СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2018 года по МПК B23P6/00 B23K26/342 F01D5/00 B23K26/144 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу и установке для восстановления детали турбомашины путем лазерного плакирования. В частности, хотя и не исключительно предлагаемое изобретение может быть использовано для восстановления корпусов статоров турбомашин путем лазерного плакирования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При растущем применении турбомашин с их эксплуатационными пределами существует потребность в разработке специальных технологий ремонта, предназначенных для восстановления состояния, приближенного к состоянию новых частей. Как вращающиеся, так и невращающиеся части турбомашин подвержены повреждениям вследствие эрозии и/или износа.

Например, валы паровых турбин часто бывают повреждены в зонах соединений на концах валов и в зонах опорных подшипников. То же происходит с опорными подшипниками и концами валов центробежных компрессоров, причем очень часто во время капитального ремонта обнаруживается, что рабочие колеса изношены в зоне уплотнений. Также могут быть повреждены другие вращающиеся или неподвижные части, такие как лопатки паровых турбин, корпусы центробежных компрессоров или роторы газовых турбин. В корпусах статоров, например в корпусах статоров паровых турбин, содержащих лопатки, зоны, близкие к лопаткам, являются особенно труднодоступными. При использовании стандартных технологий восстановления обычно необходимо снять лопатки статора перед ремонтом.

В вышеуказанной области техники обычные технологии восстановления, такие как электродуговое или микроплазменное наплавление, имеют некоторые недостатки, т.е., в частности, высокие скорости нагрева и охлаждения и низкие объемы расплава. В качестве альтернативных известны способы восстановления путем лазерной поверхностной обработки. Преимущества указанной обработки по сравнению с альтернативными процессами поверхностной обработки заключаются в следующем:

химическая чистота, поскольку не используется горение или облучение ионами,

локализованный нагрев с минимальной передачей тепла к подложке, что обеспечивает минимальное термическое повреждение детали,

сокращенное количество мероприятий после механической обработки,

возможность обработки очень твердых, хрупких или мягких материалов,

возможность контроля проникновения тепла,

возможность нанесения более толстых слоев.

Среди способов лазерной поверхностной обработки лазерное плакирование является общеизвестным. В лазерном плакировании используют лазерный луч для наплавления плакирующего материала, обладающего требуемыми характеристиками, на основной материал детали, поверхность которого необходимо восстановить. Лазерное плакирование обеспечивает возможность создания поверхностных слоев с превосходными свойствами с точки зрения чистоты, однородности, твердости, связывания и микроструктуры.

Способы восстановления путем лазерного плакирования уже используются для восстановления неподвижных деталей, как описано в заявке на патент США №2010/0287754, или для нанесения плакирующего материала в малых объемах, как описано в заявке на патент США №2009/0057275.

При восстановлении корпусов статоров и, в частности, при восстановлении зон вблизи лопаток статора, лазерное плакирование является особенно затруднительным в силу необходимости обеспечения лазерного луча, имеющего достаточную длину для достижения такого узкого паза. Кроме этого, после процесса восстановления необходимо удалить излишек плакирующего порошка, который остался ненаплавленным на основной материал детали. По указанным причинам в подобных случаях лазерное плакирование не используют или же перед восстановлением поврежденных зон удаляют лопатки.

Таким образом, существует необходимость в создании усовершенствованных способа и установки для лазерного плакирования, которые позволят избежать указанных недостатков, присущих известному уровню техники, осуществляемого быстрым и воспроизводимым образом для каждой подлежащей восстановлению детали турбомашины и, в частности, для деталей турбомашины, имеющих узкие пазы, например для корпусов статоров, содержащих лопатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения поставленная задача решается с помощью способа восстановления детали турбомашины, включающего следующие этапы:

настройку установки для лазерного плакирования, содержащей источник лазерного излучения, порошковый питатель и источник воздуха, причем указанная установка для лазерного плакирования выполнена с обеспечением схождения лазерного луча, порошковой струи и воздушной струи, сгенерированных соответственно источником лазерного излучения, порошковым питателем и источником воздуха, в подлежащей восстановлению зоне в узком пазу указанной детали турбомашины,

определение траектории, содержащей зоны, подлежащие восстановлению путем лазерного плакирования в указанном пазу, и проходящей между первой крайней точкой и второй крайней точкой,

перемещение вперед установки для лазерного плакирования или детали турбомашины относительно друг друга для обеспечения покрытия указанной траектории от первой крайней точки до второй крайней точки лазерным лучом и порошковой струей для восстановления соответствующих зон,

перемещение назад установки для лазерного плакирования или детали турбомашины относительно друг друга для обеспечения покрытия указанной траектории от второй крайней точки до первой крайней точки воздушной струей для выдувания излишка порошка из указанного паза.

Относительно других известных способов восстановления предлагаемое решение обеспечивает возможность более быстрого и эффективного восстановления детали турбомашины, имеющей узкие пазы, подвергаемые повреждению, и/или износу, и/или коррозии и поэтому требующие восстановления с помощью способа поверхностного нанесения слоев. В частности, при восстановлении корпуса статора, содержащего лопатки, нет необходимости снимать указанные лопатки. Применение процесса лазерного плакирования обеспечивает возможность эффективного восстановления большего поврежденного объема путем нанесения слоев с большей толщиной без снижения механических свойств восстановленной детали.

В соответствии с другим преимущественным признаком первого варианта выполнения траектория плакирования представляет собой дуговую траекторию, крайние точки которой отделены друг от друга на угловое расстояние, составляющее 180°, что позволяет применять предлагаемый способ согласно настоящему изобретению для быстрого и эффективного восстановления половин корпуса статора.

Во втором варианте выполнения изобретения предложена установка для лазерного плакирования, содержащая источник лазерного излучения, порошковый питатель и источник (4) воздуха, причем указанная установка выполнена с обеспечением схождения лазерного луча, порошковой струи и воздушной струи, сгенерированных соответственно источником лазерного излучения, порошковым питателем и источником воздуха, в одной зоне.

Преимущества, описанные выше со ссылкой на первый вариант выполнения предлагаемого изобретения, достигаются также благодаря второму варианту выполнения настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие признаки и преимущества предлагаемого изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов выполнения изобретения в совокупности со следующими чертежами. На чертежах:

Фиг. 1 изображает общую блок-схему способа восстановления турбомашины согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии установки для лазерного плакирования согласно настоящему изобретению;

Фиг. 3 изображает подробный вид в аксонометрии установки для лазерного плакирования, показанной на фиг. 2; и

Фиг. 4 изображает схему основных деталей установки для лазерного плакирования, показанной на фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

На прилагаемой фиг. 1 способ восстановления детали С турбомашины в целом обозначен как 100.

На фиг. 2-4 установка для лазерного плакирования для восстановления детали С в целом обозначена как 1.

Способ 1 включает первый этап 110, на котором производят настройку установки 1 для лазерного плакирования, содержащей источник 2 лазерного излучения, порошковый питатель 3 и источник 4 воздуха. Источник 2 и питатель 3 установлены на роботизированном кронштейне 1а установки 1.

Установка 1 выполнена с обеспечением возможности схождения лазерного луча 2а, порошковой струи 3а и воздушной струи 4а, сгенерированных соответственно источником 2, питателем 3 и источником 4, в зоне, подлежащей восстановлению, в пределах узкого паза в указанной детали С. Источник 2 лазерного излучения содержит оптическое устройство 20 для направления лазерного луча 2а к подлежащей восстановлению зоне. В соответствующих вариантах выполнения предлагаемого изобретения фокусное расстояние оптического устройства 20 выбирают таким образом, чтобы лазерный луч 2а, сгенерированный источником 2, имел длину, достаточную для достижения узких пазов детали С турбомашины.

Порошковый питатель 3 содержит смещенное от оси сопло 30, т.е. сопло, подающее порошковую струю 3а, проходящую несоосно с лазерным лучом 2а. Сопло 30 выполнено на конце удлиненного выступа 31, что обеспечивает удобное направление порошковой струи 3а к зоне, подлежащей восстановлению в пределах узкого паза детали С. Источник 4 воздуха содержит гибкую трубку 40, проходящую от впускной секции 41 к выпускной секции 42. Трубка 40 прикреплена к кронштейну 1а с обеспечением расположения выпускной секции 42 в непосредственной близости от сопла 30 для направления воздушной струи 4а к зоне, подлежащей восстановлению. Геометрическая конструкция оптического устройства 20, удлиненного выступа 31 и контактной площадки гибкой трубки 40, содержащей выпускную секцию 42, обеспечивает возможность схождения в восстанавливаемой зоне лазерного луча 2а, порошковой струи 3а и воздушной струи 4а. Впускная секция 41 трубки 40 соединена с объемным компрессором 43 для создания воздушного потока, проходящего через трубку 40, для образования воздушной струи 4а, подаваемой через выпускную секцию 42. Источник 4 воздуха дополнительно содержит вторую трубку 44 для подачи воздуха в компрессор 43 и теплообменник (не представлен на чертежах) для нагрева воздуха, достигающего выпускной секции 42. Температура воздушной струи 4а должна быть достаточно высокой, но в любом случае значительно ниже температуры отпуска материала детали С для сохранения механических свойств и структуры восстановленных зон. Например, если деталь С изготовлена из низколегированной стали, температура воздушной струи предпочтительно составляет от 200 до 250°С.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4, деталь С представляет собой корпус статора паровой турбины, имеющий две стенки 10 (на чертежах показана только одна стенка 10, другая стенка выполнена идентично), причем каждая стенка 10 соответственно является половиной корпуса С. Способ 1 предназначен для восстановления зон, поврежденных вследствие эрозии и/или износа, расположенных вдоль внутренних поверхностей стенки 10, в частности зон, расположенных вблизи лопаток 11 статора, например зон в узком пазу 12 между двумя соседними венцами лопаток, где размещено соответствующее рабочее колесо паровой турбины.

Следует отметить, что несколько отдельных лопаток 11 статора изображены в виде единого целого на фиг. 3 исключительно для упрощения чертежа.

После первого этапа 110 в способе 100 выполняют второй этап 120, на котором задают линейную или дуговую траекторию Р, содержащую зоны, подлежащие восстановлению путем лазерного плакирования в пределах узкого паза. Данная траектория проходит между первой крайней точкой А и второй крайней точкой В. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2-4, траектория Р является дуговой и соответствует половине окружности, т.е. угловое расстояние между точками А и В составляет 180°.

Перед восстановлением поврежденной зоны необходимо задать несколько технологических параметров установки 1. Данные технологические параметры включают:

скорость подачи порошка,

мощность лазерного луча,

скорость сканирования,

расстояние до зоны обработки (т.е. расстояние между соплом порошкового питателя 3 и зонами, подлежащими восстановлению),

расход защитного газа,

количество отверстий в сетке для прохождения порошка,

плотность энергии,

фокусное расстояние оптического устройства 20 источника 2,

угол между лазерным лучом 2а и указанной траекторией Р.

Некоторые из указанных параметров зависят от геометрии детали С. В частности, при восстановлении зон в узких пазах фокусное расстояние должно быть достаточно большим для достижения лазерным лучом 2а зоны, подлежащей восстановлению, расположенной вдоль траектории Р. Все другие параметры должны быть определены с учетом указанного геометрического ограничения для эффективного восстановления поврежденных зон детали С. Однако настройка вышеуказанных параметров не является конкретной задачей настоящего изобретения.

Предлагаемый способ дополнительно включает предварительный этап механической обработки зоны, подлежащей восстановлению вдоль траектории Р, для создания ровной поверхности, на которой впоследствии будет выполнено лазерное плакирование, как описано выше. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2-4, предварительный этап механической обработки включает, как правило, токарную обработку подлежащей восстановлению зоны путем использования вертикально-токарного станка, содержащего шпиндель, на котором устанавливают стенку 10 в соответствии со стандартной процедурой токарной обработки, известной из уровня техники.

После задания вышеуказанных параметров после предварительного этапа механической обработки и после выполнения второго этапа 120 согласно способу 100 следует третий этап 130 плакирования, в ходе которого перемещают вперед установку 1 или деталь С относительно друг друга для осуществления покрытия траектории Р от первой крайней точки А до второй крайней точки В лучом 2а и порошковой струей 3а для восстановления соответствующих поврежденных зон вдоль траектории Р. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2-4, кронштейн 1а перемещают вдоль круговой траектории Р от первой крайней точки А ко второй крайней точке В для покрытия траектории Р лазерным лучом 2а и порошковой струей 3а.

При выполнении плакирования происходит наплавление только части плакирующего материала, т.е. порошка из струи 3а на деталь С. Таким образом, после выполнения третьего этапа 130 вдоль траектории Р остается излишек порошка, который не был наплавлен на деталь С во время плакирования. Для удаления такого излишка после третьего этапа 130 согласно способу 100 следует четвертый, очищающий, этап 140, заключающийся в перемещении назад установки 1 или детали С относительно друг друга для покрытия траектории Р от второй крайней точки В до первой крайней точки А воздушной струей 4А для выдувания излишка порошка из восстановленных зон в указанном пазу. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2-4, роботизированный кронштейн 1а перемещают вдоль круговой траектории Р от второй крайней точки В к первой крайней точке А для осуществления покрытия траектории Р воздушной струей 4а.

В соответствии с различными вариантами выполнения предлагаемого изобретения для завершения восстановления поврежденных зон вдоль траектории Р третий и четвертый этапы 130 и 140 нужно повторять по меньшей мере один раз, т.е. общее число раз n≥2 для нанесения по меньшей мере двух слоев плакирующего материала. Количество повторений n зависит от толщины слоев плакирующего материала, наносимых при каждом выполнении третьего плакирующего этапа 130, а также от общего количества плакирующего материала, предназначенного для нанесения для достижения безупречного восстановления вдоль траектории Р.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения настоящего изобретения при повторе третьего этапа 130 изменяют угол между лазерным лучом 2а и траекторией Р, проходящей вдоль подлежащей восстановлению зоны. Как правило, во всех случаях такой угол меньше либо равен 90°.

В целом, многие другие детали турбомашины могут быть восстановлены с помощью предложенного способа, т.е. с использованием способа лазерного плакирования и установки, описанных выше.

Во всех случаях очевидно, что третий и четвертый этапы 130, 140 повторяют соответственно один за другим для очищения восстановленных зон от ненаплавленного плакирующего материала после каждого очередного выполнения третьего плакирующего этапа 130.

Изобретение относится к способу (100) восстановления детали (С) турбомашины и установке (1) для лазерного плакирования (варианты). Установка (1) для лазерного плакирования содержит источник (2) лазерного излучения, порошковый питатель (3) и источник (4) нагретого воздуха. Способ включает следующие этапы: настройку (110) установки (1) для лазерного плакирования; задание (120) траектории, содержащей зоны, подлежащие восстановлению путем лазерного плакирования в указанном узком пазу детали турбомашины; перемещение (130) вперед установки (1) для лазерного плакирования или детали (С) турбомашины для осуществления покрытия указанной траектории от первой крайней точки до второй крайней точки лазерным лучом (2а) и порошковой струей (3а); перемещение (140) назад указанной установки (1) или детали (С) турбомашины для осуществления покрытия указанной траектории от второй крайней точки до первой крайней точки воздушной струей (4а) для выдувания излишка указанного порошка. Для выдувания излишка порошка используют струю нагретого воздуха. Технический результат заключается в повышении прочностных характеристик детали турбомашины и возможность для восстановления узкого паза детали турбомашины. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ (100) восстановления детали (С) турбомашины, включающий следующие этапы:

настройку (110) установки (1) для лазерного плакирования, содержащей источник (2) лазерного излучения, порошковый питатель (3) и источник (4) воздуха, причем указанная установка (1) выполнена с обеспечением возможности схождения лазерного луча (2а), порошковой струи (3а) и воздушной струи (4а), сгенерированных соответственно источником (2) лазерного излучения, порошковым питателем (3) и источником (4) воздуха, в зоне, подлежащей восстановлению, в пазу указанной детали турбомашины,

задание (120) траектории, содержащей зоны, подлежащие восстановлению путем лазерного плакирования в указанном пазу, и проходящей между первой крайней точкой и второй крайней точкой,

перемещение (130) вперед установки (1) для лазерного плакирования или детали (С) турбомашины относительно друг друга для нанесения покрытия вдоль указанной траектории от первой крайней точки до второй крайней точки лазерным лучом (2а) и порошковой струей (3а) для восстановления указанных подлежащих восстановлению зон, и

перемещение (140) назад установки (1) для лазерного плакирования или детали (С) турбомашины относительно друг друга от второй крайней точки до первой крайней точки указанной траектории для выдувания излишка порошка из указанного паза воздушной струей (4а), причем воздух в воздушной струе нагревают.

2. Способ (100) по п. 1, в котором этапы перемещения (130) вперед и перемещения (140) назад повторяют по меньшей мере один раз.

3. Способ (100) по п. 1, в котором указанная траектория является дуговой.

4. Способ (100) по п. 1, в котором угловое расстояние между указанными первой и второй крайними точками составляет 180°.

5. Способ (100) по п. 1, в котором деталь (С) турбомашины является корпусом статора.

6. Способ (100) по п. 1, в котором воздух для воздушной струи нагревают с помощью теплообменника.

7. Способ (100) по п. 1, в котором воздух для воздушной струи нагревают до температуры ниже температуры отпуска детали турбомашины.

8. Способ (100) по п. 1, в котором воздух для воздушной струи нагревают до температуры от 200 до 250°С.

9. Способ (100) по любому из пп. 1-8, в котором воздух для воздушной струи нагревают до температуры, обеспечивающей сохранение механических свойств и структуры детали турбомашины.

10. Установка (1) для лазерного плакирования, содержащая источник (2) лазерного излучения, порошковый питатель (3) и источник (4) воздуха, причем указанная установка (1) выполнена с обеспечением возможности схождения в зоне, подлежащей восстановлению, лазерного луча (2а), порошковой струи (3а) и воздушной струи (4а), сгенерированных соответственно источником (2) лазерного излучения, порошковым питателем (3) и источником (4) воздуха, причем источник (4) воздуха выполнен с возможностью нагрева воздуха.

11. Установка (1) для лазерного плакирования, используемая при восстановлении детали турбомашины способом по любому из пп. 1-9, содержащая источник (2) лазерного излучения, порошковый питатель (3) и трубку источника (4) воздуха, которые установлены на роботизированном кронштейне (1а), выполненном с возможностью перемещения вдоль заданной траектории вперед и назад.