- •В. А. Новиков организация технологической подготовки производства паровых и газовых турбин
- •Раздел 1. Общие вопросы технологической подготовки производства
- •Научные основы технологии турбостроения
- •История развития турбостроения и технологии производства турбин в России
- •Общие основы технологии
- •Производственный и технологический процессы
- •Элементы технологических процессов
- •Технологический процесс как основа научной организации производства и труда
- •Производственная структура машиностроительного завода
- •Тип и характер производства
- •Общая характеристика турбинного производства. Методы обработки
- •Станочный парк турбинных заводов
- •Методы получения необходимой формы деталей
- •Организационные основы технологической подготовки производства
- •Единая система технологической подготовки производства
- •Организация технологической подготовки производства на турбинном заводе
- •Сроки подготовки производства
- •2.4. Типизация технологических процессов
- •Единая система технологической документации
- •Последовательность и общие правила разработки технологических процессов
- •Изучение конструкции и технологичность изделия
- •Выбор заготовок
- •Порядок разработки технологических процессов
- •Общие принципы разработки технологических процессов
- •Последовательность обработки
- •Припуски на механическую обработку
- •Технологическая дисциплина
- •Технологические основы достижения точности
- •Показатели качества поверхности и их влияние на эксплуатационные свойства деталей турбин
- •Базирование деталей и основы проектирования приспособлений
- •Выбор технологических баз
- •Общие сведения о приспособлениях
- •Конструкция основных элементов приспособлений
- •Нормирование и повышение производительности труда
- •Себестоимость турбины и методы ее расчета
- •Направления развития технологии турбостроения
- •Особенности турбинного производства
- •Совершенствование станочного парка турбинных заводов
- •Применение прогрессивных методов обработки
- •1 Инструменты-электроды; 2 привод перемещения инструментов-электродов; 3 - лопатка
- •Гибкое автоматизированное производство
- •Системы контроля параметров предмета производства в технологических процессах
- •Раздел 2. Организация подготовки изготовления рабочих и направляющих лопаток
- •Лопаточный аппарат паровых и газовых турбин
- •Назначение лопаток и условия их работы
- •Материалы для изготовления лопаток
- •Конструкции и виды лопаток
- •Подготовка и разработка технологических процессов изготовления лопаток
- •Основные требования к механической обработке лопаток
- •Предельные отклонения на размеры, определяющие расположение рабочей части лопаток относительно базы в радиальном направлении, мм
- •Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток относительно базы в тангенциальном направлении, мм
- •Технологичность конструкций лопаток
- •3 Исходная линейчатая поверхность;
- •Виды заготовок, их влияние на технологические процессы обработки и экономичность
- •Классификация и типизация лопаток
- •Выбор технологических баз
- •Общая характеристика технологических процессов обработки лопаток
- •Контроль параметров лопаток
- •Перспективы развития технологии лопаточного
- •3.1. Повышение ресурса и надежности работы лопаток паровых и газовых турбин технологическими методами
- •7 Трубопровод для подачи воды
- •Перспективные научные исследования и разработки в области развития технологии лопаточного производства
- •Раздел 3. Организация подготовки изготовления роторов
- •Общие сведения о роторах турбин
- •Конструкция роторов
- •Детали и элементы роторов
- •Виды заготовок и применяемые материалы
- •2. Испытание материала роторов
- •Виды испытаний заготовок
- •Тепловые испытания вала ротора
- •Раздел 4. Организация подготовки изготовления корпусов цилиндров турбин и корпусов нагнетателя
- •Назначение и условия работы статора турбин и нагнетателей природного газа
- •Общие сведения о статоре турбины
- •Общие сведения о корпусе нагнетателя
- •Материалы для корпусов турбин и виды заготовок
- •Основные технические требования к механической обработке корпусов
- •Гидравлические испытания корпусов турбин
- •Цели и режимы гидравлического испытания
- •Оснастка и приспособления для проведения гидравлического испытания
- •Раздел 1. Общие вопросы технологической подготовки производства 7
- •Раздел 2. Организация подготовки изготовления рабочих и направляющих лопаток 146
- •Раздел 3. Организация подготовки изготовления роторов 254
- •Раздел 4. Организация подготовки изготовления
- •Организация технологической подготовки производства паровых и газовых турбин
установки
лопаток, срабатывания выходных кромок
направляющих (сопловых) лопаток и др.
Причинами
вибрации лопаток могут быть также
неудовлетворительные условия
эксплуатации. Например, при изменении
частоты напряжения в сети изменяется
число оборотов турбоагрегата, работающего
на эту сеть, и ухудшаются вибрационные
характеристики облопачивания. Величины
амплитуд вибрации при изменении
частоты вращения валопровода могут
возрасти, и отдельные ступени турбины
могут попасть в резонанс, так как
настройка лопаток обычно производится
с учетом возможности снижения частоты
в сети не менее 49,5 Гц и повышения не
более 50,5 Гц. Изменение
частоты более указанных пределов
недопустимо, так как неоднократное
повторение даже непродолжительных
промежутков времени работы с неверной
частотой может привести к поломкам
лопаток при напряжениях, значительно
меньших предела текучести их материала.
Указанные
условия работы требуют серьезного
подхода к вопросам конструирования
лопаток, выбору материалов для них и
организации их производства. Особо
тщательно следует выполнять все размеры,
образующие формы лопаток, и соблюдать
установленные для их изготовления
технические требования. Отклонения от
чертежей могут вызывать в лопатках
дополнительные напряжения, не
предусмотренные расчетами, что, в свою
очередь, может привести к аварии турбин.
Анализ
причин типичных аварий лопаточных
аппаратов, имеющих место на первых
машинах, изучение условий, в которых
работают лопатки, а также предложений
технологов, возникавших в процессе
освоения производства в части
технологических свойств выбираемых
материалов обусловили следующие
требования к материалам рабочих и
направляющих лопаток турбин:
высокая
жаропрочность, т. е. сохранение высоких
показателей прочности при высокой
рабочей температуре;
148
Материалы для изготовления лопаток
-высокая
пластичность, необходимая для равномерного
распределения напряжений по всей
площади поперечного сечения лопатки;
хорошая сопротивляемость местным
перенапряжениям;
высокая
усталостная прочность (выносливость);
~ 7
высокии
декремент затухания ;
-стабильность
структуры, обеспечивающая неизменность
механических свойств во время эксплуатации
турбины;
сопротивляемость
коррозии под действием перегретого и
влажного пара, а также кислорода
воздуха; высокая сопротивляемость
окислению и окалино- образованию при
высоких температурах в газовых турбинах;
высокая
сопротивляемость эрозии и кавитации;
-благоприятные
технологические свойства, позволяющие
применить более рациональные методы
обработки лопаток (в первую очередь -
обработку резанием) и обеспечивающие
точное выполнение размеров профиля и
высокую чистоту обработки. Металл для
лопаток должен хорошо коваться,
штамповаться, расклепываться без
появления трещин, хорошо гнуться и
вальцеваться в холодном состоянии.
В случае сварных конструкций от металла
лопаток требуется хорошая свариваемость.
Отечественные
турбиностроительные заводы применяют
для изготовления лопаток
высоколегированные стали и сплавы
коррозионностойкие, жаростойкие и
жаропрочные из номенклатуры по ГОСТ
5632-72 следующих классов и марок, указанных
в табл. 2.
Как
следует из табл. 2, из всей номенклатуры
сталей и сплавов по ГОСТ 5632-72, состоящей
из 127 позиций, турбинные заводы используют
только 9, что является весьма
положительным фактором. Многомарочность
затрудняет вопросы управления
производством, работы термического
цеха и отдела снабжения. Одновременно
с этим многомарочность зачастую приводит
к накоплению
на складах отдела снабжения
большого количества неиспользованных
материалов.
7
Декремент затухания определяет скорость
затухания вынужденных колебаний
лопаток, вызванных возмущающей
силой, и зависит от действия сил
внутреннего трения. Уменьшение напряжения
в лопатках обратно пропорционально
декременту затухания; высокий декремент
затухания ведет к значительному
уменьшению колебаний лопаток к моменту
следующего воздействия возмущающей
силы.
149
Из
номенклатуры сталей и сплавов, приведенной
в табл. 2, применяются в основном стали
12X13 и 20X13. Эти стали хорошо работают в
области температур до 475°С. Заметное
снижение прочности начинается лишь с
500°С.
Таблица
2
Номенклатура
сталей и сплавов
Номер |
Марка сталей и сплавов |
Температура |
Результаты на |
|
марки |
Новое |
Старое |
начала интен |
годность для |
по |
обозначение |
обозначение |
сивного окали- |
длительной ра |
ГОСТ |
|
|
нообразования, |
боты, 1, °С |
5632-72 |
|
|
°С |
|
|
Стали мартенситного класса |
|
||
1-7 |
15X11МФ |
1X11МФ |
750 |
535-540 |
1-12 |
20X13 |
2X13 |
750 |
475-500 |
|
Стали мартенситно-ферритного класса |
|
||
2-2 |
15Х12ВНМФ |
1Х12ВНМФ (ЗИ-802) |
750 |
560-580 |
2-4 |
12X13 |
1X13 |
750 |
475-500 |
|
Стали ферритного |
класса |
|
|
3-2 |
0813 |
0X13 |
750 |
475-500 |
|
Стали аустенитного класса |
|
||
6-10 |
09Х14Н19В2БР |
1Х14Н18В2БР (ЭИ-695Р) |
850 |
580-650 |
|
Сплавы на железоникелевой основе |
|
||
7-1 |
ХН35ВТ |
ЭИ-612 |
850 |
580-650 |
|
Сплавы на никелевой основе |
|
||
8-8 |
ХН80ТБЮ |
ЭИ-607 |
1050 |
650-800 |
8-10 |
ХН70ВМЮТ |
ЭИ-765 |
1000 |
650-800 |
При температурах до 540°С используется сталь 15X11МФ, а в пределах 560-580°С - 15Х12ВНМФ. Высокая пластичность таких сталей обеспечивает незначительную чувствительность их к концентрации напряжений.
Для лопаток сварных диафрагм используется сталь ферритного класса 08X13, которая не подкаливается при сварке.
При более высоких температурах применяются стали аустенитного класса с высоким содержанием марганца и никеля.
150
Проверенными в работе при температурах 580-650 °С являются сталь 09Х14Н19В2БР и сплав ХН35ВТ. Они пригодны для длительной работы (до 100000 ч) при температуре 650 °С. Основными недостатками аустенитных сталей и сплавов (см. табл. 2) в лопаточном производстве являются плохая обрабатываемость резанием и высокая стоимость заготовок. Поэтому при выборе сталей для лопаток надо стремиться найти подходящий материал среди более дешевых хромистых сталей, и только после этого можно начинать выбор среди аустенитных сталей (хромоникелевых).
Для лопаток, работающих при температурах 650-800°С, используются сплавы на никелевой основе (см. табл. 2).
Свойства некоторых сталей, соответствующие предъявляемым требованиям к материалу заготовок лопаточного аппарата, приведены в табл. 3.
Повышение мощности турбин повлекло за собой увеличение длины лопаток последних ступеней свыше 1000 мм и в связи с этим потребовало изыскания металлов прочнее, чем нержавеющие стали, так как прочностные возможности последних используются в лопатках длиной до 1000 мм. Более подходящим для длинных лопаток металлом является титан и, в частности, его сплавы с алюминием: при высоких механических свойствах титановых сплавов плотность их составляет всего лишь 4,4 г/см3, т. е. меньше, чем у сталей в 1,8 раза. И при этом они не уступают сталям по прочности. Коррозионная стойкость титановых сплавов очень велика и приближается к свойствам благородных металлов. Сопротивление эрозии у титановых сплавов выше, чем у нержавеющих сталей, но ниже, чем у стеллита, поэтому защита лопаток от эрозивного разрушения все-таки необходима.
Декремент затухания этих сплавов ниже, чем у нержавеющих сталей. Изготовление заготовок и механическая обработка их также сложнее, чем нержавеющих сталей. Как горячая, так и холодная обработка требуют применения специальных режимов.
Турбостроителями накоплен значительный опыт применения титановых сплавов для лопаток турбин. Определена путем длительных испытаний опытных образцов наиболее удовлетворительная марка сплава.
151
Таблица
3
Механические
свойства сталей, применяемых для
заготовок лопаток
Марка стали |
Категория прочности |
Механические свойства |
Число твердости по Бри- неллю НВ на поверхности заготовки, МПа (кгс/мм2) |
|||||
Предел Текучести, ° 0,2) МПа (кгс/мм2) |
Предел прочности, О в? МПа (кгс/мм2) |
Относительное удлинение, 85, % |
Относительное сужение, Ф, % |
Ударная вязкость ан при 20 °С, Н-м/см2 (кгс-м/см2), на образцах типа |
||||
I |
V |
|||||||
не менее |
||||||||
08X13, 08Х13-Ш |
КП4 2 |
Не менее 412(42) |
588,6 (60) |
20 |
60 |
98,1(10) |
117,7(12) |
1834-2129 (187-217) |
12X13, 12Х13-Ш |
КП4 5 |
441,5-637,7 (45-65) |
618(63) |
20 |
60 |
78,5(8) |
98,1(10) |
1834-2226 (187-229) |
КП5 5 |
539,6-686,7 (55-70) |
637,7(65) |
18 |
45 |
58,9(6) |
78,5(8) |
1933-2502 (197-255) |
|
20X13, 20Х13Ш |
КП5 0 |
490,5-637,3 (50-67) |
667,1(68) |
18 |
50 |
68,7(7) |
83,4(8,5) |
2031-2364 (207-241) |
КП6 0 |
568,5-716,1 (58-73) |
755,4(77) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2226-2639 (229-269) |
|
15X11МФ, 15X11МФ- Ш |
КП5 5 |
539,6-686,7 (55-70) |
686,7(70) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2129-2502 (217-255) |
КП6 0 |
588,6-755,4 (60-77) |
735,8(75) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2226-2639 (229-269) |
|
КП7 0 |
667,1-814,2 (68-83) |
784,8(80) |
13 |
40 |
39,2(4) |
58,9(6) |
2364-2806 (241-286) |
|
Окончание табл. 3
Марка стали |
Категория прочности |
Механические свойства |
Число твердости по Бри- неллю НВ на поверхности заготовки, МПа (кгс/мм2) |
|||||
Предел Текучести, ° 0,2> МПа (кгс/мм2) |
Предел прочности, О В5 МПа (кгс/мм2) |
Относительное удлинение, 55, % |
Относи тельное сужение, Ф, % |
Ударная вязкость Эя при 20 °С, Н-м/см2 (кгс-м/см2), на образцах типа |
||||
I |
V |
|||||||
не менее |
||||||||
15Х12ВН МФ, 15Х12ВН МФ-Ш |
КП6 0 |
588,6-755,4 (60-77) |
735,8(75) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2226-2639 (229-269) |
КП7 0 |
667,1-814,2 (68-83) |
784,8(80) |
13 |
35 |
39,2(4) |
58,9(6) |
2364-2806 (241-286) |
|
20Х12ВН МФ, 20Х12ВН МФ-Ш |
КП6 0 |
588,6-755,4 (60-77) |
735,8(75) |
15 |
40 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2226-2639 (229-269) |
КП7 0 |
667,1-814,2 (68-83) |
784,8(80) |
13 |
35 |
39,2(4) |
58,9(6) |
2364-2806 (241-286) |
|
18X11МН ФБ, 18ХМНФБ -Ш |
КП6 0 |
568,5-716,1 (58-73) |
735,8(75) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2226-2639 (229-269) |
КП7 0 |
667,1-814,2 (68-83) |
784,8(80) |
13 |
40 |
39,2(4) |
58,9(6) |
2364-2806 (241-286) |
|
13X11Н2В 2МФ |
КП7 0 |
667,1-784,8 (68-80) |
833,9(85) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2364-2806 (241-286) |
КП7 5 |
706,3-853,5 (72-87) |
863,3(88) |
15 |
50 |
58,9(6) |
78,5(8) |
2433-2963 (248-302) |
|
В турбинах отечественного производства в течение десятков тысяч часов вполне удовлетворительно работали отдельные пакеты и целые ступени с длиной рабочей части свыше 1000 мм. На основании накопленного опыта для лопаток последних ступеней паровой турбины К-200-240 применен титановый сплав марки ТС5.
В соответствии с техническими условиями этот сплав имеет следующий химический состав в процентах по массе: алюминий - 4,8-6,2; олово - 2,5-3,5; цирконий - 1,5-2,5; ванадий - 1,5-2,5; углерод -0,15; кремний - 0,15; азот - 0,05; водород - 0,01; железо - 0,30; кислород 0,15; титан - остальное.
Техническими условиями определены и механические свойства для штампованных заготовок: ов - 951,6 МПа (97 кгс/мм2); ф - 11,8%; 85 - 12,5; а„ - 50,9 Н-м/см2 (5,7 кгс-м/см2); НВ - 300.
Материалы скрепляющих деталей лопаточного аппарата. Для ленточных бандажей лопаточных аппаратов в зависимости от значений температуры и напряжений применяются стали 12X13 и 20X13. Для скрепляющей и демпферной проволок в паровых турбинах применяются стали типа 12X13.
Увеличение единичной мощности газовых турбин и стремление повысить температуру рабочего тела за камерой сгорания потребовали применения для лопаток газовых турбин специальных материалов. Лопатки турбины изготавливают из жаропрочных сплавов на никель-хромовой и никель-хром-кобальтовой основе, легированных Т1, А1, Мо, XV, 1ЧЬ, 2г, В, V, У, НГ, Ьа, Ке, Та и др. Используются в основном литейные жаропрочные сплавы, реже - деформируемые. Литейные сплавы более жаропрочные и жаростойкие, чем деформируемые сплавы.
Для изготовления рабочих и сопловых лопаток применяют следующие жаропрочные сплавы: литейные при температуре нагрева 950-1000°С - ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ-12У и др.; при 1050-1100°С - ЖС6УВИ, ЖС6Ф, ЖС26ВИ, ЖС30, ЖС32 и др.; деформируемые сплавы при температуре нагрева до 950°С - ЭП929, ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и др.
Все более широкое применение для изготовления лопаток газовых турбин находят тугоплавкие металлы и их сплавы (Та, Сг, XV, № и др.) и керамика.
154