Литье турбонагнетателей

Для литья деталей турбонагнетателей новых двигателей с высокими эксплуатационными характеристиками требуются материалы, которые полностью отвечают условиям и характеру работы соответствующей детали, а также позволяют уменьшить количество выхлопных газов и повысить производительность. По мере уменьшения размеров изделий и совершенствования рабочих характеристик требования к высоконапряженным литым деталям становятся более жесткими.

Турбонагнетатель состоит из двух основных 

Турбинное колесо в корпусе турбины поглощает энергию выхлопных газов и через вал механически передает ее к компрессору. Турбинное колесо может вращаться со скоростью от 160 000 до 300 000 об/мин. В двигателе с искровым зажиганием корпус турбины должен выдерживать температуру выхлопных газов, которая может достигать 1 050 °C. Турбинное колесо, перепускная заслонка и тепловой экран также подвергаются воздействию достаточно высоких температур. Тепловой экран препятствует попаданию тепла в корпус подшипника. Корпус подшипника является водоохлаждаемым, что позволяет предупредить недопустимый рост температуры после выключения двигателя. Внутри данной детали в пределах ограниченного пространства взаимодействуют четыре различных среды:

  • горячие выхлопные газы,
  • холодный воздух,
  • вода для охлаждения,
  • смазка, которая не должна становиться слишком горячей.

На литейном предприятии в первую очередь изготавливается три элемента турбонагнетателя выхлопных

  • Корпус турбины
    • В дизельном двигателе: как правило, высоколегированный чугун с шаровидным графитом, например, марки D2 и D5
    • В двигателе с искровым зажиганием (с учетом очень высоких рабочих температур): аустенитная литая сталь с высоким содержанием никеля и хрома.
  • Корпус подшипника
    • Как правило, изготавливается из серого чугуна
  • Турбинное колесо
    • Жаропрочный сплав на основе никеля, который расплавляют, а затем льют в вакууме

Корпус турбины

Корпус турбины играет здесь ключевую роль, так как он должен выдерживать чрезвычайно высокие тепловые напряжения. Кроме того, данный узел является и самым дорогим вследствие его размеров, сложности конструкции и материалов. Литейное предприятие сталкивается с такими ограничениями, как тонкие стенки корпуса, сложные и тонкие конструкции с высокими температурными градиентами внутри детали, а также частые изменения температуры в ходе эксплуатации. Кроме того, на сегодняшний день турбонагнетатель изготавливается как комбинированная деталь – вместе с выхлопным коллектором. При полной нагрузке вся деталь испытывает критические тепловые и механические напряжения. Подтверждением этому служит тот факт, что деталь нагревается до красного каления. Для выполнения столь жестких требований необходим многолетний опыт и использование ультрасовременных методов проектирования и моделирования.

Литье корпуса турбины – методы и материалы

Оболочковые стержни для отливаемой детали изготавливаются из смеси песка и термореактивных фенольных смол (по Кронингу) либо в холодных ящиках (из материалов различного состава), а соответствующая литейная форма – из бентонитового песка. Это классические составляющие для литья в песчаную форму.
На сегодняшний день для изготовления корпуса турбин используется, главным образом, аустенитный литейный чугун с шаровидным графитом (марка GJSA-XNiSiCr 35-5-2, т. е. нирезист D5 S). В специализированных источниках говорится, что рабочая температура данного аустенитного литейного чугуна с шаровидным графитом достигает 850 °C. В исключительных случаях предполагают, что она может достигать и 900 °C.
В современных двигателях под влиянием уменьшения размеров суммарная нагрузка и плотность теплового потока увеличиваются. Данные факторы следует учитывать при определении срока службы двигателей.

Сегодня в двигателях современной конструкции наблюдается повышение температуры выхлопных газов до 1 050 °C. Все вышесказанное обусловливает необходимость применения других подходов к проектированию турбонагнетателей с использованием новых материалов более высокого качества. Для этих целей можно применять жаростойкую литейную сталь различных марок, свойства которых успешно используются в нефтехимии. Однако имеющийся опыт, несомненно, необходимо адаптировать с учетом намного меньших размеров и толщины стенок турбонагнетателей. Следует учитывать и фактор стоимости новых материалов.
Марки жаростойкой аустенитной литейной стали, в частности, используются при температуре выхлопных газов до 1 050 °C. В составе данных марок стали присутствует значительное количество хрома и никеля, что особенно хорошо влияет на устойчивость и сопротивление тепловым ударам.

По сравнению с маркой D5 S температура литья такой стали должна быть выше на 200-300 °C. Именно высокая температура является еще одним фактором, обусловливающим сложность процесса литья. Это означает, что для изготовления стержней и литейных форм таких турбонагнетелей необходимо использовать
высококачественные связующие, огнеупорные покрытия, а также, возможно, присадки или специальные виды песка. При подготовке форм для стального литья также используется технология изготовления в холодных ящиках. Это позволяет недопустить протекание реакций с бентонитовым песком под воздействием высоких температур.

Конструкция литниково-питающей системы, которая должна извлекаться из отливки с наименьшими усилиями,
вакже значительно усложняется. Для максимально стабильной заливки материала необходимы фильтры
высокого качества. С учетом малых размеров детали и литниковой зоны необходимо обеспечить оптимальную эффективность питателей.

Однако наиболее сложной задачей для литейного предприятия является минимизация брака и максимальное повышение производительности. Формовочную плиту следует проектировать таким образом, чтобы за один цикл литья можно было изготовить как можно больше деталей.
Для оптимального использования формовочной плиты ее покрытие должно быть как можно более тонким и симметричным. Это позволит обеспечить максимально эффективную обдувку и извлечение отливки с использованием технологии литников. В идеале расположение и тип литников должны быть такими, чтобы отверстия литников находились на одной высоте относительно литейной формы, а площадь поверхности контакта с деталью была минимальной. Как при чугунном, так и при стальном литье используются
высоколегированные материалы. Следовательно, конструкция литников должна быть оптимальной, чтобы обеспечить извлечение литников с наименьшими усилиями и максимально снизить количество возврата ввиду
высокой стоимости материалов.

Весь процесс плавки – от расплавления материалов до заполнения литейных форм – должен протекать как можно более четко и слаженно. Неукоснительное соблюдение всех технических условий является основным залогом получения требуемой конструкции и отсутствия таких дефектов литья, как пузырьки, газовые поры, микропористость и даже усадочные раковины.

Тот факт, что шихтовые материалы для плавки постоянно меняются, а также что в ходе плавки
высокочувствительные материалы подвергаются воздействию непрерывно меняющихся условий, как правило, приводит к увеличению количества брака. В дополнение к точному заданию базовой структуры и формы графита (особенно для марки GJS (чугун с шаровидным графитом)), его размера и распределения, необходимо обеспечить использование проверенных и высококачественных материалов для получения расплавов.

Еще одним важным вопросом при изготовлении корпусов турбин является системное предупреждение образования ужимин. Данный дефект, как правило, образуется на внутренней поверхности турбины в зоне разъема литейной формы или в прилегающей зоне. В этом случае потребуется приложить огромные усилия для очистки с применением специального инструмента.

Сам факт использования кварцевого песка уже означает, что, помимо выбора связующего и покрытия, ключевым фактором получения отливки без ужимин является присадка. Тип присадки, а также ее количество, определяют конечный результат.

Высококачественное покрытие (сегодня это, как правило, покрытие на водной основе) необходимо для получения идеально чистой и гладкой внутренней поверхности турбины. Так как допуски чрезвычайно малы, покрытие должно обладать превосходными реологическими свойствами, а его состав должен быть настолько тщательно продуман, чтобы предупредить появление структурных дефектов на границе между стержнем и отливкой.

Высококачественное покрытие (сегодня это, как правило, покрытие на водной основе) необходимо для получения идеально чистой и гладкой внутренней поверхности турбины. Так как допуски чрезвычайно малы, покрытие должно обладать превосходными реологическими свойствами, а его состав должен быть настолько тщательно продуман, чтобы предупредить появление структурных дефектов на границе между стержнем и отливкой.

Питающая система для отливаемой детали необходима как при чугунном, так и при стальном литье. Выбор и размещение литника должен основываться на моделировании заполнения формы и кристаллизации. Помимо малых размеров, вставки прибыли EXACTCASTTM обеспечивают относительно небольшую поверхность контакта с отливаемой деталью и оптимальные свойства литейной формы. Негерметизированная литниковая система с использованием фильтров позволяет предотвратить турбулентное заполнение литейной формы и снижает
опасность образования пузырьков и спая. Как правило, для изготовления литейных форм применяется материал с бентонитовым связующим. Содержание влаги, фтора и азота в бентонитовым песке могут особенно негативно влиять на качество отливки. Чтобы снизить риск образования газовых пор, необходимо использовать не содержащие фтора питатели EXACTCASTTM и максимально снизить содержание влаги и азота. Следует также как можно чаще использовать и как можно реже менять материал, образующий блестящий углерод. При использовании литейной стали форма изготавливается из материалов с химическими связующими. Это позволяет обеспечить постоянные свойства в условиях высоких температур литья.

Турбинное колесо

Турбинное колесо является элементом турбонагнетателя, который испытывает самые большие напряжения. Температуры здесь также достигают 1 050 °C, а усилия исключительно механического характера обусловливают критические напряжения. Как правило, турбинные колеса выплавляются из высокопрочных сплавов на основе никеля. Весь процесс – от плавки до литья – проходит в условиях вакуума.

Корпус подшипника

Соединение корпуса подшипника с корпусом турбины является ключевым фактором, который определяет совокупный срок службы турбонагнетателя выхлопных газов. Именно здесь наблюдается самый высокий температурный градиент. Концепция водяного охлаждения также требует дальнейшего совершенствования, так как вследствие высоких температур отходящих газов необходимо обеспечить рассеивание намного большего количества тепла. Сам корпус подшипника обычно изготавливают из серого литейного чугуна посредством литья
в песчаную форму. При изготовлении отливок необходимо обеспечить высокую производительность и небольшой объем доработок. Стержни изготавливаются из органических материалов различными методами. Литейная форма состоит из материала с бентонитовым связующим.

Комплексные решения для литья турбонагнетателей

Компания ASK Chemicals выполняет все самые жесткие требования, которые предъявляются к литью двигателей. Продукция нашей компании совершенствуется и адаптируется с учетом специальных базовых материалов и исходного сырья, которые в основном используются на литейных предприятиях отдельных стран. В тесном сотрудничестве с литейными предприятиями мы непрерывно совершенствуем нашу продукцию с точки зрения сфер ее применения и пригодности для ежедневного использования в соответствующей стране. Моделирование литья – это инструмент, который использует группа специалистов компании ASK Chemicals по предоставлению услуг проектирования для воспроизведения различных физических процессов, происходящих в литейной форме в процессе литья. В первую очередь, это касается трех процессов: заполнение литейной
формы, кристаллизация и возникновение напряжений при охлаждении. Целью моделирования данных физических процессов является оперативный и эффективный контроль литья и кристаллизации, предупреждение образования усадочных раковин и микропористости, минимизация остаточных напряжений и деформации, уменьшение количества прототипов и пробных отливок. Группа специалистов компании ASK Chemicals по предоставлению услуг проектирования постоянно использует данный инструмент, чтобы сделать выводы и на основании полученных результатов продолжить разработку решений вместе с заказчиком. Цель любого проекта – обеспечить качество литья, которое отвечает всем техническим требованиям. Сотрудничество с заказчиком может дать значительный синергетический эффект как в сфере изготовления литейных форм и стержней, собственно плавки, так и модифицирования, литья, заполнения литейной формы и фильтрации.
Совместно с заказчиком разрабатываются и внедряются предложения по усовершенствованию всего производственного процесса. Все это позволяет нам предлагать широкий ассортимент специализированной продукции как с точки зрения технологии литья, так и с точки зрения отливаемой детали.