УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДИСКОВ

Полезная модель относится к области термической обработки, а именно к поверхностной обработке деталей и может найти применение для поверхностной упрочняющей обработки дисков газотурбинных и авиационных двигателей, выполненных из жаропрочных и жаростойких сплавов и сталей, работающих в условиях повышенных температур и знакопеременных нагрузок.
Известна установка для термопластического упрочнения пазов газотурбинных дисков (патент РФ №116858, МПК C21D 01/09), содержащая систему нагрева и систему спрейерного охлаждения, при этом система нагрева выполнена в виде печи сопротивления и пирометра, контролирующего температуру нагрева диска, а система спрейерного охлаждения выполнена в виде спрейера, гидроаккумулятора, вертикального многоступенчатого насосного агрегата и гидравлической емкости для слива жидкости, связанных системой трубопроводов, запорной арматуры и датчиков контроля уровня и температуры воды.
Указанная установка имеет ограниченное применение для термопластического упрочнения газотурбинных дисков, так как обладает рядом существенных недостатков.
Нагревательный элемент печи сопротивления выполнен таким образом, что при нагреве сектора диска до необходимой температуры (температура нагрева диска 650±20°C) нагреваются только центральные зубья замковой части диска, в результате возникают переходные участки между упрочненной и неупрочненной зоной, то есть зубья, расположенные на выходе из печи сопротивления. При таком нагреве образовавшуюся переходную ненагретую до нужной температуры зоны приходится нагревать повторно. В результате процесс упрочения является сложным и энергозатратным.
Кроме того, система спрейерного охлаждения не обеспечивает охлаждение боковой поверхности зубьев замковой части диска, так как спрейер, выполнен таким образом, что охлаждает только торец зубьев со стороны входа газового потока, а боковая поверхность зубьев и другой торец диска остаются неохлажденными, а следовательно неупрочненными.
Теоретическими расчетами и экспериментально установлено, что наибольшее влияние на формирование остаточных напряжений при термопластическом упрочнении оказывает интенсивность охлаждения, с увеличением которой величина остаточных напряжений возрастает.
В то же время, практика длительной эксплуатации газотурбинных установок типа ГТК-10 показала, что наиболее слабым элементом замковой части диска является как раз верхняя впадина зуба с боковой стороны. Это связано с тем, что она, являясь концентратором напряжений, испытывает наибольшее воздействие нагрузок. Усталостная трещина, как результат потери прочности, появляется на торце зуба замковой части диска и распространяется вдоль впадины, а значит именно эти места необходимо упрочнять.
Технической задачей полезной модели является достижение равномерности формирования сжимающих остаточных напряжений заданного уровня в поверхностном слое замковой части диска, и как следствие, повышение усталостной прочности и долговечности диска за счет равномерного прогрева и интенсивного охлаждения упрочняемой части диска, отсутствия переходных зон упрочнения, повышение производительности установки.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Установка содержит две основные системы - систему нагрева и систему спрейерного охлаждения, причем система нагрева включает в себя печь сопротивления с нагревательным элементом, который выполнен в виде спирали, расположенной зигзагообразно относительно обеих торцевых поверхностей упрочняемого диска с увеличенной частотой зигзага спирали к краям печи сопротивления, пирометр и заслонку, расположенную в нижней части печи сопротивления, а система охлаждения включает в себя спрейеры, один из который расположен с боковой поверхности диска, второй расположен с торцевой поверхности диска со стороны входа газового потока, а третий расположен с торцевой поверхности диска со стороны выхода газового потока, гидроаккумулятор, вертикальный многоступенчатый насосный агрегат и емкость гидравлическую, связанные замкнутой системой трубопроводов, фильтр, запорную арматуру и контролирующие датчики уровня, давления и температуры воды.
Такая конструкция системы нагрева обеспечивает эффективный и равномерный нагрев не только центральных зубьев замковой части диска упрочняемого участка, но и зубьев, расположенных на выходе из печи сопротивления, что исключает возникновение переходных зон между упрочненными и неупрочненными участками, требующими повторного нагрева, повышает производительность установки за счет увеличения количества одновременно упрочняемых зубьев до тринадцати. Наличие заслонки позволяет снизить потери тепла из печи, тем самым повышая эффективность и снижая энергозатраты нагрева упрочняемого участка диска, кроме того обеспечивается защита от попадания паров охлаждающей жидкости в печь сопротивления.
Система спрейерного охлаждения обеспечивает равномерное и интенсивное охлаждение, как торцевых поверхностей, так и выступов и впадин на боковых поверхностях зубьев замковой части диска.
На Фиг. 1 изображен общий вид установки, на Фиг. 2 - схема расположения нагревательного элемента печи, на Фиг. 3 - конструкция заслонки, где 1 - нагревательный элемент; 2 - гидроаккумулятор, 3 - печь сопротивления; 4 - емкость гидравлическая; 5 - шкаф управления; 6 - компьютер; 7 - редуктор; 8 - датчик температуры воды; 9 - манометр; 10 - клапан избыточного давления; 11 - клапан соленоидный; 12 - датчик давления; 13 - клапан обратный; 14 - насосный агрегат; 15 - фильтр сетчатый; 16 - сигнализатор уровня жидкости; 17 - клапан соленоидный; 18 - кожух; 19 - датчик бесконтактный; 20 - электродвигатель; 21 - пирометр; 22 - усиленная заслонка; 23 - тележка; 24 - устройство осевой фиксации и регулировки; 25 - ротор; 26 - газотурбинный диск; 27 - опорные ролики; 28 - спрейер с торцевой поверхности диска со стороны входа газового потока; 29 - спрейер с боковой поерхности диска; 30 - спрейер с торцевой поверхности диска со стороны выхода газового потока.
Газотурбинный диск 26 совместно с ротором 25 размещен на опорных роликах 27, установленных на тележках 23 и зафиксирован в осевом положении при помощи устройства осевой фиксации и регулировки 24. Печь сопротивления 3 с нагревательным элементом 1 установлена над упрочняемым диском на направляющих. Соответствующие трубопроводы соединяют спрейеры 28, 29 и 30, гидроаккумулятор 2, насосный агрегат 14, емкость гидравлическую 4, кожух 18. На трубопроводе установлены датчик давления 12 для подачи сигнала на насосный агрегат, клапан соленоидный 11 для подачи жидкости из гидроаккумулятора в спрейер, клапан соленоидный 17 для подачи жидкости в емкость гидравлическую, клапан обратный 13, фильтр сетчатый 15. Гидроаккумулятор снабжен датчиком температуры воды 8, манометром 9, клапаном избыточного давления 10. Температуру диска контролируют пирометром 21. На емкости гидравлической установлен сигнализатор уровня жидкости 16. Зазор между печью и диском закрыт заслонкой 22. Устройство дискретного поворота ротора состоит из редуктора 7 и электродвигателя 20, а положение диска контролируется датчиком бесконтактным 19. Система автоматизированного управления процессом состоит из шкафа управления 5 и компьютера 6.
В емкости гидравлической 4 в автоматическом режиме поддерживают необходимый уровень воды. Гидроаккумулятор 2 системы охлаждения наполняют водой с помощью вертикального многоступенчатого насосного агрегата 14 и создают давление. Нагрев диска 26 осуществляют в печи сопротивления 3 при помощи нагревательного элемента 1. В печи сопротивления 3 в зоне нагрева одновременно находятся до тринадцати упрочняемых зубьев замковой части диска. Интервал нагрева завершается командой на поворот диска, при разрешающем сигнале от пирометра 21. Упрочняемый участок диска выходит из печи сопротивления в положение для охлаждения. По сигналу от бесконтактного датчика 19 автоматически осуществляется торможение электродвигателя 20 и фиксация ротора в заданном положении. От попадания воды и пара, а также для уменьшения потерь тепла печь защищена заслонкой 22. После фиксации ротора в заданном положении происходит команда на включение охлаждения нагретого сектора диска. При этом открывается соленоидный клапан 11 и вода под давлением из гидроаккумулятора 2 поступает в спрейеры 28, 29, 30. Происходит охлаждение. На этом цикл «нагрев-поворот-охлаждение» завершен. Далее автоматически осуществляется поворот ротора в обратную сторону для возврата в зону нагрева неупрочненных зубьев и цикл работы «нагрев-поворот-охлаждение» повторяется.
Данная установка высокопроизводительная, позволяет обеспечить достижение равномерности формирования сжимающих остаточных напряжений заданного уровня в поверхностном слое замковой части диска и как следствие повышение усталостной прочности и долговечности диска за счет равномерного прогрева и интенсивного охлаждения упрочняемой части диска.
Все эти факторы и обеспечивают достижение поставленной технической задачи.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент №2170272 от 10.07.2001 г. (Кравченко Б.А., Круцило В.Г. и др.) «Установка для термопластического упрочнения лопаток».
2. Патент №2171857 от 10.08.2001 г. (Кравченко Б.А., Круцило В.Г и др.) «Способ восстановления циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля».
3. Патент №2219250, от 06.05.2003 г. (Кравченко Б.А., Степаненко О.А., Медведев С.Д., Вишняков М.А., Монахов А.В., Коровин И.А.) «Установка для термопластического упрочнения крупногабаритных изделий».
4. Кравченко Б.А. Технологические остаточные напряжения и их влияние на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Докторская диссертация. Куйбышев, 1972 г., с. 296-298.
5. Патент №116858, от 23.01.2012 г. (Круцило В.Г., Никишов О.В., Кротинов Н.Б.) «Установка для термопластического упрочнения пазов газотурбинных дисков».