СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕМЕНТА СТАТОРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ
POWER TURBINE STATOR ELEMENT MODIFICATION

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к уплотняемым зазорам в энергетических турбинах и способам модификации стационарного кожуха таким образом, чтобы контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин. В частности, изобретение относится к способу нанесения уплотнительного покрытия на элементы статора энергетических турбин, предназначенному контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин.
Паровые турбины производств являются основными первичными двигателями мощных компрессорных и насосных агрегатов, надежности и эффективности работы которых уделяется особое внимание.
В настоящее время ведущие мировые производители паровых турбин наиболее активно ведут исследования в направлении конструктивных решений уплотнений паровых турбин.
Уплотнительные, или изнашиваемые покрытия применяются в газотурбинных двигателях в авиации, энергетике, газоперекачивающих агрегатах (ГПА) взамен вставок из уплотнительных материалов. Изнашиваемые покрытия снижают зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Методом плазменного напыления уплотнительные покрытия делаются настолько податливыми, чтобы кромка лопатки или лабиринт легко врезались в их слой, однако достаточно прочными, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.
Применение уплотняющих (прирабатываемых) покрытий в горячей части турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет заметно повысить КПД и тепловую мощность двигателя за счет уплотнения зазоров по периферийным торцам лопаток и по гребешкам лабиринтных уплотнений между ступенями по всей окружности вращения, сводя к минимуму износ дорогостоящих вращающихся лопаток ротора турбины. Основными требованиями к уплотнительным покрытиям в ГТД являются достаточная прочность, податливость при врезании лопаток лабиринтными выступами, антифрикционность, теплозащитные свойства, эрозионная стойкость и низкое сопротивление "выветриванию" рабочей поверхности (со стороны газового потока).
Из уровня техники известен способ модификации элемента статора энергетической турбины, включающий нанесение на него покрытия (RU 2415199 С1, МПК С23С 14/38, опубликовано 27.03.2011).
Недостаток известного способа модификации элемента статора энергетической турбины заключается в том, что при нанесении покрытия не контролируется нагрев напыляемой поверхности, который приводит к снижению ресурса статора и наведению остаточных напряжений в уплотнительное покрытие, которые приводят к появлению трещин, сколов и отслоений уплотнительного покрытия как между слоями, так и от материала подложки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение температуры напыляемой поверхности во время напыления для сохранения работоспособности как материала статора, так и уплотнительного покрытия при высоких нагрузках, вызванных критическими режимами эксплуатации энергетических турбин.
Техническим результатом является снижение нагрева напыляемой поверхности в 3-4 раза, отсутствие трещин и расслоений в покрытии, увеличение прочностных свойств покрытия, увеличение коэффициента использования напыляемого порошка.
2
Технический результат достигается тем, что способ модификации элемента статора энергетической турбины включает нанесение на него покрытия плазменным напылением, под углом 55-70 градусов по отношению к поверхности напыления, причем скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности элементов статора энергетических турбин во время напыления составляет 0,5-1,0 м/с, а площадь пятна напыления на поверхности элементов статора энергетических турбин составляет 1,7-5,0 см.
Проведенные исследования показали, что при скорости напыления менее 0,5 м/с покрытие формируется с наведенными трещинами и расслоениями. При скорости напыления более 1,0 м/с снижается коэффициент использования порошка, т.е. на напыление той же толщины покрытия тратится в 1,5-2 раза больше порошка, что снижает экономическую привлекательность способа формирования уплотнительного покрытия.
2
Для получения толстого уплотнительного покрытия с минимальным перегревом напыляемой поверхности с минимальными временными паузами между нанесением каждого слоя покрытия необходимо контролировать площадь участка поверхности, подвергаемой напылению. При площади напыления менее 1,7 см покрытие формируется с наведенными трещинами. При площади напыления более 5,0 см покрытие формируется с расслоениями.
2
Пример 1. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления. Угол нанесения керамического слоя составил 60 градусов. Скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности статора во время напыления составила 0,75 м/с, которая была максимальна для применяемого вида манипулятора. Площадь пятна напыления на поверхности статора составила 3,4 см.
Температура поверхности статора не поднималась выше 45 градусов, при этом покрытие сформировалось без трещин с итоговой толщиной - 4 мм.
Пример 2. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления на ряд стальных образцов, при этом меняли режимы нанесения покрытия
Таблица 1
Образец покрытия
Угол напыления, градус
Скорость перемещения горелки, м/с
Площадь напыления, см<sup>2</sup>
Наличие дефектов
Температура поверхности напыления
1
90
1,0
2,0
трещины
181
2
90
0,5
2,0
расслоение
192
3
80
1,0
2,0
расслоение
157
4
80
0,5
2,0
расслоение
163
5
70
1,0
2,0
отсутствуют
110
6
70
0,5
2,0
отсутствуют
125
7
60
1,0
2,0
отсутствуют
78
8
60
0,5
2,0
отсутствуют
89
9
50
1,0
2,0
покрытие не формируется
40
10
50
0,5
2,0
отслоение
55
11
40
1,0
2,0
покрытие не формируется
-
12
40
0,5
2,0
покрытие не формируется
-
13
30
1,0
2,0
покрытие не формируется
-
14
30
0,5
2,0
покрытие не формируется
-