Способ нанесения покрытия на лопатки тепловой турбомашины

Способ нанесения покрытия на лопатки тепловой турбомашины

Реферат

 

Изобретение относится к области защиты от коррозии и может быть использовано в газотурбинных процессах. Сущность изобретения - нанесение покрытия на лопатки тепловой турбомашины с помощью высокоскоростного способа газопламенной металлизации, при котором защитный слой напыляется на поверхность основного материала со скоростью частиц по меньшей мере 300 м/с. Затем лопатки подвергаются последующей обработке, которая в зависимости от потребности служит для уменьшения шероховатости поверхности и/или для нанесения верхнего слоя. 6 ил.

Данное изобретение касается способа нанесения покрытия на лопатки согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Например, в открытом газотурбинном процессе всасываемый компрессором воздух содержит также водяной пар, а также твердые и газообразные примеси. Последние оказываются негативно с возникновением эрозии, загрязнения и коррозии. Находящиеся на лопатках отложения имеют частично значительную концентрацию оказывающих воздействие составных частей, таких как NaCl и KCl. Соли ведут наряду с высокотемпературной коррозией в лопаточной решетке турбины также к усиленной сквозной коррозии в зоне компрессора и к комплексному химическому снижению прочности материала лопаток. При высокой влажности воздуха во входной зоне компрессора происходит концентрация водяного пара, которая приводит к усиленному коррозийному разрушению передних рядов лопаток. Чтобы предотвратить это, лопатки вращающихся тепловых машин многократно покрывают защитными покрытиями. Это используется как для паро- и газотурбинных лопаток, так и для компрессорных лопаток. Таким образом, речь идет, прежде всего, о том, чтобы повысить сопротивление коррозии и окисляющего воздействия, а также против эрозии и изнашивания (износа). Если лопатки, несмотря на поверхностную обработку, все равно имеют повреждение, степень которого могла бы снизить эксплуатационную надежность, то лопатки демонтируют, заменяют новыми или восстанавливают и опять монтируют. Эти демонтаж и монтаж связаны с относительно высокими расходами и затратами времени. Затем действительное состояние лопаточной решетки становится видимым только после относительно долгого времени, т. е. после предварительной очистки, отсюда решение, может ли быть выполнено восстановление лопаток или нет, или уже необходимо, принимается только много позднее.

Недостатками этого метода являются большие потери времени, более высокие производственные расходы на установку, более высокие расходы при ревизиях и неопределенность в вопросе восстановления лопаток. Отсюда перешли к поиску путей и средств, чтобы выйти из этого затруднительного положения.

В этой связи известен способ, согласно которому ротор вместе с лопатками поднимается из статора для восстановления в отдельной установке. Подлежащие покрытию роторы с лопатками должны быть обезжирены, в случае необходимости ранее нанесенные органические покрытия должны быть полностью удалены. Затем подлежащим покрытию участкам придают шероховатость посредством сухой пескоструйной обработки с окисью алюминия, и металлическая поверхность активируется. Зоны, подлежащие покрытию, должны маркироваться с помощью соответствующих материалов. После этого наносятся основные слои, причем они в каждом случае должны обжигаться. Это ведет к длительной процедуре: процесс агломерации или процесс обжигания длится примерно 55 часов и должен проводиться в среднем четыре раза. Этот процесс агломерации или обжигания во время нанесения покрытия состоит из термообработки при температуре 350^oC с выдержкой примерно в 10-12 часов. Наряду с этим для проведения отдельных технологических операций должны предусматриваться весьма большие установки со специфическим геометрическим оформлением, следует только представить, что в процессе агломерации ротор с лопатками должен быть охвачен сводом печи.

Задача изобретения заключается в том, чтобы устранить отмеченные трудности. В основу изобретения, описанного в формуле изобретения, положена задача при небольших затратах времени и расходов предложить более рациональный метод для восстановления лопаток. Задачей изобретения является также увеличение срока службы покрытия посредством выбора подходящего способа и защитного слоя.

Существенные преимущества изобретения следует усматривать в том, что ротор с лопатками для первого процесса восстановления не должен сниматься из статора: очистка или удаление защитного слоя может приводиться перед непосредственной остановкой машины, т.е. компрессора, т.е. во время конечной фазы работы. Тем самым достигается равномерный подвод лопаток на обработку, причем достигнутая таким образом эффективность этого процесса очистки, которая обеспечивает наиболее полное удаление имеющегося защитного слоя, делает возможным принятие немедленного решения о восстановлении лопаток. Это решение может быть принято уже после остановки машины и удаления верхней части статора. Если после соответствующего анализа состояния лопаток принимается решение об их восстановлении, то достаточно поднять ротор из опор и поставить его на подмостки, где без помощи специального оборудования могут проводиться технологические операции по восстановлению. Это ведет к низким производственным расходам (расходы на ремонт), что не мешает периодическому проведению этого вида обработки. Таким образом, повышается эксплуатационная надежность установки.

Другое важное преимущество следует усматривать в том, что при применении высокоскоростного способа газопламенной металлизации предварительно обрабатываемые в смонтированном состоянии лопатки получают соответствующий защитный слой на Si- и Al-основе, локально и по мере необходимости, причем этот способ нанесения покрытия может проводиться без термообработки на более длительное время и без помощи специальных дополнительных установок. Это упрощает весь технологический процесс нанесения покрытия, в то время как расходы получаются примерно наполовину ниже, чем в известном способе. Кроме того, срок службы этого вида покрытия намного выше, чем у применяемых для этого в настоящее время так называемых комбинированных слоев. Так как предварительная обработка после напыления защитного слоя имеет большое значение для срока службы покрытия, по мере необходимости могут целенаправленно предприниматься непосредственные корррективы.

Благодаря этому в кратчайшее время при низких расходах на восстановление с помощью одного процесса с высокой согласованностью с окружающей средой получают лопатки очень высокого качества, которое гарантирует эксплуатационную надежность установки в течение длительного промежутка времени.

Предпочтительные и целесообразные усовершенствования соответствующего изобретению решения задачи охарактеризованы в других пунктах формулы изобретения.

Далее изобретение поясняется более подробно с помощью чертежей, где показаны примеры осуществления изобретения. Все не требующиеся для непосредственного понимания изобретения элементы исключены. Направление потока различных сред указано стрелками. Одинаковые элементы на различных фигурах снабжены одинаковыми ссылочными знаками.

На фиг. 1 показана турбоустановка с агрегатом для предварительной обработки; на фиг. 2 вид на фиг. 1 в плоскости 11-11; на фиг. 3 ступень очистки или удаление защитного слоя в колеблющейся эрозионной ванне; на фиг. 4 вид ротора согласно фиг. 3 вдоль плоскости IV-IV; на фиг. 5 способ окончательной очистки с реактивными соплами; на фиг.6 покрытие лопаток с помощью высокоскоростного способа газопламенной металлизации.

На фиг. 1 показана схематически газотурбинная установка 11, состоящая в основном из компрессорной части 11а, камеры сгорания 11в и трубной части 11с. При предварительной обработке лопаток нужно определить, имели ли последние в исходном состоянии покрытие. Независимо от этого происходит первая очистка лопаток перед остановкой машины, т.е. компрессора. Очистка лопаток покрытием состоит предпочтительно в эрозионном удалении его посредством мягкоструйного гранулята. Само собой разумеется, очистка непокрытых лопаток может производиться только с помощью водного растворителя, например трихлорэтилена. Посредством централизованно размещенного трехструйного сопла 1 (см. для этого также фиг. 2), действующего во всасывающем канале компрессора, через определенное время средство для очистки (гранулят мягкоструйный, водный раствор и т.д.) распыляется в потоке воздуха на компрессор. Равномерная и интенсивная подача 12 на лопатки компрессора составляет эффективный процесс очистки при непокрытых лопатках или полное удаление старого защитного слоя с лопаток с покрытием. Процесс очистки многократно повторяется в зависимости от потребности. Так как мягкоструйный гранулят при температурах примерно 300^oC сгорает, не возникает трудностей, связанных с удалением отходов. При применении водного раствора можно также принимать во внимание эту точку зрения.

Что касается схемы, многоструйное сопло 1 состоит из шарикового крана 2, подключенного в направлении потока средства очистки к смесительной камере 3 и служащего для регулирования расхода. Давление в этой смесительной камере 3 определяется посредством манометра 7. Вверх по течению от смесительной камеры 3 предусмотрен резервуар 4, в котором запасен, например, гранулят, причем с помощью фильтра и впускного клапана следят за тем, чтобы смесительная камера 3 была обеспечена гомогенным материалом. Необходимое давление в резервуаре 4 устанавливается с помощью воздухоподводящего трубопровода 10, причем редукционный вентиль 8 и главный вентиль 9 в воздухопроводе являются следующими вспомогательными средствами схемы. Посредством соответствующих мероприятий может также обрабатываться лопаточная решетка турбины.

В случае необходимости лопатки подвергаются очистке или удалению защитного слоя. Это происходит, как показано на фиг. 3 и 4, с помощью колеблющейся эрозионной ванны 14. Для этой цели ротор 11а и 11с с лепестками поднимается из статора и ставится на подмостки 13а и 13в таким образом, что определенная часть лопаточной решетки погружается в ванну 14. Посредством генератора колебаний 15 отдельные эрозионные компоненты ванны 14 начинают колебаться, что ведет к удалению остаточного загрязнения или остатков защитного слоя на лопатках. Тем самым основательно могут обрабатываться все виды лопаток ротора газотурбинной установки.

Окончательная очистка согласно фиг. 5 проводится с помощью дроби промышленного стекла для струйной обработки 18. Эта окончательная очистка базируется на эрозионном удалении посредством названного средства, которое может состоять из стекла. Определенная часть лопаточной решетки покрывается специальным кожухом 16, при одновременном отсасывании 19 распыленного средства осуществляется очистка с помощью одного или нескольких реактивных сопел 17.

Другие технологические операции могут предусматриваться в зависимости от потребности: обдирочное шлифование во всяком случае имеющихся еще коррозионных язв в наиболее нагруженных местах; дефектоскопия лопаток; контроль размеров лопаток в случае, если последние подвергались шлифованию; придание шероховатости поверхности посредством пескоструйной обработки; перед непосредственным нанесением покрытия рекомендуется нагреть лопатки примерно до 30^oС, например с помощью излучателя.

На фиг. 6 показано проведение высокоскоростного процесса газопламенной металлизации. Для этой цели предусматривается доступная сбоку оболочка 16, которая охватывает некоторое количество подготовленных лопаток. С помощью распылителя 20 защитный слой наносится на лопатки, причем сразу является возможным осуществлять вручную управление распылителем 20. Отсасывание 19 обеспечивает удаление избыточного средства из зоны лопаток.

Последующая обработка напыленных лопаток включает, как правило, следующие технологические операции: для уменьшения шероховатости поверхности применяется легкая шлифовка наждачным полотном и/или струями, например стеклянными шариками; для защиты основного слоя и для дальнейшего уменьшения шероховатости поверхности может наноситься верхний слой лака с помощью пистолет-распылителя. Этот лак не нуждается в высокотемпературном длительном отжиге (печи не нужны). По крайней мере, для первых рядов компрессора, где при эксплуатации преобладают более низкие температуры, применяется двухкомпонентный лак.

Примером средства для такого наружного слоя является полиуретанреакционный лак на систематической основе.

Относительно качества защитного слоя следует сказать, что общепринятые покрытия компрессоров очень часто имеют низкую эрозионную стойкость. Так как такие гальванические защитные слои действуют только, если они существуют в системе металл-покрытие-электролит, уменьшается защитное действие локально эродированного слоя.

Применяющийся здесь защитный слой на основе алюминия является активным корозионнозащитным слоем, состав которого выглядит предпочтительно следующим образом: 1. Защитный слой состоит из 6-15 мас. Si, остальное алюминий; 2. Другой защитный слой состоит из чистого алюминия; 3. Другой защитный слой состоит из 80 мас. Al, 5-15 мас. Si, остальное Cu, Mn, Mg, Ni.

Химическое строение вышеназванных защитных слоев, а также описанный выше способ нанесения (высокоскоростной способ газопламенной металлизации) определяют малочувствительный к эрозии слой "анод протекторной защиты", который активно защищает от коррозии основной материал. Способ нанесения, который является высокоэнергетическим способом нанесения покрытия, обеспечивает получение хорошо сцепляющихся с основным металлом эрозионностойких защитных слоев, которые без новой специфической для защитного слоя последующей обработки имеют требуемое электрическое соединение с основным материалом.

Предложенные защитные слои могут дополнительно снабжаться верхним слоем. Этот защитный верхний слой может быть, например, черным. Такой защитный верхний слой позволяет легче различить обледенение на лопатках с помощью детекторов льда. Высокоскоростной способ газопламенной металлизации, осуществляющийся со скоростью частиц по меньшей мере 300 м/с, дает оптимальное соединение покрытия с основным материалом лопаток. Даже при более толстых защитных слоях гарантировано, что покрытие не отстанет. Это можно объяснить тем, что при соударении частиц порошка благодаря высокой кинетической энергии возникают внутренние напряжения сжатия в соответственно прежде напыленном слое. Максимальная стойкость к эрозии объясняется еще и тем, что применяемые слои имеют очень высокую твердость. Благодаря предложенному способу получается, что содержание окислов слоя глубже, чем у напыленных в воздухе защитных слоев. Это означает, что слой чище, отчего он не так быстро окисляется, причем окисление происходит, во всяком случае, только на поверхности. Благодаря тому, что защитные слои очень плотны, их пористость ниже 0,5% Разрушение посредством коррозии практически исключено. При испытании в солевом тумане до ДИН 50021 стандартный керамический алюминиевый слой сравнивался с защитным слоем и вышеупомянутым способом. Результаты полностью подтвердили вышеупомянутые высказывания. В испытании на усталость проводилось аналогичное сравнение: выяснилось, что нагрузка до первой трещины усталости в лопатке с покрытием вышеназванного состава и по вышеназванному способу на 20% выше, чем у сравниваемых лопаток. Это означает, что надежность лопаток против усталостного разрушения может быть повышена.

Описанные выше преимущества, а также результаты после нескольких тысяч часов работы компрессора в установке, приближенной к морю, позволили получить повышение срока службы активного защитного слоя на 50%

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытия на лопатки тепловой турбомашины, расположенные в роторе или статоре, включающий подготовку поверхности лопаток после открытия турбомашины и нанесение защитного слоя, отличающийся тем, что перед открытием турбомашины в ее рабочем состоянии проводят очистку с помощью средства, подводимого воздушным потоком, а после подготовки наносят защитный слой газопламенной металлизацией со скоростью напыления не менее 300 л/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве средства, подводимого воздушным потоком, используют органический абразивный материал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что к качестве средства, подводимого воздушным потоком, используют водный раствор трихлорэтилена.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подготовку поверхности приводят в вибрационной ванне.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопламенной металлизацией наносят защитный свой состава, мас.

Si 6 15 Al Остальное 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопламенной металлизацией наносят защитный слой алюминия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопламенной металлизацией наносят защитный слой состава, мас.

Al 80 Si 5 15 Сu, и/или Mn, и/или Мо, и/или Ni Остальное 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после газопламенной металлизации проводят механическую обработку покрытия.

9. Способ по пп.1 и 8, отличающийся тем, что после механической обработки наносят слой полиуретанового лака на синтетической основе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6