Способ изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбомашины
METHOD FOR MANUFACTURING ELEMENT OF RUNNING-IN SEAL OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изготовления уплотнений зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.
Эффективность работы паровых турбин зависит от герметичности уплотнения между вращающимися лопатками и внутренней поверхностью корпуса турбине. Одним из основных видов подобных уплотнений являются истираемые уплотнения. 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 их высокой пористости и низкой прочности. Последнее обуславливает невысокую эрозионную стойкость уплотнительных материалов, что приводит к быстрому износу уплотнения. В качестве прирабатываемых уплотнений в современных турбинах используют также газотермические покрытия, имеющие, по сравнению с вышеописанными материалами, меньшую трудоемкость изготовления.
Известен способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4291089] методом газотермического напыления порошкового материала. При этом уплотнение формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.
Недостатком известного уплотнения является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и прочностных свойств уплотнения.
Известен также способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4936745] путем его формирования в виде высокопористого керамического слоя.
Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.
Известен также способ изготовления уплотнения турбомашин с прирабатываемым покрытием на статоре турбомашины (патент РФ №2033527, кл. F01D 11/08, опубл. 20.04.1995). Уплотнение формируют путем соединения 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, прожигом, 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.
Для уплотнения зазоров между бандажом рабочих лопаток и статорными деталями корпуса турбины применяются различные типы надбандажных уплотнений (Тепловые и атомные электрические станции, Справочник под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина, 2-е издание, книга 3, М.: Энергоатомиздат, с.206…208). Для таких уплотнений радиальные зазоры назначаются таким образом, чтобы исключить касание уплотнительных гребешков с острыми кромками об ответную твердую уплотняющую поверхность. Опыт эксплуатации показывает, что избежать касаний при всех эксплуатационных и аварийных режимах за межремонтный период, как правило, не удается. Острые кромки гребешков притупляются и эффективность уплотнения падает.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбомашины, в виде фасонного бруска с боковыми гребешками, между которыми располагается прирабатываемая часть уплотнения,   включающий формирование заготовки элемента уплотнения заданной формы и размеров путем заполнения пресс-формы порошком прирабатываемого материала, его прессованием в пресс-форме до образования формоустойчивой заготовки,  спекания образованной заготовки в защитной среде и  последующей ее размерной обработкой упомянутой заготовки до получения заданных размеров и формы упомянутого элемента, обеспечивающими при  кольцевом соединении ряда упомянутых элементов, формирование полного надбандажного уплотнения турбины [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].
В этой связи задачей настоящего изобретения является создание уплотнения, выполненного из спеченного порошкового материала, обеспечивающего повышение механической прочности уплотнения, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижение их износа в процессе эксплуатации, что привело бы к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.
Техническим результатом заявляемого изобретения является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения.
2
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбомашины, в виде фасонного бруска с боковыми гребешками, между которыми располагается прирабатываемая часть уплотнения,   включающем засыпку в пресс-форму порошкового материала, его прессование с формированием заготовки и спекание заготовки в защитной среде, в отличие от прототипа,  прессование ведут в поперечном направлении упомянутого уплотнения в три этапа, при этом на первом этапе засыпают в пресс-форму порошок первого гребешка и производят его прессование при удельном давлении 750-1500 кг/см с формированием заготовки первого гребешка, на втором этапе засыпают в пресс-форму порошок прирабатываемой части уплотнения, с обеспечением контакта порошка прирабатываемой части с поверхностью заготовки первого гребешка, прилегающей к прирабатываемой части, и осуществляют прессование при удельном давлении 1500-2250 кг/см с формированием заготовки прирабатываемой части, на третьем этапе засыпают порошок второго гребешка с обеспечением его контакта с поверхностью заготовки прирабатываемой части уплотнения и проводят прессование при удельном давлении 6000-11000 кг/см с формированием заготовки второго гребешка, причем для формирования гребешков используют порошковый материал состава, мас. %: Cr 12,0-14,0, Мо 1,5-2,5, Ti 0,08, С 0,08, Si 0,10, Mg 0,20, Fe - остальное, с размером частиц 40-100 мкм, а для формирования прирабатываемой части уплотнения используют порошковый материал с размером частиц 20-100 мкм, следующего состава, мас.%:
а) от 90 до 96 % от общего веса материала прирабатываемой части,   порошок состава,  вес. %: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное;
b) от 3,0 до 6,2 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части, порошок гексагонального нитрида бора;
с) от 0,5 до 2,0 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части барий сернокислый;
d) от 0,5 до 1,8 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части,  стеарат цинка,
o
o
причем спекание упомянутой заготовки элемента уплотнения проводят при температуре от 1000 до 1100 С в среде аргона, а после спекания проводят отпуск упомянутой заготовки при температуре от 650 до 670С, в течение от 2 до 3  часов и механическую обработку для получения заданных размеров и формы элемента уплотнения.
Исследованиями авторов было установлено, что в определенных условиях формирования заготовки, связанных с изменением удельного давления при прессовании, 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 - высокой прирабатываемостью. Совмещение высокой механической прочности и прирабатываемости 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 между рассматриваемой частицей и контактирующими с ней частицами наполнителя резко снижается, и в результате удара происходит отрыв рассматриваемой частицы. В целом же процесс прирабатываемости уплотнения складывается из совокупности единичных процессов отрыва частиц наполнителя в результате снижения адгезионной прочности на границе между частицами в рабочей зоне уплотнения в процессе эксплуатации. Кроме того, отрыв и унос частицы приводит к отводу излишней теплоты из зоны приработки и не позволяет нагреваться основной массе материала. Таким образом, реализуется совмещение адгезионной прочности соединения частиц наполнителя и адгезионной прочности частиц в рабочей зоне уплотнения. В связи с дискретным характером взаимодействия системы «уплотнение-лопатка», практически, после приработки происходит их бесконтактное взаимодействие. При этом использование более высокого удельного давления прессования периферийных элементов заготовки уплотнения позволяет повысить адгезионную прочность частиц в этой части уплотнительного элемента по сравнению с адгезионной прочностью частиц в его середине.
Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1-5), на которых изображено: на фиг.1 схема формирования заготовки первого гребешка уплотнения; фиг.2 - схема формирования заготовки прирабатываемой части уплотнения; на фиг.3 схема формирования заготовки второго гребешка уплотнения; на фиг.4 последовательность формирования заготовки уплотнения; на фиг.5 внешний вид заготовки уплотнения и уплотнение.   На фиг.1-5 обозначено: 1 – матрица;  2 – порошковый материал первого гребешка уплотнения;   3 -  пуансон пресс-формы; 4 –  заготовка первого гребешка; 5 - порошковый материал прирабатываемой части уплотнения;   6 – заготовка прирабатываемой части уплотнения; 7 -    порошковый материал второго гребешка уплотнения;   8 - заготовка второго гребешка;  9 – нижний пуансон;  10 – заготовка элемента прирабатываемого уплотнения; 11, 13 – гребешки уплотнения; 12 – прирабатываемая часть уплотнения; 14 – готовый элемент прирабатываемого уплотнения (Р1, Р2, Р3 –  давления, соответственно на первом, втором и третьем этапах прессования; стрелкой показано направление прессования.)
o
o
Способ осуществляется следующим образом. Формируют заготовку первого гребешка 4 (фиг.1, фиг.4), для чего заполняют матрицу 1 пресс-формы порошковым материалом первого гребешка 2 (фиг. 1а), объемом, обеспечивающим при прессовании образование заготовки первого гребешка 4 заданных размеров.  Осуществляют прессование порошка 2 с образованием заготовки первого гребешка 4 (фиг.1 b).  Затем (фиг.2) засыпают в матрицу 1 порошковый материал прирабатываемой части уплотнения 5 (фиг. 2 а), осуществляют прессование порошка (фиг.2 b) и формируют заготовку прирабатываемой части уплотнения 6. Далее (фиг.3) заполняют матрицу 1 пресс-формы порошковым материалом второго гребешка 7 (фиг. 3а), осуществляют прессование порошка 7 с образованием заготовки второго гребешка 4 (фиг.3 b). Прессование производят либо за счет встречного движения пуансонов 3 и 9 (фиг. 4). В процесс прессования происходит значительное уменьшение первоначального объема порошка за счет уменьшения пористости в результате сильного сжатия. В результате прессования образуется формоустойчивая заготовка (14) (фиг. 4 и фиг.5). Затем удаляют из матрицы сформированную заготовку (фиг. 4), производят ее спекание в среде азота при температуре от 1000 до 1100С, а после спекания проводят отпуск упомянутой заготовки при температуре от 650 до 670С, в течение от 2 до 3 часов. Готовую заготовку 10 (фиг.5 а), подвергают механической обработке до получения заданных размеров и формы элемента надбандажного уплотнения (14), включающем гребешки уплотнения (11,13) и прирабатываемую часть уплотнения (фиг.5 b).  Полученный элемент уплотнения (фиг.5b) выполняется в виде брусков, размерами и формой обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного надбандажного уплотнения турбомашины.
В поперечном сечении элемент выполняют в виде трапеции (фиг.5b). Для повышения эффективности и надежности работы уплотнения в прирабатываемой части формируют рабочий паз (фиг.5b), при этом образуются стенки паза в виде гребешков, которые также выполняют роль дополнительных контактных поверхностей в системе «уплотнение-лопатка». В процессе эксплуатации гребешки 11 и 13 также создают дополнительный эффект уплотнения.
В качестве материала гребешков используют порошковую шихту состава, вес. %: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное, с размерами частиц от 40 мкм до 100 мкм, а в качестве материала упомянутой прирабатываемой части уплотнения используют порошковый материал размерами частиц от 20 мкм до 100 мкм, состава:
а) от 90 до 96 % от общего веса материала прирабатываемой части,   порошок состава,  вес. %: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное;
b) от 3,0 до 6,2 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части, порошок гексагонального нитрида бора;
с) от 0,5 до 2,0 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части барий сернокислый;
d) от 0,5 до 1,8 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части,  стеарат цинка,
o
o
Спекание заготовки элемента уплотнения проводят при температуре от 1000 до 1100 С в среде аргона, а после спекания проводят отпуск упомянутой заготовки при температуре от 650 до 670С, в течение от 2 до 3 часов и механическую обработку для получения заданных размеров и формы элемента уплотнения.
Пример. В качестве материалов для получения заготовки прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов:
1. Для изготовления заготовок гребешков порошковая шихта состава, мас. %: [Cr - 11,0%, Mo - 1,4%, Ti - 0,06, С - 0,06, Si - 0,10, Mg - 0,18, Fe - остальное] - (Н.Р.); [Cr - 12,0%, Mo - 1,5%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 13,0%, Мо - 2,2%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 14,0%, Мо - 2,5%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 16,0%, Мо - 2,8%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (Н.Р.);
2. Для изготовления заготовок прирабатываемой части уплотнения порошковый материал состава, вес. %:
1)  от общего веса материала прирабатываемой части, порошок состава, мас. %: 82 %  Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (Н.Р.);  85% : Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (У.Р.); 89% : Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (У.Р.); 93%: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (У.Р.); 98% : Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (У.Р.); 100% : Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное (Н.Р.);
2)  от общего веса материала прирабатываемой части, порошок гексагонального нитрида бора мас.%: 2,0(Н.Р.); 3,0 (У.Р.); 7,0 (У.Р.); 8(Н.Р.);
3) от общего веса материала прирабатываемой части барий сернокислый мас.%:  0,3 (Н.Р.); 0,5(У.Р.); 1,0(У.Р.); 2,0(У.Р.); 2,3(Н.Р.);
4) от общего веса материала прирабатываемой части, стеарат цинка мас.%: 0,2 (Н.Р.); 0,4(У.Р.); 0,9(У.Р.); 1,4(У.Р.); 1,8 (У.Р.);
5) [Cr - 11,0%, Mo - 1,4%, Ti - 0,06, С - 0,06, Si - 0,10, Mg - 0,18, Fe - остальное] - (Н.Р.); [Cr - 12,0%, Mo - 1,5%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 13,0%, Мо - 2,2%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20,  Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 14,0%, Мо - 2,5%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (У.Р.); [Cr - 16,0%, Мо - 2,8%, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное] - (Н.Р.).
Размеры частиц составляли величины:
1) для материала гребешков, мкм: 10 мкм (Н.Р.); 20 мкм (У.Р.);  40 мкм (У.Р.); 60 мкм (У.Р.);  100 мкм (У.Р.);  120 мкм (Н.Р.).
2) для материала прирабатываемой части, мкм: 30 мкм (Н.Р.); 40 мкм (У.Р.); 60 мкм (У.Р.);  100 мкм (У.Р.);  120 мкм (Н.Р.).
Размеры элемента прирабатываемого 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.
Давление прессования при изготовлении заготовок прирабатываемого уплотнения было равным:
2
2
2
2
2
2
на первом этапе: 700 кг/см – (Н.Р.);  750 кг/см – (У.Р.); 900 кг/см – (У.Р.); 1200 кг/см – (У.Р.); 1500 кг/см – (У.Р.); 1700 кг/см – (Н.Р.).
2
2
2
2
2
2
на втором этапе: 1300 кг/см – (Н.Р.); 1500 кг/см – (У.Р.); 1800 кг/см – (У.Р.);  2000 кг/см – (У.Р.); 2250 кг/см – (У.Р.); 2400 кг/см – (Н.Р.).
2
2
2
2
2
на третьем этапе: 5500 кг/см – (Н.Р.); 6000 кг/см – (У.Р.); 9000 кг/см – (У.Р.); 11000 кг/см – (У.Р.); 12000 кг/см – (Н.Р.).
o
o
o
o
Элемент прирабатываемого уплотнения был изготовлен спеканием в азоте  (на воздухе – (Н.Р.) при температуре:  950 С (Н.Р.); 1000 С (У.Р.);  1100 С (У.Р.); 1200 С (Н.Р.).
o
o
o
o
Отпуск заготовки элемента прирабатываемого уплотнения: 640С (Н.Р.); 650С (У.Р.); 670С (У.Р.); 680С (Н.Р.); время отпуска, в течение: 1,5 час (Н.Р.); 2,0 час (У.Р.); 2,5 час (У.Р.); 3,0 час (У.Р.); 3,5 час (Н.Р.).
Механические свойства полученного материала составили:
o
2
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
1) для гребешков уплотнения твердость от 95 НВ до 160 НВ; предел прочности при изгибе 153-164 МПа; предел прочности на разрыв при температуре 620С 124-131 МПа;  ударная вязкость 1-4 Дж/ см; коэффициент линейного расширения: при 100 С (1,11 -1,20)10; при 200 С (1,19 -1,3)10; при 300 С (1,22 -1,31)10; при 400 С (1,30 -1,42)10; при 500 С (1,36 -1,44)10; при 600 С (1,37 -1,49)10;
o
2
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
o
-5
2) для прирабатываемой части уплотнения твердость от 55 НВ до 95 НВ; предел прочности при изгибе 90-120 МПа; предел прочности на разрыв при температуре 620С 50-60 МПа;  ударная вязкость 1-4 Дж/ см; коэффициент линейного расширения: при 100 С (1,12 -1,21)10; при 200 С (1,21 -1,3)10; при 300 С (1,24 -1,34)10; при 400 С (1,31 -1,41)10; при 500 С (1,36 -1,44)10; при 600 С (1,38 -1,48)1010.
Результаты испытаний образцов уплотнений в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.
2
2
2
Таким образом, использование в предлагаемом способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбомашины в виде фасонного бруска с боковыми гребешками, между которыми располагается прирабатываемая часть уплотнения,    следующих признаков: формирование заготовки элемента уплотнения заданной формы и размеров путем заполнения пресс-формы порошком прирабатываемого материала, его прессованием в пресс-форме до образования формоустойчивой заготовки,  спекания образованной заготовки в защитной среде и  последующей ее размерной обработкой упомянутой заготовки до получения заданных размеров и формы упомянутого элемента, обеспечивающими при  кольцевом соединении ряда упомянутых элементов, формирование полного надбандажного уплотнения турбины;  формирование заготовки в три этапа: вначале заполнение объема, образующего заготовку первого гребешка,  прессование  порошка, затем заполнение объема, образующего прирабатываемую часть, при обеспечении контакта порошка прирабатываемой части с поверхностью образованной заготовки первого гребешка, прилегающей к прирабатываемой части элемента уплотнения;  затем заполнение объема, образующего заготовку второго гребешка упомянутого уплотнения,  при обеспечении контакта порошка заготовки второго гребешка с поверхностью образованной заготовки прирабатываемого уплотнения, прилегающей к прирабатываемой части упомянутого элемента уплотнения; прессование в поперечном направлении уплотнения, при следующих величинах удельного давления на каждом этапе: на первом этапе –  от 750 до 1500 кг/см, на втором этапе –  от 1500 до 2250 кг/см,  на третьем этапе –  от 6000 до 11000 кг/см;  использование в качестве материала гребешков порошковой шихты  состава, вес. %: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe - остальное, с размерами частиц от 40 мкм до 100 мкм; использование в качестве материала прирабатываемой части уплотнения порошкового материала размерами частиц от 20 мкм до 100 мкм, состава:
а) от 90 до 96 % от общего веса материала прирабатываемой части,   порошок состава,  вес. %: Cr - от 12,0 до 14,0, Мо - от 1,5 до 2,5, Ti - 0,08, С - 0,08, Si - 0,10, Mg - 0,20, Fe – остальное;
b) от 3,0 до 6,2 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части, порошок гексагонального нитрида бора;
с) от 0,5 до 2,0 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части барий сернокислый;
d) от 0,5 до 1,8 мас.% от общего веса материала прирабатываемой части,  стеарат цинка,
o
o
спекание заготовки элемента уплотнения при температуре от 1000 до 1100 С в среде аргона; проведение отпуска заготовки при температуре от 650 до 670С, в течение от 2 до 3  часов после ее спекания, механическую обработку для получения заданных размеров и формы элемента уплотнения,  позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения, которым является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения.