Прирабатываемое уплотнение турбины

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Прирабатываемое уплотнение выполнено из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок. В качестве материала наполнителя использован материал 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. В качестве добавки использован гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0% с размерами частиц порошка менее 1 мкм. Технический результат - повышение прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения. 10 з.п. ф-лы.

 

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 объемных %.

Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является прирабатываемое уплотнение турбины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом уплотнение включает заполненные в сотовые ячейки и спеченные в вакууме или защитной среде гранулированный прошковый материл состава Cr-Fe-NB-C-Ni.

Известный материал прирабатываемого уплотнения 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 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 необходимости 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 материала уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что прирабатываемое уплотнение турбины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок, в отличие от прототипа, в качестве материала наполнителя использован материал 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, а в качестве добавки используется гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.

Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение в качестве добавки, как варианты, дополнительно содержит: от 0,4% до 3% BaSO₄; от 0,4% до 3% углерода.

Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, причем, как варианты, в качестве защитной среды использован CO и/или CO₂; спекание осуществлено в вакууме не ниже 10^-2 мм рт.ст.

Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение в качестве добавки, как варианты, дополнительно содержит: Ca в пределах от 0,01 до 0,2%; CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

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 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. Таким образом реализуется совмещение адгезионной прочности соединения частиц наполнителя составляющую величину от 20 до 100% прочности частиц и локальной адгезионной прочности соединения частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 3% от прочности частиц наполнителя. В связи с дискретным характером взаимодействия системы «уплотнение-лопатка», практически, после приработки происходит их безконтактное взаимодействие.

Однако для реализации описанного механизма прирабатываемости уплотнения необходимо обеспечить ряд условий. К этим условиям относятся: соотношение адгезионной прочности соединения частиц наполнителя должна составлять величину от 20 до 100% прочности частиц; локальная адгезионная прочность частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя; размеры частиц наполнителя должны составлять величину от 15 до 180 мкм; использоваться, в качестве добавки гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, а размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора должны составлять менее 1 мкм. Кроме того, функциональные свойства могут регулироваться использованием в качестве добавок BaSO₄ - от 0,4% до 3% и углерода от 0,4% до 3%. При этом важное значение имеют также условия получения прирабатываемого уплотнения: процесса спекания в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, при использовании в качестве защитной среды CO и/или CO₂ или спекания в вакууме (не ниже 10^-2 мм рт.ст.). Получение уплотнения может быть осуществлено также и газотермическим методом, а использование такой добавки как Ca в пределах от 0,01 до 0,2% также способствует, для определенных условий работы турбомашины, повышению эксплуатационных свойств уплотнения.

Пример. В качестве основы для получения прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок составов: 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 наполнителя 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) BaSO₄: 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) CaF₂: 4%; 6%; 8%; 11%.

Прирабатываемое уплотнение было изготовлено спеканием в вакууме и защитной среде. Спекание одной части заготовок проводили при температуре 1200±100°С в вакуумной электропечи ОКБ 8086 при остаточном давлении в камере не ниже 10^-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СО; 2) CO₂; 3) смеси газов CO и CO₂ 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/мм²; 50 кгс/мм²; 60 кгс/мм²; 70 кгс/мм². Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 137 до 146; σ_в=27,6…36,6 кгс/мм²; σ_т=17,4…24,4 кгс/мм²; КС=1,18…1,58 кгм/см².

Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.

1. Прирабатываемое уплотнение турбины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок, отличающееся тем, что в качестве материала наполнителя использован материал 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, а в качестве добавки использован гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0% с размерами частиц порошка менее 1 мкм.

2. Прирабатываемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит от 0,4% до 3% BaSO₄.

3. Прирабатываемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит от 0,4% до 3% углерода.

4. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С.

5. Прирабатываемое уплотнение по п.4, отличающееся тем, что в качестве защитной среды использован CO и/или CO₂.

6. Прирабатываемое уплотнение по п.4, отличающееся тем, что спекание осуществлено в вакууме не ниже 10^-2 мм рт.ст.

7. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

8. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

9. Прирабатываемое уплотнение по п.4, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

10. Прирабатываемое уплотнение по п.5, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

11. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.