«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 ...»

а - одной поперечной строчкой; б - несколькими поперечными строчками;

Рис. 81. Схема наладки вертикального копировального фрезерного станка модели ГФ- на обработку переходной поверхности со стороны наружного профиля:

1 – синусный стол; 2 – приспособление; 3 – копир профиля сечения лопатки и галтели; 4 – копир конической обработку переходной поверхности со стороны наружного профиля изображена на рис. 81.

Разворот лопаток на угол установки в пределах 0-30° осуществляется двумя синусными столами, на которых крепятся зажимные приспособления и копиры. Копирование происходит по двум копирам: профиля сечения лопатки у галтели и конической поверхности полки хвоста. Угол конуса режущей части фрезы (вид Б схемы) выбирается конструктивно из условий жесткости и прочности инструмента и зависит от угла установки лопатки относительно стола станка. Угол определяется равенством где угол конуса полки хвоста лопатки. Знак «плюс» принимается при обработке переходной поверхности со стороны внутреннего профиля, а знак «минус» берется при обработке со стороны наружного профиля.

На станке возможна обработка поперечными и продольными строками при бесступенчатом в обоих случаях регулировании подач на строчку.

3.6. Некоторые особенности обработки профильных частей Рост мощности турбин сопровождается увеличением длины рабочих частей лопаток последних ступеней. Это можно видеть на рис. 82. При создании турбины К-300-240 лопатки последней ступени в конструкции Харьковского турбинного завода (ХТЗ) (рис. 83, а) выполнены с длиною рабочей части 1050 мм, а в конструкции Ленинградского металлического завода (ЛМЗ) 960 мм (рис. 83, б). В турбинах мощностью 1000 МВт для АЭС эти заводы спроектировали еще более длинные лопатки. В турбине КЛМЗ (быстроходной) последняя лопатка выполнена длиною 1200 мм, в турбине K-1000-60/1500 ХТЗ (тихоходной) 1450 мм. Увеличение длины лопаток на ЛМЗ достигнуто за счет применения титанового сплава марки ТС5 (см. п. 2.3 данной главы), а XTЗ путем снижения числа оборотов с 3000 до 1500 в минуту.

Штампованные заготовки для длинных лопаток отличаются большими габаритами и массой, превышающей массу готовой лопатки более чем в два раза. С возрастанием длины неизбежно увеличивается и сложность профиля лопатки. Для примера на рис. 55 показана лопатка последней ступени турбины 100 МВт ХТЗ. Из анализа этого чертежа можно установить следующие конструктивно-технологические особенности длинных лопаток:

большая ширина профиля корневых сечений;

малые толщина и жесткость периферийных сечений и выходных кромок;

значительное различие углов входа потока по высоте лопатки и связанная с этим большая закрутка профильной части, достигающая у отдельных лопаток 72о (например, рис. 83, б и 83, в);

наличие утолщения сечений в местах отверстий под скрепляющую проволоку не только со стороны наружного, но и внутреннего профиля (см. рис. 55, сечение ГГ);

сложные криволинейные поверхности рабочей части и криволинейные кромки со знакопеременной закруткой;

непомерно высокая точность обработки профильных поверхностей для лопаток большой длины (свыше 1000 мм) и хорд сечений профиля;

отсутствие на радиальных поверхностях хвоста плоских площадок, служивших надежными базами на всех операциях от начала и до конца обработки коротких лопаток. В конструкции лопаток ХТЗ и УТМЗ радиальные поверхности выполнены по дуге (на рис. 55, радиусы 198 и 198,1).

В процессе организации производства длинных лопаток возникло много новых сложных технологических задач и выявилась необходимость создания новых крупных специальных и специализированных станков.

Практика показала, что принципы построения технологических процессов обработки коротких лопаток не могут быть использованы при обработке длинных лопаток. Принятое для коротких лопаток чередование этапов обработки (подготовка баз, обработка хвостов, затем рабочей части и головки) также требует пересмотра. Необходимы существенная доработка и совершенствование технологичности конструкции длинных лопаток, особенно в отношении определения наиболее рациональных технических требований точности изготовления и разработки средств контроля.

Начиная с 60-х годов прошлого века, процесс изготовления длинных лопаток находился в стадии становления и развития, его изучение сопровождалось изготовлением специальных станков, оснащения и т. п. Указанную стадию еще нельзя считать законченной. Многие операции выполняются на старинных модернизированных станках. Именно по этой причине в табл. 19-23 нет схем типовых технологических процессов изготовления длинных лопаток.

В табл. 24-27 дано содержание действующих маршрутов технологических процессов наиболее распространенных типов длинных лопаток.

Хотя они еще и не окончательно отработаны, но крайне необходимы. Без знания маршрутного процесса нельзя получить правильное представление об обработке профильных частей лопаток. Так, например, в табл. 25 из операций 17 составляют процесс обработки рабочей части, в том числе и профилирование. Техническая и учебная литература по технологии турбостроения освещает обычно только операции чистовой обработки. В связи с этим у читателей создается представление, что знания способов профилирования вполне достаточно, чтобы изготовить турбинную лопатку.

Наличие таблиц с эскизом лопатки исключает возможность появления таких ошибочных представлений и суждений.

Табл. 24 и 25 сопровождаются эскизом типового представления (см. рис. 54 с указанием номеров обрабатываемых поверхностей, что делает таблицы ясными без дополнительных пояснений).

Сложнопространственная форма рабочих частей длинных лопаток (см. рис. 55) сопровождалась поисками методов ее выполнения. Изобретались и осуществлялись идеи создания нового специального и специализированного оборудования. В результате были отобраны (из многих существующих) пять основных способов обработки профильных частей длинных лопаток:

первый круговое фрезерование внутреннего и наружного профилей поперечными строчками;

второй круговое фрезерование внутреннего и наружного профилей продольными строчками;

третий раздельная обработка внутреннего и наружного профилей;

четвертый размерная электрохимическая обработка внутреннего и наружного профилей одновременно (главу 7 первого раздела);

пятый точная штамповка (с вальцеванием) и последующим безразмерным шлифованием и полированием (для длинных лопаток, находящихся в стадии освоения и изучения).

В отечественном турбостроении наиболее широкое применение получил первый метод. В приведенных маршрутных технологических процессах (табл. 24, операция 15 и табл. 25, операция 25) обработка профильных частей лопаток выполняется с применением кругового фрезерования поперечными строчками.

Круговое фрезерование рабочих частей лопаток производится поперечными строчками на специальных многошпиндельных станках, копировально-фрезерных, предназначенных только для этой цели.

Фрезерование поперечными строчками выполняется на станках моделей ГФ-1344 и ГФ-1345. Длина лопаток соответственно 630 и 1350 мм.

На станках того же назначения ST-215 и других фирмы "Штарраг" (Швейцария) длина обработки достигает 2000 мм15.

Круговое фрезерование продольными строчками осуществляется на копировально-фрезерных станках УФ-106. На них возможна обработка направляющих лопаток длиною от 600 до 1250 мм. Одновременно у двух лопаток обрабатываются внутренняя и наружная поверхности, входная и выходная кромки.

У станков для длинных лопаток (модель ST-215) копир располагают не позади шпиндельной бабки на одной оси с крайней лопаткой, а на дополнительном шпинделе в одном ряду с обрабатываемыми лопатками.

а 18-я ступень К-50; б – 22-я ступень К-150-1; в – 26-я ступень К-200-2; г – 27-я ступень К-200-1; д – 21-я ступень Т-100;

Рис. 83. Рабочие лопатки последних ступеней а – лопатка 5-й ступени; б – лопатка 29-й ступени Станки кругового фрезерования поперечными строчками изготовляются многошпиндельными. При полуавтоматическом цикле работы они имеют три, четыре, пять и восемь шпинделей. При обработке лопатка, установленная в приспособление, вращается вокруг неподвижной оси, а ось режущего инструмента (дисковой фрезы) совершает возвратнопоступательное движение по копиру в прямолинейном направлении, перпендикулярном к оси лопатки. Копир выполняется по форме рабочей части готовой лопатки. В качестве копира можно пользоваться эталонными лопатками.

С помощью одного и того же копира можно изготовлять лопатки правого и левого вращений. Последнее достигается за счет сообщения копиру вращения в обратном направлении, не изменяя направления вращения лопатки. При фрезеровании круговыми поперечными строчками заготовкам придается вращательное движение с переменной угловой скоростью. Обработка осуществляется за два прохода: первый, предварительный, составляет припуск 1-1,5 мм на сторону (достигается за счет уменьшенного диаметра обдирочных фрез); второй, окончательный, с припуском на шлифование. При втором проходе одновременно обрабатывают площадки под стеллитовые пластинки и утолщения под скрепляющую проволоку со стороны внутреннего и наружного профилей.

При обработке длинных, недостаточно жестких лопаток используются специальные люнеты с гидравлическими или болтовыми зажимами. Эти люнеты, предусмотренные конструкцией станков, обеспечивают надежное крепление вдоль всего переменного профиля лопатки.

Преимуществом кругового фрезерования перед всеми другими видами обработки профильных частей длинных лопаток является постоянство технологических баз. При обработке внутреннего и наружного профилей используется одна установка без смены положения и перезакрепления лопатки. Отклонения поверхностей профиля от теоретического при изготовлении турбинных лопаток круговым фрезерованием находятся в пределах ± 0,3 мм.

С внедрением кругового фрезерования поперечными строчками все предшествующие виды раздельной обработки профильных частей длинных лопаток по объемным копирам (на продольно-фрезерных станках УФи УФ-508, строгальных станках ГД-19 и ГД-20) потеряли свое прогрессивное значение.

Раздельная бескопирная обработка профилей длинных лопаток. Работа выполняется по программе пальцевыми фрезами, продольными строчками, что значительно упрощает разработку программы.

Одновременно обрабатывается две лопатки правого и левого вращений. Работа может выполняться также и поперечными строчками, например, для обработки галтелей или переходных поверхностей от профиля рабочей части к хвосту лопатки (см. рис.54, позиции 11 и 18, б).

Рекомендации по выбору наиболее рационального вида обработки профильных частей лопаток. В связи с успешным освоением кругового фрезерования рабочих частей длинных лопаток поперечными строчками встречаются примеры применения этого метода даже в тех случаях, когда обработка может быть выполнена профильными фрезами. Сравнительные исследования, проведенные на базе объема стружки, которую снимают в единицу времени, показали, что фасонное фрезерование лопатки профильной фрезой является наиболее производительным среди других методов.

Производительность фасонного фрезерования значительно возрастает (более чем в три раза) при использовании острозаточенных фрез вместо затылованных.

При сравнении метода фасонного фрезерования с наиболее перспективным в настоящее время методом кругового фрезерования можно отметить преимущество по производительности (до девяти раз) в пользу фасонного фрезерования профильными острозаточенными фрезами16.

Внедрение в производство длинных лопаток нового специального копировально-фрезерного оборудования и станков с ЧПУ позволяет существенно изменить состав и содержание технологических операций. Это можно показать на примере сравнения двух действующих схем технологического процесса обработки одной и той же лопатки, приведенных в табл. 22 и 26. При наличии и использовании современного оборудования (см. табл. 24) количество операций сокращается в три раза. Точность изготовления лопаток в приведенном примере достигается не только за счет точности оборудования, но и главным образом за счет появления возможности объединения нескольких операций в одну. Исключение ряда переустановок и перезакрепления деталей позволяет для объединяемых операций выдержать принцип единства баз. В качестве заготовок в том и другом примерах приняты горячештампованные заготовки обычной точности.

В качестве типа базирования приняты центровые отверстия, что стало возможным в связи с появлением нового специального центровального станка (см. рис. 59) с автоматическим управлением. Описание частей конструкции станка дано в п. 3.3 данной главы.

Приведение двух различных схем технологического процесса на одну и ту же лопатку (см. табл. 22 и 26) должно дать читателю наглядное представление о возможностях нового оборудования в части выполнения различных видов обработки в одной операции. Для более полного понимания возможностей нового оборудования в табл. 26 помещена графа 3, в которой указаны номера операций табл. 22, объединяемых в операциях табл.

26, при использовании функций нового оборудования. Объединение операций, указанных в графе 3, не только повышает точность изготовляемых Кудевицкий Я.В. Анализ методов обработки пера лопаток //Энергомашиностроение.

1975. № 8. С. 31-33.

лопаток за счет выдерживания принципа единства баз, но и резко сокращает цикл производства.

Для тем курсовых и дипломных проектов в табл. 27 (дополнительно) приведен действующий маршрут обработки длинной направляющей лопатки.

Вопросы совершенствования технологии длинных лопаток являются наиважнейшими из поставленных перед турбиностроителями в свете повышения единичных мощностей и совершенствования турбоустановок.

С переориентировкой турбинной промышленности на выпуск турбин большей единичной мощности 500, 800 МВт для ТЭС и 800, 1600 МВт для АЭС, – потребность в длинных лопатках будет непрерывно возрастать.

Увеличение мощности турбин, как известно, осуществляется за счет увеличения ступеней низкого давления с длинными лопатками.

Чтобы удовлетворить потребность в длинных лопатках, для турбинных заводов создаются высокопроизводительные многошпиндельные копировально-фрезерные станки, многопозиционные копировальнострогальные станки для длинных направляющих лопаток, высокоточные станки с ЧПУ и обрабатывающие центры. В связи с этим резко повышаются производительность труда и точность станочной обработки. Однако возможности нового оборудования полностью не используются. Причиной тому является неотработанность параметров точности на изготовление длинных лопаток. С увеличением длины лопаток требования к точности обработки рабочих частей остаются на уровне коротких лопаток, т. е.

практически неизменными, и, следовательно, недостижимыми при лезвийной обработке даже на особо точных копировально-фрезернах станках, из-за чего резко возрастает объем тяжелых и весьма трудоемких (мало поддающихся механизации) ручных шлифовальных работ по доводке рабочих частей лопаток после фрезерования. Наряду с этим задерживается проведение поисковых работ по освоению производства точноштамповочных заготовок.

Вопрос о параметрах допустимой точности изготовления профильных частей длинных лопаток неоднократно поднимался как в практической работе, так и в технической литературе. Однако он до сих пор не получил научного обоснования. Исследования следует проводить не только на лабораторных установках, но и на работающих турбинах. При исследованиях за основу следует принять параметры точности, достижимые на современном технологическом оборудовании после последующего безразмерного полирования.

3.7. Обработка головок, сверление и шлифование лопаток Головки лопаток можно разделить на 3 основные группы:

Шипы бывают профильные, прямоугольные и круглые. Размеры шипов выполняют по 4-му классу точности.

Процесс обработки круглых шипов у головок лопаток (рис. 84) состоит из следующих операций: 1) фрезерование (прорезка) шипов; 2) фрезерование прорезанных шипов на прямоугольник (при больших размерах профилей); 3) закругление первого шипа; 4) закругление второго шипа. На рис. 84, а показано положение лопатки под фрезерование на прямоугольник (операция 2) и закругление шипов (операции 3 и 4). Черным показан слой металла, снимаемый при обтачивании, штриховкой при дополнительном фрезеровании.

Закругление шипов выполняется на горизонтально-фрезерных станках при помощи патрона, показанного на рис.42, 6. Патрон имеет ползушку, в которой закрепляется резец. Передвигая ползушку, можно установить резец для обточки шипов разных размеров.

На рис. 84, в, г показаны формы утонения головок, а на рис. 84, д способ установки и обработки. Головки лопаток с утонением обрабатываются в две операции: подрезка головного торца и фрезерование утонения.

Схема универсального приспособления для фрезерования утонения показана на рис. 84, д. Лопатка 2 закрепляется на пружинном столе 4 приспособления. К торцу стола крепится копир 3. Ролик 1 свободно вращается на оправке. При движении стола станка пружинный стол 4 приспособления под давлением ролика совершает движение в вертикальном направлении, а фреза обрабатывает утонение эквидистантно профилю лопатки. Толщина 0,5 мм выдерживается за счет соответствующей разницы в диаметрах ролика и фрезы. Если утонение угловое (рис. 84, г), то фрезе придается коническая форма. Этот метод вполне удовлетворителен для лопаток длиною до 500 мм.

Для лопаток, у которых обработка утонения сопряжена с обработкой головки по дуге радиуса облопаченного диска (из-за большой ширины головного профиля), обработка выполняется на специальных двухшпиндельных копировально-фрезерных станках двумя концевыми фрезами:

одна подрезает торец;

вторая фрезерует утонение (см. табл. 20, операция 14).

При обработке должны быть достигнуты заданная форма и толщина утонения по профилю, а также размеры и расположение торцевой поверхности утонения. Обработка поверхностей, образующих утонение, возможна на однотипных копировально-фрезерных станках-полуавтоматах модеРис. 84. Формы головных частей лопаток и инструменты для их обработки:

а – круглые шипы; б – патрон для обтачивания шипов; в, г – формы утонения; д – схемы обработки утонения; е – головки лопаток с бандажными полками -лей ГФ-1331 и ГФ-1332. На первом из них концевыми фрезами при горизонтальном расположении обрабатываются лопатки длиной 100-630 мм, а на втором 630-1250 мм. Схема наладки станков изображена на рис. 85.

Диаметр фрезы для обработки утонения, поверхность которого эквидистантна внутреннему профилю рабочей части лопатки, выбирается конструктивно с соблюдением условия где Rmin наименьший радиус внутреннего профиля сечения утонения.

Если утонение угловое, то концевой фрезе придается коническая форма с конусностью, равной удвоенному углу утонения.

Обработка на станке ведется по траектории, повторяющей движение копировальных пальцев по поверхности двух копиров: копира обработки торца лопатки и самоустанавливающегося копира обработки поверхности утонения.

На рис. 84 показаны головки с бандажными полками. Наличие соединительного шлица, выступающего за радиальную плоскость, делает конструкцию лопатки и соединения нетехнологичными. То же происходит и в других видах подобных соединений. Задача конструктора и технологов найти технологичное соединение, например, при помощи круглой шпонки с расклепкой.

Отверстия для скрепляющей проволоки сверлят по кондуктору с последующим зенкерованием фасок. У сечений с большой закруткой профиля, при которой заход и выход сверла приходятся на косой срез (см. рис.55, сечение ГГ), зенкерование фасок (где возможно) производят предварительно на вертикально-фрезерных станках (см. табл. 24, операция 19), а окончательно слесарным способом (табл. 25, операция 32 и табл. 24, операция 26) напильниками и ручными шлифовальными машинками, проверяя качество обработки по эталону.

Полуотверстия (см. рис. 31, позиция 12) в плоских хвостах лопаток с вильчатыми профилями фрезеруют дисковыми радиусными фрезами. Припуск для обработки этих отверстий (рассверливание и развертывание) в сборе после облопачивания оставляют 2 мм на диаметр.

После механической обработки лопатки шлифуют и полируют.

Раздельная механическая обработка сложнопространственных профильных поверхностей рабочей части лопаток осуществляется двумя методами шлифования: бесконечной абразивной лентой, профильной поверхностью шлифовального круга. Для шлифования широкой абразивной лентой внутренней профильной поверхности создан ряд конструкций станков-полуавтоматов. Модель ДШ-46 предназначена для шлифования лопаток с длиной рабочей части 250 мм и наибольшим углом закрутки 60°.

Шлифование широкой абразивной лентой наружных профильных поверхностей возможно на шлифовальных станках ДШ-45, ДШ-44, ХШ-616 и некоторых других. Первая из названных моделей предназначена для обработки лопаток длиной 250 мм, вторая до 500 мм и последняя до 630 мм.

Рис. 85. Схема наладки горизонтального копировально-фрезерного 1 приспособление; 2 самоустанавливающийся копир приспособления; 3 копир обработки торца лопатки; 4 палец копира обработки торца лопатки; 5 палец копира обработки профиля утонения Достижимая точность обработки на шлифовальных станках с широкой абразивной лентой ± 0,1 мм и параметр шероховатости поверхности Ra =1,25 мкм.

Шлифование наружных профильных поверхностей шлифовальными кругами возможно на станке, конструктивная схема которого представлена на рис. 86. Принципиально новая схема процесса шлифования на рассматриваемом станке заключается в следующем. Набору шлифовальных кругов сообщается вращение вокруг вертикальной оси со скоростью резания. Каждый из кругов установлен на своей оси и совместно с осью имеет вращательное перемещение со скоростью подачи. Обрабатывающим поверхностям шлифовальных кругов придается такая форма, которая при обкатывании обрабатываемой поверхности в процессе совместных синхронизированных движений шлифовального круга и лопатки формирует поверхность рабочей части. Заданная и точная форма придается обрабатывающим поверхностям шлифовальных кругов их правкой в процессе движения обкатки алмазоносным блоком, имеющим форму коноида. Процесс обработки Рис. 86. Конструктивная схема для шлифования наружных профильных поверхностей:

1 – станина; 2, 5, 13 – ролики; 3 – приспособление; 4 – лопатка; 6 – синхронизирующая гильза; 7 – обойма; 8 – шлифовальная головка;

9, 10 – приводы; 11 – колонна; 12, 18 – винты; 14, 24, 27 – рычаги; 15, 26 – шестерни; 16 – правящий алмазноносный блок; 17 – гайка;

19 – приводная головка угловых подач; 20 – качающаяся платформа; 21 – натяжной механизм; 22 – шлифовальный круг; 23 – вал;

на станке происходит следующим образом. Синхронизирующая гильза опускается и переводит в исходное положение шлифовальные круги, качающиеся платформы с приспособлениями и деталями, а также правящий блок. После этого включается привод, приводящий во вращение шлифовальную головку с набором шлифовальных кругов. Обойма со шлифовальной головкой при помощи винтового механизма опускается до контакта шлифовальных кругов с обрабатываемыми лопатками, после чего включается привод коробки угловых подач синхронизирующей гильзы. В сечении АА синхронизирующая гильза показана в развернутом на плоскость виде.

Перемещаясь вверх по колонке, синхронизирующая гильза торцами круговых пазов воздействует на ролики, вследствие чего будут приведены в действие механизмы перемещения шлифовальных кругов, и они повернутся вокруг своих осей. Рычаги механизма поворота шлифовальных кругов, несущие ролики, в исходном положении устанавливаются под углом = 45° к направлению кольцевых пазов синхронизирующей гильзы, благодаря чему при перемещении гильзы вверх рычаги могут повернуться на угол 2, т. е. на 90°. Шлифовальные круги могут перемещаться одновременно и синхронно с поворотом качающейся платформы с приспособлениями, приводимыми в движение также синхронизирующей гильзой и механизмом поворота. В процессе совмещенных перемещений произойдет обработка сложной профильной поверхности лопаток.

Перед чистовым проходом обрабатывающие поверхности шлифовальных кругов восстанавливаются их обкаткой по коноидной форме поверхности правящего алмазоносного блока. Блок связан с синхронизирующей гильзой кинематической цепью. Передаточные отношения механизмов поворота шлифовальных кругов, качающейся платформы и алмазоносного блока взаимосвязаны и определяют размеры и форму поверхности правящего блока. Процесс правки обрабатывающих поверхностей шлифовальных кругов аналогичен процессу шлифования. Синхронизирующая гильза отводится в исходное положение, вслед за тем ей сообщается движение подачи, в процессе которого происходят синхронизированные повороты шлифовальных кругов и правящего блока и осуществляется правка.

После фрезерования шлифованием кромок достигают повышения точности поверхностей до 0,1 мм и доведения параметра шероховатости до Ra = 1,25 мкм. Один из способов шлифования кромок это шлифование абразивной лентой, осуществляемое на специализированных станках. На одном из таких станков модели ДШ-113 возможно шлифование лопаток с длиной рабочей части до 500 мм. Максимальный припуск при этом виде шлифования не должен превышать 0,6 мм. Скорость резания, определяемая скоростью перемещения шлифовальной ленты, постоянна и равна 20 м/с.

Переходные поверхности, включая галтели, после фрезерования шлифуются на специализированных станках узкой шлифовальной лентой. Для станка модели ДШ-62М, предназначенного для обработки лопаток длиной 500 мм и шириной 200 мм, установлены следующие режимы шлифования при наибольшем припуске под шлифование до 0,5 мм: скорость резания постоянная 25 м/с, ширина шлифования 30 мм.

Совершенствование процессов обработки поверхностей рабочей части лопаток обеспечивает достижение заданной точности размеров и форм без полирования, но указанный процесс полирования необходим для достижения установленных конструкцией лопаток параметров шероховатости поверхностей.

Полирование осуществляется процессом резания абразивными зернами или процессом электролитического растворения. По характеру привода режущих инструментов механизированные процессы полирования резанием подразделяются на механическое полирование и абразивножидкостное. Оба вида полирования резанием первоначально получили распространение в авиационной промышленности в производстве лопаток газотурбинных двигателей и в порядке перенесения опыта стали находить применение при производстве стационарных энергетических машин.

Для механического полирования лопаток газотурбинных двигателей и лопаток небольшой длины стационарных энергетических машин разработаны конструкции ленточных виброполировальных станков. Полирование осуществляется благодаря вибрирующему движению лопатки между неподвижными абразивными лентами, прижимаемыми к обрабатываемым поверхностям рабочей части с определенным механическим напряжением.

Абразивные ленты, сматываемые с бобин, перемещаются протяжным устройством подачи ленты.

Виброполирование полного профиля лопатки может быть осуществлено на станке-полуавтомате модели ДШ-71. Станок предназначен для полирования абразивной лентой шириной 150 мм лопаток длиной мм с углом закрутки профиля 30°. Обработка может быть осуществлена при следующих значениях величин относительных перемещений лопатки, определяющих режимы полирования. Вибрирование лопатки в вертикальном и горизонтальном направлениях регулируется в пределах 0-0,15 мм при максимальном угле поворота ± 5°. Число двойных ходов в минуту равно 1330 в вертикальном направлении и 1125 в горизонтальном. В соответствии с этим вертикальная скорость полирования равна 0,332 м/с, а горизонтальная 0,28 м/с. Создана также конструкция станка-полуавтомата модели ДШ-64, которой обеспечивается полирование узким (ширина мм) бесконечным полировальным ремнем. Станок предназначен для полирования обеих кромок в двух позициях. Скорость перемещения полировального ремня постоянна и составляет 20 м/с. Абразивно-жидкостное полирование, или гидрополирование, применяют главным образом для глянцевания. Абразивно-жидкостное полирование проводится в специальных камерах. Лопатки закрепляются в приспособлении, связанном со шпинделем бабки так, чтобы поверхности хвоста, не подвергающиеся обработке, изолировались, после этого лопаткам придается вращение. Через форсунку на полируемую поверхность подается воздушная смесь жидкости с абразивными зернами.

Применение станочного и механизированного шлифования и полирования при малом объема производства лопаток часто оказывается экономически нецелесообразным. Кроме того, использование этих методов предполагает достаточно высокий технологический уровень выполнения предыдущих этапов механической обработки рабочих и сопловых лопаток.

Поэтому часто после механической обработки лопатки шлифуют и полируют вручную.

Шлифование ведется абразивными кругами или войлочными кругами и лентами с наклеенным абразивом зернистостью номеров 25-16 по ГОСТ 3647-71. Полирование лопаток производят войлочными или фетровыми кругами с наклеенным абразивом зернистостью 10. На полирование оставляют припуск не более 0,05 мм. Практически полирование является безразмерным. После полирования шероховатость поверхности должна быть в пределах 1,25-0,63 мкм.

Контроль параметров лопаток производится после каждой операции (межоперационный) и после полного их изготовления (окончательный).

Последний включает внешний осмотр на отсутствие поверхностных дефектов, проверку формы, размеров параметров шероховатости поверхностей. Затем производятся магнитно-кислотные испытания, виброконтроль, измерение статического момента.

Для охлаждаемых лопаток газовых турбин дополнительно проверяют расход воды через внутреннюю полость (испытания лопаток на пролив).

При необходимости проводят испытания, направленные на выявление дефектов металла.

Контроль геометрических размеров, формы профилей пера и замка и их взаимного расположения. Операции этого вида технического контроля лопаток наиболее трудоемкие. Приборы, применяемые на этих операциях, можно разделить на две основные группы: бесконтактные оптикопроекционные и контактные механические, оптико-механические, пневматические и пневмогидравлические.

Контроль формы, размеров и шероховатости поверхностей производится в процессе выполнения каждой из операций.

Процесс контроля параметров лопатки может быть подразделен на контроль хвоста, рабочей части и контроль головной части. Контроль хвоста лопатки заключается в проверке соответствия значений неплоскостности поверхностей с допустимой, проверке соблюдения допусков, в контроле взаимного расположения поверхностей, а также положения хвоста относительно рабочей части.

Контроль рабочей части заключается в проверке формы, размеров профилей сечений, их взаимного расположения, проверке сопряжений перехода профильной части в хвост и в головную часть и др.

Наиболее распространенными средствами контроля радиальных поверхностей хвоста являются контрольно-измерительные приспособления.

Профильные поверхности хвоста контролируются шаблонами и индикаторными скобами. Созданы специальные приборы для контроля вильчатого, Т-образного и зубчиковых профильных поверхностей хвостов.

В практике энергетического турбостроения используется первый метод, с шаблонами. На рис. 66, 76 и 77 представлены способы контроля профиля лопаток постоянного сечения и переменного (нелинейчатого), получаемого методом косого фрезерования. Там же показан метод контроля расположения сечений относительно оси симметрии хвоста лопатки. Указанный метод контроля можно считать вполне удовлетворительным для лопаток с линейчатым профилем. Однако для контроля длинных лопаток с нелинейчатым профилем этот метод требует значительного изменения в направлении увеличенного охвата измеряемых параметров.

На рис. 87 изображено приспособление с шаблонами для контроля по сечениям рабочей части длинной лопатки с нелинейчатым профилем.

Изменение проводится в каждом контрольном сечении. Просветы измеряют щупом.

Применение шаблонов и щупов весьма несовершенно, однако среди названных их использование оказалось единственно пригодным для применения на рабочих местах в цеховых условиях. Недостатком устройства (рис. 87) с точки зрения метрологии является расположение оси лопатки в горизонтальном положении, что не соответствует рабочему положению лопатки на вращающемся роторе. Правильным положением лопатки при измерении должно быть вертикальное при незакрепленном состоянии головной части.

В серийном производстве использовались механические приборы с индикаторами часового типа, настраиваемые по эталонной лопатке. Они просты и удобны в работе, но малопроизводительны. Многомерные приборы и измерительные машины производительны. Их можно быстро переналаживать на контроль других лопаток по эталонной лопатке. Базой для крепления лопатки является замок или центровые углубления, два из которых имеются на боковых поверхностях замка и одно у конца пера. К числу таких приборов относятся универсальные многомерные оптикомеханические приборы типа ПОМКЛ для одновременного контроля профиля пера, смещения пера с оси замка, угла закрутки и толщины пера в поперечных сечениях лопатки компрессора (рис. 88).

Отклонения от заданного профиля вызывают перемещения контактных стержней, передающиеся на измерительные стержни и далее на рычажки с соотношением плеч 5:1. Концы рычажков проектируются на экран с увеличением 10:1, обеспечивая общее увеличение 50:1. На экране устанавливаются границы поля допуска, по которым можно определять пригодность контролируемой лопатки. В зависимости от погрешности профиля в контролируемом сечении концы рычажков на экране либо отклоняются по отдельности от базовых прямых (при местных погрешностях профиля), либо все сместятся параллельно базовым прямым (при смещении всего сечения), либо расположатся на одной прямой под углом к базовой линии (при погрешности в угле закрутки). Контроль производится по точкам с шагом 5 мм. Точность измерения 0,02 мм, производительность до 250 лопаток в час.

Основные геометрические параметры замков лопаток турбины и компрессора обычно проверяются механическими приборами с индикаторными часами, настраиваемыми по эталону.

Рис. 87. Мерительное приспособление с шаблонами для проверки профилей контрольных сечений рабочих частей длинных лопаток с нелинейчатым профилем (разрез по контролируемому сечению):

1 лопатка; 2 плита, основание приспособления; 3 плита каления, направляющая;

4 штифты фиксации шаблонов по сечениям; 5 шаблоны профильные по сечениям;

6 передвижной упор для прижима шаблонов к направляющей плите в момент измерения щупом просветов между шаблоном и лопаткой Рис. 88. Схема оптико-механического прибора ПОМКЛ-4 для контроля 1 лопатка; 2, 3 контрольный и измерительный стержни; 4 рычаг; 5 зеркало;

ТВД проверяют на специальной установке. Лопатка устанавливается в приспособление и проливается водой при избыточном давлении в (4 ± 0,05) кгс/см2 [(0,3 ± 0,005) МПа] и температуре (20 ± 5) °С в течение 20 с. Проверяют пропускную способность внутреннего канала у всего комплекта лопаток данной ступени. Определяют среднее значение расn хода воды в комплекте по формуле Рср = Pi n ( n число лопаток в данной ступени). Сравнивают среднее значение расхода с результатом пролива каждой лопатки в комплекте. Различие по расходу воды у рабочих лопаток в комплекте (разнорасходность) должна составлять не более 13от среднего расхода воды в комплекте лопаток. Вода должна вытекать по всей длине щели в выходной кромке.

Частоты собственных колебаний рабочих лопаток турбины и компрессора проверяют на электродинамических вибростендах.

Расход воды через внутреннюю полость пера охлаждаемых лопаток Контроль внешних и внутренних дефектов материала лопаток позволяет выявить трещины и волосовины на поверхности, раковины, пористость, расслоения, инородные включения и флокены в материале. Для этой цели применяют травление, цветную дефектоскопию, люминесцентный, магнитный и ультразвуковой методы контроля.

Магнитопорошковый метод основан на притяжении частиц порошка железа (или его окислов) к магнитным полюсам, образующимся у намагниченной детали в местах нарушения сплошности. Осевший порошок делает невидимые до этого дефекты хорошо видимыми невооруженным глазом. По характеру оседания порошка можно определить не только место расположения дефекта, но также его примерные размеры. Для осуществления магнитопорошкового контроля необходимы специальные аппараты в комплект которых входят приспособления для намагничивания контролируемых лопаток (соленоид или электромагнит), устройство для опыления порошком или полива жидкостью, в которой находится во взвешенном состоянии железный порошок, а также приспособление для размагничивания лопаток после контроля. Магнитопорошковым методом выявляются трещины с шириной раскрытия 0,001 мм и более, глубиной 0,01 мм и более. Относительная простота и довольно высокая надежность этого метода способствовали его широкому внедрению. Им можно контролировать стальные лопатки компрессора, а также шестерни, валы, оси, силовые сварные рамы и другие детали из ферромагнитных материалов с относительной магнитной проницаемостью не менее 40.

Цветной и люминесцентный методы контроля (капиллярные методы дефектоскопии) применяются для выявления дефектов, выходящих на поверхность детали. Метод цветной дефектоскопии основывается на способности специальной красной краски проникать вглубь поверхностных дефектов и белой краски впитывать в себя красную краску из дефекта. После нанесения и удаления с контролируемой поверхности красной краски часть ее сохраняется внутри дефекта. При последующем нанесении на очищенную поверхность белой краски последняя впитывает в себя из дефекта красную краску и, окрашиваясь, выявляет дефект.

Красная краска смесь анилинового красителя "Судан IV" с бензолом и трансформаторным маслом. Белая краска окись цинка (цинковые белила), разведенная в коллодии, бензоле, ацетоне.

Метод обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,3 мм.

Люминесцентный метод (ЛЮМ-А) основан на способности некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Контролируемую деталь после тщательной очистки и обезжиривания погружают в ванну с индикаторной жидкостью, легко проникающей в трещины, поры и другие поверхностные несплошности. Затем деталь промывают, удаляя жидкость только с поверхности, тогда как полости дефектов остаются заполненными индикаторной жидкостью. Далее деталь протирают насухо и поверхность ее покрывают из пульверизатора проявляющей краской, обладающей высокой поглощающей способностью. Индикаторная жидкость выступает из дефектных мест на поверхность пленки, образованной проявляющим составом. Наличие дефектов устанавливают, осматривая лопатку (деталь) в темном помещении при ультрафиолетовом освещении: трещины и поры обнаруживаются в виде светящихся желтозеленым цветом линий и пятен. После контроля деталь промывается в ацетоне.

В качестве люминофора применяют жидкость ЛЖ-6А (ТУ6-09-1042состоящую из бутилового спирта, эмульгатора (ОП-7) и химического продукта ЛЖ-6А. Люминофор с поверхности детали удаляется водой и очищающей жидкостью ОЖ-1 (ТУ6-09-1043-84), состоящей из этилового спирта и эмульгатора ОП-7. Проявляющей жидкостью (ТУ6-09-1092-84) служит белая нитроэмаль "Экстра", разведенная в смеси коллодия и ацетона.

Люминесцентный метод ЛЮМ-А надежно выявляет выходящие на поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные пленки, засоры и т. д. Он обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,2 мм. Чувствительность метода ЛЮМ-А несколько выше метода цветной дефектоскопии.

Внутренние дефекты материала лопаток проверяются рентгеновским и ультразвуковым методами.

Рентгеновский (радиографический) метод обнаружения дефектов основывается на ослаблении рентгеновского излучения материалом детали, при котором теневое изображение просвечиваемой детали регистрируется на рентгенографической пленке. Достоинством метода является высокая чувствительность к выявлению в материале детали внутренних пор, раковин, инородных включений и др.

Для просвечивания литых лопаток турбины используются передвижные кабельные рентгеновские аппараты типа РУП-100-10, РУП-150и др.

Ультразвуковой метод контроля с использованием поверхностных волн позволяет выявлять поверхностные трещины и металлургические дефекты материала. Данный метод применяется обычно для выявления трещин входной и выходной кромок, реже на поверхности спинки и корыта, возникающих при изготовлении и эксплуатации лопатки. Метод основан на прозвучивании контролируемого материала кратковременными импульсами ультразвуковых колебаний, распространяющихся по поверхности лопатки, и улавливании их отражений (эхо-сигналов) от дефектов.

Контроль кромок пера проводится следующим образом. Контактная поверхность головки ультразвукового дефектоскопа, покрытая тонким слоем масла, прикладывается к кромке пера у замка лопатки так, чтобы ультразвуковые волны были направлены к другому концу пера лопатки. О наличии дефекта судят по форме осциллограммы. Если при контроле на экране дефектоскопа между начальным и концевым импульсами нет промежуточных импульсов, то это подтверждает отсутствие трещин на контролируемой кромке лопатки. Появление промежуточных импульсов на экране дефектоскопа будет указывать на наличие препятствий, способных отражать ультразвуковые волны при прозвучивании лопаток вдоль кромки (микрорастрескивание поверхностного слоя, глубокие риски на кромке пера, внутренние дефекты материала и др.).

Шероховатость обработанных поверхностей лопаток проверяют внешним осмотром путем сравнения с эталоном или непосредственным измерением шероховатости поверхности профилометром типа 253 или другим прибором.

4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

ЛОПАТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1. Повышение ресурса и надежности работы лопаток паровых и газовых турбин технологическими методами Повышение долговечности и надежности работы деталей и узлов паровых и газовых турбин важнейшая задача. Работоспособность турбоустановки в целом определяется прежде всего работоспособностью рабочих лопаток. Повысить ресурс и надежность их функционирования можно металлургическими, конструкторскими, технологическими и эксплуатационными мероприятиями. Опыт режимных исследований и эксплуатации турбин показывает, что наиболее эффективным из них является технологическое направление обеспечение заданной точности и оптимальных параметров поверхностного слоя лопаток.

Технологические методы обеспечения необходимых параметров поверхностного слоя с учетом реальных условий эксплуатации лопаточного аппарата можно разделить на основные группы:

методы деформационного упрочнения;

поверхностная термическая обработка;

образование защитных покрытий;

модифицирование и легирование поверхностного слоя тонколучевой обработкой.

Деформационное упрочнение широко используется для повышения сопротивления усталости гладких поверхностей деталей, особенно с концентраторами напряжений, работающих при умеренных температурах нагрева (до температур возврата).

Термическая и химико-термическая поверхностно-упрочняющая обработки (поверхностная закалка, цементация, алитирование, борирование и др.) позволяют резко изменить физико-химическое состояние поверхностного слоя детали и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостную прочность, жаростойкость и др.). Их применение часто является единственно возможным методом для обеспечения заданного ресурса и надежности работы деталей.

Защитные покрытия позволяют существенно повысить жаростойкость, износостойкость и сопротивление коррозии.

Плазменное напыление – процесс, при котором соединение двух материалов происходит в результате молекулярной диффузии при температурах в несколько тысяч градусов, – обеспечивает высокую теплостойкость детали.

Лазерная обработка, полное легирование одновременно повышают сопротивление усталости, коррозии, эрозии и улучшают другие эксплуатационные свойства детали.

Деформационное упрочнение лопаток. Поверхностному пластическому деформированию подвергается перо лопаток из сталей и титановых сплавов, работающих при температуре нагрева не более 350-400 оС, т. е.

ниже температур, вызывающих релаксационные, а тем более рекристаллизационные процессы в деформированном поверхностном слое.

Поверхностное пластическое деформирование лопаток на оптимальных режимах для реальных условий их эксплуатации повышает сопротивление усталости на 15-20 %.

Основные методы деформационного упрочнения пера лопаток:

пневмогидродробеструйный, гидродробеструйный, струйно-механический, гидрогалтовка, виброупрочнение, ультразвуковое упрочнение стальными шариками и упрочнение микрошариками.

Пневмо- и гидродробеструйное упрочнение пера лопатки производят стальными шариками (диаметром 0,5-2,0 мм) с эмульсией или трансформаторным маслом на эжекторных установках типа УГП-200 (для лопаток длиной до 200 мм) и УГП-400 (для лопаток длиной до 520 мм). После деформационного упрочнения шероховатость поверхности возрастает примерно с Ra = 0,63 мкм до Ra = 2,5 мкм, требуется повторное виброконтактное полирование до Ra = 0,63 мкм.

Гидрогалтовка лопаток (струйно-механическое упрочнение) производится на специальных установках типа ГРП-300, способных одновременно обрабатывать 20 лопаток стальной дробью ДСЛ № 1 в смеси масел МК-8 (60 %) и МС-20 (40 %). Лопатки крепятся в кассетах, а кассеты – на диске. В процессе обработки лопатки совершают реверсивно планетарное движение в рабочей смеси – вращаются вокруг своей оси, находясь в кассетах (относительное движение), и участвуют в движении при вращении диска. Лопатки вращаются сначала в одну сторону, а затем в другую. Рабочая смесь в процессе обработки хорошо перемешивается лопастями и направляется с определенной скоростью осевым насосом в зону обработки.

Шероховатость поверхности пера лопатки после гидрогалтовки Ra = 0,32-0,63 мкм.

Виброупрочнение лопаток производят на специальных установках с инерционным приводом типа ВГМ-5, ВГМ-6, одновременно обрабатывая до 200 лопаток. Установка состоит из рабочей камеры, в которой находятся приспособление роторного типа с обрабатываемыми лопатками и рабочая смесь. Рабочая камера жестко крепится на раме. В процессе обработки приспособление с лопатками вращается в рабочей смеси, а рабочая камера совершает колебания в вертикальной плоскости. Раму и рабочую камеру подвергают колебаниям при помощи неуравновешенного ротора, в котором специально создан большой дисбаланс. При вращении ротора возникают неуравновешенные центробежные силы, создающие вибрацию рамы и рабочей камеры. Шероховатость поверхности после упрочнения Ra = 0,32-0,63 мкм.

В процессе упрочнения данным способом возможен расклеп кромок пера. В связи с этим лопатки с кромками радиусом, равным или более 0, мм, должны обрабатываться шариками диаметром 2,5-3,5 мм, а лопатки с кромками радиусом 0,1-0,2 мм - шариками диаметром 1,8-2,0 мм. Лопатки, кромки которых имеют радиус 0,15-0,08 мм, должны обрабатываться с применением специальных экранирующих приспособлений. Резьбы и отверстия, выполненные по 7-9-му квалитетам, нужно предохранять от контакта с шариками.

Ультразвуковое деформационное упрочнение лопаток. Лопатки упрочняют на специальных установках. Основными узлами установки являются магнитострикционный преобразователь типа ПМС-15А-18 с контейнером (волноводом) и источник питания вибратора (генераторы типа УЗГ-2-10, УЗ Г-1-14). Стенки контейнера совершают колебательное движение сложной формы. Стальные шарики совершают в основном колебания в горизонтальной плоскости с различной амплитудой по высоте. Ударяясь о поверхность пера, они деформируют поверхностный слой пера лопатки. Шероховатость пера несколько увеличивается и составляет Ra = 0,32-0,63 мкм.

Процесс упрочнения пера лопаток имеет следующие основные параметры: рабочая частота колебаний 16-20 кГц; диаметр стальных шариков 1-3 мм, число одновременно загружаемых шариков в полость волновода 200-800 шт., смачивающая жидкость – вода с антикоррозионными добавками, количество ее 0,12 % рабочего объема, продолжительность обработки 3-15 мин.

Деформационное упрочнение лопаток микрошариками. Перо лопаток компрессора упрочняют микрошариками (диаметром 100-400 мкм) на специальных установках типа УДМ-3. Преимущество данного метода – возможность деформационного упрочнения лопаток с тонкими кромками пера и малыми радиусами переходов с обеспечением шероховатости поверхности Ra = 0,15-0,63 мкм.

Защитное покрытие применяется в основном для лопаток высокого давления газовых турбин и лопаток осевого компрессора ГТУ. Для лопаток турбины, работающих при температуре нагрева до 1000 оС, чаще всего используются алитирование и хромоалитирование пера лопаток, которое надежно защищает от высокотемпературной газовой коррозии в течение 1000 ч и более. При температуре нагрева более 1000 °С на перо лопатки наносятся многокомпонентные жаростойкие покрытия.

Лопатки компрессора в условиях эксплуатации подвергаются механическим и коррозионно-эрозионным воздействиям (солевая, электрохимическая и газовая коррозия, пылевая эрозия). Механические повреждения (забоины) обычно располагаются в верхней части пера лопаток, а коррозионно-эрозионные – в прикомлевой, т. е. в зоне максимальных напряжений.

Это снижает усталостную прочность лопаток. Для защиты от коррозионноэрозионных повреждений на перо лопатки наносят покрытия. Основные методы нанесения покрытий: электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и вакуумно-плазменное напыление.

Диффузионные покрытия Алитирование (диффузионное насыщение алюминием) осуществляют несколькими способами: в порошковых смесях с активатором, нанесением суспензии с последующим отжигом в жидких средах.

Алитирование в порошковых смесях проводят в герметичных контейнерах при температуре 850-1050 оС в течение 2-6 ч. Толщина алитированного слоя 0,02-0,08 мм; твердость HM = (550…800)•103 Н/мм2, максимальная концентрация алюминия в поверхностном слое до 30 мас. %. Порошковая смесь имеет следующий состав: ферроалюминий (FeAl, содержащий 70-75 % Al и 30-25 % Fe) – 98% и хлористый аммоний (NH4Cl, активатор) – 2 % или порошок алюминия - 40%, оксид алюминия (Al2O3 – шамот) – 50 % и хлористого аммония – 2 %. Режим алитирования – 850 оС, продолжительность 4 ч с последующим старением при этой температуре, выдержка 35 ч.

Алитирование осуществляется нанесением суспензии (для лопаток из сплавов ЖС6К, ЭС3ЛС, ВЖЛ12У), состоящей из мелкодисперсного алюминиевого порошка АСД4 (225 г) и органической связки (350 мл колокселина). Диффузионный отжиг – 950 оС, выдержка – 2-6 ч.

Хромоалитирование (диффузионное насыщение алюминием и хромом) внутренней полости охлаждаемых рабочих лопаток ТВД обеспечивает более высокую жаростойкость и механические свойства покрытия по сравнению с алитированием, осуществляется способом порошков в вакуумных электропечах типа СЭВ-5,5/11,5-М. Лопатки заполняются порошковой смесью следующего состава: алюминий АСД-43 – 9 %, хром в порошке ПХ1М или ПХ1С-41-47 %, оксид алюминия ГН-1, ГН-2, ГК – остальное. Лопатки укладываются на поддон. Поддоны через проставки закладываются в муфель, устанавливаемый в электропечь. Режим хромоалитирования – нагрев до температуры 1050-1200 0С, выдержка 2-5 ч, давление в вакууме 6,55-13,33 Па. Максимальная концентрация в поверхностном слое пера: алюминия до 15 %, хрома 8–10 %. Толщина защитного покрытия 0,01-0,03 мм.

Для стальных лопаток компрессора применяют два вида диффузионных покрытий: диффузионное хромоалюминидное X-ДифА и диффузионное алюминидно-силикофосфатное (алюминидокерамическое) ДифА-СФ.

Технология нанесения хромоалюминидного покрытия X-ДифА состоит в следующем. На перо лопатки после полирования ( Ra = 0,32-0, мкм) электролитическим методом осаждается слой хрома толщиной до 3- мкм. Затем в порошковой смеси производится диффузионное алитирование в герметизированном контейнере при температуре 490 °С на глубину 8-20 мкм. Концентрация алюминия на поверхности пера C Al 60...80 %.

Твердость алитированного слоя НМ = (650...750)·103 Н/мм. Состав порошка для низкотемпературного алитирования: алюминиевый порошок ПА- (чистота 99,9 %, дисперсность 200-400 мкм) – 92-99 % и треххлористый алюминий (активатор) – 8-1 %.

Технология нанесения алюминидокерамического покрытия ДифАСФ такова. Производится низкотемпературное алитирование (при 500 °С) в порошковой смеси. Толщина алюминидного слоя (FеА13) 8-20 мкм. Затем в водных солевых растворах на поверхность алитированного слоя наносится последовательно сперва силикатный слой с последующим диффузионным отжигом при температуре 500 °С, выдержке 10 мин, а затем наносится фосфатный слой, диффузионный отжиг при температуре 500 °С, выдержке 10 мин. Толщина силикатно-фосфатной пленки примерно 3 мкм.

Твердость керамической пленки НМ = (1000...1200)·103 Н/мм2. Замок лопатки в процессе нанесения покрытия защищают специальным покрытием из фосфата алюминия, которое затем удаляют промывкой лопаток в воде.

Наилучшей коррозионно-эрозионной стойкостью обладают алюминидные покрытия X-Диф А и ДифА-СФ. Покрытия ДифА-СФ более технологичны. Технология их нанесения на стальные лопатки достаточно проста. Процесс нанесения покрытия X-ДифА более трудоемок, при гальваническом хромировании хром осаждается на кромках пера неравномерно, что снижает усталостную прочность лопаток.

Жаростойкие диффузионные покрытия, получаемые из газовой фазы циркуляционным методом. В основе этого метода лежит явление переноса диффундирующего элемента в замкнутом рабочем пространстве установки при систематическом восстановлении газа-переносчика в результате обратимых химических реакций. Особенно перспективен метод при нанесении покрытий на внутреннюю поверхность охлаждаемых лопаток турбин.

Циркуляционный метод по сравнению с порошковой диффузией сокращает технологический цикл в 1,5-2,5 раза, позволяет наносить покрытия на детали любой конфигурации, повышает качество покрытий за счет высокой их сплошности, процесс экологически чист. Этим методом можно наносить однокомпонентные (А1, Сr и др.) и многокомпонентные (CrAl, AlSi, NiCrAl и др.) покрытия.

Теплозащитные покрытия на основе керамики. При конструировании и изготовлении газовых турбин усиливается интерес к использованию керамических теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе диоксида циркония с оксидами иттрия (ZrO2 – Y2O3), церия (ZrO2 – 20СеO2 – КДП-5) и никеля (ZrO2 – 8Y2O3 – 5NinOm – КПД-4) для рабочих лопаток турбины, наносимых электронно-лучевым испарением и конденсацией их в вакууме.

Конденсация керамики на подогретую до 850-900 °С поверхность пера лопатки формирует на ней покрытие с высокой термостойкостью (повышенным термическим сопротивлением кристаллической решетки) и достаточно высокой прочностью сцепления с поверхностью пера лопатки. Толщина керамического слоя до 200 мкм. Применение ТЗП увеличивает ресурс рабочих лопаток турбины в 3-5 раз, уменьшает расход воздуха на охлаждение лопаток.

Деформационное упрочнение рабочих поверхностей зубцов елочного профиля замка выполняется на специальной установке микрошариками диаметром 0,06-0,3 мм из сплавов ЭП741 или ЭП742. Продолжительность обработки около 3 мин. Оптимальная степень деформационного упрочнения устанавливается экспериментально в зависимости от материала лопаток, ресурса и температуры нагрева хвостовика лопатки в условиях эксплуатации. Усталостная прочность хвостовика замка лопатки повышается до 20 %.

Технология нанесения металлокерамического покрытия ВП-АФЦ.

На перо лопатки, обдутое электрокорундом, наносится суспензия порошков оксидов в растворе хроматно-фосфатного связующего с последующей сушкой при температуре 350 °С в течение 30 мин.

Технология нанесения металлокерамического покрытия с подслоем никеля Н-ВП-ВФЦ-2. Производится гальваническое никелирование пера лопатки (обдутого электрокорундом) на толщину 9-12 мкм, а затем – отжиг при температуре 350 °С, выдержке 1 ч, а далее подобно нанесению покрытия ВП-АФЦ.

Металлокерамические покрытия из-за большой толщины (80- мкм) целесообразно применять для крупногабаритных лопаток. Покрытие ВП-АФЦ по сравнению с другими более технологично: процесс его напыления на перо лопатки менее трудоемок, чем нанесение покрытия гальваническим способом и алитированием. Покрытие обладает достаточной коррозионно-эрозионной стойкостью до температуры 400 °С. Однако неравномерность напыления и сравнительно низкая эрозионная стойкость приводят к выветриванию его с лопаток в условиях эксплуатации. Места выветривания подвергаются коррозионным повреждениям так же, как и лопатки без покрытия.

Гальваническое никелирование пера лопатки перед напылением (покрытие Н-ВП-ВФЦ-2) расширяет температурные границы применяемости металлокерамических покрытий до 450 °С. Однако при этом трудоемкость процесса нанесения покрытия существенно увеличивается, а при выветрировании его верхнего слоя процессы коррозии происходят интенсивнее, что практически сводит на нет преимущества Н-ВП-АФЦ-2 перед покрытием ВП-АФЦ и Н-Кд.

Электролитическим осаждением на перо стальных лопаток наносится никель-кадмиевое (Н - Кд) покрытие. Технология нанесения покрытия состоит в следующем. Перо лопатки после обдувки электрокорундом никелируется в два этапа (толщиной слоя 9-12 мкм) и отжигается при температуре (350 ± 10) оС, выдержке 1,5 ч. Затем осаждается слой кадмия толщиной 1-3 мкм. Покрытие Н-Кд имеет достаточную коррозионноэрозионную стойкость до 350 оС.

Электронно-лучевое осаждение многокомпонентных покрытий (МКП)17 основывается на термическом испарении атомов. Пары металлов или сплавов, осаждаясь на перо лопатки, образуют покрытие. Для испарения тугоплавких металлов применяют электронно-лучевой нагрев. Схема рабочей камеры для нанесения МКП электронно-лучевым методом приведена на рис. 89. Электромагнитными линзами электронный луч направляется в испарительный тигель (медный водоохлаждаемый цилиндр 6, дном которого служит пруток испаряемого материала). Испаряемый металл осаждается на перо вращающейся лопатки, предварительно нагретой до 900 °С в вакууме ниже 8,75103 Па. Толщина покрытия 80-100 мкм, продолжительность напыления 48 лопаток – 2-6 ч. Преимущество этого метода – возможность нанесения покрытий как металлических, так и любого токонепроводящего материала (керамики и др.). Для нанесения многокомпонентных и композиционных покрытий используются электроннолучевые установки типа УЭ175 и УЭ137, разработанные в Институте электросварки им. Е.О. Патона.

Вакуумно-плазменное нанесение многокомпонентных покрытий. Метод основан на явлении электродугового распыления покрытия в вакууме.

Материал катода (покрытие) преобразуется в поток плазмы. Конденсация вещества осуществляется из пароплазменной фазы. Процесс испарения, конденсации и ионной бомбардировки осуществляется в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Катод изготавливается из материала наносимого покрытия. На лопатки подается отрицательный потенциал. В процессе напыления лопатка вращается вокруг своей оси и оси катода. Катод имеет вертикальное перемещение, позволяющее ему равномерно изнашиваться. Одновременно напыляются 24 лопатки. Скорость испарения катода 220 г/ч, ресурс работы катода без его Чаще всего применяются NiCrAlY (сплав СДП2: Ni – основа, Cr – 20%, Al - 13%, Y – 0,2-0,6 %) и NiCoCrAlY (сплав СДП4: Ni -основа, Co – 6-9 %, Cr – 14-22%, Al – 13-15%, Y – 0,1-1 %).

замены 10-70 ч. Толщина покрытия на пере – 60-80 мкм. Продолжительность нанесения покрытия 3 ч. Для нанесения МКП используются вакуумно-плазменные установки типа МАП-1 и МАП-2.

Рис. 89. Схема вакуумной камеры электронно-лучевой установки 1 – электронная пушка; 2 – вакуумная (рабочая) камера; 3 – подогреватель; 4 – лопатка;

5 – пары испаряемого металла; 6 – водоохлаждаемый тигель; 7 – трубопровод для подачи воды Схема промышленной установки МАП-1 представлена на рис. 90.

Установка состоит из цилиндрической вакуумной камеры объемом около 0,7 м с системой откачки. В камере размещается цилиндрический катод 1 в виде трубы с внешним диаметром 130 мм, длиной 340 мм, толщиной стенки 20 мм из материала покрытия. Соосно с катодом расположен анод диаметром 800 мм из нержавеющей стали. В полости охлаждения анода находятся электромагнитная анодная катушка 11, планетарный механизм вращения покрываемых деталей 12, имеющий 24 позиции на диаметре мм для установки обрабатываемых лопаток турбины 7, верхний и нижний экраны 8 и 9 из нержавеющей стали, охватывающие катод с зазором мм друг от друга по вертикали. На нижнем основании вакуумной камеры, в промежутке между катодом и планетарным приводом, расположен механизм для зажигания дугового разряда 14, состоящий из поджигающего электрода и тягового магнита. Катод 1 размещен на водоохлаждаемой оправке 3, которая через штангу соединена вне камеры с приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное движение катода относительно неподвижного электромагнитного фиксатора катодных пятен вакуумной дуги 4. Фиксатор выполнен в виде трехсекционной катушки. Питание вакуумной дуги при работе установки осуществляется от трехфазного регулируемого выпрямителя типа ВВН-1250. Установка также снабжена регулируемым источником постоянного тока 10, подающим отрицательный элекРис. 90. Схема промышленной установки МАП-1 для вакуумно-плазменного осаждения защитных покрытий 1 – катод; 2 – анод; 3 – водоохлаждаемая оправка; 4 – электромагнитный фиксатор катодных пятен вакуумной дуги;

5 – электропривод; 6 – привод; 7 – покрываемая лопатка; 8 – нижний экран; 9 – верхний экран; 10 – регулируемый источник;

11 – электромагнитная анодная катушка; 12 – планетарный механизм вращения покрываемых лопаток; 13 – электропривод механизма вращения лопаток; 14 – механизм зажигания дуги; 15 – выпрямитель ВВН-1250; 16 – коммутатор трический потенциал на лопатки 7 относительно экрана 9, и источником для питания электромагнитных катушек.

Установка работает следующим образом. Лопатки турбины, предварительно подготовленные к нанесению защитных покрытий, устанавливаются в приспособление планетарного механизма. Камера вакуумируется до остаточного давления не выше 10-1 Па. После включения электроприводов 5 и 13 лопаткам сообщается планетарное вращение вокруг собственной оси и одновременно вокруг катода 1, который вместе с оправкой 3 совершает возвратно-поступательное движение по вертикали со скоростью 0, мм/с. С помощью механизма зажигания между катодом 1 и анодом 2 путем кратковременного пропускания тока между поджигающим электродом и катодом и размыканием этой цепи возбуждается вакуумный дуговой разряд. Выпрямитель ВВН-1250 обеспечивает горение разряда при силе тока вакуумной дуги до 1000-1200 А и напряжении 40-45 В. Генерация плазмы осаждаемого вещества на установке осуществляется в вакуумном дуговом разряде с внешней поверхности катода. Катод эродирует под действием катодных пятен вакуумной дуги, плотность теплового потока в которых достигает 109-1010 Вт/м2. Пятна являются источником потоков сильно ионизированной металлической плазмы, в которых присутствуют твердые и жидкие микрочастицы материала покрытия. Степень ионизации плазмы и доля в потоке микрочастиц определяются теплофизическими свойствами материала катода и условиями горения вакуумной дуги на его поверхности. Покрытие формируется в процессе конденсации продуктов эрозии катода на поверхности пера лопатки.

Нитридтитановое покрытие наносится плазменным напылением в вакууме на перо лопатки компрессора, которая нагрета до 450 °С. Плазменное покрытие из нитрида титана (толщиной до 20 мкм) обладает более низкой коррозионной стойкостью и может применяться до температур эксплуатации лопаток, близких 350 °С. Для нанесения этого покрытия требуются более высокая чистота поверхности пера и дорогостоящее технологическое оборудование.

На рабочие поверхности лопаток турбин наносят многокомпонентные покрытия: NiCrAlY (сплав СДП2: Ni – основа, Cr – 20 %, Al – 13 %, Y – 0,2-0,6 %) или NiCoCrAlY (сплав СДП4: Ni – основа, Co – 6-9 %, Cr – 14Al – 13-15 %, Y – 0,1-1 %).

Ионное легирование пера лопатки – наиболее перспективный метод повышения жаростойкости, т. е. сопротивлению газовой высокотемпературной коррозии, усталостной прочности, сопротивления эрозионному разрушению. Для повышения жаростойкости имплантируются обычно редкоземельные элементы: лантан, гайний, иттрий и др. Ионному легированию можно подвергнуть перо лопатки без покрытий, но можно произвести ионное облучение до и после нанесения защитного покрытия, существенно повысив этим жаростойкость в условиях эксплуатации. Ионная очистка пера до нанесения жаростойких покрытий повышает их адгезионные свойства.

Ионное легирование изменяет физико-химическое состояние поверхностного слоя материала лопаток, обеспечивая этим повышение эксплуатационных свойств деталей. Исследования показали, что коррозионноэрозионные свойства лопаток из стали ЭП866Ш и никелевого сплава ЭП719ИД можно существенно повысить ионным легированием азотом.

Ионная имплантация бора или азота в лопатки из титановых сплавов ВТ9, ВТ18У, ВТ25У повышает сопротивление усталости на 15-25% при температуре нагрева 450 и 500 °С. Заметно возрастает сопротивление солевой коррозии лопаток из сплава ВТ9 после ионного легирования такими элементами, как бор, палладий, лантан. Внедрение ионного легирования лопаток в серийное производство сдерживается из-за отсутствия технологического оборудования.

4.2. Совершенствование заготовок и освоение технологии изготовления турбинных и компрессорных лопаток из новых материалов В соответствующих разделах пособия достаточно подробно изложены принцип и перспективы применения различных типов заготовок и методы обработки. Приведен анализ трудозатрат на обработку большинства из них.

Значительные успехи достигнуты в области интенсификации режимов обработки жаропрочных и титановых сталей и сплавов. Однако необходимо отметить, что до настоящего времени режимы резания и стойкость режущего инструмента не соответствуют требованиям массового производства лопаток. В связи с этим значительный интерес представляет опыт применения электрических методов обработки для съема основного припуска металла по перу лопатки. Следует ожидать, что в ближайшем будущем электрические методы в сочетании с механической обработкой найдут более широкое применение при производстве лопаток.

Не оправдались надежды на организацию центрального проектирования и изготовления лопаток ни на одном специализированном заводе для всех турбостроительных предприятий.

Такая концентрация производства предполагала широкую типизацию и унификацию всех применяемых конструкций лопаток и обработку их на поточных автоматических линиях. Это должно было осуществиться на Заводе турбинных лопаток в г. Санкт-Петербурге. Удалось добиться того, чтобы данное предприятие стало основным поставщиком штампованных заготовок лопаток паровых и газовых турбин.

Рассмотрим некоторые перспективные виды материалов и заготовок лопаточного аппарата, с которыми технологи-турбостроители должны уметь работать.

Улучшение эксплуатационных характеристик ГТД связано главным образом с повышением температуры газа перед турбиной. В высокотемпературных двигателях пятого поколения эта температура достигнет 1400оС, а в прогнозируемых – 1800 оС.

Возрастает также тенденция замены жаропрочных сплавов конструкционными керамическими материалами, имеющими малую удельную (2,5-3,2 г/см3), способными успешно работать при высоких массу нагрузках в условиях термических и химических воздействий. Поэтому создание рабочих и сопловых лопаток из керамических материалов является одним из важных и перспективных направлений дальнейшего совершенствования ГТД. Наиболее интенсивно работы по применению керамики в ГТД начали проводиться с 1970-1975 гг. по двум основным направлениям:

– разработка новых конструктивных решений по лопаткам и способам их крепления в диске;

– технология их формирования из порошковых материалов.

Более активно развиваются работы по совершенствованию химической технологии керамики (на основе карбидов и нитридов), керамики, получаемой реакционным спеканием составов, содержащих свободный кремний. Керамические лопатки и диски турбины изготавливают в основном из высокотемпературных порошковых композиций на основе нитрида и карбида кремния (Si3N4 и SiC).

Различают рабочие колеса газовых турбин с керамическими лопатками: с керамическими дисками, однородные или комбинированные, монолитные и с металлическими дисками, составные (неразъемные) и сборные.

Заготовку керамической рабочей лопатки турбины можно получить:

– шликерным литьем;

– гидростатическим прессованием: в эластичной форме, на жестком основании (со стороны корыта);

– вакуумно-гидростатическим прессованием в эластичной оболочке внутри составной опорной формы с открытой пористостью;

– осадкой с гидростатическим подпором (в условиях трехосного нагружения);

– горячим прессованием в графитовой пресс-форме;

– горячим прессованием с переформовкой;

– горячим гидравлическим прессованием в твердофазовой среде.

Технологические процессы изготовления керамических сопловых лопаток в основном такие же, как и для рабочих лопаток турбины.

Рассмотрев различные способы изготовления рабочих колес турбины с керамическими лопатками, можно сделать следующие выводы и рекомендации.

Наименее трудоемким способом формообразования малоразмерных рабочих колес турбины, сопловых аппаратов и отдельных рабочих и сопловых лопаток турбины является шликерное литье под давлением с последующим реакционным спеканием или горячим изостатическим прессованием в термопластичной оболочке.

Технологическое использование высоких давлений в процессе формирования заготовок керамических лопаток турбины является наиболее перспективным направлением как предварительного формирования заготовок посредством гидростатического прессования (в том числе и с жестким основанием со стороны корыта), так и окончательного горячего изостатического прессования (уплотнения) под высоким давлением газа (реакционным).

Процессы гидростатического прессования лопаток турбины и соплового аппарата осуществляются без введения связок и пластификаторов и являются основой получения высоких и стабильных прочностных характеристик керамических материалов за счет совершенствования процессов спекания и горячего изостатического прессования.

Наименее трудоемким способом повышения точности размеров лопаток является гидростатическое прессование заготовок на жестком основании со стороны корыта (в том числе с возбуждением деформаций сдвига за счет осадки заготовки на жестком основании) с механической обработкой поверхностей со стороны спинки пера до окончательного спекания.

Наибольшее значение прочности нитридкремниевой керамики достигнуто главным образом в результате ее горячего прессования. В связи с этим процесс горячего прессования получил достаточно широкое применение для формирования рабочих лопаток турбины с последующей механической обработкой алмазным инструментом. Однако данный технологический процесс весьма трудоемок. Альтернативными вариантами являются процессы горячего прессования в так называемой "вязкой жидкости" и с переформовкой заготовки с возбуждением деформаций сдвига, которые позволяют снизить объем механической обработки после спекания.

Дальнейшее повышение прочности и вязкости разрушения керамики связано как с формированием ее структуры (в том числе и с армирующими элементами в виде нитевидных кристаллов карбидов кремния, коротких угольных волокон, покрытых сначала карбидом кремния, а затем нитридом кремния и др.), так и устранением поверхностных дефектов и остаточных напряжений растяжения в материале лопатки.

Развитие работ по конструктивному совершенствованию крепления керамических лопаток турбины и соплового аппарата связано в основном со снижением уровня термических напряжений и уровня концентрации напряжений в замковых соединениях за счет устранения жестких заделок, размещения прокладок из пластичного металла и контактов в системах "керамика-керамика" и "керамика-металл".

Использование композиционных материалов в газотурбостроении снижает массу деталей на 20-50 %, увеличивает коэффициент использования материала в 2,5-3 раза, повышает ресурс и надежность, вибрационную и коррозионную стойкость, ударную вязкость.

Перспективным технологическим процессом изготовления вентиляторных и спрямляющих лопаток компрессора из композиционных материалов на металлической матрице (бороалюминий и боромагний) является жидкофазная технология. Она снижает трудоемкость, высокотехнологична, исключает титановые элементы в зоне замка и выход борных волокон на поверхность лопатки и др. Одним из факторов, сдерживающих использование этой технологии для изготовления лопаток из бороалюминия, является разупрочнение борных волокон в контакте с расплавом алюминия с образованием на поверхности раздела хрупких фаз боридов алюминия. Организовано производство, серийно изготавливающее волокна бора с покрытием В4С, которое практически исключает разупрочнение волокон при температурах пропитки.

Перспективно также применение жидкофазной технологии для изготовления лопаток из боромагния, так как борные волокна инертны по отношению к расплаву магния. Но пока нет надежных покрытий для боромагния, обеспечивающих защиту лопаток в эксплуатации от коррозионных и эрозионных разрушений.

Замена металлических вентиляторных, рабочих и спрямляющих лопаток на композиционные существенно снижает трудоемкость изготовления и массу изделия (до 30 %), коэффициент использования материала повышается до 0,8.

Развитие и внедрение технологии для производства деталей из КМ предполагают разработку механизированного и автоматизированного технологического оборудования, разработку технологического процесса изготовления высококачественных деталей сложной формы.

4.3. Оптимизация методов и режимов обработки лопаток Использование пооперационной технологии изготовления лопаток, реализующей в значительной мере принцип дифференциации операций, предполагает применение универсального и специального оборудования, составляющего примерно 25-30 % от общего количества. При этом для обработки одной ступени лопаток длиной до 700 мм оборудования. Для По материалам фирмы "Пумори-инжиниринг" (г. Екатеринбург).

каждой ступени лопаток проектируется и изготавливается значительное количество оснастки:

– приспособления для крепления заготовок в процессе обработки на станках – 16-18 шт.;

– специального мерительного инструмента и шаблонов для контроля формы и линейных размеров элементов лопаток – 30-70 шт.;

– режущего и вспомогательного инструмента – 8-12 шт.

Все это приводит к длительной подготовке производства, которая составляет 5-6 мес. и требует больших затрат. В результате трудоемкость и стоимость изготовления лопаточного аппарата составляют 40-45 % от общей стоимости и трудозатрат.

Необходимость модернизации установленных турбин и изготовления новых типов турбин требует поиска эффективных и экономичных принципов организации подготовки производства и изготовления рабочих и сопловых лопаток паровых и газовых турбин, обеспечивающих резкое сокращение сроков технологической подготовки производства. Для этого фирмой "Пумори-инжиниринг" разработана и внедрена новая технология механической обработки лопаток. В соответствии с разработанной технологией создан комплекс для механической обработки лопаток длиной до 700 мм, реализующий в полной мере принцип концентрации (п. 3.6 первого раздела и п. 2.5 второго раздела).

В качестве заготовки используют:

Технологический процесс изготовления лопатки состоит из следующих этапов:

1. Обработка поверхностей технологической базы.

2. Предварительная обработка поверхностей хвостовика и рабочей части.

3. Измерительная обработка.

4. Измерение и паспортизация геометрии рабочей части, линейных и угловых размеров (за исключением размеров головной части).

5. Обработка головной части и отрезка технологической базы в районе хвостовика.

6. Маркировка, консервация и упаковка.

Применяемые станки:

1. Трехкоординатный обрабатывающий центр, модель МХ-55VA фирмы OKUMA.

2. Пятикоординатный обрабатывающий центр, модель А17-У фирмы C.B.Ferrari.

Применяемое оборудование и устройства:

1. Контрольно-измерительная машина, модель Mistral 070795 фирмы DEAspa.

2. Установка для балансировки инструмента фирмы Hossman.

3. Установка для термозажима инструмента фирмы C.B.Ferrari.

4. Поворотный стол фирмы Kitagawa.

5. Измерительная головка фирмы Renishow.

6. Измерительная головка фирмы Morpos.

Специально спроектированные и изготовленные приспособления и инструмент:

2. Мерительное – 1 шт.

Режущий инструмент:

1. Профильные фрезы с круглыми пластинами и рабочим диаметром 12-50 мм фирмы ISKAR, диаметр пластин – 5-16 мм, число зубьев – 2-4.

2. Копировальные фрезы со сменными твердосплавными вставками диаметром – 10-30 мм фирм ISKAR и Mitsubishi, число режущих кромок – 2-4.

3. Концевые и торцевые фрезы со сменными пластинами диаметром 8-63 мм фирм ISKAR и Mitsubishi.

4. Монолитные твердосплавные сверла и фрезы фирм SGS и Mitsubishi.

Принципы выбора станков, оборудования и инструмента, обеспечивающих гарантированное получение требуемого качества и точности при изготовлении лопаток, были следующие.

Для обработки технологических базовых поверхностей и для черновой обработки профильной и хвостовой частей могут быть использованы любые обрабатывающие центры с вертикальным расположением шпинделя и поворотным столом с горизонтальной осью. Однако предпочтение было отдано вертикальному обрабатывающему центру модели MХ-55VA фирмы "OKUMA". Он отличается от других станков подобного типа качеством изготовления, жесткостью, долговечностью и лучшим показателем соотношения цена/качество.

При выборе обрабатывающего центра для чистовой обработки были проведены анализ и сопоставление отечественного станка Стерлитамакского станкостроительного завода и станков западных фирм STARRAG, LIECHTI, HURON и C.B.FERRARI. Все указанные станки предназначены для обработки турбинных лопаток на стадиях предварительной и окончательной обработки методом скоростного фрезерования, но имеют различные конструктивные особенности. У станков фирмы HURON и Стерлитамакского завода три оси перемещения, у других – пять.

Учитывая это, а также цену, был выбран станок модели А17-У фирмы C.B.Ferrari (технические данные см. в табл. 28). Он и вошел в технологический процесс изготовления рабочих лопаток.

Отработанная система контроля размеров турбинных лопаток состоит из этапов:

1) контроль части черновых и чистовых размеров непосредственно на станках после завершения соответствующих операций;

2) контроль всех необходимых размеров на координатноизмерительной машине вне станков.

Для обмера лопаток вне станков используется комплекс, состоящий из координатно-измерительной машины контактного типа поточечного режима замера модели Mistral 070705 от фирмы DEAspa с базовым программным обеспечением TUTOR for Windows и дополнительным пакетом PROF.

Указанная система позволяет:

1) полностью уйти от использования традиционных контрольных приспособлений;

2) обеспечить высокую точность замеров – 3,5-5,5 мкм для лопатки до 500 мм;

3) выполнить метрологическое сравнение номинальных и измеренных 2D-сечений лопатки, проанализировать отклонения от профиля визуально на экране монитора компьютера и вывести на печать графическое представление профилей и таблицу отклонений.

Оптимизация контроля за счет использования координатноизмерительных машин непрерывного режима обмера контактного или лазерного типа с привлечением программного обеспечения, использующего на входе 3D-модель лопатки, позволит осуществить автоматическую привязку осей обмеряемой лопатки. При этом обмер всей лопатки может быть выполнен за несколько минут.

Технические данные станка А17-Е550 фирмы C.B.FERRARI п/п 2 Перемещение по осям, мм 3 Скорость перемещения по осям X, Y, Z, мм/мин 1- п/п 4 Ускоренное перемещение по осям X, Y, Z, мм/мин 10 Точность позиционирования по осям X, Y, Z, мм 0, Важнейшим фактором эффективности обработки и получения требуемой точности и качества поверхности при изготовлении лопаток на всех стадиях механической обработки является применение твердосплавного инструмента. Использование высокопроизводительного твердосплавного инструмента позволяет значительно сократить время обработки, а значит и более эффективно использовать высокопроизводительное оборудование. Несмотря на значительные (по сравнению с инструментом из относительно дешевой быстрорежущей стали) затраты, за счет более высокой производительности – 4-6 раз на предварительных операциях, себестоимость продукции значительно сокращается. Из всей номенклатуры до 95 % приходится на фрезы со сменными пластинами, остальное – монолитные твердосплавные сверла, фрезы и небольшой процент специального инструмента. Это исключает необходимость приобретать дорогостоящее заточное оборудование.

Режимы резания при обработке рабочей лопатки из материала 20Х13Ш с твердостью НИ229-269 приведены в табл. 31.

Работа обрабатывающих центров невозможна без качественных управляющих программ фрезеровки турбинных лопаток.

Режимы резанья при обработке рабочей лопатки Предварительная обработка хвоста лопатки на фрезерном центре Пластинки (прямоугольные) 3М АХКТ 1304POR-ММ Предварительная обработка профиля лопатки на фрезерном центре Пластинки (круглые d = 15,87 мм) REMT 1505-LM- Чистовая обработка профиля лопатки на фрезерном центре Чистовая обработка хвоста лопатки на фрезерном центре Пластинки (прямоугольные r = 2 мм) ФРКТ Чистовая обработка хвоста лопатки на фрезерном центре Обработка паза в хвосте лопатки на фрезерном центре Обработка паза в хвосте лопатки на фрезерном центре Копировальная фреза d = 12 мм (ISCAR) СM D12-B-C Для их подготовки использованы мощные средства 3-мерного компьютерного моделирования, ядро которых составляет программное обеспечение фирмы Delcam.plc, а именно:

1) для моделирования поверхностей лопаток – специализированные пакеты инструментального производства DUCT и Power Shape;

2) для разработки 3-х координатных управляющих программ черновой обработки лопаток – пакет Power MILL;

3) для разработки 5-ти координатных управляющих программ – пакет TS70 от C.B.FERRARI.

Рассмотрим процесс обработки лопатки длиной до 700 мм.

На всех ступенях лопаток создаются единые базы, для обработки которых применяется обрабатывающий центр модели MХ-55VA фирмы OKUMA. На этом же центре производится предварительная механическая обработка всех поверхностей хвостовика и рабочей части лопатки, для чего на станок устанавливается поворотный стол фирмы Kitagawa с горизонтальной осью, управляемой от ЧПУ станка. Затем лопатка передается на 5-координатный скоростной обрабатывающий центр модели Ф17-Е фирмы C.B.FERRARI. Здесь методом высокоскоростного фрезерования (НSC) производится окончательная обработка всех поверхностей лопатки.

Этот станок позволяет обрабатывать поверхность хвостовика с точностью 0,03 мм и шероховатостью Ra = 1,6 мкм, а также поверхности рабочей части с отклонением в геометрии в пределах ± 0,63 мкм и поверхности рабочей части с отклонением в геометрии в пределах ± 0,1 мм от номинального теоретического профиля и шероховатостью поверхности Ra = 0, мкм. После этого лопатка поступает на координатно-измерительную машину фирмы DЕA, которая обеспечивает высокую точность и надежность замеров лопатки (за исключением головной части), а также геометрии размеров рабочей части лопатки. Данные контроля выводятся как графически, так и в виде таблицы. Дальнейшая обработка ведется на станке модели Fgiecut-200 фирмы Agie. На этом станке производится формирование головной части лопатки с одновременной отрезкой технологической базы в районе хвостовика.

На каждую готовую лопатку наносят маркировку, затем лопатку после консервации, упаковки комплектно со всей необходимой сопроводительной документацией сдают на склад.

На всех операциях механической обработки применяется высококачественный твердосплавный инструмент фирм ISCAR, MITSUBISHI, SGS.

Для устранения дисбаланса инструмент проходит балансировку на установке фирмы HOFFMAN, кроме того, используется термозажим инструмента. Для этой цели предназначена специальная установка фирмы C.B.FERRARI, в которой происходят нагрев зажимной части до 300 оС и принудительное быстрое остывание после установки режущих пластин.

Используемые станки модели МХ-55VA и А17-Y550 снабжены измерительными головками фирмы RENISHOW и фирмы MARPOS, с помощью которых по специальным программам измерения производятся как при черновой, так и при окончательной обработке, без снятия лопатки со станка. Это позволяет оператору убедиться в правильности изготовления лопаток и необходимости введения коррекции на износ инструмента.

При реализации технологии изготовления на обрабатывающих центрах для полного изготовления комплекта лопаток потребовалось спроектировать и изготовить одно станочное приспособление и одно универсальное контрольно-измерительное приспособление.

Применение новой технологии изготовления лопаток позволило:

– резко снизить количество необходимой оснастки;

– механизировать финишную обработку рабочей части (заменить шлифование профилей высокоскоростным высокоточным фрезерованием);

– сократить цикл изготовления комплекта лопаток до 15 дн. (от момента получения заказа до отгрузки заказчику);

– создать возможность быстрого изготовления опытных образцов лопаток.

Изготовление длинных лопаток с использованием высокоскоростной обработки (HGC) имеет свои особенности (как и в случае традиционных методов обработки – см. п. 3.6 данного раздела).

Для длинных лопаток обработка заготовок из проката становится нерациональной в связи с большим объемом снимаемого металла. Поэтому заготовка конструируется таким образом, чтобы с двух сторон были круглые технологические базовые поверхности. При этом заготовка куется на радиально-ковочной машине с ЧПУ из круглого проката с зажимом с двух сторон во вращающихся патронах. После ковки производится термообработка. Радиальная ковка позволяет сделать заготовку с припуском 5 мм.

Затем заготовка фрезеруется по торцам и центрируется с двух сторон.

На станке для чернового фрезерования заготовка устанавливается в центрах в двух приводных бабках, управляемых синхронно системой ЧПУ.

В левой бабке встроен поводковый патрон. Правый и левый патроны оснащены выдвигающимися по команде ЧПУ зажимными кулачками.

Обработка ведется следующим образом.

Вначале резцом протачивается цилиндрический базовый поясок. Затем выдвигаются кулачки и зажимают заготовку по проточенному пояску.

Подобный технологический переход выполняется и с другой стороны.

Заготовка перед началом обработки ощупывается датчиком по нескольким определяющим точкам профиля. Найденные нулевые положения угла разворота лопатки переносятся на свободную от зажима часть базового цилиндрического пояска в виде фрезерованной черновой лыски. Фоновая обработка профиля производится твердосплавными фрезами. Элементы хвоста обрабатываются универсальными и специальными фрезами в зависимости от конструкции.

Лыска является базой для выверки углового положения лопатки на станке для чистового фрезерования. Лопатка на чистовом обрабатывающем центре устанавливается в двух патронах примерно лыской вверх. Датчик измеряет положение двух точек на лыске, и этим определяется угловой разворот лопатки.

Чистовое фрезерование ведется торцевыми и цельными твердосплавными фрезами по методу HSC. Места под напайку стеллитовых пластин фрезеруются в этой же операции.

Состав оборудования для обработки длинных лопаток является неизменным, как и в предыдущем случае для обработки сравнительно коротких лопаток.

Оборудование для изготовления заготовок может быть частью производственной линии. Проектирование и изготовление штампов не встретят серьезных затруднений.

Концепция измерения, кроме выверки и привязки заготовки по положению, включает в себя измерения после обработки на черновой и чистовой операциях, полные приемочные измерения на лазерной сканирующей установке.

Елочные хвосты могут обрабатываться методом фрезерования на горизонтальном (продольном) обрабатывающем центре или на шлифовальном станке методом глубинного профильного шлифования. При этом турбинная лопатка базируется по круглым технологическим базам. Затем к профилю в нужных местах подводят опоры и лопатку закрепляют. Убирается базовый элемент со стороны елочного хвоста. Методом фрезерования удаляется технологическая база и осуществляется обработка елочного хвоста. Приспособление является универсальным и имеет передвижные в двух направлениях подводимые опоры и зажимные элементы.

4.4. Перспективные научные исследования и разработки в области развития технологии лопаточного производства Исследования должны проводиться постоянно по всем направлениям, связанным как с совершенствованием методов обработки, так и с проблемами контроля технологических параметров и результатов обработки.

Работы по совершенствованию технологии необходимо вести совместно с конструкторами, решая вопросы сочетания формы профиля с методом получения производящих линий, определения научно-обоснованных допусков от проектных размеров профильных частей. Важность работ обусловливается следующими особенностями лопаточного аппарата:

1. Лопатки в решающей степени определяют надежность и безотказность работы паровых и газовых турбин. Ресурс работы турбин определяется, как правило, работоспособностью лопаток. В связи с этим технология изготовления и контроля лопаток должна обеспечивать стабильность качества их изготовления и исключать возможность установки в турбине лопаток с отклонениями по геометрическим размерам, качеству поверхности, с металлургическими и иными дефектами.

2. Сложностью геометрических форм и требованиями высокой точности изготовления лопаток. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,05-0,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,01-0,032 мм.

3. Массовостью изготовления лопаток. Современная турбина насчитывает до 2000 лопаток. В связи с этим даже при выпуске опытных образцов турбин изготовление лопаток носит серийный характер.

4. Применением дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток, поэтому технологический процесс производства лопаток должен гарантировать минимальный процент брака.

5. Плохой обрабатываемостью материалов, применяемых для изготовления лопаток. Лопатки турбины изготовляют из легированных и жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе, имеющих относительно большую твердость при высокой вязкости. Лопатки компрессора изготовляют из высоколегированных и титановых сплавов, также характеризующихся плохой обрабатываемостью.

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ, КОМБИНИРОВАННЫХ СБОРНЫХ

И СВАРНЫХ РОТОРОВ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РОТОРАХ ТУРБИН

Ротором называется вращающаяся часть турбины, несущая на себе рабочий лопаточный аппарат, с помощью которого осуществляется преобразование кинетической и потенциальной энергии рабочей среды (пар, газ) в механическую работу путем вращения турбиной подсоединенного к ней ротора генератора или любой другой рабочей машины.

Ротор является наиболее ответственной частью турбины. В условиях эксплуатации турбины ротор подвергается действию центробежных сил, крутящего и изгибающего моментов, растягивающих осевых сил и нагрузки от собственного веса. Лопатки и диски ротора при действии на них возмущающих сил как от рабочей среды (пар, газ), а также и по другим причинам, работают в условиях вибрации со знакопеременными напряжениями.

По конструкции роторы паровых и газовых турбин разделяются на цельнокованые (диски отковывают за одно целое с валом), наборные (диски насаживают на вал с натягом), комбинированные (передняя часть ротора цельнокованая, задняя – наборная) и барабанные (с наборкой лопаток непосредственно на барабан). В зоне высоких температур паровых турбин (в частях высокого давления и при промежуточном перегреве в частях среднего давления) обычно применяют цельнокованые роторы (рис. 91, а).

Конструкция цельнокованых роторов проще и технологичнее, чем наборных. При изготовлении таких роторов концентрация напряжений в пазах диска, т.е. так называемая опасность "ослабления" дисков исключена. В эксплуатационных условиях цельнокованые роторы показали высокую степень надежности. Однако при повреждении какого-либо диска необходима замена ротора. Такие роторы необходимо изготовлять из материала высокой прочности.