для обработки рабочих частей лопаток.

В табл. 7, 8 приведены предельные отклонения размеров и форм профилей сечений рабочих частей лопаток.

Предельные отклонения размеров относятся к лопаткам постоянного и переменного профиля. Для лопаток переменного профиля они назначаются по наибольшему значению хорды. Непрямолинейность поверхностей рабочей части для лопаток переменного профиля относится к длинам участков между заданными чертежами и контрольными сечениями; для лопаток постоянного профиля, длина рабочей части которых более 100 мм, к участкам длиной 100 мм, при длине рабочей части менее 100 мм ко всей длине рабочей части. Предельные отклонения на толщину выходной кромки распространяются на участке 0,1 длины хорды b. Искажение формы профиля в пределах поля допуска должно быть плавно выведено на длине не менее двадцатикратного отклонения.

В зависимости от назначения, размеров хорды, параметров среды и других факторов назначаются параметры шероховатости поверхностей рабочей части лопаток.

На выходной кромке лопаток турбин и на входной кромке лопаток компрессоров шероховатость поверхностей может быть задана по номограмме, приведенной на рис. 45. Месторасположение и протяженность поверхностей профиля лопатки, параметр шероховатости которой определяется по номограмме, обозначены буквой А (рис. 45, а, б). Re на номограмме (рис. 45, в) число Рейнольдса, подсчитанное по величине хорды и параметрам среды: для турбин за лопатками, для компрессоров перед лопатками. На оси ординат номограммы указаны участки с рекомендуемой шероховатостью поверхности. Штриховыми линиями показан пример определения шероховатости поверхности А при значении Re = 3,5 10 и хорде b = 70 мм. Шероховатость поверхностей рабочей части лопаток турбин Предельные отклонения размеров и форм профилей сечения рабочих частей лопаток паровых и газовых турбин, мм Предельные отклонения размеров и форм профилей сечения рабочих частей лопаток осевых компрессоров, мм Примечание. В числителе приведены отклонения на размер ширины профиля В, а в знаменателе на размер хорды профиля b.

Рис. 45. Номограмма для выбора параметра шероховатости поверхности рабочей части лопаток, не работающих в не должна назначаться грубее Ra = 0,63 1,25 мкм. Шероховатость остальных профильных поверхностей может быть назначена на один класс грубее, чем для поверхности А. Из условий вибрационной прочности шероховатость поверхностей рабочей части не должна назначаться грубее Ra = 0,63 1,25 мкм для лопаток турбин, изготавливаемых из материала с пределом прочности в < 735,8 Н/мм2 (75 кгс/мм2); Ra = 0,32 0,63 мкм для лопаток турбин, изготавливаемых из материалов с в 735,8 Н/мм2 ( кгс/мм2); Ra = 0,32 0,63 мкм для лопаток компрессоров независимо от прочностных свойств материала.

Для лопаточного аппарата компрессоров шероховатость может назначаться на один класс менее грубой по сравнению с рекомендуемой выше, но не менее Ra = 0,16 0,32 мкм.

Шероховатость поверхностей галтелей и других омываемых рабочим телом поверхностей лопаток должна быть такой же, как и для поверхностей рабочей части лопатки вне поверхности А. Поверхности отверстий под скрепляющую проволоку должны задаваться параметром шероховатости Ra = 0,63 1,25 мкм.

На поверхностях рабочей части лопаток не допускаются риски, царапины и другие повреждения, выходящие за пределы назначенной шероховатости.

2.2. Технологичность конструкций лопаток Как указывалось ранее, лопаточный аппарат является самой ответственной и наиболее дорогой частью турбины. Совершенствование конструкции (с точки зрения повышения технологичности) и технологии изготовления лопаток, изыскание новых более совершенных методов их обработки, отработка норм точности изготовления частей лопаток, а также параметров шероховатости их поверхностей являются весьма актуальными задачами как с точки зрения повышения надежности и экономичности турбин, так и с точки зрения снижения их себестоимости.

За долгий период своего развития отечественное турбиностроение накопило значительные знания и опыт, достигло весьма высокого уровня технического прогресса в области проектирования и производства турбин.

Одновременно совершенствовалась технологичность всех узлов и деталей, в том числе и лопаточного аппарата.

При проектировании лопаток новых паровых и газовых турбин наряду с требованиями газовой динамики и прочности должны учитываться и требования технологичности. Лопатки технологичной конструкции быстрее осваиваются в серийном производстве. Возможность применения высокопроизводительных методов и средств для производства заготовок лопаток технологичной конструкции и их механической обработки определяет относительную дешевизну этих наиболее массовых деталей турбин, а также возможность перестройки производства при переходе с одного типа машины на другой.

При нетехнологичной форме рабочей части неизбежна ручная подгонка и, как следствие этого, нестабильность качества лопаток. Переход на более технологичную форму пера позволяет механизировать обработку и таким образом повысить стабильность качества лопаток и их эксплуатационную надежность. Следовательно, технологичность конструкции лопаток является одним из факторов, определяющих жизнеспособность тех или иных новых конструкций.

Трудоемкость обработки рабочей части составляет 60-85 % общей трудоемкости изготовления лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). В связи с этим особое внимание должно быть обращено на то, чтобы поверхности пера были технологичными. Это означает, что расчетные сечения пера должны строиться по таким закономерностям, чтобы образуемые ими поверхности можно было обработать заранее предусмотренными высокопроизводительными методами и в пределах требуемой точности. Исходя из способов образования, все поверхности рабочей части лопаток можно разбить на три основных класса:

1. Линейчатые поверхности, представляющие собой геометрическое место образующей прямой, перемещающейся в пространстве по определенному закону.

2. Производные поверхности, представляющие собой огибающие семейства какой-либо поверхности вращения (производящей), ось которой описывает исходную линейчатую поверхность (рис. 46).

3. Сложнофасонные все остальные виды поверхностей.

Любая поверхность класса линейчатых может быть выражена уравнением перемещения ее образующей. По количеству поступательных и вращательных движений, составляющих перемещения образующей прямой в течение всего времени образования тех или иных линейчатых поверхностей, последние могут быть разбиты на четыре порядка сложности.

В зависимости от различных сочетаний степеней свободы при движении образующей, а при наличии вращательных движений и в зависимости от расположения образующей по отношению к осям вращения, линейчатые поверхности всех порядков разделяются, в свою очередь, на виды.

Линейчатые поверхности первого порядка включают четыре вида:

плоскость, получающуюся при поступательном движении образующей, круглый цилиндр, круглый конус и гиперболоид вращения, которые являются результатом вращения образующей прямой соответственно вокруг параллельной, пересекающейся и перекрещивающейся с ней оси.

Видами линейчатых поверхностей второго порядка являются цилиндрические (рис. 46, а), конические (рис. 46, б), винтовые (рис. 46, в), а также ряд других поверхностей, не имеющих установившихся названий.

Рис. 46. Схема образования производной поверхности (а) и виды линейчатых поверхностей второго порядка (б, в, г):

1 производная поверхность; 2 – производящая поверхность;

Число видов линейчатых поверхностей третьего и четвертого порядка еще больше, но все они так же, как и большинство видов поверхностей второго порядка, не имеют определенного названия.

В пределах каждого вида (исключая плоскость) линейчатые поверхности могут значительно изменять свою форму. Так с изменением диаметра круглого цилиндра форма его поверхности изменяется. То же происходит с формой поверхности круглого конуса при изменении угла при его вершине. Форма гиперболоида вращения меняется уже под влиянием двух параметров: угла перекрещивания образующей с осью вращения и расстояния между ними. Линейчатые поверхности второго, третьего и четвертого порядка включают намного больше параметров, влияющих на их форму. Таким образом, линейчатые поверхности характеризуются многообразием конкретных форм.

Производные поверхностей могут быть разбиты на две группы:

1) поверхности, для которых производящими являются круглые цилиндры;

2) поверхности, производящими для которых служат любые поверхности вращения, кроме круглого цилиндра.

Перемещение круглого цилиндра вдоль своей оси и вращение цилиндра вокруг нее не влияют на форму производных поверхностей, образуемых при его перемещении. Следовательно, при заданном диаметре производящего цилиндра производные поверхности первой группы целиком определяются формой исходной линейчатой поверхности.

Многообразие форм линейчатых и производных поверхностей позволяет, применяя эти поверхности для профилирования пера, образовывать перо таким образом, что его геометрические формы могут быть получены в производственных условиях высокопроизводительными методами и в пределах требуемой точности.

Поверхности в зависимости от их кинематики можно обрабатывать различным инструментом (фреза, шлифовальный круг, лента, огибающая ролик и др.) одновременно по всей длине или ширине пера лопатки. При этом обработка рабочей части лопаток может быть произведена механизированным методом и производительность повышена соответственно требованиям серийного производства.

Необходимо указать, что отсутствие обоснованных методов расчета формы пера лопаток, учитывающих как конструктивные, так и технологические требования, приводит в ряде случаев к неоправданному усложнению формы пера и чрезмерно высоким требованиям к точности его изготовления.

Лопатки с рабочей частью постоянного профиля без закрутки и с поверхностью, представляющей собой прямой некруглый цилиндр (рис. 47), можно обрабатывать широким инструментом. Наиболее часто такая конструкция встречается у лопаток сопловых и спрямляющих аппаратов. Однако по аэродинамическим и прочностным соображениям профили лопатки чаще всего выполняют либо переменными, либо постоянными по высоте, но устанавливаемыми под различными углами. Лопатки двух этих конструкций объединены одним названием лопатки, имеющие перо с закруткой.

В основном широко применяемые детали лопаточного аппарата (учитывая естественную сложность формы) следует признать достаточно технологичными, однако это не означает того, что вопросы, возникающие обычно при проектировании и изготовлении новых турбин, можно считать уже окончательно решенными.

Используя современные методы трехмерного компьютерного моделирования можно спроектировать лопатки, имеющие рабочую часть с закруткой, с сохранением технологических преимуществ способов обработки профиля по типу лопаток с рабочей частью постоянного профиля (рис.

48). При этом профилирование пера лопаток осуществляется линейными и производными поверхностями, тем самым обеспечивается возможность изготовления их производительными методами. Технологичность конструкции лопаток должна совершенствоваться, и это требует непрерывной работы по изысканию новых, более прогрессивных решений.

Рис. 47. Схемы обработки рабочей части постоянного профиля а – копировальные станки не требуются, кромки обрабатываются отдельно;

в – поверхности пера обрабатываются по плоским копирам, кромки На практике случается, что изменение условий производства, например в результате приобретения нового оборудования или улучшения технологического процесса, может приводить к тому, что деталь, ранее удовлетворяющая требованиям производства, становится нетехнологичной.

Убедительным примером могут служить многопазовые вильчатые профили, один из которых, трехпазовый, показан на рис. 39.

Система координации поверхностей пазов, профили и предельные отклонения их размеров, рассчитанные на слесарную пригонку при сборке, становятся нетехнологичными при ведении обработки поверхностей пазов на шлифовальном станке с полуавтоматическим циклом. Такие же проблемы возникают и при внедрении других прогрессивных методов обработки, например протягиванием или применением станков с ЧПУ.

Технологичность конструкции, как указывалось выше, никогда нельзя считать окончательно отработанной, т. е. застывшей на определенном уровне. Она должна непрерывно совершенствоваться параллельно с совершенствованием условий самого производства.

2.3. Виды заготовок, их влияние на технологические процессы Для изготовления лопаток применяют следующие виды заготовок:

светлокатаная листовая сталь;

горячекатаная полосовая сталь;

поковка свободной ковки;

горячекатаные профильные полосы;

светлокатаные профильные полосы (так называемый светлокатаный профиль);

точноштампованные заготовки (также те, у которых рабочая часть не требует последующей обработки резанием, за исключением обработки кромок и шлифования);

штампованные заготовки обычной точности (выполненные с припусками и с предельными отклонениями, указанными в табл. 9);

периодический прокат (полосы профильного проката с утолщениями, соответствующими хвостовой части лопаток);

интегральный прокат (заготовок для отдельных лопаток, полученных горячей штамповкой с последующей раскаткой на прокатном стане);

полученные методом выдавливания (экструзии);

литье по выплавляемым моделям.

Горячекатаный профильный прокат предназначается для изготовления заготовок открытых направляющих лопаток постоянного профиля, а также для полуоткрытых лопаток постоянного профиля.

Холоднокатаный профильный прокат применим для заготовок как с припусками по одной из поверхностей рабочей части, так и без припусков.

В первом случае заготовки предназначаются для получения из них полуоткрытых лопаток постоянного профиля, а также открытых направляющих лопаток постоянного профиля, имеющих канал. Холоднокатаный прокат, поверхность которого по размерам профильной части и по параметрам шероховатости соответствует требованиям чертежа готовой лопатки, разрезается на заготовки для изготовления из них открытых лопаток постоянного профиля с отдельным промежуточным телом, а также открытых направляющих лопаток. В соответствии с ОСТ 24.260.03-74 ширина хорды профиля сечения холоднокатаного проката установлена до 165 мм.

Наибольшее распространение в турбостроении получили заготовки, изготовленные различными методами горячей деформации. Вид заготовки оказывает большое влияние на последующий технологический процесс обработки, поэтому при выборе рациональных заготовок следует учитывать все условия производства и, в частности, форму лопаток, их количество и сроки выполнения заказов. Например, при изготовлении лопаток типа 4345 из полосовой стали (табл. 20) надо выполнить 26 операций, а при изготовлении тех же лопаток из точноштампованой заготовки (табл.

21) только 18. То же относится и к лопаткам типа г (рис. 51). Для изготовления лопаток этого типа из полосовой стали необходимо выполнить операций, а при светлокатаном профиле (холодный прокат) – только 7.

Однако светлокатаный профиль дороже горячего проката более чем в шесть раз. Примерно такая же разница в стоимости заготовок, полученных точной и обычной штамповкой. Следовательно, при выборе более дорогих, но рациональных заготовок надо учитывать объем выпуска лопаток.

Кроме того, указанное соотношение числа требуемых операций для разного вида заготовок справедливо для наиболее распространенного в современном турбостроении принципа дифференциации операций в лопаточном производстве. В случае концентрации операций будут справедливы другие технико-экономические факторы (гл. 4 «Перспективы развития технологии лопаточного производства»).

Рассмотрим схему классификации заготовок, получаемых горячей деформацией (рис. 48). В зависимости от следующего за изготовлением заготовки процесса обработки классификацией предусматривается деление заготовок на две группы: заготовки с небольшим припуском на поверхности рабочей части под шлифование и полирование или только полирование; заготовки с большим припуском по поверхности рабочей части под обработку резанием или электрохимическим способом. Заготовки первой группы, как показано на схеме, получаются методами точного горячего формообразования: точная горячая объемная штамповка, выдавливание с последующей чеканкой. При этом поверхность рабочей части заготовок лопаток из хромистых сталей не должна иметь заложенного припуска, а ее С уменьшенным припуском С припуском для обработки редля шлифования или полиро- заньем или электрохимической Выдавленные или Полученные точчеканенные ной штамповкой Из хромистых сталей, полуоткрытые, с постоянным сечением, длиной до 500 мм 40°, длиной до 500 мм полуоткрытые, с перемендлины открытые, с переменным сеИз хромистых сталей, почением, с углом закрутки до 60°, длиной до 500 мм, без поясковых утолщений на профиле, с прямоугольными Рис. 48. Классификация заготовок лопаток отделка должна выполняться с сохранением допуска, установленного для окончательно обработанной лопатки. Вторая группа заготовок получается методом горячей объемной штамповки.

Припуски под последующую механическую или электрохимическую обработку, допуски и кузнечные напуски на штампованные заготовки рабочих и направляющих лопаток паровых и газовых турбин, компрессорных машин устанавливаются ОСТ 24.020.08-75, а другие технические требования к ним ОСТ 24.020.03-75.

Припуски на сторону и предельные отклонения по длине и ширине определяются в зависимости от длины заготовки. Численные значения припусков и предельных отклонений приведены в табл. 9.

Для лопаток, ширина которых превышает 1/3 длины, припуск по сечениям увеличивается до 1 мм на сторону. При изготовлении заготовок из жаропрочных сплавов припуск может быть увеличен также до 1 мм на сторону.

Предельные отклонения, вызванные недоштамповкой или износом штампов, проявляющиеся смещением в плоскости разъема штампа и остатком облоя по периметру среза, определяются в зависимости от массы штампованной заготовки. Значения предельных отклонений приведены в табл. 10. Значение верхнего отклонения на недоштамповку или износ штампов для заготовок лопаток, изготавливаемых из жаропрочных сплавов, может быть увеличено в 1,5 раза. Штамповочные уклоны назначаются для заготовок из нержавеющих и жаропрочных сталей: внешние 5°, внутренние 10°, а для сплавов марки ХН65ВМТЮ: внешние 7°, внутренние 12°. Радиусы закруглений внешних углов берутся равными припуску на последующую обработку. Внутренние углы скругляются радиусами, численные значения которых зависят от величин перепадов между сечениями и принимаются равными одному из четырех размеров: 5, 10, и 20 мм. В целях спрямления линии разъема штампов допускаются напуски на кромки и на переходах рабочей части в хвост.

На рис. 49, а приведены конструктивные формы и размеры лопатки, а на рис. 49, б чертеж ее заготовки. Припуск на обработку в соответствии с данными табл. 9 на лопатки длиной 272 мм принят равным 2,5 мм по сечениям и 3,5 мм по элементам длины. Радиусы скругления внешних углов назначены равными припуску по сечениям, а радиусы по галтели со стороны внутреннего профиля определены в 5 мм, а со стороны наружного профиля в 10 мм. С припусками и напусками масса заготовки равна 2,3 кг.

По ее значению (табл. 10) назначаются предельные отклонения на недоштамповку и износ штампов, на поперечное и продольное смещение в плоскости разъема, на общую длину и длину хвостовой части, на ширину, максимальное значение остатка облоя по периметру среза.

Припуски штампованных заготовок и предельные отклонения До 120 (включительно) Штампованные заготовки применяются для изготовления крупных (рис. 54) и мелких (табл. 21) лопаток. Современные методы штамповки позволяют получить заготовки с весьма малыми припусками, указанными в табл. 9. Точноштампованные заготовки для мелких лопаток, получаемые методами точного горячего формообразования или выдавливанием, выполняются с припуском по рабочей части до 0,3 мм. При этом поверхность рабочей части заготовок лопаток из хромистой стали при дальнейшем совершенствовании метода не должна иметь заложенного припуска, а ее отделка должна выполняться с сохранением допуска, установленного для окончательно обработанной лопатки.

Применение штампованных заготовок сокращает расход металла и затраты труда. Это видно из табл. 21. В представленном в ней технологическом процессе изготовления лопаток отсутствуют операции предварительной обработки габаритных поверхностей хвоста и внутреннего профиля рабочей части, а наружный профиль рабочей части обрабатывается только шлифованием. Чем длиннее лопатка и чем больше закрутка рабочей части, тем больше экономия металла. Коэффициент использования металла для основных видов заготовок имеет значения, указанные в табл. 11.

Целесообразность применения того или иного вида заготовки при нескольких возможных вариантах следует определять расчетом себестоимости лопатки.

Штампованные заготовки должны иметь на головной части специальные припуски в виде утолщений (рис. 50) или круглых бобышек (см. табл. 21), необходимых для размещения базирующих поверхностей для фиксации и закрепления заготовок в приспособлениях при обработке.

Методом точного литья по выплавляемым моделям могут быть изготовлены заготовки как направляющих, так и рабочих лопаток. Указанный метод получил распространение преимущественно при изготовлении заготовок направляющих лопаток паровых турбин и охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин.

Предельные отклонения, вызванные недоштамповкой Масса заготов- Предельное отклоне- Допустимое смещение в Максимальное Заготовки могут быть отлиты с небольшим припуском по поверхности рабочей части и с такой шероховатостью, при которой требования к окончательно обработанной рабочей части могут быть обеспечены только финишной механической или электрохимической обработкой. Еще одно преимущество метода точного литья по выплавляемым моделям заключается в том, что при его применении могут быть получены заготовки пустотелых лопаток. В ряде случаев литье по выплавляемым моделям является единственно возможным методом.

Рис. 49. Механически обработанная лопатка и ее заготовка:

1 – бобышка под базу для механической обработки; 2, 3 – напуски Штампованная заготовка обычной точности 0,30-0, У указанных выше направляющих лопаток после отливки обрабатываются только пазы под заливку. Этим методом могут быть получены отливки пустотелых охлаждаемых лопаток. Независимо от серийности метод применяется для изготовления деталей из металлов, не поддающихся механической обработке резанием.

Литье по выплавляемым моделям позволяет изготовлять литыми такие сложные изделия, как сегменты сопел. При обычной технологии сегменты сопел собираются из отдельных деталей в специальном приспособлении и затем соединяются сваркой.

Лопатки газовой турбины изготавливают из литейных и реже из деформируемых жаропрочных сплавов.

Заготовки из литейных сплавов получают литьем по выплавляемым моделям (прецизионное литье в оболочковые формы), а из деформируемых сплавов горячим объемным деформированием.

Серийное изготовление лопаток газовых турбин из литых заготовок является более экономичным, чем из штампованных. При вакуумной плавке и заливке форм технологические отходы металла (литниковая система, выпоры и др.) не окисляются. Их можно повторно использовать при плавке, что снижает расход дорогостоящего металла. Себестоимость изготовления лопаток при этом снижается до 60 %.

Заготовки-отливки лопаток бывают: обычные, с поликристаллической или равноосной структурой; с направленной кристаллизацией (НК);

монокристаллические, имеющие столбчатую дендритную структуру.

Литье с направленной кристаллизацией в оболочковые формы в настоящее время является одним из основных методов получения литых заготовок лопаток ротора из жаропрочных сплавов.

Схема получения отливок с НК представлена на рис. 51. Направленно-кристаллизационные отливки ориентацию структуры (зерен) приобретают в процессе прохождения оболочковой формы с жидким металлом фронта кристаллизации через зону градиента температур на поверхности раздела расплава и твердого металла. Кристаллизация металла в керамической форме строго контролируется путем создания соответствующего продольного и поперечного градиентов температур.

В авиадвигателестроении используются два варианта технологии получения отливок рабочих лопаток турбины: низко- и высокоградиентной (высокоскоростной) направленной кристаллизации.

Низкоградиентная НК (значение градиента температур на фронте кристаллизации не превышает G 30 °С/мм, скорость кристаллизации V = 0,5-1,0 мм/мин) реализуется в печах типа ПМ, которые имеют высокую производительность и обеспечивают получение направленных структур отливок лопаток длиной свыше 400 мм. К недостаткам низкоградиентных процессов относятся малая скорость охлаждения и крупная дендритная структура отливок.

Рис. 50. Схема получения отливок высокоскоростной направленной кристаллизацией в вакуумной или нейтральной среде:

1 крышка из графитового волокна; 2 нагреватель; 3 изолятор; 4 керамическая форма; 5 жидкий металл ((1560 ± 30) °С); 6 поверхность раздела расплава твердого металла (зона градиента температур); 7 затравка (сплав NiW); 8 жидкометаллический кристаллизатор (расплав алюминия, 679-800 °С) Высокоскоростная НК, используя жидкометаллическое охлаждение, осуществляется при градиенте температур на поверхности раздела расплава и твердого металла G = 40-50 °С/мин со скоростью кристаллизации V = 20-40 мм/мин. Отливки с НК получаются более плотными и однородными по всем сечениям пера. Высокоскоростная НК исключает образование поверхностных дефектов ликвационного происхождения струйной полосчатости и поверхностных карбидов типа М6С. Перо отливки образуется из 1-3 зерен и без поперечных границ зерен, по которым чаще всего происходит разрушение лопаток в условиях эксплуатации. Лопатки с НК имеют более высокую длительную прочность, а ресурс работы лопаток с НК в два, три раза выше лопаток с поликристаллической равноосной структурой. Для реализации метода высокоскоростной НК созданы специализированные вакуумные установки УВНК-8П.

Более перспективными являются отливки с монокристаллической структурой, не содержащей поперечных границ зерен. Лопатки с монокристаллической структурой лучше сопротивляются высокотемпературной газовой коррозии, а ресурс работы у этих лопаток выше, чем у лопаток с НК. Рабочие лопатки ТВД с монокристаллической структурой на ряде заводов изготавливают на установках типа ПМП-2 и УППФ-ЗМ (механизированная).

Отливки лопаток с равноосной структурой, с НК и монокристаллические изготавливают прецизионным литьем в оболочковые формы. Прецизионное литье в оболочковые формы обеспечивает получение литых заготовок без припуска на механическую обработку пера лопатки с шероховатостью поверхности Ra = 2,5-5 мкм. Припуск по замку 0,8-1,2 мм на сторону. КИМ литой лопатки около 0,6.

Сущность процесса литья заключается в следующем. Из легкоплавких или легкорастворимых в воде материалов в пресс-форме получают модель лопатки. Ее покрывают специальной силикатной обмазкой, которая при высыхании образует на модели лопатки корку (оболочку). Далее из модели, покрытой керамической обмазкой, удаляют модельную массу (вымывают горячей водой или выплавляют) и прокаливают при высокой температуре с тем, чтобы превратить силикатное покрытие в прочную керамическую оболочку. Меcто, занятое ранее моделью, образует полость, в которую и заливают расплавленный металл заготовки.

При изготовлении пустотелой отливки внутрь литейной формы помещают керамический стержень, образующий внутреннюю полость охлаждаемой лопатки. Отлитые заготовки лопаток извлекают из оболочки, удаляют стержень, зачищают и после тщательного контроля подвергают термообработке.

Удаление керамических стержней из отливок производится растворением их в расплаве бифторида калия (ТУ 6-02-1217-81) при температуре нагрева 350-370 °С в течение 1,5-4,5 ч с последующей тщательной промывкой в воде. Бифторид калия токсичен, поэтому работа с ним требует соблюдения правил охраны труда.

Заготовки рабочих лопаток газовых турбин из деформируемых сплавов получают горячей штамповкой, прессованием (выдавливанием), прокаткой и вальцеванием, стремясь к обеспечению в заготовке продольной ориентации структуры металла. Наиболее отработанным методом является горячая штамповка заготовок, которую проводят обычно на ковочных прессах, кривошипных, фрикционных и гидровинтовых прессах-молотах и открытых или закрытых штампах. Заготовки штампуют чаще с бандажной полкой на конце пера и без нее, с облоем и без облоя, сплошные (неохлаждаемые). Отличие способа безоблойной штамповки от обычного сводится к более жесткому дозированию металла исходной заготовки.

При выборе припуска на механическую обработку рабочих лопаток турбин можно руководствоваться рекомендациями Научноисследовательского института технологии и организации производства двигателей (АООТ НИИД): для лопаток длиной до 200 мм припуск по профилю пера на сторону составляет 0,8 + 0,,5 мм, для остальных поверхностей хвостовика и бандажной полки 1,5 + 0,,2 мм, а для лопаток длиной 200-350 мм соответственно 1,0 + 0,,5 мм и 2,5 + 0,,5 мм.

Заготовки лопаток турбин с постоянным профилем по длине пера можно получить методом выдавливания (экструзии). Такой метод обеспечивает получение заготовок лопаток с минимальными припусками и продольную ориентацию структуры. Выдавливание заготовок может производиться на стандартном кузнечно-прессовом оборудовании: гидравлических, механических или фрикционных прессах, на горизонтальноковочных машинах и др. Выдавливаемый материал нагревается до температуры, близкой к верхнему пределу ковочного интервала. Рекомендуется применять индукционный нагрев. Во избежание разрыва металла у тонких кромок пера в связи с более быстрым охлаждением в конструкции штампа предусматриваются полости карманы, обеспечивающие некоторое утолщение кромок. Излишний металл, заполняющий карманы, удаляется механической обработкой.

Для получения лопатки с переменным профилем экструдированную заготовку подвергают холодной прокатке. Между операциями прокатки заготовки необходимо отжигать для восстановления пластичности и снятия остаточных напряжений.

Лопатки компрессора газотурбинных установок изготавливают только из деформируемых теплостойких сталей, алюминиевых, титановых и жаропрочных сплавов. Заготовками для лопаток являются штамповки, полученные горячим деформированием на кривошипно-шатунных прессах, изотермической штамповкой, высокоскоростной штамповкой, вальцеванием. В последнее время ведутся работы по изготовлению лопаток из профильной полосы ЭХО.

Штамповка заготовок на кривошипно-шатунных прессах была наиболее распространена: припуск по перу 0,8-1,5 мм на сторону, КИМ 0,15.

Однако более прогрессивными являются методы получения точных заготовок с малыми припусками изотермическая и высокоскоростная штамповка.

При изотермической штамповке температура деформируемой заготовки, штампа и окружающего их пространства поддерживается примерно постоянной на протяжении всего цикла обработки, т. е. процесс деформирования протекает при постоянной температуре в изотермических условиях. Например, изотермическая штамповка заготовок из стали осуществляется при температуре нагрева (1100 ±20) °С.

Изотермическая штамповка используется для изготовления из сталей и титановых сплавов точных заготовок лопаток длиной 70-1400 мм с припуском и без припуска на размерную обработку (до 0,05 мм).

Припуск по перу под шлифование 0,2-0,5 мм на сторону. Шероховатость пера после пескоструйной очистки заготовки Ra = 5-2,5 мкм.

Заготовку штампуют на специализированных тихоходных гидравлических прессах ПА2634, ПА2638, 2642 и 2646 с усилиями соответственно 2500, 6300, 16000 и 42000 кН, которые оснащены специальными установками для изотермического деформирования с индукционным нагревом типа УИДИН и УИС. Заготовка штампуется за 2-3 перехода. Первые два перехода на гидровинтовых пресс-молотах, последний переход методом изотермической штамповки.

Исходные заготовки из титановых сплавов покрывают суспензией стекла для защиты от окисления. Сперва их нагревают в электрической печи до 920-950 °С, а затем их помещают в УИДИН, где поддерживается температура 870-890 °С. Процесс штамповки высокоэффективен: КИМ повысился с 0,07-0,14 до 0,28-0,55. Трудоемкость обработки снизилась на 30повысилась эксплуатационная надежность лопаток, улучшились условия труда и экологическая обстановка.

Скорость деформирования методом высокоскоростной штамповки составляет 16-40 м/с. При штамповке на обычном кузнечно-прессовом оборудовании скорость деформирования равна 0,1-6 м/с. Основными технологическими преимуществами высокоскоростной штамповки являются улучшение теплового баланса штамповок, увеличение инерционных сил, способствующих лучшему заполнению металлом гравюры штампа, уменьшение контактного трения и увеличение пластичности металла при больших скоростях деформаций. Все это обеспечивает изготовление штамповок сложной формы без облоя, с тонкими кромками, малыми радиусами (r = 0,5-2,0 мм) и малыми штамповочными уклонами или совсем без них (1-300). Припуск по перу составляет 0,2 мм на сторону (крупногабаритные лопатки) и без припуска на механическую обработку (мелкие и средние лопатки). Недостатки этого метода можно штамповать только однополочные лопатки, повышенный износ штампов.

Штампуют заготовки из сталей и пластичных титановых сплавов на высокоскоростных молотах (ВСМ) с энергией удара до 5 кНм за 1-2 удара (с промежуточным подогревом). Примерные режимы высокоскоростной штамповки на ВСМ с энергией удара 4 кНм для стали 13Х12Н2В2МФА 1150 °С, с припуском под безразмерное полирование, для титанового сплава ВТ9 980 °С. Можно получить заготовку без припуска на механическую обработку. Шероховатость поверхности заготовки Ra = 5 мкм, КИМ 0,4-0,5.

Широкое внедрение метода высокоскоростной штамповки в серийное производство сдерживается из-за нехватки специализированного технологического оборудования.

Из приведенного выше материала о заготовках лопаток компрессора следует, что современный уровень кузнечно-штамповочного производства, новые технологические процессы объемного деформирования (штамповка на гидровинтовых прессах, изотермическая и высокоскоростная штамповка, холодное вальцевание) позволяют получать заготовки лопаток с припусками по перу, исключающие грубые обдирочные и черновые операции механической обработки. Можно изготавливать заготовки с припусками под финишные операции механической обработки (шлифование, полирование) и без припуска, при этом припуски на хвостовике лопаток также существенно уменьшаются. Припуски и допуски для точных заготовок лопаток приведены в табл. 12.

Точность заготовок компрессорных лопаток, полученных прогрессивными способами объемного деформирования Площадь проекции Припуск по перу на Допуск на тол- Припуск по разъема штампа, см Заготовки лопаток, изготавливаемых без припуска на размерную механическую обработку (холодным вальцеванием, изотермической штамповкой), выполняются с точностью по перу, регламентируемой чертежом готовой детали.

Важным фактором оценки прогрессивности заготовок является коэффициент использования материала. Для основных видов заготовок указанный коэффициент имеет значения, приведенные в табл. 13.

Сокращение массового расхода материала на заготовку, как правило, сопровождается и снижением трудоемкости последующих процессов механической или электрохимической обработки. Однако выбор того или иного вида заготовки зависит и от многих других факторов: обеспечения прочности; серийности; обрабатываемости материала, выявляемой при изготовлении заготовки и в процессе ее дальнейшей обработки; технологических возможностей заготовительных производств и др.

Факторы, сдерживающие переход на более прогрессивный вид заготовки, не являются постоянными. Повышение прочности литых заготовок приводит к все большему расширению их применения. Освоение процессов холодного проката, точной штамповки, точного литья, создание средств, стабилизирующих качество заготовительных процессов и обеспеТаблица Холоднокатаный профильный прокат 0,70-0, чивающих высокую производительность, расширяет объем производства прогрессивных видов заготовок. Организация производства на основе групповой обработки позволяет изготовить прогрессивные виды заготовки при малой серийности выпуска турбин.

На стадии изготовления заготовки лопатки проходят ряд контрольных операций, целями которых являются исключение недопустимых внутренних и поверхностных дефектов, а также контроль размеров и формы.

Поступающий прокат, предназначенный для изготовления из него заготовок для лопаток методами штамповки, вальцевания, выдавливания, профильного прокатывания, при поставке подвергается ультразвуковой дефектоскопии для возможного выявления внутренних дефектов. Контроль проводится и для выявления поверхностных дефектов.

Заготовки, полученные методом точного литья, в целях обнаружения внутренних дефектов проходят ультразвуковой контроль. Качество наружной поверхности и выявление возможных поверхностных дефектов проверяют визуально.

Заготовки лопаток (безразлично каким методом формообразования они получены) после термической обработки подвергаются контролю качества термической обработки, а также контролю в целях выявления трещин.

Выходной контроль заготовок заключается в выявлении возможных, оставшихся незамеченными при поэтапном контроле поверхностных дефектов. Он производится средствами люминесцентной и магнитнопорошковой дефектоскопии.

Все большее количество заготовок турбинных лопаток изготавливается методами точного формообразования. Малые припуски исключают возможность исправить профиль в процессе механической обработки, поэтому процесс и средства контроля размеров, формы рабочей части заготовок лопаток становятся все более идентичными процессу и средствам контроля механически обработанных лопаток.

Главной целью классификации и типизации лопаток является последующая типизация технологических процессов и на этой основе совершенствование технологичности конструкций и технологии производства лопаток. Наибольший эффект должны дать классификация и типизация лопаток, выполненных в отраслевом масштабе (единые для всех турбинных заводов) с доведением до унификации широкой применяемости одних и тех же лопаток в различных типах турбин, которые выпускают все отечественные турбинные заводы. Основным препятствием на этом пути является отсутствие единых принципов теплового расчета и проектирования лопаток. Для решения этих проблем необходимо иметь центральное конструкторское бюро (ЦКБ), ориентирующееся на специализированную производственную базу.

Начало работ по отраслевой унификации было положено технологическим отделом ЦКТИ (Центральный котлотурбинный институт) в 1947гг. Результаты проведенных работ стали основой решения о целесообразности организации централизованного производства турбинных лопаток и строительства для этой цели завода турбинных лопаток (ЛЗТЛ).

Указанное выше ЦКБ предполагалось расположить на ЛТЗЛ (ныне завод турбинных лопаток в г. Санкт-Петербурге).

Анализ чертежей и технологических процессов механической обработки лопаток позволяет установить следующие основные положения.

1. Несмотря на существующее разнообразие конструкций, рабочие и направляющие лопатки паровых и газовых турбин могут быть приведены к нескольким основным типам. Многие конструкции основных элементов лопаток (хвосты, рабочие части, головки) также являются типовыми и встречаются в различных сочетаниях при разных конструкциях лопаток.

2. Каждому типу лопаток соответствует вполне определенный технологический процесс обработки (особенно в части операций подготовки основных технологических баз), отличный от технологических процессов обработки лопаток других типов.

3. Каждому типу конструктивных элементов лопаток (хвосты, рабочие части, головки) свойственны определенный состав и последовательность технологических операций независимо от типа лопатки.

Указанные положения были положены в основу при разработке схемы типизации, предложенной Н.Я. Бауманом8. Позже рабочий вариант классификатора был выпущен Всесоюзным проектно-технологическим институтом энергетического машиностроения (ВПТИ «Энергомаш») в отраслевом масштабе.

Долицкий Н.И. Унификация лопаток и выбор рациональных заготовок // Усовершенствование производства турбинных лопаток / Под общ. ред. Б.А. Ильчева. М.; Л., 1956. С. 57.

Классификация лопаток с постоянным профилем рабочей части паровых и газовых турбин по группам, подгруппам и видам приведена в табл. 14, а классификация лопаток с переменным профилем рабочей части в табл. 15. В основу классификации групп, подгрупп и видов положены конструктивные особенности элементов лопаток и их сочетания, которые предопределяют технологический процесс изготовления лопаток.

Все многообразие рабочих и направляющих лопаток и промежуточных тел паровых и газовых турбин разделено на две группы: по форме сечений рабочей части и по их взаимному расположению вдоль оси.

По этому главному признаку различают группу лопаток с постоянным профилем рабочей части и промежуточные тела, а также группу лопаток с переменным профилем рабочей части.

Одним из признаков, по которым лопатки классифицируют по подгруппам, служит наличие или отсутствие в конструкции лопатки элементов, которые нависают над профилями концов рабочей части. Нависающим элементом конструкции может быть хвост или полка, составляющая неотъемную часть лопатки. По данному признаку лопатки подразделяются на открытые (рис. 51, а-г), полуоткрытые (рис. 51, д-ж,к-м) и закрытые (рис. 51, и). Если элемент нависает с одного конца лопатки, например со стороны хвоста, а со стороны, например, головки или в рабочей профильной части лопатки нависающих элементов нет, то такие лопатки включаются в подгруппу полуоткрытых. Закрытые лопатки имеют нависающие элементы с обоих концов рабочей части.

В соответствии с классификатором группы лопаток с постоянным профилем рабочей части состоят из трех подгрупп открытых, четырех подгрупп полуоткрытых и одной группы закрытых лопаток. Группа лопаток с переменным профилем рабочей части составлена из одной открытой, шести полуоткрытых и одной закрытой подгрупп лопаток.

Отнесение конструкции лопатки к какой-либо группе основано на учете наличия или отсутствия того или иного конструктивного элемента, а также на учете особенностей конструктивных элементов и особенностей их взаимного расположения.

Открытые лопатки с постоянным профилем рабочей части относят к той или иной группе по признаку наличия или отсутствия хвоста. Лопатки без хвоста составляют группу направляющих Лопаток. Полуоткрытые лопатки распределяют по конкретным группам в зависимости от того, с одной или двух сторон относительно рабочей части размещен хвост, в зависимости от конструкции хвоста, его элементов и геометрической формы поверхностей хвоста.

Направляющие лопатки чаще всего не имеют каналов, и только лопатки, составляющие виды 3 и 4 (см. табл. 15), такие каналы имеют. В конструкции лопаток, составляющих виды 5, 6 и 7 (см. табл. 14) введены дополнительные конструктивные элементы отверстия и пазы под заливку.

Кроме приведенных в табл. 14 и 15 сведений хвостовые части некоторых из видов лопаток характеризуются дополнительными данными.

Хвосты лопаток вида 1 подгруппы 2, видов 1 и 2 подгруппы 3, 0 и подгруппы 8 (табл. 14), а также вида 1 и 2 подгруппы 2 (табл. 15) имеют Т-образную форму без заплечиков. Хвостам лопаток видов 3 и 4 подгруппы 3, вида 2 подгруппы 8 (табл. 14) придана Т-образная форма с заплечиками. Т-образную форму с заплечиками профильного сечения имеют хвосты лопаток видов 4 и 7 подгруппы 5 (табл. 14) и 5 8 подгруппы (табл. 15). Конструктивный хвосты лопаток видов 5 и 6 подгруппы 2, а также видов 1 и 2 подгруппы (табл. 14). Односторонние пазовые хвосты прямо- и косоугольного поперечного сечения и профильных форм входят в виды 1 и 2 подгруппы Классификация лопаток с постоянным профилем рабочей части лопатки Вид Открытые Открытые с Открытые Полуоткрытые с Полуоткрытые с Полуоткрытые с Полуоткрытые с Закрыбез хвоста хвостом с односто- односторонним двусторонним двусторонним двусторонним тые Вид Открытые Открытые с Открытые Полуоткрытые с Полуоткрытые с Полуоткрытые с Полуоткрытые с Закрыбез хвоста хвостом с односто- односторонним двусторонним двусторонним двусторонним тые Пазовую двустороннюю форму имеют хвосты лопаток вида 8 подгруппы 2, вида 5 подгруппы 4 (табл. 14) и вида 8 подгруппы 8 (табл. 15).

Двусторонние пазовые хвосты прямо- и косоугольного, профильного поперечных сечений имеют лопатки видов 3 и 4 подгруппы 7 (табл. 14), а также видов 4, 5 и 7 подгруппы 6 (табл. 15). Лопатки с хвостами с внутренним Т-образным пазом входят в вид 5 подгруппы 7 и вид 5 подгруппы 8, а также в виды 8 и 9 подгруппы 6 (табл. 15). Хвосты зубчиковой формы входят в лопатки вида 3 подгруппы 2, видов 5-8 подгруппы 3 и вида 4 подгруппы 8 (табл. 14). Лопатки с хвостами также зубчиковой формы с заплечиками входят в состав вида 8 подгруппы 4 (табл. 14), с заплечиками прямо- и косоугольного, профильного поперечных сечений в состав вида подгруппы 5, а также видов 5-8 подгруппы 6 (табл. 14). Лопатки с хвостами зубчиковой формы без заплечиков, имеющие прямо- и косоугольные профильные сечения, объединены в видах 1 и 2 подгруппы 5 (табл. 14), в видах 2 и 3 подгруппы 4 (табл. 15). Лопатки с вильчатыми хвостами составляют виды 1 подгруппы 6 (табл. 14) и 3 подгруппы 8 (табл. 15), а с вильчатыми двухъярусными хвостами виды 1-4 подгруппы 3 (табл. 15).

Грибовидная форма определяет конструкцию хвостов лопаток видов 3 и подгруппы 6, вида 3 подгруппы 8 (табл. 14), а также видов 5-8 подгруппы 3, вида 4 подгруппы 8 (табл. 15). Хвост елочный прямо- и косоугольного профильных сечений является конструктивным признаком лопаток видов 1-3 подгруппы 5 и видов 1, 2 подгруппы 8 (табл. 15). Лопатки с высаженным хвостом прямо- и косоугольных, а также профильных поперечных сечений входят в виды 1, 2 подгруппы 7 (табл. 13).

Изображенные на рис. 51, а, г-и конструкции представляют собой лопатки с постоянным профилем рабочей части. На рис. 51, б, в, к-м показаны лопатки переменного профиля рабочей части.

Лопатки (рис. 51, а-в) не имеют хвостов. Одна из них (рис. 51, б) обладает отличительной особенностью она пустотелая. Конструкция на рис. 51, в двухъярусная, каждый ярус отделен друг от друга перемычкой.

Лопатка (рис. 51, г) снабжена хвостом, который не закрывает профильную часть. Конструкция хвоста лопатки (рис. 51, д) односторонняя, а у лопаток, приведенных на рис. 51, е-м, двусторонняя.

Приведенные на рисунке лопатки по конструкции хвоста подразделяются:

на Т-образный без заплечиков (рис. 51, г, д);

грибовидный (рис. 51, e, и);

пазовый двусторонний (рис. 51, ж);

вильчатый (рис. 51, к);

зубчиковый (рис. 51, л);

елочный (рис. 51, м).

База хвоста рабочих лопаток опорные поверхности профиля, сопрягаемые с такого же назначения поверхностями диска; могут быть либо плоскими, либо цилиндрическими.

Поверхности хвоста, являющиеся базами при сопряжении с такого же назначения поверхностями соседних лопаток или с промежуточными телами, различаются по форме сечений, а также по расположению базовых поверхностей к другим поверхностям хвоста и, следовательно, к поверхностям диска. Сечение хвоста лопатки, изображенной на рис. 51, г, повторяет сечение рабочей части. Наружная радиальная поверхность хвоста лопатки (рис. 51, д) профильная, внутренняя радиальная поверхность хвоста повторяет внутренний профиль рабочей части. Наружные и внутренние радиальные поверхности хвостов лопаток (рис. 51, e-м) являются плоскостями.

В сечении указанные плоскости образуют прямые линии, перпендикулярные к входной и выходной плоскостям хвоста лопаток (рис. 51, е-к), а у конструкций лопаток (рис. 51 л, м) - прямые наклонные линии к входной и выходной плоскостям хвоста.

Поверхность торца головки лопатки с шипом, т. е. у конструкций рис. 51, г-к, может быть плоской либо цилиндрической. Торец головки лопаток, не предназначенных для скрепления с бандажом и не имеющих собственного бандажа, может быть прямым, рис. 51, ж, м, или косым, рис. 51, к, л. При этом профиль в головной части может быть с утонением или без него. Некоторые из конструкций головных частей лопаток изображены на рис. 52.

Рис. 52. Конструкции головных частей лопаток:

а прямоугольный шип; б шип прямоугольный на косом срезе;

д шип профильный на косом срезе; е шип профильный двойной Приведенные конструкции не отображают всего многообразия лопаток и их элементов.

Примеры классификации лопаток по общему виду представлены в табл. 16, а по рабочей части – в табл. 17(приводятся по схеме типизации Н.Я. Баумана).

1 Лопатки активные постоянно- Лопатки турбин малой мощго сечения, изготовляемые с ности, рабочие и направляюотдельными промежуточными щие (рис. 34, б) 2 Лопатки реактивные постоян- Рабочие и направляющие лоного сечения, изготовляемые с патки реактивных турбин отдельными промежуточными (рис. 34, а), лопатки литых и 3 Лопатки с пером постоянного Рабочие лопатки активных сечения, изготовляемые заод- турбин (рис. 53, тип 3633, рано с промежуточными телами, бочие и направляющие лопатимеющие профильный хвост* ки реактивных турбин) 4 Лопатки с пером постоянного Рабочие лопатки активных и переменного сечений (ли- турбин (рис. 32, поз. 10-27) нейчатого** и нелинейчатого*** профиля), имеющие плоский хвост прямоугольного сечения 5 Лопатки с пером переменного Рабочие лопатки активных сечения (линейчатого и нели- турбин (рис. 53, тип 5686), нейчатого профиля), имеющей аналогичные им лопатки реакпрофильный хвост тивных турбин 6 Лопатки реактивные с пером Рабочие и направляющие лопостоянного и переменного патки последних ступеней ресечений (линейчатого и нели- активных турбин, газовых нейчатого профиля), имеющие турбин и осевых компрессоплоский хвост прямоугольного ров 7 Лопатки с развитыми полками Рабочие лопатки газовых туру хвостовой части бин с охлаждаемыми хвостами 8 Лопатки с цапфами для креп- Направляющие лопатки оселения лопаток вых компрессоров газовых * Хвост лопатки с профильными радиальными поверхностями сопряжения соседних лопаток.

** Линейчатые профили, получаемые в результате обработки их профильной фрезой методом косого фрезерования, или представляющие собой часть поверхности конуса, возникающие в результате точения заготовки в наклонном положении.

*** Нелинейчатые профили, получаемые в результате: а) обработки заготовок профильной фрезой по спирали; б) обработки заготовок профильной резой с перемещением стола фрезерного станка в продольном направлении в сочетании с дополнительным перемещением стола в вертикальном направлении по копиру; в) обработки заготовок на копировально-фрезерных станках по объемному копиру сложнопространственной формы, заданной рядом кривых, построенных по точкам и расположенных в нескольких параллельных сечениях, перпендикулярных оси лопатки; г) обработки на копировальво-фрезерных станках с ЧПУ.

1 Открытые* постоянного сечения активные 2 Открытые постоянного сечения реактивные, с высадкой и без нее 3 Полуоткрытые** постоянного сечетип 4 Полностью закрытые***, длиной до 100 мм, с рабочей частью постоянного сечения 5 Полузакрытые**** постоянного и переменного сечений, линейчатые, 6 Полузакрытые переменного сечения, 7 Полузакрытые переменного сечения, нелинейчатые, длиной свыше 500 мм 8 Открытые переменного сечения, нелинейчатые 9 Открытые переменного сечения, нелинейчатые * Открытые, не имеющие уступов на профильных поверхностях и допускающие сквозной проход режущих инструментов вдоль всей лопатки.

** Полуоткрытые, не имеющие уступов и допускающие сквозной проход режущих инструментов вдоль всей лопатки только по одной из профильных поверхностей.

Обычно эти уступы находятся со стороны наружного профиля.

*** Полностью закрытые, не допускающие как свободного захода, так и свободного прохода режущего инструмента для обработки профилей рабочей части вдоль лопатки.

**** Полузакрытые, не допускающие свободного прохода режущих инструментов вдоль лопатки как со стороны наружного, так и внутреннего профиля, но допускающие свободный заход инструмента от головной части.

В гл. 5 первого раздела изложены теоретические основы базирования и крепления деталей в процессе механической и других видов обработки. Содержание настоящего раздела имеет целью дополнить приведенные данные характерными особенностями, касающимися непосредственно лопаточного производства.

Процесс механической, электроимпульсной, электрохимической и других видов обработки при изготовлении лопаток из заготовки является многооперационным, производимым при большом числе установок. Выбор комплекта технологических баз, которые, с одной стороны, были бы и конструкторскими, а с другой оставались бы неизменными при проведении всего процесса обработки, трудно осуществим, а в подавляющем большинстве случаев и невозможен.

Одной из главных задач, решаемых при выборе баз, является возможно меньшее сокращение полей допуска на размеры основных наиболее важных элементов лопатки и на их расположение. Такое сокращение неизбежно в связи со сменой баз при установках детали под обработку.

Конструкция лопаток и их назначение требуют обработки всех поверхностей заготовки, т. е. сопровождаются необходимостью устанавливать заготовку под обработку на различные поверхности. Для обработки лопаток назначается, по крайней мере, два комплекта технологических баз.

Первый комплект технологических баз это некоторые черные поверхности заготовки. Базируя на них, производят обработку поверхностей второго комплекта технологических баз, от которых осуществляется дальнейшее ведение процесса.

Установочной базой заготовки, полученной, например, методом точного литья по выплавляемым моделям, выбирается профильная поверхность рабочей части, которая задана с меньшим припуском или выполнена без припуска. Направляющей базой должна служить кромка рабочей части, а опорной базой торец заготовки со стороны хвоста или головной части.

За опорную базу может быть принята поверхность перехода рабочей части заготовки в хвост.

Если лопатки изготовляются из холоднокатаного проката, то процесс обработки может быть построен лишь при частичном чередовании баз.

Одна из профильных поверхностей и кромка рабочей части используются как база на протяжении всего процесса. Базы второго и последующих комплектов могут быть поверхностями конструкции лопатки, поверхностями, образованными в теле припуска заготовки, или поверхностями введенных в конструкцию заготовки бобышек, отверстий и т. п.

Для достижения высокого качества лопаток следует стремиться к тому, чтобы основные элементы лопаток (хвосты, рабочие части, головки) были обработаны без смены баз. Если этого достигнуть нельзя, а смена баз является неизбежной, то правильному выбору и подготовке основных баз должно быть уделено особое внимание. Поиски удовлетворительного решения указанной выше задачи привели к использованию в качестве базовых поверхностей центровых отверстий центров. Наличие центров лишает заготовку пяти степеней свободы. Опорные точки, лишающие заготовку шестой степени свободы возможности вращения заготовки вокруг оси центров, – могут располагаться, например, на радиальных плоскостях хвостов лопаток. В отдельных случаях достаточно одного центрового отверстия в головной бобышке (табл. 21).

В табл. 18 показаны некоторые из типовых схем базирования, используемых при установке под обработку основных поверхностей лопаток.

В ней же приведены и некоторые характеристики баз.

Обозначение баз на рисунках в табл. 18 показано в виде открытых равносторонних треугольников. Цифры возле них указывают, какого числа степеней свободы лишается заготовка при установке или опоре на эту поверхность. При одной степени свободы цифра не ставится. Типы условно обозначены римскими цифрами.

Основное требование, предъявляемое к базам, это обеспечение стабильного положения детали при установке. С этой точки зрения базы, которые приведены на схеме I (табл. 18), представляющие собой три взаимно перпендикулярные плоскости, являются наилучшими. Но они применимы для обработки лопаток из непрогрессивных заготовок брусков, нарезанных из полосового проката.

Профильные поверхности рабочей части лопаток в качестве базы с числом опорных точек более двух, как это показано на типовых схемах базирования II, III, IV (табл. 18), могут быть рекомендованы для установки под обработку лопаток с постоянным сечением профиля.

Лопатки с переменным профилем рабочей части целесообразно базировать не на профильные поверхности, а на плоские поверхности хвоста и бобышки в головной части или на цилиндрические поверхности отверстий. Еще одно важное условие проектирования технологических процессов это сохранение единства баз для выполнения на них большинства операций и особенно таких, в которых окончательно формируются основные наиболее важные поверхности лопаток. Создание баз непосредственно на поверхностях самой лопатки вызывает необходимость смены баз перед обработкой оставленного на упомянутых поверхностях припуска. И с рассматриваемых позиций при проектировании процесса обработки лопаток с переменным профилем предпочтительнее создавать базы на тех частях заготовки лопатки, которые могут быть удалены в конце процесса. Целесообразно также создавать базы на поверхностях или со стороны поверхностей, при обработке которых не требуется соблюдение высокой точности.

Примерами базирования, отвечающими поставленным условиям, служат типовые схемы V, VI, VII, VIII (табл. 18).

Ряд контрольных операций производится не от тех баз, на которых выполнялась обработка наиболее важных поверхностей, а от новых, обычно конструкторских, баз, являющихся у рабочих лопаток поверхностями хвоста.

К поверхностям, назначенным базами, предъявляются определенные требования по точности, шероховатости, соблюдению геометрической формы.

Базовые профильные поверхности рабочей части постоянного профиля, образованные при холодном прокатывании, используются для базирования например, по схеме II (табл. 18). Поверхностям приданы достаточные для базирования точность и шероховатость.

Лопатки, изготавливаемые из горячекатаной полосы и базируемые по схеме I (табл. 18), должны иметь установочную базу плоскость большей ширины с шероховатостью от Rz = 25 мкм до Ra = 2,5 мкм. Противолежащая плоская поверхность должна быть параллельна к базовой с предельными отклонениями ± 0,01 мм при допуске на толщину после образования базы 0,05 мм. Одна из боковых сторон должна быть перпендикулярна к установочной базе. Отклонение допустимо в пределах 0,02 мм на ширине боковой стороны.

Плоские поверхности баз по схемам базирования V и VI (табл. 18), в том числе и принадлежащие различным конструктивным элементам, должны быть совмещены в одной плоскости. Их шероховатость должна находиться в пределах от Rz = 20 мкм до Ra = 2,5 мкм. Отверстия, размещенные с двух концов лопатки, поверхности которых определены базами, как это имеет место при базировании по схеме VII (табл. 18), должны находиться на одной совмещенной оси. Поверхности отверстий, служащих базами, выполняются по 2-3-му классам точности и с шероховатостью поверхностей в пределах от Rz = 20 мкм до Ra = 2,5 мкм.

III VIII 2.6. Общая характеристика технологических процессов В зависимости от конструкции лопаток, способов изготовления заготовок, а также в зависимости от того, какими технологическими возможностями располагают турбостроительные предприятия, определяется технологический маршрут механической обработки лопаток. Но вне зависимости от названных конструктивно-технологических и других особенностей технологические процессы обработки имеют и общие черты.

Разрабатывая технологический процесс изготовления рабочих и сопловых лопаток паровых и газовых турбин, а также лопаток осевого воздушного компрессора, надо решить проблему о последовательности, числе и содержании операций в нем. Общий подход к этому вопросу изложен в главе. 3 первого раздела. Однако, учитывая важность процесса изготовления лопаток в общем цикле производства паровых и газовых турбин, необходимо вновь вернуться к некоторым ранее изложенным аспектам разработки техпроцессов.

Имеющийся на турбостроительных заводах уровень технологии обработки лопаток характеризуется раздробленностью процесса на большое число отдельных операций. Так процесс обработки полуоткрытой переменного профиля рабочей части лопатки состоит из 37 операций. Обработка лопатки из титанового сплава пятой ступени ЦНД турбины К-1200производится на 70 операциях.

Анализируя существующие схемы технологических процессов, можно выявить определенную закономерность в цикле обработки лопаток.

В общем виде составляющие технологический маршрут операции подразделяются на следующие стадии:

подготовка основных технологических баз;

обработка хвостовой части;

Каждая стадия может состоять из нескольких технологических операций, количество и содержание которых зависит от конструкции элементов лопаток, показанных на схеме классификации вида заготовок (табл. 8), а также от степени концентрации операций.

При разработке нового техпроцесса или при реорганизации лопаточного производства можно исходить из двух различных принципов:

концентрации операций;

дифференциации операций.

Принцип концентрации (укрупнения) означает стремление сосредоточить в одной операции обработку возможно большего числа поверхностей.

Пределом концентрации является сосредоточение всей обработки дифференциации – разделение процесса на такие операции, каждая из которых будет состоять из одного простого перехода.

Принцип дифференциации предусматривает разукрупнение обработки и упрощение каждой операции путем увеличение их числа.

Любой из рассмотренных принципов формирования операций имеет свои достоинства.

Преимущества принципа концентрации состоят в следующем:

сокращается номенклатура приспособлений для установки и закрепления деталей на станке, что уменьшает затраты на их проектирование и изготовление;

уменьшается число установок детали на станок;

появляется возможность использовать станки повышенной производительности (обрабатывающие центры, агрегатные, многошпиндельные, многорезцовые, револьверные и т. п.);

сокращается длительность производственного цикла9, так как с уменьшением число операций уменьшается время ожидания (пролеживания) детали между операциями;

упрощается планирование и учет производства.

Принцип дифференциации имеет следующие достоинства:

упрощается наладка оборудования на каждой операции;

снижается сложность работы;

создаются возможности для использования оптимальных режимов резания в каждом переходе.

В сложившихся условиях отработка технологичности конструкции лопаток ведется недостаточно, станочный парк большинства турбостроительных заводов устарел, квалификация работников технологических служб невысока, низка квалификация рабочих-станочников все это препятствует совершенствованию процессов обработки лопаток по принципу концентрации. Исключение составляют процессы обработки баз, при которых имеет место совмещение в одну операцию процессов фрезерования поверхностей и обработки отверстий.

Реализация принципа концентрации при изготовлении рабочих и сопловых лопаток может быть осуществлена только на основе знания всех этапов обработки, составляющих технологический процесс их получения.

Поэтому знание типовых схем лопаточного производства, изложенных с позиций дифференциации операций, является необходимым. Тем не менее современный подход к технологии механической обработки, новое прогрессивное оборудование и инструмент неизменно приведут к коренной реорганизации методов изготовления лопаточного аппарата паровых и газовых турбин. Опыт создания гибкого технологического комплекса лопаточного производства описан в главе "Перспективы развития технологии лопаточного производства".

В основу функционирования гибкого технологического комплекса положен принцип концентрации операций.

В зависимости от метода осуществления концентрация операций может быть подразделена на организационную, механическую и технологическую.

Организационная концентрация объединяет несколько операций в одну без изменения метода обработки. Такой вид концентрации осуществляется на универсальном оборудовании при использовании рабочих высокой квалификации.

Механическая концентрация предусматривает замену установов позициями или механической сменой инструментов. Сами технологические переходы при этом не совмещаются во времени.

Производственный цикл – интервал календарного времени от начала до окончания процесса изготовления детали (изделия) (ГОСТ 14.004-83).

Технологическая концентрация предполагает объединение простых переходов в сложные. Этот вид концентрации реализуется при обработке деталей на обрабатывающих центрах, агрегатных, многошпиндельных, резцовых и других станках.

Несовершенство станков, режущего инструмента, систем ЧПУ и управляющих программ при малом объеме выпуска изделий10 делало невыгодным значительное повышение степени концентрации операций. При использовании прогрессивного оборудования показатель объема выпуска перестает быть главным фактором, определяющим эффективность применения принципов концентрации при изготовлении турбинных лопаток.

Процесс обработки лопаток характеризуется наличием в нем большого числа контрольных операций: контроля размеров и форм, определения положения центра массы и момента массы, контроля на наличие поверхностных дефектов, виброконтроля. Существующая на турбостроительных заводах многооперационность процесса вызывает необходимость большого числа и значительной протяженности перемещений.

Обработка лопаток производится процессами резания металлов: точением, фрезерованием и строганием; сверлением, зенкерованием и развертыванием; протягиванием, шлифованием и полированием. Все большее распространение получают процессы, осуществляемые под воздействием электрического тока: электроимпульсные, электрохимические, а также процессы, в которых электрическое воздействие совмещено с резанием (см. гл. 7, разд. 1).

3. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И

ОПЕРАЦИИ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК

3.1. Схемы типовых технологических процессов обработки В табл. 19-23 приведены схемы технологических процессов механической обработки рабочих и направляющих лопаток распространенных типов. Номера типов определены по схеме технологической классификации11 (рис. 53). Основная задача данных схем показать научно обоснованный порядок (очередность) обработки элементарных поверхностей лопаток различных типов. Обработка одной из поверхностей названа в схемах операцией, что следует принимать условно. С внедрением новых специальных станков, станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и станков типа "Обрабатывающий центр" появилась возможность объедиОбъем выпуска изделий – число определенных изделий одного наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых предприятием в течение планируемого интервала времени (ГОСТ 14.004-83).

Малеев А.Е., Долицкий Н.И. Некоторые вопросы унификации лопаток паровых турбины. //Котлотурбостроение. 1951. № 6. С. 104.

нения нескольких поэлементных операций в одну, например, операции 7-10, 16-18 табл. 22 в одну операцию 7 табл. 26. При этом несмотря на объединение операций последовательность обработки поверхностей, предусмотренная исходным вариантом, в объединенном варианте в основном сохраняется. Поэтому в схемах (табл. 19-23) указаны только порядковые номера операций, их наименования и эскизы обработки. Графы для указания применяемых станков, приспособлений, режущих и измерительных инструментов в таблицах отсутствуют, чтобы не усложнять схемы ненужными в данном случае подробностями. Следует, однако, заметить, что при использовании специальных станков в наименованиях соответствующих операций указаны их марки. Что же касается универсальных станков общего назначения, то указывать их в подобных схемах вообще нецелесообразно, так как одни и те же операции можно выполнять на станках разных типов, например, на горизонтально-фрезерных, вертикально-фрезерных, продольно-фрезерных и др. Указание в схемах одного из них может, вопервых, сузить представление читателя о широких возможностях механической обработки и, во-вторых, привести к несоответствию оборудования, указанного в схемах, с фактически применяемым на том или ином турбинном заводе12.

Технологический процесс обработки любой новой лопатки может быть легко разработан технологом при наличии классификатора (рис. 53) и схем типовых технологических процессов (табл. 19-23) при условии, что длина лопаток не превышает 700-750 мм. При большей длине требуется некоторое изменение маршрута.

Номенклатура операций и порядок их выполнения, указанные в табл.

19 и 20, рассчитаны на применение наиболее простой заготовки из полосовой стали, что, с учебной точки зрения, обеспечивает лучшее понимание основ базирования и закрепления заготовок, а также рациональности принятого порядка обработки (хвост рабочая часть головка). Такой порядок обработки предпочтителен для сравнительно коротких лопаток (до мм), где длина хвоста относительно мало отличается от длины пера рабочей части лопаток. Только в этом случае хвост может служить надежной базой для обработки пера.

С появлением более длинных лопаток порядок выполнения операций, указанных в табл. 19 и 20, оказался неудовлетворительным, так как при облопачивании роторов обнаружились увеличенные погрешности тангенциальной и аксиальной установок лопаток (см. п. 3.6). Опыт показал, что окончательную обработку длинных лопаток надо начинать с пера (табл. 24, операция 4) и, базируясь на нем, окончательно обрабатывать радиальные и посадочные поверхности хвоста (табл. 24, операция 14). Однако в каждом отдельном случае могут быть исключения.

В таблицах без эскизов марки станков даны по действующим маршрутам.

Рис. 53. Схема типизации турбинных лопаток, разработанная Н.Я. Бауманом Так, например, при использовании точноштампованных заготовок для коротких лопаток (табл. 21, операции 3 и 4) за базу для сверления центрового отверстия на технологическом припуске у головок лопаток и для обработки боковых и радиальных поверхностей хвоста принята профильная необработанная поверхность штампованной заготовки. Более подробно о центровке штампованной заготовки сообщается в разд. 3.5.

Схема технологического процесса механической обработки лопатки постоянного сечения с плоским прямоугольным хвостом (тип 4152) операции операции 3-я – обработка хвостовой части 5-я – обработка головФрезерование припуска на шипе по толщине 5-я – обработка головной части *При наличии трехшпиндельного станка типа ДФ-21 операция 15 может выполняться одновременно с операцией 9; порядок остальных операций при этом не изменяется.