RU2076256C1

RU2076256C1 - Manufacturing process for brush seals of gas-turbine engines

Info

Publication number: RU2076256C1
Application number: RU94023095A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Полегаев; В.А. Гейкин; В.М. Крайнев; Г.И. Смирнова; В.Я. Маклашевский
Original assignee: Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: gas turbines. SUBSTANCE: tightly fitted metal wires are packed primarily by winding it. Pack obtained is held in position by compression between side packing plates, trimmed over working and opposite ends, and at the latter, pack and plates are welded together. In the course of winding metal wires, small groups of layers are relatively positioned by means of auxiliary spacers at non-working end. Compression force is applied only along spacer width between plates and the latter are welded to pack. electron-beam welding at non-working end is most effective for the purpose. Welding area is doped through auxiliary spacers made of same material as that of main component of wires with finely dispersed doping elements uniformly arranged in it. EFFECT: improved quality of brush packing. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления кольцевых уплотнительных элементов, предназначенных для создания газового уплотнения между вращающимися деталями турбин, преимущественно для газотурбинных двигателей (ГТД). The invention relates to a manufacturing technology of annular sealing elements designed to create a gas seal between the rotating parts of the turbines, mainly for gas turbine engines (GTE).

Одной из проблем, связанной со щеточным уплотнением, состоящем из паковки металлических щетинок, выступающих со стороны рабочего торца относительно боковых пластин, преимущественно разной ширины, является то, что щетина уплотнения должна иметь достаточную упругость, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высокой вибрации в двигателе, сводя протечки рабочей среды между разделяемыми полостями к допустимым значениям, при этом величина натяга должна соответствовать величине, при которой мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения в одном уплотнении, не превышает 0,15% от мощности, потребляемой валом при максимальном его вращении. One of the problems associated with a brush seal, consisting of a package of metal bristles protruding from the working end relative to the side plates, mainly of different widths, is that the seal bristles must have sufficient elasticity to compensate for radial clearance fluctuations in conditions of high vibration in the engine , reducing the leakage of the working medium between the separated cavities to acceptable values, while the amount of interference must correspond to the value at which the power spent on p overcoming of the friction force in one seal does not exceed 0.15% of the power consumed by the shaft at its maximum rotation.

Для обеспечения требуемой степени герметичности полостей, в частности в ГТД, необходимо иметь определенное количество плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. В одной уплотняющей ступени они укладываются одна относительно другой в несколько слоев и образуют довольно большой по ширине слой щеточных элементов между боковыми пластинами. Возможен вариант выполнения небольшого количества слоев металлических щетинок между боковыми пластинами одной ступени, но тогда для обеспечения требуемой герметичности полостей формируют набор таких элементов в несколько ступеней. В первом случае плотность и количество слоев щетинок велики, что приводит к увеличению жесткости массива щеточных элементов и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что приводит к снижению мощности на валу двигателя и его ресурса из-за быстрого износа контактирующих пар. To ensure the required degree of tightness of the cavities, in particular in a gas turbine engine, it is necessary to have a certain number of tightly laid metal bristle wires in the gap of the pair being sealed. In one sealing stage, they are stacked one relative to another in several layers and form a rather wide layer of brush elements between the side plates. A possible embodiment of a small number of layers of metal bristles between the side plates of one stage, but then to ensure the required tightness of the cavities, a set of such elements is formed in several stages. In the first case, the density and number of layers of bristles are large, which leads to an increase in the stiffness of the array of brush elements and, as a result, to excessive compression of the sealing surface, which leads to a decrease in power on the motor shaft and its life due to the rapid wear of the contacting pairs.

Даже выполнение щеточных элементов под углом к оси уплотнения как в радиальной, так и в осевой плоскостях не улучшает условия работы уплотнения в должной степени. Even the execution of the brush elements at an angle to the axis of the seal in both the radial and axial planes does not improve the working conditions of the seal to an adequate degree.

А во втором случае значительно увеличивается вес конструкции уплотняющего узла, что нежелательно для ГТД. And in the second case, the design weight of the sealing assembly is significantly increased, which is undesirable for a gas turbine engine.

Существуют различные технологии изготовления щеточных уплотнений из металлических проволок. There are various manufacturing techniques for brush seals made of metal wires.

Так, по патенту ФРГ N 3606284, кл. F 16 J 15/16, 1985, формируют слои плотно прилегающих щетинок путем навивки металлической проволоки на два продольных стержня-оправу, фиксируют набранное количество слоев скобами на стержнях, разрезают паковку металлической проволоки параллельно стержням оправки и изгибают прямолинейные элементы по требуемой форме щеточного уплотнения. Затем свободные концы щетинок паковки зажимают между двумя боковыми кольцевыми пластинами, усилием сжатия фиксируют один торец паковки и обрезают выступающие из пластин щетинки, образуя рабочий торец уплотнения. So, according to the patent of Germany N 3606284, class. F 16 J 15/16, 1985, form layers of tightly fitting bristles by winding metal wire onto two longitudinal mandrel rods, fix the accumulated number of layers with brackets on the rods, cut the metal wire package parallel to the mandrel rods and bend the linear elements according to the desired shape of the brush seal. Then, the free ends of the package bristles are clamped between two lateral annular plates, one end of the package is fixed with a compressive force and the bristles protruding from the plates are cut to form a working end face of the seal.

Данная технология получения щеточного уплотнения одной ступени сложна и, кроме того, для обеспечения надежной изоляции полостей количество слоев щеточного материала должно быть большим, в результате чего на последней стадии технологии между боковыми пластинами зажимаются перепутанные, лежащие хаотически свободные концы щетинок, что в готовом угле уплотнения приводит к неравномерному обжатию уплотняемой поверхности и быстрому выходу ее из строя. В результате чего требуется увеличение количества ступеней в щеточном уплотнении узла, а это приводит к увеличению веса двигателя. This technology for producing a brush seal of one stage is complex and, in addition, to ensure reliable insulation of the cavities, the number of layers of brush material must be large, as a result of which at the last stage of the technology, mixed, randomly lying ends of the bristles are clamped between the side plates, which is in the finished seal angle leads to uneven compression of the sealed surface and its quick failure. As a result, an increase in the number of steps in the brush seal of the assembly is required, and this leads to an increase in the weight of the engine.

Наиболее близкой по совокупности признаков к предлагаемой технологии является технология изготовления одной ступени щеточного уплотнения (патент Великобритании N 2001400, кл. F 16 J 15/16, 1977), состоящая в том, что формируют слой плотно прилегающих металлических проволок в паковку путем намотки на оправку кольцевой формы материала в виде металлических нитей, усилием сжатия фиксируют паковку проволок у торца противоположного рабочему между боковыми пластинами, обрезают рабочий и противолежащий ему торцы паковки и по последнему сваривают паковку с пластинами. The closest set of features to the proposed technology is the manufacturing technology of one step of a brush seal (UK patent N 2001400, class F 16 J 15/16, 1977), which consists in the fact that they form a layer of tight-fitting metal wires in the package by winding on a mandrel ring-shaped material in the form of metal filaments, compressing the package of wires is fixed at the end opposite to the worker between the side plates, the worker and the opposite ends of the package are cut off and the package is welded last with plates.

В процессе намотки большого количества лежащих друг на друге слоев щеточного материала постоянное усилие натяжения их создает неравномерное сжатие щетинок проволоки по слоям, а это приводит к тому, что наиболее плотно сжатые слои снижают упругость рабочего торца всех щетинок, следствием чего является быстрая деформация уплотняемой поверхности. При этом большое выделение тепла от взаимодействия контактных сопрягаемых поверхностей приводит к оплавлению рабочих торцев щетинок и их свариванию, что снижает надежность щеточного уплотнения, вызывает выход из строя уплотняемого узла и снижение срока его службы. In the process of winding a large number of layers of brush material lying on each other, a constant tension force creates uneven compression of the wire bristles in layers, which leads to the fact that the most densely compressed layers reduce the elasticity of the working end of all the bristles, resulting in rapid deformation of the sealing surface. At the same time, a large heat release from the interaction of the contact mating surfaces leads to the fusion of the working ends of the bristles and their welding, which reduces the reliability of the brush seal, causes failure of the sealing assembly and reduces its service life.

При использовании сварки для соединения щеточного материала особенно жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основах, используемых в ГТД, в зоне, прилегающей к зоне плавления, происходит разупрочнение материала щетинок, что снижает их срок службы, делает их подверженными разрушению в этой зоне и выходу из строя узла уплотнения особенно при пониженной упругости щетинок. В связи с этим боковые пластины при существующей технологии делают большой ширины для удаления рабочей зоны щетинок от опасной разупрочненной зоны проволок. А это увеличивает вес и размеры узла, но не обеспечивает требуемой высокой степени надежности щеточного уплотнения. When welding is used to connect brush material, especially heat-resistant alloys based on nickel or cobalt, used in gas turbine engines, in the area adjacent to the melting zone, softening of the bristles material occurs, which reduces their service life, makes them susceptible to destruction in this zone and failure seal assembly especially with reduced elasticity of the bristles. In this regard, the side plates with the existing technology make large widths to remove the working area of the bristles from the dangerous softened zone of the wires. And this increases the weight and size of the node, but does not provide the required high degree of reliability of the brush seal.

Изобретение решает задачу, связанную со снижением жесткости паковки и повышением надежности щеточного уплотнения, выполненного в виде одной ступени, содержащей требуемое количество щеточных элементов на единицу площади и имеющей малый вес. The invention solves the problem associated with reducing the rigidity of the package and increasing the reliability of the brush seal, made in one step, containing the required number of brush elements per unit area and having low weight.

Задача решается тем, что формируют слои плотно прилегающих металлических проволок в паковку, усилием сжатия фиксируют ее у торца противолежащего рабочему между боковыми пластинами уплотнения, обрезают рабочий и противолежащий торцы паковки и по последнему сваривают паковку с пластинами, при этом в процессе формирования паковки в слои между ними у торца, противолежащего рабочему, размещают технологические прокладки, позиционируя четко сформированные небольшие количества слоев относительно друг друга, усилие сжатия прикладывают по ширине прокладок между боковыми пластинками и соединяют прокладки с паковкой при сварке ее с пластинами. The problem is solved by the fact that they form layers of tightly fitting metal wires into a package, compress it to fix it at the end of the opposite worker between the side plates of the seal, cut off the working and opposite ends of the package and weld the package with the plates, while in the process of forming the package into layers between with them, technological gaskets are placed at the end opposite to the worker, positioning clearly formed small amounts of layers relative to each other, the compression force is applied along ine spacers between the side plates and connecting pads from package in welding it with the plates.

Данная технология с позиционированием слоев за счет использования технологических прокладок гарантирует наличие зазора между слоями четко сориентированных проволок, что позволяет обеспечить равномерное сжатие щетинок по толщине всех разделенных слоев проволок в процессе фиксации их для обрезки торцев и сварки элементов узла. Это позволяет сохранить равномерное расположение проволок по всей толщине и длине паковки щеточного элемента. Величина зазора, гарантированного технологическими прокладками между слоями, должна быть равна эффективной величине прогиба слоев проволок и соизмерима практически с толщиной слоев проволок, что позволяет им у рабочего торца занять свободное непринужденное (незаполненное) расположение и в силу упругости материала щетинок деформироваться в случае изменения величины зазоров уплотняемой пары, сохраняя при этом целостность перегородки между изолируемыми полостями. This technology with the positioning of the layers through the use of technological gaskets ensures a gap between the layers of clearly oriented wires, which ensures uniform compression of the bristles across the thickness of all separated layers of wires in the process of fixing them for trimming the ends and welding the assembly elements. This allows you to maintain a uniform arrangement of wires throughout the thickness and length of the package of the brush element. The size of the gap guaranteed by the process gaskets between the layers should be equal to the effective deflection of the wire layers and is comparable with the thickness of the wire layers, which allows them to occupy a free, unconstrained (unfilled) location at the working end and, due to the elasticity of the material of the bristles, deform if the gaps change sealed pairs, while maintaining the integrity of the partition between the insulated cavities.

Устанавливаемые технологические прокладки имеет смысл выполнять толщиной не более двух толщин слоев для обеспечения равномерного и полного заполнения свободного пространства у рабочего торца щеточного уплотнения. При этом чем больше толщина слоя проволок, тем больше толщина прокладки приближается к равной или меньшей его толщине. Если такой слой формируется из проволоки малого диаметра в 2-4 ряда, то возможно использование прокладок толщиной двух толщин слоев проволоки. В любом из вариантов увеличение толщины прокладки за указанный максимум приводит либо к появлению несплошности заполняющих уплотняемый зазор щетинок, что ухудшает условия герметизации, либо приводит к значительному увеличению веса и габаритов. It is worthwhile to install technological gaskets with a thickness of not more than two layer thicknesses to ensure uniform and complete filling of the free space at the working end face of the brush seal. Moreover, the greater the thickness of the layer of wires, the greater the thickness of the gasket approaches its equal or lesser thickness. If such a layer is formed from a wire of small diameter in 2-4 rows, then it is possible to use gaskets with a thickness of two thicknesses of the wire layers. In any of the options, an increase in the thickness of the gasket beyond the specified maximum leads either to the appearance of a discontinuity in the bristles filling the sealing gap, which worsens the sealing conditions, or leads to a significant increase in weight and dimensions.

Фиксацию паковки осуществляют усилием, сжимающим ее между боковыми пластинами уплотнения. Фиксация паковки под обрезку и сварку строго по ширине технологической прокладки между боковыми пластинами гарантирует исключение спутывания слоев проволок у рабочего торца и деформации их в зоне окончания без прокладок, что наиболее важно при сварке одного из торцев. Это позволяет избежать снижения прочностных свойств в этой зоне проволок. The package is fixed by the force compressing it between the side plates of the seal. Fixing the package for trimming and welding strictly along the width of the technological strip between the side plates guarantees the exclusion of tangles of the wire layers at the working end and their deformation in the end zone without gaskets, which is most important when welding one of the ends. This avoids a decrease in the strength properties in this zone of wires.

Строгое позиционирование слоев проволок и проволок в слоях возможно только при закреплении технологических пластин относительно остальных элементов узла уплотнения, а потому обязательно соединение прокладок с паковкой и боковыми пластинами в процессе сварки их по торцу, противолежащему рабочему. Strict positioning of the layers of wires and wires in the layers is possible only when fixing the technological plates relative to the remaining elements of the seal assembly, and therefore it is necessary to connect the gaskets with the package and the side plates in the process of welding them at the end opposite to the worker.

Таким образом, данная технология позволяет за счет использования позиционирующих технологических прокладок повысить прочностные свойства щеточного уплотнения и надежность его, исключив деформации уплотняемой поверхности и самих проволок и повысить срок службы щеточного уплотнения. Thus, this technology allows using the positioning technological gaskets to increase the strength properties of the brush seal and its reliability, eliminating the deformation of the sealing surface and the wires themselves and increase the life of the brush seal.

Возможно использование технологических прокладок и в качестве носителя легирующих материалов, повышающих прочность околошовной зоны щеточных элементов, что необходимо при электронно-лучевой сварке узла уплотнения. Выбор сварки электронным лучом связан с тем, что она позволяет создать минимальную зону разупрочнения материала проволок и уменьшить деформации конструкции. It is possible to use technological gaskets as a carrier of alloying materials that increase the strength of the heat-affected zone of the brush elements, which is necessary for electron beam welding of the seal assembly. The choice of electron beam welding is due to the fact that it allows you to create a minimal zone of softening of the material of the wires and reduce the deformation of the structure.

Учитывая, что щеточное уплотнение ГТД работает в условиях высоких скоростей и температур, металлическая проволока, используемая для их изготовления, выполняется из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. Введение легирующих элементов в зону сварки (плавления) исключит возможность образования трещин и обеспечит получение наилучших прочностных свойств соединения и околошовной зоны. Для этого зону сварки легируют, причем делают это через технологические прокладки, которые выполняют из материала основной составляющей материала проволок с равномерно расположенными в нем мелкодисперсными легирующими элементами, а сварку ведут электронным лучом. В этом случае очень эффективным является выполнение технологических прокладок равномерно перфорированных по всей ширине и из материала, являющегося основной составляющей материала проволок, а образованные пустоты между боковыми пластинами заполняют мелкодисперсными легирующими элементами. Given that the GTE brush seal works at high speeds and temperatures, the metal wire used to make them is made of heat-resistant alloys on a nickel or cobalt basis. The introduction of alloying elements into the welding (melting) zone eliminates the possibility of cracking and ensures the best strength properties of the joint and the heat-affected zone. To do this, the welding zone is alloyed, and this is done through technological gaskets, which are made of the material of the main component of the material of the wires with finely dispersed alloying elements uniformly located in it, and welding is carried out by an electron beam. In this case, it is very effective to perform technological gaskets uniformly perforated over the entire width and from the material, which is the main component of the wire material, and the voids formed between the side plates are filled with finely dispersed alloying elements.

Для вышеуказанных материалов проволок в качестве легирующих материалов могут быть использованы мелкодисперсные порошки (величина зерен 100-150 мкм) металлов или интерметаллоидов, например Nb, Ni₃Nb, Ni₃ (Ti Al).For the above wire materials, finely dispersed powders (grain size 100-150 μm) of metals or intermetalloids, for example Nb, Ni ₃ Nb, Ni ₃ (Ti Al), can be used as alloying materials.

Возможно выполнение перфорированных прокладок в виде сетки. Это позволяет значительно расширить технологические возможности способа. В этом случае формирование паковки щеточных элементов можно осуществлять методом намотки металлической проволоки на прямолинейную оправку, а после снятия паковки с оправки ей перед сваркой можно задать любую форму за счет гибкости и упругости самой щеточной паковки и сетки-прокладки. It is possible to make perforated gaskets in the form of a mesh. This allows you to significantly expand the technological capabilities of the method. In this case, the packaging of the brush elements can be formed by winding a metal wire on a straight mandrel, and after removing the packaging from the mandrel, any shape can be specified before welding due to the flexibility and elasticity of the brush packaging itself and the mesh strip.

Целесообразно выполнение прокладок из упругого материала, так как в случае выполнения боковых пластин разной ширины и прокладок по ширине, близкой к большей из них, упругость прокладки обеспечивает работу щеточных элементов в режиме упругом деформации, что повышает надежность и долговечность уплотнения. It is advisable to make gaskets made of elastic material, since in the case of side plates of different widths and gaskets in width close to the larger of them, the gasket elasticity ensures the brush elements work in the elastic deformation mode, which increases the reliability and durability of the seal.

На фиг. 1 показан (а) вариант изготовления щеточного уплотнения ГТД, расположенного под углом к оси его в радиальной плоскости; (б) вариант конструкции уплотнения с радиально расположенными щеточными элементами; на фиг. 2 схематически представлена оснастка для намотки щеточного уплотнения по фиг. 1,а; на фиг. 3 оснастка для операций обрезки одного из торцев паковки и сварки его; на фиг. 4 оснастка для обрезки рабочего торца щеточного уплотнения. In FIG. 1 shows (a) an embodiment of the manufacture of a GTE brush seal located at an angle to its axis in a radial plane; (b) a design variant of the seal with radially spaced brush elements; in FIG. 2 schematically illustrates a tooling for winding the brush seal of FIG. 1 a; in FIG. 3 equipment for trimming operations of one of the ends of the package and welding it; in FIG. 4 equipment for trimming the working end of the brush seal.

Изготавливаемое щеточное уплотнение состоит из уложенных в плотную кольцевую паковку 1 металлических проволок щетинок 2, располагаемых под углом α к оси II узла и равном 30-60^o (фиг. 1,а) или 90^o (фиг. 1,б). Паковка проволок закреплена между двумя боковыми пластинами 3 и 4, чаще всего выполняемыми разной ширины и имеющими на одной из них (пластине 3) узел крепления 5 к уплотняемой конструкции (не показана). Между слоями проволок 2 в зоне размещения боковых пластин 3 и 4 у нерабочего торца 6 щетинок расположены технологические прокладки 7. Рабочий торец 8 проволок расположен с противоположной стороны паковки 1.The manufactured brush seal consists of metal bristles 2 laid in a dense annular package 1, arranged at an angle α to the axis of the assembly II and equal to 30-60 ^o (Fig. 1, a) or 90 ^o (Fig. 1, b). The package of wires is fixed between two side plates 3 and 4, most often made of different widths and having on one of them (plate 3) a fastener 5 to the sealing structure (not shown). Between the layers of wires 2 in the area of placement of the side plates 3 and 4 at the non-working end 6 of the bristles are technological strips 7. The working end 8 of the wires is located on the opposite side of the package 1.

В зависимости от угла a наклона проволок к оси II рабочий торец 8 паковки 1 обработан под соответствующим углом a к проволокам 2 паковки 1. Для изготовления щеточного уплотнения использована оснастка, аналогичная представленной в патенте Великобритании N 2001400. Для приведенного варианта уплотнения (фиг. 1,а) кольцевую оправку 9 (фиг. 2) выполняют в виде торав частности с двумя боковыми плоскими поверхностями 10, расположенными под углом a к оси оправки 9. На эти боковые поверхности 10 укладывают большие по ширине боковые пластины 4 формируемого щеточного уплотнения, фиксируемые тем, что они размещаются в проточках по коническим поверхностям 10 оправки. При этом торец 11 пластины 4 определяет расположение около него рабочего торца 8 паковки 1. Боковые пластины 3 и 4 выполнены из хромо-никелевой аустенитной стали Х18Н9Т. Depending on the angle a of the inclination of the wires to axis II, the working end 8 of the package 1 is machined at the corresponding angle a to the wires 2 of the package 1. For the manufacture of the brush seal, tooling similar to that presented in British Patent N 2001400 is used. For the given version of the seal (Fig. 1, a) an annular mandrel 9 (Fig. 2) is made in the form of tori in particular with two lateral flat surfaces 10 located at an angle a to the axis of the mandrel 9. On these lateral surfaces 10 are placed large in width side plates 4 of the formed brush of seals fixed by the fact that they are placed in the groove of the conical surface 10 of the mandrel. The end face 11 of the plate 4 determines the location near it of the working end 8 of the package 1. The side plates 3 and 4 are made of chromium-nickel austenitic steel X18H9T.

С помощью типового устройства, использующего кольцеобразный носитель 12 катушки 13 с проволокой 14, в котором располагают кольцевую оправку 9, производят намотку проволоки из никелевого жаропрочного сплава ЭП578 диаметром 0,1 мм. Using a typical device using an annular carrier 12 of a coil 13 with a wire 14, in which an annular mandrel 9 is located, a wire of 0.1 mm diameter EP578 heat-resistant nickel alloy is wound.

Путем относительного вращения оправки 9 и носителя 12 проволоки 14 материал щетины равномерно плотно прилегающими витками размещают по свободной стороне каждой пластины 4 и по наружной 15 и внутренней 16 сторонам оправки 9. By relative rotation of the mandrel 9 and the carrier 12 of the wire 14, the bristle material is uniformly snugly placed on the free side of each plate 4 and on the outer 15 and 16 inner sides of the mandrel 9.

Задавая различное число оборотов носителю 12 проволоки и оправке 9, можно добиться размещения витков проволочного материала под различными углами в плоскости боковой пластины (радиальной плоскости, если щеточное уплотнение выполняется по фиг. 1,б). By setting a different number of revolutions to the wire carrier 12 and the mandrel 9, it is possible to arrange the turns of wire material at different angles in the plane of the side plate (radial plane, if the brush seal is made according to Fig. 1, b).

Намотку плотно прилегающих металлических проволок 14 осуществляют послойно. Выполнив с постоянным натяжением проволоки 4-6 слоев щеточного материала на них укладывают кольцевые, в данном случае конические, прокладки 7 и продолжают намотку проволоки уже по их свободной боковой поверхности. Прокладки выполняют в виде никелевой сетки толщиной 0,3 мм с размерами ячеек 40-100 мкм, в которые помещают мелкодисперсный порошок ниобия. Winding tightly adjacent metal wires 14 is carried out in layers. Having carried out 4-6 layers of brush material with a constant tension of the wire, annular, in this case conical, gaskets 7 are laid on them and continue to wind the wire along their free lateral surface. Gaskets are made in the form of a nickel mesh 0.3 mm thick with mesh sizes of 40-100 μm, in which finely dispersed niobium powder is placed.

Фиксация каждой прокладки 7 в процессе намотки осуществляется, например, с помощью прижима ее скобой (не показано) в сторону оправки 9 на конце, противолежащем зоне размещения наматываемой проволоки 14. После укладки нескольких витков проволоки 14 следующего слоя фиксирующая скоба снимается. В такой последовательности выполняют намотку слоев проволоки 14 и установку прокладок 7 до формирования требуемой ширины паковки. В частности, при толщине паковки проволоки 3 мм и толщине 2-4 слоев, ее равной 0,3-0,4 мм, устанавливают 4-6 прокладок толщиной 0,3 мм. The fixation of each strip 7 during winding is carried out, for example, by pressing it with a bracket (not shown) in the direction of the mandrel 9 at the end opposite the placement area of the winded wire 14. After laying several turns of wire 14 of the next layer, the fixing bracket is removed. In this sequence, the layers of wire 14 are wound and the gaskets 7 are installed until the required package width is formed. In particular, with a wire packing thickness of 3 mm and a thickness of 2-4 layers, its equal to 0.3-0.4 mm, 4-6 gaskets with a thickness of 0.3 mm are installed.

Затем на последний слой намотанной проволоки устанавливают вторую пластину 3 с каждой стороны оправки 9. При этом ширина этой пластины 3 может быть меньше ширины первой пластины 4. Then, on the last layer of the wound wire, a second plate 3 is mounted on each side of the mandrel 9. Moreover, the width of this plate 3 may be less than the width of the first plate 4.

Фиксируют паковку щеточного материала, сжимая ее между пластинами путем приложения усилия Р, например, с помощью стаканов 17 (фиг. 3) с прижимными фланцами, устанавливаемых соосно с оправкой 9 с противоположных сторон ее и закрепляемых на центрирующей оправке 18. The package of the brush material is fixed by compressing it between the plates by applying a force P, for example, by means of glasses 17 (Fig. 3) with pressure flanges mounted coaxially with the mandrel 9 on its opposite sides and fixed on the centering mandrel 18.

При сжатии паковки между боковыми пластинами 3 и 4 необходимо учитывать, что усилие сжатия Р должно передаваться от слоя проволоки к слою через прокладки 7. В связи с этим целесообразно выполнять прокладки по наружному диаметру, равному наружному диаметру боковых пластин, а внутренний диаметр задавать преимущественно в пределах меньше внутреннего диаметра меньшей по ширине пластины 3 и больше внутреннего диаметра большей по ширине пластины 4. Для приведенного примера уплотнения с размерами диаметров внутреннего D_вн 116 мм и наружного D_нар 286 мм прокладки выполняли с наружным диаметром 286 мм и внутренним 236 мм.When compressing the package between the side plates 3 and 4, it must be taken into account that the compression force P must be transmitted from the wire layer to the layer through the gaskets 7. In this regard, it is advisable to perform gaskets along the outer diameter equal to the outer diameter of the side plates, and set the inner diameter mainly in within the smaller diameter of the smaller plate 3 and larger than the internal diameter of the larger plate 4. For the given example of a seal with the dimensions of the diameters of the inner D _ext 116 mm and the outer D _nar 2 86 mm gaskets were made with an outer diameter of 286 mm and an inner 236 mm.

При внутреннем диаметре прокладки больше внутреннего диаметра меньшей пластины, усилие сжатия для фиксации проволок прикладываем только по ширине прокладки. В противном случае наблюдалось сближение щетинок на выходе относительно торца меньшей из боковых пластин, перепутывание и образование единой плотной массы щетинок по толщине уплотнения. Это снижает упругость рабочего конца его, делая его жестким и как следствие приведет к быстрому износу уплотняемой поверхности и выходу из строя всего уплотнения. When the inner diameter of the strip is larger than the inner diameter of the smaller plate, we apply the compression force to fix the wires only along the width of the strip. Otherwise, the approach of the bristles at the outlet relative to the end face of the smaller of the side plates, entanglement and the formation of a single dense mass of bristles along the thickness of the seal were observed. This reduces the elasticity of the working end of it, making it stiff and as a result will lead to rapid wear of the sealing surface and the failure of the entire seal.

В таком зажатом у нерабочего торца боковых пластин состоянии обрезают паковки, например, фрезой 19 нерабочие торцы 6 и затем в зафиксированном состоянии паковку проволок сваривают с пластинами 3 и 4 и прокладками 7 по нерабочему торцу 6 проволок. In such a state, compressed at the inoperative end of the side plates, the packages are cut, for example, the end faces 6 are cut by a mill 19 and then, in the fixed state, the package of wires is welded with the plates 3 and 4 and gaskets 7 along the non-working end 6 of the wires.

Наименьшее количество тепла вводит в материал и соответственно уменьшает разупрочнение проволок около литой сварочной зоны использование электронно-лучевой сварки. Однако, качество сварки материалов на никелевой и кобальтовой основе, используемых для уплотнений ГТД, требует легирования этого материала. Для этого кольцевые прокладки выполняли с равномерно расположенными по всей поверхности отвеpстиями диаметpом 1 мм. Пpи выполнении пpокладок из никеля в отверстиях помещали мелкодисперсный порошок легирующего элемента, в частности порошок ниобия. The least amount of heat is introduced into the material and, accordingly, the softening of the wires near the cast welding zone is reduced by the use of electron beam welding. However, the quality of welding of nickel and cobalt-based materials used for gas-turbine engine seals requires alloying of this material. For this, ring gaskets were made with holes uniformly distributed over the entire surface with a diameter of 1 mm. When making nickel plates, finely dispersed alloying element powder, in particular niobium powder, was placed in the holes.

Требуемое количество легирующих элементов можно предварительно запрессовать в отверстиях кольцевых перфорированных прокладок. Возможен также вариант спекания всех требуемых компонентов легирования в кольцевую прокладку требуемых размеров для последующего размещения таких прокладок между слоями проволок. The required number of alloying elements can be pre-pressed into the holes of the annular perforated gaskets. It is also possible to sinter all the required alloying components into an annular gasket of the required dimensions for the subsequent placement of such gaskets between the layers of wires.

Из опробованных вариантов наиболее удобна форма выполнения кольцевых прокладок из сетки, в ячейки которой помещают легирующие элементы на высоту сварного шва. Of the tested options, the most convenient form of performing annular gaskets from the grid, in the cells of which alloying elements are placed to the height of the weld.

Электронно-лучевую сварку собранной паковки проводили на установке ЭЛУ-20, оснащенной блоком питания БЭП60/15К, укомплектованным пушкой ЭПК63/30М с прямонакальным катодом и отклоняющей катушкой. Сканирование луча осуществляли с помощью прибора ПУЭЛ-ВК. Electron beam welding of the assembled package was carried out on the ELU-20 installation, equipped with a BEP60 / 15K power supply unit, equipped with an EPK63 / 30M gun with a direct-heating cathode and a deflecting coil. The beam was scanned using the PUEL-VK device.

Сварка велась вертикальным лучом и с отклонением оси луча на угол 7 назад от вертикали с использованием сканирования по элептической траектории с частотой 325 Гц. Welding was carried out by a vertical beam and with a deviation of the axis of the beam by an angle of 7 back from the vertical using scanning along an elliptical path with a frequency of 325 Hz.

Режимы сварки: U 60 кВ, J_л 58 мА, J_фок 720 мА, V_св 30 м/ч при остаточном давлении в камере (1-5) 10.Welding modes: U 60 kV, J _l 58 mA, J _foc 720 mA, V _sv 30 m / h with a residual pressure in the chamber (1-5) 10.

Глубина проплавления 3-4 мм, зона термического влияния у основания проволочек, прилегающей к литой зоне от 0 до 0,2 мм. The penetration depth is 3-4 mm, the heat-affected zone at the base of the wires adjacent to the cast zone is from 0 to 0.2 mm.

После сварки оснастку в виде стаканов 17 снимают и заменяют ее на стяжные болты 20 (фиг. 4) и в таком зажатом состоянии с зафиксированным положением всех слоев проволок обрезают, например, резцом 21 рабочий торец 8 паковки. Готовые щеточные уплотнения снимают с оправки 9. After welding, the equipment in the form of glasses 17 is removed and replaced with clamping bolts 20 (Fig. 4), and in this clamped state with a fixed position of all layers of wires, cut, for example, with a cutter 21 of the working end 8 of the package. Ready brush seals are removed from the mandrel 9.

Полученные образцы щеточных уплотнений проверялись на прочность. The obtained samples of brush seals were tested for strength.

Металлографические исследования полученных образцов проводили на поперечных и продольных шлифах сварных швов с целью изучения макро- и микроструктуры металла шва и околошовной зоны, а также влияния различных режимов сварки на характер формирования проплавления. Metallographic studies of the samples were carried out on transverse and longitudinal sections of welds in order to study the macro- and microstructure of the weld metal and the weld zone, as well as the influence of various welding modes on the nature of the formation of penetration.

Эти исследования показали, что на приведенных режимах получены образцы, имеющие стабильное формирования литой зоны с плавным переходом от полиэдрической зерновой структуры основного материала к разориентированной сильно измельченной дендридной литой структуре металла шва. Ослабления корневой зоны проволок не наблюдалось. These studies showed that in the above modes, samples were obtained that have stable cast zone formation with a smooth transition from the polyhedral grain structure of the base material to the misoriented, highly ground dendrite cast structure of the weld metal. Weakening of the root zone of the wires was not observed.

Измерение микротвердости основного материала проволок и литой зоны сварного шва показало их соответствие. Предел прочности сварного соединения составил 0,97 от предела прочности основного материала проволок. The microhardness measurement of the main material of the wires and the cast zone of the weld showed their correspondence. The tensile strength of the welded joint was 0.97 of the tensile strength of the main material of the wires.

В результате проведенных исследований установлено, что полученное сварное соединение в щеточном уплотнении для турбин из релаксационностойких никелевых сплавов методом ЭЛС отвечает высоким технологическим и эксплуатационным требованиям современных двигателей. As a result of the studies, it was found that the obtained welded joint in a brush seal for turbines made of relaxation-resistant nickel alloys by the ELS method meets the high technological and operational requirements of modern engines.

Само же щеточное уплотнение, полученное по данной технологии, показало наличие равномерного расположения проволок по всей толщине уплотнения у рабочего торца его, высокую степень подвижности щетинок у этого торца в силу сохранения упругости их и возможности относительного перемещения. Замена таким уплотнением многоступенчатых конструкций щеточных уплотнений с несколькими боковыми пластинами и паковками проволок позволит уменьшить вес узла уплотнения в 1,5-2 раза. The brush seal itself, obtained by this technology, showed the presence of a uniform arrangement of wires throughout the thickness of the seal at its working end, a high degree of mobility of the bristles at this end due to their elasticity and the possibility of relative movement. Replacing such a seal with multi-stage designs of brush seals with several side plates and packs of wires will reduce the weight of the seal assembly by 1.5-2 times.

Claims

1. A method of manufacturing GTE brush seals, in which layers of tightly fitting metal wires are formed into a package, the compression force is fixed using the side plates of the seal, the working and opposite ends of the package are cut and the package is welded to the plates, characterized in that during formation layers of metal wires they are positioned using gaskets at the end opposite to the worker, a compressive force is applied across the width of the gaskets between the side plates and the gaskets are connected to the package oh when welding it with plates.

2. The method according to claim 1, characterized in that the welding zone is alloyed through gaskets made of a material of the main component of the material of the wires with finely dispersed alloying elements uniformly located in it, and the welding is carried out by an electron beam.