Результат интеллектуальной деятельности: АРМИРОВАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ

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 их высокой пористости и их 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.

Известно также уплотнение турбомашин с прирабатываемым покрытием на статоре турбомашины (патент РФ №2033527, кл. F01D 11/08, опубл. 20.04.1995). Уплотнение выполнено в виде соединенного со статором слоя сотовой структуры. Однако гребешки на роторе при взаимодействии с сотовой структурой притупляются, что снижает герметичность уплотнения. Ячейки сотовой структуры могут иметь различные форму и размер площади поперечного сечения, глубину и толщину стенок. Сотовая структура, может быть выполнена из стальной жаростойкой фольги, или сверлением, прожигом, травлением или литьем. При значительной толщине стенок ячеек сот условия работы гребешков ужесточаются. Сильный износ гребешков так или иначе связан с необоснованно высокой прочностью материалов, используемых для производства сот, а также методов их изготовления вызывающих утолщение толщины стенок ячеек.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является армированный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий несущую часть, выполненную в виде сотовой структуры, и прирабатываемую часть, заполняющую ячейки и выполненную из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10, Способ изготовления истираемого материала, 1995]. Несущая и прирабатываемая части соединены между собой спеканием в вакууме или защитной среде. Однако наличие в элементе сотовой структуры, выполненной из прочного материала ведет к износу или повреждению гребешков. Известный элемент используется для уплотнения, которое выполнено в виде жестко соединенного со статором слоя сотовой структуры. 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.].

В этой связи, использование уплотнения, содержащего слой сотовой структуры, выполненный из монолитного материала, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего 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 уплотнения, а также снижение трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что армированный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий несущую часть, выполненную в виде сотовой структуры, и прирабатываемую часть в виде наполнителя, заполняющего ячейки сотовой структуры и выполненного из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью, в отличие от прототипа, несущая часть выполнена спеканием в вакууме или защитной среде механической смеси порошков с размерами частиц от 15 мкм до 180 мкм следующего состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Cu или латунь или бронза или их комбинации - остальное, а прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошков 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 следующих содержаниях фракций порошка: 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%.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемой части и несущей части армированного элемента 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, а материал прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес: Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8% или материал прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес: жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18 или материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% BaSO₄ или материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,04% до 0,3% углерода или материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

Технический результат достигается также тем, что армированный элемент выполнен спеканием несущей части и прирабатываемой части в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, а качестве защитной среды использован СО и/или СО₂, а спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.

Технический результат достигается также тем, что армированный элемент получен высокоскоростным газотермическим нанесением материала прирабатываемой части на несущую часть, а армированный элемент дополнительно содержит прирабатываемый слой, сформированный на рабочей поверхности элемента.

Технический результат достигается также тем, что армированный элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, а размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 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, а отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его притираемой поверхности составляет: от 1:20 до 10:1, причем в его поперечном сечении основание элемента выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.

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, при изготовлении сотовых структур) снизить трудоемкость изготовления уплотнений.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фигуре 1 представлена полученная спеканием несущая часть в виде сотовой структуры. На фигуре 2 представлен армированный элемент прирабатываемого уплотнения турбины (2а - вид сверху; 2b - вид сбоку в разрезе). На фигурах обозначено: 1 - несущая часть в виде сотовой структуры; 2 - стенки несущей части; 3 - внешняя стенка несущей части; 4 - сотовые ячейки; 5 - прирабатываемая часть (наполнитель).

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

Для прирабатываемой части: 1) [Сr - 12,0%, Мо - 0,5%, Si - 0,1%, Mn - 0,05%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Сr - 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%, Mo - 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%; 6) дополнительно содержал в % вес: жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18.

Для несущей части: 1) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное; 4) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Ti - остальное; 5) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Ti - остальное; 6) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Ti - остальное; 7) Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Сu - остальное; 8) Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Сu - остальное; 9) Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Сu - остальное. 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%. 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; 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.

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) СO₂; 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 133 до 147; σ_в=28,1…37,2 кгс/мм²; σ_т=17,1…25,0 кгс/мм²; КС=1,17…1,56 кгм/см². Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.

Таким образом, элемент истираемого уплотнения турбины, включающий следующие признаки: армированный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий несущую часть, выполненную в виде сотовой структуры и прирабатываемую часть, заполняющую ячейки и выполненную из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой и несущей частью; несущая часть выполнена спечением в вакууме или защитной среде механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм состава: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Сu или латунь или бронза или их комбинации - остальное; прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 10 мкм до 150 мкм состава: 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%; материал прирабатываемой части и несущей части армированного элемента дополнительно содержит порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%; размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм; материал прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес: Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%; материал прирабатываемой части дополнительно содержит в % вес: жидкое стекло 10-17, тальк 8-14, диоксид кремния 0,2-0,8 или жидкое стекло 20-30, кварцевая пыль 8-14, диоксид циркония 10-18; материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% ВаSO₄; материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,04% до 0, 3% углерода; материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%; армированный элемент выполнен спеканием несущей части и прирабатываемой части в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С; в качестве защитной среды использован СО и/или СО₂; спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.; армированный элемент получен высокоскоростным газотермическим нанесением материала прирабатываемой части на несущую часть; армированный элемент дополнительно содержит прирабатываемый слой, сформированный на рабочей поверхности элемента; выполнен в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающих, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 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; отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его притираемой поверхности составляет: от 1:20 до 10:1; в его поперечном сечении основание элемента выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника позволяет достичь поставленного в изобретении технического результата - одновременного обеспечения высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

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