DK142659B - Fremgangsmåde til fremstilling af slidbare strejfbeskyttelseselementer. - Google Patents

Description

142659

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af slidbare strejfbeskyttelseselementer til opretholdelse af et så lille spillerum som muligt mellem i forhold til hinanden bevægelige mask i ndele, navnlig mellem en rotordel og en statordel.

5 Virkningsgraden af turbiner, kompressorer, trykbølgemaskiner o.s.v. aftager ved tiltagende spillerum mellem rotoren og statoren. Det tilstræbes derfor at holde spillerummet mellem rotoren og statoren så lille som muligt. Den optimale størrelse af spillerummet fastlægges på grundlag af materialeegenskaberne, fremstillingsteknologien, størrelsen 10 af rotoren og statoren samt på grundlag af de driftsbetingelser, som maskinen underkastes.

For at holde spillerummet mellem rotoren og statoren så lille som muligt er det foreslået at skærpe rotorskovlene ved deres yderste ender. Dersom en skovlende strejfer statoren, bøjes eller afslides de 15 skærpede skovlender, således at der ikke optræder skadelige strejfkræfter.

For at holde spillerummet mellem rotoren og statoren så lille som muligt er det endvidere foreslået at belasgge statorvæggenes inderside med et forholdsvis blødt lag, der afslides af de strejfende rotor-20 skovle. Sådanne lag består f.eks. af grafit, af sprøjtede eller sintrede, porøse nikkelkromlegeringer eller nikkel-grafitmaterialer, af lag med bicellestruktur o.s.v. og betegnes som slidbare strejfbeskyttelseslag. I hvert af disse tilfælde tilstræbtes at gøre disse strejfbeskytteises-lag så formkonstante som muligt, således at der ikke optrådte nogen 25 volumenforøgelse under indflydelse af den omgivende temperatur og/el-ler den omgivende atmosfære.

Disse udførelsesformer har den ulempe, at de bløde formkonstante lag eller de skærpede skovlender ved strejfning ofte tildeles en blivende formændring, idet en skovlende deformeres, eller døt på-30 gældende lag afslides. Dertil kommer korrosion og erosion af skovlenderne henholdsvis af cellevægenderne og statoren, således at spillerummet mellem rotoren og statoren til stadighed tiltager, og maskinens virkningsgrad derfor vil aftage ved langvarig drift.

Der kendes endvidere strejfbeskyttelseselernenter bestående af 35 granulater f.eks. grafit eller bronze, som er indlejret i varmehærdende formstof. Temperaturbestandigheden er som følge af sammensætningen forholdsvis lille, således at der ved en endnu tilladelig varmepåvirkning kun kan opnås en temperaturudvidelse. Denne udvidelse er reversibel.

Dette betyder, at strejfbeskyttelseselementerne ved synkende tempe- 142659 2 ratur trækker sig sammen til deres oprindelige dimension, og eventuelt slid vil derfor gøre sig bemærket i form af et stadigt større spillerum.

En løbende udligning af spillerummet, ved tilvejebringelse af ligevægt mellem berøring, slid og en sådan blivende volumenforøgelse af strejf-5 beskytteiseselementerne, der går ud over den normale termisk betingede volumenforøgelse, finder ikke sted. Den ved fremstillingen af de kendte strejfbeskyttelseselementer anvendte varmebehandling tjener til hærdning og eventuelt også til krympning af kunstharpiksgrundmassen. Formålet har hidtil været at opnå så volumenstabile strejfbeskyttelses-10 elementer som muligt.

Det er desuden også foreslået at udforme strejfbeskyttelses-elementet som en aktiv del, der slider den pågældende anden del, d.v.s. f.eks. en turbinerotors skovlspidser.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe 15 strejfbeskyttelseselementer, der under driften atter reducerer det ved strejfning, erosion eller korrosion opståede spillerum pi en sådan måde, at den tilstræbte ligevægt mellem slid, der forstørrer mellemrummet og formindskelsen af mellemrummet, holdes ensartet over så lang en driftsperiode som muligt.

20 Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at strejfbeskyt- telseselementerne fremstilles af et materiale, der under varmepåvirkning i en oxiderende, nitriderende, opsvovlende og/eller op kuliende atmosfære får en blivende volumenforøgelse, f.eks. støbejern eller sintret materiale, der indeholder både kulstof og en metal komponent, eksem-25 pelvis tin, kobber og nikkel, og deres anvendelse underkastes en varmebehandling i en oxiderende, nitriderende, opsvovlende og/eller op-kuflende atmosfære, og eventuelt underkastes en afsluttende målbearbejdning. Til grund for denne løsning ligger den kendsgerning, at det nævnte materiales volumenforøgelse under ensartede betingelser 30 forløber efter en i begyndelsen stærkt og senere i tiltagende grad svagere stigende kurve, hvis krumning, d.v.s. afvigelse fra et lineært forløb svarende til den ønskede jævne volumenforøgelse, bliver mindre med fremadskridende vofumenforøgelsesproces. Ved øjeblikkelig anvendelse af strejfbeskyttelseselementerne måtte der således for senere at 35 kunne få den for kontinuerlig drift egnede volumenforøgefseshastighed i begyndelsen accepteres en i og for sig for høj volumenforøgelseshastighed med tilsvarende høj risiko på grund af for stærk presning mellem de i forhold til hinanden bevægelige dele. Omvendt ville volumenforøgelseshastigheden aftage på uønsket måde under kontinuerlig drift, 3 142659 dersom volumenforøgelseshastigheden i begyndelsesstadiet var indstillet på optimale værdier. Afgørende for virkningen i maskinen er den absolutte volumenforøgelseshastighed i dimensionen længde/tid, der kan reguleres ved dimensionering af strejfbeskyttelseselementer-5 nes tykkelse, men iøvrigt er proportional med den relative volumenforøgelseshastighed i %/tid og med dens materialebetingede mætningsforløb. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen gør det altså muligt at indstille $en absolutte volumenforøgelseshastighed på en ønsket værdi for kontinuerlig drift efter den kendte relative volumenforøgelseskurve for det på-10 gældende materiale.

Ved hjælp af den medfølgende skematiske tegning forklares opfindelsen nærmere. På tegningen viser: fig. 1 en del af et længdesnit gennem en turbine med en første udførelsesform for et strejfbeskyttelsesele-15 ment, fig. 2 en del af et længdesnit gennem en trykbølgemaskine med en anden udførelsesform for et strejf beskyttelseselement, fig. 3 to volumenforøgelseskurver for to grafit-sintermetal-

20 materialer med den procentvise længdeforøgelse V

over glødetiden t i timer (h) med angivelse af materialernes elementarsammensætninger i vægtprocent, og fig. 4 tilsvarende volumenforøgelseskurver for tre arter 25 gråt støbejern med angivelse af de vigtigste til sætningselementer i vægtprocent.

Fig. 1 viser en del af et aksialsnit gennem en kompressor bestående af en stator 1 og en rotor 2, der ved sin omkreds har rotorskovle 3. Statoren 1 og rotoren 2 består af et volumenbestandigt 30 materiale, f.eks. stål. For at holde afstanden 4 mellem rotorskovlene 3's ender og statoren 1 så lille som muligt er der på inderfladen af statoren 1 og over for rotorskovienderne mekanisk fastgjort en af segmenter bestående ring 5 af et materiale, der kan øge sit volumen fortrinsvis af gråt støbejern. Dersom rotorskovienderne strejfer rin-35 gen 5, vil enten rotorskovienderne, dersom de er forsynede med en skærpning, blive bøjet, eller også vil segmenterne, dersom de er bløde, slides på deres mod rotoren vendende side. Som følge dels af den oxiderende driftsatmosfære og dels af driftstemperaturen øger rihgseg-menterne 5 også deres volumen i retningen mod rotoraksen. Herved for- 142659 4 mindskes det af strejfning og af korrosions-erosionspivirkning opståede spillerum 6. Derved elimineres korrosions- og erosionsslid samt slid ved uforudsete vibrationer og temperaturstigninger.

Fig. 2 viser et tværsnit gennem en trykbølgemaskine med en 5 statpr 7 af støbejern med kuglegrafit og en rotor 8 af Ni-legering. Ved sådanne maskiner skal afstanden 9 henholdsvis spillerummet 10 mellem enden af rotoren 8 og statoren 7 holdes mindst mulig. Til dette formål er der i statoren 7 indstøbt en plade 12 af et materiale, der kan øge sit volumen fortrinsvis af blødt, gårt støbejern. Også her har pladen 10 12 den egenskab, at den betinges dels af den oxiderende driftsatmos fære og deis af driftstemperaturen øger sit volumen i retningen mod rotoren 8.

Til forskel fra den i fig. 2 viste udførelsesform kan pladen 12 f.eks. være fast forbundet med enden af rotoren 8, således at 15 den øger sit volumen i rotorakseretningen mod statoren 7. I princippet kan et sådant element, der kan forøge sit volumen, frit anbringes enten på rotoren og/eller på statoren. Da rotordelene sædvanligvis udsættes for en kraftig mekanisk belastning synes det hensigtsmæssigt kun at forsyne statordelene med sådanne elementer, der kan forøge 20 deres volumen.

Volumenforøgelsesforløbet af tre forskellige arter gråt støbejern ved glødning ved en temperatur på 650° i luft er vist i fig. 4. Volumenforøgelsen af det grå støbejern, der er anvendt til fremstilling af pladen 12 henholdsvis af segmentringen 5 i det efterfølgende 25 kaldet element, kan varieres inden for vide grænser, f.eks. ved valg af dets sammensætning, ved ændring af afkølingshastigheden under elementets støbning, ved en varmebehandling af elementet efter støbningen o.s.v. Desuden afhænger volumenforøgelsen af et af gråt støbejern fremstillet element af dets form, af dets fastgørelsesmåde på 30 grundmaterialet, af belastningen, af driftstemperaturen og af driftsatmosfæren. Men volumenforøgelseskurven har i hvert tilfælde det antydede forløb med aftagende krumning, d.v.s. med stigende tilnærmelse til et lineært forløb med tilnærmelsesvis konstant volumenforøgelseshastighed.

35 I stedet for gråt støbejern kan der til fremstilling af et ele ment også anvendes andre arter støbejern, som f.eks. tempergods, støbejern med delvis kugleformet og delvis lamellar grafit o.s.v., alt efter hvilke egenskaber der ønskes af elementet.

Fastgørelsen af elementerne på statorens eller rotorens bæren- U2659 5 de grundmateriale sker ved hjælp af sædvanlig forbindelsesteknik, f.eks. mekanisk ved lodning, svejsning, indstøbning, påsintring o.s.v.

Elementerne 12 kan i stedet for at best! af støbejern bestå af andre materialer, der ved højere temperaturer øger deres volumen 5 som følge af oxidation. Hertil er navnlig sintrede grafit-metalmaterialer velegnede, hvis metalfase har nikkel, kobber, jern, tin, bly, antimon og/eller zink. Som volumenforøgelses kurven i fig. 3 viser, sker vqlu-menforøgelsen i luft hurtigere, jo flere let oxiderbare elementer, som kobber og tin, metalfasen indeholder. I princippet kan der til frem-10 stilling af elementerne 5,12 anvendes alle materialer, der øger deres volumen under indvirkning af omgivelsernes kemiske elementer eller forbindelser, f.eks. ved opkulning, nitrogenoptagelse, opsvovling, oxidation o.s.v. eller ved en strukturændring under indvirkende af den omgivende temperatur. Som fig. 3 og 4 viser, har volumenforøgelses-15 kurven ved begyndelsen af glødningsbehandlingen en stærkere stig ning pr. tidsenhed end ved mere fremskreden giødningstid. Endvidere optræder der en større volumenforøgelse ved stigende glødningstemperatur. For at opnå en tilnærmelsesvis konstant volumenforøgelseshastighed af elementerne under driften udnyttes derfor kun det volumenfor-20 øgel sesområde, der udmærker sig ved en tilnærmelsesvis konstant volumenforøgelseshastighed og i fig. 3 og 4 svarer til den kurvegren, der strækker sig fra en glødningstid på ca. 250 timer til en glødningstid på ca. 1000 timer. I hvert tilfælde skal alt efter det materiale, der anvendes, glødningstemperaturen og glødetiden afstemmes så-25 ledes efter hinanden, at volumenforøgelseshastigheden ved afslutningen af varmebehandlingen er tilnærmelsesvis konstant eller i det mindste viser mindre ændringer end i begyndelsesfasen. Dersom der anvendes støbejern til fremstilling af elementerne, er glødningstemperaturer på mindst 500° hensigtsmæssige for af økonomiske hensyn at forkorte for-30 ældningen. Ved anvendelse af et materiale på kobberbasis svarende til de i fig. 3 angivne er anvendelsen af glødetemperaturer på mindst 250° hensigtsmæssig. Strejfbeskyttelseselementerne kan endvidere, inden de tages i anvendelse, underkastes en behandling under temperatur- og/eller atmosfæreforhold, der forcerer volumenforøgelseshastighe-35 den i forhold til senere driftsbetingelser og derved foregriber den højere volumenforøgelsesbegyndelseshastighed, der ændrer sig stærkt.