Материал надроторного уплотнения авиационного газотурбинного двигателя

 

Использование: в газотурбинных двигателях, в конструкциях узлов уплотнений, допускающих контакт с рабочими лопатками. Цель - создание материала надроторного уплотнения газотурбинного двигателя, который бы обеспечивал надежную работу уплотнения при использовании в двигателях с температурами рабочего газа 1300-1400°С. Материал надроторного уплотнения состоит из несущего каркаса из углеродкерамического материала на основе графитированных волокон и карбидокремниевой матрицы, а также различных тонкодисперсных добавок в зависимости от конкретных требований к материалу (например, нитрид бора).

Изобретение относится к материалам, применяемым в газотурбинных двигателях (ГТД), а именно к материалам для изготовления надроторного уплотнения ГТД.

Известно сотовое надроторное уплотнение из материала на основе металла, хорошо проводящего тепло и имеющего меньшую твердость и прочность, чем материал лопатки ротора. Хорошая срабатываемость в таких материалах обеспечивается тем, что уплотнение имеют тонкие стенки сот, а, следовательно, небольшую поверхность контакта с ротором [1].

Недостатком этого типа уплотнений является то, что рабочая температура ограничена температурой плавления металла, а также необходимость использования различных систем отвода тепла.

Известны металло-керамические композиционные материалы [2], состоящие из несущего металлического каркаса и различных наполняющих добавок. Каждая из составляющих выполняет свои функции. Несущий каркас, который формируется из металла, воспринимает на себя в процессе работы динамические, статические, термические и другие нагрузки. Наполняющие добавки придают композиционному материалу требуемые специфические свойства, такие как коэффициент трения, срабатываемость, термоокислительная стойкость. В качестве таких добавок используются порошки нитрида бора, карбида кремния, графита.

Для получения металлического каркаса по мере роста рабочей температуры от 300 до 1100^оС используют такие металлы, как алюминий, сплавы алюминия с добавками кадмия и магния, медь с добавками никеля, а также никель и сплавы на его основе. От уровня жаростойкости и прочности материала несущего каркаса во многом зависят прочность и жаростойкость уплотнения.

Недостатком данного типа надроторных уплотнений является то, что из-за физико-химических свойств используемых металлов уровень температур рабочего тела не превышает 1100^оС.

Данный недостаток устраняется тем, что в надроторном уплотнении несущий каркас выполнен из углерод-керамического материала на основе графитированных волокон и карбидо-кремниевой матрицы.

Преимущество предложенного материала надроторного уплотнения заключается в том, что отсутствуют ограничения рабочих температур, связанные с присутствием металла, керамический материал несущего каркаса по своим физико-химическим свойствам позволяет использовать его при температурах рабочего газа 1300-1400^оС.

Применение углерод-керамических материалов в элементах современных и перспективных газотурбинных двигателей известно. Однако для надроторного уплотнения (в монолите) они непригодны из-за высокой твердости и прочности, опасности разрушения рабочих лопаток.

В предложенном материале данный недостаток устраняется присутствием во всем объеме материала уплотнения тонкодисперсного нитрида бора, который обеспечивает легкую прирабатываемость, низкий коэффициент трения в паре с материалом рабочей лопатки, выполняемой из твердых жаростойких сплавов. В качестве наполняющей добавки может кроме нитрида бора применяться какой-либо другой материал, например карбид кремния, графит, в зависимости от конкретных требований к материалу надроторного уплотнения. В качестве наполнителя для углерод-керамического материала несущего каркаса целесообразно использовать изотропный графитированный волокнистый наполнитель.

Наиболее эффективно применение данного материала в газотурбинных двигателях, работающих при температурах 1300-1400^оС. При выполнении стенки корпуса камеры сгорания или выходного устройства из подобного материала (с близким коэффициентом термического расширения) становится возможным изготовление надроторного уплотнения не только в виде сегментов, но и в виде цельной обечайки.

Данный материал может быть получен по различным технологиям, но наиболее перспективно использование препреговой технологии, так как это упрощает формование изделий. Удобна эта технология и при выполнении надроторного уплотнения. Она включает следующие стадии: получение препрега, формование углепластиковой заготовки, карбонизация и высокотемпературная обработка.

По названной технологии получен материал надроторного уплотнения, содержащий графитированный войлок (10-20%), карбидо-кремниевый остаток поликарбосилана (10-30%) и тонкодисперсный порошок нитрида бора (50-80%).

Формула изобретения

МАТЕРИАЛ НАДРОТОРНОГО УПЛОТНЕНИЯ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий несущий каркас и наполнитель, отличающийся тем, что несущий каркас выполнен из углерод-керамического материала на основе графитированных волокон и карбидокремниевой матрицы.