Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к композиционным 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 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, 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 композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий несущую часть в виде сот и прирабатываемую часть, выполненную из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала [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 композиционного уплотнения, содержащего несущую часть, выполненную 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 снижения трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включающий несущую часть и прирабатываемую часть, выполненные из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, в отличие от прототипа, несущая часть, выполнена из ячеистого материала, полученного спеканием в вакууме или защитной среде механической порошковой смеси, содержащей 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 заполнена в ячейки несущей части, при этом порошковая смесь для несущей части имеет размер частиц от 15 мкм до 180 мкм, а прирабатываемая часть получена из механической порошковой смеси с размерами частиц порошка от 10 мкм до 150 мкм, содержащей, 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 - 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 композиционного элемента дополнительно содержат порошковый гексагональный нитрид бора в вес.%: от 0,5 до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора (CBN) составляют менее 1 мкм.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемой части композиционного элемента содержит в вес.%: Cr - от 2,0 до 5,0%, Fe - от 1,0 до 3,0%, С - от 0,01 до 0,1%, порошковый гексагональный нитрид бора в вес.%: от 6,5 до 12,0% или содержит в вес.%: жидкое стекло 18-20%, тальк 12-16%, диоксид кремния 0,2-0,8%, остальное - никель, или содержит в вес.%: жидкое стекло 30-32, диоксид циркония 35-38, кварцевая пыль - 28-30%, или содержит в вес.%: порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 5 до 15,0%, алюмогель - 2-8%, диоксид циркония, стабилизированный окисью иттрия - остальное.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемой части композиционного элемента дополнительно содержит в вес.%: Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8% или от 0,4 до 3% BaSO₄, или от 0,04% до 0, 3% углерода.

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

Технический результат достигается также тем, что композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины получен высокоскоростным газотермическим нанесением материала прирабатываемой части на несущую часть и дополнительно содержит прирабатываемый слой, сформированный на рабочей поверхности элемента.

Технический результат достигается также тем, что ячейки несущей части композиционного элемента прирабатываемого уплотнения турбины выполнены в виде сквозных цилиндрических отверстий, расположенных в рабочей зоне уплотнения, причем оси отверстий образуют с осью вращения турбины угол от 30 до 90 градусов, причем отверстия расположены по крайней мере в один ряд вдоль рабочей поверхности уплотнения или в шахматном порядке вдоль рабочей поверхности уплотнения.

Технический результат достигается также тем, что композиционный элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении в кольцо формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

Технический результат достигается также тем, что композиционный элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении в кольцо формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, причем 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 суммарная площадь отверстий составляет от 10 до 80% от всей притираемой поверхности уплотнения, причем в его поперечном сечении основание элемента выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть в виде прямоугольника.

Исследованиями авторов было установлено, что формирование композиционного уплотнительного элемента, в котором сочетаются достаточно прочная несущая часть, выполненная из материала, способного к притиранию, и собственно притираемая часть, выполненная из материалов, основной функцией которых является высокая притираемая способность, позволяют достичь высокого эффекта работы уплотнения. При этом необходимо соблюдать определенные соотношения размерных характеристик уплотнительных элементов и отверстий их несущей части. Совмещение высокой механической прочности и прирабатываемости в разработанном уплотнении объясняется также тем, что адгезионная прочность частиц, образующих несущую часть композиционного уплотнения, весьма высока, однако в результате ударно-теплового воздействия в условиях эксплуатации уплотнения на отдельную частицу материала адгезионная прочность на границе этой частицы резко снижается и 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 несущего элемента уплотнения) снизить трудоемкость изготовления уплотнений.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен композиционный уплотнительный элемент. На чертеже обозначено: 1 - уплотнительный элемент; 2 - прирабатываемая часть; 3 - несущая часть.

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

Для прирабатываемой части: 1) [Cr - 12,0%, Mo -0,5%, Si - 0,1%, Mn - 0,05%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Cr - 14,0%, Mo - 0,7%, Si - 0,2%, Mn - 0,1%, Fe - остальное]; 3) Cr -18,0%, Mo - 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 - от 40 до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - от 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) C - 0,01%; 0,03%, Ni - 0,1%; 0,3%, Nb - 0,4%; 0,8%, 2) BaSO₄ - 0,4%; 1,2%; 3%. 3) углерод - 0,04%; 0,3%.

Кроме того, материал прирабатываемой части был выполнен из следующих составов, содержащих, в вес.%: Cr - от 2,0 до 5,0%, Fe - от 1,0 до 3,0%, C - от 0,01 до 0,1%, порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 6,5 до 12,0%, [Cr - (1,0% - Н.Р.; 2,0%; 5,0%, 7,0% - Н.Р.); Fe - (0,7% - Н.Р.; 1,0%; 3,0%; 4,0% - Н.Р.), C - (от 0,01 до 0,1%), порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 6,5 до 12,0%] или, в вес.%: жидкое стекло 18-20%, тальк 12-16%, диоксид кремния 0,2-0,8%, остальное - никель или, в вес.%: жидкое стекло 30-32%, диоксид циркония 35-38%, кварцевая пыль - 28-30% или, в вес.%: порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 5 до 15,0%, алюмогель - 2-8%, диоксид циркония, стабилизированный окисью иттрия - остальное.

Для несущей части: 1) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 18,0%, Mo - 3,7%, Fe -остальное; 4) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Ti - остальное; 5) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Ti - остальное; 6) Cr - 18,0%, Мо -3,7%, Ti - остальное; 7) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Cu - остальное; 8) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Cu - остальное; 9) Cr - 18,0%, Mo - 3,7%, Cu - 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. Суммарная площадь отверстий составляла от 10 до 80% от всей притираемой поверхности уплотнения. Размеры отверстий в несущей части являются «ноу-хау».

Элемент прирабатываемого уплотнения был изготовлен спеканием в вакууме и защитной среде. Спекание одной части заготовок проводили при температуре 1200±100°C 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 CO и CO₂ 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: композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины, включает несущую часть и прирабатываемую часть, выполненные из частиц порошкового материала, адгезионно соединенных между собой; несущая часть, выполнена в виде бруска с ячейками, полученными спечением в вакууме или защитной среде металлической и/или металлокерамической механической порошковой смеси с легирующими добавками; материал прирабатываемой части заполнен в ячейки несущей части; в качестве механической порошковой смеси несущей части применена смесь с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, состава: Cr - от 10,0 до 18,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe, или Ti, или Cu, 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: Cr - от 14,0 до 18,0%, Mo - 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 - 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 композиционного элемента дополнительно содержат порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5 до 10,0%; размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора (CBN) составляют менее 1 мкм; материал прирабатываемой части композиционного элемента содержит в вес.%: Cr - от 2,0 до 5,0%, Fe - от 1,0 до 3,0%, C - от 0,01 до 0,1%, порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 6,5% до 12,0% или содержит в вес.%: жидкое стекло 18-20%, тальк 12-16%, диоксид кремния 0,2-0,8%, остальное - никель или содержит в вес.%: жидкое стекло 30-32%, диоксид циркония 35 - 38%, кварцевая пыль - 28-30% или содержит в вес.%: порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 5 до 15,0%, алюмогель - 2-8%, диоксид циркония, стабилизированный окисью иттрия - остальное; материал прирабатываемой части композиционного элемента дополнительно содержит в вес.%: Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8% или от 0,4 до 3% BaSO₄, или от 0,04 до 0,3% углерода; композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины выполнен спеканием несущей части и прирабатываемой части в вакууме или защитной среде при температуре от 950°C до 1250°C; в качестве защитной среды использован CO и/или CO₂ или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.; композиционный элемент прирабатываемого уплотнения турбины получен высокоскоростным газотермическим нанесением материала прирабатываемой части на несущую часть и дополнительно содержит прирабатываемый слой, сформированный на рабочей поверхности элемента; ячейки бруска несущей части композиционного элемента прирабатываемого уплотнения турбины выполнены в виде сквозных цилиндрических отверстий, расположенных в рабочей зоне уплотнения; оси отверстий образуют с осью вращения турбины угол от 30 до 90 градусов; отверстия расположены по крайней мере в один ряд вдоль рабочей поверхности уплотнения или в шахматном порядке вдоль рабочей поверхности уплотнения; композиционный элемент выполнен в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении в кольцо формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; композиционный элемент 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 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; суммарная площадь отверстий составляет от 10 до 80% от всей притираемой поверхности уплотнения; в 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.