СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ СОПЛОВЫЕ ЛОПАТКИ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ ИЛИ КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ В ВИДЕ МНОГОБЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2015 года по МПК B23P6/00 

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.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при ремонте деталей горячего тракта газовой турбины авиационных, корабельных и энергетических газотурбинных двигателей, например сопловых лопаток, изготовленных из никелевых и кобальтовых сплавов в виде многоблочной конструкции. Перед восстановительным ремонтом многоблочную конструкцию сопловых лопаток разделяют на отдельные элементы, число которых совпадает с числом лопаток в восстанавливаемой многоблочной конструкции сопловых лопаток, далее осуществляют дефектацию лопаток, выбор на лопатках линии ремонтного сечения, отрезку дефектной части входной и выходной кромок лопаток, изготовление вставок, сборку и сварку вставок и лопаток по линиям ремонтного сечения, термическую и механическую обработку лопаток, после чего осуществляют монтаж на корпус статора турбины восстановленных сопловых лопаток с зазором 2-5 мм между упомянутыми лопатками. Изобретение позволяет восстановить не только структуру материала и геометрические параметры лопаток, но и увеличить их работоспособность в условиях сложнонапряженного состояния. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл.

1. Способ восстановления газотурбинной установки, содержащей сопловые лопатки из никелевых или кобальтовых сплавов в виде многоблочной конструкции, характеризующийся тем, что перед восстановительным ремонтом многоблочную конструкцию сопловых лопаток разделяют на отдельные элементы, число которых совпадает с числом лопаток в восстанавливаемой многоблочной конструкции сопловых лопаток, далее осуществляют дефектацию лопаток, выбор на лопатках линии ремонтного сечения, отрезку дефектной части входной и выходной кромок лопаток, изготовление вставок, сборку и сварку вставок и лопаток по линиям ремонтного сечения, термическую и механическую обработку лопаток, после чего осуществляют монтаж на корпус статора турбины восстановленных сопловых лопаток с зазором 2-5 мм между упомянутыми лопатками.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разделение многоблочной конструкции сопловых лопаток на отдельные элементы выполняют электроэрозионным способом проволочным электродом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разделение многоблочной конструкции сопловых лопаток на отдельные элементы выполняют механическим способом лезвийным инструментом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разделение многоблочной конструкции сопловых лопаток на отдельные элементы выполняют механическим способом абразивным инструментом.