ЭЛЕМЕНТ ИСТИРАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ Российский патент 2012 года по МПК B22F7/02 C22C33/02 F01D11/08 

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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является элемент истираемого уплотнения турбины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала [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 лопатки 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 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, использование уплотнения, не содержащего слоя сотовой структуры, а выполненного из монолитного материала, допускающего врезание в него выступов лопаток 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 элемент истираемого уплотнения турбины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, в отличие от прототипа выполнен составным, содержащим несущую и прирабатываемую части, причем несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Сr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 до 180 мкм, а прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 10 до 150 мкм, состава: 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 до 70 мкм - от 40% до 50%, от 70 до 140 мкм - от 10 до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%, а материал прирабатываемой части может дополнительно содержать порошковый гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5 до 10,0%, размерами частиц порошка гексагонального нитрида бора менее 1 мкм, при этом материал прирабатываемой части может дополнительно содержать в % вес.: С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%; от 0,4 до 3% BaSO₄; от 0,04 до 0,3% углерода.

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

Технический результат достигается также тем, что элемент получен газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

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

Технический результат достигается также тем, что 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 до 700 мм, ширина от 10 до 70 мм, высота от 5 до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 до 2500 мм, при этом отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению может составлять: от 1:20 до 10:1.

Технический результат достигается также тем, что несущая часть элемента составляет его основание, при этом возможны следующие варианты воплощения элемента уплотнения: по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем несущая часть выполнена в виде трапеции или основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.

Исследованиями авторов было установлено, что, с одной стороны, 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 ударно-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. С другой стороны, функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую и несущую части существенно увеличивает прочностные его характеристики. Кроме того, использование порошкового материала для получения как прирабатываемой, так и несущей частей уплотнения позволяет за счет применения только одного из видов спекания порошковых материалов в значительной степени (например, в отличие от использования сотовых структур) снизить трудоемкость изготовления уплотнений.

Пример. В качестве материалов для получения 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%, 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 до 70 мкм - от 40 до 50%, от 70 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) 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%.

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: 10 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_з=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: выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала; элемент выполнен составным, содержащим прирабатываемую и несущую части; несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 до 180 мкм, прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 10 до 150 мкм, состава: 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 до 70 мкм - от 40 до 50%, от 70 до 140 мкм - от 10 до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%; материал прирабатываемой части 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.: С - от 0,01 до 0,03%, Ni - от 0,1 до 0,3%, Nb - от 0,4 до 0,8%, S - от 0,01 до 0,03%, или от 0,4 до 3% BaSО₄, или от 0,04 до 0,3% углерода; элемент выполнен спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950 до 1250°С; в качестве защитной среды использован СО и/или СО₂, или спекание осуществлено в вакууме не хуже 10^-2 мм рт.ст.; элемент получен газотермическим нанесением на элемент турбомашины; материал прирабатываемой части дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2% или CaF₂ в количестве от 4 до 11%; 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 до 700 мм, ширина - от 10 до 70 мм, высота - от 5 до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности - от 200 до 2500 мм; отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению может составлять от 1:20 до 10:1; несущая часть элемента составляет его основание; по его поперечному сечению несущая часть охватывает, в виде U-образного элемента, прирабатываемую часть; в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента; несущая часть выполнена в виде трапеции; основание несущей части 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.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Элемент истираемого уплотнения турбины выполнен из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала составным, содержащим несущую и прирабатываемую части. Несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Cr - от 10,0 до 16,0%, Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 10 до 180 мкм. Прирабатываемая часть выполнена из механической смеси порошковой высоколегированной стали с размерами частиц порошка от 10 до 150 мкм, состава: 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 до 70 мкм - от 40 до 50%, от 70 до 140 мкм - от 10 до 20%, более 140 мкм - остальное, но не более 6%. Элемент обеспечивает высокую прирабатываемость, прочность и износостойкость уплотнения. 23 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Элемент истираемого уплотнения турбины, выполненный из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового материала, отличающийся тем, что он выполнен составным, содержащим несущую и прирабатываемую части, причем несущая часть выполнена из порошковой высоколегированной стали состава: Cr от 10,0 до 16,0%, Mo от 0,8 до 3,7%, Fe остальное, с размерами частиц порошка от 10 мкм до 180 мкм, а 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 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм 10% до 20%, более 140 мкм остальное, но не более 6%.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части 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.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит, вес.%: C от 0,01 до 0,03%, Ni от 0,1 до 0,3%, Nb от 0,4 до 0,8%, S от 0,01 до 0,03%.

4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,4% до 3% BaSO₄.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,04% до 0,3% углерода.

6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит от 0,04% до 0,3% углерода.

7. Элемент по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он получен спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С.

8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что качестве защитной среды использован CO и/или CO₂.

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

10. Элемент по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающийся тем, что он получен газотермическим нанесением на элемент турбомашины.

11. Элемент по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

12. Элемент по п.7, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

13. Элемент по п.8, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит Ca в пределах от 0,01 до 0,2%.

14. Элемент по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что материал прирабатываемой части дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

15. Элемент по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, отличающийся тем, что он выполнен в виде брусков, размерами и формой обеспечивающих при их соединении в кольцо формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

16. Элемент по п.15, отличающийся тем, что он выполнен длиной от 20 мм до 700 мм, шириной от 10 мм до 70 мм, высотой от 5 мм до 50 мм и радиусом кривизны по длине его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм.

17. Элемент по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, 16, отличающийся тем, что отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению составляет от 1:20 до 10:1.

18. Элемент по п.15, отличающийся тем, что отношение площади прирабатываемой части к несущей части элемента по его поперечному сечению составляет от 1:20 до 10:1.

19. Элемент по любому из пп.1-6, 8, 9, 12, 13, 16, 18, отличающийся тем, что несущая часть элемента составляет его основание.

20. Элемент по п.19, отличающийся тем, что по его поперечному сечению несущая часть охватывает в виде U-образного элемента прирабатываемую часть.

21. Элемент по п.19, отличающийся тем, что в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем несущая часть выполнена в виде трапеции.

22. Элемент по п.20, отличающийся тем, что в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем несущая часть выполнена в виде трапеции.

23. Элемент по п.19, отличающийся тем, что в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.

24. Элемент по п.20, отличающийся тем, что в его поперечном сечении несущая часть элемента охватывает прирабатываемую часть элемента, причем основание несущей части выполнено в виде трапеции, а его верхняя часть - в виде прямоугольника.