DE2937463A1

DE2937463A1 - Dichtung fuer turbinentriebwerksmantel

Info

Publication number: DE2937463A1
Application number: DE19792937463
Authority: DE
Inventors: Paul Alfred Siemers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-15
Publication date: 1980-04-03
Also published as: IT7925707A0; FR2436882B1; NL7907005A; FR2436882A1; GB2033972B; JPS6227242B2; GB2033972A; US4247249A; JPS5543282A; IT1123143B

Description

Dichtung für Turbinentriebwerksmantel

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Triebwerke mit einem Mantel, der die Spitzen der
Rotorschaufeln in dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes umgibt. In einem derartigen Gasturbinentriebwerk werden Druckluft und
Treibstoff in einer Brennkammer verbrannt, um den hindurchströmenden Gasen thermische Energie zuzuführen. Das aus der Kammer
austretende Arbeitsmittel sind Gase hoher Temperatur, die stromabwärts in einer ringförmigen Strömungsbahn durch den Turbinenabschnitt des Triebwerkes strömen. Führungsschaufeln am Eingang der Turbine richten die Gase auf eine Vielzahl von Schaufeln, die von dem Triebwerksrotor radial nach außen ragen. Ein
von dem Triebwerksgehäuse getragener ringförmiger Mantel umgibt die Spitzen der Rotorschaufeln, um die zur Strömungsbahn hindurchströmenden Gase einzuschließen. Der Spielraum zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantel wird möglichst klein gemacht, um eine Leckage der Gase um die Schaufelspitzen herum zu verhindern.

Ein begrenzender Faktor in vielen Triebwerkskonstruktionen ist
die maximale Temperatur der Gase,, die in der Turbine zugelassen werden kann, ohne daß die Lebensdauer der einzelnen Komponenten nachteilig eingeschränkt wird. Die Mäntel, die die Spitzen der
Rotorschaufeln umgeben, sind besonders empfindlich für thermische Beschädigungen. Wegen der engen Spielräume zwischen den
Spitzen der Rotorschaufeln und den bogenförmigen Segmenten, die den Mantel bilden, und wegen der verschiedenen Beanspruchungen, denen die Triebwerkskomponenten ausgesetzt sind, tritt zusätzlich leicht ein Schleifen der Schaufelspitzen an der Dichtfläche des Mantelsegmentes auf. Somit muß das Mantelmaterial schleiffreundlich sein, so daß es die Schaufelspitzen nicht beschädigt und
nicht übermäßig abgeschliffen wird durch irgendeinen begrenzten Kontakt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Mantelmaterial für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen.

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Es wurde nun gefunden, daß eine Dichtfläche für eine Verwendung in einem Gasturbinentriebwerksmantelj der für Flugzeugtriebwerke und ähnliches verwendet werden kann, mit sowohl exzellenten Hochtemperatur- als auch Schleifeigenschaften hergestellt werden kann. Die den Schaufeln-spitzen gegenüberliegende Dichtfläche des Mantels ist aus einer amphoteren hochwarmfesten Oxidmatrix, einem Phosphatbinder und wahlweise einem Stabilisierer, Verstärkungs- und/oder Porositäts-Steuermittel gebildet.

Das Phosphat, das zum Verbinden der Mantelmatrixmaterialien gemäß der Erfindung geeignet ist, sollte bei den verwendeten Triebwerkstemperaturen oder bei Temperaturen oberhalb etwa 135O°C stabil sein. Beispiele geeigneter Phosphate sind Aluminiumphosphat (AlPO^) und Zirkonpyrophosphat (Zr„P„0 ). Es können auch Mischungen von Phosphaten verwendet werden und desgleichen Phosphorsäure (H,PO^), da sie ein stabiles Phosphat während der Reaktion bildet.

Amphotere hochwarmfeste Oxide, die als Matrixmaterialien verwendet werden können, sind solche, die bei den erforderlichen hohen Temperaturen stabil sind, und vorzugsweise haben sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen des aus einer Superlegierung bestehenden metallischen Mantelblockes und desgleichen eine geringe thermische Leitfähigkeit, um weniger Kühlung zu erfordern. Weiterhin sind sie vorzugsweise stabil in sowohl oxidierenden als auch reduzierenden Umgebungen. Beispiele geeigneter Materialien sind Aluminiumoxid (Al„0 ), Ceroxid (CeO₂) , Thoriumoxid (ThO ), stabilisiertes Hafniumoxid (HfOp) und stabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO_?). Stabilisiertes Zirkoniumoxid ist bevorzugt, da sein thermischer Ausdehnungskoeffizient am nächsten liegt zu den derzeitig verwendeten Hochtemperatur-Flugzeugmetallen, und es hat eine geringe thermische Leitfähigkeit, so daß es weniger Kühlung erfordert als andere Materialien. Das Verhältnis des amphoteren Oxids zum Bindemittel kann.in den Bereich von etwa 8:1 zu 2:1 liegen.

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Verwendbare Stabilisierer sind solche, die bei den verwendeten Triebwerkstemperaturen oder bei Temperaturen oberhalb etwa 1350^oC stabil sind und die eine monokline in tetragonale Transformation in Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid verhindern. Derartige Stabilisierer umfassen Yttriumoxid (Y„0 ) Magnesiumoxid (MgO) und Kalziumoxid (CaO) oder ein Seltenes Erdoxid. Typische Seltene Erdoxide sind: Erbiumoxid, Europiumoxid, Scandiuraoxid und Ytterbiumoxid. Ytterbiumoxid ist bevorzugt insbesondere in Verbindung mit Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid. Die verwendete Menge an Stabilisierer hängt von dem jeweiligen Stabilisierer, dem Matrixmaterial und anderen Variablen ab, aber im allgemeinen wird eine Menge von 4 bis 50 Gew.-% des Matrixmaterials ausreichend sein. Zu den Feststoff-Füllmitteln für eine Steuerung der Verstärkung oder Porosität des Materials gehören eine Vielfalt von Materialien, die vorzugsweise enthalten, aber nicht immer erforderlich sind. Beispielsweise werden Materialien wie Graphit bei den hohen, in Turbinentriebwerken auftretenden Temperaturen verbrannt, aber sie sind nützlich bei der Steuerung der Porosität und der anschließenden Härte des verbundenen amphoteren hochwarmfesten Oxids. Andere Materialien wie Sägestaub oder Kunststoffüller dienen dem gleichen Zweck. Verstärkungsmaterialien, die nicht bei den auftretenden, erhöhten Temperaturen ausbrennen, umfassen Siliziumcarbidfasern (Whiskers), die zur Verbesserung der Bruchhärte und des thermischen Schockwiderstandes der Zusammensetzung dienen. Andere verwendbare Materialien sind faserartige hochwarmfeste Oxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid. Verstärkungsmaterialien, wie beispielsweise Siliziumcarbidfasern haben vorzugsweise eine Länge zwischen etwa 3 bis 10 mm, eine Dicke von etwa 0,04 bis 0,1 mm und eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm.

Die Teilchengrößen für die aus amphoteren hochwarmfesten Oxid bestehenden Matrixmaterialien reichen vorzugsweise etwa vom Submikronbereich bis zu 40 Mikron (Mikromillimeter), um für eine vollständigere Reaktion zu sorgen, obwohl auch größere Teilchen bis zu 100 Mikron als Füllstoffe verwendet werden können.

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Die Materialien werden dadurch hergestellt, daß das amphotere hochwarmfeste Oxid, das Phosphat enthaltende Material und eine Menge an Peststoff-Füllmaterial zwischen etwa 0 und etwa 2'j Gew.-? gemischt werden, die für die gewünschten Porositäts- und Schleifeigenschaften sorgen, und es wird genügend destilliertes Wasser zugesetzt, um eine gießbare Paste zu bilden, die gegossen werden kann. Die Paste wird zwischen etwa 4 und etwa 48 Stunden bei einer relativ niedrigen Temperatur zwischen etwa 80 und etwa 120 C erwärmt bis sie getrocknet ist, um die Paste einzustellen, und dann wird sie bei einer Zwischentemperatur zwischen etwa 12O¹" und etwa l60°C für etwa 1 bis 24 Stunden gehärtet, um den größten Teil des freien Wassers zu entfernen, und dann wird sie abschließend gehärtet bei einer erhöhten Temperatur zwischen etwa 500 und IQQQ⁰C für etwa 1 bis 2M Stunden, um das gesamte chemisch gebundene Wasser zu entfernen, so daß der Zement nicht wieder gelöst werden kann,,

Unter Verwendung üblicher Gießformen und Materialien kann das entstandene Material gegossen und in einem üblichen metallischen Mantelblock zementiert werden, um eine Dichtfläche und ein schleiffreundliches Mantelmaterial zu bilden.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsbeispiele. Alle Teile und Prozentangaben in den Beispielen und an anderen Stellen in der Beschreibung und den Ansprüchen sind Gew.-?, wenn nichts anderes gesagt ist.

Beispiel 1

In einen aus Kunststoff bestehenden Tiegel wurden 20 g Zirkonium oxid mit einer Größe der Teilchen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm {-325 mesh) hindurchfielen, stabilisiert mit 12 % Yp⁰^ {Zireonium Corporation of America), 5 g Zirkoniumoxid mit einer Submikron-Teilchengröße {Zircar Products Inc.) und 3,75 g von ^-SiC-Whiskers gegeben. Die Materialien wurden intensiv gemischt, um eine nahezu homogene trockene Mischung zu bilden. Dieser Mischung wurden 8 g von

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85 ?iger H PO^ und bis zu 2 g destilliertes Wasser zugesetzt, um eine gießbare Paste zu bilden, die in eine Gießform mit den Abmessungen 4,91 x 2,45 x 0,58 cm gegossen werden kann. Die Paste wurde bei 100°C für 4 Stunden in einem elektrischen Muffelofen erhitzt, bis die Paste eingestellt war, um frei-stehend zu werden. Sie wurde weiter erhitzt bei 150⁰C für zusätzliche zwei Stunden bis sie trocken war und weiter gehärtet bei 600°C für 4 Stunden. Das Material hatte eine Oberflächen-Rockwell-Härte von 93, wobei eine Stahlprüfkugel von 12,5 mm (1/2 Zoll) und eine Last von 15 kg verwendet wurden. Schleifversuche ergaben, daß das Material eine gute Abschleifbarkeit hat. Das Material hatte eine offene Porösität von etwa 30 %.

Von dem Stab wurde dann ein Prüfling mit einem Diamantrad abgeschnitten und die Integrität des Prüflinges wurde aufrechterhalten, wenn es wiederholt bis nahe zur Weißglut in einer Säuerstoff-Me^thanflamme erhitzt und sofort in kaltes Wasser eingetaucht wurde. Somit hatte das Material eine exellente thermische Schockbeständigkeit.

Beispiel 2

In einen Kunststoffbehälter wurden 20 g von Zirkoniumoxid mit einer Größe der Teilchen,die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,045 mm (-325 mesh) hindurchfielen, stabilisiert mit 12 % YpO, ^und 3 E ^-SiC-Whisker gegeben. Das Material wurde trocken intensiv gemischt, und dieser Mischung wurden 10 g -Lösung zugegeben. Das Material wurde in eine GießPO^)

form mit den Abmessungen 5,32 χ 2,53 x 0,63 cm gepackt, die für 12 Stunden bei 80⁰C, 2 Stunden bei 100°C und 2 Stunden bei 120⁰C erhitzt wurde, bis es vollständig angezogen hatte bzw. stand. Eine zusätzliche Erwärmung für 2 Stunden bei 200⁰C und 6 Stunden bei 600⁰C vervollständigte die Wärmebehandlung. Das ausgehärtete Material hatte eine Dichte von 2,74 g/cnr und eine gute Feststofferosionsbeständigkeit.

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Beispiele 3 ~ 5

In einem aus Kunststoff bestehenden Tiegel wurden 20 g Oxid oder Hydroxid von Thorium, Hafnium oder Zer mit einer Größe der Teilchen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,0^5 mm (-325 mesh) hindurchfielen, und 3 g »x -SiC-Whisker gegeben. Die Materialien wurden trocken intensiv gemischt, um eine homogene Mischung zu bilden, und dieser Mischung wurden 8 g Phosphorsäure oder 10 g A1(H„PO.) · zugesetzt. Die Materialien wurden weiter gemischt, um eine Paste oder eine gießbare Mischung zu bilden, und in die gewünschte Form oder den Mantelblock für die Triebwerksturbine gegossen. Eine Wärmebehandlung von H - 25 Stunden bei einer Temperatur von 80 - 120⁰C bewirkte ein Abbinden bzw. ein Einstelle^und eine weitere graduelle Erwärmung auf 600⁰C bewirkte ein endgültiges Aushärten. Die Endmaterialien hatten im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie. die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Materialien, aber die thermischen Ausdehnungskoffizienten sind ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten hochwarmfesten Oxids.

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Claims

Ansprüche

Iy Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit mehreren endseitig benachbart angeordneten bogenförmigen Segmenten, die die Spitzen der Rotorschaufeln des Triebwerkes umgeben, wobei jedes Segment eine den Schaufelspitzen gegenüberliegende Dichtfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtfläche aus (a) einer amphoterischen hochwarmfesten Oxidmatrix von ZrO , Al„0 , Ce₃O, ThO₂, HfOp oder Mischungen davon, (b) einem Phosphatbindemittel, das oberhalb 135O°C stabil ist, wobei das Gewichtsverhältnis von der Oxidmatrix zu dem Phosphatbindemittel in dem Bereich von 2:1 bis 8:1 liegt, und wahlweise (c) bis zu 50 % (auf der Basis des Gewichtes des Matrixmaterials) aus einem Stabilisierer, der aus YpO.,, MgO, CaO, Seltenen Erdoxiden oder Mischungen davon ausgewählt ist, und (d) bis zu 25 % (auf der Basis des Gewichtes des Matrixmaterials) aus einem Füllstoff gebildet ist.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das amphoterische hochwarmfeste Oxid ZrO ist.

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3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß 4 bis 50 % ^₂O ^{als e}^ⁿ Stabilisierer verwendet ist.
¹J. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischung von Η-,ΡΟ^ und AIPO^ als Phosphat verwendet ist.
5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als ein Füllstoff Graphit, Siliziumcarbidfasern oder eine Mischung davon verwendet ist.
6. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungsfläche ZrOp stabilisiert mit Υ,-,0.,, H,to,, und Siliziumcarbidfasern ist.

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