vývoj technologie přesného lití lopatek plynových turbin

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, 595 12 Velk á Bíteš,
C R , E -m a i l : h r b a c e k . k a r e l @ p b s v b . c z
b
UJP PRAHA, Nad Kamínkou 1345, 156 10, Praha – Zbraslav, CR, E mail:[email protected]
Abstrakt
V První brnenské strojírne Velká Bíteš, a.s. byla vyvinuta technologie presného lití
lopatek pro stacionární plynové turbíny typu GT 750-6. 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 750-6 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 750 – 6. Lopatky techto turbín byly puvodne zhotoveny zápustkovým kováním a
následným mechanickým opracováním. Tato technologie je znacne nárocná nebot zde
1
dochází k velmi malému využití výchozího materiálu a rovnež náklady na mechanické
opracování jsou znacné. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu ná hradních
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 750 – 6 lze urcit vsoucasné dobe hodnotu 120 000 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 GT750-6.
Odlitky lopatek byly navrženy pouze s minimálním 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 Al2 O3 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 750 – 6 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
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, 2000
2. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových
slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.927, ŠKODA
– ÚJP Praha, 2000
3. 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, 2001
4. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových
slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.964, ŠKODA
– ÚJP Praha, 2001
5. 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, 2001
6. SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek
materiálu IN 738LC pro litá kola. ÚFM AV CR Brno, 2002
7. CHLUPOVÁ, A., OBRTLÍK, K. Nízkocyklová únava materiálu Inconel 738LC. ÚFM
AV CR Brno, 2002
8. KUNZ, L.: Vysokocyklová únavová životnost superslitiny IN 738LC. ÚFM AV CR
Brno, 2002
9. 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, 2003
10. SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek
materiálu IN 738LC. ÚFM AV CR Brno, 2003
3
Tabulka I. Chemické složení slitiny IN 738LC v %hm.
C
Mn
Si
Cr
Ti
Al
Fe
B
Zr
Nb
Ta
Mo
W
Cu
Co
P
S
Ni
0,09 - 0,13
max. 0,20
max. 0,30
15,7 - 16,3
3,20 - 3,70
3,20 - 3,70
max. 0,50
0,007-0,012
0,03 - 0,08
0,60 - 1,10
1,50 - 2,00
1,50 - 2,00
2,40 - 2,80
max. 0,10
8,00 - 9,00
max. 0,015
max. 0,015
zbytek
Tabulka II. Chemické složení slitiny Udimet 500 v %hm.
C
Mn
Si
Cr
Mo
Fe
B
Co
Ti
Al
Cu
P
S
Ni
max. 0,10
max. 0,20
max. 0,30
16,0 - 20,0
3,0 - 5,0
max. 2,0
0,002 - 0,010
16,0 - 20,0
2,50 - 3,25
2,50 - 3,25
max. 0,10
max. 0,015
max. 0,015
základ
4
Tabulka III. Chemické složení materiálu N 155 v %hm.
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Fe
max. 0,20
1,00 - 2,00
max. 1,0
20,0 - 22,5
19,0 - 21,0
2,50 - 3,50
zbytek
W
Nb+Ta
Co
N2
P
S
2,00 - 3,00
0,75 - 1,25
18,5 - 21,0
0,10 - 0,20
max. 0,04
max. 0,03
Tabulka IV. Chemické složení slitin IN 713C, IN 713LC v %hm.
C
Mn
Si
Cr
Ti
Al
Fe
B
Zr
Nb + Ta
Mo
Cu
Co
S
P
Ni
IN 713 C
IN 713 LC
0,08 - 0,20
max. 0,25
max. 0,50
12,0 - 14,0
0,50 - 1,00
5,50 - 6,50
max. 2,50
0,005-0,015
0,050-0,150
1,80 - 2,80
3,80 - 5,20
max. 0,50
max. 1,0
max. 0,015
max. 0,015
zbytek
0,03 - 0,07
max. 0,25
max. 0,50
11,0 - 13,0
0,40 - 1,00
5,50 - 6,50
max. 0,50
0,005-0,015
0,050-0,150
1,50 - 2,50
3,80 - 5,20
max. 0,50
max. 1,0
max. 0,015
max. 0,015
zbytek
Tabulka V. Chemické složení slitiny LVN4 v %hm.
C
Mn
Si
Cr
Ti
Al
Ti + Al
Fe
B
Cu
Ni
max. 0,10
max. 1,0
max. 1,0
18,0 - 22,0
2,00 - 2,70
0,50 - 1,00
min. 3,00
max. 5,00
0,005-0,010
max. 0,25
zbytek
5
Tabulka VI. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál IN713LC
Lopatková
rada
1. rotor
2. rotor
1. stator
Oznacení
vzorku
1R1L
1R2L
1R3L
1R4L
1R5L
1R1Z
1R2Z
1R4Z
1R5Z
2R1L
2R2L
2R4L
2R5L
2R1Z
2R2Z
2R3Z
2R4Z
2R5Z
Teplota
[°C]
20
600
650
700
750
20
600
700
750
20
600
700
750
20
600
650
700
750
Rm
[MPa]
775
795
785
836
834
834
825
781
867
871
913
946
929
817
760
800
816
777
Rp02
[MPa]
741
706
687
735
690
760
713
725
714
747
821
782
712
718
674
710
767
695
A5
[%]
6,5
8,7
6,5
8,1
6,3
5,7
7,5
4,7
6,9
10,4
2,9
6,9
8,8
8,3
8,1
6,0
3,5
4,1
Z
[%]
13,5
10,7
10,7
12,6
6,4
12,2
13,1
6,4
6,9
10,2
5,9
15,3
13,5
9,8
10,3
3,5
5,4
5,4
1S2L
1S4L
1S5L
1S1Z
1S2Z
1S3Z
1S4Z
1S5Z
600
700
750
20
600
650
700
750
795
777
813
793
889
781
810
731
719
718
708
704
712
712
701
662
4,9
6,0
5,5
16,1
7,5
6,9
9,3
8,7
6,9
13,5
9,8
21,2
13,1
13,0
21,2
15,9
6
Tabulka VII. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál LVN4
Lopatková
rada
3. rotor
2. stator
3. stator
Oznacení
vzorku
3R1L
3R2L
3R3L
3R4L
3R5L
3R1Z
3R2Z
3R3Z
3R4Z
3R5Z
2S1L
2S2L
2S1Z
2S2Z
2S4Z
2S5Z
Teplota
[°C]
20
600
650
700
750
20
600
650
700
750
20
600
20
600
700
750
Rm
[MPa]
604
530
560
502
465
511
467
525
456
431
547
481
634
581
439
398
Rp02
[MPa]
516
430
456
446
436
506
438
449
446
400
522
444
525
453
367
347
A5
[%]
8,4
14,8
15,5
12,0
6,9
5,7
6,0
7,7
4,8
6,4
3,9
6,5
9,7
13,5
8,7
11,1
Z
[%]
10,7
14,9
23,1
18,1
16,3
5,0
11,7
23,1
16,3
17,2
5,9
12,6
14,4
26,0
15,4
10,7
3S1Z
3S2Z
3S3Z
3S4Z
3S5Z
20
600
650
700
750
523
441
436
430
394
507
398
405
400
307
6,7
10,9
7,1
7,6
22,7
16,3
18,1
15,9
9,8
22,1
7
Tabulka VIII. Výsledky merení tvrdosti lopatek
Slitina
lopatky
Typ
lopatky
Oznacení
vzorku
IN713LC
1. stator
1. rotor
2. rotor
2. stator
3. stator
1SP1
1SP2
1SP3
1SP4
1SP5
1RP1
1RP2
1RP3
1RP4
1RP5
2RP1
2RP2
2RP3
2RP4
2RP5
3RP2
3RP3
3RP4
3RP5
2SP1
2SP2
2SP3
2SP4
Místo merení tvrdosti
A
Namerené
Strední
hodnoty
hodnota
418, 389, 411
406
404, 393, 375
391
415, 406, 400
407
400, 415, 409
408
413, 396, 398
402
441, 429, 409
426
429, 427, 402
412
409, 409, 409
409
406, 398, 404
403
425, 439, 406
423
406, 396, 406
403
393, 402, 409
401
406, 404, 404
405
402, 396, 409
402
396, 413, 398
402
264, 280, 286
277
283, 299, 276
286
295, 261, 294
283
289, 287, 276
284
297, 293, 302
297
298, 297, 276
290
243, 242, 258
247
246, 258, 269
258
M í s t o m e r e ní t v r d o s t i
B
Namerené
Strední
hodnoty
hodnota
373, 348, 362
361
360, 370, 375
368
370, 351, 358
360
366, 362, 353
360
348, 358, 366
357
348, 370, 371
363
377, 383, 364
375
362, 383, 377
374
370, 391, 396
386
383, 383, 370
379
387, 371, 377
378
379, 368, 370
372
375, 381, 387
381
381, 371, 393
382
377, 381, 366
375
295, 280, 287
287
276, 272, 277
275
290, 283, 294
289
286, 293, 287
289
283, 301, 302
295
276, 282, 268
275
246, 269, 266
260
258, 260, 249
256
3SP1
266, 258, 263
262
256, 258, 265
260
3SP2
3SP3
3SP4
3SP5
237,
231,
240,
248,
248,
251
236
246
243
246
269,
270,
274,
248,
260,
270
267
271
258
258
247,
238,
242,
231,
242,
8
268
238
256
251
248
268,
266,
268,
264,
256,
274
264
271
261
258
Lopatka 1. rotorové rady
Lopatka 2. rotorová rady
Lopatka 3. rotorové rady
Obr.1
9
Lopatka 1. statorové rady
Lopatka 2. statorové rady
Lopatka 3. statorové rady
Obr.2
10