Способ модификации элемента статора энергетической турбины

Авторы патента:

Балдаев Сергей Львович (RU)

Балдаев Лев Христофорович (RU)

Лобанов Олег Алексеевич (RU)

Силимянкин Николай Васильевич (RU)

Доброхотов Николай Александрович (RU)

Дубов Игорь Руфимович (RU)

Коржнев Владимир Ильич (RU)

Мухаметова Светлана Салаватовна (RU)

C23C14/38 - с помощью тлеющего разряда постоянного тока

Владельцы патента RU 2545879:

Фонд поддержки научной, научно-технической и иновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Технологические системы защитных покрытий" (RU)

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.

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	-

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.

Изобретение относится к области получения и производства фильтрующих материалов для очистки воздуха промышленных помещений на основе полимерных волокон, обладающих антибиотическими свойствами.

Способ получения углеродных наноструктур (варианты) и устройство для его осуществления (варианты) // 2516198

Изобретение относится к получению углеродных наноструктур и позволяет получить углеродные частицы в виде порошка, что значительно расширяет их применение, упростить способ и устройство получения углеродных наноструктур, а также повысить коэффициент полезного действия.

Устройство и способ получения наночастиц // 2476620

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к плазменным методам осаждения наночастиц на подложку, которые могу быть использованы в качестве катализаторов, как чувствительные элементы датчиков и как магнитные запоминающие среды.

Способ нанесения покрытия // 2415199

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения покрытия на поверхность металлических изделий, таких как лопатки компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик.

Способ получения алюминидного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного сплава // 2348739

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты лопаток турбин от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии.

Способ химико-термической обработки изделий из стали и сплавов // 2245939

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к ионному азотированию в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей сложной конфигурации, режущего инструмента и штамповой оснастки.

Способ обработки поверхности металлического изделия // 2241067

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модифицирования поверхности деталей машин с целью повышения их служебных характеристик. .

Установка для напыления покрытий // 2214477

Изобретение относится к изготовлению покрытий из металлов на изделиях различного назначения и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, ювелирной и других отраслях промышленности.

Способ формирования покрытия из драгоценных металлов и их сплавов // 2214476

Деталь и способ нанесения теплоизоляционного покрытия на нее // 2194798

Изобретение относится к детали, в частности к лопатке газовой турбины, содержащей основную часть и расположенный на ней теплоизоляционный слой, который имеет столбчатую структуру с керамическими столбиками, которые в большинстве направлены в основном перпендикулярно поверхности основной части.

Способ получения антибиотического покрытия в тлеющем разряде в парах 3-нитро-1-адамантановой кислоты // 2569644

Изобретение относится к области получения и производства полимерных материалов, обладающих антибиотическими свойствами за счет создания тонкого покрытия. Синтез тонкого покрытия на поверхности изделия осуществляют в низкотемпературной плазме тлеющего разряда в парах 3-нитро-1-адамантановой кислоты. Сначала камеру с изделием вакуумируют, подают аргон и проводят газоразрядную очистку поверхности материала изделия при давлении 80 Па и плотности тока 2-5 А/м2. После очистки камеру вновь вакуумируют и напускают пары 3-нитро-1-адамантановой кислоты до давления 30-100 Па с последующим зажиганием тлеющего разряда для синтеза покрытия на поверхности изделия. 2 пр.

Способ получения покрытия из нитрида титана на твердосплавных пластинах в тлеющем разряде с эффектом полого катода. // 2574157

Изобретение относится к области обработки поверхности инструментальных материалов и может быть использовано для создания покрытия в виде пленки нитрида титана на твердосплавных подложках, таких как режущие пластины, предназначенных для обработки труднообрабатываемых материалов. Способ включает очистку поверхности пластин бомбардировкой ионами и последующее напыление TiN на поверхность пластин путем осаждения в реакционном газе - азоте ионов титана из плазмы, сформированной вакуумно-дуговым генератором в направлении анода, расположенного внутри катода, при этом в качестве анода используют набор твердосплавных пластин, имеющих общую площадь поверхности Sa, удовлетворяющую условию: Sa<(2m/M)l/2S, где S - площадь поверхности полого катода; m и М - соответственно масса электрона и иона. Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия. 1 пр.

Способ нанесения покрытий путем плазменного напыления и устройство для его осуществления // 2607398

Изобретение относится к способу ионно-плазменного напыления покрытий на изделия в вакууме и устройству для его осуществления и может найти применение в металлургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности. Изделия размещают внутри плазменного устройства, содержащего мишень из распыляемого материала. Осуществляют наложение сконфигурированного электрического и магнитного полей в условиях тлеющего плазменного разряда, сжатие плазменного потока и его локальную фокусировку в центре вершины мишени с образованием на ее поверхности локального плазменного пятна в пределах 1 мм2. Устройство включает размещаемую внутри вакуумной камеры и заполняемую в процессе работы плазмообразующим газом плазменную ячейку. Ячейка образована между двумя параллельно расположенными пластинами и содержит расположенные соосно катод, мишень из распыляемого материала, анод и фокусирующие электроды. Катод выполнен в виде стержневого держателя мишени. Напыляемые изделия закреплены в одном из фокусирующих электродов. Катод с мишенью установлен внутри полого цилиндрического магнита, имеющего осевую намагниченность. В результате получают покрытия высокого качества при снижении потребляемой мощности устройства. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ нанесения покрытий и устройство для его осуществления // 2620534

Изобретения относятся к способу и устройству для нанесения покрытий в вакууме. Напускают в вакуумную камеру рабочий газа. В качестве источника осаждаемых частиц используют катод с мишенью. При зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере ниже Р=10-2 Торр, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства путем создания сверхзвукового потока рабочего газа со скоростью более V=300 м/с в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении. Устройство нанесения покрытий содержит газоразрядную камеру и размещенные в ней катод с мишенью и анод, газоввод для напуска рабочего газа в виде сверхзвукового сопла, являющегося диффузором, конфузор, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно друг против друга с обеспечением расположения оси конфузора и диффузора в направлении, поперечном к оси анода и катода, на заданном расстоянии относительно анода и катода. Изобретение позволяет получить высокую скорость нанесения покрытий при низких давлениях, что повышает чистоту процесса, а также упрощает конструкцию устройства. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.