СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЛОПАТОК ТУРБИН В АГРЕГАТЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК ТУРБИН
CLEANING METHOD OF TURBINE BLADE SURFACES IN TURBINE BLADE PROCESSING UNIT

Изобретение относится к обработке порошковых материалов в жидкости, конкретно к оборудованию для очистки наружных и внутренних поверхностей лопаток турбин в химически активной и газовой средах при давлениях более 10 МПа и температурах более 100°С.
Известны устройства для высокотемпературной обработки заготовок с очисткой газовыделений, например устройство согласно патенту RU 2002583 С1, В22F 3/14, содержащее систему подвода и отвода газа и герметично закрытый верхней и нижней пробками контейнер, в котором размещены теплоизоляционный колпак и нагреватель, а также систему направления газовых потоков в виде замкнутых, закрытых вертикальных перегородок. Такая конструкция имеет существенный недостаток при обработке изделий в жидкости - малоэффективный нагрев центральной зоны с изделием, так как многоколпаковая система очистки газовыделений с зазорами между ними является теплоизолирующим элементом между нагревателем и изделием, что повышает расход энергии и уменьшает ресурс работы нагревателя.
Этот недостаток устанен в конструкции изостата для обработки материалов в жидкости (патент RU 2151026 С1, В22F 3/14, 3/15; 20.06.2000), где сосуд с жидкостью установлен непосредственно над электроиндукционным нагревателем с высокоэффективным отбором тепла жидкостью от дна сосуда. Известный изостат содержит герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем нагреватель и установленный на нем рабочий сосуд с открытым верхом, предназначенный для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды. Однако при нагреве до температур, превышающих температуру кипения жидкости, тепловые потери резко возрастают за счет парообразования и последующей конденсации на стенках контейнера, делая нагрев малоэффективным.
Известна конструкция изостата согласно патенту RU 2245220 С1, В22F 3/14, В30В 12/00; дата публикации 27.01.2005, в которой реактор выполнен в виде реакционной камеры, закрытой теплоизоляционной камерой, которые образуют жидкий затвор в охлаждаемой зоне, который препятствует выходу пара из реакционной зоны и конденсации его на охлаждаемых стенках контейнера. Такая конструкция имеет существенный недостаток при создании давления в рабочей камере изостата. Так, если давление внутри и снаружи реактора будет различным, жидкий затвор выдавится либо в сторону стенок контейнера, что приведет к полной или частичной потере мощности нагревателя, и, следовательно, повышению энергопотерь, либо в сторону реакционной камеры, что может привести к разрушению или деформации последней.
Предлагаемое изобретение значительно повышает надежность конструкции в целом благодаря тому, что предлагаемая рабочая камера не имеет затворов и давление внутри нее равно давлению снаружи. Существенным фактором является простота предлагаемой конструкции. Отсутствие конденсации на стенках контейнера обеспечивается теплоизоляцией, а выход пара из рабочей камеры удерживается создаваемым в контейнере давлением инертного газа. Температура среды контролируется термопарами, вводимыми в специальную трубку рабочей камеры.
В части способов очистки металлических отливок при повышенной температуре и повышенном давлении известен патент US 4141781, дата публикации 27.02.1979 г. Температура выщелачивания в растворе КОН или NaOH 290-350°С. Этот температурный режим расширен в патенте SU 1738470 А1 от 07.06.1992 г. до 450°С. Обработка ведется в расплаве щелочи без водной составляющей. Процесс обработки в расплаве щелочи является одним из самых эффективных способов обработки. Однако на поверхности изделия образуется труднорастворимый слой из продуктов реакции щелочи и керамического материала, что приводит к увеличению времени обработки отливок.
Этот недостаток частично устранен в способе, описанном в патенте US 3563711, опубл. 16.02.1971. Щелочной раствор нагревают до температуры 200-350°С, затем сбрасывают давление до уровня кипения жидкой составляющей раствора щелочи в порах керамических стержней и вновь поднимают давление до уровня выше точки кипения жидкой составляющей раствора щелочи, затем повторяют процесс. Если обработка по этому способу ведется в докритических диапазонах температур и давлений, то скорость реакции меньше, чем при использовании закритического диапазона. При попытках реализовать способ при закритических условиях процесс подъема и снижения давления пара из автоклава становится технически сложной задачей в связи с большой энергоемкостью подъема давления пара и контролем давления.
Наиболее близким к предложенному способу является способ, описанный в патенте RU 2245220 С1, В22F 3/14, В30В 12/00, дата публикации 27.01.2005. В нем удаление керамического материала из металлических изделий происходит путем их обработки в нагретом растворе щелочи под давлением. Однако недостатки в конструкции рабочей камеры, описанные выше, а также узкий температурный интервал колебаний щелочного раствора существенно усложняют обработку изделий и ограничивают области применения данного способа.
Предлагаемое изобретение расширяет технологические возможности изложенных выше способов за счет изменения конструкции рабочей камеры, увеличенного диапазона температурных изменений химически активной среды относительно ее температуры плавления на 3-9 градусов Цельсия ниже и на 11-25 градусов Цельсия выше, при давлении, превышающем критическое давление химически активной среды от 2,2 до 4 МПа, а также за счет периодического уплотнения паров жидкой составляющей химически активной среды инертным газом - аргоном или азотом, подаваемым компрессором поршневого, плунжерного или мембранного типа, с последующей сбросом давления, в интервале 0,1-0,4 МПа. Концентрация химически активной среды в способе, а также ее уровень рН определяется технологическим процессом. Кроме того, использование никелевого листового материала для выполнения рабочей камеры предложенного агрегата позволяет увеличить продолжительность ее работы при указанных параметрах процесса очистки.
Предлагаемое изобретение относится к агрегату для очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах при давлении газовой среды и температуре, превышающей критическое давление и температуру плавления химической среды, состоящему из контейнера, выполненного в виде втулки с надетой на нее рубашкой охлаждения, закрытого по торцам пробками, удерживаемыми рамой, соединенного с компрессором для подачи газа через верхнюю пробку контейнера в рабочую камеру, установленную на нижней пробке контейнера над резистивным нагревателем, в которую помещают очищаемые лопатки и химически активную среду, в котором рабочая камера выполнена из никелевого листового материала в виде тонкостенного стакана, закрытого сверху крышкой негерметично и опирающегося на нижнюю пробку контейнера, к дну стакана герметично приварена трубка, имеющая общее отверстие с дном стакана, а верхний конец трубки герметично заварен.
Также предлагаемое изобретение относится к способу очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах при давлении газовой среды и температуре, превышающей критическое давление и температуру плавления химической среды, в котором очистку осуществляют в агрегате для очистки поверхностей лопаток турбин, рабочая камера которого выполнена из никелевого листового материала в виде тонкостенного стакана, в котором нагревают химически активную среду резистивным нагревателем до температуры, превышающей ее температуру плавления на 11-25 градусов Цельсия при давлении газа, превышающем критическое давление химически активной среды от 2,2 до 4 МПа, и во время выдержки осуществляют периодическое изменение уровня химически активной среды за счет снижения температуры среды в рабочей камере ниже ее температуры плавления на 3-9 градусов Цельсия с последующим нагревом до исходной температуры.
Периодическое изменение уровня химически активной среды в рабочей камере осуществляют за счет уплотнения паров жидкой составляющей химически активной среды инертным газом - аргоном или азотом, подаваемым компрессором поршневого, плунжерного или мембранного типа, с последующим сбросом давления, в интервале 0,1-0,4 МПа. При охлаждении химически активной среды после технологического цикла осуществляют колебания давления газа в рабочей камере в пределах 1-2 МПа. Объем заливаемой химически активной среды, относительно объема рабочей камеры, определяют таким образом, чтобы при переходе среды за параметры, превышающие ее критические параметры по температуре и давлению, объем получаемой парогазовой составляющей должен быть меньше или равен объему свободного пространства рабочей камеры, оставшемуся после заливки установленных в рабочую камеру лопаток, залитых полностью химически активной средой.
В рабочую камеру очищаемые лопатки турбин загружают в кассетах, выполненных из тонких никельсодержащих пластин и не препятствующих химически активной среде омывать лопатки.
Эффективность предлагаемого способа определяется тем, что он осуществляется в агрегате для очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах, контейнер которого закрыт верхней и нижней пробкой, которые удерживаются рамой, через верхнюю пробку осуществляется подача газа через зазор между внутренней стенкой контейнера и теплоизоляцией, расположенной между внутренней стенкой контейнера, верхней пробкой и рабочей камерой, выполненной в виде стакана с крышкой и опирающейся на нижнюю пробку агрегата, оснащенную донным резистивным нагревателем.
Эффективность предлагаемого способа достигается также тем, что очистка поверхностей лопаток от остатков литейной формы и нагара осуществляется в рабочей камере в химически активных средах за счет изменения уровня и концентрации химически активной среды в процессе очистки поверхностей лопаток за счет нагрева среды выше ее температуры плавления на 11-25 градусов и перехода жидкой составляющей среды в парогазовое состояние, при этом снижая количество и повышая концентрацию химически активной среды, в которой находятся обрабатываемые лопатки, с последующим понижением температуры химически активной среды ниже ее температуры плавления на 3-9 градусов, при этом парогазовая составляющая среды переходит в жидкое состояние и уровень химически активной среды в рабочей камере возвращается в исходное состояние. Такие изменения уровня химически активной среды осуществляют при периодическом изменении давления в рабочей камере в интервале 0,1-0,4 МПа с периодичностью 2 раза в минуту, осуществляемом с помощью компрессора поршневого, плунжерного или мембранного типа, в условиях превышения критического давления среды на 2,2-4 МПа.
Заявляемый агрегат изображен на фиг.1, 2:
на фиг.1 изображена принципиальная схема агрегата для очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах;
на фиг.2 изображен продольный разрез рабочей камеры;
на фиг.2а - с трубкой для термопар в центре сосуда;
на фиг.2б - с трубкой для термопар сбоку сосуда.
Агрегат для очистки поверхностей лопаток турбин в химически активных средах состоит из контейнера, выполненного в виде втулки 1 с надетой на ней рубашкой охлаждения 2, контейнер закрыт пробками (верхней 3 и нижней 4) с одетой на них рамой 5. Подвод газа в контейнер осуществляется через верхнюю пробку 3. На нижней пробке 4 установлена рабочая камера 6 и резистивный нагреватель 7. Рабочая камера (фиг.2а, 2б) выполнена из никелевого листового материала в виде тонкостенного стакана 20, к дну которого герметично приварена трубка 21 для подвода термопар, измеряющих температуру залитой в стакан 20 химически активной среды. Трубка 21 имеет общее отверстие с дном стакана 20, а верхний конец трубки 21 герметично заварен. Сверху стакан 20 закрыт крышкой 22 негерметично, между ними имеется зазор для подачи газа. В рабочую камеру 6 устанавливаются обрабатываемые лопатки 8 в кассетах 15 и заливается химически активная среда 9. Между внутренней стенкой втулки 1 контейнера, верхней пробкой 3 и рабочей камерой 6 имеется теплоизоляция 10. Газ в рабочую камеру 6 поступает через зазор между теплоизоляцией 10 и внутренней стенкой втулки 1 контейнера от газовых баллонов 11 по газовым трубопроводам 12. Подача газа регулируется компрессором 13 (мембранного, плунжерного или поршневого типа) и клапанами 14 с гидро- или пневмоприводом.
Работа агрегата для очистки поверхностей лопаток турбин осуществляется следующим образом.
В рабочую камеру (фиг.2), (с открытой крышкой 22), установленную на нижней пробке 4 вне контейнера, загружаются лопатки турбин 8 в кассетах 15, выполненных из тонких никельсодержащих пластин и не препятствующих химически активной среде омывать лопатки. Подогретая химически активная среда 9 (например, гидроксид калия при концентрации 68% и температуре 170 градусов Цельсия) заливается в рабочую камеру 6. Объем заливаемой химически активной среды 9, относительно объема рабочей камеры 6, определяется таким образом, что при переходе среды за параметры, превышающие ее критические параметры по температуре и давлению, объем получаемой парогазовой составляющей должен быть меньше или равен объему свободного пространства рабочей камеры 6, оставшемуся после заливки установленных в рабочую камеру кассет 15 с лопатками 8, залитых полностью химически активной средой 9. Например, объем гидроксида калия при концентрации 68% и кассет 15 с лопатками 8 составляет две третьих общего объема рабочей камеры 6. Рабочая камера 6 закрывается крышкой 22 (фиг.2) и вместе с нижней пробкой 4 помещается во втулку 1 контейнера. Верхняя пробка 3 уже находится во втулке 1 контейнера с закрепленной на ней теплоизоляцией 10. На полученную сборку надевается рама 5. Герметичность втулки 1 контейнера обеспечивается кольцевыми уплотнениями 16 на нижней 4 и верхней 3 пробках, а также закрытыми газовыми клапанами 14. В контейнер подается инертный газ (аргон или азот) от баллонов 11. Например, для гидроксида калия при концентрации 68% давление азота составляет 17 МПа. Давление газа в контейнере определяется расчетным путем таким образом, чтобы, при нагреве до температуры плавления химически активной среды, давление превышало критическое давление для химически активной среды не более 4 МПа. Например, для гидроксида калия температура плавления 380 градусов Цельсия, а критическое давление 22,12 МПа. Давление контролируется по манометру 17. Далее происходит нагрев химически активной среды с помощью резистивного нагревателя и процесс ведется как описано выше. Например, при нагреве гидроксида калия при концентрации 68% до температуры плавления, давление газа в контейнере составляет 24,4 МПа. Периодическое изменение температуры на протяжении процесса осуществляется включением и выключением нагревателя 7. Перепады давления на протяжении процесса осуществляются компрессором 13 и контролируются манометрами 17 и 18. Процесс ведется согласно технологии и длится от 1 до 10 часов. После окончания процесса выключают нагрев и снижают температуру химически активной среды, давление при этом превышает критическое давление жидкой составляющей химически активной среды для данной температуры. Например, для гидроксида калия при концентрации 68% критическое давление жидкой составляющей при 100 градусах Цельсия 0,101 МПа, при 200 градусах Цельсия 1,555 МПа, при 300 градусах Цельсия 8,592 МПа, при 374,15 градусах Цельсия 22,12 МПа. При охлаждении химически активной среды осуществляют колебания давления газа в рабочей камере в интервале 1-2 МПа до тех пор, пока температура химически активной среды не упадет до 180-160°С. Далее газ из рабочей камеры сбрасывается в баллоны через клапана 14 и компрессор 13. Давление во втулке 1 контейнера выравнивают с атмосферным за счет открытия клапана 19. Рама 5 сдвигается и нижняя пробка 4 с рабочей камерой 6 извлекается из втулки 1 контейнера. Открывается крышка 22 (фиг.2) рабочей камеры 6 и извлекаются кассеты 15 с лопатками 8. Отработанная химически активная среда 9 нейтрализуется и утилизируется. Например, гидроксид калия с концентрации 68% разбавляется водой до концентрации 5%. Лопатки турбин 8 подвергаются промывке в горячей воде с последующей сушкой.