СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЩЕТОЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ГТД Российский патент 1997 года по МПК F16J15/00 F16J15/16 

Изобретение относится к технологии изготовления кольцевых уплотнительных элементов, предназначенных для создания газового уплотнения между вращающимися деталями турбин, преимущественно для газотурбинных двигателей (ГТД).

Одной из проблем, связанной со щеточным уплотнением, состоящем из паковки металлических щетинок, выступающих со стороны рабочего торца относительно боковых пластин, преимущественно разной ширины, является то, что щетина уплотнения должна иметь достаточную упругость, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высокой вибрации в двигателе, сводя протечки рабочей среды между разделяемыми полостями к допустимым значениям, при этом величина натяга должна соответствовать величине, при которой мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения в одном уплотнении, не превышает 0,15% от мощности, потребляемой валом при максимальном его вращении.

Для обеспечения требуемой степени герметичности полостей, в частности в ГТД, необходимо иметь определенное количество плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. В одной уплотняющей ступени они укладываются одна относительно другой в несколько слоев и образуют довольно большой по ширине слой щеточных элементов между боковыми пластинами. Возможен вариант выполнения небольшого количества слоев металлических щетинок между боковыми пластинами одной ступени, но тогда для обеспечения требуемой герметичности полостей формируют набор таких элементов в несколько ступеней. В первом случае плотность и количество слоев щетинок велики, что приводит к увеличению жесткости массива щеточных элементов и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что приводит к снижению мощности на валу двигателя и его ресурса из-за быстрого износа контактирующих пар.

Даже выполнение щеточных элементов под углом к оси уплотнения как в радиальной, так и в осевой плоскостях не улучшает условия работы уплотнения в должной степени.

А во втором случае значительно увеличивается вес конструкции уплотняющего узла, что нежелательно для ГТД.

Существуют различные технологии изготовления щеточных уплотнений из металлических проволок.

Так, по патенту ФРГ N 3606284, кл. F 16 J 15/16, 1985, формируют слои плотно прилегающих щетинок путем навивки металлической проволоки на два продольных стержня-оправу, фиксируют набранное количество слоев скобами на стержнях, разрезают паковку металлической проволоки параллельно стержням оправки и изгибают прямолинейные элементы по требуемой форме щеточного уплотнения. Затем свободные концы щетинок паковки зажимают между двумя боковыми кольцевыми пластинами, усилием сжатия фиксируют один торец паковки и обрезают выступающие из пластин щетинки, образуя рабочий торец уплотнения.

Данная технология получения щеточного уплотнения одной ступени сложна и, кроме того, для обеспечения надежной изоляции полостей количество слоев щеточного материала должно быть большим, в результате чего на последней стадии технологии между боковыми пластинами зажимаются перепутанные, лежащие хаотически свободные концы щетинок, что в готовом угле уплотнения приводит к неравномерному обжатию уплотняемой поверхности и быстрому выходу ее из строя. В результате чего требуется увеличение количества ступеней в щеточном уплотнении узла, а это приводит к увеличению веса двигателя.

Наиболее близкой по совокупности признаков к предлагаемой технологии является технология изготовления одной ступени щеточного уплотнения (патент Великобритании N 2001400, кл. F 16 J 15/16, 1977), состоящая в том, что формируют слой плотно прилегающих металлических проволок в паковку путем намотки на оправку кольцевой формы материала в виде металлических нитей, усилием сжатия фиксируют паковку проволок у торца противоположного рабочему между боковыми пластинами, обрезают рабочий и противолежащий ему торцы паковки и по последнему сваривают паковку с пластинами.

В процессе намотки большого количества лежащих друг на друге слоев щеточного материала постоянное усилие натяжения их создает неравномерное сжатие щетинок проволоки по слоям, а это приводит к тому, что наиболее плотно сжатые слои снижают упругость рабочего торца всех щетинок, следствием чего является быстрая деформация уплотняемой поверхности. При этом большое выделение тепла от взаимодействия контактных сопрягаемых поверхностей приводит к оплавлению рабочих торцев щетинок и их свариванию, что снижает надежность щеточного уплотнения, вызывает выход из строя уплотняемого узла и снижение срока его службы.

При использовании сварки для соединения щеточного материала особенно жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основах, используемых в ГТД, в зоне, прилегающей к зоне плавления, происходит разупрочнение материала щетинок, что снижает их срок службы, делает их подверженными разрушению в этой зоне и выходу из строя узла уплотнения особенно при пониженной упругости щетинок. В связи с этим боковые пластины при существующей технологии делают большой ширины для удаления рабочей зоны щетинок от опасной разупрочненной зоны проволок. А это увеличивает вес и размеры узла, но не обеспечивает требуемой высокой степени надежности щеточного уплотнения.

Изобретение решает задачу, связанную со снижением жесткости паковки и повышением надежности щеточного уплотнения, выполненного в виде одной ступени, содержащей требуемое количество щеточных элементов на единицу площади и имеющей малый вес.

Задача решается тем, что формируют слои плотно прилегающих металлических проволок в паковку, усилием сжатия фиксируют ее у торца противолежащего рабочему между боковыми пластинами уплотнения, обрезают рабочий и противолежащий торцы паковки и по последнему сваривают паковку с пластинами, при этом в процессе формирования паковки в слои между ними у торца, противолежащего рабочему, размещают технологические прокладки, позиционируя четко сформированные небольшие количества слоев относительно друг друга, усилие сжатия прикладывают по ширине прокладок между боковыми пластинками и соединяют прокладки с паковкой при сварке ее с пластинами.

Данная технология с позиционированием слоев за счет использования технологических прокладок гарантирует наличие зазора между слоями четко сориентированных проволок, что позволяет обеспечить равномерное сжатие щетинок по толщине всех разделенных слоев проволок в процессе фиксации их для обрезки торцев и сварки элементов узла. Это позволяет сохранить равномерное расположение проволок по всей толщине и длине паковки щеточного элемента. Величина зазора, гарантированного технологическими прокладками между слоями, должна быть равна эффективной величине прогиба слоев проволок и соизмерима практически с толщиной слоев проволок, что позволяет им у рабочего торца занять свободное непринужденное (незаполненное) расположение и в силу упругости материала щетинок деформироваться в случае изменения величины зазоров уплотняемой пары, сохраняя при этом целостность перегородки между изолируемыми полостями.

Устанавливаемые технологические прокладки имеет смысл выполнять толщиной не более двух толщин слоев для обеспечения равномерного и полного заполнения свободного пространства у рабочего торца щеточного уплотнения. При этом чем больше толщина слоя проволок, тем больше толщина прокладки приближается к равной или меньшей его толщине. Если такой слой формируется из проволоки малого диаметра в 2-4 ряда, то возможно использование прокладок толщиной двух толщин слоев проволоки. В любом из вариантов увеличение толщины прокладки за указанный максимум приводит либо к появлению несплошности заполняющих уплотняемый зазор щетинок, что ухудшает условия герметизации, либо приводит к значительному увеличению веса и габаритов.

Фиксацию паковки осуществляют усилием, сжимающим ее между боковыми пластинами уплотнения. Фиксация паковки под обрезку и сварку строго по ширине технологической прокладки между боковыми пластинами гарантирует исключение спутывания слоев проволок у рабочего торца и деформации их в зоне окончания без прокладок, что наиболее важно при сварке одного из торцев. Это позволяет избежать снижения прочностных свойств в этой зоне проволок.

Строгое позиционирование слоев проволок и проволок в слоях возможно только при закреплении технологических пластин относительно остальных элементов узла уплотнения, а потому обязательно соединение прокладок с паковкой и боковыми пластинами в процессе сварки их по торцу, противолежащему рабочему.

Таким образом, данная технология позволяет за счет использования позиционирующих технологических прокладок повысить прочностные свойства щеточного уплотнения и надежность его, исключив деформации уплотняемой поверхности и самих проволок и повысить срок службы щеточного уплотнения.

Возможно использование технологических прокладок и в качестве носителя легирующих материалов, повышающих прочность околошовной зоны щеточных элементов, что необходимо при электронно-лучевой сварке узла уплотнения. Выбор сварки электронным лучом связан с тем, что она позволяет создать минимальную зону разупрочнения материала проволок и уменьшить деформации конструкции.

Учитывая, что щеточное уплотнение ГТД работает в условиях высоких скоростей и температур, металлическая проволока, используемая для их изготовления, выполняется из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. Введение легирующих элементов в зону сварки (плавления) исключит возможность образования трещин и обеспечит получение наилучших прочностных свойств соединения и околошовной зоны. Для этого зону сварки легируют, причем делают это через технологические прокладки, которые выполняют из материала основной составляющей материала проволок с равномерно расположенными в нем мелкодисперсными легирующими элементами, а сварку ведут электронным лучом. В этом случае очень эффективным является выполнение технологических прокладок равномерно перфорированных по всей ширине и из материала, являющегося основной составляющей материала проволок, а образованные пустоты между боковыми пластинами заполняют мелкодисперсными легирующими элементами.

Для вышеуказанных материалов проволок в качестве легирующих материалов могут быть использованы мелкодисперсные порошки (величина зерен 100-150 мкм) металлов или интерметаллоидов, например Nb, Ni₃Nb, Ni₃ (Ti Al).

Возможно выполнение перфорированных прокладок в виде сетки. Это позволяет значительно расширить технологические возможности способа. В этом случае формирование паковки щеточных элементов можно осуществлять методом намотки металлической проволоки на прямолинейную оправку, а после снятия паковки с оправки ей перед сваркой можно задать любую форму за счет гибкости и упругости самой щеточной паковки и сетки-прокладки.

Целесообразно выполнение прокладок из упругого материала, так как в случае выполнения боковых пластин разной ширины и прокладок по ширине, близкой к большей из них, упругость прокладки обеспечивает работу щеточных элементов в режиме упругом деформации, что повышает надежность и долговечность уплотнения.

На фиг. 1 показан (а) вариант изготовления щеточного уплотнения ГТД, расположенного под углом к оси его в радиальной плоскости; (б) вариант конструкции уплотнения с радиально расположенными щеточными элементами; на фиг. 2 схематически представлена оснастка для намотки щеточного уплотнения по фиг. 1,а; на фиг. 3 оснастка для операций обрезки одного из торцев паковки и сварки его; на фиг. 4 оснастка для обрезки рабочего торца щеточного уплотнения.

Изготавливаемое щеточное уплотнение состоит из уложенных в плотную кольцевую паковку 1 металлических проволок щетинок 2, располагаемых под углом α к оси II узла и равном 30-60^o (фиг. 1,а) или 90^o (фиг. 1,б). Паковка проволок закреплена между двумя боковыми пластинами 3 и 4, чаще всего выполняемыми разной ширины и имеющими на одной из них (пластине 3) узел крепления 5 к уплотняемой конструкции (не показана). Между слоями проволок 2 в зоне размещения боковых пластин 3 и 4 у нерабочего торца 6 щетинок расположены технологические прокладки 7. Рабочий торец 8 проволок расположен с противоположной стороны паковки 1.

В зависимости от угла a наклона проволок к оси II рабочий торец 8 паковки 1 обработан под соответствующим углом a к проволокам 2 паковки 1. Для изготовления щеточного уплотнения использована оснастка, аналогичная представленной в патенте Великобритании N 2001400. Для приведенного варианта уплотнения (фиг. 1,а) кольцевую оправку 9 (фиг. 2) выполняют в виде торав частности с двумя боковыми плоскими поверхностями 10, расположенными под углом a к оси оправки 9. На эти боковые поверхности 10 укладывают большие по ширине боковые пластины 4 формируемого щеточного уплотнения, фиксируемые тем, что они размещаются в проточках по коническим поверхностям 10 оправки. При этом торец 11 пластины 4 определяет расположение около него рабочего торца 8 паковки 1. Боковые пластины 3 и 4 выполнены из хромо-никелевой аустенитной стали Х18Н9Т.

С помощью типового устройства, использующего кольцеобразный носитель 12 катушки 13 с проволокой 14, в котором располагают кольцевую оправку 9, производят намотку проволоки из никелевого жаропрочного сплава ЭП578 диаметром 0,1 мм.

Путем относительного вращения оправки 9 и носителя 12 проволоки 14 материал щетины равномерно плотно прилегающими витками размещают по свободной стороне каждой пластины 4 и по наружной 15 и внутренней 16 сторонам оправки 9.

Задавая различное число оборотов носителю 12 проволоки и оправке 9, можно добиться размещения витков проволочного материала под различными углами в плоскости боковой пластины (радиальной плоскости, если щеточное уплотнение выполняется по фиг. 1,б).

Намотку плотно прилегающих металлических проволок 14 осуществляют послойно. Выполнив с постоянным натяжением проволоки 4-6 слоев щеточного материала на них укладывают кольцевые, в данном случае конические, прокладки 7 и продолжают намотку проволоки уже по их свободной боковой поверхности. Прокладки выполняют в виде никелевой сетки толщиной 0,3 мм с размерами ячеек 40-100 мкм, в которые помещают мелкодисперсный порошок ниобия.

Фиксация каждой прокладки 7 в процессе намотки осуществляется, например, с помощью прижима ее скобой (не показано) в сторону оправки 9 на конце, противолежащем зоне размещения наматываемой проволоки 14. После укладки нескольких витков проволоки 14 следующего слоя фиксирующая скоба снимается. В такой последовательности выполняют намотку слоев проволоки 14 и установку прокладок 7 до формирования требуемой ширины паковки. В частности, при толщине паковки проволоки 3 мм и толщине 2-4 слоев, ее равной 0,3-0,4 мм, устанавливают 4-6 прокладок толщиной 0,3 мм.

Затем на последний слой намотанной проволоки устанавливают вторую пластину 3 с каждой стороны оправки 9. При этом ширина этой пластины 3 может быть меньше ширины первой пластины 4.

Фиксируют паковку щеточного материала, сжимая ее между пластинами путем приложения усилия Р, например, с помощью стаканов 17 (фиг. 3) с прижимными фланцами, устанавливаемых соосно с оправкой 9 с противоположных сторон ее и закрепляемых на центрирующей оправке 18.

При сжатии паковки между боковыми пластинами 3 и 4 необходимо учитывать, что усилие сжатия Р должно передаваться от слоя проволоки к слою через прокладки 7. В связи с этим целесообразно выполнять прокладки по наружному диаметру, равному наружному диаметру боковых пластин, а внутренний диаметр задавать преимущественно в пределах меньше внутреннего диаметра меньшей по ширине пластины 3 и больше внутреннего диаметра большей по ширине пластины 4. Для приведенного примера уплотнения с размерами диаметров внутреннего D_вн 116 мм и наружного D_нар 286 мм прокладки выполняли с наружным диаметром 286 мм и внутренним 236 мм.

При внутреннем диаметре прокладки больше внутреннего диаметра меньшей пластины, усилие сжатия для фиксации проволок прикладываем только по ширине прокладки. В противном случае наблюдалось сближение щетинок на выходе относительно торца меньшей из боковых пластин, перепутывание и образование единой плотной массы щетинок по толщине уплотнения. Это снижает упругость рабочего конца его, делая его жестким и как следствие приведет к быстрому износу уплотняемой поверхности и выходу из строя всего уплотнения.

В таком зажатом у нерабочего торца боковых пластин состоянии обрезают паковки, например, фрезой 19 нерабочие торцы 6 и затем в зафиксированном состоянии паковку проволок сваривают с пластинами 3 и 4 и прокладками 7 по нерабочему торцу 6 проволок.

Наименьшее количество тепла вводит в материал и соответственно уменьшает разупрочнение проволок около литой сварочной зоны использование электронно-лучевой сварки. Однако, качество сварки материалов на никелевой и кобальтовой основе, используемых для уплотнений ГТД, требует легирования этого материала. Для этого кольцевые прокладки выполняли с равномерно расположенными по всей поверхности отвеpстиями диаметpом 1 мм. Пpи выполнении пpокладок из никеля в отверстиях помещали мелкодисперсный порошок легирующего элемента, в частности порошок ниобия.

Требуемое количество легирующих элементов можно предварительно запрессовать в отверстиях кольцевых перфорированных прокладок. Возможен также вариант спекания всех требуемых компонентов легирования в кольцевую прокладку требуемых размеров для последующего размещения таких прокладок между слоями проволок.

Из опробованных вариантов наиболее удобна форма выполнения кольцевых прокладок из сетки, в ячейки которой помещают легирующие элементы на высоту сварного шва.

Электронно-лучевую сварку собранной паковки проводили на установке ЭЛУ-20, оснащенной блоком питания БЭП60/15К, укомплектованным пушкой ЭПК63/30М с прямонакальным катодом и отклоняющей катушкой. Сканирование луча осуществляли с помощью прибора ПУЭЛ-ВК.

Сварка велась вертикальным лучом и с отклонением оси луча на угол 7 назад от вертикали с использованием сканирования по элептической траектории с частотой 325 Гц.

Режимы сварки: U 60 кВ, J_л 58 мА, J_фок 720 мА, V_св 30 м/ч при остаточном давлении в камере (1-5) 10.

Глубина проплавления 3-4 мм, зона термического влияния у основания проволочек, прилегающей к литой зоне от 0 до 0,2 мм.

После сварки оснастку в виде стаканов 17 снимают и заменяют ее на стяжные болты 20 (фиг. 4) и в таком зажатом состоянии с зафиксированным положением всех слоев проволок обрезают, например, резцом 21 рабочий торец 8 паковки. Готовые щеточные уплотнения снимают с оправки 9.

Полученные образцы щеточных уплотнений проверялись на прочность.

Металлографические исследования полученных образцов проводили на поперечных и продольных шлифах сварных швов с целью изучения макро- и микроструктуры металла шва и околошовной зоны, а также влияния различных режимов сварки на характер формирования проплавления.

Эти исследования показали, что на приведенных режимах получены образцы, имеющие стабильное формирования литой зоны с плавным переходом от полиэдрической зерновой структуры основного материала к разориентированной сильно измельченной дендридной литой структуре металла шва. Ослабления корневой зоны проволок не наблюдалось.

Измерение микротвердости основного материала проволок и литой зоны сварного шва показало их соответствие. Предел прочности сварного соединения составил 0,97 от предела прочности основного материала проволок.

В результате проведенных исследований установлено, что полученное сварное соединение в щеточном уплотнении для турбин из релаксационностойких никелевых сплавов методом ЭЛС отвечает высоким технологическим и эксплуатационным требованиям современных двигателей.

Само же щеточное уплотнение, полученное по данной технологии, показало наличие равномерного расположения проволок по всей толщине уплотнения у рабочего торца его, высокую степень подвижности щетинок у этого торца в силу сохранения упругости их и возможности относительного перемещения. Замена таким уплотнением многоступенчатых конструкций щеточных уплотнений с несколькими боковыми пластинами и паковками проволок позволит уменьшить вес узла уплотнения в 1,5-2 раза.

Использование: для газотурбинных двигателей, изготавливают путем формирования плотно прилегающих металлических проволок в паковку, преимущественно методом намотки. Сущность изобретения: паковку фиксируют усилием сжатия с помощью боковых пластин уплотнения, обрезают ее по рабочему и противолежащему торцам и по последнему сваривают паковку с пластинами. При этом в процессе формирования металлических проволок небольшие группы слоев позиционируют друг относительно друга с помощью технологических прокладок у торца, противолежащего рабочему. Усилие сжатия прикладывают только по ширине прокладок между боковыми пластинами и соединяют только по ширине прокладок между боковыми пластинами, и соединяют прокладки с паковкой при помощи сварки ее с пластинами. Наиболее эффективна для качественного выполнения щеточного уплотнения электронно-лучевая сварка торца, противолежащего рабочему, при этом зону сварки легируют через технологические прокладки, которые выполняют из материала основной составляющей материала проволок с равномерно расположенными в нем мелкодисперсными легирующими элементами. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления щеточных уплотнений ГТД, при котором формируют слои плотно прилегающих металлических проволок в паковку, усилием сжатия фиксируют ее с помощью боковых пластин уплотнения, обрезают рабочий и противолежащий торцы паковки и по последнему сваривают паковку с пластинами, отличающийся тем, что в процессе формирования металлических проволок слои их позиционируют с помощью прокладок у торца, противолежащего рабочему, усилие сжатия прикладывают по ширине прокладок между боковыми пластинами и соединяют прокладки с паковкой при сварке ее с пластинами. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зону сварки легируют через прокладки, выполненные из материала основной составляющей материала проволок с равномерно расположенными в нем мелкодисперсными легирующими элементами, а сварку ведут электронным лучом.