CZ195999A3

CZ195999A3 - Obrušovatelné těsnění a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ195999A3
Application number: CZ19991959A
Authority: CZ
Inventors: Thomas A. Wolfla; James J. Ferguson
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corporation
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2000-04-12
Also published as: PL186317B1; IL130331A0; KR100510898B1; AU5572198A; CN1240014A; AU735670B2; BR9714216A; TR199901212T2; ATE265612T1; RU2217617C2; US6203021B1; NO324617B1; CZ294381B6; CA2274526A1; CA2274526C; EP0944767A1; EP0944767A4; JP2001507774A; KR20000057485A; NO992827D0

Description

Oblast techniky

Přítomný vynález se týká obrušovatelných těsnění, konkrétněji pak použití laseru k uspořádání povrchu těsnícího materiálu a poskytnutí jeho zlepšené obrušovatelnosti.

Dosavadní stav techniky

Účinnost moderních plynových turbín závisí na nepropustném těsnění mezi otáčivými součástmi (lopatkami) a stacionární součástí (krytem) ve větráku, kompresoru a turbině. Toto těsnění je vytvořeno tím, že je lopatkám umožněno protínat či prořezávat (obrušovat) žlábek v nějakém obrušovatelném těsnícím materiálu, což zabraňuje unikání podstatného objemu vzduchu za hrotem lopatky. Tradičně se tyto těsnící materiály vyráběly ze tkaných kovových vláken anebo slinutých kovových částic a pájených (na tvrdo) na místě. Zatímco se tyto materiály snadno obrušují vzhledem ke své vysoké vnitřní poréznosti a malé pevnosti, jejich odpor vů&i erozi částic je špatný, což má za následek rychlé ubývání materiálu. Tato ztráta materiálu znehodnocuje dané těsnění a účinnost stroje rychle klesá. Těsnící materiály ve • · · · • · pevnost., která r / obrušovatelnosti, vyspělejším zařízení využívají za tepla nastříkaných plášťů, které provádějí stejnou funkci jako opletená obrušovatelná těsnění, ale snáze se nanášejí a nahrazují když dochází ke generální opravě stroje. Vlastnosti těchto nastříkaných těsnění mohou být měněny aby buď maximalizovaly odolnost vůči erozi anebo maximalizovaly obrušovatelnost. Zatím však nebylo možné maximalizovat obě tyto vlastnosti současně.

Použití za tepla nastříkaných prášků ke zformování obrušovatelných těsnění je v příslušné technice známo, jak to znázorňuje patent US 4 291 089. Tyto prášky se používají ke zformování pláště (obalu, potahu, poznámka překl.) na nějakém podkladě, tak řečeno pláště, který těsní prostor mezi tímto podkladem a nějakým přilehlým povrchem, jenž je vůči němu v pohyblivém vztahu a jenž je obrušován v ovládaném rozsahu poměrným pohybem mezi podkladem a daným přilehlým povrchem. Takovéto těsnění je na počátku vytvořeno nastřikováním za tepla nějakého prášku na daný podklad ke zformování pláště s nepatrně větší tloušťkou než je mezera mezi tímto podkladem a přilehlým povrchem, takže je tento plášť obrušován relativním pohybem mezi podkladem a přilehlým povrchem na nepatrně menší tloušťku, odpovídající mezeře mezi podkladem a přilehlým povrchem, aby bylo mezi nimi zajištěno účinné těsnění. Taková těsnění se používají, například, na lopatky turbiny či kompresoru plynových turbín jako jsou ty používané v letadlech, aby se zajistilo těsnění mezi lopatkami a krytem turbiny či kompresoru.

Jedním z problémů při poskytování vhodného obrušovatelného těsnění je výroba za tepla nastříkaného pláště, který má na jedné straně dostatečnou strukturální je nicméně dosti nízká k zajištění a jenž má na druhé straně dostatečně vysokou odolnost vůči erozi prostřednictvím částic dopadajících během použití na obrušovatelný těsnící plášť.

• · · · · · • · * · ····

Například, v případě lopatek plynové turbiny nebo kompresoru je těsnící plášť vystaven dopadu brusných částic strhávaných ve vzduchu a vtahovaných strojem.

V jednom typu prášku používaného k formování obrušovatelných těsnících plášťů má každá prášková částice středové jádro z nekovového tuhého materiálu, obklopeného vrstvou kovového materiálu, jak to popisuje například patent US č. 3 914 507. Takové prášky jsou známy jako složené (kompozitní) prášky, s práškovými částicemi známými jako složené práškové částice. Jeden složený prášek tohoto druhu, jenž byl navržen, má částice, jež mají každá jádro obklopené niklem nebo niklovou slitinou, a obrušovatelné těsnící pláště formované nastříkáním takových prášku za tepla jsou užitečné jako obrušovatelné těsnící pláště na kompresory a turbiny leteckých turbinových motorů.

Podstata vynálezu

Stručně, tento vynález poskytuje obrušovatelné těsnění a postup přípravy (výroby) obrušovatelného těsnění, zahrnující řezání nějakého vzoru pomocí laseru do povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu, schopného poskytnout zlepšenou obrušovatelnost v ploše daného vzoru.

Přehled obrázků na výkresech

Dále budou prostřednictvím .výkresy, v nichž:

popisována ztvárnění tohoto příkladu, pomocí odkazů na vynálezu, doprovodné

Obr. 1-3 - znázorňují prstenec krytu kompresoru plynové turbiny, mající na sobě obrušovatelný těsnící plášť s křížově ···· ·* ·· ·♦ ·« ·· • · · · · « * * · · • ♦ · · · · · · · · · · šrafováným (mřížkovým) vzorem, Obr. 1 představuje půdorysný pohled, Obr. 2 je pohledem ze strany a Obr. 3 je zvětšenou částí obrušovatelného těsnění z Obr. 2.

Obr. 4-6 - znázorňují prstenec krytu kompresoru plynové turbiny, mající na sobě obrušovatelný těsnící plášť se vzorem trubicových komůrek, Obr. 4 představuje půdorysný pohled, Obr. 5 je pohledem ze strany a Obr. 6 je zvětšenou částí obrušovatelného těsnění z Obr. 5.

Obr. 7-10 - znázorňují ztvárnění alternativních vzorů, Obr. 7 představuje půdorysný pohled na proužkový vzor, Obr. 8 je pohled řezem na Obr. 7, Obr. 9 je půdorysným pohledem na sešikmený proužkový vzor a Obr. 10 je pohled řezem na Obr. 9.

Obr. 11 - znázorňuje půdorysný pohled na vzor vytvářený Příkladem 1.

Obr. 12 - znázorňuje půdorysný pohled na vzor vytvářený Příkladem 2.

Příklady provedeni vynálezu

Obrušovatelné těsnění je připraveno použitím laseru k vyřezání nějakého vzoru do povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu. Uspořádání struktury povrchu laserem poskytuje prostředek upravování povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu, který má dobrou odolnost vůči erozi, ale vyžaduje v dané ploše zlepšenou obrušovatelnost. Touto úpravou povrchu je nějaký vzor, například těsně od sebe rozmístěných otvorů, mřížkový vzor, vzorek trubicových komůrek, proužkový či sešikmený proužkový vzor, vzor linií běžících kolmo nebo paralelně s těsněním anebo jiné vzory, které rovněž zlepšují obrušovatelnost. Na obrázcích jsou znázorněny různé vzory. Uspořádání struktury povrchu by mohlo být rovněž dosaženo napříč šířky kontaktní plochy těsnění ..za účelem dalšího zlepšení obrušovatelnosti v dané ploše. Tento vynález dovoluje aby byl erozi odolávající obrušovatelný těsnící materiál upraven a měl v sobě samotném zapracovanou dobrou obrušovatelnost. Existující obrušovatelná těsnění tyto charakteristiky nemají.

Obrušovatelným těsnícím materiálem může být plášť postřiku za tepla, či prefabrikovaná vrstva (díl), jenž je připojen k dané součásti slinutím (spékáním) nebo pájením (na tupo), či jinými materiály známými v příslušné technice. Přednostně může být použit vůči erozi více odolný těsnící materiál, protože zlepšená obrušovatelnost tímto vynálezem může být tomuto materiálu udělena úpravou jeho povrchové struktury laserem. Součásti plynové turbiny jsou typicky založeny na slitinách založených na niklu, na kobaltu, na železe anebo na titanu. Obrušovatelný těsnící materiál může být rovněž ze slitin založených na hliníku, na titanu, na železe, na niklu anebo na kobaltu, či může být vyroben z erozi odolávajících materiálů obsahujících slitiny NiCr, slitiny NiCrAl, FeCr, CoCr, FeCrAl, CoCrAl, či slitiny MCrAlY, kde M by mohlo být Fe, Ni nebo Co, oxidy, nitridy, boridy, sirníky, silicidy a intermetalické látky. Jako· obrušovatelný těsnící materiál je dokonce možné použít i povrch dané součásti samotné. V jednom ztvárnění může obrušovatelný těsnící materiál rovněž obsahovat nekovové částice, obsahujících nitridy boru, bentonit, oxid, nitrid, boridy, silicidy, intermetalické látky a nekovové látky, například plasty, polymery atd.

Úprava povrchové struktury laserem se používá vzoru do povrchu obrušovatelného jenž udělí danému materiálu obrušovatelnost. Jsou účinné různé vzory obsahující kruhy, křížové šrafy (mřížky) a proužky, jak jsou znázorněny na Obr. 1-10. Obr. 1-3 znázorňují ppygití mřížkového vzoru vyřezaného k vyřezávání materiálu, těsnícího zlepšenou • · · · 9·9 · · ·« «φ * 9 » · · · · · · · · · · · · Φ ···« · · 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 * 99 999

9 9 9 9 9 9 9 9 9 ·* ·· ·· 9 9 99 9 9 do obrušovatelného těsnícího materiálu. Obr. 3-6 znázorňují vzor trubicových (kružnice) komůrek, zatímco Obr. 7-10 znázorňují do povrchu vyřezané proužky. Volba konkrétního vzoru závisí na konkrétním těsnícím materiálu a na stupni požadované obrušovatelnosti. Tento vzor je také vyřezán do daného materiálu v ploše a do hloubky, v níž se očekává, že ho bude lopatka protínat (obrušovat) během provozu. Typicky je hloubka takového vzoru od asi 0,01 do 0,1 palce (od 0,0254 do 0,254 cm), ačkoli šířka určitého vzoru se může měnit v závislosti na lopatce a může být od 0,125 do 24 palců (od 0,317 do 60, 96 cm). V jednom ztvárnění zůstává na obou stranách vzoru neřezaný materiál (t.j., bez vzoru), t.j. na okrajích očekávané dráhy lopatky, k poskytnutí zvýšené odolnosti vůči erozi během provozu plynové turbiny. Na obrázcích je obrušovatelný těsnící materiál JL znázorněn na prstenci 2 krytu kompresoru se vzorem 3, jenž je vyřezán do plochy dráhy lopatky ý. Dodatečné plochy neřezaného (bez vzoru) obrušovatelného těsnícího materiálu 5_ jsou znázorněny na obou stranách vzoru 3. Na Obr. 3 a 6 odpovídá hloubka 6 vzoru očekávané hloubce průniku lopatky.

K vyřezání příslušného vzoru může být použit standardní laser. Typickým laserem je laser Rayethon SS50YAG, vybavený pětiosým ovládačem pohybu, provozovaný při přibližně 0,5 kilowatu.

Příklad 1

Povrch desky (plechu) z nerezavějící oceli 304, přibližně 1,5 palce široký (3,81 cm) a 4 palce (10,16 cm) dlouhý a 0,100 palce (0,254 cm) tlustý, byl mechanicky zdrsněn použitím oxidu hlinitého s okatostí 60 (počet ok síta na délkový palec, t.j. na 2,54 cm, pozn. překl.) v odsávané skříni s tryskáním ocelového písku. Deska byla za « · tepla nastříkána a pokryta vazným pláštěm Ni-5 váhových % Al do tloušťky pláště silné 0,004-0,006 palce (0,10 mm až 0,15 mm) . Povrch vazného pláště byl potom za tepla postříkán a pokryt bentonitem NiCrAl (obrušovatelný plášť) do tloušťky přibližně 0,150 palce (3,8 mm). Povrch obrušovatelného pláště byl strojně opracován aby vznikl povrch, který je v podstatě plochý a se stejnoměrnou hrubosti povrchu.

Tímto pláštěm pokrytá deska byla upevněna v čelistech na počítačem ovládaném stolu X-Y laseru. Byl napsán počítačový program a zaveden do počítače, jenž vytvořil diagonální příčný vzor v přibližně 45° a s rozdělením po asi 0,050 palce (1,27 mm), jak je to znázorněno na Obr. 11. Laser byl nabuzen a ponechán rýt povrch obrušovatelného pláště do hloubky přibližně 0,050 palce (1,27 mm).

Příklad 2

Povrch desky (plechu) z nerezavějící oceli 304, přibližně 1,5 palce široký (3,81 cm) a 4 palce (10,16 cm) dlouhý a 0,100 palce (0,254 cm) tlustý, byl mechanicky zdrsněn použitím oxidu hlinitého s okatostí 60 (počet ok síta na délkový palec, t.j. na 2,54 cm, pozn. překl.) v odsávané skříni s tryskáním ocelového písku. Deska byla za tepla nastříkána a pokryta vazným pláštěm Ni-5 váhových % Al do tloušťky pláště silné 0,004 až 0,006 palce (0,10 mm až 0,15 mm). Povrch vazného pláště byl potom za tepla postříkán a pokryt bentonitem NiCrAl (obrušovatelný plášť) do tloušťky přibližně 0,150 palce (3,8 mm). Povrch obrušovatelného pláště byl strojně opracován aby vznikl povrch, který je v podstatě plochý a se stejnoměrnou hrubostí povrchu.

Tímto pláštěm pokrytá deska byla upevněna v upínacím zařízení na počítačem ovládaném stole X-Y laseru. Byl napsán program a zaveden do počítače, jenž vytvořil pohyb, který pohyboval desku s pláštěm napříč povrchu lineárním způsobem. Tento pohyb byl zastaven každých 0,050 palce (1,27 mm) a laser byl aktivován k vypalování. Na konci příčné délky byla deska indexována (dělena) po 0,050 palce (1,27 mm) v kolmém směru a bylo zapracováno příčné odsazení 0,025 palce (0,63 mm) , za účelem umístění příští řady otvorů dovnitř mezi předcházející řadu. Tento vzor byl opakován, dokud nebyl povrch úplně přejet a pokryt (vyryt) vzorem znázorněným na Obr. 12. Vytvořené otvory byly od sebe rozmístěny přibližně 0,050 palce (1,27 mm) a byly hluboké přibližně 0,050 palce (1,27 mm) .

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY (upravený list)

1. Postup přípravy (výroby) obrušovatelného těsnění pro nějakou součást, zahrnující řezání vzoru pomocí laseru do povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu, schopného poskytnout zlepšenou obrušovatelnost v ploše tohoto vzoru, v němž tento obrušovatelný těsnící materiál utěsňuje mezeru mezi danou součástí a přilehlým povrchem pohybovatelným ve vztahu k ní tím, že je obrušován relativním pohybem mezi danou součástí a přilehlým povrchem a v němž je tento vzor v ploše a do hloubky, kterou bude přilehlý povrch při vytváření těsnění obrušovat.
2. Postup podle nároku 1, dále zahrnující použití obrušovatelného těsnícího materiálu na danou součást, se vzorem vyřezaným do povrchu tohoto těsnícího materiálu.
3. Postup podle nároku 2, v němž jsou daná součást a obrušovatelný materiál z kovu.
4. Postup podle nároku 3, v němž je danou součástí součást plynové turbiny a je to slitina zvolená ze skupiny složené ze slitin založených na niklu, na kobaltu, na železu, na hliníku a na titanu.
5. Postup podle nároku 4, v němž je obrušovatelný těsnící materiál slitinou zvolenou ze skupiny obsahující slitiny založené na železu, na hliníku, na titanu, na niklu, na kobaltu, slitinu NiCr, slitinu NiCrAl, a slitiny MCrAlY, kde M je zvoleno ze skupiny skládající se z Fe, Ni nebo Co, či jejich směsí.

9 9 .99

9 9· 9 9

9 ·ϊ · 9

999 ·«« > ·· · 9 9

9 9 9 ♦ * · ·

9 9 999

99 99 (upravený list)
6. Postup podle nároku 5, v němž obrušovatelný těsnící materiál obsahuje nekovové částice.
7. Postup podle nároku 6, v němž jsou nekovové částice zvoleny ze skupiny skládající se z nitridu boru, bentonitu, oxidů, nitridů, boridů, intermetalických látek, plastů a polymerů.
8. Postup podle nároku 4, v němž je přilehlým povrchem lopatka.
9. Postup podle nároku 8, v němž je hloubka vzoru v rozmezí od asi 0,01 do 0,1 palce (od asi 0,0254 cm do 0,254 cm).
10. Postup podle nároku 9, v němž je daný vzor zvolen ze skupiny skládající se z těsně od sebe rozmístěných otvorů, mřížoviny, proužků a linií kolmých anebo rovnoběžných s těsněním.
11. Postup podle nároku

4, zahrnující nanášení obrušovatelného těsnícího materiálu stříkáním prášku kovové slitiny za tepla.
12. Postup podle nároku 4, zahrnující nanesení obrušovatelného těsnícího materiálu připojením vrstvy těsnícího materiálu k určité součásti.
13. Postup podle nároku 8, v němž je na obou stranách vzoru neřezaný těsnící materiál.

• 0 00 00 0 0 + 9 0« .··· 0 0»; 0 0 0 0 • * 0 0 · V·· 0^0-.0^0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 (upravený list)
14. Obrušovatelné těsnění zahrnující vzor vyřezaný do povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu pomocí laseru, schopného poskytnout zlepšenou obrušovatelnost v ploše tohoto vzoru.
15. Těsnění podle nároku 14, v němž je těsnící materiál kovovou slitinou.
16. Těsnění podle nároku 15, v němž je kovová slitina zvolena ze skupiny obsahující slitinu založenou na železu, na hliníku, na titanu, na niklu, na kobaltu, slitinu NiCr, slitinu NiCrAl, a slitinu MCrAlY, kde M je zvoleno ze skupiny skládající se z Fe, Ni nebo Co.
17. Těsnění podle nároku 15, v němž obrušovatelný těsnící materiál obsahuje nekovové částice.

Těsnění podle nároku 17, v němž zvoleny ze skupiny skládající bentonitu, oxidů, nitridů, intermetalických sloučenin, plastů jsou nekovové částice se z nitridu boru, boridů, silicidů, a polymerů.
19. Těsnění podle nároku 15, v němž je obrušovatelný těsnící materiál v podobě vrstvy přizpůsobené k připojení k součásti plynové turbiny.
20. Těsnění podle nároku 19, v němž je vzor v těsnícím materiálu vzorem v ploše a do hloubky, kterou bude lopatka při vytváření těsnění obrušovat.

···· ^Λ·< BB '49 lif4 ·· • · »' · 4 · ·' ·' ·' Β *' * , · · · 9 444- · ·*·' © · · · » Β 9 9 9· . » 4 (upravený list)
21. Těsnění podle nároku 20, v němž je hloubka vzoru v rozmezí od asi 0,01 do 0,1 palce (od asi 0,0254 cm do 0, 254 cm).
22. Těsnění podle nároku 20, v němž je na obou stranách vzoru neřezaný těsnící materiál.
23. Těsnění podle nároku 14, v němž je daný vzor zvolen ze skupiny skládající se z těsně od sebe rozmístěných otvorů, mřížoviny, proužků a linií probíhajících kolmo nebo rovnoběžně s těsněním.
24. Součást plynové turbiny zahrnující obrušovateíné těsnění mající pomocí laseru vyřezaný vzor do povrchu obrušovatelného těsnícího materiálu, schopného poskytnout zlepšenou obrušovatelnost v ploše tohoto vzoru.
25. Součást.podle nároku 24, v níž je obrušovatelný těsnící materiál kovovou slitinou.
26. Těsnění podle nároku 24, v němž je kovová slitina zvolena ze skupiny obsahující slitinu založenou na železu, na hliníku, na titanu, na niklu, na kobaltu, slitinu NiCr, slitinu NiCrAl, a slitinu MCrAlY, kde M je zvoleno ze skupiny skládající se z Ni, Co nebo Fe.
27. Těsnění podle nároku 26, v němž obrušovatelný těsnící materiál obsahuje nekovové částice.

• Φ 99 ·· fcě *Φ 99

9' Φ Φ' · Φ φ · ·> 9·

9 Φ< > Φ ΦΦΦΦ' · φΐφ · φφφ φφφφ φ φ (upravený list)
28. Těsnění podle nároku 27, v němž zvoleny ze skupiny skládající bentonitu, oxidů, jsou nekovové částice se z nitridu boru, boridů, silicidů, nitridů, intermetalických sloučenin, plastů, polymerů a jiných organických sloučenin.
29. Těsnění podle nároku 25, v němž je obrušovatelný těsnící materiál v podobě vrstvy připojené k součásti plynové turbiny.

Těsnění podle nároku 25, v němž obrušovatelný materiál je za tepla nastříkaným pláštěm.

těsnící
31. Těsnění podle nároku 24, v němž je daný vzor v ploše a do hloubky, kterou bude lopatka při . vytváření těsnění obrušovat.
32. Těsnění podle nároku 31, v němž je hloubka vzoru v rozmezí od asi 0,01 do 0,1 palce (od asi 0,0254 cm do 0,254 cm).
33. Těsnění podle nároku 31, v němž je na obou stranách vzoru neřezaný těsnící materiál.
34. Těsnění podle nároku 24, v němž je daný vzor zvolen ze skupiny skládající se z těsně od sebe rozmístěných otvorů, mřížoviny, proužků a linií probíhajících kolmo nebo rovnoběžně s těsněním.