Введение

Проблеме создания эффективных уплотнений радиальных зазоров проточного тракта ГТД уделяется много внимания конструкторами, производителями авиационных двигателей и научно-исследовательскими институтами всего мира. Такой интерес связан с большим влиянием системы уплотнения на удельный расход топлива и срок службы дорогостоящих лопаток турбины и компрессора ГТД. Без решения этой проблемы невозможно выполнение одной из основных задач развития двигателестроения в России – повышения экономичности двигателей гражданской авиации на 10–15% [1, 2]. Известно, что утечка расходуемого рабочего газа через радиальный зазор приводит к равному по величине (в процентах) снижению КПД ступени турбины [3]. Однако уменьшение величины радиального зазора связано с повышенным износом лопаток по торцам и опасностью их поломки вследствие контакта со статором, возникающего в результате маневра самолета, перегрузки при посадке, колебаний ротора и корпуса при работе двигателя на нерасчетных режимах, различия температур вращающихся и неподвижных частей уплотнения, скрутки ротора, связанной с установочными нагрузками деформации корпуса, вибрации конструкции и работы в нестационарном режиме.

Решение этой проблемы заключается, в основном, в разработке новых материалов или покрытий: истираемых – для статора и абразивно-износостойких – для ротора (торцы лопаток). Сложность решения проблемы состоит в том, что эти материалы должны работать при высоких температурах (до 1250°С в турбине) и при контактном взаимодействии ротора и статора.

Создание эффективного, технологичного, хорошо истираемого уплотнительного материала для турбины высокого давления является наиболее сложной задачей [4]. Вследствие экстремально высокой рабочей температуры и скорости газового потока эти материалы должны сочетать истираемые свойства с высокой жаростойкостью и эрозионной стойкостью. В этом направлении активно ведутся поиски и уже имеются определенные успехи [4–7].

Для истираемых материалов компрессора нет жестких требований к жаростойкости, так как рабочие температуры не превышают 450–500°С, однако и здесь есть свои специфические требования.

В настоящее время наиболее широко в мировой практике в конструкции компрессоров применяют титановые сплавы. Титановые сплавы при сравнительно небольшой плотности ~4,5 г/см³ (против ~8 г/см³ у сталей) обладают соизмеримым со сталями пределом прочности. Поэтому, заменяя стальные детали на титановые, можно получить заметное снижение массы компрессора, а значит и всего двигателя в целом [3]. В то же время с увеличением температуры механические свойства титановых сплавов заметно ухудшаются [8].

Исходя из требований к весовым характеристикам авиадвигателей, рабочие лопатки в компрессорах ГТД также изготовляются из титановых сплавов, что обуславливает необходимость введения дополнительных требований и к уплотнительным материалам. При взаимодействии с торцами титановых лопаток эти материалы не должны вызывать избыточного перегрева в зоне взаимодействия, возникающего при трении. Это необходимо для предотвращения структурных изменений, сопровождающихся снижением прочности титанового сплава [9].

Кроме того, при значительном перегреве, который также может быть следствием контактного взаимодействия лопаток ротора со статором, в условиях избытка кислорода в компрессоре возможно возгорание титанового сплава – явление, называемое «титановый пожар» [3]. При горении титана температура поднимается до 3000°С, и это может привести к быстрому разрушению двигателя и самолета. Часто лишь по этой причине для статорных ступеней компрессора применяют жаропрочные стали и никелевые сплавы, жертвуя весовым преимуществом титановых сплавов [10].

Материалы и методы

Общие требования, которым должны отвечать истираемые уплотнительные материалы компрессора (в идеале), следующие [11]:

– обеспечение минимального износа деталей ротора компрессора (благодаря высокой истираемости);

– отсутствие перегрева и возгорания деталей из титановых сплавов в результате трения (врезания) ротора со статором;

– высокая эрозионная стойкость уплотнения в условиях газового потока с твердыми частицами;

– стойкость к циклическим перепадам температуры;

– коэффициент теплового расширения, обеспечивающий надежное соединение истираемого материала (покрытия) со статором;

– стабильность свойств в течение длительного времени при рабочих температурах;

– химическая стойкость к соленой воде (коррозии), топливу двигателя, смазочному маслу для гидравлических систем, жидкостям для промывки двигателя;

– низкая энергия врезания или контактного трения;

– отсутствие перехода материала с поверхности истираемого уплотнения на торцы лопаток и наоборот;

– отсутствие утечек газа через открытую пористость в материале;

– низкая стоимость и ремонтопригодность.

Главным требованием для этих материалов остается предотвращение от перегрева и возгорания титановых сплавов, т. е. обеспечение безопасной эксплуатации двигателя и самолета, и этому требованию они соответствуют, в том числе и благодаря другим свойствам [12].

В России и за рубежом чаще всего для уплотнения радиальных зазоров компрессора применяют так называемые «совместимые с титановыми лопатками» материалы на основе алюминия или никеля, содержащие в своем составе равномерно распределенные частицы нитрида бора или графита, выполняющие роль «твердой смазки». Такие материалы наносят на статорные детали с помощью методов пламенного или плазменного напыления. Они могут работать в контакте с титановыми деталями, не вызывая значительного их перегрева, благодаря низкому пределу прочности при сдвиге алюминиевой или никелевой матрицы и наличию пор, заполненных «твердой смазкой», улучшающей истираемость этих материалов [12, 13]. Типичная микроструктура пористого уплотнительного материала с алюминиевой матрицей представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Микроструктура пористого уплотнительного материала с алюминиевой матрицей

Все подобные существующие материалы являются «совместимыми с титановыми лопатками», однако они не удовлетворяют представленным выше требованиям в полном объеме и, в первую очередь, это связано с необходимым сочетанием обычно противоположных свойств: истираемость/эрозионная (газоабразивная) стойкость и жаростойкость/термическая (термоциклическая) стойкость.

В последние годы специалисты ВИАМ занимаются разработкой высокопористых истираемых материалов на основе дискретных волокон из металлических сплавов. Такая возможность появилась в связи с разработкой технологии изготовления волокон  методом экстракции висящей капли расплавленного металла (в ГОУ ВПО «МАТИ – РГТУ им. К.Э. Циолковского») [14–17]. Материалы из металлических волокон обладают уникальным комплексом физико-механических свойств и служебных характеристик, сочетанием высокой пористости с высокими характеристиками пластичности, прочности, низкими коэффициентами термического расширения и теплопроводности, высокими стойкостью к окислению, эрозионной стойкостью и истираемостью, необходимыми для создания уплотнительных материалов [18]. Это позволяет таким материалам противостоять высокому давлению, выдерживать резкие теплосмены и высокие температуры. Высокая пористость (до 80–85%) и пластичность позволяют использовать такие истираемые податливые материалы так, что рабочие зазоры двигателя могут быть минимизированы с соответствующим увеличением КПД вследствие снижения утечки газа между торцами лопаток и статором.

Микроструктура истираемого уплотнительного материала из металлических волокон показана на рис. 2.

Рисунок 2. Микроструктура истираемого уплотнительного материала из металлических волокон

Благодаря высокой пористости истираемость материалов, оцениваемая по соотношению износов уплотнения и лопатки, составляет до 10:1 и более, в то время как истираемость существующих газопламенных и газоплазменных покрытий не превышает 6:1.

С учетом всех преимуществ этих материалов проведена отработка технологии изготовления и исследованы свойства истираемых уплотнительных материалов из волокон медных сплавов для работы в паре с титановыми лопатками.

Выбор медных сплавов при изготовлении волокон для истираемых уплотнений, работающих в паре с титановыми лопатками, обусловлен рабочей температурой (450–500°С), отсутствием искрения или низкой энергией возникающих в результате трения медных сплавов искр, хорошими антифрикционными свойствами и высокой коррозионной стойкостью.

Для изготовления опытной партии дискретных волокон выбран сплав меди с никелем (монель), содержащий в своей основе медь в количестве не менее 27%, и отработаны технологические параметры изготовления дискретных волокон методом экстракции висящей капли расплава (ЭВКР).

С использованием процессов прессования и спекания волокон получены образцы истираемого уплотнительного материала с плотностью 2–2,5 г/см³ для исследования его основных эксплуатационных свойств (рис. 3).

Рисунок 3. Образцы истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава

Исследования экспериментальных образцов включали в себя испытания на жаростойкость и термоциклирование при рабочей температуре компрессора (450°С), эрозионную стойкость, коррозионную стойкость и испытания на истираемость в паре с контртелом из титанового сплава.

Жаростойкость определяли при 450°С с выдержкой в печи в течение 100 ч. Измерение массы образцов осуществляли каждые 25 ч.

Испытание на истираемость (врезание) истираемого уплотнительного материала из волокон сплава монель проводили в паре с контртелом из титанового сплава типа ВТ8. Методика испытаний на истираемость (врезание) основана на измерении износа при контактном взаимодействии образца уплотнительного материала и вращающегося образца – имитатора лопатки – при их сближении на заданную величину с заданной скоростью [14].

Проведены ускоренные коррозионные циклические испытания образцов из волокон медного сплава при 450°С. Испытания проводили по режиму:

– нагрев образцов при температуре 450°С в течение 1 ч в электропечи с воздушной атмосферой;

– подстуживание образцов на воздухе в течение 1–2 мин;

– охлаждение распылением 3%-ного раствора хлористого натрия или выдержка в парах кипящего 3%-ного раствора хлористого натрия в течение 1–3 мин;

– выдержка в камере влажности в течение 22 ч.

Продолжительность испытаний по приведенному режиму составила 10 циклов.

Результаты

В таблице представлены свойства образцов истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава в сравнении с серийным отечественным материалом АНБ на основе алюминия с наполнителем из нитрида бора, применяемым для уплотнения радиальных зазоров в компрессоре.

Основные эксплуатационные свойства истираемого уплотнительного материала

из волокон медного сплава в сравнении с истираемым покрытием АНБ

По результатам испытаний образцов истираемого материала на жаростойкость максимальный привес после 100 ч выдержки в печи при 450°С составил 0,5%, при этом после 50 ч привес образцов прекратился вследствие образования на поверхности волокон оксидной пленки, препятствующей дальнейшему окислению металла, что свидетельствует об очень высокой сопротивляемости окислению этого материала при 450°С и о его возможной работоспособности при более высоких температурах.

По результатам испытаний эрозионной стойкости, определение которой проводилось при обдуве исследуемого материала скоростным потоком воздуха с взвешенными в нем твердыми абразивными частицами с последующим измерением относительной потери массы образца, экспериментальный материал превосходит существующие «совместимые с титановыми лопатками» материалы.

Результаты испытаний на врезание показали, что материал из волокон медного сплава обладает очень высокой истираемостью – не менее 10:1, свойственной и для пористых материалов из волокон других сплавов, разработанных и исследованных ранее (систем Ni–Cr, Fe–(Ni)–Cr–Al–Y и др.), при этом не происходит выкрашивания и наволакивания уплотнительного материала на имитатор лопатки при их контактном взаимодействии. При взаимодействии образцов пары трения не наблюдалось свечения, характерного для взаимодействия металлических материалов при высокоскоростном трении при их перегреве.

Рисунок 4. Образцы истираемого уплотнительного материала из волокон медного сплава после 10 циклов ускоренных коррозионных испытаний:

а – общий вид; б – микроструктура (×16)

Полученные при исследовании коррозионной стойкости экспериментальные данные свидетельствуют о том, что истираемый уплотнительный материал из волокон медного сплава обладает высокой коррозионной стойкостью в условиях 98%-ной влажности и воздействия хлор-ионов. После 10 циклов испытаний материал сохраняет свою форму, на поверхности волокон наблюдается серая оксидная пленка, частично удаляемая в процессе промывки образцов с применением ультразвуковой установки, при этом волокна на отдельных участках образцов становятся такими же блестящими, как на исходных образцах (рис. 4).

Обсуждение и заключения

Результаты всех проведенных исследований показали, что материал из дискретных волокон медного сплава является перспективным в качестве уплотнения радиальных зазоров компрессора ГТД и по всем исследованным свойствам заметно превосходит существующие «совместимые с титановыми лопатками» уплотнения. Целесообразно проведение дальнейших исследований свойств этого материала, в том числе в составе технологических двигателей.