Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни
The purpose of the study is to develop a progressive technology for casting the impeller blade of the Dniester Pumped Storage Power Station (PSPS). To solve the problem of improving the quality of castings, computer-integrated methods for modeling casting processes were used. The use of CAD/CAE prog...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/22 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465417978937344 |
|---|---|
| author | Бондаренко, В. С. Безвесільна, О. М. Пономаренко, Ольга Бударін, О. С. Марченко, Андрій Акімов, Олег Артьомова, Світлана Михайлюков, В. П. Євтушенко, С. Д. |
| author_facet | Бондаренко, В. С. Безвесільна, О. М. Пономаренко, Ольга Бударін, О. С. Марченко, Андрій Акімов, Олег Артьомова, Світлана Михайлюков, В. П. Євтушенко, С. Д. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "В. С. Бондаренко",
"institution": "Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини»"
},
{
"author": "О. М. Безвесільна",
"institution": "Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини»"
},
{
"author": "Ольга Пономаренко",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»"
},
{
"author": "О. С. Бударін",
"institution": "Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини»"
},
{
"author": "Андрій Марченко",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»"
},
{
"author": "Олег Акімов",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»"
},
{
"author": "Світлана Артьомова",
"institution": "Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини»"
},
{
"author": "В. П. Михайлюков",
"institution": "Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини»"
},
{
"author": "С. Д. Євтушенко",
"institution": "Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»"
}
] |
| author_sort | Бондаренко, В. С. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T12:09:42Z |
| description | The purpose of the study is to develop a progressive technology for casting the impeller blade of the Dniester Pumped Storage Power Station (PSPS).
To solve the problem of improving the quality of castings, computer-integrated methods for modeling casting processes were used. The use of CAD/CAE programs has significantly reduced the time for the development of technological processes, created conditions for directional solidification of castings, calculated the optimal amount of head of castings and, by predicting the appearance of defect locations, reduced the shortage of castings.
The production of a one-piece cast impeller blade made of SA-6NM stainless steel became possible after the reconstruction of the metallurgical production of Ukrenergymachines JSC and the overhaul of the electric arc furnace.
Structural stability, stability of physical and mechanical properties in the production of CA-6NM steel is achieved by obtaining a given ratio of chromium and nickel equivalent using computer control of the steel composition during smelting. Stainless steel was smelted in two electric arc furnaces with basic lining. After release, the metal was sold through slotted lances in ladles with argon.
The shaping equipment was represented by a complex volumetric model set. Spatial templates, core boxes and a model sign were made. In the manufacture of rods, frameworks of complex design and cold-hardening molding mixtures on chromite sands by the furan process were used. In the manufacture of rods for parts of heads of castings, exothermic materials were used.
The reduction in the cost of blade castings from the transfer from a welded-cast version to a solid-cast one and the organization of their production in the conditions of the foundry shop of Ukrenergymachines JSC amounted to 30 %. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
96 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022, № 2 (329), 96-102
https://doi.org/10.15407/steelcast2019.10.064
УДК 621.74
В.С. Бондаренко1, начальник металургійного відділу – головний металург, e-mail: v.bondarenko@ukrenergymachines.com
О.М. Безвесільна1, заступник начальника металургійного відділу, e-mail: e.bezvesilnay@ukrenergymachines.com
О.І. Пономаренко2, д-р техн. наук, проф., проф. кафедри, e-mail: 21ponomarenko@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-3043-4497
О.С. Бударін1, заступник генерального директора, e-mail: budarin@ukrenergymachines.com
А.П. Марченко2, д-р техн. наук, проф., проректор з наукової роботи, e-mail: Andrii.Marchenko@khpi.edu.ua,
https://orcid.org/0000-0001-9746-4634
О.В. Акімов2, д-р техн. наук, проф., зав. кафедри, e-mail: Oleg.Akimov@khpi.edu.ua, https://orcid.org/0000-0001-7583-9976
С.В. Артьомова1, начальник центральної заводської лабораторії, e-mail: artemova@ukrenergymachines.com,
https://orcid.org/0000-0003-2075-5518
В.П. Михайлюков1, начальник цеху лиття та поковок, e-mail: Vov63.4ik@gmail.com
С.Д. Євтушенко2, магістрант, e-mail: stepanco.00@ukr.net
1Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини» (АТ «УЕМ») (Харків, Україна)
2Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (Харків, Україна)
Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті
робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни
Метою дослідження роботи є розробка прогресивної технології виливка лопаті робочого колеса гідротурбіни Дні-
стровської гідроакумулювальної електростанції (ГАЕС).
Для вирішення задачі підвищення якості виливків використовувалися комп'ютерно-інтегровані методи моделю-
вання процесів лиття. Використання CAD/CAE програм дозволило значно скоротити час на розробку технологіч-
них процесів, створити умови для спрямованого затвердіння виливків, розрахувати оптимальну величину надли-
ву, і за рахунок прогнозування появи місць дислокації дефектів, зменшити брак виливків.
Виготовлення цільнолитої лопаті робочого колеса з нержавіючої сталі СА-6NM стало можливим після реконструк-
ції металургійного виробництва АТ «УЕМ» та капітального ремонту електродугової печі.
Структурна стабільність, стабільність фізико-механічних властивостей при виробництві сталі СА-6NM досяга-
ється за рахунок отримання заданого співвідношення хромового та нікелевого еквівалента та використанням
комп'ютерного керування складом сталі при виплавці. Виплавка нержавіючої сталі велася у двох електродугових
сталеплавильних печах з основним футеруванням. Після випуску метал продувався через щілинні фурми в ков-
шах аргоном.
Формоутворювальне оснащення було представлено складним об'ємним модельним комплектом. Були виготов-
лені просторові шаблони, стрижневі ящики та модельний знак. При виготовленні стрижнів застосовувалися кар-
каси складної конструкції та формувальні холоднотвердіючі суміші на хромітових пісках за фуран-процесом. При
виготовленні стрижнів для надливних частин використовувалися екзотермічні матеріали.
Зниження вартості виливків лопатей від переведення зі зварно-литого варіанта на цільно-литий та організацію їх
виробництва в умовах ливарного цеху АТ «УЕМ» склало 30 %.
Ключові слова: лопать, лита деталь, LVM Flow, SolidWorks, комп'ютерне проєктування, спрямоване твердіння,
хромітовий пісок, фуран-процес, якість.
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
97ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
сприймає всі навантаження падаючого потоку води; в
процесі експлуатації.
Лопаті мають складну конфігурацію і виконують-
ся з тонких просторових елементів, які мають змінну
жорсткість по довжині. З'єднання лопат зі ступицію і
ободом відбувається за кривими, що не лежать у ра-
діальних площинах.
Лопаті схильні до значних статичних і динаміч-
них навантажень, що викликають в матеріалі лопаті
складні напруги вигину, а також вони зазнають вібра-
ції пульсуючого потоку рідини [1–3].
Раніше для виготовлення робочого колеса гідро-
турбіни Дністровської ГАЕС використовувалися лопа-
ті, виготовлені у зварнолитому варіанті. Конструкція
лопаті складалася з трьох окремо виготовлених заго-
товок, які потім зварювалися між собою. Цей варіант
виготовлення лопатей відрізнявся дорожнечею при
виготовленні, тому що лопаті отримували з іншого
підприємства за договором імпортозаміщення.
Метою дослідження є розробка інноваційної
технології виливка цільнолитої лопаті робочого коле-
са гідротурбіни Дністровської ГАЕС.
Виготовлення цільнолитої лопаті робочого колеса
стало можливим після реконструкції металургійно-
го виробництва АТ «УЕМ» та капітального ремонту
електродугової печі.
Вибір технології виготовлення відповідальних
деталей завжди є складним завданням. Вибір тех-
нології лиття визначається обсягом та характером
виробництва, вимогами до виливків за точністю та
шорсткістю поверхні, технологічними особливостями
та фізико-хімічними властивостями застосовуваних
ливарних сплавів, вимогами якості до виливків, ви-
ходячи з економічної доцільності застосування того
чи іншого способу лиття для кожного конкретного ви-
падку та можливостей виробництва [4, 5].
Необхідно розробити технологію цільнолитої ло-
паті виготовлення робочого колеса радіально-осьової
турбіни. Діаметр робочого колеса турбіни Дністров-
ської ГАЕС становить 7,3 м. Робоче колесо склада-
ється з ступиці, обода та 7 радіально-осьових цільно-
литих лопатей.
Лопать робочого колеса має складну просторову
форму, що властива лопатевим системам оборот-
них радіально-осьових насос-турбін. Форма лопаті,
напірна і всмоктуючої кромки, її S-подібний профіль
великої протяжності так само характерні для типу
насосів. Лопать має складну конфігурацію, у зв'язку
з чим зазнає дії складних систем навантажень. На-
пірна кромка розташовується радіально і є вхідною
кромкою лопатевої системи в турбінному режимі. Від-
повідно всмоктувальна кромка є вхідною в насосно-
му режимі роботи.
У лопаті є характерний вигин, змінний переріз
товщин, вхідний та вихідний крайок – від 15 мм до
100 мм, різниця між вхідною кромкою лопаті та вихід-
ною кромкою становить близько одного метра. Чиста
вага деталі лопаті – 4800 кг. Чорна вага виливка –
8500 кг. Фотографія обробленої лопаті турбіни та
фрагменти профілю виливка лопаті представлено на
рис. 2 і рис. 3.
В
ступ. Найважливішою галуззю економіки Украї-
ни, що свідчить про рівень розвитку, є енергетика.
Енергетика розвивається у багатьох напрямках
та один з основних напрямків – створення потуж-
них, економічних та надійних турбін. Акціонерне това-
риство «Українські енергетичні машини» виготовляє
парові турбіни, що працюють на органічному та ядер-
ному паливі, а також гідравлічні, що працюють на різ-
них річках, водосховищах з різним рівнем перепаду
води та різної потужності.
Одна з найпотужніших у світі оборотних гідротур-
бін виробництва АТ «Українські енергетичні машини»
встановлена на Дністровській ГАЕС (Україна) з по-
тужністю гідроагрегату 324 МВт у генераторному ре-
жимі та 421 МВт у руховому насосному режимі.
Оборотна гідротурбіна працює як турбіна і як на-
сос. У нічний період, коли в енергосистемі є надли-
шок потужності, агрегати працюють у насосному ре-
жимі, перекачуючи воду з нижньої водойми у верхню,
а в період максимуму навантаження у вечірній пік во-
ни працюють у турбінному режимі, видаючи електро-
енергію в енергосистему.
Головним робочим органом турбіни, у якому від-
бувається перетворення енергії, є робоче колесо.
Робоче колесо – зварна конструкція, є просторовою
системою, що складається з верхнього фланця (сту-
пиці), нижнього обода і лопатей (рис. 1).
Окремо відлиті зі сталі лопаті, обід і ступиця зварю-
ються між собою електрозварюванням з подальшим
термічним обробленням. Така конструкція робочо-
го колеса спрощує технологічний процес отримання
виливків і дозволяє більш точно відлити та оброби-
ти лопаті, обід та ступицю. Крім того, роздільне ви-
готовлення виливків дає можливість при складанні
встановити лопаті точніше, ніж при виготовленні ціль-
нолитого колеса, що позитивно позначається на його
гідравлічних якостях.
До лопат гідравлічних турбін пред'являються під-
вищені вимоги при їх виготовленні та експлуатації.
Лопаті робочих коліс гідротурбін є однією з відпові-
дальних деталей, бо вони сприймають тиск потоку
води і створюють обертаючий момент в робочому ко-
лесі. Найбільш відповідальною частиною лопаті є пе-
ро (профільна частина), оскільки воно безпосередньо
Робоче колесо гідротурбіниРис. 1.
98 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Матеріал для лопатей гідротурбін повинен відпо-
відати таким вимогам [1, 2]:
– високі механічні властивості та рівномірність їх
по перерізу;
– стійкість до кавітаційної ерозії;
– однорідність мікроструктури;
– високі ливарні та технологічні властивості, зва-
рюваність та ін.
Литі робочі колеса радіально-осьових гідротурбін
здебільшого виготовляються з нержавіючих марок
сталей 06Х12Н3ДЛ або СА-6NM. Однак сталь СА-6NM
має більш високу роботу удару та більш оптимальне
поєднання роботи удару та характеристик міцності
для забезпечення технологічної та експлуатаційної
тріщиностійкості порівняно зі сталлю 06Х12Н3ДЛ.
При однаковому вмісті хрому в цих сталях, сталь
СА-6NM відрізняється від сталі 06Х12Н3ДЛ більш
високим вмістом нікелю, наявністю молібдену, від-
сутністю міді, а також ширшим діапазоном легуючих
елементів і домішок, за винятком вуглецю. Структур-
на стабільність, стабільність фізико-механічних влас-
тивостей при виробництві сталі СА-6NM досягається
за рахунок отримання заданого співвідношення хро-
мового та нікелевого еквівалента та використанням
комп'ютерного керування складом сталі при виплавці.
Хімічний склад виливка лопаті робочого колеса з
нержавіючої корозійностійкої сталі CA6-NM повинен
відповідати вимогам ASTM A743/A743M-98a і наведе-
ний в таблиці.
Одним з головних етапів виготовлення виробу є
спосіб виготовлення виливка і оцінка можливості ви-
готовлення на наявному обладнанні.
Створення 3D моделі виробу відбувається за до-
помогою CAD пакетів різного рівня, які безконфліктно
працюють в середовищі PDM системи [10, 11]. Надалі
3D модель є основою для різних конструкційних роз-
рахунків з експлуатаційними навантаженнями. По-
тім на її основі створюється 3D модель виливка. Для
отримання якісного виливка без дефектів було вико-
ристано пакети комп'ютерно-інтегрованого проєкту-
вання для моделювання процесу заповнення форми
розплавом та охолодження виливка, виявлення місць
дислокації внутрішніх дефектів.
Далі проводиться моделювання технологічного
процесу виробництва литої деталі за допомогою CAЕ
систем різного рівня, призначених для даного роду
розрахунків. Після аналізу отриманих результатів мо-
делювання вносяться зміни, в 3D моделі деталі і ви-
ливка. Причому, при внесенні деяких поправок в 3D
моделі деталі, таких як дислоковані ливарні дефек-
ти, виробляються повторні конструкційні розрахунки
з експлуатаційними навантаженнями, з подальшим
внесенням поправок в конструкцію деталі.
Отримання якісних виливків можливе за рахунок
використання нових методів та програмних продуктів,
таких як SolidWorks та LVMFlow [10, 11]. Такий підхід
до проєктування дозволяє одночасно пов'язувати такі
параметри, як оптимальна конструкція деталі, техно-
логічність її виготовлення, а також закладати ці пара-
метри на етапі підготовки виробництва, скорочуючи
при цьому час на їх проєктування.
Таким чином, за допомогою програм CAD\CAE
було створено тривимірну модель виливка та опра-
цьовано ливарну технологію її заливки з урахуванням
рівномірного заповнення форми металом та отри-
мання виливка високої якості.
Основними операціями технологічного процесу
отримання виливка лопаті є:
– виготовлення модельного комплекту;
– виготовлення спеціальної оснастки;
– виготовлення форми із застосуванням сучасних
матеріалів;
– фарбування форми протипригарним покриттям;
– виплавка сталі в дугових сталеплавильних пе-
чах;
– заливання форми з двох ковшів;
Фотографія обробленого виливка лопаті турбіниРис. 2. Фрагменти профілю виливка лопатіРис. 3.
Хімічний аналіз сталі CA6-NM за ASTM A743/A743M-98a
C (%)
макс.
Si (%)
макс.
Mn (%)
макс.
P (%)
макс.
S (%)
макс. Cr (%) Ni (%) Cu (%) Mo (%) Al (%)
0,06 1,00 1,00 0,04 0,03 11,5–14,0 3,5–4,5 Відсутн. 0,40–0,0 Відсутн.
99ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
стосуванням холодно-твердіючих сумішей (ХТС) да-
ло необхідну механічну міцність ливарної форми, за
рахунок ефективного процесу полімеризації, і одно-
рідність ущільнення. Фотографію стрижневого ящика
з використанням каркасів наведено на рис. 4.
При виготовленні стрижнів для надливних частин
використовувалися екзотермічні матеріали, що за-
безпечують підігрів надливу та контроль усадки мета-
лу у процесі його охолодження та затвердіння.
Число додатків, необхідних для живлення вилив-
ка лопаті, визначали залежно від протяжності вузла
живлення (загальної довжини виливка 5000 мм). Для
виготовлення лопаті необхідно встановити три над-
ливи.
Для встановлення стрижнів в єдину форму в спе-
ціальній опоці був заформований модельний знак і
прокладена ливникова система з горизонтальними
живильниками для заливки металом.
Для створення якісної поверхні виливка та запо-
бігання виникненню дефектів у виливку проводилося
фарбування поверхонь форми протипригарною фар-
бою на основі корунду. Складання форми було про-
ведено в універсальне оснащення із застосуванням
зовнішніх та внутрішніх холодильників.
Виплавка нержавіючої сталі велася у двох елек-
тродугових сталеплавильних печах з основним фу-
теруванням. Після випуску метал продувався через
щілинні фурми в ковшах аргоном і витримувався на
початок розливу.
Заливання форми полягало в тому, що ковші з
плавильної ділянки по передавальному візку переда-
валися на ділянку формування по черзі з інтервалом
у кілька хвилин. Оскільки маса рідкого металу скла-
ла 16000 кг, то заливку виливка виробляли одночас-
но двома ковшами, місткість кожного – 8000 кг. При
встановленні двох ковшів на заливальні ливникові
чаші пуск металу у форму подавався з урахуванням
рівномірного заповнення форми. Тривалість проце-
сів кристалізації, охолодження металу у формі була
встановлена у 7,5 діб. Форма була розкрита за тем-
ператури 200 °С.
Видалення надливів та елементів ливникової сис-
теми було виконано газокисневою різкою.
Термічна обробка виливка виконувалася на спе-
ціальному пристрої в газовій печі. Режим термічної
обробки лопатей гідротурбіни складається з нагріву
до 1030–1040 °С з наступним інтенсивним охоло-
дженням на повітрі зі швидкістю не менше 400 °С/год
і високим відпуском при температурі 580–590 °С [16].
Це забезпечує необхідний рівень механічних власти-
востей масивних складнопрофільних литих лопатей
гідротурбіни: σв ≥ 650 МПа, σ0,2 ≥ 820 МПа, d ≥ 15 %,
ψ ≥ 35 %, KCU ≥ 50 Дж/см², 255…300 НВ, KV ≥ 30Дж
при -10 °С факультативно.
Зниження вартості виливків лопатей від переве-
дення зі зварно-литого варіанта на цільно-литий та
організацію їх виробництва в умовах ливарного цеху
АТ «УЕМ» склало 30 %.
– витримка ливарної форми;
– розбирання ливарної форми;
– очищення виливка;
– відрізка надливів на виливку;
– термообробка виливка.
Формоутворювальне оснащення було представ-
лено складним об'ємним модельним комплектом. Бу-
ли виготовлені просторові шаблони, які виконували
S-образність профілю, характерний вигин, змінний
переріз робочої та неробочої поверхні лопаті по до-
вжині, стрижневі ящики та модельний знак. У стриж-
невих ящиках були передбачені ухили, припуски на
механічну обробку та на усадку при затвердінні та
охолодженні металу, напуски для спрямованої крис-
талізації металу у формі.
На якість виливків великий вплив мають форму-
вальні суміші, властивості яких залежать від вихідних
матеріалів [12–14]. Наповнювачі повинні бути інерт-
ними до розплавленого металу, мати відносно високу
термічну стійкість, механічну міцність, вогнетривкість,
низький коефіцієнт термічного розширення, однорід-
ний зерновий склад та мінімальну вартість.
В умовах АТ «Українські енергетичні машини» для
отримання виливка лопаті застосовуються високовог-
нетривкі та хімічно інертні хромітові піски [15]. Хромі-
товий пісок має високу міцність при термічному ударі
і не має алотропічних перетворень при 575 °С. Також
він інертний до оксидів заліза за високих темпера-
тур у різних газових атмосферах і погано змочується
рідким металом, що запобігає утворенню пригару та
покращує умови кристалізації металу. Крім того, він
має високу теплоакумулюючу здатність та теплопро-
відність.
При виготовленні стрижнів застосовувалися кар-
каси складної конструкції та формувальні холод-
но-твердіючі суміші за фуран-процесом двох видів.
Облицювальна формувальна суміш на основі хро-
мітового піску складалася з 90 % регенерованого
хромітового піску, 10 % свіжого хромітового піску та
сполучних речовин. Наповнююча формувальна су-
міш на основі кварцового піску складалася з 90 %
регенерованого кварцового піску, 10 % свіжого квар-
цового піску та сполучних речовин. Формування із за-
Стрижневий ящик з використанням каркасівРис. 4.
100 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Висновки
1. Випуск виробів для потреб турбобудування в
даний час неможливий без істотного підвищення
складності, якості, експлуатаційних властивостей де-
талей, точності і зменшення стінок литих заготовок.
2. При використанні програмних продуктів CAD\
CAE технологи і конструктори отримують новий ін-
струмент для проєктування і отримання якісних ви-
ливків. Програми СAD\CAE відкривають нові можли-
вості в проєктуванні технології приготування відли-
вання і в конструюванні оснащення. За допомогою
даних програм можна наочно вивчити процес зали-
вання форми металом, процес охолодження вилив-
ка, визначити місця дислокації дефектів. Вони дають
можливість прискорити випуск нових виробів, скоро-
тити витрати виробництва заміною фізичних макетів
віртуальними, економити за рахунок багаторазового
використання проєктних даних, розширити можли-
вості оптимізації виробів, знизити витрати за рахунок
повної інтеграції інженерного документообігу.
3. Виготовлення цільнолитої лопаті робочого ко-
леса стало можливим після реконструкції металургій-
ного виробництва АТ «УЕМ» та капітального ремонту
електродугової печі.
4. Литі робочі колеса радіально-осьових гідротур-
бін виготовляють з нержавіючої сталі СА-6NM. Струк-
турна стабільність, стабільність фізико-механічних
властивостей при виробництві сталі СА-6NM досяга-
ється за рахунок отримання заданого співвідношення
хромового та нікелевого еквівалента та використан-
ням комп'ютерного керування складом сталі при ви-
плавці.
5. Формоутворювальне оснащення було представ-
лено складним об'ємним модельним комплектом. Бу-
ли виготовлені просторові шаблони, які виконували
S-образність профілю, характерний вигин, змінний
переріз робочої та неробочої поверхні лопаті по до-
вжині, стрижневі ящики та модельний знак.
6. При виготовленні стрижнів застосовувалися
каркаси складної конструкції та формувальні холод-
но-твердіючі суміші на хромітових пісках за фуран-
процесом двох видів. Формування із застосуванням
холодно-твердіючих сумішей (ХТС) дало необхідну
механічну міцність ливарної форми, за рахунок ефек-
тивного процесу полімеризації і однорідності ущіль-
нення.
7. При виготовленні стрижнів для надливних час-
тин використовувалися екзотермічні матеріали, що
забезпечують підігрів надливу та контроль усадки ме-
талу у процесі його охолодження та затвердіння.
8. Виплавка нержавіючої сталі велася у двох елек-
тродугових сталеплавильних печах з основним фу-
теруванням. Після випуску метал продувався через
щілинні фурми в ковшах аргоном.
9. Заливку виливка виробляли одночасно двома
ковшами, місткість кожного – 8000 кг. При встановлен-
ні двох ковшів на заливальні ливникові чаші пуск ме-
талу у форму подавався з урахуванням рівномірного
заповнення форми. Тривалість процесів кристаліза-
ції, охолодження металу у формі була встановлена у
7,5 діб. Форма була розкрита за температури 200 °С.
10. Зниження вартості виливків лопатей від пере-
ведення зі зварно-литого варіанта на цільно-литий та
організацію їх виробництва в умовах ливарного цеху
АТ «УЕМ» склало 30 %.
1. Георгиевская Е.В. Энергетический подход к оценке динамических напряжений в гидротурбинах. Материаловедение.
Энергетика. 2017. Т. 23. № 4. C. 89–97.
2. Бабаченко Ю.В., Авдюшенко А.Ю. Расчетное исследование радиальных сил, действующих на ротор радиально-осе-
вой гидротурбины. Известия Самарского научного центра РАН. 2013. № 4. С. 547–551.
3. Лобарева И.Ф., Черный С.Г., Чирков Д.В., Скороспелов В.А., Турук П.А. Многоцелевая оптимизация формы лопасти
гидротурбины. ЖВТ. 2006. Т. 11. № 5. С. 63–76.
4. Пономаренко О.И. Оптимизация технологических решений в условиях работы литейных цехов. Харьков: НТУ «ХПИ»,
2007. 320 с.
5. Пономаренко О.И., Лысенко Т.В., Становский А.Л., Шинский О.И. Управление литейными системами и процессами.
Монография. Харьков: Підручник НТУ «ХПИ», 2012. 368 с.
6. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. Москва: Металлургия, 1972. 192 с.
7. Тарасов В.Н. Физические механизмы кавитационной эрозии. Техническая акустика. 2015. № 3. С. 2–10.
8. Никаноров А.В. Сравнительный анализ компьютерных программ для моделирования литейных процессов. iPolytech
Journal. 2018. Т. 22. № 11. С. 209–218. DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-11-209-218
9. Алехин В.И., Белогуб А.В., Марченко А.П., Акимов О.В. Компьютерно-интегрированное моделирование литейных про-
цессов в автомобильных поршнях на основе конструкторско-технологической методики проектирования деталей ДВС.
Научно-технический журнал «Двигатели внутреннего сгорания». Харьков: НТУ «ХПИ». 2009. № 2. С. 101–104.
10. Пономаренко О.И., Косенко О.П., Щвец М.В., Евтушенко С.Д. Применение компьютерно-интегрированного проекти-
рования для нетехнологичных отливок шахтного оборудования. Металл и литье Украины. 2019. № 3–4 (310–311).
С. 18–24.
ЛІТЕРАТУРА
101ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
11. Akimov O., Kostyk K., Klymenko S., Penzev P., Saltykov L. Ensuring the Technological Parameters of Cast Block Crankcase
of Automobile’s Diesel Engine. In: Ivanov V., Trojanowska J., Pavlenko I., Zajac J., Peraković D. (Eds.) Advances in Design,
Simulation and Manufacturing IV. DSMIE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. DOI: https://doi.
org/10.1007/978-3-030-77719-7_1
12. Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. и др. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые
смеси и покрытия: Справочник. Москва: Машиностроение, 2006. 507 с.
13. Голофаев А.Н., Лагута В.И., Хинчаков Г.В. Технология литейной формы. Луганск: Издательство ВНУ, 2001. 264 с.
14. Лютий Р.В., Гурія І.М. Формувальні матеріали: підручник для студ. спеціальності 136 «Металургія», освітньої програми
«Комп’ютеризовані процеси лиття». Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 258 с.
15. Берлизева Т.В., Пономаренко О.И., Качанова Н.А. Моделирование свойств ХТС на основе хромитового песка и цикло-
карбонатов. Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2015. № 1 (39). С. 48–51.
16. Артьомова С.В., Бударін О.С., Бондаренко В.С., Безвесільна О.М., Пономаренко О.І., Марченко А.П., Акімов О.В.,
Михайлюков В.П. Термічна обробка і властивості литої складнопрофільної лопаті гідротурбіни. Металознавство та
обробка металів. 2022. Т. 28 (102). № 2. С. 58–63. DOI: https://doi.org/10.15407/mom2022.02.058
Надійшла 27.06.2022
REFERENCES
1. Georgievskaya, Ye.V. (2017). Energy approach to the assessment of dynamic stresses in hydraulic turbines. Materialovedenie.
Energy, vol. 23, no. 4, pp. 89–97 [in Russian].
2. Babachenko, Yu.V., Avdyushenko, A.Yu. (2013). Calculation study of radial forces acting on the rotor of a radial-axial
hydroturbine. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, no. 4, pp. 547–551
[in Russian].
3. Lobareva, I.F., Chernyi, S.G., Chirkov, D.V., Skorospelov, V.A., Turuk, P.A. (2006). Multi-purpose optimization of the blade
shape of a hydroturbine. ZhVT, vol. 11, no. 5, pp. 63–76 [in Russian].
4. Ponomarenko, O.I. (2007). Optimization of technological solutions in the conditions of work of foundries. Kharkiv: NTU "KhPI",
320 p. [in Russian].
5. Ponomarenko, O.I., Lysenko, T.V., Stanovsky, A.L., Shinsky, O.I. (2012). Management of foundry systems and processes.
Monograph. Kharkiv: Assistant NTU "KhPI", 368 p. [in Russian].
6. Bogachev, I.N. (1972). Cavitation destruction and cavitation-resistant alloys. Moscow: Metallurgiya, 192 p. [in Russian].
7. Tarasov, V.N. (2015). Physical mechanisms of cavitation erosion. Technical acoustics, no. 3, pp. 2–10 [in Russian].
8. Nikanorov, A.V. (2018). Comparative analysis of computer programs for foundry process simulation. iPolytech Journal, vol. 22,
no. 11, pp. 209–218, doi: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-11-209-218 [in Russian].
9. Alekhin, V.I., Belogub, A.V., Marchenko, A.P., Akimov, O.V. (2009). Computer-integrated modeling of foundry processes in
automobile pistons based on the design and technological methodology for designing engine parts. Scientific and technical
journal "Internal combustion engines". Kharkiv: NTU "KhPI", no. 2, pp. 101–104 [in Russian].
10. Ponomarenko, O.I., Kosenko, O.P., Shvets, M.V., Yevtushenko, S.D. (2019). Application of computer-integrated design for
non-technological castings of mine equipment. Metal and Casting of Ukraine, no. 3–4 (310–311), pp. 18–24 [in Russian].
11. Akimov, O., Kostyk, K., Klymenko, S., Penzev, P., Saltykov, L. (2021). Ensuring the Technological Parameters of Cast Block
Crankcase of Automobile’s Diesel Engine. In: Ivanov V., Trojanowska J., Pavlenko I., Zajac J., Peraković D. (Eds.) Advances
in Design, Simulation and Manufacturing IV. DSMIE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, doi:
https://doi.org/10.1007/978-3-030-77719-7_1
12. Boldin, A.N., Davydov, N.I., Zhukovsky, S.S. et al. (2006). Foundry molding materials. Molding, core mixtures and coatings:
Handbook. Moscow: Mashinostroenie, 507 p. [in Russian].
13. Golofaev, A.N., Laguta, V.I., Khinchakov, G.V. (2001). Casting mold technology. Lugansk: VNU Publishing House, 264 p.
[in Russian].
14. Lyuty, R.V., Guria, I.M. (2020). Molding materials: handbook for students, specialty 136 "Metallurgy", educational program
"Computerized casting processes". Kyiv: KPI im. Igor Sikorsky, 258 p. [in Ukrainian].
15. Berlizeva, T.V., Ponomarenko, O.I., Kachanova, N.A. (2015). Modeling of the properties of CTS based on chromite sand and
cyclocarbonates. Compressor and power engineering, no. 1 (39), pp. 48–51 [in Russian].
16. Artomova, S.V., Budarin, O.S., Bondarenko, V.S., Bezvesilna, O.M., Ponomarenko, O.I., Marchenko, A.P., Akimov, O.V.,
Mykhailiukov, V.P. (2022). Heat treatment and properties of a cast complex profile blade of a hydroturbine. Metalozn. obrobka
met., vol. 28 (102), no. 2, pp. 58–63, doi: https://doi.org/10.15407/mom2022.02.058 [in Ukrainian].
Received 27.06.2022
102 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Summary
V.S. Bondarenko1, Head of the metallurgical department – Chief
Metallurgist, e-mail: v.bondarenko@ukrenergymachines.com
O.M. Bezvesilna1, Deputy head of the metallurgical department,
e-mail: e.bezvesilnay@ukrenergymachines.com
O.I. Ponomarenko2, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Professor of the
Department, e-mail: 21ponomarenko@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-3043-4497
O.S. Budarin1, Deputy General Director,
e-mail: budarin@ukrenergymachines.com
A.P. Marchenko2, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Vice-rector for Scientific Work,
e-mail: Andrii.Marchenko@khpi.edu.ua, https://orcid.org/0000-0001-9746-4634
O.V. Akimov2, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Head of Chair/Sub-Department,
e-mail: Oleg.Akimov@khpi.edu.ua, https://orcid.org/0000-0001-7583-9976
S.V. Artomova1, Head of the Central Plant Laboratory,
e-mail: artemova@ukrenergymachines.com,
https://orcid.org/0000-0003-2075-5518
V.P. Mykhailiukov1, Сasting and forging shop manager,
e-mail: Vov63.4ik@gmail.com
S.D. Yevtushenko2, undergraduate, e-mail: stepanco.00@ukr.net
1Joint Stock Company “Ukrainian Energy Machines” (Ukrenergymachines
JSC) (Kharkiv, Ukraine)
2National technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” (Kharkiv, Ukraine)
Innovative manufacturing technology for the casting of a blade of a radial-axial turbine
impeller
The purpose of the study is to develop a progressive technology for casting the impeller blade of the Dniester Pumped Storage
Power Station (PSPS).
To solve the problem of improving the quality of castings, computer-integrated methods for modeling casting processes were
used. The use of CAD/CAE programs has significantly reduced the time for the development of technological processes, cre-
ated conditions for directional solidification of castings, calculated the optimal amount of head of castings and, by predicting
the appearance of defect locations, reduced the shortage of castings.
The production of a one-piece cast impeller blade made of SA-6NM stainless steel became possible after the reconstruction
of the metallurgical production of Ukrenergymachines JSC and the overhaul of the electric arc furnace.
Structural stability, stability of physical and mechanical properties in the production of CA-6NM steel is achieved by obtaining
a given ratio of chromium and nickel equivalent using computer control of the steel composition during smelting. Stainless
steel was smelted in two electric arc furnaces with basic lining. After release, the metal was sold through slotted lances in
ladles with argon.
The shaping equipment was represented by a complex volumetric model set. Spatial templates, core boxes and a model sign
were made. In the manufacture of rods, frameworks of complex design and cold-hardening molding mixtures on chromite
sands by the furan process were used. In the manufacture of rods for parts of heads of castings, exothermic materials were
used.
The reduction in the cost of blade castings from the transfer from a welded-cast version to a solid-cast one and the organiza-
tion of their production in the conditions of the foundry shop of Ukrenergymachines JSC amounted to 30 %.
Keywords
Blade, cast part, LVM Flow, SolidWorks, computer design, directional hardening, chromite
sand, furan process, quality.
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-22 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:43Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/c4/96bca5468756a44f287c85ccfd2582c4.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-222026-07-22T12:09:42Z Innovative manufacturing technology for the casting of a blade of a radial-axial turbine impeller Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни Бондаренко, В. С. Безвесільна, О. М. Пономаренко, Ольга Бударін, О. С. Марченко, Андрій Акімов, Олег Артьомова, Світлана Михайлюков, В. П. Євтушенко, С. Д. blade cast part LVM Flow SolidWorks computer design directional hardening chromite sand furan process quality лопать лита деталь LVM Flow SolidWorks комп'ютерне проєктування спрямоване твердіння хромітовий пісок фуран-процес якість The purpose of the study is to develop a progressive technology for casting the impeller blade of the Dniester Pumped Storage Power Station (PSPS). To solve the problem of improving the quality of castings, computer-integrated methods for modeling casting processes were used. The use of CAD/CAE programs has significantly reduced the time for the development of technological processes, created conditions for directional solidification of castings, calculated the optimal amount of head of castings and, by predicting the appearance of defect locations, reduced the shortage of castings. The production of a one-piece cast impeller blade made of SA-6NM stainless steel became possible after the reconstruction of the metallurgical production of Ukrenergymachines JSC and the overhaul of the electric arc furnace. Structural stability, stability of physical and mechanical properties in the production of CA-6NM steel is achieved by obtaining a given ratio of chromium and nickel equivalent using computer control of the steel composition during smelting. Stainless steel was smelted in two electric arc furnaces with basic lining. After release, the metal was sold through slotted lances in ladles with argon. The shaping equipment was represented by a complex volumetric model set. Spatial templates, core boxes and a model sign were made. In the manufacture of rods, frameworks of complex design and cold-hardening molding mixtures on chromite sands by the furan process were used. In the manufacture of rods for parts of heads of castings, exothermic materials were used. The reduction in the cost of blade castings from the transfer from a welded-cast version to a solid-cast one and the organization of their production in the conditions of the foundry shop of Ukrenergymachines JSC amounted to 30 %. Метою дослідження роботи є розробка прогресивної технології виливка лопаті робочого колеса гідротурбіни Дністровської гідроакумулювальної електростанції (ГАЕС). Для вирішення задачі підвищення якості виливків використовувалися комп'ютерно-інтегровані методи моделювання процесів лиття. Використання CAD/CAE програм дозволило значно скоротити час на розробку технологічних процесів, створити умови для спрямованого затвердіння виливків, розрахувати оптимальну величину надливу, і за рахунок прогнозування появи місць дислокації дефектів, зменшити брак виливків. Виготовлення цільнолитої лопаті робочого колеса з нержавіючої сталі СА-6NM стало можливим після реконструкції металургійного виробництва АТ «УЕМ» та капітального ремонту електродугової печі. Структурна стабільність, стабільність фізико-механічних властивостей при виробництві сталі СА-6NM досягається за рахунок отримання заданого співвідношення хромового та нікелевого еквівалента та використанням комп'ютерного керування складом сталі при виплавці. Виплавка нержавіючої сталі велася у двох електродугових сталеплавильних печах з основним футеруванням. Після випуску метал продувався через щілинні фурми в ковшах аргоном. Формоутворювальне оснащення було представлено складним об'ємним модельним комплектом. Були виготовлені просторові шаблони, стрижневі ящики та модельний знак. При виготовленні стрижнів застосовувалися каркаси складної конструкції та формувальні холоднотвердіючі суміші на хромітових пісках за фуран-процесом. При виготовленні стрижнів для надливних частин використовувалися екзотермічні матеріали. Зниження вартості виливків лопатей від переведення зі зварно-литого варіанта на цільно-литий та організацію їх виробництва в умовах ливарного цеху АТ «УЕМ» склало 30 %. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-05-20 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/22 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 30 No. 2 (2022): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 30 № 2 (2022): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/22/22 Авторське право (c) 2023 В. С. Бондаренко, О. М. Безвесільна, Ольга Пономаренко, О. С. Бударін, Андрій Марченко, Олег Акімов, Світлана Артьомова, В. П. Михайлюков, С. Д. Євтушенко https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | лопать лита деталь LVM Flow SolidWorks комп'ютерне проєктування спрямоване твердіння хромітовий пісок фуран-процес якість Бондаренко, В. С. Безвесільна, О. М. Пономаренко, Ольга Бударін, О. С. Марченко, Андрій Акімов, Олег Артьомова, Світлана Михайлюков, В. П. Євтушенко, С. Д. Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title | Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title_alt | Innovative manufacturing technology for the casting of a blade of a radial-axial turbine impeller |
| title_full | Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title_fullStr | Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title_full_unstemmed | Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title_short | Інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| title_sort | інноваційна технологія виготовлення виливка лопаті робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни |
| topic | лопать лита деталь LVM Flow SolidWorks комп'ютерне проєктування спрямоване твердіння хромітовий пісок фуран-процес якість |
| topic_facet | blade cast part LVM Flow SolidWorks computer design directional hardening chromite sand furan process quality лопать лита деталь LVM Flow SolidWorks комп'ютерне проєктування спрямоване твердіння хромітовий пісок фуран-процес якість |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/22 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkovs innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT bezvesílʹnaom innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT ponomarenkoolʹga innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT budarínos innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT marčenkoandríj innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT akímovoleg innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT artʹomovasvítlana innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT mihajlûkovvp innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT êvtušenkosd innovativemanufacturingtechnologyforthecastingofabladeofaradialaxialturbineimpeller AT bondarenkovs ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT bezvesílʹnaom ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT ponomarenkoolʹga ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT budarínos ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT marčenkoandríj ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT akímovoleg ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT artʹomovasvítlana ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT mihajlûkovvp ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni AT êvtušenkosd ínnovacíjnatehnologíâvigotovlennâvilivkalopatírobočogokolesaradíalʹnoosʹovoígídroturbíni |