Быстрый поиск

Курсовая работа: Сварка корпуса газотурбинного двигателя

Введение

Развитию и усовершенствованию производства способствует бережное отношение к материалам, экология металла, уменьшение затрат труда на основе широкого внедрения автоматизации, а также комплексной и частичной механизации производственных процессов, улучшение качества продукции.

Сварка металлов – один из наиболее прогрессивных методов обработки металлов, отвечающим многим основным задачам техники.

Свариваемые конструкции наиболее трудоемкие при изготовлении. Применение сварки позволило значительно упростить процессы производства металлоконструкций, выполненных раннее клепкой, создать новые принципы изготовления арматуры сооружений из железобетона.

Сварочные работы производятся при помощи сварочно-дуговых автоматов и различного рода механизированных приспособлений, при помощи автоматизированных процессов контактной сварки. Сварка представляет собой высокопроизводительный процесс, позволяющий непрерывно улучшать трудоемкость изготовления изделий при улучшении качества. Сварка как процесс изготовления неразъемного соединения находит широкое применение при изготовлении металлургического, кузнечнопрессового, химического и энергетического оборудования, в с/х и транспортном машиностроении, в производстве строительных и других конструкций.

Ускоренное развитие сварочного производства вызывает быстрый рост численности кадров сварщиков, работающих в различных отраслях народного хозяйства, а также постоянное повышение требований к уровню их теоретических знаний и практической подготовки.

1. Описание конструкции, назначения и условия работы сварного узла

В современных газотурбинных двигателях применяются осевые газовые турбины. Число ступеней турбин зависит от величины срабатываемого теплоперепада и его распределения по ступеням. Степень совершенства турбины характеризуется ее КПД, который обычно достигает 0,9…0,92. Такое значение КПД имеют многоступенчатые турбины. Их рабочие лопатки снабжены полками и лабиринтными уплотнениями, уменьшающими перетекание газа через радиальные зазоры.

Корпус является составной частью статора газотурбинного двигателя (ГТД), он устанавливается в корпусе радиального компрессора.

Назначение корпуса:

1. Размещение в нем трех паяных металлокерамических обойм. Обоймы изготавливаются пайкой в контейнере с продувкой Аr в камерных печах типа KS-200. В качестве припоя используется припой ВПр, композиции Ni=28…30%, Mn = 28…30%, Со = 4…6%, Си остальное, с температурой пайки Тп = 1040… 1070 °С. Конструктивное назначение обоймы уплотнения – предотвращение взаимных перетечек газа и сжатого воздуха между первой ступенью турбины и компрессором.

При вращении крыльчатки в уплотнении обойм нарезаются лабиринты.

2. Размещение сильфона, который обеспечивает герметичность полости компрессора от полости турбины, при этом компенсирует возможные осевые тепловые перемещения.

3. Приваренные пластины обеспечивают в совокупности с деталью поз. 4 направленную подачу воздуха из компрессора в корневое сечение рабочих лопаток с целью снижения температуры и облегчение условий работы материала, обеспечение аропрочности равной, Г97550=200 Н/м (20 кг/см2), то есть материал лопаток: жаропрочный никелевый сплав в соответствии с ТУ должен обеспечивать при t°=975 °C; в течение 50 часов нагрузку, которая создает напряжение 200 Н/м2.

Конструкционные материалы для изготовления сварного узла выбраны исходя из условий эксплуатации:

1. Элементы узла расположенный вблизи компрессора и омываемые сжатым воздухом при давлении 2,5 – 30 атм. при температуре порядка 350 °С изготавливаются из хромистой коррозионной стали мартенситного класса 13Х11НВМФ (ЭИ-961).

2. Элементы узла (сильфон) расположенный в районе проточной (горячей части) газотурбинного двигателя, изготавливаются из жаростойкого никелевого сплава ХН78Т

3. Характеристика, структурный класс, химический состав материала деталей применяемых в сварном узле.

Сталь ЭИ-961 (13Х11НВМФ)

Вид поставки – сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949–75, ГОСТ 2590 – 71, ГОСТ 2591–71. Калиброванный пруток ГОСТ 8559–75, ГОСТ 8560 – 78, ГОСТ 7417–75. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955 –77. Полоса ГОСТ 4405–75, ГОСТ 103 – 76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133 – 71.

Назначение – ответственные нагруженные детали, работающие при температуре 600 °С. Сталь жаропрочная мартенситного класса.

В большинстве случаев высокохромистые мартенситные стали, имеют повышенное содержание углерода, некоторые из них дополнительно легированы никелем. Углерод, никель и другие аустенитообразующие элементы расширяют область и способствуют практически полному (М) – превращению в процессе охлаждения. Применение для закаленной стали отжига при температурах ниже точки А3 способствует отпуску структур закалки и возможности получения весьма благоприятного сочетания механических свойств – одновременно высоких значений прочности, пластичности и ударной вязкости. Ферритообразующие элементы (Mo, W, V) вводят для повышения жаропрочности сталей. Если обычные 12%-ные хромистые стали имеют достаточно высокие механические свойства при температурах до 500 °С, то сложнолегированные на этой основе стали обладают высокими характеристиками до 650 °С и используются для изготовления рабочих и направляющих лопаток, дисков паровых турбин и газотурбинных установок различного назначения.

Химический состав, % (ГОСТ 5632 – 72)

Мn

Сr

Сu

не более

0,10–0,16

0,6

10,5–12,0

1,50–1,80

1,6–2,0

0,35–0,50

0,18–0,30

0,3 0

0,02

0,03 0

Механические свойства высокохромистых мартенситных сталей и их сварных соединений определяются фактическим химическим составом и режимом термической обработки, с помощью которой можно регулировать как свойства самой мартенситной матрицы, так и конечный фазовый состав и структуру сталей. Существенное влияние на механические свойства оказывают также количество, величина и геометрическая форма -феррита, в общем случае способствующего снижению пластичности и ударной вязкости без существенного влияния на пределы прочности и текучести.

Механические свойства (ГОСТ5949 – 75)

Режимы термической обработки					KCU, Дж/см2
	МПа		%
	не менее
Закалка 1000–1020 °С, масло или воздух. Отпуск: 660–710 °С, воздух 540–590 °С, воздух	735 930	880 1080	15 13	55 55	88 88

Сплав ХН78Т

Заменитель – стали: ХН38ВТ, 12Х25Н16Г7АР, 20Х23Н18.

Вид поставки – лист тонкий: ГОСТ 24982 -81.

Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 25054 – 81.

Назначение – сортовые детали, трубы, работающие до температуры 1100 °С.

Химический состав

С	Si	Мп	Сr	Ti	А1	Fe	S	Р	Сu
не более					не более
0,12	0,8	0,7	19,0–22,0	0,15–0,35	0,15	1,0	0,1	0,015	0,07

2. Выбор способа сварки и его обоснование, выбор сварочных материалов

Технология сварки изделия из данной стали должна обеспечивать определённый комплекс требований, главное из которых – обеспечение равнопрочности сварных соединений и отсутствие дефектов в сварном шве, а также обеспечение равнопрочности и долговечности конструкции. Для выполнения этого требования механические свойства металла шва и около шовной зоны должны быть не ниже свойств основного металла. Технология изготовления должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса при требуемой надёжности конструкции.

Весьма благоприятные металлургические условия при сварке стали 13Х11НВМФ создает сварка в инертных защитных газах, как правило, в аргоне и в некоторых смесях на его основе. Причем в основном используется неплавящийся вольфрамовый электрод, а присадочный материал подбирают аналогично желаемому составу наплавленного металла.

При сварки данной стали, используется автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом в среде инертных газов. Эта сварка широко применяется при изготовлении тонколистовых конструкций мм, верхний предел не ограничен.

Сварка неплавящимся электродом в защитных газах это процесс, в котором в качестве источника теплоты применяют дуговой разряд, возбуждаемый между вольфрамовым электродом и изделием.

В качестве неплавящегося электрода наиболее широко применяют вольфрамовые стержни. Вольфрам – самый тугоплавкий из известных материалов (по температуре плавления уступает лишь углероду). Температура плавления его равна 3645К, а плотность – 19,3 г/см, =1000 МПа. Вольфрам имеет низкий коэффициент теплопроводности [X = 177,8–200,7 Вт/(м*К)], самую низкую скорость испарения. Поскольку вольфрамовые электроды при рабочей температуре характеризуются весьма высокой химической активностью к кислороду, то в качестве защитных газов применяют аргон, гелий и азот, являющиеся по отношению к вольфрамовым сплавам инертными. В ряде случаев для расширения технологических возможностей дуговой сварки целесообразно применять смеси аргона и гелия.

Применяемые вольфрамовые электроды должны отвечать требованиям ГОСТ 23949–80.

Для сварки в среде инертных газов применяются электроды Ø0,5–10 мм из чистого вольфрама (ЭВЧ). Для уменьшения нагрева и расхода электрода используются электроды из вольфрама с присадками: диоксида тория (ЭВТ), оксидов лантана ЭВЛ (1,1…1,4% LaO) и иттрия ЭВИ-1 (1,5…2% Y203), ЭВИ-2 (2…2,5% Y203).

У нас в стране широкое распространение получили электроды марок ЭВЛ и ЭВИ. Они выдерживают большую токовую нагрузку и имеют повышенную эрозионную стойкость при сварке по сравнению с электродами марки ЭВЧ. Диаметр вольфрамового электрода выбирается в зависимости от величины сварочного тока. Вольфрамовые электроды используются с заточкой под углом 20–90°.

Присадочная проволока для сварки выбирают исходя из состава материала, требований предъявляемых к сварным соединениям, и жесткости конструкции. Для уменьшения склонности к образованию трещин, следует свести к минимуму попадания водорода в шов и напряжения, возникающие при сварке. Применяют присадочные проволоки сходного состава, что и основной металл. Так по ГОСТ 2246–70 выпускаются: Св-04Х19Н9, dэл 1,2 мм; Св06Х19Н9Т, dэл 1,2 мм; Св-06Х15Н10М15, dэл = 1,2 мм. В данном случае применяется сварочная проволока Св11Х11Н2В2МФ, d =1 мм, изготовленная по ТУ 14–1–997–74.

Сварка постоянным током прямой полярности характеризуется максимальной проплавляющей способностью. В широком диапазоне параметров режима аргонодуговой сварки на постоянном токе прямой полярности на токах до 600А доля тепловой мощности, вводимой в изделие, составляет 40–85%, потери на нагрев вольфрамового электрода примерно 4–6%, а лучевые потери от столба дуги – 7–30%.

При сварке на обратной полярности и на переменном токе дуга горит неустойчиво, наблюдается увеличение нагрева электрода и увеличения его расхода.

Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в состоянии закалки усложняет технологию их сварки. При содержании углерода более 0,10% мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин при сварке из-за высокой степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. При снижении содержания углерода вязкость мартенсита повышается, однако образующийся при этом структурно свободный – феррит в свою очередь сообщает им высокую хрупкость. Поэтому в сварных соединениях мартенситных сталей трещины могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температурах ниже Т мн, а также в процессе выдержки при нормальной температуре (замедленное разрушение).

Для высокохромистых сталей температура начала мартенситного превращения не превышает 360 °С, а окончания 240 °С. С увеличением содержания углерода точки Тм.н и Тм.к еще более понижаются, что приводит к возрастанию твердости мартенсита и его хрупкости. Учитывая это, а также необходимость обеспечения сварным соединениям высокой пластичности и ударной вязкости для безопасности эксплуатации ответственных энергетических установок, содержание углерода в хромистых мартенситных сталях ограничивают до 0,20%.

Предотвращение образования холодных трещин является одной из задач при сварке 11–13%-ных хромистых сталей. В связи с этим применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200–450 °С. Температура подогрева тем выше, чем выше склонность стали к закалке. В тоже время температура подогрева не должна быть чрезмерно высокой, так как это может привести к отпускной хрупкости вследствие снижения скорости охлаждения металла в околошовной зоне в интервале температур карбидообразования. Кроме того, высокий подогрев, как и сварка с высокой погонной энергией, обеспечивает длительный перегрев околошовного металла, результатом чего является рост зерна, сегрегация примесей на границах зерен и, как следствие, снижение пластичности и вязкости сварных соединений.

Страницы: 1, 2