Способ изготовления прирабатываемого уплотнения Российский патент 2021 года по МПК F16J15/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изготовления уплотнений зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.

Эффективность работы турбомашин, в числе прочего зависит от задерживающего эффекта уплотнения между вращающимися лопатками и внутренней поверхностью корпуса в вентиляторе, компрессоре и турбине. Одним из основных видов подобных уплотнений являются прирабатываемые (истираемые) уплотнения, обеспечивающие высокую герметичность конструкции за счет прорезания бандажом, охватывающим внешние края лопаток турбомашины, канавок в уплотнительном материале.

Прирабатываемые уплотнения являются одним из наиболее эффективных методов совершенствования аэродинамики проточной части турбины, повышающим экономичность за счет снижения утечки рабочего тела в периферийном зазоре над рабочими лопатками. На текущий момент наиболее распространенными являются уплотнения на основе металлических сотовых структур, которым в процессе изготовления придают заданную форму и методом сварки или пайки монтируют одним из оснований на подложку, получая сегменты уплотнения, в конечном итоге размещаемые в пазах на статоре турбомашины.

Эффект, достигаемый использованием таких прирабатываемых уплотнений, заключается в препятствовании перетеканию газа или пара между ступенями турбины.

На острых кромках уплотнения происходит срыв потока, который, благодаря геометрии соты разворачивается в обратную сторону и «запечатывает» пространство между лопаткой ротора и кожухом турбины, предотвращая утечки. За счет этого происходит экономия топлива и повышается эффективность работы турбомашины. Прирабатываемые уплотнения на основе сотовых структур отличаются также хорошей теплоотводящей способностью.

Объемные характеристики (конфигурация) сотовых структур определяются геометрией внутреннего пространства агрегата, в котором они должны использоваться. Для обеспечения необходимого геометрического соответствия, исходная сотовая структура подвергается механической обработке, приобретая требуемую форму с плоскими сечениями, ступеньками, пазами и др. В ходе обработки изделие должно сохранять целостность, чтобы в дальнейшем обеспечить необходимую герметичность конструкции.

Прирабатываемые уплотнения на основе сотовых структур обладают высокой пористостостью, снижающей износ лопаток турбомашины в процессе эксплуатации. Однако для эффективного функционирования такого уплотнения необходимо, чтобы при его срезании лопатками турбомашины не происходило существенной деформации формы самой соты, поскольку стабильность формы и качество ячейки напрямую влияют на эффективность работы и прирост КПД турбомашины. Таким образом, существует проблема одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и низкой деформированности остаточного уплотнения.

Прочностные характеристики уплотнения во многом зависят от способа его изготовления. На данный момент широко распространены уплотнения на основе сварных сотовых структур, представляющих собой совокупность гофрированных лент, соединенных в сотовую структуру при помощи точечной лазерной, контактной или контактно-конденсаторной сварки, пайки, или объединением указанных методов. В отличие от других способов изготовления прирабатываемых уплотнений (например, склеиванием, гибкой или спеканием) технология изготовления на основе сварных сотовых структур позволяет достичь максимальной простоты конструкции, низкой стоимости, малого времени и высокой технологичности получения уплотнения, а также дает возможность проводить предварительную эрозионную или механическую обработку структуры.

В промышленном производстве уплотнений на основе сварных сотовых структур обычно применяют одноточечное (см., например, Иванов В.В., Тагильцев С.В. Сравнительный анализ технологий изготовления сотовых уплотнений // Газотурбинные технологии. 2019. №6. С. 26-29) либо двухточечное, как это описано, например, в заявке CN 109204845, сварное соединение, когда каждые соприкасающиеся грани сот скрепляют либо в одной лежащей в плоскости симметрии сотовой структуры точке, либо в двух равноудаленных от плоскости симметрии сотовой структуры точках. При небольшой высоте сотовой структуры, сравнимой с геометрическими размерами соты и расстояниями между точками крепления, этого бывает достаточно. По мере увеличения высоты сотовой структуры такой подход перестает себя оправдывать, поскольку при приработке уплотнения или в процессе механической обработки для придания изделию необходимой геометрической формы срез может оказаться на значительном удалении от точек крепления, что неизбежно приведет к деформации соты - сминанию и разрыву ее краев и, соответственно, ухудшению целостности изделия.

В качестве прототипа выбрана заявка на патент GB 2502309, где описан способ изготовления прирабатываемого уплотнения, в котором осуществляют регулярную гофрировку лент исходного материала таким образом, чтобы при наложении друг на друга соседних лент образовывались соты. Достоинством способа является возможность создавать уплотнения с различной формой соты, в частности, гексагональной, прямоугольной, квадратной и даже «синусоидальной». В частном случае реализации способа предусмотрено скрепление соприкасающихся поверхностей с помощью точечной сварки или пайки.

Недостатком способа, как и многих других известных из уровня техники способов, посвященных созданию прирабатываемых уплотнений на основе сотовых структур, является отсутствие должного внимания к проблеме деформируемости уплотнения как в процессе его предварительной механической обработки для приведения формы сотовой структуры в соответствие с геометрией внутреннего пространства агрегата, так и непосредственно в процессе ее использования в виде сегмента.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение деформируемости прирабатываемого уплотнения и обеспечение высокой целостности готового изделия при сохранении высокой технологичности изготовления и высокой прирабатываемости.

Положительный эффект изобретения достигается тем, что для создания прирабатываемого уплотнения гофрированные ленты последовательно накладывают друг на друга и скрепляют на соприкасающихся участках с образованием сотовой структуры.

Новым в случае реализации изобретения по п. 1 формулы является то, что если одну ленту прикрепляют в n разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, то следующую ленту прикрепляют в m разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, где либо m=n, либо m=n±1, при этом m, n≥1, так, чтобы n точек крепления в одной ленте были смещены по высоте ленты относительно ближайших к ним точек из m точек крепления в следующей ленте на D/2, и, повторяя такой вариант крепления соседних лент до достижения нужного размера сотовой структуры, формируют распределенный в шахматном порядке в объеме прирабатываемого уплотнения массив точек крепления.

Новым в частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы является то, что при m=n±1 ленты скрепляют таким образом, чтобы средняя из m точек крепления, если m - нечетное число, либо средняя из n точек крепления, если n - нечетное число, располагалась на оси симметрии ленты.

Новым в частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы является то, что при m=n ленты скрепляют таким образом, чтобы из m точек крепления ближайшая к оси симметрии ленты точка располагалась на таком же от оси симметрии ленты расстоянии, что и ближайшая к оси симметрии ленты точка из n точек крепления, но по другую сторону от нее.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 проиллюстрированы вариант осуществления изобретения по п. 1 формулы (вверху) и частные случаи его осуществления (внизу) по п. 2 (слева) и п. 3 (справа) формулы для случая уплотнения с гексагональной формой соты.

На фиг. 2 проиллюстрированы примеры осуществления изобретения для случаев, когда радиус точки крепления сравним с расстоянием D между точками крепления.

Данные чертежи поясняют изобретение, но не ограничивают его.

Изобретение по независимому пункту 1 формулы осуществляют следующим образом.

Для изготовления прирабатываемого уплотнения ленты исходного материала нужной длины, предварительно гофрированные регулярным образом, чтобы форма гофры соответствовала половине соты и чтобы при наложении друг на друга соседних лент образовывались соты нужной конфигурации, последовательно прикрепляют друг к другу соприкасающимися участками до образования сотовой структуры прирабатываемого уплотнения нужного размера. Крепление осуществляют не по всей площади соприкасающихся участков лент, а точечно, причем если одну ленту прикрепляют в n разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, то следующую ленту прикрепляют в m разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, где либо m=n, либо m=n±1, при этом m, n>1, так, чтобы n точек крепления в одной ленте были смещены по высоте ленты относительно ближайших к ним точек из m точек крепления в следующей ленте на D/2. Затем следующую ленту, точно так же как и первую, прикрепляют ко второй ленте в и разнесенных на расстояние D точках с аналогичным расположением по высоте точек крепления, а следующую после нее ленту, точно так же как и вторую, прикрепляют в m разнесенных на расстояние D точках со смещением точек крепления относительно предыдущей ленты по высоте на D/2 с аналогичным второй ленте расположением по высоте точек крепления. Повторяя такой вариант крепления соседних лент до достижения нужного размера сотовой структуры, формируют распределенный в шахматном порядке в объеме прирабатываемого уплотнения массив точек крепления.

На фиг. 1 сверху проиллюстрирован вариант осуществления способа по п. 1 формулы при n=2, m=3 для случая уплотнения с гексагональной формой соты. Здесь кружочками обозначены точки крепления в первой ленте, звездочками - точки крепления во второй ленте. Из рисунка видно, что, в отличие от распространенных случаев одно- либо двухточечного крепления, в которых точки крепления не смещены по высоте друг относительно друга и в которых срез сотовой структуры при приработке в зависимости от глубины среза может оставить в объеме уплотнения либо 50% точек крепления, либо не оставить точек крепления вообще, в случае реализации предложенного способа практически при любой глубине среза в объеме уплотнения останется достаточное количество точек крепления, чтобы удерживать сотовую структуру в недеформируемом состоянии, причем половина ближайших к срезу точек крепления будет расположена в непосредственной близости от него.

При монтаже сотовой структуры на подложку для использования ее в качестве сегмента прирабатываемого уплотнения места скрепления с подложкой создают дополнительные точки скрепления сотовой структуры. Поэтому при производстве сотовой структуры, если известно, какое из ее оснований подлежит закреплению на подложке, можно сдвигать массив точек крепления вверх относительно данного основания.

Но чаще всего производители уплотнения такой априорной информации не имеют. В таком случае предпочтительно наиболее равномерное распределение точек крепления по объему прирабатываемого уплотнения. Два возможных варианта такого крепления описаны в частных случаях реализации способа по п. 2 и п. 3 формулы.

В соответствии с п. 2 формулы при m-n±1 ленты скрепляют таким образом, чтобы средняя из m точек крепления, если m - нечетное число, либо средняя из n точек крепления, если n - нечетное число, располагалась на оси симметрии ленты. То есть если число точек крепления по высоте ленты нечетное, то средняя из точек крепления обязательно находится на оси симметрии ленты.

Такой вариант расположения точек крепления в объеме прирабатываемого уплотнения приведен на фиг. 1 снизу слева. Здесь n=2, m=3, и средняя из m точек лежит на оси симметрии второй по порядку крепления ленты.

В соответствии с п. 3 формулы при m=n ленты скрепляют таким образом, чтобы из m точек крепления ближайшая к оси симметрии ленты точка располагалась на таком же от оси симметрии ленты расстоянии, что и ближайшая к оси симметрии ленты точка из n точек крепления, но по другую сторону от нее. То есть если число точек крепления в соседних лентах одинаково, то ближайшие к оси симметрии ленты точки крепления в соседних лентах равноудалены от нее.

Такой вариант расположения точек крепления в объеме прирабатываемого уплотнения приведен на фиг. 1 снизу справа. Здесь m=n-2, и ближайшие к оси симметрии точки крепления в первой и второй ленте расположены по разные стороны от оси симметрии и при этом равноудалены от нее.

Не исключено также применение предложенного способа и для случаев, когда радиус точки крепления сравним с расстоянием D между точками крепления. На практике такие случаи встречаются, когда осуществляют, например, так называемые «рядное» сварное соединение (см. Фиг. 2, слева) или сварное соединение «с перекрытием» (см. Фиг. 2, справа).

Таким образом, за счет создания в объеме прирабатываемого уплотнения равномерно распределенного массива точек крепления предложенный способ позволяет, не ухудшая характеристик прирабатываемости, поскольку механическую прочность сотовой структуры в целом не увеличивается, снизить деформируемость уплотнения и обеспечить высокую целостность готового изделия.

При этом, формирование распределенного массива точек крепления в объеме прирабатываемого уплотнения технологически достигается однократным смещением каретки сварочного аппарата относительно ленты для каждого следующего слоя на одну и ту же величину. Таким образом, не происходит снижения скорости сварки и не увеличиваются затраты на изготовление сотовой структуры, то есть не ухудшаются производительность и технологичность изготовления уплотнения.

Не исключено также применение предложенного способа и для случаев, когда радиус точки крепления сравним с расстоянием D между точками крепления. На практике такие случаи встречаются, когда осуществляют, например, так называемые «рядное» сварное соединение (см. Фиг. 2, слева) или сварное соединение «с перекрытием» (см. Фиг. 2, справа).

Вариант реализации способа по независимому п. 4 формулы относится к случаю, когда заранее известна конфигурации срезов, формирующих из исходной сотовой структуры разноуровневую структуру, известно, какое из оснований сотовой структуры подлежит закреплению на подложке, и когда уже на этапе производства обрезают сотовую структуру под данную известную конфигурацию внутреннего пространства агрегата.

Способ в соответствии п. 4 формулы (см. фиг. 3) осуществляют следующим образом.

Для изготовления прирабатываемого уплотнения ленты исходного материала нужной длины, предварительно гофрированные регулярным образом, чтобы форма гофры соответствовала половине соты и чтобы при наложении друг на друга соседних лент образовывались соты нужной конфигурации, последовательно прикрепляют друг к другу соприкасающимися участками до образования сотовой структуры прирабатываемого уплотнения нужного размера. При этом для каждого m-го среза соприкасающиеся участки лент последовательно скрепляют на глубину L_m каждого m-го среза таким образом, чтобы центры точек крепления лежали с отступом на величину радиуса точки крепления непосредственно под плоскостью, проведенной параллельно плоскости подлежащего закреплению на подложке основания сотовой структуры через ближайшую к основанию сотовой структуры точку m-го среза с высотой h_m.

Таким образом, конфигурация точек крепления определяется требуемой конфигурацией готового изделия.

В частном случае реализации способа по п. 5 формулы, в случае если h_m-h_m-1>Н/2, т.е. когда расстояние между плоскостями, в которых расположены точки крепления у соседних m-го и (m-1)-го срезов превышает половину высоты сотовой структуры, соприкасающиеся участки лент последовательно скрепляют дополнительными точками крепления, располагаемыми между точками крепления m-го и (m-1)-го срезов, по меньшей мере на глубину m-го среза на уровне расположения дополнительных точек крепления. Это позволяет дополнительно укрепить сотовую структуру в окрестности линии среза, что особенной существенно на тех участках среза, где он более пологий. Если же расстояние между плоскостями, в которых расположены точки крепления у соседних m-го и (m-1)-го срезов настолько велико, что существует угроза чрезмерного снижения механической прочности изделия, может быть осуществлено дополнительное крепление и на всю глубину сотовой структуры.

Когда срез обладает большой крутизной и угол его наклона приближается к 90°, достаточно расположить дополнительные точки крепления на равном расстояния между точками крепления m-го и (m-1)-го срезов, что и предлагается осуществлять в частном случае реализации способа по п. 6 формулы.

На фиг. 3 проиллюстрирован вариант осуществления изобретения п. 5 формулы для случая уплотнения с гексагональной формой соты. Здесь слева приведен вид сотовой структуры с выполненными срезами, на котором кружочками обозначены точки крепления, а справа схематично представлен вид сотовой структуры с выполненными срезами с разворотом на 90° по горизонтали, где квадратами обозначены уходящие внутрь сотовой структуры ряды точек крепления. Видно, что в соответствии с п. 4 формулы в сотовой структуре осуществлено скрепление на глубину L₁ у 1-го среза, L₂ у 2-го среза и в соответствии с п. 5 формулы осуществлено дополнительное скрепление на глубину L_доп у 2-го среза, в котором точки крепления расположены между точками крепления 1-го и 2-го срезов.

Таким образом, варианты осуществления способа в соответствии с п. 4, п. 5 и п. 6 формулы позволяют заранее сделать срез (срезы) таким образом, чтобы точки крепления располагались максимально близко от него (от них) и сохранили готовое изделие в недеформированном состоянии. То есть также позволяют, не увеличивая механическую сотовой структуры в целом, снизить деформируемость уплотнения и обеспечить высокую целостность готового изделия. Технологичность изготовления при этом также не ухудшается, поскольку в данном случае количество точек крепления при изготовлении уплотнения минимизировано.

Изобретение относится к способу изготовления прирабатываемого уплотнения на основе сотовой структуры, в котором за счет перераспределения точек крепления в объеме уплотнения достигают снижения его деформируемости и обеспечивают высокую целостность готового изделия при сохранении высокой технологичности изготовления и высокой прирабатываемости. При использовании предложенного способа, в ходе придания сотовой структуре требуемой формы, в процессе механической обработки в объеме уплотнения остается достаточное количество точек крепления, чтобы удерживать его в недеформируемом состоянии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления прирабатываемого уплотнения, в котором гофрированные ленты последовательно накладывают друг на друга и скрепляют на соприкасающихся участках с образованием сотовой структуры, отличающийся тем, что если одну ленту прикрепляют в n разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, то следующую ленту прикрепляют в m разнесенных на расстояние D точках в пределах высоты ленты Н, где либо m=n, либо m=n±1, при этом m, n≥1, так, чтобы n точек крепления в одной ленте были смещены по высоте ленты относительно ближайших к ним точек из m точек крепления в следующей ленте на D/2, и, повторяя такой вариант крепления соседних лент до достижения нужного размера сотовой структуры, формируют распределенный в шахматном порядке в объеме прирабатываемого уплотнения массив точек крепления.

2. Способ изготовления прирабатываемого уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что при m=n±1 ленты скрепляют таким образом, чтобы средняя из m точек крепления, если m - нечетное число, либо средняя из n точек крепления, если n - нечетное число, располагалась на оси симметрии ленты.

3. Способ изготовления прирабатываемого уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что при m=n ленты скрепляют таким образом, чтобы из m точек крепления ближайшая к оси симметрии ленты точка располагалась на таком же от оси симметрии ленты расстоянии, что и ближайшая к оси симметрии ленты точка из n точек крепления, но по другую сторону от нее.