VÝVOJ TECHNOLOGIE PRESNÉHO LITÍ LOPATEK PLYNOVÝCH TURBÍN DEVELOPMENT OF PRECISE CASTING TECHNOLOGY FOR GAS TURBINE BLADES

Transkript

1 METAL 2004 Hradec nad Moravicí VÝVOJ TECHNOLOGIE PRESNÉHO LITÍ LOPATEK PLYNOVÝCH TURBÍN DEVELOPMENT OF PRECISE CASTING TECHNOLOGY FOR GAS TURBINE BLADES Karel Hrbácek a Božena Podhorná b Antonín Joch a Karel Hrbácek ml. a a První brnenská strojírna Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš, CR, hrbacek.karel@pbsvb.cz b UJP PRAHA, Nad Kamínkou 1345, , Praha Zbraslav, CR, E- mail:podhorna@ujp.cz Abstrakt V První brnenské strojírne Velká Bíteš, a.s. byla vyvinuta technologie presného lití lopatek pro stacionární plynové turbíny typu GT Lopatky techto turbín byly puvodne zhotoveny zápustkovým kováním a následným mechanickým opracováním. Tato technologie je znacne nárocná nebot zde dochází k velmi malému využití výchozího materiálu a rovnež náklady na mechanické opracování jsou znacné. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí vytavitelného modelu. Abstract První brnenská strojírna Velká Bíteš, a.s. developed a precision casting process to be used for the manufacture of stationary gas turbine blades of the GT type. Previously, the blades were die-forged and then machined. Such a process was rather prohibitive, since the rate of base stock utilization was low while the cost of machining was substantial. The need of replacement blades for turbines nearing the safe limit of their service life encouraged the development of a new process envisaged for the blade manufacture. To tackle the task, the company chose to embrace the technology of precision investment casting. 1. ÚVOD Na základe rozsáhlých výzkumných pracích, provedených v uplynulých létech / 1-10/ byla v našem podniku vyvinuta a plne osvojena technologie presného lití lopatek pro zahranicní stacionární plynové turbíny. Tyto lopatky byly z materiálu IN 738LC, Udimet 500 a N 155. Chemické složení techto materiálu je uvedeno v tab. I III..Dosažené výsledky nás inspirovaly k zahájení vývoje technologie presného lití lopatek plynových turbín typu GT Lopatky techto turbín byly puvodne zhotoveny zápustkovým kováním a následným mechanickým opracováním. Tato technologie je znacne nárocná nebot zde 1

2 dochází k velmi malému využití výchozího materiálu a rovnež náklady na mechanické opracování jsou znacné. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí vytavitelného modelu. 2. Vývoj technologie presného lití turbínových lopatek Turbínové lopatky jsou behem provozu znacne namáhány. Dochází postupne k degradaci jejich mechanických vlastností. Tím se vycerpává jejich životnost, po kterou mohou pracovat bez velkého provozního rizika. Jako horní hranice životnosti techto lopatek u plynových turbín typu GT lze urcit v soucasné dobe hodnotu provozních hodin. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby techto lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí metody vytavitelného modelu. Jako konstrukcní materiál lopatek byl zvolen materiál IN 713LC a materiál LVN4. Pro lopatky 1.rady rotor, 2. rady rotor a 1. rady stator byla navržena slitina IN 713LC, pro lopatky 3. rady rotor, 2. rady stator a 3. rady stator byla použita slitina LVN4. Chemické složení slitiny IN 713LC je uvedeno v tab. IV a chemické složení slitiny LVN4 je uvedeno v tab.v. Mechanické vlastnosti jednotlivých typu lopatek byly zjištovány v intervalu teplot < 20; 750 > C. Zjištené mechanické hodnoty jsou uvedeny v tab.vi - VIII. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu vykazují velmi dobré pevnostní vlastnosti až do oblasti provozních teplot turbíny GT Odlitky lopatek byly navrženy pouze sminimálním prídavkem na závesu lopatek, který se následne mechanicky opracovává, listy lopatek u všech typu jsou odlévány bez prídavku na mechanické opracování s výjimkou technologického konce lopatky. Tím se dosáhlo vysoké úspory jak na materiálu, tak i pri obrábení lopatek oproti lopatkám zápustkove kovaným. Navržený tvar odlitku však vyžaduje vysokou presnost jak pri lisování voskových modelu, tak i pri výrobe keramické formy a vlastním odlévání lopatek. Tato presnost musí být reprodukovatelná pri sériové výrobe lopatek. Pro výrobu voskových modelu se používá vosk, zabezpecující velkou tvarovou stálost a opakovatelnost procesu, rovnež tak je dovážen speciální písek na bázi Al 2 O 3 a SiO 2 pro výrobu keramických forem. Tavení používaných materiálu a odlévání lopatek probíhá ve vakuu za prísného dodržování teplot lití a predepsané úrovne vakua. Veškeré odlitky jsou podrobeny 100% kontrole na výskyt vnitrních a povrchových vad. Tyto kontroly jsou vyhodnocovány dle predepsaných technických podmínek. Rovnež každá provozní dávka odlitku je podrobena mechanickým zkouškám dle sjednaných podmínek. Temito zkouškami a prísným dodržováním predepsaného technologického postupu je zabezpecená vysoká kvalita všech odlitku. 3. Záver Výsledkem vývojových prací bylo zvládnutí technologie presného lití lopatek plynové turbíny typu GT ze superslitin na bázi niklu. V soucasné dobe jsou již tyto lopatky dodávány pro generální opravy turbín a pracují bez poruchy. Soucasne jsme vyvinuli a provozne zavedli výrobu presne litých mezilopatkových vložek a segmentu nosicu lopatek, které jsou rovnež potrebné jako náhradní díly techto turbín. 2

3 LITERATURA 1. HRBÁCEK, K., JOCH, A., SVOBODA, O., HRBÁCEK, K., BOŽEK, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 00/01, PBS Velká Bíteš, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.927, ŠKODA ÚJP Praha, HRBÁCEK, K., BURIAN, P., JOCH, A., HRBÁCEK, K. ml., ŠUSTEK, P., SVOBODA, O. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 01-02, PBS Velká Bíteš, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.964, ŠKODA ÚJP Praha, HRBÁCEK, K., BURIAN, P., JOCH, A., HRBÁCEK, K. ml., ŠUSTEK, P., SVOBODA, O. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 01-02, PBS Velká Bíteš, SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 738LC pro litá kola. ÚFM AV CR Brno, CHLUPOVÁ, A., OBRTLÍK, K. Nízkocyklová únava materiálu Inconel 738LC. ÚFM AV CR Brno, KUNZ, L.: Vysokocyklová únavová životnost superslitiny IN 738LC. ÚFM AV CR Brno, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J. Výzkum materiálových vlastností a vývoj nových technologií presného lití spojených s náhradou kovaných žárupevných slitin za lité slitiny. Zpráva UJP 1047, Praha, SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 738LC. ÚFM AV CR Brno,

4 Tabulka I. Chemické složení slitiny IN 738LC v %hm. C 0,09-0,13 Mn max. 0,20 Si max. 0,30 Cr 15,7-16,3 Ti 3,20-3,70 Al 3,20-3,70 Fe max. 0,50 B 0,007-0,012 Zr 0,03-0,08 Nb 0,60-1,10 Ta 1,50-2,00 Mo 1,50-2,00 W 2,40-2,80 Cu max. 0,10 Co 8,00-9,00 P max. 0,015 S max. 0,015 Ni zbytek Tabulka II. Chemické složení slitiny Udimet 500 v %hm. C max. 0,10 Mn max. 0,20 Si max. 0,30 Cr 16,0-20,0 Mo 3,0-5,0 Fe max. 2,0 B 0,002-0,010 Co 16,0-20,0 Ti 2,50-3,25 Al 2,50-3,25 Cu max. 0,10 P max. 0,015 S max. 0,015 Ni základ 4

5 Tabulka III. Chemické složení materiálu N 155 v %hm. C max. 0,20 W 2,00-3,00 Mn 1,00-2,00 Nb+Ta 0,75-1,25 Si max. 1,0 Co 18,5-21,0 Cr 20,0-22,5 N 2 0,10-0,20 Ni 19,0-21,0 P max. 0,04 Mo 2,50-3,50 S max. 0,03 Fe zbytek Tabulka IV. Chemické složení slitin IN 713C, IN 713LC v %hm. IN 713 C IN 713 LC C 0,08-0,20 0,03-0,07 Mn max. 0,25 max. 0,25 Si max. 0,50 max. 0,50 Cr 12,0-14,0 11,0-13,0 Ti 0,50-1,00 0,40-1,00 Al 5,50-6,50 5,50-6,50 Fe max. 2,50 max. 0,50 B 0,005-0,015 0,005-0,015 Zr 0,050-0,150 0,050-0,150 Nb + Ta 1,80-2,80 1,50-2,50 Mo 3,80-5,20 3,80-5,20 Cu max. 0,50 max. 0,50 Co max. 1,0 max. 1,0 S max. 0,015 max. 0,015 P max. 0,015 max. 0,015 Ni zbytek zbytek Tabulka V. Chemické složení slitiny LVN4 v %hm. C max. 0,10 Mn max. 1,0 Si max. 1,0 Cr 18,0-22,0 Ti 2,00-2,70 Al 0,50-1,00 Ti + Al min. 3,00 Fe max. 5,00 B 0,005-0,010 Cu max. 0,25 Ni zbytek 5

6 Tabulka VI. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál IN713LC Lopatková rada 1. rotor 2. rotor 1. stator Oznacení vzorku Teplota [ C] Rm [MPa] Rp02 [MPa] A5 [%] Z [%] 1R1L ,5 13,5 1R2L ,7 10,7 1R3L ,5 10,7 1R4L ,1 12,6 1R5L ,3 6,4 1R1Z ,7 12,2 1R2Z ,5 13,1 1R4Z ,7 6,4 1R5Z ,9 6,9 2R1L ,4 10,2 2R2L ,9 5,9 2R4L ,9 15,3 2R5L ,8 13,5 2R1Z ,3 9,8 2R2Z ,1 10,3 2R3Z ,0 3,5 2R4Z ,5 5,4 2R5Z ,1 5,4 1S2L ,9 6,9 1S4L ,0 13,5 1S5L ,5 9,8 1S1Z ,1 21,2 1S2Z ,5 13,1 1S3Z ,9 13,0 1S4Z ,3 21,2 1S5Z ,7 15,9 6

7 Tabulka VII. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál LVN4 Lopatková rada 3. rotor 2. stator Oznacení vzorku Teplota [ C] Rm [MPa] Rp02 [MPa] A5 [%] Z [%] 3R1L ,4 10,7 3R2L ,8 14,9 3R3L ,5 23,1 3R4L ,0 18,1 3R5L ,9 16,3 3R1Z ,7 5,0 3R2Z ,0 11,7 3R3Z ,7 23,1 3R4Z ,8 16,3 3R5Z ,4 17,2 2S1L ,9 5,9 2S2L ,5 12,6 2S1Z ,7 14,4 2S2Z ,5 26,0 2S4Z ,7 15,4 2S5Z ,1 10,7 3. stator 3S1Z ,7 16,3 3S2Z ,9 18,1 3S3Z ,1 15,9 3S4Z ,6 9,8 3S5Z ,7 22,1 7

8 Tabulka VIII. Výsledky merení tvrdosti lopatek Slitina lopatky IN713LC Typ lopatky 1. stator 1. rotor 2. rotor 2. stator 3. stator Oznacení vzorku Místo merení tvrdosti A Místo merení tvrdosti B Namerené Strední Namerené Strední hodnoty hodnota hodnoty hodnota 1SP1 418, 389, , 348, SP2 404, 393, , 370, SP3 415, 406, , 351, SP4 400, 415, , 362, SP5 413, 396, , 358, RP1 441, 429, , 370, RP2 429, 427, , 383, RP3 409, 409, , 383, RP4 406, 398, , 391, RP5 425, 439, , 383, RP1 406, 396, , 371, RP2 393, 402, , 368, RP3 406, 404, , 381, RP4 402, 396, , 371, RP5 396, 413, , 381, RP2 264, 280, , 280, RP3 283, 299, , 272, RP4 295, 261, , 283, RP5 289, 287, , 293, SP1 297, 293, , 301, SP2 298, 297, , 282, SP3 243, 242, , 269, SP4 246, 258, , 260, SP1 266, 258, , 258, SP2 237, 247, , 268, SP3 231, 238, , 266, SP4 240, 242, , 268, SP5 248, 231, , 264, , 242, , 256,

9 Lopatka 1. rotorové rady Lopatka 2. rotorová rady Lopatka 3. rotorové rady Obr.1 9

10 Lopatka 1. statorové rady Lopatka 2. statorové rady Lopatka 3. statorové rady Obr.2 10