RU2429106C2 - Run-in packing of turbine - Google Patents
Run-in packing of turbine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2429106C2 RU2429106C2 RU2009141454/02A RU2009141454A RU2429106C2 RU 2429106 C2 RU2429106 C2 RU 2429106C2 RU 2009141454/02 A RU2009141454/02 A RU 2009141454/02A RU 2009141454 A RU2009141454 A RU 2009141454A RU 2429106 C2 RU2429106 C2 RU 2429106C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- run
- seal
- additive
- seal according
- additionally contains
- Prior art date
Links
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.The invention relates to mechanical engineering, in particular to the seals of the gaps of the flowing part of turbomachines, long working in conditions of elevated temperatures and high-frequency vibrations.
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. 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 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.The efficiency of gas turbine engines and installations, as well as steam turbines, depends on the tightness of the seal between the rotating blades and the inner surface of the casing in the fan, compressor and turbine. One of the main types of such seals are abrasive seals, the tightness of which is ensured by cutting protrusions at the ends of the blades of the grooves in the abradable sealing material. Turbine seals are performed, for example, using braided metal fibers, honeycombs [US Pat. No. 5,080,934, IPC F01D 11/08, 427/271, 1991] or sintered metal particles. The running-in of these seals is due to its high porosity and its low strength. The latter causes a low erosion resistance of the sealing materials, which leads to rapid wear of the seal. As run-in seals in modern engines and plants, gas-thermal coatings are also used, which, in comparison with the materials described above, have a lower manufacturing complexity.
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.Known run-in seal turbomachine [US patent No. 4291089], obtained by the method of thermal spraying of powder material. When this seal is formed in the form of a coating that is applied directly to the annular element of the housing of the turbomachine in the sealing zone between the housing and the blade.
Недостатком известного уплотнения является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и износостойкости покрытия.A disadvantage of the known seal is the inability to simultaneously ensure high break-in and wear resistance of the coating.
Известно также прирабатываемое уплотнение турбомашины [патент США №4936745], выполненное в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 объемных %.It is also known run-in seal turbomachine [US patent No. 4936745], made in the form of a highly porous ceramic layer with a porosity of from 20 to 35 volume%.
Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.A disadvantage of the known seal is low erosion resistance and strength.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является прирабатываемое уплотнение турбины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала, 1995]. При этом уплотнение включает заполненные в сотовые ячейки и спеченные в вакууме или защитной среде гранулированный прошковый материл состава Cr-Fe-NB-C-Ni.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a running-in turbine seal made of adhesively interconnected particles of powder filler, which forms the basis of the seal material and additives [RF patent No. 2039631, IPC B22F 3/10. A method of manufacturing an abradable material, 1995]. In this case, the seal includes granular prolate material of the Cr-Fe-NB-C-Ni composition filled into the honeycomb cells and sintered in a vacuum or protective medium.
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.].Known material of the running-in seal of the turbomachine [RF patent No. 2039631, IPC B22F 3/10. A method of manufacturing an abradable material, 1995] is used for sealing, which is made in the form of a honeycomb layer rigidly connected to the stator. When the protrusions at the end of the scapula come in contact with the honeycomb structure, the sharp edges of the combs become dull, which leads to a decrease in the compaction efficiency. In this case, the honeycomb layer can be fixed to the turbomachine element by welding or soldering [for example, RF patent No. 2277637, IPC F01D 11/08, 2006].
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.].The manufacturing process and the attachment of the honeycomb structure is quite complicated, time-consuming, and also associated with large time costs. In this case, the honeycomb structure can be connected both with the annular element of the turbomachine and with individual inserts forming a ring [for example, RF patent 2287063, IPC F01D 11/08, 2006].
Недостатками прототипа являются невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения, а также необходимости использования сотовых ячеек.The disadvantages of the prototype are the impossibility of simultaneously ensuring high break-in, mechanical strength and wear resistance of the seal material, as well as the need to use cells.
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.In this regard, the use of a seal that does not contain a layer of honeycomb structure, but is made of a monolithic material, allowing the incisions of the blades to be embedded in it and reducing their wear during operation, would further increase the efficiency of the turbomachines.
Техническим результатом заявляемого изобретения является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости материала уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления.The technical result of the claimed invention is the simultaneous provision of high break-in, mechanical strength and wear resistance of the seal material, as well as reducing the complexity of its manufacture.
Технический результат достигается тем, что прирабатываемое уплотнение турбины, выполненное из адгезионно соединенных между собой частиц порошкового наполнителя, составляющего основу материала уплотнения и добавок, в отличие от прототипа, в качестве материала наполнителя использован материал состава: Cr - от 10,0 до 16 0% Mo - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм, а в качестве добавки используется гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, причем размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора составляют менее 1 мкм.The technical result is achieved by the fact that the running-in turbine seal made of adhesively interconnected particles of powder filler, which forms the basis of the seal material and additives, unlike the prototype, the material of the composition used is the filler material: Cr - from 10.0 to 16 0% Mo - from 0.8 to 3.7%, Fe - the rest, with particle sizes of powder from 15 μm to 180 μm, and hexagonal boron nitride in an amount of from 0.5% to 10.0%, and the sizes are used as an additive powder particles hexagonal boron nitride vlyayut less than 1 micron.
Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение в качестве добавки, как варианты, дополнительно содержит: от 0,4% до 3% BaSO4; от 0,4% до 3% углерода.The technical result is also achieved by the fact that the break-in seal as an additive, as options, additionally contains: from 0.4% to 3% BaSO 4 ; from 0.4% to 3% carbon.
Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение выполнено спеканием в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, причем, как варианты, в качестве защитной среды использован CO и/или CO2; спекание осуществлено в вакууме не ниже 10-2 мм рт.ст.The technical result is also achieved by the fact that the run-in seal is made by sintering in vacuum or a protective medium at a temperature of from 950 ° C to 1250 ° C, moreover, as options, CO and / or CO 2 are used as a protective medium; sintering was carried out in a vacuum of at least 10 -2 mm Hg.
Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение получено газотермическим нанесением на элемент турбомашины.The technical result is also achieved by the fact that the break-in seal is obtained by thermal spraying on an element of a turbomachine.
Технический результат достигается также тем, что прирабатываемое уплотнение в качестве добавки, как варианты, дополнительно содержит: Ca в пределах от 0,01 до 0,2%; CaF2 в количестве от 4 до 11%.The technical result is also achieved by the fact that the break-in seal as an additive, as options, additionally contains: Ca in the range from 0.01 to 0.2%; CaF 2 in an amount of 4 to 11%.
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 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 адгезионной прочности на границе каждой частицы. 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 составляющую величину от 20 до 100% прочности частиц и локальной адгезионной прочности соединения частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 3% от прочности частиц наполнителя. В связи с дискретным характером взаимодействия системы «уплотнение-лопатка», практически, после приработки происходит их безконтактное взаимодействие.The studies of the authors found that under certain conditions it is possible to create a material for seals, which, on the one hand, has sufficiently high mechanical strength and wear resistance, which make it possible to produce seal elements from it that are not destroyed under operating conditions, and, on the other hand, have high break-in. The combination of high mechanical strength and break-in ability in the developed seal material is explained, in particular, by the fact that the adhesive strength of the particles of the filler forming the material is very high, whereas kinetic energy is a result of the instant shock-thermal action during operation of the seal on a separate filler particle shock goes into thermal energy. As a result of this, the adhesive strength at the boundary of the particle in question decreases sharply and, as a result of the impact, it breaks off. In general, the process of running in of compaction consists of a set of individual processes of detachment of filler particles as a result of a decrease in adhesive strength at the boundary of each particle. In addition, the separation and ablation of a particle leads to the removal of excess heat from the running-in zone and does not allow the bulk of the material to heat up. Thus, a combination of the adhesion strength of the filler particle connection is realized, a component value of from 20 to 100% of the particle strength and the local adhesive strength of the particle connection in the contact zone with the counterbody from 0.5 to 3% of the filler particle strength. In connection with the discrete nature of the interaction of the “seal-blade” system, practically, after running-in, their contactless interaction occurs.
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; локальная адгезионная прочность частиц в зоне контакта с контртелом от 0,5 до 12% от прочности частиц наполнителя; размеры частиц наполнителя должны составлять величину от 15 до 180 мкм; использоваться, в качестве добавки гексагональный нитрид бора в количестве от 0,5% до 10,0%, а размеры частиц порошка гексагонального нитрида бора должны составлять менее 1 мкм. Кроме того, функциональные свойства могут регулироваться использованием в качестве добавок BaSO4 - от 0,4% до 3% и углерода от 0,4% до 3%. При этом важное значение имеют также условия получения прирабатываемого уплотнения: процесса спекания в вакууме или защитной среде при температуре от 950°С до 1250°С, при использовании в качестве защитной среды CO и/или CO2 или спекания в вакууме (не ниже 10-2 мм рт.ст.). Получение уплотнения может быть осуществлено также и газотермическим методом, а использование такой добавки как Ca в пределах от 0,01 до 0,2% также способствует, для определенных условий работы турбомашины, повышению эксплуатационных свойств уплотнения.However, to implement the described mechanism of the running in of the seal, it is necessary to provide a number of conditions. These conditions include: the ratio of the adhesive strength of the connection of the particles of the filler should be from 20 to 100% of the strength of the particles; local adhesive strength of the particles in the contact zone with the counterbody from 0.5 to 12% of the strength of the filler particles; the particle size of the filler should be from 15 to 180 microns; be used as an additive hexagonal boron nitride in an amount of from 0.5% to 10.0%, and the particle size of the powder of hexagonal boron nitride should be less than 1 micron. In addition, the functional properties can be regulated using BaSO 4 as additives - from 0.4% to 3% and carbon from 0.4% to 3%. At the same time, the conditions for obtaining a run-in seal are also important: the process of sintering in vacuum or a protective medium at a temperature of 950 ° C to 1250 ° C, when using CO and / or CO 2 as a protective medium, or sintering in vacuum (at least 10 - 2 mmHg). Obtaining a seal can also be carried out by the gas-thermal method, and the use of such an additive as Ca in the range from 0.01 to 0.2% also contributes, for certain operating conditions of the turbomachine, to increase the operational properties of the seal.
Пример. В качестве основы для получения прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок составов: 1) Cr - 10,0%, Mo - от 0,8%, Fe - остальное; 2) Cr - 14,3%, Mo - 2,6%, Fe - остальное; 3) Cr - 16,0%, Mo - 3,7%, Fe - остальное. Размеры частиц наполнителя составляли величины: 15 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Исходный порошковый материал дополнительно содержал гексагональный нитрид бора (BN) размерами частиц порошка менее 1 мкм в количестве: 0,5%;1,0%; 5,0%; 7,0%; 10,0%.Example. As a basis for obtaining a break-in seal, a metal powder of the compositions was used: 1) Cr — 10.0%, Mo — from 0.8%, Fe — the rest; 2) Cr - 14.3%, Mo - 2.6%, Fe - the rest; 3) Cr - 16.0%, Mo - 3.7%, Fe - the rest. The particle size of the filler was: 15 microns; 30 microns; 63 microns; 100 microns; 160 microns; 180 microns. The starting powder material additionally contained hexagonal boron nitride (BN) with a particle size of less than 1 μm in an amount of: 0.5%; 1.0%; 5.0%; 7.0%; 10.0%.
Кроме того, были использованы порошковые материалы вышеуказанных составов с дополнительными добавками следующих компонентов: 1) BaSO4: 0,4%; 1,2%; 3%; 2) углерод: 0,4%; 0,8%; 2,1%; 3%; 3) Ca: 0,01%; 0,05%; 0,1%; 0,2%; 4) CaF2: 4%; 6%; 8%; 11%.In addition, powder materials of the above compositions were used with additional additives of the following components: 1) BaSO 4 : 0.4%; 1.2%; 3%; 2) carbon: 0.4%; 0.8%; 2.1%; 3%; 3) Ca: 0.01%; 0.05%; 0.1%; 0.2%; 4) CaF 2 : 4%; 6%; 8%; eleven%.
Прирабатываемое уплотнение было изготовлено 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 не ниже 10-2 мм рт.ст., а другой части - при той же температуре в среде газа: 1) СО; 2) CO2; 3) смеси газов CO и CO2 в соотношениях объемных процентов: 10%:90%; 25%:75%; 10%:90%; 50%:50%; 75%:25%; 90%:10%. Давление прессования при изготовлении заготовок прирабатываемого уплотнения для всех вариантов было равным: 40 кгс/мм2; 50 кгс/мм2; 60 кгс/мм2; 70 кгс/мм2. Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 137 до 146; σв=27,6…36,6 кгс/мм2; σт=17,4…24,4 кгс/мм2; КС=1,18…1,58 кгм/см2.The running-in seal was made by sintering in vacuum and a protective medium. Sintering of one part of the preforms was carried out at a temperature of 1200 ± 100 ° C in a OKB 8086 vacuum electric furnace with a residual pressure in the chamber of at least 10 -2 mm Hg and the other part at the same temperature in a gas medium: 1) СО; 2) CO 2 ; 3) a mixture of gases CO and CO 2 in the ratio of volume percent: 10%: 90%; 25%: 75%; 10%: 90%; 50%: 50%; 75%: 25%; 90%: 10%. The pressing pressure in the manufacture of blanks of the running-in seal for all options was equal to: 40 kgf / mm 2 ; 50 kgf / mm 2 ; 60 kgf / mm 2 ; 70 kgf / mm 2 . The mechanical properties of the obtained material were: HB hardness from 137 to 146; σ in = 27.6 ... 36.6 kgf / mm 2 ; σ t = 17.4 ... 24.4 kgf / mm 2 ; KS = 1.18 ... 1.58 kgm / cm 2 .
Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.The test results of samples of seals from the developed material under operating conditions showed a combination of high strength characteristics of seals, with good break-in.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009141454/02A RU2429106C2 (en) | 2009-11-09 | 2009-11-09 | Run-in packing of turbine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009141454/02A RU2429106C2 (en) | 2009-11-09 | 2009-11-09 | Run-in packing of turbine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009141454A RU2009141454A (en) | 2011-05-20 |
| RU2429106C2 true RU2429106C2 (en) | 2011-09-20 |
Family
ID=44733347
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009141454/02A RU2429106C2 (en) | 2009-11-09 | 2009-11-09 | Run-in packing of turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2429106C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2696985C1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-08-08 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Уралавиаспецтехнология" | Worn-in seal material of turbomachine |
| RU2745839C1 (en) * | 2020-09-03 | 2021-04-01 | Акционерное общество "РОТЕК" (АО "РОТЕК") | Method of manufacturing an abradable seal |
-
2009
- 2009-11-09 RU RU2009141454/02A patent/RU2429106C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2696985C1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-08-08 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Уралавиаспецтехнология" | Worn-in seal material of turbomachine |
| RU2745839C1 (en) * | 2020-09-03 | 2021-04-01 | Акционерное общество "РОТЕК" (АО "РОТЕК") | Method of manufacturing an abradable seal |
| RU2745839C9 (en) * | 2020-09-03 | 2021-04-14 | Акционерное общество "РОТЕК" (АО "РОТЕК") | Method of manufacturing an abradable seal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009141454A (en) | 2011-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU98159U1 (en) | COMPONENT TURBINE SEAL ELEMENT | |
| US8650753B2 (en) | Seal and a method of manufacturing a seal | |
| US7736760B2 (en) | Ceramic abradable material with alumina dopant | |
| US20150337671A1 (en) | Abrasive blade tip treatment | |
| RU2429106C2 (en) | Run-in packing of turbine | |
| RU2436658C2 (en) | Composite element of worn-in turbine seal | |
| JP4223935B2 (en) | Abrasive seal powder material | |
| RU109427U1 (en) | SEALING GASES OF THE FLOWING PART OF THE TURBO MACHINE | |
| CN104675442B (en) | Turbine bucket with high hot hardness shroud cut deposit | |
| RU2703669C1 (en) | Abradable insert of turbine seal | |
| RU105673U1 (en) | TURBO MACHINE SEALABLE | |
| RU2424874C1 (en) | Turbine work-in seal element | |
| RU2696985C1 (en) | Worn-in seal material of turbomachine | |
| RU2455116C1 (en) | Abrasive turbine gland element | |
| RU2436966C2 (en) | Material for run-in packing of turbo-machine | |
| RU95575U1 (en) | TURBO MACHINE SEALABLE | |
| EP3623082B1 (en) | Method of producing an abrasive tip for a turbine blade | |
| RU94884U1 (en) | MATERIAL TO BE PREPARED | |
| RU95576U1 (en) | TURBINE SEALABLE SEAL | |
| RU2425984C1 (en) | Run-in packing of turbo-machine | |
| RU114091U1 (en) | REINFORCED TURBINE SEAL WITH REINFORCEMENT ELEMENT | |
| RU2454473C1 (en) | Worn-out seal of turbomachine | |
| RU2484924C2 (en) | Turbine worn-in seal element | |
| RU2509896C1 (en) | Above-shroud labyrinth seal for steam turbine | |
| RU120143U1 (en) | CELLULAR TURBINE SEALS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121110 |