BCT tua bin huớng trục làm việc với cột n−ớc thấp, với bánh xe công tác 300 mm mà chúng ta nghiên cứu có phạm vi làm việc ở cột n−ớc từ 0,5 - 4m. Với cột n−ớc này, áp lực dòng chảy lên BCT không lớn lắm, số vòng quay t−ơng đối thấp. Vì cột n−ớc tua bin thấp nên về mặt khí thực, BCT cũng không chịu ảnh h−ởng nhiều, để đảm bảo tính kinh tế, vật liệu và công nghệ chế tạo phải lựa chọn sao cho giá thành sản phẩm thấp nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, độ bền của sản phẩm.
Lực tác dụng lên lá cánh BCT tua bin h−ớng trục theo lý thuyết tính toán rất phức tạp, nó gồm 2 thành phần chính là lực quay Pu và lực dọc trục Pz.
ở đây ta không đi sâu vào phân tích và tính toán các lực này, ta đ−a ra một số giả thiết để tính bền cho lá cánh ở điều kiện bất lợi nhất.
- BCT chịu toàn bộ tác dụng của cột n−ớc tác dụng lên nó:
) ( 4 . 12 b2 H D D P P= π − (9.1) PH - áp lực ở cột n−ớc lớn nhất (4m)
- Các lá cánh chịu lực đều nhau:
4
P
Pl = (9.2)
- Lá cánh là một dầm công sôn chịu lực Pl tại điểm xa nhất.
Hình 23. Sơ đồ chịu lực của lá cánh BCT tua bin h−ớng trục
- Giả thiết mặt lá cánh vuông góc với trục bầu, mặt cắt nguy hiểm nhất tại vị trí sát bầu có kích th−ớc là:
Hình 24. Sơ đồ mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất của lá cánh BCT tua bin h−ớng trục
Trong đó:
h: Chiều dày trung bình của tiết diện sát bầu b: Chiều rộng trung bình của tiết diện sát bầu Ta có mô men lớn nhất tại mặt cắt sát bầu:
) 2 2 .( 1 max b l D D P M = − (9.3)
Từ đó xác định đ−ợc ứng suất nguy hiểm:
ỹn y y J E M . . max max = σ (9.4) ) 2 2 (D1 Db − Pl h b z y
Trong đó: 12 .h3 b Jy = 2 h yỹn = E: mô đun đàn hồi vật liệu.
Nếu biết đ−ợc vật liệu, kết hợp với kích th−ớc của BCT, ta sẽ xác định đ−ợc ứng suất nguy hiểm. Từ đó ta có thể kết luận đ−ợc vật liệu có thích hợp hay không.
9.2.2. Lựa chọn vật liệu:
Từ điều kiện làm việc của BCT đã chọn, ta thấy rằng nếu chọn vật liệu là gang xám GX 21 - 40 có:
Độ bền kéo cho phép: [σ]k = 21 kg/mm2 Độ bền uốn cho phép: [σ]u = 40 kg/mm2 Thay vào công thức (4.4) ta có :
σk
max =9,78kg/mm2 << [σ]k=21 kg/mm2
σu
max =9,78kg/mm2
<< [σ]u=40 kg/mm2
Nh− vậy, về mặt cơ tính vật liệu gang xám GX 21- 40 hoàn toàn phù hợp. Đây là vật liệu rất phổ biến và rẻ tiền nên giá thành của sản phẩm sẽ thấp phù hợp với điều kiện kinh tế hiện tại của chúng ta.
Vật liệu GX 21 - 40 có thành phần cơ bản trong bảng sau:
Bảng4. Thành phần hoá học của gang xám GX 21-40 Các bon C Si lic Si Măng gan Mn Phốt pho P L−u huỳnh S 2.8 -3,2 1,1-1,8 0,6-1,2 0,35 0,12 Vật liệu GX 21 - 40 có tính công nghệ đúc tốt: Nhiệt độ nóng chảy t−ơng đối thấp.
- Độ chảy loãng cao, có thể đúc đ−ợc các sản phẩm có chiều dày thay đổi lớn. - Thích hợp với nhiều ph−ơng pháp đúc khác nhau.
Đối với gia công cơ, vật liệu GX 21 - 40 cũng cho phép gia công đơn giản bằng các vật liệu dao cắt thông th−ờng. Có thể gia công trên tất cả các các máy công cụ. Do vậy có thể gia công chế tạo ở bất kỳ x−ởng gia công cơ khí nào.
Tóm lại, trong điều kiện làm việc thông th−ờng của BCT tua bin h−ớng trục cột n−ớc thấp (≤ 4m) có D1 =300mm, vật liệu chế tạo là gang xám GX 21 - 40 là rất phù hợp cả về kinh tế và kỹ thuật.
Sau đây chúng tôi đi sâu vào trình bày các nghiên cứu quy trình công nghệ gia công, chế tạo BCT này với vật liệu đã chọn ở trên.
93. Quy trình công nghệ.
9.3.1. Tạo phôi bằng ph−ơng pháp đúc.
Tất cả các BCT tua bin nói chung khi tạo phôi liền thì một điều hết sức quan trọng là phải đảm bảo các kích th−ớc hình dạng, sự t−ơng quan, chất l−ợng bề mặt lá cánh cũng nh− toàn bộ các bộ phận dẫn dòng mà sau khi tạo phôi sẽ khó hoặc không thể gia công đ−ợc. Cụ thể, đối với BCT ta đang xét, đ−ờng kính ngoài của bầu, hình dạng các mặt cắt lá cánh, chất l−ợng bề mặt lá cánh đều rất khó gia công (chỉ có thể mài sửa bằng ph−ơng pháp thủ công, năng suất rất thấp, độ chính xác kém).
Do đó trong điều kiện công nghệ cho phép, cần phải tạo đ−ợc độ chính xác tối đa khi chế tạo phôi. Điều đó đặt ra vấn đề là phải chọn đ−ợc ph−ơng pháp đúc thích hợp đảm bảo giá thành chấp nhận đ−ợc mà vẫn đảm bảo đ−ợc các yêu cầu đặt ra.
Tr−ớc đây các công nghệ đúc hiện đại cho độ chính xác cao ch−a đ−ợc áp dụng vào sản xuất ở n−ớc ta, BCT tua bin th−ờng đ−ợc đúc theo ph−ơng pháp cổ điển trong khuôn cát - đất sét. Ph−ơng pháp đúc này có đặc điểm là: Mẫu (th−ờng chế tạo bằng gỗ) làm bằng ph−ơng pháp thủ công từ bản vẽ các biên dạng lá cánh. Từ bộ mẫu gỗ (giống hệt chi tiết thật) này, tiến hành làm các hộp khuôn và thao bằng hỗn hợp cát đất sét ẩm, bề mặt của khuôn và thao đ−ợc quét một lớp n−ớc thuỷ tinh hoặc sơn bằng bột phấn chì. Sau khi sấy khô chúng đ−ợc ghép với nhau và tiến hành rót kim loại lỏng vào. Ph−ơng pháp trên có −u điểm là đơn giản, dễ áp dụng, giá thành rẻ. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp này là không đạt đ−ợc độ chính xác cao về hình dạng và kích th−ớc các bề mặt không gia công (đây lại là các phần làm việc trực tiếp với n−ớc và ảnh h−ởng trực tiếp đến hiệu suất của tua bin).
Các sai số gồm rất nhiều yếu tố cấu thành mà chúng rất khó kiểm soát nh−: Sự biến dạng của mẫu theo thời tiết (nhiệt độ và độ ẩm), sự biến dạng của khuôn khi sấy khô, tay nghề của công nhân làm khuôn….
Hiện nay, một số công nghệ đúc tiên tiến đã đ−ợc triển khai sản xuất ở n−ớc ta. Tuy giá thành sản phẩm ch−a đ−ợc rẻ nh−ng các ph−ơng pháp đúc mới này đã khắc
phục đ−ợc các nh−ợc điểm của ph−ơng pháp cổ điển, cho độ chính xác và chất l−ợng bề mặt khá cao. Một vài ph−ơng pháp đúc đó: Ph−ơng pháp đúc bằng khuôn cát nhựa (Furan), ph−ơng pháp đúc mẫu chảy, ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy…. Qua nghiên cứu các ph−ơng pháp đúc trên, chúng tôi thấy rằng ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy là thích hợp hơn cả cho công nghệ chế tạo BCT tua bin h−ớng trục.
Ph−ơng pháp này t−ơng đối đơn giản, ít bị ảnh h−ởng của yếu tố tay nghề thợ làm khuôn, do đó cho sản phảm chất l−ợng t−ơng đối tốt và ổn định. Đặc biệt trong sản xuất hàng loạt, ph−ơng pháp này cho giá thành khá thấp phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại. Tóm tắt qui trình công nghệ đúc mẫu cháy gồm các công đoạn sau:
Chế tạo mẫu bằng nhựa Pôlystirôn hoặc Polyurethan xốp nhẹ, sơn mẫu, đặt mẫu vào hòm khuôn, đổ đầy cát trắng khô, hút chân không hòm khuôn và rót kim loại lỏng.
Sau đây, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cho sản phẩm BCT tua bin h−ớng trục 300 mm.
9.3.1.1. Chế tạo mẫu.
Để đơn giản và giảm giá thành sản phẩm, mẫu đ−ợc chia thành hai phần: Bầu và lá cánh. Sau khi chế tạo chúng đ−ợc liên kết với nhau bằng keo dính.
- Chế tạo mẫu bầu:
Trong tr−ờng hợp sản xuất loại nhỏ, mẫu bầu có thể chế tạo bằng ph−ơng pháp cắt bằng dây đốt để giảm giá thành chế tạo khuôn ép.
Vật liệu xốp đ−ợc ép tr−ớc hoặc mua trên thị tr−ờng dạng khối (0,5 hoặc 1m3). Sau đó đ−ợc cắt nhỏ và tạo thành phôi mẫu bầu cánh bằng sợi đốt (nh− hình 26).
Sợi dây điện trở có đ−ờng kính 0,2 mm đ−ợc nối với một nguồn điện có điện áp 20 ữ 30V và nó đ−ợc đốt nóng đỏ để có thể cắt đ−ợc dễ dàng vật liệu xốp. Sợi đốt này đ−ợc đặt theo một góc nào đó với mâm quay (hoặc bàn cố định). Khi phôi chuyển động thẳng, dây cắt sẽ tạo nên một mặt phẳng, còn khi phôi quay sẽ tạo nên các mặt nón hoặc trụ.
Với sản xuất hàng loạt lớn, mẫu bầu cũng có thể dùng ph−ơng pháp ép từ hạt nhựa xốp nh− hình 27. Chi tiết công nghệ ép mẫu bầu giống nh− công nghệ ép mẫu lá cánh (sẽ đ−ợc trình bày trong phần sau). Vì mẫu bầu có hình dạng đơn giản do đó khi ép mẫu bầu chế tạo bằng vật liệu nhôm hợp kim (yêu cầu có độ giãn nở nhiệt thấp) và gia công bằng ph−ơng pháp thông th−ờng.
- Chế tạo mẫu lá cánh:
Hình 26. Chế tạo mẫu bầu bằng sợi đốt
Hình 27. Chế tạo mẫu bầu bằng ph−ơng pháp ép từ hạt nhựa
Mẫu lá cánh đòi hỏi độ chính xác cao về hình dạng kích th−ớc, do đó bộ mẫu để ép lá cánh cũng cần phải đ−ợc gia công chế tạo chính xác đồng thời qua quá trình đúc mẫu lá cánh cũng phải đạt một độ cứng nhất định để đạt độ bóng bề mặt sản phẩm sau khi đúc đồng thời khi đổ cát vào hòm khuôn nó không bị biến dạng. Ng−ợc lại nếu mẫu đ−ợc ép quá cứng thì quá trình cháy khi sinh nhiều không thoát kịp lại gây khuyết tật đúc. Để tìm độ ép chặt mẫu lá cánh hợp lý, cần dựa vào thực nghiệm, cũng giống nh− khuôn ép mẫu bầu, khuôn ép mẫu cánh phải đ−ợc chế tạo bằng vật liệu hợp kim nhôm có độ giãn nở nhiệt thấp. Khuôn ép mẫu lá cánh có thể đ−ợc sản xuất thủ công để đạt đ−ợc các tiết diện lá cánh theo yêu cầu. Ph−ơng pháp này yêu cầu một bộ d−ỡng kiểm chính xác hoặc dùng một đầu dò mẫu để kiểm tra các toạ độ tại các mặt cắt bằng máy vi tính với phần mềm AUTOCAD (xem hình 10).
Hiện nay, với các máy tổ hợp gia công tự động (CNC), chúng ta có thể chế tạo đ−ợc các mẫu ép lá cánh chính xác hơn.
Một điều cần chú ý là khi chế tạo các khuôn ép mẫu bầu và mẫu cánh cần phải có kể đến độ co ngót của mẫu cũng nh− của sản phẩm đúc cuối cùng để tăng kích th−ớc của khuôn ép. Điều này có thể xác định dựa trên thực nghiệm hoặc tính theo kinh nghiệm đúc gang xám (độ co ngót của sản phẩm khoảng 1%).
Quy trình ép lá cánh đ−ợc tiến hành nh− sau:
- Xác định l−ợng vật liệu để ép lá cánh:
ở trên, ta đã phân tích về độ ép chặt của mẫu bầu và mẫu lá cánh có ảnh h−ởng đến chất l−ợng sản phẩm đúc. Do đó l−ợng vật liệu (hạt nhựa) để ép mẫu cần phải đ−ợc xác định hợp lý. Mặt khác, để độ chặt của vật liệu xốp đ−ợc đều ở mọi vị trí thì
l−ợng hạt ban đầu cần phải đầy thể tích khuôn ép. Nh− vậy hạt nhựa cần phải đ−ợc nở sơ bộ để đủ l−ợng vừa đầy khuôn ép tr−ớc khi vào lò ép (nh− hình 29).
- Quá trình ép mẫu:
Sau khi vật liệu đã cho đầy đủ vào khuôn ép, hai nửa khuôn đ−ợc liên kết chặt chẽ với nhau, lỗ thả hạt nhựa đ−ợc bịt chặt lại. Khuôn ép đ−ợc đ−a vào lò ép có nhiệt độ từ 200 ữ 350oC. Sau khi khuôn ép và hạt nhựa nóng đều, các hạt nhựa sẽ nở bung ra và liên kết chặt lại với nhau. Làm mát khuôn trở lại trạng thái bình th−ờng và lấy mẫu ra khỏi khuôn. Trong sản xuất hàng loạt, khuôn ép đ−ợc gắn liền với máy ép cho năng suất cao.
- Hoàn thiện mẫu BXCT.
Sau khi đã sản xuất đ−ợc các mẫu bầu và mẫu cánh, cào mẫu cánh sẽ đ−ợc dán lên mẫu bầu để tạo ra một mẫu BCT hoàn chỉnh.
Vì mẫu cánh đòi hỏi chính xác vị trí và góc đặt của các lá cánh nên quá trình dán mẫu lá cánh lên mẫu bầu phải có một bộ d−ỡng để định vị trí bầu và các lá cánh. Bộ d−ỡng lá cánh mẫu bao gồm:
01 trục đỡ để định mẫu bầu
04 khối kê lá cánh chia đều quanh trục định vị mẫu bầu, 4 khối kê này có biến dạng mặt trên giống biến dạng của l−ng mẫu lá cánh.
9.3.1.2. Sơn mẫu.
Vật liệu sơn mẫu có ảnh h−ởng quyết định đến chất l−ợng bề mặt của sản phẩm. Dung dịch sơn mẫu có dạng bột n−ớc mịn sau khi khô lớp vật liệu này chính là khuôn để tạo ra sản phẩm sau này. Nó có tác dụng chịu nhiệt cao làm cho bề mặt sản phẩm không bị cháy và dính cát, đồng thời có khả năng cho thoát l−ợng khí mà mẫu khi cháy sinh ra.
Do đặc điểm trên, độ dày của lớp sơn trên mẫu cần phải đ−ợc xác định và đều trên toàn bộ bề mặt của mẫu để đảm bảo thoát hết l−ợng khí do mẫu cháy gây ra.
Hiện nay, loại sơn mẫu Z do Anh sản xuất đ−ợc sử dụng t−ơng đối phổ biến cho chất l−ợng khá cao.
9.1.3.3. Quá trình làm khuôn.
Ph−ơng pháp đúc mẫu cháy có thể thực hiện bằng khuôn cát nhựa, khuôn cát th−ờng, tuy nhiên các ph−ơng pháp này đều không kinh tế và có thể ảnh h−ởng xấu đến chất l−ợng sản phẩm vì trong quá trình làm sạch cát (rung) có thể gây sai số do các lá cánh của mẫu bị biến dạng.
Hình 30. Dán mẫu lá cánh lên mẫu bầu
Hình 31. Sơn mẫu tr−ớc khi
ở đây, ta lựa chọn ph−ơng pháp làm khuôn bằng cát khô mịn. Hòm khuôn có cấu tạo kín để khi đúc có thể hút chân không trong hòm. Quá trình làm khuôn nh− sau:
Cát trắng khô (hạt nhỏ mịn) đ−ợc đ−a vào trong hòm khuôn cùng với mẫu và hệ thống đậu rót và đậu ngót. Hiện nay th−ờng sử dụng loại cát trắng đ−ợc khai thác tại Đà Nẵng.
Vì hạt cát khô và nhỏ nên chúng đều điền đầy giữa khuôn và mẫu một cách dễ dàng.
Sau khi điền đầy, hòm khuôn đ−ợc đậy kín lại để tiến hành quá trình rót gang lỏng.
1 - Mẫu BCT; 2 - Đậu ngót; 3 - Đậu rót; 4 - Nắp hòm khuôn; 5 - Thân hòm khuôn; 6 - Cát trắng khô mịn; 7 - Các lỗ để hút chân không; 8 - Buồng hút chân không; 9 - Đ−ờng dẫn để hút chân không; 10 - Bơm chân không;
11 - Bể n−ớc; 12 - Đồng hồ đo mức chân không; 13 - Van điều chỉnh mức chân không.
9.3.1.4. Quá trình nấu luyện.
Tr−ớc đây việc nấu luyện gang lỏng th−ờng thực hiện bằng lò than. Việc điều chỉnh thành phần kim loại và nhiệt độ gang lỏng rất khó khăn. chúng phụ thuộc vào chất l−ợng của than luyện, không thể xác định tr−ớc đ−ợc. Ngoài ra, trong thành phần kim loại lỏng chứa nhiều nguyên tố nh− l−u huỳnh, phốt pho… và xỉ lò làm cho chất l−ợng sản phẩm đúc kém.
Hiện nay, việc nấu luyện bằng lò điện (lò trung tần, lò hồ quay…) đã khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của lò than. Nó cho chất l−ợng sản phẩm tốt và tỷ lệ hỏng
thấp.
Với ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy, do chi phí sản xuất mẫu, hòm khuôn và hút chân không khá cao nên cần phải giảm tỷ lệ hỏng xuống tối thiểu nhằm giảm giá thành sản phẩm. Do vậy với công nghệ này cần chọn lò điện để nấu và cần có hệ thống phân tích nhanh để phân tích kết quả nấu luyện nhằm ổn định chất l−ợng sản phẩm.
Đối với gang xám GX 21- 40, nhiệt độ hợp lý để rót của gang lỏng đ−ợc tra trong các tài liệu kỹ thuật.
- Quá trình rót gang lỏng:
Vì hòm khuôn đ−ợc điền đầy bằng cát khô hạt mịn, do đó để nó độ cứng vững khi rót kim loại lỏng vào, cần phải hút chân không trong hòm khuôn. Độ chân