Прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включает несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание уплотнения. При этом несущая часть, выполнена в поперечном сечении в виде U-образного металлического армирующего элемента и охватывает прирабатываемую часть с обеспечением доступа ответной детали к прирабатываемой части уплотнения без контакта ответной детали с несущей частью уплотнения, а прирабатываемая часть получена из механической смеси порошкового сплава состава; Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Сu или их комбинации - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0% от смеси. U-образный армирующий элемент несущей части может быть выполнен из легированной стали в виде U-образной трапеции. 1 н.з. и 21 з.п. ф-лы, 3 фиг., 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 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.

Прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включающее несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание уплотнения,

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включающий несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание уплотнения, [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 порошкового 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, MПК 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.

В этой связи, задачей настоящей полезной модели является создание уплотнения, не содержащего сотовой структуры, а выполненного из монолитного материала допускающими врезание в него выступов лопатки и снижающими их износ в процессе эксплуатации, что привело бы к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.

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

Технический результат достигается тем, что прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включающее несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание уплотнения, в отличие от прототипа, несущая часть, выполнена в поперечном сечении в виде U-образного армирующего металлического элемента и охватывает прирабатываемую часть с обеспечением доступа ответной детали к прирабатываемой части уплотнения без контакта ответной детали с несущей частью уплотнения, а прирабатываемая часть получена из механической смеси порошкового сплава состава: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Сu или их комбинации - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0% от смеси, а прирабатываемая часть выполнена из механической порошковой смеси с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в прирабатываемом уплотнении, U-образный элемент несущей части может быть выполнен в виде U-образной трапеции, а стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции и преломляющиеся относительно их плоскости на угол от 5° до 45° или стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции, а в качестве материала дополнительных стенок использован прирабатываемый материал.

Технический результат достигается также тем, что в прирабатываемом уплотнении, размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм, а материал прирабатываемой части дополнительно содержит: от 0,4% до 3% BaSO₄ и/или 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, при этом качестве защитной среды использован: СО и/или СО ₂ и/или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10 ^-2 мм рт.ст. или адгезионное соединение между собой частиц порошкового материала получено его газотермическим нанесением на внутреннюю часть U-образного элемента.

Технический результат достигается также тем, что в прирабатываемом уплотнении, материал прирабатываемой части дополнительно содержит: Са в пределах от 0,01 до 0,2% и/или CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

Технический результат достигается также тем, что в прирабатываемое уплотнение, выполнено в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих при их соединении формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, при этом размеры элемента могут составлять: 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 2000 мм, а отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению может составлять: от 1:20 до 10:1.

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 уплотнении, 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. Поэтому 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. При этом 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.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1-3 показаны варианты выполнения прирабатываемого уплотнения турбины с армирующим элементом, в поперечном сечении. На фиг.1 - показан U-образный элемент несущей части, выполненный из легированной стали в виде U-образной трапеции. На фиг.2 - показано прирабатываемое уплотнение, в котором стенки армирующего элемента в виде U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции и преломляющиеся относительно их плоскости на угол от 5° до 45°. На фиг.3 - показано прирабатываемое уплотнение, в котором стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции, а в качестве материала дополнительных стенок использован прирабатываемый материал. Фигуры 1-3 содержат: 1 - прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом; 2 - прирабатываемая часть; 3 - несущая (армирующая) часть (U-образный армирующий элемент несущей части, в виде U-образной трапеции); 4 - дополнительные стенки; 5 - дополнительные стенки, из прирабатываемого материала; - угол преломления при переходе от верхней части стенки U-образной трапеции к дополнительной стенке ( от 5° до 45°).

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

Для прирабатываемой части: 1) Сr - 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: 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) дополнительный углерод: 0,01%; 0,05%; 0,1%; 0,2%. 4) CaF₂: 4%; 6%; 8%; 11%.

Для несущей части: 1) Сr - 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: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм.

Размеры элемента уплотнения составляли: длина: 20 мм; 50 мм; 100 мм; 250 мм; 500 мм; 700 мм; ширина: 10 мм; 15 мм; 22 мм; 40 мм; 70 мм; высота: 5 мм; 11 мм; 23 мм; 30 мм; 50 мм; радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности: 50 мм; 200 мм; 600 мм; 1200 мм; 2000 мм; 4000 мм; 8000 мм.

Элемент прирабатываемого уплотнения 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 не хуже 10^-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СО. 2) СО₂ 3) смеси газов СО и СО₂ 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; _в=27,636,6 кгс/мм²; _т,=17,424,4 кгс/мм²; ударная вязкость = 1,181,58 кгм/см². U-образный элемент был изготовлен из легированной стали Х6.

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

Таким образом, прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включающее следующие признаки: несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание элемента уплотнения; несущая часть, выполнена в поперечном сечении в виде U-образного армирующего металлического элемента и охватывает прирабатываемую часть с обеспечением доступа ответной детали к прирабатываемой части уплотнения без контакта ответной детали с несущей частью уплотнения; прирабатываемая часть получена из механической смеси порошкового сплава состава: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Сu или их комбинации - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0% от смеси; U-образный элемент несущей части выполнен из легированной стали в виде U-образной трапеции; прирабатываемая часть выполнена из механической порошковой смеси с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм; стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции и преломляющиеся относительно их плоскости на угол от 5° до 45°; стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции, а в качестве материала дополнительных стенок использован прирабатываемый материал; размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% BaSO ₄; материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% углерода; элемент выполнен спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С; в качестве защитной среды использован СО и/или CO₂ ; спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.; адгезионное соединение между собой частиц порошкового материала получено его газотермическим нанесением на внутреннюю часть U-образного элемента; материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод в пределах от 0,01 до 0,2%; материал прирабатываемой части дополнительно содержит СаF₂ в количестве от 4 до 11%; элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих при их соединении формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; размеры элемента 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 2000 мм или размеры элемента составляют: длина от 50 мм до 250 мм, ширина от 15 мм 22 мм, высота от 11 мм до 23 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 50 мм до 8000 мм; отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению составляет: от 1:20 до 10:1, позволяет достичь поставленного в заявляемом изобретении технического результата - одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

1. Прирабатываемое уплотнение турбины с армирующим элементом, включающее несущую часть и прирабатываемую часть, выполненную из частиц порошкового материала, причем частицы порошкового материала прирабатываемой части адгезионно соединены между собой и несущей частью, составляющей основание уплотнения, отличающееся тем, что несущая часть выполнена в поперечном сечении в виде U-образного металлического армирующего элемента и охватывает прирабатываемую часть с обеспечением доступа ответной детали к прирабатываемой части уплотнения без контакта ответной детали с несущей частью уплотнения, а прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошкового сплава состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe, или Ti, или Сu, или их комбинации - остальное и порошкового гексагонального нитрида бора в количестве от 0,5% до 10,0% от смеси.

2. Прирабатываемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что U-образный армирующий элемент несущей части выполнен из легированной стали в виде U-образной трапеции.

3. Прирабатываемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что прирабатываемая часть выполнена из механической порошковой смеси с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм.

4. Прирабатываемое уплотнение по п.2, отличающееся тем, что прирабатываемая часть выполнена из механической порошковой смеси с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм.

5. Прирабатываемое уплотнение по п.2, отличающееся тем, что стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции и преломляющиеся относительно их плоскости на угол от 5° до 45°.

6. Прирабатываемое уплотнение по п.2, отличающееся тем, что стенки U-образной трапеции в верхней части имеют дополнительные стенки, выполненные как продолжение верхних стенок U-образной трапеции, а в качестве материала дополнительных стенок использован прирабатываемый материал.

7. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, отличающееся тем, что размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.

8. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% BaSO₄.

9. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% углерода.

10. Прирабатываемое уплотнение по п.8, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% углерода.

11. Прирабатываемое 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.

12. Прирабатываемое уплотнение по п.11, отличающееся тем, что в качестве защитной среды использован СО и/или CO₂.

13. Прирабатываемое уплотнение по п.11, отличающееся тем, что спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.

14. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что адгезионное соединение между собой частиц порошкового материала получено его газотермическим нанесением на внутреннюю часть U-образного элемента.

15. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, 10, 12, 13, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод в пределах от 0,01% до 0,2%.

16. Прирабатываемое уплотнение по п.7,отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод в пределах от 0,01% до 0,2%.

17. Прирабатываемое уплотнение по п.8, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит углерод в пределах от 0,01% до 0,2%.

18. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, 10, 12, 16 и 17, отличающееся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4% до 11%.

19. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.3-6, 10, 12, 16 и 17, отличающееся тем, что элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

20. Прирабатываемое уплотнение по п.19, отличающееся тем, что размеры элемента 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 2000 мм.

21. Прирабатываемое уплотнение по п.19, отличающееся тем, что размеры элемента составляют: длина от 50 мм до 250 мм, ширина от 15 мм 22 мм, высота от 11 мм до 23 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 50 мм до 8000 мм.

22. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-6, 10, 12, 16, 17, 20 и 21, отличающееся тем, что отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению составляет от 1:20 до 10:1.