ЭЛЕМЕНТ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ
TURBINE WORK-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 N 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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является элемент прирабатываемого уплотнения турбины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала. 1995]. При этом уплотнение включает порошковый наполнитель, составляющий основу материала уплотнения и добавки. Порошковый материал заполнен в сотовые ячейки и спечен в вакууме или защитной среде. В качестве гранулированного порошкового материла использован материал состава Cr-Fe-NB-C-Ni.
Известное прирабатываемое уплотнение турбомашины [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала. 1995] используется для уплотнения, которое выполнено в виде жестко соединенного со статором слоя сотовой структуры. При соприкосновении выступов на торце лопатки с сотовой структурой острые кромки гребешков притупляются, что приводит к снижению эффективности уплотнения. 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.].
Процесс изготовления и прикрепления сотовой структуры достаточно сложен, трудоемок, а также связан с большими временными затратами. При этом сотовая структура может быть соединена как с кольцевым элементом турбомашины, так и с отдельными, образующими кольцо элементами-вставками [например, патент РФ 2287063, МПК F01D 11/08, 2006 г.].
Недостатками прототипа являются невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения, а также необходимость использования сотовых ячеек.
В этой связи использование уплотнения, не содержащего слоя сотовой структуры, а выполненного из монолитного материала допускающими врезание в него выступов лопатки и снижающими 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.
4
Технический результат достигается тем, что элемент прирабатываемого уплотнения турбины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, в отличие от прототипа элемент выполнен составным, содержащим прирабатываемую и несущую части, причем прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0%, а несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, при этом размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора могут составлять менее 1 мкм, а также материал прирабатываемой части элемента может дополнительно содержать от 0,4% до 3% BaSO или от 0,4% до 3% углерода.
2
-2
Технический результат достигается также тем, что элемент выполнен спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°C до 1250°C, а в качестве защитной среды использован CO и/или CO, или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10 мм рт.ст.
Технический результат достигается также тем, что элемент получен газотермическим нанесением на элемент турбомашины.
2
Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2% или CaF в количестве от 4 до 11%.
Технический результат достигается также тем, что элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, а размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2000 мм, при этом отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению могут составлять: от 1:20 до 10:1.
Технический результат достигается также тем, что несущая часть элемента составляет его основание, при этом возможны следующие варианты воплощения элемента уплотнения: по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем несущая часть выполнена в виде трапеции или основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника.
Исследованиями авторов было установлено, что, с одной стороны, 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 прирабатываемое в разработанном материале для уплотнений, объясняется, в частности, тем, что адгезионная прочность частиц наполнителя, образующего материал, весьма высока, тогда как в результате мгновенного ударного-теплового воздействия в условиях эксплуатации уплотнения на отдельную частицу наполнителя кинетическая энергия удара переходит в тепловую энергию. В результате этого адгезионная прочность на границе рассматриваемой частицы резко снижается и в результате удара происходит его отрыв. В целом же процесс прирабатываемости уплотнения складывается из совокупности единичных процессов отрыва частиц наполнителя в результате снижения адгезионной прочности на границе каждой частицы. Кроме того, отрыв и унос частицы приводит к отводу излишней теплоты из зоны приработки и не позволяет нагреваться основной массе материала. С другой стороны, функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую и несущую части существенно увеличивают прочностные его характеристики. Кроме того, использование порошкового материала для получения как прирабатываемой, так и несущей частей уплотнения позволяют, за счет применения только одного из видов спекания порошковых материалов в значительной степени (например, в отличие от использования сотовых структур) снизить трудоемкость изготовления уплотнений.
4
2
2
-2
Таким образом, элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий следующие признаки: выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала; элемент выполнен составным, содержащим прирабатываемую и несущую части; прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0%; несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм; размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; материал прирабатываемой части элемента дополнительно содержит от 0,4% до 3% BaSO или от 0,4% до 3% углерода; элемент выполнен спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°C до 1250°C; качестве защитной среды использован CO и/или CO, или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10 мм рт.ст.; элемент получен газотермическим нанесением на элемент турбомашины; материал прирабатываемой части дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2% или CaF в количестве от 4 до 11%; элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности, от 200 мм до 2000 мм; отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению могут составлять: от 1:20 до 10:1; несущая часть элемента составляет его основание; по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента; несущая часть выполнена в виде трапеции; основание несущей части 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.
Пример. В качестве материалов для получения элемента прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов.
4
2
Для прирабатываемой части: 1) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 16,0%, Mo - 3,7%, Fe - остальное. Размеры частиц составляли величины: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. 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) BaSO: 0,4%; 1,2%; 3%. 2) углерод: 0,4%; 0,8%; 2,1%; 3%. 3) Ca: 0,01%; 0,05%; 0,1%; 0,2%. 4) CaF: 4%; 6%; 8%; 11%.
Для несущей части: 1) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 16,0%, Mo - 3,7%, Fe - остальное. Размеры частиц составляли величины: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм.
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; 600 мм; 1200 мм; 2000 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) CO. 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 137 до 146; σ=27,6…36,6 кгс/мм; σ,=17,4…24,4 кгс/мм; КС=1,18…1,58 кгм/см.
Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.