Повышение износостойкости поверхностного слоя лопаток ГТД на основе совершенствования процесса термопластического упрочнения

Механика и машиностроение

УДК 621.892

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЛОПАТОК ГТД НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

© 2011 А. В. Карпов

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 10.11.2011

Проблема изнашивания лопаток газотурбинных двигателей является общепризнанной. Так, например, перо лопатки подвержено эрозии, замковые соединения лопаток ГТД, изготовленные из жаропрочных сплавов и сталей, наиболее подвержены повреждению фреттингом - именно фреттингом определяется несущая способность замковых соединений при действии знакопеременных и циклических изменяющихся нагрузок.

Для уменьшения негативного воздействия от изнашивания, необходимо увеличить износостойкость поверхностного слоя лопаток ГТД. Для повышения износостойкости лопаток все более широкое применение получили различные виды комплексных технологий — нанесение плазменных покрытий в сочетании с различными отделочно-упрочняющими методами, а так же методы упрочняющей обработки. Одним из таких методов упрочняющей обработки является термопластическое упрочнение (ТПУ).

Суть ТПУ заключается в нагреве детали до температуры начала термопластических деформаций с последующим резким (спрейерным) охлаждением.

Объектом исследования являются рабочие лопатки второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10, которые обладают существенными геометрическими параметрами: рабочая длина составляет 243,4 мм, ширина лопатки в корневом сечении - 70 мм, и, как следствие, имеют большую массу порядка 1,5 кг. Для повышения износостойкости лопаток турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 на предприятии ДОАО «ЦЕНТРЭНЕРГОГАЗ» филиал «Самарский» ОАО «ГАЗПРОМ» применяется ТПУ, которое производится на установке [1], показанной на рис. 1.

Для реализации процесса ТПУ на установке, приведенной на рисунке 1, необходимо, чтобы давление воды в камерах охлаждения было -Рном=0,48..0,54МПа, а давление воздуха в баллоне P&W =0,54..0,60МПа. Отклонения указанных величин должны находиться в диапазоне +0,025МПа. Температура нагрева может устанавливаться в зависимости от материала детали в пределах 600-800°С при отклонении +20°С. Для контроля давления применяются манометры, а для контроля температуры -термопары.

Термопластическое упрочнение лопатки начинается с заполнения баллона водой и последующей установкой лопатки в печь для нагрева.

установки для ТПУ.

Заполнение ёмкости водой происходит переводом крана 6 в положение «открыт». После этого вода самотёком из центральной системы начинает поступать в баллон. Во избежание засорения спрейер-ных решёток 27, предназначенных для более интенсивного охлаждения детали, вода для охлаждения очищается от механических примесей путем установки сетчатого фильтра.

Одновременно с этим необходимо открыть кран 8 в боковой части баллона, чтобы вода беспрепятственно заполняла его и не создавалась воздушная пробка. Гидрораспределитель 17 должен быть открыт, чтобы вода при заполнении баллона 4 на заданный уровень имела возможность по шлангам 16, 18, соединенным между собой гидрораспределителем кранового типа 17, вытекать через отверстия в решетках 27 камеры охлаждения 23. Прохождение воды через отверстия в решетках 27 камеры охлаждения 23 свидетельствует о требуемом заполнении водой системы охлаждения установки, поэтому подачу воды следует прекратить переводом гидрораспределителя кранового типа 17 в положение «закрыт». Проходное сечение гидрораспределителя 17 должно быть не меньше сечения трубопровода, на котором он установлен. Площадь проходного сечения каждого трубопровода, подводящего воду к камере охлаждения, должна в 4 и более раз превышать суммарную площадь всех выходных отверстий (Дл-в=0,8 мм) на соответствующей спрейерной решетке 27 камеры охлаждения.

При отсутствии центральной магистрали 7 снабжение водой ресивера 4 возможно с применением

1073

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

насоса 12 с подачей воды из ёмкости 11. Для контроля давления в баллоне 4 и компрессоре 1 установлены манометры 5 и 2 (Ф160-10-1). После достижения необходимого давления компрессор 1 отключается. При этом распределитель кранового типа 17, установленный на выходном из баллона шланге 16, переведён в положение «закрыт».

Для перемещения лопатки в зону нагрева необходимо установить её в специальный держатель, расположенный в верхней части подвижного штока 24 и поднять шток в соответствующее для нагрева лопатки положение. Перед установкой лопатки в печь специальная задвижка 19, установленная в нижней части муфельной печи, отодвигается до фиксации. Задвижка устраняет охлаждение нижней части печи, которое возможно в случае её отсутствия и предохраняет печь от попадания в неё воды в момент охлаждения нагретой лопатки.

Перед окончанием времени нагрева краны 6 и 8 закрываются, и включается компрессор 1 для создания в верхней части баллона 4 с водой соответствующего давления. Манометр 5, установленный в верхней части баллона 4, регистрирует в нём давление воздуха (0,54..0,60 МПа). По достижении указанного давления компрессор выключается. Объём сжатого воздуха над уровнем воды в баллоне должен обеспечить длительность охлаждения при заданном давлении на входе в решетки камеры охлаждения в течении 2..3 сек. По окончании времени нагрева открывается кран 17, стоящий на выходе из ёмкости с водой. Вода под давлением поступает в камеру охлаждения и через отверстия в спрейерных решетках 27 попадает в зону охлаждения. Одновременно с этим фиксатор 19 выводится из отверстия в штоке, который вместе с нагретой деталью под собственным весом быстро опускается в охладительную камеру 23, где лопатка попадает под струи воды, выходящие под давлением из отверстий решеток. Через 1..3 сек. процесс охлаждения заканчивается, и лопатка через специальное окно с дверцей на лицевой стороне установки вынимается из держателя на штоке. Затем устанавливается другая лопатка, и процесс термопластического упрочнения повторяется.

К недостаткам данной установки следует отнести невысокую производительность (цикл упрочнения одной лопатки составляет 0,5 - 0,6 часа), а так же нерегулируемую систему охлаждения, которая не обеспечивает равномерного упрочнения всей поверхности лопаток, в большей степени замковой части, находящейся в зацеплении со специальным держателем, расположенным в верхней части подвижного штока 24 (рис. 1).

Поэтому авторами [2] была предложена новая конструкция установки с регулируемой системой охлаждения, показанная на рис. 2, которая подходит для упрочнения таких деталей, как лопатки второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10.

Основной особенностью установки ТПУ с регулируемой системой охлаждения является камера охлаждения, которая состоит из четырех спрейер-ных решеток охлаждения; насадок, регулирующих размеры отверстий спрейерных решеток охлаждения; направляющих для фиксации угла наклона нижних спрейерных решеток охлаждения; салазок для горизонтального перемещения верхних спрей-ерных решеток охлаждения.

Рис. 2. Схема установки ТПУ с регулируемой системой охлаждения: 1 - деталь, 2 - толкатель,

3 - вентилятор, 4 - конечный выключатель,

5 - фильтр, 6, 12 - кран, 7 - поплавок, 8 - испаритель, 9 - конденсатор, 10 - теплоизоляция, 11 - компрессор, 13 - блок, 14 - емкость, 15 - контейнер,

16 - эластичный склиз, 17 - виброопора,

18 - фильтр, 19 - эластичный толкатель, 20 - насосы высокого давления (НВД), 21 - переходник для шлангов, 22 - шланги для подачи воды,

23 - направляющие для фиксации угла наклона нижних спрейерных решеток охлаждения,

24 - спрейерные решетки охлаждения, 25 - салазки для горизонтального перемещения верхних спрейерных решеток охлаждения, 26 - насадки, регулирующие размеры отверстий спрейерных решеток охлаждения, 27 - камера охлаждения,

28 - задвижка камеры охлаждения, 29 - захват,

30 - неподвижный упор, 31, 37 - задвижка печи,

32 - отводная труба, 33 - термопара,

34 - температурное реле, 35, 38 - направляющая,

36 - электропечь, 39 - манометр, 40 - крышка люка, 41 - прибор, регистрирующий температуру охлаждающей жидкости, 42 - изолированный провод, соединяющий датчик температуры охлаждающей

1074

Механика и машиностроение

жидкости и прибор, регистрирующий температуру охлаждающей жидкости, 43 - датчик температуры охлаждающей жидкости.

В зависимости от формы и размеров упрочняемой детали спрейерные решетки охлаждения 24 можно регулировать, верхние с помощью салазок для горизонтального перемещения 25, нижние - направляющих для фиксации угла наклона 23. Для эффективного удаления паровой рубашки охлаждающей жидкостью с упрочняемой поверхности детали необходимо достичь эффекта задержки детали (0,5 - 1,5 секунды) между спрейерными решетками охлаждения 24. Для достижения этого нижние спрейерные решетки охлаждения с помощью направляющих для фиксации угла наклона 23, способны изменять угол наклона относительно траектории падения лопатки от 0 до 75 , что определяется в зависимости от размеров и конфигурации детали эмпирическим путем. В конструкцию спрейерных решеток охлаждения входят насадки, регулирующие размеры отверстий решеток охлаждения - 26, с помощью которых регулируется объем подаваемой охлаждающей жидкости. Отверстия спрейерных решеток охлаждения могут иметь различную форму, наиболее технологичная форма равностороннего треугольника. Размеры проходных сечений отверстий спрейерных решеток охлаждения регулируемые насадкой 3, изображенной на рис. 3, изменяются в зависимости от формы, габаритных размеров, массы упрочняемых деталей. Температура охлаждающей жидкости фиксируется с помощью прибора 41, регистрирующего температуру охлаждающей жидкости, посредством датчика 43.

Рис. 3. Регулировка размеров отверстий спрейерных решеток охлаждения.

1-спрейерная решетка охлаждения, 2-отверстия спрейерной решетки охлаждения, 3-насадка, регулирующая размеры отверстий спрейерных решеток охлаждения.

Режим упрочнения лопаток определялся исходя из опыта предыдущих работ [3, 4] и с учетом конструктивных требований спроектированной установки для ТПУ, а так же формы и размеров упрочняемых деталей, таким образом, был обоснован выбор тем-

пературы нагрева упрочняемых лопаток второй ступени турбины газоперекачивающего агрегата ГТК-10 изготовленных сплава ЭИ893 при ТПУ оптимальная температура нагрева составляет 700+50 °С, а давление охлаждающей жидкости, в вихревой поток которой падает лопатка, необходимо было увеличить до 1 - 1,5 МПа [2].

Из средней части пера упрочненных лопаток электроискровым способом на электроэрозионном станке модели 4В721 вырезали образцы в зоне выходной кромки лопатки, являющейся самым слабым местом, и определяли величину и знак остаточных

ores

напряжений в осевом направлении образца z . После чего, проводилось исследование остаточных напряжений на образцах из сплава ЭИ893 толщиной ~ 4 мм. Остаточные напряжения определялись на установке ПИОН-2 методом академика Давиденкова Н.Н. Результаты исследования приведены на рис. 4.

Рис. 4. Исследование динамики напряженного состояния в образцах из сплава ЭИ893 толщиной h=4мм при ТПУ а) - давление в системе охлаждения 0,6 МПа; б) - давление в системе охлаждения 1,5 МПа; 1, 3 - ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения [2]; 2, 4 - ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения [1]

Усталостные испытания упрочненных лопаток проводились в соответствии с "Едиными техническими условиями на усталостные испытания лопаток газотурбинных установок" НД 631.301.0216-0398 на электромагнитном вибростенде ЭМВС-1 с указанной ранее наработкой. База N=107 циклов, температура 20 °С. Результаты усталостных испы-

1075

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

таний лопаток, упрочненных на установках с регулируемой и с нерегулируемой системой охлаждения [1] и без упрочнения, приведены на рис. 5.

Основные выводы

1. Экспериментально установлены оптимальные режимы упрочнения на установке с регулируемой системой охлаждения.

2. Представлены результаты исследования остаточных напряжений.

3. Приведены результаты усталостных испытаний образцов из сплава ЭИ893.

Рис. 5. Результаты исследования сопротивления усталости: 1 - ТПУ на установке с регулируемой системой охлаждения, 2 - ТПУ на установке с нерегулируемой системой охлаждения,

3 - без упрочнения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2170272 РФ, (51) МПК7 C21D9/00, C21D1/62,

C21D1/10. Установка для термопластического упрочнения лопаток / Б.А. Кравченко, Н.И. Рос-сеев, В.Г. Круцило, С.Д. Медведев, А.В. Монахов № 2000116938/02, опубл.: 10.07.2001 Бюл. №19.

2. Пат. 101447 РФ, (51) МПК C21D 9/00 (2006.01). Установка для термопластического упрочнения деталей / А.В. Карпов, С. А. Папчихин № 2010126356; опубл.: 20.01.2011 Бюл. № 2.

3. Пат. 2143011 РФ, (51) МПК6 C22F1/10. Способ повышения циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля / Кравченко Б.А. № 96113810/02; опубл.: 20.12.1999.

4. Кравченко Б.А. Термопластическое упрочнение -резерв повышения прочности и надежности деталей машин /Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г.Н. Гутман. - Самара: Самарский ГТУ, 2000. - 216 с.

INCREASING WEAR RESISTANCE SURFACE LAYER ON THE BLADES GTE FOUNDATION TO IMPROVING THERMOPLASTIC HARDENING

© 2011 A. V. Karpov Samara State Technical University

1076