Прирабатываемое уплотнение турбины

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, выполнено из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe -остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм. Материал уплотнения содержит также добавки: нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, BaSO ₄ от 0,4% до 3%, углерод - от 0,4% до 3%. Уплотнение получают спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С или газотермическим напылением. Материал уплотнения может также содержать содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2% или содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%. 1 н.з. и 13 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 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 техническому решению 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 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 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 использует высоколегированную сталь состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - 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% BaSO ₄; 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, качестве защитной среды использован СО и/или СО₂; спекание осуществлено в вакууме не хуже 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: Са в пределах от 0,01 до 0,2%; CaF ₂ 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 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 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 СО и/или СO₂ или спекания в вакууме (не хуже 10^-2 мм рт. ст.). Получение уплотнения может быть осуществлено также и газотермическим методом. А использование такой добавки как Са 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%, 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 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) Са: 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 хуже 10^-2 мм рт. ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СО. 2) СO₂ 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 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 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 используется высоколегированная сталь состава: Cr от 10,0 до 16,0%, Мо от 0,8 до 3,7%, Fe остальное, с размерами частиц порошка от 15 до 180 мкм, а в качестве добавки используется гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5 до 10,0%.

2. Прирабатываемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.

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

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

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

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

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

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

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

10. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

11. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

12. Прирабатываемое уплотнение по п.7, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

13. Прирабатываемое уплотнение по п.8, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

14. Прирабатываемое уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что дополнительно в качестве добавки содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.