CN106065787A - 用于涡轮机的复合密封件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于涡轮机的复合密封件。具体而言，本申请提供用于减少涡轮机的相邻构件之间的泄漏的复合密封件。该复合密封件可包括金属垫片、金属支撑结构和陶瓷、玻璃或瓷釉涂层。该垫片和该支撑机构可粘结或熔合在一起。该支撑结构可包括内部孔隙或间隙，且该涂层可应用至该垫片和该支撑结构，使得该涂层提供在该支撑结构的孔隙或间隙内、在该支撑结构和该垫片的部分之间，且基本上在该支撑结构的外表面上方。该支撑结构因此可提供该垫片与该涂层之间的机械附接。在使用中，该涂层对该密封件的金属垫片和支撑结构提供热和/或化学隔离。
Description
技术领域
本申请大体涉及用于减少泄漏的密封件，且更具体而言涉及构造成在密封槽内操作以减少涡轮机的相邻静止构件之间的泄漏的密封件。
背景技术
涡轮机构件之间的热燃烧气体和/或冷却流的泄漏大体上引起减少的动力输出和较低的效率。例如，热燃烧气体可通过围绕热气体路径提供加压压缩机空气而被容纳在涡轮内。典型地，在相邻涡轮构件(诸如定子护罩、喷嘴、和隔板、内壳壳体构件、和转子构件)之间的到热气体路径中的高压冷却流的泄漏导致降低的效率且需要焚烧温度的增大、和发动机燃气涡轮效率的降低，以维持与这种泄漏的环境孔隙相比期望的动力水平。因此可通过减少或消除涡轮构件之间的泄漏来改善涡轮效率。
传统地，通过金属密封件来处理涡轮构件接头之间的泄漏，该金属密封件定位在形成在涡轮构件(诸如定子构件)之间的密封槽中。密封槽通常延伸跨过构件之间的接头，使得定位在其中的金属密封件阻塞或以其他方式抑制穿过接头的泄漏。然而，利用定位在涡轮构件中的密封槽中的金属槽密封件来阻止涡轮构件接头之间的泄漏因为在现代涡轮机中产生的相对高温而复杂化。由于新材料(诸如陶瓷基质复合物(CMC)涡轮构件)的引入，其允许涡轮相对于传统涡轮在更高温度(例如，高于1500摄氏度)下操作，用于在密封槽中使用的常规金属涡轮槽密封件可能是不充分的。
利用金属密封件来阻止涡轮构件接头之间的泄漏还可因为涡轮构件的密封槽由相邻构件(定位在其中的密封件因此延伸跨过构件之间的接头)中的对应槽部分形成的事实而进一步复杂化。这些相邻构件之间的(诸如由热膨胀、制作、组装和/或安装限制等导致的)未对齐产生不规则的密封槽接触表面，该密封槽接触表面可随时间变化而在构造、形状和/或大小方面变化。如果密封件不挠曲、变形或以其他方式解决这种不规则，则密封槽接触表面中的这种不规则允许用于跨过位于密封槽内的槽密封件的泄漏。可惜，解决因相邻涡轮构件的未对齐引起的这种不规则密封槽接触表面的许多常规金属垫片可能不充分地耐受涡轮操作温度的增高。
因此，构造成用于在典型的涡轮密封槽中使用的耐受涡轮的越来越高的操作温度且符合密封槽接触表面中的不规则的复合涡轮机构件接头密封件将是合乎需要的。
发明内容
在第一方面中，本公开提供密封组件，该密封组件用于定位在至少部分地由相邻的涡轮机构件形成的密封槽内，以密封在构件之间延伸的间隙。该密封组件包括金属垫片、多孔金属支撑结构、和陶瓷、玻璃或瓷釉涂层。该金属垫片包括密封表面和支撑表面。该多孔金属支撑结构粘结至该金属垫片的支撑表面。该陶瓷、玻璃或瓷釉涂层在该多孔金属支撑结构的上方和内延伸，使得该涂层基本上覆盖该金属垫片的支撑表面侧和该支撑结构。该涂层的部分定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的部分之间。
在一些实施例中，该涂层的部分沿远离该支撑表面延伸的方向定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的部分之间，以通过该金属支撑结构将该涂层机械地联接至该金属垫片。在一些这种实施例中，远离该支撑表面延伸的方向可基本上正交于该支撑表面。
在一些实施例中，该金属垫片可为基本上实心的金属垫片。在一些实施例中，该涂层可化学地粘结至该支撑结构。在一些实施例中，该金属垫片的支撑表面和该金属支撑结构中的至少一者可包括保护外涂层，该保护外涂层构造成阻止相应金属构件的氧化。在一些实施例中，该金属支撑结构可通过至少一个硬焊而扩散粘结至该金属垫片。在一些实施例中，该金属支撑结构可为网格结构。在一些实施例中，该涂层的部分可定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的粘结至该金属垫片的支撑表面的部分之间。
在一些实施例中，该涂层的部分可定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的不粘结至该金属垫片的支撑表面的部分之间。在一些这种实施例中，该金属支撑结构的不粘结至该金属垫片的支撑表面的部分可从该金属支撑结构的粘结至该金属垫片的支撑表面的部分延伸或联接至其。
在一些实施例中，该涂层可粘结至该垫片的支撑表面和该支撑结构中的至少一者。在一些实施例中，该密封组件还可包括粘结至该垫片的密封表面的第二多孔金属支撑结构、和第二陶瓷、玻璃或瓷釉涂层，该第二陶瓷、玻璃或瓷釉涂层在该第二多孔金属支撑结构上方和内延伸，使得该第二涂层基本上覆盖该金属垫片的密封表面侧和该第二支撑结构，且该第二涂层的部分可定位在该金属垫片的密封表面与该第二金属支撑结构的部分之间。
在另一方面中，本公开提供形成密封组件的方法，该密封组件用于在至少部分地由相邻的涡轮机构件形成的密封槽内使用，以密封在构件之间延伸的间隙。该方法包括将多孔金属支撑结构的至少一部分粘结至金属垫片。该方法还包括将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至该多孔金属支撑结构，使得该涂层材料覆在该金属垫片的支撑表面侧和该支撑结构上，且包括定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的部分之间的部分。该方法还包括压实该陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料，以形成通过该金属支撑结构而机械地固定至该金属垫片的陶瓷、玻璃或瓷釉涂层。
在一些实施例中，将该金属支撑结构的至少一部分粘结至金属垫片的支撑表面可包括将该金属支撑结构的至少一部分扩散粘结至该金属垫片的支撑表面。在一些实施例中，将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至该多孔金属支撑结构包括通过丝网印刷或巾擦法(toweling)来应用高粘性可铸陶瓷成分。在一些此种实施例中，该方法还可包括通过刮刀刀片来移除应用至该支撑结构的陶瓷成分的一部分，且其中，压实该陶瓷成分包括固化和热处理所应用的陶瓷成分。在一些实施例中，将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至该多孔金属支撑结构包括通过涂抹、浸渍涂布或喷射涂布来以可涂抹的形式应用玻璃或瓷釉基成分。在一些这种实施例中，压实该玻璃或瓷釉基成分可包括使该应用的玻璃或瓷釉基成分干燥和热处理其。
在另一方面中，本公开提供涡轮机，该涡轮机包括第一涡轮构件和与该第一涡轮构件相邻的第二涡轮构件，该第一和第二涡轮构件形成跨过涡轮构件之间的间隙而延伸的密封槽的至少一部分。该涡轮机还包括密封件，该密封件定位在第一和第二涡轮构件的密封槽内且延伸跨过其间的间隙。该密封件包括金属垫片、多孔金属支撑结构、和陶瓷、玻璃或瓷釉涂层。该金属垫片包括密封表面和支撑表面。该多孔金属支撑结构粘结至该金属垫片的支撑表面。该陶瓷、玻璃或瓷釉涂层提供在该金属支撑结构上和内，使得该涂层基本上覆盖该金属垫片的支撑表面侧和该支撑结构，且该涂层的部分定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的部分之间。
在一些实施例中，该密封件的陶瓷、玻璃或瓷釉涂层可靠着由第一涡轮构件的第一侧和第二涡轮构件的第一侧共同地形成的密封槽的第一侧定位。在一些实施例中，该金属垫片为基本上实心的金属垫片，且该多孔金属支撑结构为金属网格结构。在一些实施例中，涂层的部分沿基本上正交于该支撑表面地延伸的方向定位在该金属垫片的支撑表面与该金属支撑结构的部分之间，以通过该金属支撑结构将该涂层机械地联接至该金属垫片。
技术方案1：一种密封组件，其用于定位在至少部分地由相邻的涡轮机构件形成的密封槽内，以密封在构件之间延伸的间隙，所述密封组件包括：
金属垫片，其包括密封表面和支撑表面；
多孔金属支撑结构，其粘结至所述金属垫片的支撑表面；和
陶瓷、玻璃或瓷釉涂层，其在所述多孔金属支撑结构的上方和内延伸，使得所述涂层基本上覆盖所述金属垫片的支撑表面侧和所述支撑结构，且
其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间。
技术方案2：根据技术方案1所述的密封组件，其特征在于，所述涂层的部分沿远离所述支撑表面延伸的方向定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间，以通过所述金属支撑结构将所述涂层机械地联接至所述金属垫片。
技术方案3：根据技术方案2所述的密封组件，其中，所述远离所述支撑表面延伸的方向基本上正交于所述支撑表面。
技术方案4：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述金属垫片为基本上实心的金属垫片。
技术方案5：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述涂层化学地粘结至所述支撑结构。
技术方案6：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述金属垫片的支撑表面和所述金属支撑结构中的至少一者包括保护外涂层，所述保护外涂层构造成阻止相应金属构件的氧化。
技术方案7：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述金属支撑结构为通过至少一个硬焊而扩散粘结至所述金属垫片。
技术方案8：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述金属支撑结构为网格结构。
技术方案9：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分之间。
技术方案10：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的不粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分之间。
技术方案11：根据技术方案10所述的密封组件，其中，所述金属支撑结构的不粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分从所述金属支撑结构的粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分延伸或联接至其。
技术方案12：根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述涂层粘结至所述垫片的支撑表面和所述支撑结构中的至少一者。
技术方案13：根据技术方案1所述的密封组件，还包括：
第二多孔金属支撑结构，其粘结至所述垫片的密封表面；和
第二陶瓷、玻璃或瓷釉涂层，其在所述第二多孔金属支撑结构的上方和内延伸，使得第二涂层基本上覆盖所述金属垫片的密封表面侧和所述第二支撑结构，且
其中，所述第二涂层的部分定位在所述金属垫片的密封表面与第二金属支撑结构的部分之间。
技术方案14：一种形成密封组件的方法，所述密封组件用于在至少部分地由相邻的涡轮机构件形成的密封槽内使用，以密封在构件之间延伸的间隙，所述方法包括：
将多孔金属支撑结构的至少一部分粘结至金属垫片；
将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至所述多孔金属支撑结构，使得所述涂层材料覆在所述金属垫片的支撑表面侧和所述支撑结构上，且包括定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间的部分；和
压实所述陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料，以形成通过所述金属支撑结构而机械地固定至所述金属垫片的陶瓷、玻璃或瓷釉涂层。
技术方案15：根据技术方案14所述的方法，其中，将所述金属支撑结构的至少一部分粘结至所述金属垫片的支撑表面包括将所述金属支撑结构的至少一部分扩散粘结至所述金属垫片的支撑表面。
技术方案16：根据技术方案14所述的方法，其中，将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至所述多孔金属支撑结构包括通过丝网印刷或巾擦法来应用高粘性可铸陶瓷成分。
技术方案17：根据技术方案16所述的方法，还包括通过刮刀刀片来移除应用至所述支撑结构的陶瓷成分的一部分，且其中，压实陶瓷成分包括固化和热处理所应用的陶瓷成分。
技术方案18：根据技术方案14所述的方法，其中，将陶瓷、玻璃或瓷釉涂层材料应用至所述多孔金属支撑结构包括通过涂抹、浸渍涂布或喷射涂布来以可涂抹的形式应用玻璃或瓷釉基成分。
技术方案19：根据技术方案18所述的方法，其中，压实所述玻璃或瓷釉基成分包括使所应用的玻璃或瓷釉基成分干燥且热处理其。
技术方案20：一种涡轮机，包括：
第一涡轮构件和与所述第一涡轮构件相邻的第二涡轮构件，所述第一和第二涡轮构件形成跨过涡轮构件之间的间隙而延伸的密封槽的至少一部分；和
密封件，其定位在所述第一和第二涡轮构件的密封槽内且延伸跨过其间的所述间隙，所述密封件包括：
金属垫片，其包括密封表面和支撑表面；
多孔金属支撑结构，其粘结至所述金属垫片的支撑表面；和
陶瓷、玻璃或瓷釉涂层，其提供在所述金属支撑结构上和内，使得所述涂层基本上覆盖所述金属垫片的支撑表面侧和所述支撑结构，且所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间。
技术方案21：根据技术方案20所述的涡轮机，其中，所述密封件的陶瓷、玻璃或瓷釉涂层靠着由所述第一涡轮构件的第一侧和所述第二涡轮构件的第一侧共同地形成的所述密封槽的第一侧定位。
技术方案22：根据技术方案20所述的涡轮机，其中，所述金属垫片为基本上实心的金属垫片，且所述多孔金属支撑结构为金属网格结构。
技术方案23：根据技术方案20所述的涡轮机，其中，所述涂层的部分沿基本上正交于所述支撑表面地延伸的方向定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间，以通过所述金属支撑结构将所述涂层机械地联接至所述金属垫片。
根据结合附图作出的本公开的各种方面的下列详细描述，本公开的这些和其他目标、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的第一示范槽密封组件的一部分的截面图；
图2是部分地组装以例示垫片、支撑结构和涂层部分的布置的图1的示范槽密封件的透视图；
图3是图1的示范槽密封件的垫片和支撑结构子组件的透视图；
图4是图3的垫片和支撑结构子组件的一部分的放大透视图；
图5是图4的垫片和支撑结构子组件的一部分的放大截面图；
图6是定位在密封槽内以密封涡轮构件之间的示范接头的示范槽密封组件的侧截面图；且
图7是示范槽密封组件的侧截面图。
具体实施方式
当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”、和“所述”意图指存在一个或更多个元件。用语“包括”、“包含”、和“具有”意图为包含性的且指可存在除所列出要素外的附加要素。操作参数的任何示例不排除所公开的实施例的其他参数。在本文中关于任何具体密封件实施例而描述、例示或以其他方式公开的构件、方面、特征、构造、布置、用途等可相似地应用于在本文中公开的任何其他密封件实施例。
根据本公开的构造成用于在涡轮密封槽中使用的复合涡轮机构件接头密封件(例如，复合涡轮槽密封件)及其制作和使用方法构造成耐受包括CMC构件的涡轮的相对高的操作温度并且/或者符合密封槽接触表面中的不规则。具体而言，复合槽密封件构造成基本上阻止化学相互作用，且基本上限制复合槽密封件的金属构件与热气体流/泄漏和/或密封槽自身的热相互作用。以此方式，本文中提供的复合槽密封件允许在高温涡轮应用中使用。除了高温操作之外，本公开的复合槽密封件构造成符合密封槽接触表面上的不规则，以减少因密封槽表面未对齐和/或粗糙而导致的泄漏。
如图1-5中所示，示范密封件10可为密封组件，该密封组件包括至少一个垫片或板12、至少一个支撑结构或层14和联接至彼此的至少一个涂层或涂层层16。垫片12可有效地基本上阻止穿过其的物质通过。例如，垫片12可基本上为实心的或以其他方式对在涡轮机中产生的压力和温度下的气体、液体和固体中的至少一种而言基本上是不可渗透的。然而，垫片12还可提供在涡轮机中产生的压力和温度下的可挠性，以适应槽表面中的沿厚度T1方向的歪斜或偏移。在一个实施例中，垫片12为基本上实心的板状金属部件。在一些这种实施例中，垫片12可为高温金属合金或超合金。例如，在一些实施例中，垫片12(和/或支撑结构14)可(至少部分地)由不锈钢或镍基合金(诸如镍钼铬合金、Haynes 214或具有氧化铝涂层的Haynes 214)制成。在一些实施例中，垫片12可由具有至少1500华氏度且更优选为至少1800华氏度的熔化温度的金属制成。在一些实施例中，垫片12可由具有至少2200华氏度的熔化温度的金属制成。
如图1-5所示的，垫片12的基本上与支撑结构14相反的外部密封表面或侧面22可基本上为平坦的(处于中间状态)。如在下面进一步解释的，垫片12的外部密封表面22可构造成与(至少部分地)流过形成密封槽的至少第一和第二构件之间的至少一个间隙或接头的冷却高压空气流接合或相互作用,以便在密封槽中朝第一和第二构件的密封表面推或压密封件10以基本上阻止气体、液体和/或固体穿过间隙或接头而迁移。因此，垫片12和涂层16中的至少一者(或共同作用的垫片12和涂层16)对在涡轮机中经历的压力下的液体、气体和/或固体而言基本上是不可渗透的，使得密封件10至少提供经过密封槽的低泄漏速率。
如图1-5中所示，支撑结构14可联接至垫片12的基本上与密封表面22相反的支撑表面或侧面24。在一些实施例中，支撑结构14可为金属的，诸如具有以上关于垫片12描述的特性的金属材料。垫片12和支撑结构14可由相同或基本上类似的金属材料形成，且因此包括相同或基本上类似的热膨胀系数(在下文中为CTE)。然而，垫片12和支撑结构14不需要由相同或基本上类似的材料形成，或包括相同或基本上相同的CTE。然而，优选的是，垫片12和支撑结构14构造成使得其间的CTE的任何差异不因在涡轮机中使用期间密封件10的循环热负载而破裂、破损或如在下面进一步描述的，以其他方式致使其间的扩散粘结无效。因此，垫片12的CTE和支撑结构14的CTE可仅不同为以下程度：使得垫片12和支撑结构14之间的扩散粘结不因在涡轮机中的使用期间的密封件10的循环热负载而被导致无效。换言之，垫片12和支撑结构14的材料(或影响CTE的任何其他要素)可不同，但垫片12和支撑结构14可构造成使得当密封件10在涡轮的密封槽中使用时遭受循环热负载时，其间的扩散粘结不受损或被导致无效。
支撑结构14可为支撑结构、部件或组件，其能够化学地粘结或熔合(例如，通过扩散粘结)至垫片12的支撑表面24，且能够与涂层16(其化学地粘结至垫片12)牢固地机械联接或贴附。以此方式，涂层16可经由支撑结构14而牢固地机械联接或贴附至垫片12。例如，支撑结构14可基本上为多孔金属结构(与基本上无孔的垫片12相反)，其包括用于在其中保持涂层16的部分的腔或孔隙。用语“多孔”在本文中关于支撑结构14使用以描述如下结构、部件或机构，其包括小孔、沟槽、孔隙、间隙、腔或其他内部空间，它们单独和/或共同地允许涂层16从支撑结构14的顶部或外表面沿朝向垫片12延伸的方向延伸到支撑结构14中，且涂层16的至少一些部分沿至少大体上远离垫片12的密封表面24延伸的方向(诸如基本上正交于垫片12的密封表面24)位于垫片12的密封表面24与支撑结构14的至少一部分之间。在一些实施例中，支撑结构14可为具有互锁、交织或掺杂的部件、纤维或部分的多孔金属网格、格子、蜂巢或编织类型结构，如图1-5所示。
如图1-5所示，支撑结构14的至少一些部分(例如金属网格部件或纤维的部分)可与垫片12的支撑表面24熔合或粘结。然而，在一些实施例中，支撑结构14的其他部分可与垫片12的支撑表面24间隔(即，不熔合或粘结至垫片12)。例如，金属网格类型的支撑结构14可包括金属部件或纤维，该金属部件或纤维包括熔合或粘结至垫片支撑表面24的第一部分和不粘结或熔合至垫片12，且可能与垫片12的支撑表面24间隔的第二部分。以此方式，仅支撑结构14的小部分或部分可粘结或熔合至垫片12，其中支撑结构14的其余小部分或部分联接(例如，机械地附接)至粘结或熔合的部分或从其延伸。
垫片12和支撑结构14的至少一部分可粘结或熔合至彼此，使得它们的附接能够有效地耐受在涡轮的密封槽中经历的温度、压力和其他条件。例如，垫片12和支撑结构14的至少一部分可以以在其间形成固体状态化学粘结的方式粘结或熔合。在一些实施例中，垫片12和支撑结构14的至少一部分可为诸如经由扩散粘结焊接至彼此的固体状态。在一些实施例中，垫片12和支撑结构14可通过至少一个高温硬焊扩散粘结至彼此。
垫片12和/或垫片10的支撑结构14可包括应用或定位在其外部表面上方或上的一个或更多个保护涂层(未示出)。例如，垫片12的外表面的至少一部分，诸如密封表面22或支撑表面24，和/或支撑结构14的外表面的至少一部分可包括至少一个保护涂层或层。换言之，垫片12的外表面的至少一部分(例如，支撑表面24)和/或支撑结构14可由覆在下面的金属构件(即，金属垫片12或金属支撑结构14)上的保护涂层限定。因此，扩散粘结至彼此的垫片12和/或支撑结构14的部分或多个部分可包括保护涂层或层。例如，支撑结构14可粘结至覆在垫片12上且形成支撑表面24的保护涂层。金属垫片12和/或金属支撑结构14的保护涂层可构造成基本上阻止或阻碍在下面的金属构件的氧化。在一些实施例中，金属垫片12和/或金属支撑结构14的保护层可包括或基本上包含氧化物，诸如氧化铬或氧化铝。
通过垫片12和支撑结构14的至少一部分粘结或熔合至彼此，至少一个涂层16可应用至密封件10，以保护垫片12和支撑结构14。如图1和2所示，涂层16可应用至密封件10，使得涂层16至少基本上覆盖或上覆支撑结构14和垫片12的支撑表面24(即，涂层在密封件10的上方延伸且延伸到其中，且因此在垫片12的支撑表面24上方延伸)。涂层16可基本上填充支撑结构14的小孔或孔隙，且可为基本上无孔的(与支撑结构14相反)。在一些实施例中，涂层16还可覆盖或上覆支撑表面24侧和密封件10的侧边缘，使得密封件10的密封表面22侧为密封件10的不由涂层16覆盖或包含涂层16的唯一的侧面或边缘。
涂层16可为当密封件10用在涡轮的密封槽(诸如由高温燃气涡轮的构件诸如定子构件形成的密封槽)中时，有效地基本上阻止化学相互作用且基本上至少限制金属垫片12(且可能支撑结构14)的热相互作用的一个或更多个涂层材料。如在下面进一步解释的，支撑结构14上的涂层16可构造成密封地接合第一和第二构件的形成密封槽的第一和第二密封表面，以基本上阻止气体、液体和/或固体穿过第一和第二构件之间的间隙或接头而迁移。以此方式，涂层16可有效地基本上阻止在将密封件10用在涡轮的此种密封槽中期间的至少金属垫片12(且可能支撑结构14)的硅化物形成、氧化、热蠕变和/或磨损。换言之，涂层16允许在高温燃气涡轮应用中使用基于金属的密封件，诸如具有一个或更多个金属垫片12(且可能支撑结构14)的密封件10。在一些实施例中，涂层16可为陶瓷、玻璃或瓷釉材料，其有效地至少保护(例如，阻止或减少氧化、硅化物形成、热蠕变、磨损等)金属垫片12和/或支撑结构14。
在一些实施例中，涂层16可由水晶、玻璃状或玻璃陶瓷复合物形成。在一些这种实施例中，涂层16可包括金属氧化物、氮化物或氧氮化物。例如，涂层16可包括稳定或不稳定的氧化锆、氧化铝、氧化钛、碱土和/或稀土锆酸盐、钛酸盐、铝酸盐、钽酸盐和铌酸盐、钨酸盐、钼酸盐、硅酸盐硼酸盐、磷酸盐、氮化硅、碳化硅、金属间化合物(诸如MAX相材料(Ti2AlC))、和它们的组合。在一些实施例中，涂层16可由高温瓷料成分形成。例如，涂层16可包括碱/碱土铝硼磷硅酸盐玻璃和填充物。涂层16(陶瓷、玻璃或瓷釉材料)可包括所需的高温熔化和流动特性，以提供密封件10的操作条件下的最佳稳定性和顺应性。
在一些实施例中，涂层16(和/或本文中描述的保护涂层)可至少部分地通过所选择的核素(species)扩散到金属垫片12(和/或金属支撑结构14)中和/或与其反应以在金属垫片12(和/或金属支撑结构14)上形成金属硅化物和/或至少一个氧化物层而形成在金属垫片12(和/或金属支撑结构14)上。通过所选择的核素和金属垫片12(和/或金属支撑结构14)的扩散/反应而形成的金属硅化物可抵抗氧化。通过所选择的核素和金属垫片12(和/或金属支撑结构14)的扩散/反应而形成的一个或更多个氧化物层可包括穿过其的可忽略的氧扩散能力，从而保护金属垫片12(和/或金属支撑结构14)。例如，Si可被使用且扩散到金属垫片12(和/或金属支撑结构14)中并且/或者与其反应。在一些实施例中，用于形成金属硅化物和/或至少一个氧化物层的所选择的核素可包括Al、Si、B、它们的合金、或它们的组合。在一些实施例中，金属垫片12(和/或金属支撑结构14)可由难熔金属(诸如Mo、W、它们的合金、或它们的组合)形成或包括其，且难熔的金属垫片12(和/或支撑结构14)可包括硅化物层和/或氧化铝保护层以作为涂层16的至少一部分。在一些实施例中，金属硅化物和/或至少一个氧化物层可通过与所选择的核素(例如，以粉末或类似的形式)的填充床和金属垫片12(和/或金属支撑结构14)在高温下反应(即，填充硅化/氧化物层方法)而形成。在其他实施例中，金属垫片12(和/或金属支撑结构14)上的金属硅化物和/或至少一个氧化物层可通过所选择的核素(例如，金属元素/合金)的一个或更多个涂层通过汽相沉积(例如，化学蒸汽沉积(CVD)或物理蒸汽沉积(PVD))之后化学和/或热处理而形成。
在一些陶瓷涂层16实施例中，陶瓷涂层16可由高粘性可铸成分(诸如可铸接合剂(例如，COTRONICS 904或989))形成。该高粘性可铸成分可通过丝网印刷或巾擦法而应用在粘结的垫片12和支撑结构14上。在涂层16的可铸成分应用至粘结的垫片12和支撑结构14之后，可通过用刮浆刀刮至密封件10(例如，在支撑结构14的外表面顶部或上方上的特定量的涂层可铸成分)上的期望或所需厚度来移除过多的涂层16材料。应用和刮平的“未加工(green)”涂层可进一步处理，以通过固化和热处理来压实且化学地粘结至涂层16材料至粘结的垫片12和支撑结构14。固化可使涂层16材料牢固，且热处理可将涂层16材料压实至密实的孔隙率状态，以最终在粘结的垫片12和支撑结构14上形成涂层16。如上面所提及的，涂层14可粘结至金属垫片12自身或粘结至覆在金属垫片12上的保护涂层。
在一些玻璃或瓷釉涂层16实施例中，涂层16可由处于可涂抹形式的玻璃或瓷釉基成分形成。可涂抹形式玻璃或瓷釉基成分可包括相对低的粘性，这允许玻璃或瓷釉基成分涂抹在粘结的垫片12和支撑结构14上，或者粘结的垫片12和支撑结构14可浸渍有或喷射涂布有该玻璃或瓷釉基成分。在一些实施例中，该玻璃或瓷釉基成分可包括溶剂等以降低成分的粘性。在玻璃或瓷釉基成分应用至粘结的垫片12和支撑结构14之后，可使该成分干燥，诸如从所应用的成分移除溶剂。在粘结垫片12和支撑结构14上的所应用的玻璃或瓷釉基成分的干燥之后，可热处理该成分，以形成基本上致密、平滑、玻璃状涂层的涂层16，其化学地粘结且机械地联接至垫片12和支撑结构14。
在一些备选实施例中，涂层16成分可作为前体来配制。例如，涂层16成分可由来自前体板条(诸如作为填充物以小的分率添加的硝酸盐、羧酸盐、醇盐)的可胶凝溶胶形成。该可胶凝溶胶可应用至粘结的垫片12和支撑结构14，以通过前述过程中的任一者来形成涂层16。
如上所述，涂层16(不管是陶瓷、玻璃还是瓷釉)可应用至金属垫片12和金属支撑结构14，使得涂层16至少最初直接化学粘结或联接至金属垫片12(例如，在金属垫片12的支撑表面24上方或上)和/或金属支撑结构14。如上面还提及的，金属垫片12和/或金属支撑结构14可包括保护涂层。在一些这种实施例中，涂层16可化学地粘结至该保护涂层(从而间接化学地粘结至金属垫片12和/或金属支撑结构14)。
涂层16可基本上填充支撑结构14的孔隙(包括支撑结构14与垫片12之间的任何或空间，如在下面进一步解释的)且在支撑结构14的顶部或外表面上方延伸(从而覆盖垫片12的支撑表面22)。如在下面进一步解释的，支撑结构14可化学地粘结至垫片12且构造成与涂层16机械地联接。以此方式，有效地热且化学隔离金属垫片12的涂层16可至少最初既化学地粘结又机械地固定至金属垫片12和金属支撑结构14。
为了涂层16至少对金属垫片12(且可能金属支撑结构14)持续或可靠地提供保护，支撑结构14可有效地维持涂层16在金属垫片12上方的附接或覆盖，诸如，至少金属垫片12的在将密封件10用在涡轮密封槽中期间暴露的侧面、边缘或部分。例如，由于陶瓷或玻璃涂层16和金属垫片12和金属支撑结构14之间的热不匹配，陶瓷或玻璃涂层16和金属垫片12和金属支撑结构14(或其上的保护涂层)之间的化学粘结或联接可能不耐受垫片12的(例如，在垫片的使用期间发生的)热循环。如图1和2中所示且如上所解释的，金属支撑结构14可粘结或熔合至金属垫片12，且涂层14可提供为至少遍及支撑结构14的孔隙或在其内。然而，更具体而言，涂层14还可沿至少大体上远离垫片12密封表面22延伸的方向至少部分地在垫片12和支撑结构14的部分之间延伸或定位。在一些实施例中，涂层14可沿基本上正交于垫片12支撑表面24延伸的方向至少部分地定位在垫片12和支撑结构14的单独部件、纤维或部分之间。涂层14因此可基本上围绕支撑结构14的纤维、部件或部分(除了其熔合或粘结至垫片12的部分)提供或延伸。以此方式，因为支撑结构14的纤维、部件或部分中的至少一些粘结或熔合至金属垫片12，且涂层14的部分定位在垫片12和支撑结构的部分之间，故支撑结构14提供涂层14至金属垫片12的机械附接，这阻止涂层14与垫片12分开或分离。例如，如果涂层16和金属垫片12和/或金属支撑结构14(或其上的保护涂层)之间的化学粘结由于其间的热不匹配而失效，则涂层16的基本上围绕支撑结构14的纤维、部件或部分的定位(例如，在支撑表面24的外表面上方且在支撑表面24的部分与垫片12之间)提供机械附接，该机械附接阻止涂层16(通过金属支撑结构14)开始与金属垫片12分开或分离。
如上面所提及的，涂层14的部分可定位在金属垫片12与支撑结构14的和金属垫片12间隔的部分(例如，不粘结或熔合至金属垫片12，而是从粘结或熔合至金属垫片12的部分延伸或联接至其的部分)之间。涂层14的部分还可位于金属垫片12与支撑结构14的粘结或熔合至金属垫片12的部分之间。如图1和5所示，例如，支撑结构14的粘结或熔合至金属垫片12的纤维、部件或部分可包括或限定如下形状，该形状提供或形成支撑结构14的纤维、部件或部分与垫片12的支撑表面24之间的空间或孔隙26。在图1、4和5中的示范例示实施例中，支撑结构14的粘结或熔合至垫片12支撑表面24的纤维、部件或部分的截面为基本上圆形的，使得在支撑结构14的相应纤维、部件或部分与垫片12的支撑表面24之间形成空间或孔隙26。可使用支撑结构14的在垫片12的支撑表面或侧面24与支撑结构14之间(当粘结时)形成空间或孔隙26的其他构造。以此方式，支撑结构14的纤维、部件或部分的形状或构造可允许涂层14定位在支撑结构14的粘结部分与垫片12的密封表面或侧面24之间(例如，沿大体上远离或基本上正交于密封表面24延伸的方向)。
图6例示示范槽密封组件110的截面图，该槽密封组件110位于示范密封槽内以密封涡轮构件(诸如定子构件)之间的示范接头。示范槽密封组件110基本上类似于上述图1-5的示范槽密封组件10，且因此前缀“1”的类似的参考标号用于指示类似的方面或功能，且涉及这种方面或功能(及其备选实施例)的以上描述同等地适用于示范槽密封组件110。具体而言，图6示出示范涡轮机的一部分的截面，其包括示范第一涡轮构件142、相邻示范第二涡轮构件144、和安装在密封槽中的示范复合槽密封件110，该密封槽由第一和第二构件142、144形成。第一和第二涡轮构件142、144可分别为第一和第二定子构件，诸如第一和第二定子的第一和第二喷嘴。在其他实施例中，第一和第二构件142、144可为任何其他相邻的涡轮机构件，诸如静止或平移和/或旋转(即，移动)的涡轮构件。换言之，本文中描述的示范复合槽密封件10、110可构造成用于需要密封件以减少构件之间泄漏的任何数量或类型的涡轮机构件或与其一起使用。
图6中例示的示范构件142、144和示范复合槽密封件110的截面是沿结构的宽度取得的，从而例示结构的示范宽度和厚度/高度。应注意的是，图6中例示的结构的相对宽度、厚度和截面形状为示范，且结构可包括任何其他相对宽度、厚度和截面形状。此外，结构的长度(延伸入和延伸出图6的页面)可为任何长度，且结构的沿长度方向的形状和构造可为任何形状或构造。还应注意的是，尽管仅示出了形成一个密封槽的两个示范涡轮构件142、144，但多个构件可形成彼此连通的多个密封槽。例如，多个涡轮构件可周向地布置，使得由此形成的密封槽也周向地布置且与彼此连通。在这种实施例中，根据本公开的槽密封件10、110、210可构造成跨过多个密封槽，以密封多个间隙或接头，且从而减少多个涡轮构件之间的泄漏。
如图6所示，第一和第二相邻涡轮构件142、144可与彼此间隔，使得接头、间隙或路径190在第一和第二相邻构件142、144(诸如定子)之间延伸。这种接头190从而可允许第一和第二涡轮构件142、144之间的流，诸如空气流。在一些构造中，第一和第二涡轮构件142、144可位于第一空气流150(诸如冷却空气流)与第二空气流160(诸如热燃烧空气流)之间。应注意的是，用语“空气流”在本文中用于描述穿过第一和第二涡轮构件142、144之间的接头190迁移的任何材料或成分、或材料或成分的组合的移动。
为了接纳跨过接头190的密封件，且从而阻塞或以其他方式挡住接头190，第一和第二相邻构件142、144可各自包括槽，如图6所示。在示范的例示实施例中，第一构件142包括第一密封槽170且第二构件包括第二密封槽180。第一和第二密封槽170、180可具有能够在其中接纳密封件的任何尺寸、形状、或构造。例如，如在图6中例示的示范实施例中所示的，第一和第二密封槽170、180可基本上类似于彼此，且以镜像关系定位，以一起限定合成槽(net slot)或腔，该合成槽或腔从第一构件142内跨过接头190且延伸到第二构件144中。以此方式，第一和第二密封槽170、180的对可共同地形成腔或密封槽，以支撑密封件的相对部分，使得密封件110行进通过在相邻构件142、144之间延伸的接头190。
在第一和第二涡轮构件142、144相邻的一些布置中，第一和第二密封槽170、180可构造成使得它们基本上对齐(例如，以镜像或对称的关系)。然而，由于制造和组装限制和/或变化，以及使用期间的热膨胀、移动等，第一和第二密封槽170、180可歪斜、扭曲、成角度、或以其他方式未对齐。在其他情形中，第一和第二密封槽170、180可保持处于镜像或对称关系，但第一和第二密封槽170、180的相对定位可改变(诸如由于使用、磨损或操作条件)。用语“未对齐”在本文中用于涵盖密封槽与名义或初始位置或构造相比已改变相对位置或定向的任何情形。
关于图6的示范第一和第二涡轮构件142、144和示范密封件110的示范第一和第二密封槽170、180，在未对齐构造(未示出)中，示范密封件110优选地为可挠曲的，以解决未对齐且维持涂层116与第一和第二密封槽170、180的密封接触，以优先地挡住或消除在第一和第二涡轮构件142、144之间延伸的接头190，从而减少或阻止第一和第二空气流150、160互相作用。更具体而言，如图6所示，第一和第二空气流150、160可与接头190相互作用，使得第一空气流150为“驱动”空气流，其相对于密封件110的垫片112的外部密封表面122作用以分别相对于第一和第二密封槽170、180的第一侧表面135、145推密封件110的涂层116。在这种情形中，密封件110(和/或涂层166)可优选地为充分可挠曲的，以作为由第一空气流150施加的力(例如，在由第二空气流160施加的上方)的结果而变形，以解决第一和第二密封槽170、180之间的任何未对齐，但为充分刚性的以抵抗被“折叠”或以其他方式被“压”到接头190中。换言之，在这种情形中，示范密封件110可优选地为充分可挠曲的，但也充分地刚性的，以通过第一空气流150的力来维持垫片12的涂层116与第一侧表面135、145的密封接合。例如，金属垫片112、金属支撑结构114、和涂层116可构造成在涡轮的使用期间符合密封槽接触表面135、145上的不规则。在一些这种实施例中，涂层116可为玻璃隔离涂层，该玻璃隔离涂层具有与涡轮/密封件110的操作温度类似的转变温度(Tg)，以便于玻璃涂层116在操作温度下变得柔软或可变形，以促进至少涂层116的朝第一侧表面135、145的轮廓变形。除了如上所述，充分可挠曲(沿所有方向)以在未对齐情形中有效地密封接头190，示范密封件110可优选地为充分刚性的，以满足组装要求。
密封件110的尺寸可为任何尺寸，但是可取决于或至少有关于其中安装密封件110的构件142、144。示范密封件110的厚度T1可小于第一和第二密封槽170、180的厚度T2，且因此小于当组装第一和第二相邻构件142、144时由第一和第二密封槽170、180形成的合成槽的厚度T2。在一些实施例中，示范密封件110的厚度T1可优选地在大约0.01英寸至大约1/4英寸的范围内，且更具体而言在大约0.05英寸至大约0.1英寸内的范围内。类似地，密封件110的宽度W1可分别小于由第一和第二构件142、144的第一和第二槽170、180形成的合成槽的宽度W2，且小于当构件142、144与彼此相邻地安装时构件142、144之间的间隙190。在一些实施例中，示范密封件110的宽度W1可优选地在大约0.125英寸至大约0.75英寸的范围内。
如在图6中的例示实施例中所示的，例如，密封件110可定位且布置在密封槽(即，第一和第二密封槽170、180)内，使得第一或冷却空气流150相对于垫片112的外部密封表面122作用，以相对于第一和第二密封槽170、180的第一侧表面135、145推涂层116。由于垫片112和/或涂层116的不可渗透性质，密封件110因此阻止冷却空气流150穿过间隙190迁移且到第二或热燃烧空气流160中。此外，涂层116保护金属垫片112免受燃烧空气流160的高温影响。以此方式，至少密封件110的涂层116的外部或密封表面(例如，与示范第一侧表面135、145相互作用的表面或示范第一和第二密封槽170、180的其他密封表面)的形状和构造可与其中安装密封件110的槽142、144的形状和构造相关。换言之，密封件110的涂层116的至少外部或密封表面的形状和构造(诸如轮廓、表面纹理等)可构造成确保与其中安装密封件110的第一和第二密封槽170、180的密封接合。例如，在图6中的例示示例中，密封件110的涂层116的外部或密封表面可为基本上光滑和平面的，以基本上抵接或以其他方式基本上接合第一和第二密封槽170、180的基本上平面的第一侧表面135、145，以有效地阻止或减少第一空气流150的在密封组件110与第一和第二密封槽170、180的第一侧表面135、145之间，且最终到第二或热燃烧空气流160中的泄漏(且还保护金属垫片12免受热燃烧空气流160的高温的影响)。在一些备选实施例(未示出)中，密封件110的涂层116的至少外部或密封表面的形状和构造可与第一和第二密封槽170、180的对应密封表面(诸如图6中例示的第一和第二密封槽170、180的示范第一侧表面135、145)不同地定形或构造。
图7例示根据本公开的另一示范槽密封组件210的截面图。示范槽密封组件210基本类似于上述图1-6的示范槽密封组件10和110，且因此前缀“2”的类似参考标号用于指示类似的方面或功能，且涉及这种方面或功能的以上描述(及其备选实施例)等同地适用于示范槽密封组件210。如图7所示，槽密封组件210与密封组件10和110的不同之处在于，密封件210沿厚度方向对称。因此，密封组件210提供密封件210在涡轮密封槽中的安装或组装的简易性，因为密封件210不需要沿厚度方向特别地定向。
如图7所示，金属垫片12的密封表面222和支撑表面224侧二者包括粘结至其的金属支撑结构214。在一些实施例(未示出)中，支撑结构214可在金属垫片212的一个或更多个侧边缘上方延伸且延伸到密封表面222和支撑表面224上。类似地，粘结至密封表面222的支撑结构214和粘结至金属垫片212支撑表面224的支撑结构214二者包括应用至其的涂层216。在一些实施例(未示出)中，涂层216可在金属垫片212的一个或更多个侧边缘上方延伸且延伸到粘结至密封表面222的支撑结构214和粘结至支撑表面224的支撑结构214上/中。应用在粘结至垫片210密封表面或侧面222的支撑结构214上和中的涂层216可隔离或保护垫片212的密封表面侧22(诸如相对于上面关于图6论述的冷却空气流150)。
本文中公开的密封组件提供与传统槽密封件(诸如固体金属垫片密封件)的情况下可能的泄漏速率类似的低泄漏速率，同时消除当应用至现代高温涡轮机时的硅化物形成、氧化、热蠕变和/或增大的磨损担心。而且，在本文中公开的密封组件与现有密封件相比可更不易受制造变更影响。本文中公开的密封组件因此在低制造和操作风险的情况下减少泄漏，且能够应用于OEM和改型应用二者中。
应理解的是，以上描述意图为例示性且不是限制性的。许多改变和改型可由本领域技术人员在本文中作出，而不偏离由以下权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围。例如，上述实施例(和/或其方面)可以与彼此组合地使用。此外，可进行许多修改以使特定情形或材料适应各种实施例的教导而不脱离它们的范围。虽然在本文中描述的材料的尺寸和类型意图限定各种实施例的参数，但是它们绝不意图为限制性的且仅是示范。在阅读以上描述之后，许多其他实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。各种实施例的范围因此应参照所附权利要求以及这种权利要求授权的等同物的完整范围来确定。在所附权利要求中，用语“包括(including)”和“在其中(in which)”用作相应用语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英语等同物。而且，在下列权利要求中，用语“第一”、“第二”、和“第三”等仅用作标注，并且不意图对它们的对象强加数字要求。此外，用语“可操作地连接”在本文中用于指代由直接或间接地联接的分开、不同的构件和由一体地形成的构件(即，单片的)导致的连接二者。此外，下列权利要求的限制不写成装置加功能格式，并且不意图基于35 U.S.C.§112、第六段来解释，除非或直至这种权利要求限制清楚地使用短语“装置，其用于”，后面跟着没有其他结构的功能的陈述。应理解的是，不一定可根据任何特定实施例获得所有此种上述目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，在本文中公开的系统和技术可以以如下方式实现或执行具体化或实施：获得或优化在本文中教导的一个优点或一组优点，而不一定获得可在本文中教导或暗示的其他目的或优点。
虽然已结合仅有限数量的实施例而详细说明了本发明，但是应容易明白，本发明不限于此种公开的实施例。相反，本发明可被修改，以并入至今未说明但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变更、改造、置换或等同布置。此外，虽然已说明了本发明的各种实施例，但应理解，本公开的方面可能仅包括所说明的实施例中的仅一些。因此，本发明不视为由前述说明限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种密封组件，其用于定位在至少部分地由相邻的涡轮机构件形成的密封槽内，以密封在构件之间延伸的间隙，所述密封组件包括：
金属垫片，其包括密封表面和支撑表面；
多孔金属支撑结构，其粘结至所述金属垫片的支撑表面；和
陶瓷、玻璃或瓷釉涂层，其在所述多孔金属支撑结构的上方和内延伸，使得所述涂层基本上覆盖所述金属垫片的支撑表面侧和所述支撑结构，且
其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间。
2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述涂层的部分沿远离所述支撑表面延伸的方向定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的部分之间，以通过所述金属支撑结构将所述涂层机械地联接至所述金属垫片。
3.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述远离所述支撑表面延伸的方向基本上正交于所述支撑表面。
4.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述金属垫片为基本上实心的金属垫片。
5.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述涂层化学地粘结至所述支撑结构。
6.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述金属垫片的支撑表面和所述金属支撑结构中的至少一者包括保护外涂层，所述保护外涂层构造成阻止相应金属构件的氧化。
7.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述金属支撑结构为通过至少一个硬焊而扩散粘结至所述金属垫片。
8.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述金属支撑结构为网格结构。
9.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分之间。
10.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述涂层的部分定位在所述金属垫片的支撑表面与所述金属支撑结构的不粘结至所述金属垫片的支撑表面的部分之间。
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