ЭЛЕМЕНТ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ
TURBINE WORN-IN SEAL ELEMENT

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.
Эффективность работы газотурбинных двигателей и установок, а также паровых турбин зависит от герметичности уплотнения между вращающимися лопатками и внутренней поверхностью корпуса в вентиляторе, компрессоре и турбине. Одним из основных видов подобных уплотнений являются истираемые уплотнения, герметичность которых обеспечивается за счет прорезания выступами на торцах лопаток канавок в истираемом уплотнительном материале. Уплотнения турбин выполняют, например, используя плетеные металлические волокна, соты [патент США №5080934, МПК F01D 11/08, 427/271, 1991] или спеченные металлические частицы. Приработка этих уплотнений происходит за счет его высокой пористости и его низкой прочности. Последнее обуславливает невысокую эрозионную стойкость уплотнительных материалов, что приводит к быстрому износу уплотнения. В качестве прирабатываемых уплотнений в современных двигателях и установках используют также газотермические покрытия, имеющие, по сравнению с вышеописанными материалами, меньшую трудоемкость изготовления.
Известно прирабатываемое уплотнение турбомашины [патент США №4291089], получаемое методом газотермического напыления порошкового материала. При этом уплотнение формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно на кольцевой элемент корпуса турбомашины в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.
Недостатком известного уплотнения является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и износостойкости покрытия.
Известно также прирабатываемое уплотнение турбомашины [патент США №4936745], выполненное в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 об.%.
Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.
Известно также уплотнение турбомашин с прирабатываемым покрытием на статоре турбомашины (патент РФ №2033527, кл. F01D 11/08, опубл. 20.04.1995). Уплотнение выполнено в виде соединенного со статором слоя сотовой структуры. Однако гребешки на роторе при взаимодействии с сотовой структурой притупляются, что снижает герметичность уплотнения. Ячейки сотовой структуры могут иметь различные форму и размер площади поперечного сечения, глубину и толщину стенок. Сотовая структура может быть выполнена из стальной жаростойкой фольги или сверлением, прожитом, травлением или литьем. При значительной толщине стенок ячеек сот условия работы гребешков ужесточаются. Сильный износ гребешков так или иначе связан с необоснованно высокой прочностью материалов, используемых для производства сот, а также методов их изготовления, вызывающих утолщение толщины стенок ячеек.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является элемент прирабатываемого уплотнения турбины, содержащий несущую часть, выполненную в виде объемной ячеистой структуры, образующей каркас, и прирабатываемую часть, заполняющую ячейки и выполненную из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10, Способ изготовления истираемого материала, 1995]. Однако наличие в элементе сотовой структуры, выполненной из прочного материала, ведет к износу или повреждению гребешков. Известный способ изготовления уплотнения предусматривает его выполнение в виде жестко соединенного со статором слоя сотовой структуры. При этом слой сотовой структуры может быть закреплен на элементе турбомашины методом сварки или пайки [например, патент РФ №2277637, МПК F01D 11/08, 2006 г.].
В этой связи, использование уплотнения, содержащего слой сотовой структуры, выполненный из монолитного материала, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего их износ в процессе эксплуатации, привело бы к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.
Техническим результатом заявляемого изобретения является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.
Технический результат достигается тем, что элемент прирабатываемого уплотнения турбины, содержащий несущую часть, выполненную в виде объемной ячеистой структуры, образующей каркас, и прирабатываемую часть, заполняющую ячейки и выполненную из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью, отличается от прототипа тем, что ячейки выполнены из оболочек гранул заданной формы и размеров, заполненных порошковым прирабатываемым материалом, при этом оболочки гранул выполнены из адгезионно соединенных между собой частиц порошка материала несущей части, а объемная ячеистая структура образована соединенными между собой оболочками гранул, причем адгезионная прочность частиц в оболочке составляет от 70% до 90% от прочности материала частицы порошка несущей части, а адгезионная прочность частиц порошкового прирабатываемого материала в ячейке составляет от 10% до 30% от прочности материала его частицы, при этом возможны следующие варианты исполнения элемента уплотнения: оболочка гранулы выполнена оплавленной и имеет на поверхности покрытие из жаростойкого припоя толщиной от 60 мкм до 100 мкм; элемент прирабатываемого уплотнения выполнен спеченным; оболочка гранулы выполнена сферической или сигарообразной; материалом порошков несущей и прирабатываемой части является механическая смесь с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или латунь, или бронза, или их комбинации - остальное, а размеры гранул составляют от 0,4 мм до 3,0 мм; материалом порошка несущей части является механическая смесь состава: Cr - от 14,0 до 18,0%, Mo - от 0,7 до 1,4%, Si - от 0,2 до 1,4%, Mn - от 0,1 до 0,5%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, материалом порошка прирабатываемой части является механическая смесь состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или латунь, или бронза, или их комбинации - остальное, а размеры гранулы составляют 0,4-3,0 мм.
Технический результат достигается также тем, что в элементе прирабатываемого уплотнения турбины материалы порошков несущей и прирабатываемой частей дополнительно содержат порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм или только материал порошка прирабатываемой части дополнительно содержит порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.
4
Технический результат достигается также тем, что в элементе прирабатываемого уплотнения турбины материал порошка прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес., следующие добавки: порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%; жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18; от 0,4 до 3 BaSO; 0,04 до 0,3 углерода.
Технический результат достигается также тем, что элементы выполнены в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, при этом размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм; в его поперечном сечении основание элемента выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.
Исследованиями авторов было установлено, что в определенных условиях возможно создание материала для уплотнений, обладающего, с одной стороны, достаточно высокими механической прочностью и износостойкостью, позволяющими изготавливать из него элементы уплотнений, не разрушающиеся в условиях эксплуатации, а с другой - обладать высокой прирабатываемостью. Совмещение высокой механической прочности и прирабатываемости в разработанном уплотнении объясняется, в частности, тем, что сплошной каркас, образованный спеканием между собой частиц порошка, обладает достаточно высокой прочностью, позволяющей удерживать внутри каркаса наполнитель, образованный также спеканием частиц порошка между собой, но с гораздо более низкой адгезионной прочностью. Такое функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую (порошковый наполнитель с меньшей адгезией частиц) и несущую части (сплошной каркас, сформированный из спеченных оболочек гранул) существенно увеличивает прочностные характеристики уплотнительного элемента.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фигуре 1 представлены три соединенные между собой гранулы (внизу - представлено сечение А-А трех соединенных гранул). На фигуре 2 - структура материала уплотнения в виде множества соединенных между собой гранул, образующих своими оболочками несущий каркас ячеистой структуры. На фигурах 1 и 2 обозначено: 1 - гранула с оболочкой; 2 - внешняя оболочка гранулы; 3 - спеченный порошок наполнителя в грануле; 4 - сплошной каркас из соединенных оболочек гранул; 5 - места соединения гранул.
На фигуре 1, на примере соединения трех гранул показан принцип образования каркаса материала уплотнения. Гранулы 1, содержащие внутри своих оболочек 2 спеченный порошковый прирабатываемый материал 3, соединяются между собой (например, при их спекании в пресс-форме) и образуют из своих оболочек 2 сплошной каркас несущей части уплотнения. При этом оболочка гранулы состоит из порошка материала несущей части, адгезионная прочность которого намного выше, чем адгезионная прочность между частицами прирабатываемого материала 3. При достаточно больших размерах гранул (порядка 0,4-3,0 мм) образуется композиционный материал в виде объемного ячеистого каркаса (несущей части) и мягкого, податливого материала прирабатываемой части. Наиболее простой вариант получения уплотнительного элемента предусматривает формирование несущей и прирабатываемой частей гранул из одного порошкового материала. При этом между частицами материала в оболочке гранулы создается повышенная адгезионная прочность (например, за счет оплавления поверхности гранул). Для повышения эффекта прирабатываемости можно использовать дополнительное покрытие на поверхность гранул, в том числе и припоя, повышающего прочность соединения гранул между собой, а следовательно, прочность несущего каркаса. Преимуществом такого композиционного уплотнительного материала по сравнению, например, с сотовыми уплотнителями является простота изготовления несущего каркаса по сравнению с сотами из фольги, а также уменьшение износа гребешков торцов лопаток. Поскольку, как это отмечалось выше, значительный износ гребешков связан с необоснованно высокой прочностью материалов, используемых для производства сот. По сравнению с уплотнениями, полученными методами спекания порошковых материалов, которые не имеют специальной армирующей (несущей) части и требуют повышенной адгезионной прочности частиц прирабатываемой части уплотнения, предлагаемое изобретение позволяет значительно снизить адгезионную прочность частиц прирабатываемой части уплотнения за счет применения несущего каркаса.
Пример. В качестве материалов для получения элемента прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов.
4
2
Для прирабатываемой части (первая механическая смесь): 1) [Cr - 12,0%, Мо - 0,5%, Si - 0,1%, Mn - 0,05%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Cr - 14,0%, Мо - 0,7%, Si - 0,2%, Mn - 0,1%, Fe - остальное]; 3) Cr - 18,0%, Мо - 1,4%, Si - 1,4%, Mn - 0,5%, Fe - остальное; 4) [Cr - 20,0%, Мо - 1,8%, Si - 1,9%, Mn - 0,8%, Fe - остальное] - Н.Р. Размеры частиц составляли величины: 10 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Наилучшие результаты при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30% до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - 10% до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%. Исходный порошковый материал дополнительно содержал гексагональный нитрид бора (BN) размерами частиц порошка менее 1 мкм в количестве: 0,5%; 1,0%; 5,0%; 7,0%; 10,0%. Кроме того, были использованы порошковые материалы вышеуказанных составов с дополнительными добавками следующих компонентов: 1) C - 0,01%; 0,03%, Ni - 0,1%; 0,3%, Nb - 0,4%; 0,8%, S - 0,01%; 0,03%. 2) BaSO: 0,4%; 1,2%; 3%. 3) углерод: 0,04%; 0,3%. 4) Ca: 0,01%; 0,05%; 0,1%; 0,2%. 5) CaF: 4%; 6%; 8%; 11%; 6) дополнительно содержал в % вес.: жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18.
Для несущей части: 1) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное; 4) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Ti - остальное; 5) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Ti - остальное; 6) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Ti - остальное; 7) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Cu - остальное; 8) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Cu - остальное; 9) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Cu - остальное. Исходный порошковый материал дополнительно содержал гексагональный нитрид бора (BN) размерами частиц порошка менее 1 мкм в количестве: 0,5%; 1,0%; 5,0%; 7,0%; 10,0%. Размеры частиц составляли величины: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм.
Размеры гранул составляли от 0,4-3,0 мм.
Размеры элемента уплотнения составляли: длина: 20 мм; 50 мм; 100 мм; 200 мм; 500 мм; 700 мм; ширина: 10 мм; 20 мм; 40 мм; 70 мм; высота: 5 мм; 10 мм; 30 мм; 50 мм; радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности: 200 мм; 400 мм; 1200 мм; 2300 мм; 2500 мм.
-2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
в
т
Элемент прирабатываемого уплотнения был изготовлен спеканием в вакууме и защитной среде. Спекание одной части заготовок проводили при температуре 1200±100°C в вакуумной электропечи ОКБ 8086 при остаточном давлении в камере не хуже 10 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СO, 2) CO, 3) смеси газов CO и CO в соотношениях объемных процентов: 10%:90%; 25%:75%; 10%:90%; 50%:50%; 75%:25%; 90%:10%. Давление прессования при изготовлении заготовок прирабатываемого уплотнения для всех вариантов было равным: 40 кгс/мм; 50 кгс/мм; 60 кгс/мм; 70 кгс/мм. Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 133 до 147; σ=28,1…37,2 кгс/мм; σ,=17,1…25,0 кгс/мм; КС=1,17…1,56 кгс·м/см. Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.
4
Таким образом, элемент истираемого уплотнения турбины, включающий следующие признаки: элемент прирабатываемого уплотнения турбины, содержащий несущую часть, выполненную в виде объемной ячеистой структуры, образующей каркас и прирабатываемую часть, заполняющую ячейки и выполненную из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью; ячейки выполнены из оболочек гранул заданной формы и размеров, заполненных порошковым прирабатываемым материалом; оболочки гранул выполнены из адгезионно соединенных между собой частиц порошка материала несущей части; объемная ячеистая структура образована соединенными между собой оболочками гранул; адгезионная прочность частиц в оболочке составляет от 70% до 90% от прочности материала частицы порошка несущей части; адгезионная прочность частиц порошкового прирабатываемого материала в ячейке составляет от 10% до 30% от прочности материала его частицы; оболочка гранулы выполнена оплавленной и имеет на поверхности покрытие из жаростойкого припоя толщиной от 60 мкм до 100 мкм; элемент прирабатываемого уплотнения выполнен спеченным; оболочка гранулы выполнена сферической или сигарообразной; материалом порошков несущей и прирабатываемой части является механическая смесь с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или латунь, или бронза, или их комбинации - остальное; гранулы имеют размер 0,4-3,0 мм; материалом порошка несущей части является механическая смесь состава: Cr - от 14,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,4%, Si - от 0,2 до 1,4%, Mn - от 0,1 до 0,5%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, материалом порошка прирабатываемой части является механическая смесь состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или латунь, или бронза, или их комбинации - остальное, а размеры гранулы составляют 0,4-3,0 мм; материалы порошков несущей и прирабатываемой частей дополнительно содержат порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; материал порошка прирабатываемой части дополнительно содержит порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; материал порошка прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес., следующие добавки: порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%; жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18; от 0,4 до 3 BaSO; 0,04 до 0,3 углерода; элементы прирабатываемого уплотнения выполнены в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм; в его поперечном сечении основание элемента выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника позволяет достичь поставленного в изобретении технического результата - одновременного обеспечения высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.
Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.