Материал прирабатываемого уплотнения турбомашины

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Материал прирабатываемого уплотнения турбомашины содержит частицы порошкового наполнителя, адгезионно соединенные между собой в монолитный материал. Адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет величину от 20 до 100% прочности частиц. Адгезионная прочность частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой в процессе эксплуатации составляет от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя. В качестве наполнителя использован металлический порошок с размерами частиц от 15 до 180 мкм состава: Сr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное. Указанная величина адгезионной прочности частиц в зоне контакта обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в результате импульсного контакта частицы с контртелом. Материал уплотнения дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта. 18 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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. Материалы для 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 материалов 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.

Известен материал прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4291089], получаемый методом газотермического напыления порошкового материала. При этом материал уплотнения формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно на кольцевой элемент корпуса турбомашины в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.

Недостатком известного материала является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и износостойкости покрытия.

Известен также материал прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4936745], выполненный в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 объемных %.

Недостатком известного материала является низкая эрозионная стойкость и прочность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является материал прирабатываемого уплотнения турбомашины, содержащий частицы порошкового наполнителя, адгезионно соединенные между собой в монолитный материал [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10, Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом материал уплотнения содержит заполненный в сотовые ячейки и спеченный в вакууме или защитной среде гранулированный порошковый материл состава Cr-Fe-NB-C-Ni.

Известный материал прирабатываемого уплотнения 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 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 необходимости использования сотовых ячеек.

В этой связи использование уплотнения, не содержащего слоя сотовой структуры, а выполненного из монолитного материала допускающими врезание в него выступов лопатки и снижающими их износ в процессе эксплуатации, привело бы к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что материал прирабатываемого уплотнения турбомашины, содержащий частицы порошкового наполнителя, адгезионно соединенные между собой в монолитный материал, в отличие от прототипа, адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет величину от 20 до 100% прочности частиц, а адгезионная прочность частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой в процессе эксплуатации составляет от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя, причем в качестве наполнителя используется металлический порошок с размерами частиц от 15 до 180 мкм состава: Сr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в материале прирабатываемого уплотнения турбомашины величина адгезионной прочности частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемого уплотнения турбомашины дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемого уплотнения турбомашины дополнительно содержит: Са в пределах от 0,01 до 0,2%; CaF₂ в количестве от 4 до 11%; BN в количестве от 4 до 11%; BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

Технический результат достигается также тем, что материал прирабатываемого уплотнения турбомашины выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

Исследованиями авторов было установлено, что 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 ударного-теплового воздействия в условиях эксплуатации уплотнения на отдельную частицу наполнителя кинетическая энергия удара переходит в тепловую энергию. В результате этого адгезионная прочность на границе между рассматриваемой частицей и контактирующими с ней частицами наполнителя резко снижается, и в результате удара происходит отрыв рассматриваемой частицы. В целом же процесс прирабатываемости уплотнения складывается из совокупности единичных процессов отрыва частиц наполнителя в результате снижения адгезионной прочности на границе между частицами в рабочей зоне уплотнения в процессе эксплуатации. Кроме того, отрыв и унос частицы приводит к отводу излишней теплоты из зоны приработки и не позволяет нагреваться основной массе материала. Таким образом реализуется совмещение адгезионной прочности соединения частиц наполнителя, составляющей величину от 20 до 100% от прочности частиц и адгезионной прочности частиц в рабочей зоне уплотнения (зоне контакта уплотнения с лопаткой) в процессе эксплуатации, которая составляет от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя. В связи с дискретным характером взаимодействия системы «уплотнение-лопатка», практически после приработки происходит их безконтактное взаимодействие. Однако для реализации описанного механизма прирабатываемости уплотнения необходимо обеспечить ряд условий. К этим условиям относятся: соотношение адгезионной прочности соединения частиц наполнителя должна составлять величину от 20 до 100% прочности частиц; адгезионная прочность частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой в процессе эксплуатации должна составлять от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя; размеры частиц наполнителя должны составлять величину от 15 мкм до 180 мкм; в качестве материала наполнителя использоваться металлический порошок состава: Сr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное.

Пример. В качестве основы для получения материала для прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок составов: 1) Сr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Сr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное; 3) Сr - 16,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное. Размеры частиц наполнителя составляют величины: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Исходный порошковый материал дополнительно содержал следующие компоненты: 1) Са - 0,01%; 0,1%; 0,2%; 2) СаF₂ - 4%; 8%; 11%; 3) BN 4%; 6%; 11%; 4) (BN+BaSO₄) - 4%; 9%; 14%; материал 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 менее 10^-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде осушенного диссоциированного аммиака, в засыпке из обожженного тонкомолотого глинозема. Давление прессования при изготовлении заготовок для всех вариантов было одинаковым и принято равным 70 кгс/мм². Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 137 до 146; σ_в=27,6…36,6 кгс/мм²; σ_т=17,4…24,4 кгс/мм²; ударная вязкость К_с=1,18…1,58 кгм/см².

Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с их хорошей прирабатываемостью.

На чертеже представлена фотография шлифа: внешний вид уплотнения после испытаний (1 - материал прирабатываемого уплотнения; 2 - паз, образованный в результате процесса приработки системы «уплотнение - лопатка»; 3 - поверхность, образованная в результате приработки уплотнения).

1. Материал прирабатываемого уплотнения турбомашины, содержащий частицы порошкового наполнителя, адгезионно соединенные между собой в монолитный материал, отличающийся тем, что адгезионная прочность соединения частиц наполнителя составляет величину от 20 до 100% прочности частиц, а адгезионная прочность частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой в процессе эксплуатации составляет от 0,5 до 12% от прочности соединения частиц наполнителя, причем в качестве наполнителя использован металлический порошок с размерами частиц от 15 до 180 мкм состава: Сr - от 10,0 до 16,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что величина адгезионной прочности частиц в зоне контакта уплотнения с лопаткой обеспечивается ударно-температурным воздействием, возникающим в процессе эксплуатации.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта.

4. Материал по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит компоненты, снижающие коэффициент трения в зоне контакта.

5. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

6. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

7. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

8. Материал по п.5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

9. Материал по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

10. Материал по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

11. Материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

12. Материал по п.5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

13. Материал по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

14. Материал по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

15. Материал по любому из пп.1-4, 8-10, 12-14, отличающийся тем, что он выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

16. Материал по п.5, отличающийся тем, что он выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

17. Материал по п.6, отличающийся тем, что он выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

18. Материал по п.7, отличающийся тем, что он выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.

19. Материал по п.11, отличающийся тем, что он выполнен спеканием в вакууме или защитной среде.