Истираемое уплотнение турбомашины

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Истираемое уплотнение турбомашины выполнено из адгезионно соединенных между собой в монолитный материал частиц порошкового наполнителя. Наполнителем является высоколегированная сталь состава: Cr - от 16,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,6%, Fe - остальное. Размеры частиц порошка наполнителя составляют от 10 мкм до 150 мкм, причем содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм составляет не менее 80% от общего объема частиц. Уплотнение показывает сочетание высоких прочностных характеристик и хорошей прирабатываемости. 10 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

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 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 N 5080934, МПК F01D 11/08, 427/271, 1991] или спеченные металлические частицы. Приработка этих уплотнений 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.

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 прирабатываемое уплотнение турбомашины, выполненное из частиц порошкового наполнителя, адгезионно соединенных между собой в монолитный материал [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом уплотнение включает 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, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего 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 истираемое уплотнение турбомашины, выполненное из адгезионно соединенных между собой в монолитный материал частиц порошкового наполнителя, отличается тем, что в качестве наполнителя используется высоколегированная сталь состава: Сr - от 16,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,6%, Fe - остальное, а размеры частиц порошка наполнителя составляют от 10 мкм до 150 мкм, причем содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм составляет не менее 80% от общего объема частиц.

Технический результат достигается также тем, что истираемое уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде, обеспечивающим величину прочности сцепления частиц наполнителя от 20 до 100% от прочности частиц, при локальной прочности сцепления частиц в зоне контакта с контр-телом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя.

Технический результат достигается также тем, что истираемое уплотнение дополнительно содержит: Са в пределах от 0,01 до 0,2% или СаF₂ в количестве от 4 до 11% или BN в количестве от 4 до 11% или BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14% или Мn в количестве от 0,2 до 0,6% или Si в количестве от 0,2 до 1,6%.

Технический результат достигается также тем, что истираемое уплотнение дополнительно содержит: Мn - от 0,2 до 0,6%, Si - от 0,2 до 1,6% или Si в количестве от 0,2 до 1,6%, Мn в количестве от 0,2 до 0,6%, С в количестве от 0,01 до 0,03% или в % вес: Si - от 0,2 до 1,6%, Мn - от 0,2 до 0,6%, 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%.

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 прочность сцепления 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 прочность сцепления частиц 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 прочности сцепления на границе между частицами порошкового наполнителя. 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 прочности сцепления частиц наполнителя, составляющей величину от 20 до 100% от прочности частиц, и локальной прочности сцепления частиц в зоне контакта с контр-телом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя. В связи с дискретным характером взаимодействия системы «уплотнение-лопатка», практически, после приработки происходит их безконтактное взаимодействие.

Однако для реализации описанного механизма прирабатываемое уплотнения необходимо обеспечить ряд условий. К этим условиям относятся: соотношение прочности сцепления между частицами наполнителя должно составлять величину от 20 до 100% от прочности частиц; локальная прочность сцепления между частицами в зоне контакта с контр-телом должна быть от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя; размеры частиц наполнителя должны составлять величину от 10 мкм до 150 мкм, причем содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм должно составлять не менее 80% от общего объема частиц.

Пример. В качестве основы для получения материала для прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок составов: 1) Cr - 14,0%, Мо - от 0,5%, Fe - остальное - Н.Р. (неудовлетворительный результат); 2) Cr - 16,0%, Мо - от 0,7%, Fe - остальное - У.Р. (удовлетворительный результат); 3) Сr - 17,0%, Мо - 1,2%, Fe - остальное - У.Р.; 4) Cr - 18,0%, Мо - 1,6%, Fe - остальное - У.Р; 5) Cr - 20,0%, Мо - 1,9%, Fe - остальное - Н.Р. Размеры частиц наполнителя составляли величины: 5-7 мкм - Н.Р.; 10 мкм- У.Р.; 30 мкм - У.Р.; 63 мкм - У.Р.; 100 мкм - У.Р.; 150 мкм - У.Р.; 160 мкм - Н.Р. Содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм от общего объема частиц, % составляло: менее 80% Н.Р.; не менее 80% - У.Р. Исходный порошковый материал дополнительно содержал следующие компоненты: 1) Са - 0,01%; 0,1%; 0,2%; 2) CaF₂ - 4%; 8%; 11%; 3) BN - 4%; 6%; 11%; 4) (BN+BaSO₄) - 4%; 9%; 14%; 5) Mn - 0,2%; 0,4%; 0,6%; 6) Si - 0,2%; 1,1%; 1,6%; 7) (Mn+Si): Mn - 0,2%; 0,4%; 0,6%; Si - 0,2%; 1,1%; 1,6%; 8) (Mn+Si+C): Mn - 0,2%; 0,4%; 0,6%; Si - 0,2%; 1,1%; 1,6%; С - 0,01%; 0,03%; 9) (Mn+Si+C+Ni+Nb+S): Mn - 0,2%; 0,4%; 0,6%; Si - 0,2%; 1,1%; 1,6%; С - 0,01%; 0,03%; Ni - 0,1%; 0,3%; Nb - 0,4%; 0,8%. Материал был изготовлен: 1) спеканием в вакууме; 2) спеканием в 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 131 до 144; σ_в=28,1…35,4 кгс/мм²; σ_т=17,2…23,9 кгс/мм²; КС=1,16…1,55 кгм/см².

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

1. Истираемое уплотнение турбомашины, выполненное из адгезионно соединенных между собой в монолитный материал частиц порошкового наполнителя, отличающееся тем, что в качестве наполнителя используется высоколегированная сталь состава: Сr - от 16,0 до 18,0%, Мо - от 0,7 до 1,6%, Fe - остальное, а размеры частиц порошка наполнителя составляют от 10 мкм до 150 мкм, причем содержание частиц размером от 10 мкм до 60 мкм составляет не менее 80% от общего объема частиц.

2. Истираемое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что оно получено спеканием в вакууме или защитной среде, обеспечивающим величину прочности сцепления частиц наполнителя от 20 до 100% от прочности частиц, при локальной прочности сцепления частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя.

3. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Са в пределах от 0,01 до 0,2%.

4. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит CaF₂ в количестве от 4 до 11%.

5. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит BN в количестве от 4 до 11%.

6. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит BN+BaSO₄ в количестве от 4 до 14%.

7. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Мn в количестве от 0,2 до 0,6%.

8. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Si в количестве от 0,2 до 1,6%.

9. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Si в количестве от 0,2 до 1,6%, Мn в количестве от 0,2 до 0,6%.

10. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Si в количестве от 0,2 до 1,6%, Мn в количестве от 0,2 до 0,6%, С в количестве от 0,01 до 0,03%.

11. Истираемое уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, вес.%: Si - от 0,2 до 1,6, Мn - от 0,2 до 0,6, 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.