RU2545879C2 - Power turbine stator element modification - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to application of coating on power turbine stator element surface. This process comprises application of coating by plasma spraying. Coating powder is sprayed at the angle of 55-70 degrees to spraying surface. Rate of burner feed relative to stator element sprayed surface makes 0.5-1.0 m/s. Spraying spot surface area on stator element equals 1.7-5.0 cm².

EFFECT: no cracks or lamination, higher strength.

1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к уплотняемым зазорам в энергетических турбинах и способам модификации стационарного кожуха таким образом, чтобы контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин. В частности, изобретение относится к способу нанесения уплотнительного покрытия на элементы статора энергетических турбин, предназначенному контролировать зазор между вращающимися и неподвижными компонентами турбин.The invention relates to mechanical engineering, and more particularly, to sealing gaps in energy turbines and methods for modifying a stationary casing in such a way as to control the gap between rotating and stationary components of the turbines. In particular, the invention relates to a method for applying a sealing coating to the stator elements of energy turbines, designed to control the gap between the rotating and stationary components of the turbines.

Паровые турбины производств являются основными первичными двигателями мощных компрессорных и насосных агрегатов, надежности и эффективности работы которых уделяется особое внимание.Steam turbines of production are the main primary engines of powerful compressor and pump units, the reliability and efficiency of which are given special attention.

В настоящее время ведущие мировые производители паровых турбин наиболее активно ведут исследования в направлении конструктивных решений уплотнений паровых турбин.Currently, the world's leading manufacturers of steam turbines are most actively conducting research in the direction of design solutions for steam turbine seals.

Уплотнительные, или изнашиваемые покрытия применяются в газотурбинных двигателях в авиации, энергетике, газоперекачивающих агрегатах (ГПА) взамен вставок из уплотнительных материалов. Изнашиваемые покрытия снижают зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Методом плазменного напыления уплотнительные покрытия делаются настолько податливыми, чтобы кромка лопатки или лабиринт легко врезались в их слой, однако достаточно прочными, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.Sealing or wearing coatings are used in gas turbine engines in aviation, energy, gas pumping units (GPU) instead of inserts from sealing materials. Wear coatings reduce the gap between the stator and the rotor of the gas generator (compressor and turbine). By plasma spraying, the sealing coatings are made so flexible that the edge of the scapula or labyrinth easily cut into their layer, but are strong enough to withstand the pressure of the gas stream at elevated temperatures.

Применение уплотняющих (прирабатываемых) покрытий в горячей части турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет заметно повысить КПД и тепловую мощность двигателя за счет уплотнения зазоров по периферийным торцам лопаток и по гребешкам лабиринтных уплотнений между ступенями по всей окружности вращения, сводя к минимуму износ дорогостоящих вращающихся лопаток ротора турбины. Основными требованиями к уплотнительным покрытиям в ГТД являются достаточная прочность, податливость при врезании лопаток лабиринтными выступами, антифрикционность, теплозащитные свойства, эрозионная стойкость и низкое сопротивление "выветриванию" рабочей поверхности (со стороны газового потока).The use of sealing (running-in) coatings in the hot part of the turbine of a gas turbine engine (GTE) can significantly increase the efficiency and thermal power of the engine by sealing gaps along the peripheral ends of the blades and along the combs of the labyrinth seals between the steps around the entire circumference of rotation, minimizing the wear of expensive rotating blades turbine rotor. The main requirements for sealing coatings in gas-turbine engines are sufficient strength, ductility when inserting blades with labyrinth protrusions, antifriction, heat-shielding properties, erosion resistance and low resistance to “weathering” of the working surface (from the gas stream).

Из уровня техники известен способ модификации элемента статора энергетической турбины, включающий нанесение на него покрытия (RU 2415199 С1, МПК С23С 14/38, опубликовано 27.03.2011).The prior art method for modifying the stator element of an energy turbine, including coating it (RU 2415199 C1, IPC C23C 14/38, published on 03/27/2011).

Недостаток известного способа модификации элемента статора энергетической турбины заключается в том, что при нанесении покрытия не контролируется нагрев напыляемой поверхности, который приводит к снижению ресурса статора и наведению остаточных напряжений в уплотнительное покрытие, которые приводят к появлению трещин, сколов и отслоений уплотнительного покрытия как между слоями, так и от материала подложки.A disadvantage of the known method for modifying the stator element of an energy turbine is that when the coating is applied, the heating of the sprayed surface is not controlled, which leads to a decrease in the stator life and inducing residual stresses in the sealing coating, which lead to the appearance of cracks, chips and delamination of the sealing coating both between layers , and from the substrate material.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение температуры напыляемой поверхности во время напыления для сохранения работоспособности как материала статора, так и уплотнительного покрытия при высоких нагрузках, вызванных критическими режимами эксплуатации энергетических турбин.The problem to which the invention is directed is to reduce the temperature of the sprayed surface during spraying to maintain the operability of both the stator material and the sealing coating at high loads caused by critical operating conditions of energy turbines.

Техническим результатом является снижение нагрева напыляемой поверхности в 3-4 раза, отсутствие трещин и расслоений в покрытии, увеличение прочностных свойств покрытия, увеличение коэффициента использования напыляемого порошка.The technical result is to reduce the heating of the sprayed surface by 3-4 times, the absence of cracks and delamination in the coating, increase the strength properties of the coating, increase the coefficient of use of the sprayed powder.

Технический результат достигается тем, что способ модификации элемента статора энергетической турбины включает нанесение на него покрытия плазменным напылением, под углом 55-70 градусов по отношению к поверхности напыления, причем скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности элементов статора энергетических турбин во время напыления составляет 0,5-1,0 м/с, а площадь пятна напыления на поверхности элементов статора энергетических турбин составляет 1,7-5,0 см².The technical result is achieved by the fact that the method of modifying the stator element of an energy turbine involves applying a plasma spray coating to it at an angle of 55-70 degrees with respect to the spraying surface, the burner moving speed relative to the sprayed surface of the stator elements of the energy turbines during spraying is 0.5 -1.0 m / s, and the area of the spray spot on the surface of the stator elements of energy turbines is 1.7-5.0 cm ² .

Проведенные исследования показали, что при скорости напыления менее 0,5 м/с покрытие формируется с наведенными трещинами и расслоениями. При скорости напыления более 1,0 м/с снижается коэффициент использования порошка, т.е. на напыление той же толщины покрытия тратится в 1,5-2 раза больше порошка, что снижает экономическую привлекательность способа формирования уплотнительного покрытия.Studies have shown that at a deposition rate of less than 0.5 m / s, the coating forms with induced cracks and delaminations. At a spraying speed of more than 1.0 m / s, the powder utilization rate decreases, i.e. 1.5-2 times more powder is spent on spraying the same coating thickness, which reduces the economic attractiveness of the method of forming a sealing coating.

Для получения толстого уплотнительного покрытия с минимальным перегревом напыляемой поверхности с минимальными временными паузами между нанесением каждого слоя покрытия необходимо контролировать площадь участка поверхности, подвергаемой напылению. При площади напыления менее 1,7 см² покрытие формируется с наведенными трещинами. При площади напыления более 5,0 см покрытие формируется с расслоениями.To obtain a thick sealing coating with minimal overheating of the sprayed surface with minimal time pauses between the application of each coating layer, it is necessary to control the area of the surface area being sprayed. When the spraying area is less than 1.7 cm ^{2, the} coating is formed with induced cracks. With a spraying area of more than 5.0 cm, the coating is formed with delamination.

Пример 1. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления. Угол нанесения керамического слоя составил 60 градусов. Скорость перемещения горелки относительно напыляемой поверхности статора во время напыления составила 0,75 м/с, которая была максимальна для применяемого вида манипулятора. Площадь пятна напыления на поверхности статора составила 3,4 см².Example 1. A powder based on zirconium oxide with polyester was applied by plasma spraying. The angle of application of the ceramic layer was 60 degrees. The speed of movement of the burner relative to the sprayed surface of the stator during spraying was 0.75 m / s, which was maximum for the type of manipulator used. The area of the spray spot on the surface of the stator was 3.4 cm ² .

Температура поверхности статора не поднималась выше 45 градусов, при этом покрытие сформировалось без трещин с итоговой толщиной - 4 мм.The stator surface temperature did not rise above 45 degrees, while the coating formed without cracks with a total thickness of 4 mm.

Пример 2. Порошок на основе оксида циркония с полиэстером был нанесен методом плазменного напыления на ряд стальных образцов, при этом меняли режимы нанесения покрытияExample 2. The powder based on zirconium oxide with polyester was applied by plasma spraying to a number of steel samples, while changing the coating mode

Таблица 1Table 1 Образец покрытияCoating pattern Угол напыления, градусSpray angle, degrees Скорость перемещения горелки, м/сBurner travel speed, m / s Площадь напыления, см² Spraying area, cm ² Наличие дефектовThe presence of defects Температура поверхности напыленияSpraying surface temperature 1one 9090 1,01,0 2,02.0 трещиныcracks 181181 22 9090 0,50.5 2,02.0 расслоениеstratification 192192 33 8080 1,01,0 2,02.0 расслоениеstratification 157157 4four 8080 0,50.5 2,02.0 расслоениеstratification 163163 55 7070 1,01,0 2,02.0 отсутствуютare absent 110110 66 7070 0,50.5 2,02.0 отсутствуютare absent 125125 77 6060 1,01,0 2,02.0 отсутствуютare absent 7878 88 6060 0,50.5 2,02.0 отсутствуютare absent 8989 99 50fifty 1,01,0 2,02.0 покрытие не формируетсяcoating is not formed 4040 1010 50fifty 0,50.5 2,02.0 отслоениеpeeling 5555 11eleven 4040 1,01,0 2,02.0 покрытие не формируетсяcoating is not formed -- 1212 4040 0,50.5 2,02.0 покрытие не формируетсяcoating is not formed -- 1313 30thirty 1,01,0 2,02.0 покрытие не формируетсяcoating is not formed -- 14fourteen 30thirty 0,50.5 2,02.0 покрытие не формируетсяcoating is not formed --

Claims (1)

Способ получения покрытия на поверхности элемента статора энергетической турбины, включающий нанесение на его поверхность покрытия плазменным напылением, отличающийся тем, что на поверхность элемента статора наносят порошок под углом 55-70 градусов к поверхности напыления, при этом плазменную горелку перемещают относительно напыляемой поверхности элемента статора со скоростью 0,5-1,0 м/с, а напыление поверхности осуществляют участками с площадью напыления 1,7-5,0 см². A method of obtaining a coating on the surface of a stator element of an energy turbine, including applying a plasma spray coating to its surface, characterized in that powder is applied to the surface of the stator element at an angle of 55-70 degrees to the spray surface, while the plasma torch is moved relative to the sprayed surface of the stator element with a speed of 0.5-1.0 m / s, and surface spraying is carried out in areas with a spraying area of 1.7-5.0 cm ² .