CN103890320A - 高温密封系统 - Google Patents

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T.L.斯蒂恩
E.J.鲁吉罗
B.科拉蒂伊尔
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Abstract

一种用于氧化环境中的流体动压密封系统包括转子和密封定子。定子包括固体润滑剂或表面处理并且转子被硬化，或者定子被硬化并且转子包括固体润滑剂或表面处理。定子靠近转子定位以提供密封。定子和转子在高于700华氏度(F)的极端温度下是稳固的，使得定子和转子中的至少一个具有足以维持在定子与转子之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。

Description

高温密封系统
政府权利声明
依据由(AFRL–WPAFB)授予的FA8650-09-D-2922 0002，在美国政府的支持下做出本发明。美国政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本公开大体而言涉及用于极端温度环境中的材料和应用。
背景技术
存在许多高温环境，其中采用基于碳的元素的元件不能持续操作。典型的基于碳的元素在大约和高于700华氏度(F)下遭遇某些严重降解。
更具体而言，滑动部件，诸如包括具有所需部件的活塞和转子装置的线性或往复式应用，越来越多地需要在极端环境中操作。
在一个示例中，流体动压(hydrodynamics)面密封和流体动压周向密封为最小化润滑油泄漏的密封技术。流体动压密封提供一种有吸引力的解决方案，因为它们主要以非接触方式操作，因此增加了密封寿命和在紧凑轴向空间中的可靠性，同时维持严格的密封公差。流体动压面密封以及流体动压周向密封依靠在旋转密封表面与静态密封表面之间压力分布的发展而生成尽可能小的操作间隙。必须在旋转密封表面和静态密封表面上维持良好的表面光洁度以便保持所需的压力分布。尽管流体动压密封在大部分操作中是非接触的，但它们在转子的启动和停止期间经受滑动接触。为了在整个接触操作期间最小化磨损和热裂，并且因此维持高效的流体动压密封，密封部件通常由表现出优良的摩擦和磨损特征的材料制成。
通常由碳制成的传统流体动压密封件并不适合于在诸如超过700华氏度(F)的温度下操作，因为在这样的温度下发生严重的降解氧化。这样的严重降解氧化条件的一个示例在高马赫涡轮航空发动机的燃气涡轮油盘(sump)中出现。一旦密封件损坏，整个油盘便可能出现故障。
在另一应用中，具有以线性方式操作的活塞的发动机采用环和密封件，其具有如本文所指出的相同问题。
因此，需要一种用于操作的系统和方法，其允许增加温度操作同时维持完整性和性能。
发明内容
在一个方面，本系统提供一种用于氧化环境中的密封系统，其包括转子和密封定子。定子包括固体润滑剂或表面处理，而转子被硬化，或者定子被硬化，而转子包括固体润滑剂或表面处理。定子靠近转子定位以提供密封。定子和转子在高于700华氏度(F)的极端温度下是稳固的(robust)，使得定子和转子中的至少一个具有足以维持在定子与转子之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。
在一个方面，本发明提供一种用于氧化环境中的滑动系统，该滑动系统包括滑动部和密封部。密封部包括固体润滑剂或表面处理，而滑动部被硬化，或者滑动部包括固体润滑剂或表面处理，而密封部被硬化。密封部靠近滑动部定位以提供密封。密封部和滑动部在高于700华氏度(F)的温度下是稳固的，使得密封部和滑动部中的至少一个具有足以维持在密封部与滑动部之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。
附图说明
当参看附图来阅读下文的详细描述时，本系统的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中：
图1为根据本系统的实施例的流体动压密封系统的侧视截面图；
图2为图1的系统的一部分的放大视图；
图3为根据一实施例的流体动压面密封的操作的示意图；
图4描绘了盘在环上(disc-on-ring)的试验设备；
图5为列出了根据图4的设备用于试验的定子和转子中所用的材料的表；
图6为用于图5的转子和定子的试验前和试验后表面粗糙度的图表；
图7为用于图5的转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表；
图8为图5的材料在试验期间的平均扭矩的图表；
图9列出了根据图4的设备和图5的材料用于试验的列表数据；
图10为在阶段II试验中试验的定子和转子的表；
图11为图10的转子和定子的试验前和试验后表面粗糙度的图表；
图12为图10的转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表；
图13为图10的定子和转子在试验期间的平均扭矩的图表；
图14为图10的定子和转子的试验结果的表；
图15为根据本系统的实施例的活塞和气缸的顶视图；以及
图16为图15的系统的侧视截面图。
具体实施方式
根据本发明的原理，提供用于在极端条件下操作的系统和方法。一个示例为涂层或母体材料，其允许在极端环境下操作，特别是用于滑动元件。
在一个示例中，密封系统在高温环境中提供紧密的密封并且以低磨损和表面粗糙度维持小间隙。
在图1所描绘的示例性实施例中，流体动压密封系统10包括被涂布硬涂层的转子20和由固体润滑剂(例如，渗硼因康镍合金718)组成的密封件30，该固体润滑剂在超过700华氏度的温度下是稳固的。在一个示例中，温度范围高达约1200华氏度(F)。“稳固”在本文中被定义为具有足以维持在定子与转子之间约0.0002英寸的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。
流体动压面密封件(在诸如油气行业的行业中被称作干气密封件)由旋转环和固定环组成，旋转环被称作座或转子(例如转子20)，固定环被称作面或定子(例如密封件30)。在一个实例中，每个面密封件的表面光洁度为大约0.1μm。在另一示例中，转子的几何形状包括径向凹槽200，该径向凹槽200从密封面的中心延伸到外径，如图3中所描绘。这些凹槽的目的是为了在旋转时切入操作流体内(通常为气态烃或干氮气)，且因此朝向凹槽的径向内部210积蓄流体动压力以便分开两个密封面。在操作中时，流体动压密封部可分开(例如，由操作间隙)，并且在分开时，座(例如转子20)骑行在面(例如密封件30)上方的气垫上，如图3中所描绘。如上文所指示，在特定转子的启动和停止期间，密封部可彼此接触。根据一个示例，座的凹槽为约6μm深，并且面-座间隙为约3μm。
系统10为先进的流体动压密封，该流体动压密封在极端温度例如大于700华氏度(F)且在一个示例中高达约1200华氏度(F)下在氧化环境中是稳固的。这种密封系统可用于高马赫涡轮航空发动机的油盘(例如油盘40)中，例如在图1至图2中所描绘的。油盘40可包括轴承50、密封抛油环60、密封回绕螺纹(windback thread)70和密封外壳80。还描绘了固定密封件90和旋转迷宫密封件100。操作间隙110存在于密封件30与转子20之间。密封件30可包括表面处理，诸如渗硼因康镍合金718，其在超过1000华氏度(F)和高达至少1200华氏度(F)的温度下是稳固的。流体动压密封的合适操作需要密封表面，该密封表面在整个操作中维持低表面粗糙度。硬转子涂层(例如，具有HRC 70或更高的洛氏硬度值)和包括适当表面处理(例如，渗硼因康镍合金718)的密封部件的组合导致低摩擦系数、低磨损率且能在整个操作期间保持可接受的表面光洁度。在另一示例中，转子可包括所描述的表面处理的材料，而密封部件可以具有硬涂层或者可以以其它方式硬化，使得其具有HRC 70或更高的洛氏硬度值。
如本文所描述，通常由碳制成的传统流体动压密封件不适合在超过700华氏度(F)的温度下操作，因为出现导致密封件的灾难性故障的严重降解氧化。由在高温下稳固的固体润滑剂而不是碳制成流体动压密封件允许操作温度达到至少1200华氏度(F)。
在一个示例中，高马赫涡轮航空发动机的前、中和后油盘在接近马赫3的冲压式喷气发动机的过渡阶段时达到1000华氏度(F)至约1200华氏度(F)的极端温度。这种极端温度远超流体动压密封件制造商的当前设计经验。如所描述的那样，由碳制成的当前密封件在超过700F的温度下经受加速氧化。
研究用来在1200华氏度(F)下操作的油盘密封件用的各种基片和涂层(例如，用于高马赫涡轮航空发动机的油盘)。将用于此环境中的流体动压学密封件的参数包括(例如)：1200华氏度(F)下的耐磨性、滑动界面处的低摩擦系数和低发热性。如本文所描述，在传统碳密封件中，严重的降解氧化通常在超过700华氏度(F)的温度下出现。希望用于此类密封件中的材料在至少700华氏度(F)、1000华氏度(F)和1200华氏度(F)的范围正常使用，以提供低泄漏且对油环境不敏感。模拟的试验基于操作状况预测稳态泄漏(性能)，预测热变形和对性能的影响，并且表征表面粗糙度对性能的影响。
在滑动磨损试验台上进行高温材料试验，如在图4中所描绘，滑动磨损试验台包括转子盘130和定子环140，在转子盘130与定子环140之间具有间隙150。滑动磨损试验台被设计用于环在盘上的试验，其中转子是旋转的而定子(密封件)是固定的。这种试验模仿在高温(例如高达1200F)环境，诸如在高马赫涡轮航空发动机中的油盘密封件，在发动机启动和停止期间例如在发生流体动压升力之前或之后发生的实际条件(例如，温度和速度)。
在一个示例中，密封件(试验设置的静态定子)由在图5中列出的材料组成。为了模仿在传统流体动压和碳密封件中使用的材料组合，相对于M-15人工石墨，试验WC-Co涂布的因康镍合金718盘。为了实现1200华氏度(F)操作温度，CrC-NiCr转子涂层(在高达1650华氏度(F)抗氧化)替换目前使用的WC-Co涂层(在高达1000华氏度(F)抗氧化)。图5总结了在任务3和任务4中试验的材料。
试验分成两个阶段(阶段1和阶段2)。第一试验阶段用来识别潜在的密封材料候选物。阶段2试验在部件的整个操作范围中的多个等温线(isotherm)下执行。阶段1试验以线性速度275ft/s(在试验样品的外径处)运行。滑动界面处的温度为1000华氏度(F)。在整个试验中，接触压力保持在3.5psi，这是传统密封件供货商规定的典型接触压力。第二试验阶段以275ft/s在72华氏度(F)、400华氏度(F)、600华氏度(F)、800华氏度(F)、1000华氏度(F)和1200华氏度(F)的等温线下进行。
在识别成功的材料候选物时评估的特征为：1)低摩擦系数；2)良好的耐磨性(由表面粗糙度降级和磨屑类型量化)；以及3)在滑动界面处的低发热性。这些特征将组合以在指示的温度下在转子与定子之间产生适当操作间隙(例如，0.0002英寸)持续该密封件的寿命。因此，用以比较材料性能的具体试验度量为：1)摩擦系数数据；2)轮廓测定法，用来评估由磨损和氧化造成的表面光洁度降级；3)滑动界面处的温度水平；以及4)质量损失(用来评估磨损)。
在阶段1条件下，即在1000华氏度(F)的腔室温度、275ft/s的最大表面速度、3.5psi的磨损表面处负荷和1小时的试验持续时间下，对若干材料进行试验。图6为转子和定子的试验1至试验10的试验前和试验后表面粗糙度(以微英寸Ra计)的图表。图7为转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表，并且图8为这些试验中每一个期间的平均扭矩的图表。图9列出了试验的列表数据。
试验1为M-45人工石墨定子与WC-Co转子(现有技术材料组合的当前状态)的基线试验。虽然这种材料组合的性能在1小时磨损试验中是优良的，但人工石墨定子材料快速氧化且不适于在所希望的温度下长期操作。
试验2的材料组合在这种操作条件下不能持续正常工作。选定的SiC材料提供优良的磨损特征；然而，它并不提供低摩擦系数且定子的温度快速升高。在2分钟后，热冲击造成脆性的SiC定子碎裂为多个碎片。
ESK Ekastic T氮化硅和CrCNiCr涂层转子的试验3材料组合利用非基线材料组合提供最佳的试验结果。试验3的扭矩(摩擦)水平非常类似试验1的水平，并且试验3的重量减轻值比试验1的值更佳。利用这种材料组合得到的阶段1结果是最有前景的，并且其被选择为在阶段2操作条件下试验。
试验4和试验5的定子材料部分地由六方氮化硼组成。这种材料具有低摩擦系数(例如在高于1000华氏度(F)下小于0.2)，石墨的摩擦系数在高于这个温度下显著增加(例如，超过0.8)。尽管这些材料有具前景的高温摩擦数据，但试验4和试验5材料组合在阶段1试验条件下表现不佳。这些材料并未选择用于阶段2试验。
Tribaloy T-800涂层和CrC-NiCr涂层转子的试验6材料组合在表面粗糙度和重量减轻方面提供不太成功的结果。试验6的扭矩(摩擦)水平高于所试验的任务4涂层之外并且没有被选择用于阶段2试验。
渗硼因康镍合金和CrC-NiCr涂层转子的试验7材料组合在表面粗糙度方面提供不太成功的结果，考虑到定子粗糙度的增加比所希望的更多。尽管这样，试验7的扭矩(摩擦)水平低于试验1(碳石墨)的基线扭矩。由这种材料组合导致的这种低扭矩水平是很有前景的，并且其被选择用于阶段2试验。
Alcrona涂层定子和CrC-NiCr涂层转子的试验8材料组合在表面粗糙度、重量减轻和扭矩方面提供不太成功的结果。这种材料组合并未选择用于阶段2试验。
NASA PS304涂层定子和CrC-NiCr涂层转子的试验9材料组合在表面粗糙度方面提供优良的结果但在重量减轻方面提供不太好的结果。试验9的扭矩(摩擦)水平低于试验1(碳石墨)的基线扭矩。这种材料组合的该低扭矩水平和低粗糙度变化被选择用于阶段2试验。
TiAl合金涂层定子和CrC-NiCr涂层转子的试验10材料组合在表面粗糙度、重量减轻和扭矩方面提供不太成功的结果。这种材料组合并未选择用于阶段2试验。
在图10中展现的材料组合在阶段2条件下试验，即，腔室温度变化至高达1200华氏度(F)、275ft/s的最大表面速度、3.5psi的磨损表面处负荷和1小时的试验持续时间。图11为转子和定子的试验前和试验后表面粗糙度的图表，图12为转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表，并且图13为在这些试验中每一个期间平均扭矩的图表。图14表示关于试验11、12、13和11a的列表数据。
渗硼因康镍合金定子和CrC-NiCr涂层转子的试验11材料组合能够在阶段2的整个试验矩阵中持续正常工作。样本所经历的表面粗糙度和重量变化类似于在阶段1期间所测量的。在1000华氏度(F)等温线下测量的平均扭矩为0.57in-lb，其远高于在阶段1试验中在此相同等温线下测量的平均扭矩(0.13-in-lb)。这种偏离可归因于试验台在其重建后的变化。
在试验12和试验13中试验的材料组合并未通过超过72华氏度(F)等温线的试验。由于在试验台轴中过多跑出(excessive run out)，两个试验都停止。为了确保这些失败是由于材料性能而不是由于试验台重建造成，作为试验11A，对试验11材料组合重新试验。自11A收集的数据与来自试验11的数据相比非常接近。这种一致性确认了试验台并未造成试验12和试验13失败。
基于阶段2试验结果，渗硼因康镍合金718和CrC-NiCr涂布的因康镍合金718分别适于定子或密封件(例如密封件30)和转子(例如，转子20)。特别地，在试验11A中，平均扭矩低于其它材料，而渗硼因康镍合金718的粗糙度增加是图14中列出的其它定子中最少的。因此，如上文所讨论使用的这些材料提供高温兼容性、良好的磨损特征(逐渐而不是灾难性的)并且能维持良好的表面光洁度。用于定子的其它适当材料包括六方氮化硼和NASA PS304涂布的因康镍合金718。由于试验定子的较小几何形状，在阶段2试验中的NASA PS304涂层的品质不太好，这被认为造成阶段2试验中重量减轻的不太好的结果。来自阶段1的数据表明这种材料适合用作定子(例如，密封件30)。基于可得到的高温摩擦系数数据，六方氮化硼似乎也是用于高温应用中的密封件(例如，密封件30)的碳石墨的合适替代物。例如，密封件或定子可以完全由嵌有固体润滑剂(诸如六方氮化硼)的粘结剂制成。包括于流体动压密封件定子中的材料应允许在高达1200华氏度(F)的操作温度(例如，上文所描述的高温航空发动机)下维持适当操作间隙(例如，高达0.0002in)。另外，在每种特定情形下，转子和定子的材料选择可以相反，使得定子材料用于转子而转子的材料可用于定子。
在图15和图16中所描绘的另一示例中，滑动元件100(例如，发动机的活塞)可以相对于密封部110(例如，发动机的内缸壁)移动，滑动元件100与密封部110由间隙120分开。如上文关于系统10所描述，这些元件可以用于极端温度环境中，使得滑动元件和/或密封元件可以由上文所描述的材料形成，并且可以具有足以维持在滑动元件与密封元件之间大约0.0002英寸的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。例如，滑动元件可以由CrC-NiCr形成或者可以被涂布CrC-NiCr，而密封元件可以包括例如渗硼因康镍合金718、六方氮化硼或NASA PS304涂布的因康镍合金718。替代地，密封元件与滑动元件的这些材料选择可以相反。
本领域技术人员将了解，被描述为适用于经受极端环境诸如超过700华氏度(F)、约1000华氏度(F)、约1200华氏度(F)和高于1200华氏度(F)的温度的滑动界面(诸如线性或旋转)的材料具有低泄漏、对油环境的不敏感、以及滑动界面处的低耐磨性、低摩擦系数和低发热性。
应了解上文的描述旨在为说明性的而不是限制性的。举例而言，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。此外，可做出许多修改以在不偏离本发明的范围的情况下使特定情形或材料适应各种实施例的教导。虽然本文所描述材料的尺寸和类型旨在限定各种实施例的参数，但它们绝非限制性的，而只是示例性的。通过阅读上文的描述，许多其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应参考所附权利要求以及所附权利要求授权的等效物的整个范围来确定各个实施例的范围。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作相应词语“包含”和“其中”的简明语言等效物。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，且并非旨在对其目的物施加任何数值要求。另外，所附权利要求的限制并未以装置加功能格式书写且并非旨在基于35 U.S.C.§ 112第六段来理解，除非且直到这样的权利要求限制明确地使用后面为功能陈述而非另一结构的“……装置”。当然应了解，根据任何特定实施例未必可实现上文所述的所有这些目的或优点。因此例如，本领域技术人员将认识到，本文所描述的系统和技术可被实施和实行使得实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点而未必实现如本文所教导或建议的其它目的或优点。
虽然仅关于有限的实施例描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于此类公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意数量的变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，但应了解，本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么此类其它示例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (29)

1. 一种用于氧化环境中的密封系统，所述系统包括：
转子和密封定子；
下列情况之一：所述定子包括固体润滑剂或表面处理，而所述转子被硬化；和，所述转子包括所述固体润滑剂或所述表面处理，而所述定子被硬化；以及
所述定子靠近所述转子定位以提供密封，所述转子和所述定子在高于700华氏度的温度下是稳固的，使得所述定子和所述转子中的至少一个具有足以维持在所述定子与所述转子之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。
2. 该密封系统，其中所述操作间隙为约0.0002英寸。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子由CrC-NiCr涂布的因康镍合金718组成。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子包括渗硼因康镍合金718。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子包括热压的六方氮化硼。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子包括NASA PS304涂布的因康镍合金718。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子和所述定子包括高温流体动压升力密封件。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子和所述定子包括用于航空发动机的油盘密封件。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子在高达约1200华氏度的温度下经受约3.5psi的负荷约一小时时的粗糙度小于12微英寸Ra。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子包括小于约2.0微英寸Ra的表面粗糙度。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子在高达约1200华氏度的温度下是稳固的。
12. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子在高达约1000华氏度的温度下是稳固的。
13. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子在超过1200华氏度的温度下是稳固的。
14. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子包括具有至少HRC 70硬度的硬涂层。
15. 一种用于氧化环境中的密封系统，所述系统包括：
滑动部和密封部；
下列情况之一：所述密封部包括固体润滑剂或表面处理，而所述滑动部被硬化；和，所述滑动部包括所述固体润滑剂或所述表面处理，而所述密封部被硬化；以及
所述密封部靠近所述滑动部定位以提供密封，所述密封部和所述滑动部在高于700华氏度的温度下是稳固的，使得所述密封部和所述滑动部中的至少一个具有足以维持在所述密封部与所述滑动部之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。
16. 该密封系统，其中所述操作间隙为约0.0002英寸。
17. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述滑动部由CrC-NiCr涂布的因康镍合金718组成。
18. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部包括渗硼因康镍合金718。
19. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部包括热压的六方氮化硼。
20. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部包括NASA PS304涂布的因康镍合金718。
21. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述滑动部和所述密封部包括高温流体动压升力密封件。
22. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述滑动部和所述密封部包括用于航空发动机的油盘密封件。
23. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部在高达约1200华氏度的温度下经受约3.5psi的负荷约一小时时的粗糙度小于12微英寸Ra。
24. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部包括小于约2.0微英寸Ra的表面粗糙度。
25. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部在高达约1200华氏度的温度下是稳固的。
26. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部在高达约1000华氏度的温度下是稳固的。
27. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述密封部在超过1200华氏度的温度下是稳固的。
28. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述滑动部包括具有至少HRC 70硬度的硬涂层。
29. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述滑动部和密封部在整个操作期间保持彼此接触。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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