CN1043773A - 燃气透平的可磨掉初始密封涂层 - Google Patents

Abstract

借助于在运动的密封部件上施加一个涂层，使得在初始相互作用时，可磨掉的密封部件之间的不利相互作用尽量减少。该涂层与所述可磨掉材料之间无反应活性，并在密封初始操作时提供润滑作用。

Description

本发明涉及燃气透平的可磨掉密封，其目的是减少在可磨掉密封体系中的有害的初始相互作用。

燃气透平是广泛应用的动力源，特别是广用于飞机工业。这种发动机中包括压缩机段，将空气压缩至中等压力和中等温度条件;还包括燃烧段，使燃料与压缩空气化合;最后是透平段，在此从燃烧产物得取有用功。由透平段向压缩机送回动力，同时还可向外部负载输送动力。在常规式燃气透平中，还由透平段向一个风扇段提供动力，由风扇段提供附加的推力。

借助于保证空气只在需要的部位流过，并尽量减少漏泄例如轮叶尖和末端周围的漏泄，即可提高发动机的效率。因为平的部件随温度而胀缩并且间隙随着负载条件而变化，所述密封任务是很困难的。目前广泛应用的是可磨掉式密封。一种可磨掉密封是由脆性易碎的材料组成，通常是使用粘结不牢的颗粒状复合材料，从理论上讲，它们在与运动中的轮叶尖或末端相互作用而破裂时是清洁地脱掉，而不是流动或涂抹。该种可磨掉密封体系包括一种可磨掉结构（通常为固定状态）并与一个运动部件相组合，它与该可磨掉材料相互作用，从而在其中切出一道沟槽。在正常操作时，这个运动部件就在该沟槽中运行，于是达到良好的密封效果。

寻找适于在高温操作的适当可磨掉和磨蚀性材料的组合是一项迫切任务，尤其在要求合理造价的条件下。

USP3413136、3879831、3844011、3147087描述了典型的可磨掉密封体系，这些体系是设计用于与多种运动部件相互作用。加上磨蚀性材料的目的是保证在可磨掉部件上发生磨损，而不是在运动中使轮叶尖或刀刃密封上发生磨损。迄今尚未找到可磨掉和磨蚀性材料的最优组合。当可磨掉和磨蚀性材料的相互作用不适当时仍存在相当大问题，即发生涂抹或韧性结果，使磨蚀表面上发生粘附和积聚沉积物。这类现象一开始，就会继续下去，因为在磨蚀表面上的沉积物能被该可磨掉密封成分所润湿，并且对该可磨掉密封成分有吸引力。密封材料对转动部件有任何润湿作用，其结果都是不良效应-甚致达到影响其平衡而使机件振动，最终发生疲劳开裂。

本发明的目的是提供一种可磨掉和磨蚀性材料体系以及一种暂时中间涂层，该涂层能产生最少的相互作用，同时从密封材料向转动件的物质传递最少，尤其在该磨蚀性表面与该可磨掉密封初始接触时传递最少。

前已指出，大部分磨蚀性-可磨掉材料的相互作用是发生在透平操作的最初若干秒钟或分钟。就在这个短的最初期间，磨下来大量的可磨掉材料，并且就在这个期间的磨蚀性与可磨掉材料的相互作用决定了其后透平操作和密封性的好坏。

按本发明，可以在透平初始操作之前在运动部件的表面加上一层暂时性涂层而使该磨蚀性表面性质大大改变，然后使之与常规式可磨掉密封材料相互作用。

按先有技术的一种方式，是将磨蚀性材料用等离子体喷涂法涂在轮叶尖和刀刃密封上。这种材料是由耐氧化和耐腐蚀基质及磨蚀性材料所组成，所述磨蚀性材料是选自碳化物、氮化物、氧化物。所述磨蚀性材料将与常规型可磨掉密封材料（如USP3413136、3879831、3844011、3417087所述）相互作用。按照以往采用此技术的经验，由于发生不利的相互作用，这样的组合不是完全合要求的。

按照本发明，通过在该磨蚀性表面上沉积一层胶态陶瓷材料悬浮物（在高温相互作用时，该陶瓷材料不被该可磨掉材料所润湿，从而使可磨掉材料向转动部件的传递和粘附减至最少）从而使前述不利的相互作用大大减轻。典型的材料包括Al₂O₃、MgO、ZrO₂、Si₃N₄、BN。这些材料的相反作用大大减少透平操作最初片刻的相互作用。若是在透平初始操作时可以避免不利的相互作用，则本来是不合格的可磨掉密封体系，而在透平正常使用时对相互作用要求大大减低的情况下，可以成为合乎要求。

相互作用的减轻很明显是由于减少摩擦热量（这些细微颗粒提供一些润滑作用）以及该等材料的不润湿特性。

由下面的叙述和附图将可明了本发明的前述及其他特征和优点。

附图为燃气透平的部分剖面图，用以表示典型的密封结构。

本发明的最佳实施方案

本发明涉及应用于燃气透平发动机更具体讲是轴流型燃气透平的密封。这类机中有交替排布的固定式叶片和运动的轮叶，轮叶是附装在主轴上安装的旋转盘的外周上。

附图示出现代燃气透平的部分剖面图。对明了本发明有重要作用的部件包括：多个旋转盘1，在盘的外周上附装多个轮叶2。这些轮叶在内壳体3之内旋转，并与内壳体极为靠近。通过附装在内壳体上的密封4（外空气密封4）而使轮叶与内壳体内面间的漏泄减至最少。

在内壳体内面安装有多个固定叶片5，在叶片的向内自由端6上也附装有密封7（内空气密封7），它与转盘上所装的伸出刀刃8的间隔极靠近。刀刃8和内空气密封7一起起到减少漏泄的作用，从而提高效率。在另一种发动机构型中，转盘没有整体的投影而是由间隔片所分开，可以在间隔片上附装刀刃。

按本发明特别适用的密封是在与轮叶2的自由端相邻的内壳体3上面（外空气密封）以及在叶片5的自由端6上面（内空气密封）。按本发明的密封最好是附装在固定式基体上，并使之与运动部件相密合。

本发明包括对于已在先有技术中使用效果不佳的常规式密封材料改进其使用效果。在本发明中，通过外加一层初始中间涂层而大大减少在发动机最初运转时磨蚀性和可磨掉材料之间的不利作用，从而使原先未获成功的材料组合获得成功。所述可磨掉材料例如可选自USP3413136、3879831、3844011、3147087中所述者，这些专利作为本文的参考文献。

氧化铝是一种公知的耐高温陶瓷，其特性是与所述可磨掉结构和磨蚀性表面所用的合金一般没有反应活性，也没有润湿性。借助于在该可磨掉和磨蚀性材料最初擦磨之时保证其间存在有这样的不润湿和无反应活性的材料，则初始的相互作用将是非润湿的相互作用，并可使在透平初始运转时常发生的问题减至最小。本发明还包括在至少3000°F仍为稳定的功能等效的陶瓷，包括Al₂O₃、MgO、ZrO₂、Si₃N₄、BN。其粒度最好小于10微米，涂层厚度应大于1密尔。

提供与所述可磨掉密封材料相互作用的磨蚀性表面是将选自以下的磨蚀性材料进行等离子体共喷涂：碳化物、氧化物，特别是WC、Cr₃C₂、Si₃N₄、Al₂O₃、SiC以及它们的混合物并连同一种粘结剂材料。

若使用粘结剂时，可选自实质上非反应活性的材料，亦即不被该磨蚀性材料润湿的材料。在使用碳化钨时，是使用约88%碳化钨与约12%（重量）含钴粘合剂的混合粉末;若使用碳化铬，是使用约75%Cr₃C₂和约25%（重量）含80镍和20%铬的合金所成的粉末。常发现需使用一个初始粘结涂层以保证该磨蚀性材料能粘附到该基材上;此种粘结涂层例如可包括与该磨蚀性材料一起用作为基质材料或粘结剂材料的相同或相似的合金。其他可用的粘结涂层包括MCrAl型合金，其中的M是选自铁、镍、钴或它们的混合物;Cr的含量为约5-25%（重量）;Al的含量为约5-20%（重量）。可以加入少量反应活性金属，如Y、La、Sc、Hf等等，加入量在0.1-2%范围。

利用本发明的暂时性氧化锆涂层防止了该可磨掉材料与该磨蚀性涂层的初始不利相互作用，也防止了该等磨蚀性及可磨掉材料之间在高温的反应。本发明的涂层以胶态悬浮状施涂最为有利，该悬浮体系可以是水基的或有机物即硝化纤维素基的;或者可采取这样的构思，即施涂极薄的等离子体喷涂层。本发明者曾采用液体施涂也获得成功。

虽然已根据详细实施方案对本发明进行了说明，不言而喻，本领域的技术人员在不背离本发明的精神实质和不超出权利要求范围的条件下，可作出多种形式上和细节上的变化。

Claims (1)

1、一种可磨掉密封体系的初始组合，该组合包括一个可磨掉的密封并且其位置和配合方式是与作相对运动的发动机部件互相作用，其改进之处包括：

向该运动部件上施涂一薄层胶态陶瓷颗粒，所述陶瓷组分不被该可磨掉密封成分所润湿，从而在发动机初始操作时在该密封和该运动部件之间的不利相互作用减至最小程度。