Материал прирабатываемого уплотнения

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Материал прирабатываемого уплотнения турбомашины, содержит частицы порошкового наполнителя адгезионно соединенные между собой в монолитный материал. Адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет величину от 20 до 100% прочности частиц, а локальная адгезионная прочность частиц в зоне контакта с контр-телом от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя. Указанная величина локальной адгезионной прочности частиц в зоне контакта обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в результате импульсного контакта частицы с контр-телом. Материал уплотнения дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта. 1 н.з. и 16 з.п. ф-лы, 1 прим.

Полезная модель 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 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. Материалы для 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 материалов 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, имеющих, по сравнению с вышеописанными материалами, меньшую трудоемкость изготовления.

Известен материал прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США 4291089], получаемый методом газотермического напыления порошкового материала. При этом материал уплотнения формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно на кольцевой элемент корпуса турбомашины в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.

Недостатком известного материала является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и износостойкости покрытия.

Известен также материал прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США 4936745], выполненный в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 объемных%.

Недостатком известного материала является низкая эрозионная стойкость и прочность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является материал прирабатываемого уплотнения турбомашины, содержащий частицы порошкового наполнителя адгезионно соединенные между собой в монолитный материал [патент РФ 2039631, МПК B22F 3/10, Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом материал уплотнения содержит заполненный в сотовые ячейки и спеченный 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 лопатке 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 заявляемой полезной модели является обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что материал прирабатываемого уплотнения, содержащий частицы порошкового наполнителя адгезионно соединенные между собой в монолитный материал, в отличие от прототипа адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет от величину от 20 до 100% прочности частиц, а локальная адгезионная прочность частиц в зоне контакта с контр-телом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя.

Технический результат достигается также тем, что величина локальной адгезионной прочности частиц в зоне контакта обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в результате импульсного контакта частицы с контр-телом.

Технический результат достигается также тем, что: размеры частиц наполнителя составляют величину от 15 до 180 мкм; материал дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта в качестве наполнителя используется высоколегированная сталь состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное; дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%; дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%; дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%; дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%; материал выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

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 контр-телом 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 контр-телом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя; размеры частиц наполнителя должны составлять величину от 15 мкм до 180 мкм.

Пример. В качестве основы для получения материала для прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок составов: 1) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 16,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное. Размеры частиц наполнителя составляют величина: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Исходный порошковый материал дополнительно содержал следующие компоненты: 1) Са - 0,01%; 0,1%; 0,2%; 2) CaF₂ - 4%; 8%; 11%; 3) BN 4%; 6%; 11%; 4) (BN+BaSO ₄) - 4%; 9%; 14%; материал был изготовлен 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 менее 10^-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде осушенного диссоциированного аммиака, в засыпке из обожженного тонкомолотого глинозема. Давление прессования при изготовлении заготовок для всех вариантов было одинаковым и принято равным 70 кгс/мм ². Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 137 до 146; _в=27,636,6 кгс/мм²; _т,=17,424,4 кгс/мм²; КС=1,181,58 кгм/см².

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

На фигуре представлена фотография шлифа: внешний вид уплотнения после испытаний (1 - материал прирабатываемого уплотнения; 2 - паз, образованный в результате процесса приработки системы «уплотнение-лопатка»; 3 - поверхность, образованная в результате приработки уплотнения.)

1. Материал прирабатываемого уплотнения, содержащий частицы порошкового наполнителя, адгезионно соединенные между собой в монолитный материал, отличающиеся тем, что адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет величину от 20 до 100% прочности частиц, а локальная адгезионная прочность частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что величина локальной адгезионной прочности частиц в зоне контакта обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в результате импульсного контакта частицы с контртелом.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что размеры частиц наполнителя составляют величину от 15 до 180 мкм.

4. Материал по п.2, отличающийся тем, что размеры частиц наполнителя составляют величину от 15 до 180 мкм.

5. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта.

6. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используется высоколегированная сталь состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное.

7. Материал по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

8. Материал по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

9. Материал по п.7, отличающийся тем, что дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

10. Материал по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

11. Материал по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

12. Материал по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

13. Материал по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

14. Материал по п.6, отличающийся тем, что выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

15. Материал по любому из пп.1-4, 7-10, 12, отличающийся тем, что выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

16. Материал по п.11, отличающийся тем, что выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

17. Материал по п.13, отличающийся тем, что выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.