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
