СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ СОПЛОВЫЕ ЛОПАТКИ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ ИЛИ КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ В ВИДЕ МНОГОБЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
RECONDITIONING OF GAS TURBINE PLANT INCLUDING NOZZLE BLADES FROM NICKEL OR COBALT ALLOYS COMPOSED OF MULTIBANK STRUCTURE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при ремонте деталей горячего тракта газовой турбины авиационных, корабельных и энергетических газотурбинных двигателей: сопловых лопаток, в том числе сегментов соплового аппарата, изготовленных из никелевых и кобальтовых сплавов в виде единой многоблочной конструкции.
В процессе длительной эксплуатации под воздействием значительных динамических и статических нагрузок, высоких и переменных температур происходит повреждение сопловых лопаток турбины, проявляющееся в виде появления трещин термической усталости различной протяженности. Одной из основных причин появления трещин термической усталости является напряженное состояние блока сопловых лопаток, вызванное несовершенством их конструкции. Лопатки, собранные в двух-, трех- или многоблочную неразборную конструкцию, после установки на изделии оказываются жестко зафиксированными в корпусе статора, что существенно ограничивает их свободное перемещение в обойме статора. В условиях эксплуатации после камеры сгорания возникает неравномерное температурное поле и неравномерное поле статического давления, действующие на лопатки. В результате этого в многоблочной конструкции, представляющей собой единое целое, в разных сечениях детали возникают высокие добавочные знакопеременные нагрузки, приводящие к растрескиванию материала с последующим развитием трещины. Наличие трещин на сопловых лопатках не допустимо по условиям эксплуатации, что обусловливает снятие лопаток с агрегата для их восстановительного ремонта.
Известен способ ремонта лопаток газовых турбин [патент РФ №2143011, C22F 1/10, 1999 г.], включающий досварочную термообработку, сварку, размерную обработку дефектных участков и окончательную термообработку с целью придания сплаву комплекса заданных свойств.
Известен также способ ремонта лопаток газовых турбин [патент РФ №2179915, B23P 6/00, 2002 г.], включающий наплавку с последующим выполнением полного цикла термообработки.
Известен также способ ремонта пера лопатки [патент РФ №2240215, B23P 6/00, B23P 6/02, 2004 г.], включающий выбор на пере лопатки линии ремонтного сечения, отрезание дефектной части пера лопатки, изготовление вставки из материала лопатки, осуществление сборки вставки и пера лопатки в замок по длине ремонтного сечения, ведение электронно-лучевой сварки со сквозным проплавлением при постоянной фокусировке и скорости сварки и осуществление термической обработки сварного соединения. При этом линию ремонтного сечения выбирают в зоне несовпадения максимальных вибрационных нагрузок, входную кромку пера устанавливают на полке вставки, на спинке пера с перекрытием входной кромки пера размещают пластину, причем суммарную толщину пластины и пера лопатки по всему ремонтному сечению берут равной толщине профиля пера в ремонтном сечении, сварку со сквозным проплавлением ведут за два прохода, первый проход ведут от торца пера к выходной кромке пера, второй проход осуществляют со смещением электронного луча на вставку, а термическую обработку производят сканирующим электронным лучом.
Наиболее близким по технической сущности является способ восстановления блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых или кобальтовых сплавов [патент РФ №2426632, B23P 6/00, C23C 14/02, C23C 14/22, 2011 г.], включающий дефектацию лопатки, выбор на лопатке линии ремонтного сечения, отрезку дефектной части входной и выходной кромок лопатки, изготовление вставки, сборку и сварку вставки и лопатки по линиям ремонтного сечения, термическую и механическую обработку лопатки. При этом дефектацию лопаток проводят по условиям эксплуатации раздельно для входной и выходной кромок, далее для каждой из них определяют размер, расположение и геометрию дефектной зоны, в зависимости от размера, расположения и геометрии дефектной зоны разделяют лопатки на группы, в каждой из которых выбирают одинаковую линию ремонтного сечения и для каждой группы изготавливают одинаковые вставки, причем число групп берут от 1 до 20, а вставки изготавливают из материала, близкого по составу и/или свойствам материалу лопатки, размерами и формой соответствующими исходным размерам и форме восстанавливаемой этой вставкой части лопатки с учетом припуска на сварку в зоне стыка с лопаткой, причем для группы входных или выходных кромок высоты вставок, измеренные в направлении оси пера лопатки, берут равными от 5 до 100% от высоты пера лопатки с шагом 5%, а ширины вставок, измеренные в направлении, перпендикулярном продольной оси пера лопатки, берут равными от 15 до 100% от высоты вставки.
Основными недостатками известных способов являются значительная трудоемкость ремонта и возможность восстановления только структуры материала и геометрических размеров сопловых лопаток в блоке. Указанные способы могут устранить те трещины, которые были выявлены перед ремонтом. Однако данные способы не позволяют устранить высокие добавочные знакопеременные нагрузки, возникающие при эксплуатации многоблочной конструкции лопаток, что суммарно приводит к их досрочному снятию на повторный ремонт.
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение ресурса сопловых лопаток турбомашин за счет изменения конструкции сопловых лопаток на этапе восстановительного ремонта без существенной модернизации газотурбинной установки в целом.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе восстановления сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов, включающем дефектацию лопатки, выбор на лопатке линии ремонтного сечения, отрезку дефектной части входной и выходной кромок лопатки, изготовление вставки, сборку и сварку вставки и лопатки по линиям ремонтного сечения, термическую и механическую обработку лопатки, в отличие от прототипа перед выполнением полного цикла восстановительного ремонта многоблочная конструкция лопаток разделяется на отдельные секции по числу лопаток в восстанавливаемом блоке.
Поставленная задача решается также таким образом, что в способе восстановления сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов разделение блока лопаток на отдельные секции выполняют электроэрозионным способом проволочным электродом или механическим способом лезвийным или абразивным инструментом.
Поставленная задача решается также таким образом, что в способе восстановления сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов после разделения блока лопаток на отдельные секции и выполнения всего объема восстановительного ремонта лопатки не соединяются в многоблочную конструкцию, а используются в изделии как самостоятельные элементы.
Предлагаемый способ позволяет при сопоставимой с прототипом трудоемкости ремонтно-восстановительных работ повысить ресурс сопловых лопаток до трех раз.
Пример конкретной реализации способа.
Комплект блоков сопловых лопаток из кобальтового сплава FSX-414, представляющих собой трехсекционную неразборную конструкцию, был подвергнут разрезке на отдельные секции по числу сопловых лопаток в блоке: каждый блок лопаток разрезался соответственно на три части. Разрезка выполнялась разными способами: в первом - электроэрозионным способом проволочным электродом, во втором - механическим способом лезвийным инструментом, в третьем - механическим способом абразивным инструментом. Во всех трех случаях при разрезке блока сопловых лопаток на отдельные секции обеспечивалось состояние поверхности раздела, соответствующее заданным требованиям. Далее сопловые лопатки в виде отдельных секций подвергали дефектации с использованием визуально-измерительного контроля и контроля проникающими веществами. На сопловых лопатках на входной и выходной кромках были выявлены ремонтные сечения, по которым далее были удалены дефектные места. По форме удаленных дефектных мест были изготовлены вставки, проведена их сборка и последующая сварка с лопатками. После была проведена термическая обработка в защитной среде и размерная механическая обработка, обеспечившие восстановление структуры материала и геометрических параметров сопловых лопаток. Далее разделенные на отдельные секции и восстановленные сопловые лопатки устанавливались на изделие. При их монтаже между лопатками выдерживался зазор от 2 до 5 мм, что гарантировало устранение их жесткой фиксации в корпусе статора и обеспечивало их свободное перемещение в обойме. После сборки изделие подвергалось эксплуатации в соответствии со штатными условиями. После определенного количества часов наработки изделие останавливалось и подвергалось осмотру, в ходе которого выявляли количество трещин в характерных зонах лопатки и определяли их длину. Результаты осмотра представлены в таблице. Для сравнения в таблице представлены результаты осмотра сопловых лопаток в виде трехблочной конструкции, восстановленных в соответствии с прототипом и эксплуатировавшихся на аналогичном агрегате.
Таблица
Количество и максимальная длина (мм) трещин термической усталости, обнаруживаемых на сопловых лопатках в зоне выходной кромки после различной наработки
Вариант конструкции сопловых лопаток после ремонта
Наработка лопаток, часов
4000
8000
12000
16000
Предлагаемый способ
0/0
0/0
2/6
5/12
Способ по прототипу
6/8
14/20
18/26
28/42
Примечание: в числителе указано количество трещин, в знаменателе - их максимальная длина
Анализ табличных данных показывает, что восстановление сопловых лопаток по предлагаемому способу в сравнении с прототипом снижает повреждаемость лопаток и позволяет увеличить их ресурс до трех раз.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет на этапе ремонта обеспечивать восстановление не только структуры материала, размеров и формы сопловых лопаток, но и обеспечивать большую работоспособность деталей в условиях сложнонапряженного состояния.