Авторы: В. В. Иванов, С. В. Тагильцев – АО «РОТЕК»

Разнообразие технологий изготовления сотовых структур как неотъемлемого элемента конструкции существующих и разрабатываемых авиационных двигателей, газовых и паровых энергетических турбин требует выявления их основных преимуществ и недостатков.

Сотовые уплотнения являются одним из наиболее эффективных методов совершенствования аэродинамики проточной части турбины, повышающим экономичность за счет снижения утечки рабочего тела в периферийном зазоре над рабочими лопатками. Надежность работы возрастает при исключении повреждения профильной части лопаток в случае задевания их вершинами сотовых поверхностей [1]. Это связано с тем, что металлический контакт рабочих лопаток с сотовой поверхностью до 10 раз меньше по сравнению с обычным гладким уплотнением [2]. При этом доказано на практике, что внедрение сотовых уплотнений в паровых турбинах дает прирост мощности до 0,7 МВт с ожидаемым экономическим эффектом в 130 млн рублей в период эксплуатации, повышает КПД до 3 % с соответствующим экономическим эффектом. Такого экономического эффекта удалось добиться на паровой турбине К500-65/1500 Нововоронежской АЭС [3].

Одним из наиболее производительных методов изготовления сотовой структуры является склеивание листов с их резкой в ленты с последующим растяжением. Схематично технологический процесс изготовления клееной сотовой структуры представлен в табл. 1[4].

Преимуществами данной технологии изготовления являются высокая производительность, возможность изготовления сотовой структуры толщиной 0,03 мм.

Как правило, для получения конструкционных панелей сотовую структуру приклеивают к подложке. Отсюда недостатки: низкая технологичность при пайке клееных конструкций, низкая стойкость к высоким температурам (более 600 °С) и нестабильность положения ячеек соты.

В машиностроении встречается технология изготовления сотовой структуры, в которой на заранее формованные по всей длине в виде периодической последовательности форм изгибов сотовые ленты наносится клеевая композиция (табл. 2) [5].

Недостатком данной технологии изготовления является низкая температурная стойкость.

Существует традиционная технология изготовления сотовый структуры с помощью гибки [6]. Такая сотовая структура нашла применение в газовых турбинах советского, а потом и российского производства (табл. 3).

Преимуществом такой технологии изготовления является: облегченный монтаж сотовой структуры в отверстия изделий малых диаметров, так как ячейки соты могут легко изгибаться, компенсируя деформации от скручивания сотоленты в кольцо.

Недостатки данной технологии:

• низкая технологичность при монтаже на подложку;
• сотовые ленты расходятся при давлении электродом конденсаторной машины;
• сотовая структура производится лентами ограниченной ширины;
• при наборе в пакет необходимо стыковать несколько лент, что повышает трудоемкость сборки;
• непропаи при контакте с подложкой и излишний припой;
• ограниченный набор типоразмеров (для каждого отдельного типоразмера требуется отдельная машина);
• невозможно проводить предварительную эрозионную или механическую обработку, т. к. будут нарушены связи между сотовыми лентами;
• невозможно изготавливать соты из классических теплостойких сплавов типа ХН60ВТ (при штамповке игибке материал разрушается).

В литературе описан способ формирования сотовой поверхности с помощью нетрадиционной электроэрозионной обработки. Прошивка отверстий малого диаметра производится на специальных прошивочных станках с использованием релаксационных генераторов малой мощности, имеющих широкий предел регулирования длительности импульса и интервала между ними, а также сравнительно высокое рабочее напряжение. Обработка производится в автоматическом режиме, что облегчает труд оператора, повышает его производительность и улучшает качество выполнения операции. Схема изготовления сотовой структуры электроэрозионной обработкой представлена в табл. 4.

Преимуществом данной технологии изготовления является возможность оперативного изготовления штучных деталей.

Недостатки: низкая производительность обработки, низкий коэффициент использования металла, высокая себестоимость и трудоемкость изготовления.

Получение тонкостенной сотовой структуры аддитивным методом, в частности сплавлением или спеканием порошковых материалов, является перспективным направлением для получения изделий сложной формы ответственного назначения, работающих в условиях интенсивных нагрузок [7].

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал и удаляет излишки, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 мкм. Такая технология эффективна при прототипировании или штучном производстве изделий (ремонт нескольких поврежденных компонентов в узле).

Рис. 1. Сварное сотовое уплотнение сложной формы

Рис. 2. Сварное сотовое уплотнение в виде кольца с комбинированной фаской

Недостатками ее являются высокая себестоимость, низкая шероховатость стенок, что вносит искажения в расчетную модель работы уплотнения, низкая производительность процесса.

Сварная сотовая структура, произведенная на основе универсального сотового материала, представляет собой совокупность гофрированных лент или полос одинаковой ширины, изогнутых или формованных по всей длине в виде периодической последовательности форм изгибов, регулярно, во многих местах, соединенных между собой при помощи разъемного или неразъемного соединения. В результате получаем сотовую структуру, соединенную при помощи лазерной, контактной или контактно-конденсаторной сварки, пайки, или объединением указанных методов [8].

Использование сварной сотовой структуры в турбомашинах позволяет получить следующее преимущество. В процессе обкатки и работы турбомашины излишек материала сварного сотового уплотнения удаляется при движении или вращении частей турбомашины. В результате этого зазор между неподвижной и движущейся или вращающейся частью обеспечивается на минимально возможном уровне без повреждения частей, за счет чего вырастает КПД и мощность турбомашины, так как уменьшаются утечки или перетечки рабочего тела в зазор между неподвижными и движущимися или вращающимися частями. Технология изготовления сварной сотовой структуры представлена в табл. 5.

За счет использования сварного сотового уплотнения возможно проводить предварительную эрозионную или механическую обработку сотоленты. Данное преимущество позволяет получать сотовую структуру различной формы (рис. 2, 3).

Рис. 3. Сварное сотовое уплотнение АО АО «РОТЕК»

По сравнению со всеми способами, известными авторам данной статьи, технология изготовления сварной сотовой структуры позволяет достичь максимальной простоты конструкции, низкой стоимости, малого времени и высокой технологичности получения уплотнения. Также стоит отметить высокую универсальность предложенного способа и независимость от материалов, используемых для создания уплотнения. В качестве материала для изготовления сварной сотовой структуры применяются сплавы:

• ВЖ98 (ХН60ВТ, ЭИ868);
• ХН65МВ, ХН78Т (ЭИ-435);
• AMS 5850 – Honeycomb Specification;
• AMS 5536 – Hastelloy-X;
• AMS 5878 – Haynes 230, 214;
• AMS 5513 – StainlessSteelGr. 304;
• AMS 5524– StainlessSteelGr. 316;
• AMS 5507 – Stainless Steel Gr. 316L;
• AMS 5510– StainlessSteelGr. 321.

Допускается изготовление сотового уплотнения из других сплавов. При этом регламентированная длина сотоленты от 20 мм до 10 000 мм. Кратность шага n рассчитывается по формуле n = 0,5d+s, где d – диаметр вписанной окружности в ячейку (d = 0,9 мм, 1,5 мм, 3,2 мм, 4,5 мм) s – толщина стенки сырья (s = 0,05 мм, 0,1 мм, 0,2 мм). Ширина сотоленты может быть от 4 мм до 250 мм. Высота сотоленты допускается от 3,80 мм до 25,00 мм с шагом 0,1 мм и в случае необходимости обеспечивается механической или электроэрозионной обработкой.

Рис. 4. Геометрические параметры сотового уплотнения

Из недостатков данной технологии можно отметить низкую технологичность при изготовлении колец диаметром менее 60 мм.

Данная технология была успешно освоена специалистами АО «РОТЕК», занимающимся производством и сервисом паровых турбин, производством компонентов газовых турбин и турбокомпрессоров. Производственная площадка АО «РОТЕК» оснащена современным оборудованием, позволяющим обеспечить полный цикл изготовления сварной сотовой структуры.

Литература
1. Речкоблит А. Я. Эффективность применения сотовых уплотнений радиального зазора в газовых турбинах [Текст]/ А. Я. Речкоблит. // Труды ЦИАМ № 479, 1970. – 14 с.
2. Речкоблит А. Я. Исследование влияния размеров сотовых ячеек на эффективность уплотнительных устройств с различными вращающимися элементами[Текст]/ А. Я. Речкоблит.//Труды ЦИАМ №1156, 1985. – 11 с.
3. Крылов П. В., Перевезенцев С. В., Перевезенцев В. Т, Шилин М. А. Унифицированные сотовые уплотнения в газотурбинных двигателях.// Газовая промышленность. – 2018. – № 12 (778). – С. 52–57.
4.Технология изготовления сотовых авиационных конструкций. – М.:Машиностроение, 1975. – С. 138–174.
5. Кардашов Д. А. Синтетические клеи. – М.: Химия, 1976.
6. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. Под ред. А. Г. Братухина, Г. К. Язова, Б. Е. Карасева. – М.: Машиностроение, 1997. – С. 282–283.
7. Патент РФ № 2457066
8. Заявка на патент СУ 170619
9. Патент РФ № 2126875

Источник: Газотурбинные Технологии