DE60209825T2

DE60209825T2 - Abreibbare Beschichtung und Produktionsverfahren

Info

Publication number: DE60209825T2
Application number: DE60209825T
Authority: DE
Inventors: Yrene L. Nava; Zaher Z. Mutasim
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: US6533285B2; EP1229252A2; EP1229252A3; DE60209825D1; US20020145258A1; EP1229252B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine abreibbare Beschichtung und insbesondere Anwenden einer solchen abreibbaren Beschichtung in einer Turbomaschine.
Stand der Technik
In Turbomaschinen wie Zentrifugalkompressoren, Axialkompressoren und Turbinen, sind Drehschaufeln an einer Rotorvorrichtung angebracht oder integral damit ausgebildet. Eine Hülle, welche die Drehschaufeln umgibt, wirkt in Verbindung mit den Drehschaufeln, um ein unter Druck stehendes Strömungsmittel in einer bestimmten Richtung fließend zu halten. Unter Druck stehendes Strömungsmittel tendiert dazu, sich auf Gebiete mit geringem Druck hin zu bewegen. In vielen Fällen wird unter Druck stehendes Strömungsmittel durch Ausströmen zwischen den Schaufeln und der Hülle zu einer Region mit geringerem Druck fließen.
Um die Strömung von unter Druck stehenden Strömungsmitteln zu reduzieren und dadurch die Effizienz der Turbomaschine zu erhöhen, müssen Zwischenräume zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse auf ein Minimum reduziert werden. In US-A-6,039,535 wird eine Dichtung auf der Hülle eines Zentrifugalkompressors platziert. Die Dichtung umfasst einen Teil, welcher mit einem abreibbaren Material überzogen ist. Eine Leitschaufel erstreckt sich von dem Rotor zu naher Nähe mit dem abreibbaren Material. Die Leitschaufeln sind derart ausgebildet, dass sie eine Nut in der abreibbaren Beschichtung bilden, wenn die Turbomaschine einen Betriebszustand erreicht. Durch Bildung der Nut bilden die Leitschaufel und die Dichtung sehr enge Toleranzen. Jedoch trägt sich das abreibbare Material durch Schälen nach und nach von dem Rotor ab.
Ähnlich sind, in einer Rotationsmaschine mit axialem Fluss die Leitschaufeln der Dichtung an Spitzen der Schaufeln platziert. Eine abreibbare Dichtung ist an der Hülle angebracht. In US-A-4,867,639 ist die abreibbare Dichtung ein weiches keramisches Material in einem Waben-Substrat. Jedoch können Keramiken teuer und kompliziert sein. Während die Kosten und Komplexität bei Temperaturen oberhalb von 1260°C (2300 F) benötigt werden können, werden abreibbare Dichtungen mit geringeren Kosten und geringerer Komplexität, gutem Abnutzungswiderstand bzw. guter Verschleißfestigkeit für Anwendungen bei niedrigerer Temperatur benötigt. EP-A-0 821 072 offenbart eine hochgradig abnutzungsfeste Aluminium-basierte zusammengesetzte Legierung und abnutzungsfesten Teil oder Komponente wie einen Rotor oder Gehäuse, nicht ein abreibbares Beschichtungsmaterial. Mit der abnutzungsfesten aluminium-basierten zusammengesetzten Legierung wird die Menge an Abnutzung eines entgegengesetzten auf Fe basierenden Materials verringert, verglichen mit anderen konventionellen abnutzungsfesten Aluminiumlegierungen. Die zusammengesetzte Legierung hat eine Struktur, in welcher mindestens entweder eine dispersive Phase, welche aus einer Kuppe, welche aus kartenfeinen Teilchen oder Festschmiermittel-Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 μm oder weniger besteht, wird in einer Aluminiumlegierungs-Matrix, welche Quasikristalle enthält, dispergiert. Die Legierung wird durch einen Pulvermetallurgie-Prozess hergestellt, und ist derart ausgebildet, dass sie ein abnutzungsfestes Teil, nicht eine abreibbare Beschichtung, bildet.
Ferner offenbart EP-A-1 036 855 eine termisch gesprühte Beschichtung, welche mit einer Quasikristall-enthaltenden Legierung ausgebildet ist, wobei die Legierung im Wesentlichen aus, in Gewichtsprozent, 10 bis 45 Cu, ungefähr 7 bis 22 Fe, 0 bis 30 Cr, 0 bis 30 Co, 0 bis 20 Mi, 0 bis 10 Mo, 0 bis 7,5 W und im Rest aus Aluminium mit möglicherweise vorkommenden Verunreinigungen bestehen. Die Legierung enthält weniger als 30 Gewichtsprozent psi-Phase und mindestens 65 Gewichtsprozent Delta-Phase. Die Beschichtung hat eine Makrohärte von weniger als HR15Y 90.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Überwindung von einem oder mehr der oben genanten Probleme ab.
Offenbarung der Erfindung
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Turbomaschine gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Die Turbomaschine der vorliegenden Erfindung hat eine verbesserte Effizienz.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine abreibbare Beschichtung zur Anbringung auf einer Turbomaschine gemäß Anspruch 10 vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen erhalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 bildet eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Kompressors für einen Gasturbinenmotor, welcher die vorliegende Erfindung ausführt; und
2 ist eine erweiterte Zeichnung eines Dichtungsteils des Kompressors zwischen einem Gehäuse und Schaufeln.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
In dieser Anmeldung umfasst eine Turbomaschine 10, wie in 1 gezeigt, eine Welle 12, welche an einem Rotor oder einer Scheibe 14 angebracht ist. Als Beispiel wird die Turbomaschine als ein Abschnitt eines axialen Kompressors 10 eines Gasturbinenmotors (nicht gezeigt) gezeigt. Die Welle 12 und der Rotor 14 sind im Allgemeinen koaxial um eine Mittenachse 18. Der Rotor 18 hat eine Vielzahl von Schaufeln 20, welche sich radial von einer Peripherie der Scheibe erstrecken. Die Schaufeln 20 können auch integral mit dem Rotor 14 sein. Die Schaufeln 20 haben einen Anbringungsteil 24 benachbart zur Peripherie 22 und einen Spitzenteil 26.
Eine Hülle oder Gehäuse 28 von im Wesentlichen zylindrischer Form ist benachbart zu dem Spitzenteil 26 und konzentrisch um die Mittelachse 18 angeordnet. Die Hülle hat eine Vielzahl von Statoren oder Flügel 29, welche sich einwärts von der Hülle 28 erstrecken.
Wie in 2 gezeigt, wird eine Dichtungsregion 32 zwischen dem Spitzenteil 26 und der Hülle 28 ausgebildet. Konventionell erstreckt sich eine Vielzahl von Leitschaufeln 30 auswärts von dem Spitzenteil 26 auf die Hülle 28 zu. Die Dichtungsregion 32 umfasst eine abreibbare Beschichtung 34. Alternativ können die Leitschaufeln 30 auf der Hülle 28 einwärts erstreckend platziert sein, mit dem Spitzenteil 26, welcher die abreibbare Beschichtung 34, aufgebracht in einer konventionellen Art wie Luftplasma-Spray oder Flammenspray wendet die abreibbare Beschichtung 34 zu einer Dicke zwischen 0,020 bis 0,080 Zoll (0,5 bis 2,0 mm) an. Die abreibbare Beschichtung 34 ist oxidationsresistent bis zu einer Temperatur von ungefährt 900° F (482° C) und maschinell zu einer relativ glatten Oberfläche von ungefähr 64 bis 100 Ra (μin) bearbeitbar. Während ein axialer Kompressor gezeigt ist, kann jede Turbomaschinerie, welche rotierende Schaufeln 20 und eine Hülle 28 aufweist, von der vorliegenden Erfindung profitieren, wie eine Turbine oder ein Zentrifugalkompressor.
Die abreibbare Beschichtung 34 für diese Anwendung enthält ein festes Schmiermittel und eine Metalllegierung, welche eine quasikristalline Phase hat. Das feste oder trockene Schmiermittel kann aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, kalziniertem Bentonit bzw. Lehm oder einer Kombination von einem oder mehreren der Genannten ausgewählt werden. Die Metalllegierung in dieser Anwendung ist aluminiumbasiert. Jedoch können andere oxidationsresistente Legierungen, welche quasikristalline Strukturen aufweisen, verwendet werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die abreibbare Beschichtung 34 ungefähr 2-16 Gewichts-% Kupfer, 5-20 Gewichts-% hexagonales Bornitrid, 3-7 Gewichts-% Silizium, 1-9 Gewichts-% Chrom 1-12 Gewichts-% Eisen, 3-7 Gewichts-% Polyester mit einen Rest, welcher aus Aluminium und Spuren von andern Elementen besteht, vor der Anwendung auf den Dichtungsteil 32. Tabelle 1 zeigt Vergleiche von rub- rig- bzw. Abreib-Tests von verschiedenen Ausführungsbeispielen der abreibbaren Beschichtung 34 mit existierenden kommerziellen Beschichtungen.
TABELLE 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist der Wert der Temperaturspitze anzeigend für Abreibbarkeit und Reibungskoeffizient, wenn die Leitschaufel 30 gegen die Hül le 28 reibt. Während solche Reibungen bei Umgebungstemperaturen von 65° F unwahrscheinlich sind, soll der Kompressor 10 dazu in der Lage sein, solchen Bedingungen zu widerstehen. Die kommerzielle Beschichtung 2 zeigt eine geringe Temperaturspitze bei 65° F, aber die kommerzielle Beschichtung 2 ist spröde aufgrund ihrer quasikristallinen Struktur und tendiert dazu, während des Testens auszufallen, insbesondere bei erhöhter Temperatur von 900 F. Die kommerzielle Beschichtung 1 lieferte eine hohe Temperaturspitze bei 65 F. Beschichtungen 1 und 2 zeigen moderate Temperaturspitzen über den gesamten Bereich von 65 F bis 900 F.
Eine weitere Art des Testens von Abreibbarkeits-Charakteristik umfasst die Messung der Veränderung im Gewicht von Schaufeln und Hüllen. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, zeigen Beschichtungen 1 und 2 vernachlässigbare Gewichtsänderungen bei der erhöhten Temperatur 900 F. Die kommerzielle Beschichtung 2 zeigt signifikanten Abrieb und Ausfall quer durch die Temperaturen von 65 F bis 900 F. Die kommerzielle Beschichtung 1 liefert ähnliche Ergebnisse zu denjenigen von den Beschichtungen 1 und 2. Jedoch liefern die Beschichtungen 1 und 2 bessere Oxidationsresistenz und Gesamtperformance über den gesamten Temperaturbereich von 65 F bis 900 F. Weiteres Testen würde zeigen, dass die Gesamtheit in Gewichtsprozent von hexagonalem Bornitrid zwischen ungefähr 5 Gewichts-% und 20 Gewichts-% der abreibbaren Beschichtung variieren kann. Jedoch liefern Bereiche von ungefähr 12 % und darüber verbesserte Abreibbarkeit über einen größeren Temperaturbereich.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Reduzierung von Ausströmung bzw. Leckage zwischen den Schaufeln 20 und der Hülle 28 verbessert wesentlich die Effizienz der Turbomaschinerie 10. Die rotierenden Leitschaufeln 30 reiben eine Nut in die abreibbare Beschichtung 34, wobei der Zwischenraum zwischen den Schaufeln 20 und der Hülle 28 reduziert wird. Reduzierte Zwischenräume verhindern, dass unter Druck stehende Strömungsmittel zu Regionen mit niedrigerem Druck aus treten. Kombination der Eigenschaften des festen Schmiermittels und Aluminium-basierter Legierung, welche eine quasikristalline Struktur aufweist, unterstützt vorteilhafte Abreibeigenschaften von ungefähr 65 F bis 900 F in dem Fall, dass Schaufelabriebe auftreten sollten, bevor Betriebsbedingungen erreicht werden. Feste Schmiermittel reduzieren Reibungskoeffizienten und reduzieren somit Wärmeerzeugung. Quasikristalline Materialien reduzieren Reibungskoeffizienten und verbessern Abreibbarkeit. Jedoch tendieren quasikristalline Materialien dazu, strukturellen Veränderungen zu erliegen, wenn sich die Temperatur erhöht. Die Reduzierung von Wärmeerzeugung unter Verwendung von festen Schmiermitteln erlaubt die Erweiterung von Betriebsbedingungen für das quasikristalline Material.

Claims

Eine Turbomaschine (10), welche verbesserte Effizienz hat, wobei die Turbomaschine folgendes aufweist: Einen Rotor (14), welcher eine Vielzahl von Schaufeln (20) aufweist; eine Hülle (28), welche radial auswärts von dem Rotor beabstandet ist; ein Dichtungsteil (32), welcher zwischen der Hülle und dem Rotor angeordnet ist; eine abreibbare Beschichtung (34), welche mindestens einen Teil des Dichtungsteils bedeckt, wobei die abreibbare Beschichtung ein festes Schmiermittel und eine Metalllegierung, welche eine quasikristalline Phase hat, aufweist, und Silizium umfasst.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Metallegierung Aluminium enthält.
Die abreibbare Beschichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Silizium 3 bis 7 Gewichtsprozent der abreibbaren Beschichtung ausmacht.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei das feste Schmiermittel hexagonales Bornitrid ist.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 4, wobei das Bornitrid zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent der abreibbaren Beschichtung ausmacht.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die abreibbare Beschichtung im Wesentlichen auf das Gewicht bezogen folgendes aufweist: 2-16 Prozent Kupfer, 5-20 Prozent festes Schmiermittel, 3-7 Prozent Silizium, 1-9 Prozent Chrom, 1-12 Prozent Eisen, 3-7 Prozent Polyester mit einem Rest, welcher aus Aluminium und Spuren von anderen Elementen besteht.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Turbomaschine (10) ein Axialkompressor ist.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die abreibbare Beschichtung (34) mit der Hülle (28) verbunden ist.
Die Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die abreibbare Beschichtung eine Dicke von zwischen 0,020 und 0,080 Zoll (0,5 bis 2,5 mm) aufweist.
Eine abreibbare Beschichtung (34) zur Platzierung auf einer Turbomaschine (10), wobei die abreibbare Beschichtung auf das Gewicht bezogen aus Folgendem besteht: 2-16 Prozent Kupfer; 5-20 Prozent festes Schmiermittel; 3-7 Prozent Silizium; 1-9 Prozent Chrom; 1-12 Prozent Eisen; 3-7 Prozent Polyester; Rest zusammengesetzt aus Aluminium und Spuren von anderen Elementen, wobei mindestens ein Teil von Aluminium in einer quasikristallinen Phase ist.
Die abreibbare Beschichtung gemäß Anspruch 10, wobei das feste Schmiermittel hexagonales Bornitrit ist.