POVLAKY STATOROVÝCH TĚSNĚNÍ COATINGS OF LABYRINTH SEAL Vratislav Polívka a - Luboš Prchlík a - Radek Enžl b a ŠKODA POWER a.s., Tylova 1/57, 316 00 Plzeň, ČR, e-mail: vratislav.polivka@skoda.cz, lubos.prchlik@skoda.cz, b ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Tylova 1/57, 316 00 Plzeň, ČR, e-mail: radek.enzl@skoda.cz ABSTRAKT Ve spolupráci se ŠKODA VÝZKUM s.r.o. byl navržen materiál povlaku na bázi NiCrAl/bentonite, který se žárově nanáší na labyrint ucpávkových kroužků z důvodů zmenšení vůlí mezi statorem a rotorem a tím zmenšení ztrát na ucpávce a zvýšení účinnosti turbíny. Na vzorcích byly vyladěny parametry vlastního nástřiku, jeho metalografie a tvrdost. Následně byl vyroben prototyp jednoho labyrintového kroužku, na kterém bylo ověřeno opracování povlaku a jeho odolnost vůči teplotnímu cyklování. V současné době je uvažováno s nasazením této technologie na aktivní zakázky. ABSTRACT In collaboration with ŠKODA RESEARCH, Ltd, a thermally sprayed NiCrAl-Bentonite abradable coating was applied to labyrinth rings to reduce clearance between rotor and stator. The reduced leakage in the labyrinth seal results in an increased turbine efficiency. For the selected powder, spray parameters were optimized and the coating was characterized including cross-section optical microscopy and in-plane hardness measurement. Subsequently, prototype labyrinth rings were manufactured, machining procedure was verified and its resistance to thermal cycling was tested. This material is being applied on selected newly contracted turbines in ŠKODA POWER. 1. ÚVOD Lepší zatěsnění labyrintových ucpávek přináší zvýšení celkové účinnosti parní turbíny. U vysokotlaké průtočné části lze docílit zvýšení účinnosti v řádu desetin až jednotek procent. Statorové (nadbandážové) těsnění je v parních turbínách designu ŠKODA tvořeno šestidílným labyrintovým kroužkem (kroužek rozřezaný po 60º na 6 stejných segmentů), který je pružně uložen v tělese turbíny proti břitům bandáže oběžných lopatek. Je tak vytvořen labyrint z drážek kroužku ve statoru a břitů na rotoru. Snahou je pro zvýšení účinnosti turbín zmenšovat vůle mezi statorem a rotorem. Nástřik labyrintového kroužku toto umožňuje, protože při případném kontaktu břitu s kroužkem již nebude docházet k jeho deformaci a opotřebení, protože je nástřik volen tak, aby umožnil břitu jeho zaříznutí. Vývoj a vlastní realizace nástřiku byla provedena ve spolupráci se ŠKODA VÝZKUM s.r.o., která má dlouholeté zkušenosti s průmyslovou aplikací žárových nástřiků. V první fázi byl nástřik proveden na plochých a rotačních vzorcích a po konečné volbě materiálu (prášku) a optimalizaci parametrů přímo na labyrintovém kroužku. 1
2. VOLBA MATERIÁLU A PARAMETRŮ PRO NÁSTŘIK 2.1 Zařízení Nástřik vzorků byl prováděn na zařízení GTV 6P-II, což je systém pro žárový nástřik plamenem. Princip zařízení spočívá v hoření kyslíko-acetylenové směsi a do takto vzniklého plamene se za pomoci nosného plynu (dusík, argon, atd.) přivádí nanášený materiál ve formě prášku. Prášek je v plameni nataven a urychlen směrem k povlakované součásti. Po dopadu částice prášku na povrch dojde k jejímu rozprostření a rychlému ztuhnutí. Schéma zařízení je na Obr. 1 a fotografie zařízení na Obr. 2. Hořák byl namontován na příčném traverzéru a veškerá manipulace byla prováděna automaticky, čímž byla zabezpečena opakovatelnost vlastností nástřiku. Obr. 1. Schéma hořáku 6P-II Obr. 2. Hořák 6P-II Fig. 1. Scheme of jet 6P-II Fig. 2. Jet 6P-II 2.2 Přídavné materiály Pro nástřik vzorků byl vybrán materiál Durabrade 2313 a jako mezivrstva byl použit materiál Metco 450NS. Použité prášky jsou popsány v následujícím přehledu: Označení DURABRADE 2313 METCO 450NS Složení NiCrAl/bentonite NiAl Výrobce Westaim Ambeon Sulzer Metco 2.3 Optimalizace parametrů Pro optimalizaci parametrů nástřiku byl vybrán materiál DURABRADE 2313 o tloušťce do 2mm (po opracování tloušťka 1 mm) s mezivrstvou METCO 450NS. Tloušťka mezivrstvy byla 0,1-0,2 mm. Parametry pro nástřik mezivrstvy byly pečlivě voleny a zkoušeny a jsou duševním vlastnictvím ŠKODA VÝZKUM s.r.o.. Optimalizace samotného Durabrade 2313 - NiCrAl/bentonite byla založena na změně průtoků kyslíku a acetylenu. Ostatní parametry zůstaly v průběhu optimalizace konstantní a jsou stejné jako pro METCO 450NS. 2
Typické charakteristiky nástřiku prášku Durabrade 2313: 3. CHARAKTERIZACE NÁSTŘIKU Na nastříkaných vzorcích byla měřena tvrdost HR15Y, a to jednak ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. a dále v Sulzer Metco Canada Inc. (dříve Westaim Ambeon), kde byla navíc na vzorcích určována erozní odolnost povlaků. Výsledky jsou shrnuty v následující tabulce: Tab 1. Výsledky měření tvrdosti a erozní odolnosti HR15Y ŠKODA VÝZKUM HR15Y SULZER METCO CANADA Durabrade 2313 SMC90 Erozní odolnost (g/min) Par #1 31 25 0,91 Par #2 36 31 0,51 Par #3 42 39 0,35 Par #4 43 37 0,38 Table 1. Results of hardness and erosion resistance Podle naměřených hodnot byla jako optimální vybrána sada parametrů Par #3, které byly výrobcem doporučeny jako nejvhodnější pro aplikaci v parních turbínách. Těmito parametry byly nastříkány vzorky pro určení mikrostruktury. 3
Mikrostruktura povlaku je zobrazena na následujících obrázcích: Obr. 3. Řez povlakem, zvětšeno: 50x Fig. 3. Cut of coat, magnification 50x Obr. 4. Řez povlakem, zvětšeno: 100x Fig. 4. Cut of coat, magnification 100x 4. LABYRINTOVÝ KROUŽEK Uvedené výsledky ze zkoušení povlaků byly shrnuty a aplikovány na konkrétní součást parních turbín šestidílný labyrintový kroužek z oceli ČSN 41 7134.6 Obr. 5. Jak již bylo zmíněno byl použit prášek DURABRADE 2313 pro vlastní povlak a prášek METCO 450NS pro mezivrstvu Obr. 6. Obr. 5. Řez labyrintovým kroužkem Obr. 6. Realizace nástřiku ve ŠKODA (jedním typem) bez povlaku VÝZKUM s.r.o. Fig. 5. Cut of labyrinth ring Fig. 6. Execute of coat in ŠKODA (one of type) without coat RESEARCH Ltd. Pro zkoušky opracování a technologii rozřezu byly nejprve nastříkány dva modelové kroužky o vnitřním průměru 230 mm a 350 mm, což je obvyklý min. a max. průměr VT ucpávek parních turbín. Oba kroužky byly nastříkány vcelku, osoustruženy a jeden rozřezán na šest stejných segmentů. Dva segmenty byly poté vystaveny v peci tepelnému cyklování 4
(4 cykly viz Obr. 7 a 8) odpovídajícímu náběhu na teplotu najíždění - VT dílu parní turbíny a chladnutí odstavení - parní turbíny. Povlak obou segmentů nevykázal žádné poškození. Obr. 7. Průběh tepelného cyklování dvou segmentů labyrintového kroužku v peci médium vzduch Fig. 7. Course heat cycling two segments of labyrinth ring in furnace medium air Obr. 8. Jeden segment kroužku po tepelné expozici Fig. 8. One segment of ring after heat exposition Ve finální fázi bylo přistoupeno k nástřiku reálného kroužku, který byl před nástřikem rozřezán na šest segmentů a následně stažen po obvodě stahovacím kruhem. Po nástřiku byl vcelku opracován a ručně po sundání stahovacího kruhu rozdělen na jednotlivé segmenty. Tato metoda měla zaručit rozměrovou přesnost kroužku týkající se jeho průměru (nemusí se uvažovat přídavky na prořez). Bohužel došlo v dělících rovinách k porušení odštípání povlaku, a proto bylo rozhodnuto, že pro aktivní zakázku se bude volit nástřik na kroužcích 5
nedělených a přídavek na opracování se zahrne do rozměru polotovaru plus pro sadu kroužků bude nastříkán jeden navíc, který případné rozměrové nepřesnosti v segmentech doplní. Na základě výsledků byla vytvořena Technická instrukce společnosti ŠKODA POWER pro tento typ žárového nástřiku. Jakost povrchu pod nástřik musí být po standardním obrábění na soustruhu tzn. mezi Ra = 3,2 µm a Ra = 12,5 µm (povrch se před vlastním nástřikem odmašťuje a otryskává korundem ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o.). Po nanesení se vrstva obrábí soustružením na funkční tloušťku 1 mm na plochu (s tolerancí danou ve výrobních podkladech) W-karbidovým jednobodovým nástrojem pro neželezné kovy s následujícími parametry: rychlost obrábění při hrubování rychlost obrábění pro konečné opracování posuv hloubka záběru při hrubování hloubka záběru pro konečné opracování 0,56 m/s 0,71 m/s 0,08 mm/ot. 0,15 mm 0,076 mm Nástřik má po opracování drsnost cca Ra = 25 µm a zůstává pouze na plochách rovnoběžných s osou rotace kroužku. Na svědečných vzorcích se měří hodnota tvrdosti, která musí odpovídat hodnotě: HR15Y = 40±5 5. SHRNUTÍ Podařilo se v poměrně krátké době promítnout výzkum a vývoj abradable povlaku až do praxe k aktivní aplikaci na zakázce, která se v těchto dnech právě realizuje. Díky spolupráci se ŠKODA VÝZKUM s.r.o. byla provedena aplikace abradable povlaku DURABRADE 2313 s mezivrstvou METCO 450NS. Byla zvolena optimální tvrdost povlaku a jeho tloušťka s ohledem na použití v parní turbíně. Zároveň se úspěšně vyzkoušela jeho teplotní odolnost a obrobitelnost. Na reálných labyrintových kroužcích se vyzkoušel technologický postup přípravy povrchu kroužku pod nástřik a dvě varianty nástřiku na dělený kroužek a kroužek z jednoho kusu. Životnost povlaku bude ověřena dlouhodobým provozem. I případné porušení a odloupnutí nemůže v parní turbíně způsobit havárii, protože díky vlastnostem a struktuře povlaku dojde k jeho úplnému rozmělnění bez vlivu na ostatní díly turbíny. Kroužek je koncipován tak, že i při úplné ztrátě povlaku bude dále plnit svoji funkci, pouze se zvětší vůle mezi statorem a rotorem a tím dojde k určité ztrátě účinnosti. 6. LITERATURA HAJMRLE, K. New Abradable Seals for Industrial Gas Turbines in Thermal Spray 2003. Advancing the Science and Applying the Technology, ASM International, Ohio, 735-740. 6