ВИБІР МАТЕРІАЛУ ДЛЯ ЩІТКОВИХ УЩІЛЬНЕНЬ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ

К.т.н. Скачков В.О., Рублевський Ю.В., Іванов В.І.,

Моисейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія, Україна,

ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес»

ім. О.Г.Івченко», Україна

ВИБІР МАТЕРІАЛУ ДЛЯ ЩІТКОВИХ УЩІЛЬНЕНЬ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ

Наведено вимоги, що пред’являють до матеріалів для щіткових ущільнень газотурбінних двигунів залежно від умов їх експлуатації. Подано результати випробувань механічних характеристик мікродроту із сплавів ЕІ708А-ВІ і HAYNES35 у початковому стані та після експериментальних нагрівань за різної температури, що імітують умови роботи щіткових ущільнень. Як оптимальний матеріал для щіткових ущільнень вибрано мікродріт зі сплаву HAYNES35.

Одним з найбільш перспективних напрямів вдосконалення конструкцій газотурбінних двигунів є впровадження щіткових ущільнень, які є кільцевими деталями статорів з щіткою, що знаходиться між ними, виконаною з мікродроту.

Головні вимоги, що пред'являють до матеріалу для виготовлення даних ущільнень:

– збереження пружних властивостей і властивостей міцності в інтервалі температур 550…750 °С;

– опір окислюванню за вказаної температури;

– мінімальне зношення під час експлуатації.

Для виготовлення кільцевих деталей залежно від умов їх роботи застосовують традиційні матеріали (корозійну сталь 12Х18Н10Т або жароміцний нікелевий сплав ЕІ868). В той же час вибір матеріалу мікродроту для власне щіткових ущільнень припускає проведення комплексу експериментальних досліджень з метою визначення їх властивостей.

У експериментах досліджували наступні матеріали: холоднотянутий мікродріт діаметром 0,09 мм із сплаву на залізній основі ЕІ708А-ВІ та холоднотянутий мікродріт діаметром 0,07 мм із сплаву на кобальтовій основі HAYNES25.

Мікродріт із сплаву HAYNES25 має структуру на основі твердого розчину Со_a, стабілізаторами якої слугують хром і вольфрам. Кобальтові сплави, що мають структуру гексагональної щільно упакованої решітки, показують кращі результати під час роботи за умов тертя та зношення.

Зразки обох видів мікродроту піддавали випробуванням на розривання в початковому стані і після нагрівів, що імітують умови роботи щіткових ущільнень.

Мікродріт із сплаву ЕІ708А-ВІ піддавали нагріванню за температури 600 і 650 °С протягом 50 і 100 годин, мікродріт із сплаву HAYNES25 – за температури 650, 700, 750, 800, 850 і 900 °С протягом від 1 до 100 годин. Нагрівання здійснювали в повітряній атмосфері камерної печі типу МП-2УМ.

Випробування мікродроту на розривання проводили за стандартною методикою.

Межу міцності зразків при розтягуванні визначали за формулою:

, (1)

де Р – зусилля розривання, Н; r – радіус поперечного перерізу мікродроту, мм.

Після нагрівання на поверхні мікродроту з обох видів матеріалів зафіксовано ознаки окислювання, інтенсивність яких зростає з підвищенням рівня температури.

При цьому мікродріт із сплаву HAYNES25 показав кращу стійкість до окислювання, зберігаючи металевий блиск під час нагрівання аж до температури 750 °С.

Результати випробувань мікродроту обох типів подано у табл. 1 і 2.

Таблиця 1 - Результати випробувань мікродроту із сплаву ЕІ708А-ВІ

Режим термічної обробки		Величина міцності, МПа
Т₀, °С	t₀, год.	експеримент	розрахунок
600	50	1347,5	1256,6
600	100	675,5	715,4
650	50	566,4	624,2
650	100	577,0	443,9
0	0	1384,3	1471,3

Таблиця 2 - Результати випробувань мікродроту із сплаву HAYNES25

Режим термічної обробки		Величина міцності, МПа
Т₀, °С	t₀, год.	експеримент	розрахунок
650	1	1440	1441
650	10	1270	1360
650	100	1510	1530
700	100	1440	1450
750	100	1450	1350
800	100	1060	1150
0	0	1560	1510

Аналіз даних табл. 1 і 2 показує, що мікродріт із сплаву NAYNES25 зберігає вищий рівень властивостей під час нагрівання до температури 750 °С на відміну від мікродроту із сплаву ЕІ708А-ВІ, у якого процес зниження властивостей спостерігається вже за температури 600 °С.

Враховуючи, що для більшості сплавів межа міцності та межа пружності знаходяться у прямій залежності від температури, тому тенденція змінювання межі міцності у процесі провокуючих нагрівань є справедливою і для модуля пружності.

Експериментально встановлено переваги мікродроту із сплаву NAYNES25 у процесі нагрівань до робочої температури, як за характеристиками міцності, так і за характеристиками стійкості до окислювання. На підставі результатів експериментів даний дріт було вибрано як матеріал щіткових ущільнень газотурбінних двигунів.