Уплотнение зазоров проточной части турбомашины

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Прирабатываемое уплотнение турбомашины, выполнено из адгезионно соединенных между собой в монолитный материал частиц порошкового наполнителя. отличающееся тем, При этом наполнителем является высоколегированная сталь состава: Сr - от 16,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,6%, Fe - остальное, а размеры частиц порошка наполнителя составляют от 10 мкм до 150 мкм, причем содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм составляет не менее 80% от общего объема частиц. Уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде, обеспечивающим величину прочности сцепления частиц наполнителя от 20 до 100% от прочности частиц, при локальной прочности сцепления частиц в зоне контакта с контр-телом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя. Уплотнение дополнительно может содержать: Са - от 0,01 до 0,2%, CaF₂ - от 4 до 11%, BN - от 4 до 11%, BN+BaSO₄- от 4 до 14%, Si - от 0,2 до 1,6%, Mn - от 0,2 до 0,6%, С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%. 1 н.з. и 10 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. 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 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, имеющих, 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 прирабатываемое 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 уплотнение зазоров проточной части турбомашины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, [патент РФ 2039631, МПК B22F 3/10, Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом уплотнение включает порошковый наполнитель, составляющий основу материала уплотнения и добавки. Порошковый материал заполнен в сотовые ячейки и спечен в вакууме или защитной среде. В качестве гранулированного прошкового материла использован материал состава Cr-Fe-Nb-C-Ni.

Известное прирабатываемое уплотнение 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 элементами-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 необходимость использования сотовых ячеек.

Задачей полезной модели является создание уплотнения, не содержащего слоя сотовой структуры, а выполненного из монолитного материала, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего их износ в процессе эксплуатации.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что уплотнение зазоров проточной части турбомашины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, в отличие от прототипа, элемент выполнен составным, содержащим несущую и прирабатываемую части, причем несущая часть выполнена из порошкового материала состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 мкм до 180 мкм, а прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошкового материала с размерами частиц порошка от 10 мкм до 150 мкм, состава, в вес.%: Cr - от 14,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,4%, Si - от 0,2 до 1,4%, Mn - от 0,1 до 0,5%, Fe -остальное, при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30% до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - 10% до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%.

Кроме того, полезная модель позволяет получить следующие дополнительные технические результаты.

Дополнительные технические результаты в виде уменьшения коэффициента трения и повышения жаростойкости достигаются за счет того, что материал прирабатываемой части может дополнительно содержать порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, размерами частиц порошка гексагонального нитрида бора менее 1 мкм, при этом материал прирабатываемой части может дополнительно содержать в % вес: С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%; от 0,4% до 3% BaSO₄; от 0,04% до 0, 3% углерода, материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2% или CaF₂ в количестве от 4 до 11%, а уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, а качестве защитной среды использован СО и/или СО₂, или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.; уплотнение получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

Дополнительные технические результаты в виде снижения трудоемкости изготовления, расширения функциональных возможностей уплотнения и возможности его использования на основных конструкциях турбомашин достигаются за счет того, что уплотнение выполнено в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, а размеры уплотнения составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине уплотнения, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм, при этом отношение площади прирабатываемой части к несущей части уплотнения по его поперечному сечению могут составлять: от 1:20 до 10:1; несущая часть уплотнения составляет его основание, при этом возможны следующие варианты воплощения элемента уплотнения: по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть уплотнения охватывает прирабатываемую часть уплотнения, причем несущая часть выполнена в виде трапеции или основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника.

Исследованиями авторов было установлено, что, с одной стороны, 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. С другой стороны, функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую и несущую части существенно увеличивают прочностные его характеристики. Кроме того, использование порошкового материала для получения как прирабатываемой, так и несущей частей уплотнения позволяют, за счет применения только одного из видов спекания порошковых материалов в значительной степени (например, в отличие от использования сотовых структур) снизить трудоемкость изготовления уплотнений.

Пример. В качестве материалов для получения элемента прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов.

Для прирабатываемой части: 1) [Cr - 12,0%, Мо - 0,5%, Si - 0,1%, Mn - 0,05%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Cr - 14,0%, Мо - 0,7%, Si - 0,2%, Mn - 0,1%, Fe - остальное]; 3) Cr - 18,0%, Мо - 1,4%, Si - 1,4%, Mn - 0,5%,Fe - остальное; 4) [Cr - 20,0%, Мо - 1,8%, Si - 1,9%, Mn - 0,8%, Fe - остальное] - Н.Р. Размеры частиц составляли величины: 10 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Наилучшие результаты при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30% до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - 10% до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%. 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) С - 0,01%; 0,03%, Ni - 0,1%; 0,3%, Nb - 0,4%; 0,8%, S - 0,01%; 0,03%.2) BaSO₄:0,4%; 1,2%; 3%. 3) углерод: 0,04%; 0,3%. 4) Са:0,01%; 0,05%; 0,1%; 0,2%. 5) CaF₂:4%; 6%; 8%; 11%.

Для несущей части: 1) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 16,0%, Мо - 3,7%, Fe -остальное. Размеры частиц составляли величины: 10 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм.

Размеры элемента 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.

Уплотнение зазоров проточной части турбомашины 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 хуже 10^-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СО. 2) CO₂ 3) смеси газов СО и СO₂ 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/мм ²; 70 кгс/мм². Механические свойства полученного материала составили: твердость, НВ от 133 до 147; _в=28,137,2 кгс/мм²; _т,=17,125,0 кгс/мм²; КС=1,171,56 кгм/см². Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.

Таким образом, уплотнение зазоров проточной части турбомашины, включающее следующие признаки; выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала; уплотнение выполнено составным, содержащим несущую и прирабатываемую части; несущая часть выполнена из порошкового материала состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 мкм до 180 мкм; прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошкового материала с размерами частиц порошка от 10 мкм до 150 мкм, состава, в вес.%: Cr - от 14,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,4%, Si - от 0,2 до 1,4%, Mn - от 0,1 до 0,5%, Fe - остальное, при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30% до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - 10% до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%, позволяет достичь поставленного в заявляемой полезной модели технического результата - одновременного обеспечения высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

Кроме того, использование в полезной модели следующих признаков: материал прирабатываемой части дополнительно содержит порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, размерами частиц порошка гексагонального нитрида бора менее 1 мкм; материал прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес: С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%; от 0,4% до 3% BaSO₄; от 0,04% до 0, 3% углерода; материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2% или CaF₂ в количестве от 4 до 11%; уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, а качестве защитной среды использован СО и/или СО₂, или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10" мм рт.ст.; уплотнение получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины, позволяют достичь дополнительных технических результатов в виде уменьшения коэффициента трения и повышения жаростойкости уплотнения.

Кроме того, использование в полезной модели следующих признаков: уплотнение выполнено в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; размеры уплотнения составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине уплотнения, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм; отношение площади прирабатываемой части к несущей части уплотнения по его поперечному сечению могут составлять: от 1:20 до 10:1; несущая часть уплотнения составляет его основание, при этом возможны следующие варианты воплощения элемента уплотнения: по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть уплотнения охватывает прирабатываемую часть уплотнения, причем несущая часть выполнена в виде трапеции или основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника, позволяют достичь дополнительных технических результатов в виде снижения трудоемкости изготовления, расширения функциональных возможностей уплотнения и возможности его использования на основных конструкциях турбомашин.

1. Уплотнение зазоров проточной части турбомашины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, отличающееся тем, что уплотнение выполнено составным из несущей и прирабатываемой части, причем несущая часть выполнена из порошкового материала состава, вес.%: Сr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 мкм до 180 мкм, а прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошкового материала с размерами частиц порошка от 10 мкм до 150 мкм, состава, вес.%: Сr - от 14,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,4%, Si - от 0,2 до 1,4%, Мn - от 0,1 до 0,5%, Fe - остальное, при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30 до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - от 40 до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - от 10 до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5 до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.

3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит, вес.%: С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%.

4. Уплотнение по п.2, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит BaSO₄ - от 0,4 до 3 вес.%.

5. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод - от 0,04 до 0,3 вес.%.

6. Уплотнение по п.2, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод - от 0,04 до 0,3 вес.%.

7. Уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что оно выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С.

8. Уплотнение по п.7, отличающееся тем, что в качестве защитной среды использован СО и/или СО ₂.

9. Уплотнение по п.7, отличающееся тем, что спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт. ст.

10. Уплотнение по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающееся тем, что оно получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

11. Уплотнение по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са - от 0,01 до 0,2 вес.%.

12. Уплотнение по п.7, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са - от 0,01 до 0,2 вес.%.

13. Уплотнение по п.8, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са - от 0,01 до 0,2 вес.%.

14. Уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит CaF₂ - от 4 до 11 вес.%.

15. Уплотнение по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, отличающееся тем, что уплотнение выполнено в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении в кольцо формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

16. Уплотнение по п.15, отличающееся тем, что его размеры составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм.

17. Уплотнение по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, 16, отличающееся тем, что отношение площади прирабатываемой части к несущей части уплотнения по его поперечному сечению составляет от 1:20 до 10:1.

18. Уплотнение по п.15, отличающееся тем, что отношение площади прирабатываемой части к несущей части уплотнения по его поперечному сечению составляет от 1:20 до 10:1.

19. Уплотнение по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, 16, 18, отличающееся тем, что его несущая часть составляет его основание.

20. Уплотнение по п.19, отличающееся тем, что по его поперечному сечению несущая часть охватывает в виде U-образного элемента прирабатываемую часть.

21. Уплотнение по п.19, отличающееся тем, что в поперечном сечении его несущая часть охватывает прирабатываемую часть, причем несущая часть выполнена в виде трапеции.

22. Уплотнение по п.20, отличающееся тем, что в его поперечном сечении несущая часть охватывает прирабатываемую часть, причем несущая часть выполнена в виде трапеции.

23. Уплотнение по п.19, отличающееся тем, что в его поперечном сечении несущая часть охватывает прирабатываемую часть, причем основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.

24. Уплотнение по п.20, отличающееся тем, что в его поперечном сечении несущая часть охватывает прирабатываемую часть, причем основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.