СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕМЕНТА СТАТОРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК C23C14/38 

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к уплотняемым зазорам в энергетических турбинах и способам модификации стационарного кожуха таким образом, чтобы контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин. В частности, изобретение относится к способу нанесения уплотнительного покрытия на элементы статора энергетических турбин, предназначенному контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин.

Паровые турбины производств являются основными первичными двигателями мощных компрессорных и насосных агрегатов, надежности и эффективности работы которых уделяется особое внимание.

В настоящее время ведущие мировые производители паровых турбин наиболее активно ведут исследования в направлении конструктивных решений уплотнений паровых турбин.

Уплотнительные, или изнашиваемые покрытия применяются в газотурбинных двигателях в авиации, энергетике, газоперекачивающих агрегатах (ГПА) взамен вставок из уплотнительных материалов. Изнашиваемые покрытия снижают зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Методом плазменного напыления уплотнительные покрытия делаются настолько податливыми, чтобы кромка лопатки или лабиринт легко врезались в их слой, однако достаточно прочными, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.

Применение уплотняющих (прирабатываемых) покрытий в горячей части турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет заметно повысить КПД и тепловую мощность двигателя за счет уплотнения зазоров по периферийным торцам лопаток и по гребешкам лабиринтных уплотнений между ступенями по всей окружности вращения, сводя к минимуму износ дорогостоящих вращающихся лопаток ротора турбины. Основными требованиями к уплотнительным покрытиям в ГТД являются достаточная прочность, податливость при врезании лопаток лабиринтными выступами, антифрикционность, теплозащитные свойства, эрозионная стойкость и низкое сопротивление "выветриванию" рабочей поверхности (со стороны газового потока).

Из уровня техники известен способ модификации элемента статора энергетической турбины, включающий нанесение на него покрытия (RU 2415199 С1, МПК С23С 14/38, опубликовано 27.03.2011).

Недостаток известного способа модификации элемента статора энергетической турбины заключается в том, что при нанесении покрытия не контролируется нагрев напыляемой поверхности, который приводит к снижению ресурса статора и наведению остаточных напряжений в уплотнительное покрытие, которые приводят к появлению трещин, сколов и отслоений уплотнительного покрытия как между слоями, так и от материала подложки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение температуры напыляемой поверхности во время напыления для сохранения работоспособности как материала статора, так и уплотнительного покрытия при высоких нагрузках, вызванных критическими режимами эксплуатации энергетических турбин.

Техническим результатом является снижение нагрева напыляемой поверхности в 3-4 раза, отсутствие трещин и расслоений в покрытии, увеличение прочностных свойств покрытия, увеличение коэффициента использования напыляемого порошка.

Технический результат достигается тем, что способ модификации элемента статора энергетической турбины включает нанесение на него покрытия плазменным напылением, под углом 55-70 градусов по отношению к поверхности напыления, причем скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности элементов статора энергетических турбин во время напыления составляет 0,5-1,0 м/с, а площадь пятна напыления на поверхности элементов статора энергетических турбин составляет 1,7-5,0 см².

Проведенные исследования показали, что при скорости напыления менее 0,5 м/с покрытие формируется с наведенными трещинами и расслоениями. При скорости напыления более 1,0 м/с снижается коэффициент использования порошка, т.е. на напыление той же толщины покрытия тратится в 1,5-2 раза больше порошка, что снижает экономическую привлекательность способа формирования уплотнительного покрытия.

Для получения толстого уплотнительного покрытия с минимальным перегревом напыляемой поверхности с минимальными временными паузами между нанесением каждого слоя покрытия необходимо контролировать площадь участка поверхности, подвергаемой напылению. При площади напыления менее 1,7 см² покрытие формируется с наведенными трещинами. При площади напыления более 5,0 см покрытие формируется с расслоениями.

Пример 1. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления. Угол нанесения керамического слоя составил 60 градусов. Скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности статора во время напыления составила 0,75 м/с, которая была максимальна для применяемого вида манипулятора. Площадь пятна напыления на поверхности статора составила 3,4 см².

Температура поверхности статора не поднималась выше 45 градусов, при этом покрытие сформировалось без трещин с итоговой толщиной - 4 мм.

Пример 2. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления на ряд стальных образцов, при этом меняли режимы нанесения покрытия

Таблица 1 Образец покрытия Угол напыления, градус Скорость перемещения горелки, м/с Площадь напыления, см² Наличие дефектов Температура поверхности напыления 1 90 1,0 2,0 трещины 181 2 90 0,5 2,0 расслоение 192 3 80 1,0 2,0 расслоение 157 4 80 0,5 2,0 расслоение 163 5 70 1,0 2,0 отсутствуют 110 6 70 0,5 2,0 отсутствуют 125 7 60 1,0 2,0 отсутствуют 78 8 60 0,5 2,0 отсутствуют 89 9 50 1,0 2,0 покрытие не формируется 40 10 50 0,5 2,0 отслоение 55 11 40 1,0 2,0 покрытие не формируется - 12 40 0,5 2,0 покрытие не формируется - 13 30 1,0 2,0 покрытие не формируется - 14 30 0,5 2,0 покрытие не формируется -

Изобретение относится к способу получения покрытия на поверхности элемента статора энергетических турбин. Способ включает нанесение покрытия методом плазменного напыления. Порошок покрытия напыляют под углом 55-70 градусов по отношению к поверхности напыления. Скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности элемента статора 0,5-1,0 м/с. Площадь пятна напыления на поверхности элемента статора составляет 1,7-5,0 см². Техническим результатом является отсутствие трещин и расслоений в покрытии за счет снижения нагрева напыляемой поверхности в 3-4 раза, увеличение прочностных свойств покрытия, при этом увеличивается также коэффициент использования напыляемого порошка. 1 табл.

Способ получения покрытия на поверхности элемента статора энергетической турбины, включающий нанесение на его поверхность покрытия плазменным напылением, отличающийся тем, что на поверхность элемента статора наносят порошок под углом 55-70 градусов к поверхности напыления, при этом плазменную горелку перемещают относительно напыляемой поверхности элемента статора со скоростью 0,5-1,0 м/с, а напыление поверхности осуществляют участками с площадью напыления 1,7-5,0 см².