آنچه در مقاله نازل و پره ها می خوانید کوتاه در لیست زیر آمده است.
پیشنهاد میکنیم تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.
فهرست مطالب
پره و نازل
کمپرسورها و توربین ها از مراحل مختلف پره‌های ثابت و دوار تشکیل شده اند که در هر مرحله فشار هوا را قبل از مخلوط شدن با سوخت و احتراق به تدریج افزایش می‌دهند. پره ها (Blade) باید در سرعت‌ها و دماهای چرخشی بالا کار کنند، در حالی که نازل‌ها (Vane) جریانی را که پره‌های چرخان به پیش می‌راند با بازده بهینه به مرحله بعدی توربین هدایت می‌کنند. هم پره‌ها (Blade) و هم نازل‌ها (Vane) باید در برابر اکسیداسیون، خوردگی و سایش مقاوم بوده و طول عمری را در سرویس داشته باشند.
پردازش حرارتی حیاتی است و به طور گسترده در اجزای توربین استفاده می‌شود. عملیات جوانسازی (HIP) پره‌ها (Blade) و نازل‌ها (Vane) عیوب داخلی ریخته‌گری را از بین می‌برد و در نتیجه عملکرد را بهبود می‌بخشد و عمر عملیاتی را افزایش می‌دهد. آب بندی به شکل لانه زنبوری لحیم کاری شده تحت خلاء، جریان برگشتی بین مراحل را کاهش می‌دهد، علاوه بر این لحیم کاری خلاء به مونتاژ هندسه‌های پیچیده نازل (Vane) اجازه می‌دهد تا خنک کننده بین مرحله‌ای را فراهم کند. پوشش‌های مقاوم در برابر سایش، مانع حرارتی و پوشش‌های ضد فرسایش به طور گسترده برای محافظت از پره‌ها (Blade) استفاده می‌شوند. موتورهای مشتق هوا از پره‌های (Blade) توربین تک کریستالی استفاده می‌کنند که برای دستیابی به مقاومت و دوام بهینه در دمای بالا عملیات حرارتی می‌شوند.
پره‌های راهنمای نازل ثابت و پره‌های دوار در بخش توربین در معرض دماهای شدید قرار دارند زیرا گازی که از محفظه احتراق بر روی این قسمت‌ها آزاد می‌شود ممکن است از ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد (۲۹۰۰ درجه فارنهایت) فراتر رود. پره‌های توربین، علاوه بر این، تنش‌های مکانیکی را در این محیط کاری، شدید تجربه می‌کنند، برای کاربردهای اجزای خاص، فناوری اسپری حرارتی، یک فرآیند بسیار مقرون به صرفه است که برای محافظت از بسیاری از این قطعات در برابر حرارت و تخریب محیطی استفاده می‌شوند.
گرم ترین محیط برای قطعات در مرحله اول توربین است. هدف از پره راهنمای نازل، هدایت جریان هوا از گازهای خروجی محفظه احتراق است. عملکرد پره‌های چرخان توربین، تبدیل انرژی جنبشی گازهای داغ خروجی از نازل به نیرویی است که کمپرسور را به حرکت در می‌آورد و نیرو تامین می‌کند.
توربین‌ها پیشرفته هستند. آنها به طور گسترده از خنک کننده نازل و پره توربین استفاده می‌کنند و در نتیجه اجازه دمای بالای ورودی توربین را برای دستیابی به راندمان بی همتا می‌دهد. هوای خنک کننده گرفته شده از مسیر گاز کمپرسور (تا ۲۰ درصد) برای محافظت از بخشهای داغ در محفظه‌های احتراق و توربین‌ها استفاده می‌شود.
مواد ساخت پره‌های توربین
پره‌های قسمت توربین به دلیل کار در درجه حرارت بالا و محیط خورنده و اعمال شوک‌های حرارتی، تنش‌های خستگی (در ریشه پره‌های متحرک)، تنش‌های ضربه‌ای (ناشی از برخورد ذرات خارجی) و سایر تنش‌ها دارای شرایط کاری بسیار سخت بوده و در معرض انواع خرابی‌ها قرار دارند. بر این اساس، ساخت پره‌های توربین نیازمند بکار گیری مواد ساخت مناسب، طراحی مناسب (طراحی کانال و سوراخ‌های هوا جهت خنک کاری پره‌ها / یا استفاده از پوشش) و همچنین به‌کارگیری امکانات تجهیزات و روش‌های ساخت و تولید ویژه‌ای می‌باشد. با توجه به شرایط کاری این پره‌ها، معیارهایی که در انتخاب مواد آنها مطرح می‌باشد عبارت‌اند از :
مقاومت به خزش
مقاومت به خستگی
مقاومت به اکسیداسیون
مقاومت به خوردگی
مقاومت به سایش
مقاومت به ضربه
قابلیت ریخته‌گری
قابلیت جوشکاری
سوپر آلیاژها به دلیل دارا بودن خواص سازگار با شرایط کاری و تولید پره‌ها سال‌هاست که به عنوان مواد ساخت پره‌های توربین شناخته شده‌اند و همچنان به موازات پیشرفت در طراحی و ساخت توربین‌های جدید، تحقیقات در زمینه توسعه سوپر آلیاژها نیز ادامه دارد.
سوپر آلیاژها قابلیت کار در دما و تنش مکانیکی بالا و در محیط‌های خورنده را داشته و عموماً بر پایه یکی از عناصر نیکل، کبالت و آهن می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل به دلیل داشتن ترکیب بهینه‌ای از خواص مورد اشاره در بالا نسبت به ۲ گروه دیگر از اهمیت بیشتری برخوردارند.
مراحل تدوین دانش فنی و ساخت پره
۱. شناسایی پره
در این مرحله با استناد به مدارک و یا پره‌های فابریک شناسایی متالورژیکی و مکانیکی پره صورت می‌پذیرد. در شاخه شناسایی متالورژیکی، موارد جنس، نوع پوشش، خواص مکانیکی، متالوگرافی و میزان عیوب داخلی پره مورد ارزیابی قرار گرفته و با مقایسه نتایج آزمایش‌های انجام‌شده بر روی پره فابریک و استانداردها و مدارک معتبر سازندگان، شناسنامه این پره اقتباس می‌گردد. این شناسنامه در ادامه تولید در کنترل کیفی پره‌های تولید شده مورد استناد قرار می‌گیرد. همچنین در مرحله شناسایی مکانیکی پره، نقشه‌های دقیقی از ایرفویل و شنگ پره توسط CMM و ریشه پره توسط Profile Projector تهیه شده و پره میانه برای ساخت قالب فلزی انتخاب می‌گردد، تلرانس‌های ابعادی ایرفویل و ریشه پره با توجه به استانداردهای کنترل ابعادی موجود و اندازه‌گیری پره‌های فابریک اقتباس شده و نقشه کامل شده فابریک تهیه می‌گردد.
۲. تهیه شمش سوپر آلیاژ
سوپر آلیاژهای مورد نیاز از سازندگان معتبر خارجی خریداری می‌گردد.
۳. طراحی و ساخت قالب فلزی
این مرحله یکی از اساسی‌ترین مراحل ساخت پره است. زیرا ابعاد نهایی پره از دقت‌های بسیار بالایی برخوردار می‌باشد. همان‌گونه که در قسمت شناسایی پره اشاره شد نقشه دقیق استخراج شده از پره، مبنای ساخت قالب فلزی قرار می‌گیرد ولی می‌بایست درصد انقباض موم و فلز در این قالب در نظر گرفته شود. با توجه به اینکه ممکن است مبردهای مومی قبل از تزریق در داخل قالب فلزی قرار بگیرد محاسبه میزان انقباض نواحی مختلف مدل مومی از فعالیت‌های بسیار پیچیده می‌باشد. جهت تأیید و در خط تولید قرار گرفتن قالب فلزی، اولین قطعات ریخته‌گری شده از این قالب‌ها و خود قالب فلزی توسط CMM اندازه‌گیری و ارزیابی می‌شوند.
طراحی و ساخت گیج‌های کنترل ابعادی
گیج‌های کنترل ابعادی مختلفی در مراحل ساخت پره مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعد از مرحله شناسایی مکانیکی پره و تهیه نقشه‌های کامل پره این فعالیت شروع شده و با توجه به شکل و اندازه پره معمولاً سه سری گیج کنترل ابعادی مهیا می‌گردد:
الف- گیج‌های کنترل ابعادی موم
ب- گیج‌های کنترل ابعادی پره ریختگی
ج- گیج‌های کنترل ابعادی ریشه و قسمت‌های ماشین‌کاری شده گیج‌های کنترل موم و پره ریختگی مجهز به ساعت‌های اندازه‌گیری با دقت صدم میلی‌متر گیج‌های کنترل ابعادی ریشه در حد میکرون می‌باشد.
طراحی سیستم راهگاهی
به‌منظور حصول بهترین شیب انجمادی و ساختار کریستالی داخلی و دانه‌بندی سطحی، سیستم راهگاهی پره طراحی شده و خوشه‌های مومی و سپس سرامیکی تهیه می‌گردد، بعد از ذوب ریزی، طرح مواد، مورد ارزیابی خواص متالوژیکی و مکانیکی قرار گرفته و در صورت لزوم تغییراتی در آن اعمال می‌گردد.
تهیه قالب‌های سرامیکی
قالب فلزی تزریق موم در این مرحله بکار گرفته شده و پره مومی تهیه می‌گردد. پره‌های مومی پس از خارج شدن از قالب در صورت لزوم در قالب‌های نگه‌دارنده موم قرار گرفته تا کاملاً به‌صورت کنترل شده سرد شوند. موم‌ها سپس توسط گیج‌های کنترل ابعادی خاصی کنترل شده و موم‌هایی که از نظر ابعادی مورد تأیید قرار می‌گیرند در سیستم راهگاهی مونتاژ شده و خوشه مومی تشکیل شده در خط دوغاب‌دهی سرامیکی قرار می‌گیرد. بعد از نشاندن حدود ۱۰ لایه سرامیک بر روی این خوشه‌ها، آنها را در دستگاه اتوکلاو قرار داده تا موم آنها تخلیه گردد. سپس خوشه‌های سرامیکی در دمای بالاتر پخت می‌شوند تا استحکام لازم جهت ریخته‌گری را کسب نمایند.
ریخته‌گری پره
ریخته‌گری پره‌ها به روش ریخته‌گری دقیق در خلأ صورت می‌پذیرد. به این منظور از کوره VIM (Vacuum Induction Melting) استفاده شده و قالب‌های سرامیکی قبل از ریخته‌گری پیشگرم می‌شوند. هر دوی مراحل پیش گرم و ریخته‌گری، در خلأ انجام می‌گردد. طی چند مرحله ریخته‌گری آزمایشی و ارزیابی خواص متالوژیکی و مکانیکی و ابعادی پره‌ها شرایط دمای ذوب ریزی، دمای گرم، سرعت بارریزی و نحوه سرد کردن پره بعد از ذوب ریزی تعیین شده و تثبیت می‌گردد. به منظور کنترل ابعادی پره ریختگی از گیج‌های ساعتی ساخته‌شده استفاده شده و ابعاد پره ریختگی با توجه به شناسنامه موم همان پره مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. همچنین آزمایش‌های FPI ، رادیوگرافی، دانه‌بندی، متالوگرافی، کشش و خزش پره‌های ریخته‌گری شده به منظور ارزیابی شرایط ریخته‌گری در این مرحله صورت می‌پذیرد.
کنترل کیفی
بعد از تثبیت شرایط ریخته‌گری، پره‌ها ریخته‌گری می‌شوند و آزمایش‌های کنترل کیفی آنها صورت می‌پذیرد تا پره‌های تأییدشده به مراحل بعدی تولید ارسال شوند.
آزمایش‌های کنترل کیفی به دو گروه تقسیم می‌شوند: آزمایش‌های غیر مخرب و آزمایش‌های مخرب.
آزمایش‌های غیر مخرب بر روی تمامی پره‌ها صورت می‌پذیرد و شامل آزمایش‌های بازدید چشمی، FPI، رادیوگرافی، دانه‌بندی سطحی و کنترل ابعادی می‌باشد.
آزمایش‌های مخرب نیز شامل کشش، خزش، آنالیز شیمیایی و متالوگرافی هستند. نمونه‌های استاندارد آزمایش‌های کشش و خزش از داخل پره‌ها و یا به صورت AS Cast تهیه شده و در دمای محیط و دماهای بالا مورد آزمایش قرار می‌گیرند. همچنین یک پره از یک بچ ریختگی به طور کامل تخریب شده و در نواحی مختلف ایرفویل و ریشه توسط میکروسکوپ و دستگاه آنالیز تصویر، عیوب انقباضی و ناخالصی‌های آن مورد بررسی قرار می‌گیرند.
آنالیز شیمیایی نمونه‌ای از هر بچ ریختگی نیز توسط دستگاه کوانتومتر یا XRF و دستگاه‌های دقیق دیگر اندازه‌گیری می‌شود. در تمامی موارد آزمایش‌های غیر مخرب و مخرب، معیارهای کنترل کیفی از استانداردهای معتبر جهانی در مورد پره‌های توربین و سوپر آلیاژهای مورد نظر اقتباس می‌شود. کنترل ابعادی پره توسط گیج‌های ساعتی و گیلتون گیج صورت می‌پذیرد. این گیج‌ها توسط پره فابریک مبنا کالیبره می‌شوند و تلرانس‌های ابعادی مورد قبول از پره‌های فابریک و استانداردهای کارخانه‌های سازنده پره اقتباس می‌شود.
انجام عملیات فشار داغ (HIP)
پره‌های تأییدشده در کنترل کیفی جهت بالا بردن ضریب اطمینان و کاهش پراکندگی خواص و نهایتاً افزایش طول عمر، جهت عملیات HIP به خارج از کشور ارسال می‌شوند.
ایجاد کانال‌های خنک‌کننده
برخی از پره‌ها به دلیل کارکرد در شرایط کاری دمای بالا، نیاز به کانال‌های خنک‌کننده دارند که از دو روش ماهیچه گذاری و STEM استفاده می‌گردد. در روش STEM کانال‌های خنک‌کننده پره توسط دستگاه STEM ایجاد می‌گردند و در روش ماهیچه گذاری نیز از ماهیچه‌های سرامیکی که بعضاً در داخل محلول‌های شیمیایی خاصی حل می‌گردند استفاده می‌گردد. سطوح این کانال‌ها دارای زبری خاصی است که بازدهی خنک‌کنندگی پره‌ها را افزایش می‌دهد. دستگاه STEM در ایران موجود نمی‌باشد و پره‌ها جهت سوراخ‌کاری مستقیماً بعد از عملیات HIP در خارج کشور به محل کارخانه مورد نظر جهت سوراخ‌کاری ارسال می‌شوند. فعالیت‌های تبادل اطلاعات فنی، ساخت فیکسچرها و سوراخ‌کاری پره‌های آزمایشی تا به دست آوردن پارامترهای ماشین‌کاری توسط شرکت سفارش‌دهنده پیگیری می‌گردد و به محض حصول نتیجه مطلوب، سوراخ‌کاری پره‌های هرست انجام می‌گیرد.
ماشین‌کاری
ریشه پره‌های توربین از دقت ابعادی بسیار بالایی برخوردار هستند و کلاس دقت آنها در حد میکرون است. با توجه به سختی و چقرمگی سوپر آلیاژ، ماشین‌کاری ریشه پره از روش‌های معمول امکان‌پذیر نیست و معمولاً در تمام دنیا از دستگاه سنگ‌زنی خزشی استفاده می‌شود.
به منظور سنگ‌زنی خزشی لازم است پره در فیکسچرهای بسیار صلب قرار گیرد تا در اثر نیروهای بالای سنگ‌زنی هیچ‌گونه ارتعاشی در پره صورت نپذیرد. در روش سنگ‌زنی خزشی در هر پاس می‌توان چند میلی‌متر باربرداری انجام داد و سنگ نیز به طور پیوسته توسط تیزکن تیز می‌گردد تا تلرانس ابعادی قطعه حفظ شود. بعد از سنگ‌زنی، ابعاد پره توسط گیج‌های کنترل ابعادی شامل پین گیج‌ها، گیج بروو نرو و گیج توازی سطوح و کیفیت سطوح آن توسط FPI مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
مراحل سنگ‌زنی شامل سنگ‌زنی کاج ریشه، بغل‌ها و سرپره می‌باشد.
پوشش‌دهی
قسمت ایرفویل بعضی از پره‌ها توسط پوشش‌های PVD با نفوذی از نوع RT22 پوشش دهی می‌شوند. امکانات داخلی و خارجی برای انجام این فرآیندها موجود می‌باشد.
عملیات حرارتی
به منظور بهینه کردن ساختار متالورژیکی پره، عملیات حرارتی حل سازی جزئی و پیر سازی بر روی پره‌ها صورت می‌پذیرد. این عملیات در کوره‌های تحت خلأ و یا در اتمسفر با گاز محافظ انجام می‌شود.
شات پین
به منظور حذف اثرات مضر سنگ‌زنی خزشی، ریشه پره‌ها بعد از عملیات حرارتی شات پین می‌شوند. این عملیات نیز توسط دستگاه خاص صورت می‌پذیرد. این دستگاه توسط چندین نازل ساچمه‌هایی با سایز مشخص را با فشار و زاویه مشخص بر روی سطوح ماشین‌کاری شده می‌باشد تا با ایجاد تنش فشاری سطحی، عمر خستگی ریشه را افزایش دهد.
ردیف‌چینی و بسته‌بندی
در آخرین مرحله، پره‌ها بالانس وزنی شده و توسط برنامه کامپیوتری ردیف‌چینی می‌شوند و همراه مدارک کنترل کیفی در بسته‌بندی مناسب تحویل کارفرما خواهند شد.
شرکت فیدار مکانیک رایکا: شرکت فیدار مکانیک رایکا فعال در حوزه مهندسی، ساخت، مهندسی معکوس و تامین قطعات توربین و کمپرسور در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، مقاله فوق را جهت آگاهی گرد آوری کرده است .
