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Die
Erfindung betrifft allgemein rotierende Labyrinthdichtungen und
im Besonderen rotierende Labyrinthdichtungen mit einer verbesserten
Bearbeitbarkeit zur Anwendung in Gasturbinentriebwerken für den Antrieb
von Luftfahrzeugen.
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Rotierende
Labyrinthdichtungen haben eine große Anwendungsbreite und eine
solche Anwendung ist die Beeinflussung der Abdichtung zwischen den
Hohlräumen
mit unterschiedlichen Drücken
in Gasturbinentriebwerken. Solche Dichtungen bestehen im Allgemein
aus zwei grundlegenden Elementen, d.h. einer rotierenden Dichtung
und einer feststehenden Dichtung oder einer Abdeckung. Die im Querschnitt
parallel zur axialen Länge
des Triebwerks rotierende Dichtung, weist häufig Reihen von dünnen zahnartigen
Vorsprüngen
auf, die sich radial ausgehend von einer relativ dickeren Basis
gegen die feststehende Dichtung oder Abdeckung erstrecken. Die feststehende
Dichtung oder Abdeckung wird normaler Weise von einer dünnen Waben-Band-Anordnung für Düsentriebwerksanwendungen
umfasst. Diese grundlegenden Elemente sind im Allgemeinen um die
axiale (längsgerichtete)
Ausdehnung des Triebwerks auf dem Umfang angeordnet und werden mit
einem kleinen radialen dazwischenliegenden Spalt positioniert, um
das Zusammenfügen
von rotierenden und feststehenden Komponenten zu erlauben. Der Zweck
der Labyrinthdichtungs-Anordnung ist es, die Gasbereichs-Ausströmung aus
dem primären
Gasbereich zu minimieren, und die unterschiedlichen Stufen des Verdichters,
die bei verschiedenen Temperaturen und Drücken liegen, zu trennen.
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Zu
einem beträchtlichen
Ausmaß hängt die Triebwerkseffizienz
von der Minimierung dieser Gasleckströmungen durch die Kontrolle
des Gasflusses zur Maximierung der Wechselwirkung zwi schen dem Gasstrom
und den Komponenten im Primär-Gasbereich,
um die rotierenden Komponenten herum ab. Die Effektivität des Turbinentriebwerks
variiert direkt mit dem Anteil an Gas, der auf die Laufschaufeln
der rotierenden Bestandteile auftrifft. Engere Toleranzen zwischen
den rotierenden und den feststehenden Dichtungen bewirken größere Effizienzen.
Der Herstellungsprozess, um diese engeren Toleranzen zu erhalten,
ist extrem kostspielig und zeitaufwändig.
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Wenn
das Gasturbinentriebwerk betrieben wird, verursachen die erhöhten Betriebstemperaturen
der einander gegenüberliegenden
feststehenden und rotierenden Dichtungen, so wie jene in den rotierenden
Labyrinthdichtungen, eine in radialer Richtung aufeinander zu gerichtete
Ausdehnung. Die rotierenden Labyrinthdichtungen dehnen sich radial aus
und reiben sich in die Abdeckung ein, wobei zwischen den dünnen Überständen der
rotierenden Dichtung und der Abdeckung eine reibende Berührung entsteht.
Während
des Anlaufens liegt eine hohe thermische Verdichtung vor, mit einer
sich nach dem Anlaufen ergebenden hohen verbleibenden Dehnungsbeanspruchung.
Diese reibende Berührung
verursacht die Erhöhung
der Temperaturen der Dichtungszähne
von mehr als 1093° C
(2000° F)
mit dem daraus möglicher
Weise resultierenden Schaden an einer oder beiden Dichtungsgliedern.
Zum Beispiel können
die rotierenden Spitzen rissig werden oder abbrechen, was die Dichtungseffizienz
und den Betrieb des Triebwerks wesentlich beeinträchtigt.
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Die
dünne Waben-Band-Konstruktion
der Abdeckung wird genutzt, um den Oberflächenbereich, auf dem die Dichtungszähne anlaufen
zu reduzieren, während
das Gewicht der Struktur reduziert wird, und hilft die in die rotierende
Dichtung übertragene
Wärme zu
minimieren während
sie zugleich die erforderliche Festigkeit erbringt. Zusätzlich werden die
Zahnspitzen der rotierenden Labyrinthdichtung dünn gestaltet, um diese von
der Trägerbasis
oder der Mantelstruktur thermisch zu isolieren. Jedoch kann die überschüssige Wärme von
tiefen Abrieben (sogar in die Wabe hinein) während des Startens des Triebwerks
und während
Bewegungen des Triebwerks die rotierenden scharfen Dichtungskanten
beschädigen,
und dadurch die Dauerhaftigkeit und die Triebwerkseffizienz negativ
beeinträchtigen
und einen Leckpfad für
den Gasfluss bilden. Weiterhin kann sich eine Übertragung von Material ereignen,
welche die Eigenschaften der Dichtung ebenfalls verschlechtert.
Das Einschneiden, sogar in die Wabenzellen von geringer Dichte,
kann dennoch Schaden an den rotierenden Dichtungszähnen hervorrufen,
was zu einem vorzeitigen Ausscheiden des Teils führt.
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Verschiedene
Beschichtungstechniken, zum Beispiel
US-Patent-Nr. 5,314,304 von
Wiebe, wurde eingesetzt, um den innenseitigen Durchmesser der Statorabdeckung
mit einer abtragbaren Beschichtung zu beschichten, in dem Versuch
sowohl die Betriebsdauer als auch die Betriebseffizienzen zu verbessern.
Die abtragbare Beschichtung kann durch Reibkontakt von der rotierenden
Dichtung abgetragen werden, wodurch ein eng angepasster Kanal geschaffen
wird, in dem sich die rotierende Dichtung bewegen kann und die Effizienzen
erhalten bleiben. Ein Problem mit einem abschleifbaren Beschichtungssystem
ist, dass sich das abtragbare Material durch das Füllen der
Zellen der Wabe mit dem abtragbaren Material, über die Zeit, von dem Wabensubstrat
als Ergebnis der Temperaturwechsel separieren kann. Die abtragbaren
Füllstoffe
können
sich dann an den stromabwärts
gelegenen Laufschaufeln reiben, was Triebwerksvibrationen verursacht.
Andere Probleme beinhalten unzureichende Abdichtung, die Vergrößerung der
zusammengefügten
Teile, die Erhöhung
der Temperatur der Rotorzähne
als Ergebnis des Abtrags durch Reibung, induziert durch den Kontakt
mit der abtragbaren Beschichtung, und lokale „Hot-Spots" mit dem daraus resultierenden Verbrennen
der nicht abtragbaren Teile.
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Kobayashi
et al. spricht im
US-Patent 6,039,535 auch
das Problem der Leistung von Labyrinthdichtungen für einen
Zentrifugalverdichter an. Eine abtragbare Beschichtung wird über dem
Gehäuse
aufgebracht. Die verbesserte Dichtung wird durch die Anbindung einer
zusätzlichen
Schicht aus abtragbarem Material auf dem Substratmaterial des Gehäuses gebildet.
Die Spaltweiten im Verdichter werden so festgelegt, dass die Spitzen
der rotierenden Dichtung das Substratmaterial des Gehäuses nicht
berühren,
sondern eher nur Kontakt zu der abtragbaren Beschichtung oberhalb
des Gehäuses
haben. Die Gesamtdicke des Gehäuses
und der Beschichtung wird vergrößert, um
den Spalt zwischen dem Substratmaterial des Gehäuses und der rotierenden Labyrinthdichtung
aufzufüllen.
Kobayashi et al. offenbaren jedoch nicht die Verwendung eines dünnen bandartigen
Wabenmaterials für
das Gehäuse
und haben deshalb die mit der Bildung eines Wabenmaterials aus dünnen duktilen
Blechen und der nachfolgenden Aufbringung einer abtragbaren Beschichtung
auf dem Wabenmaterial verbundenen Probleme nicht erkannt.
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Andere
Anstrengungen zur Vergrößerung der
Triebwerkseffizienten haben die Beschichtung der Dichtungszähne beinhaltet.
Zum Beispiel ist das
US-Patent
5,603,603 von Benoit et al. auf die Aufbringung einer abtragbaren
Zahnbeschichtung auf die Dichtungszähne gerichtet und
US-Patent 4,884,820 von Jackson et
al. ist auf die Bindung einer keramischen oder metallischen Beschichtung
der Dichtungszähne
gerichtet.
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Ein
anderer Ansatz, der die Zahndauerhaftigkeit von rotierenden Dichtungen
anspricht, bestand darin, die Dichtungszähne gegenüber Defekten, wie gutartigen
Rissen, die sich aufgrund der Reibung bilden, toleranter zu machen.
Das
US-Patent 5,143,383 von
Glynn et al. betrifft die Abstufung des Zahnprofils, um als Riss-Fänger zu
wirken. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es von einer relativ niedrigen
mittleren Belastung und Belastungsbereich abhängt, um das Risswachstum während der
erwarteten Lebensdauer des typischen Gasturbinenteils auf eine kritische
Größe zu verhindern.
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Das
US-Patent 4,060,250 von
Davis at al. ist auf Zentrifugalverdichter von Nicht-Luftfahrzeugen gerichtet,
in welchen die drehenden Elemente aus Kohlenstoffstahl mit Inlays
versehen oder mit einer korrosions- und hitzebeständigen Legierung
beschichtet sind, wie einer chromhaltigen Nickelbasis-Legierung,
die hinzugefügt
wird, um den darunter liegenden Stahl. mit geringem Kohlenstoffgehalt
vor der Entzündung
zu schützen.
Die Oberfläche
der drehenden zylindrischen Teile ist durch diese metallurgisch
aufgeschmolzene schützende
Legierungsbeschichtung gekennzeichnet.
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Während viel
Anstrengung auf die Verbesserung der Rotationsstruktur von Dichtungsanordnungen
gerichtet wurde, besteht ein beständiger Bedarf für verbesserte
Bauformen für
rotierende Labyrinthdichtungsstrukturen, einschließlich von
Verbesserungen, die auf die feststehenden Strukturen gerichtet sind,
um sowohl die Betriebsdauer als auch die Betriebwerkseffizienzen
im Betrieb zu vergrößern. Die vorliegende
Erfindung erfüllt
dieses Bedürfnis
und sorgt für
weitere damit verbundene Vorteile.
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Entsprechend
dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Wabendichtung mit reduzierter Schneidenergie und einer verbesserten
Temperaturbelastbarkeit zur Anwendung im stationären Abschnitt einer Labyrinthdichtung
eines Turbinentriebwerks geschaffen, mit den Schritten der
Ausbildung
einer Wabendichtung aus einem dünnen Band
vorgewählter
Dicke eines aus der Ni-, Co und Fe-basierten Superlegierung bestehenden
Gruppe ausgewählten
Metallsubstratmaterials;
Auswahl eines leichtgewichtigen leicht
diffundierbaren Elements, das in der Lage ist, die Bearbeitbarkeit des
Substratmaterials bis auf eine effektive Tiefe durch Reduzieren
seiner Duktilität
zu verbessern;
Aussetzen der Wabendichtung gegenüber dem leichtgewichtigen
leicht diffundierbaren Element bei einer erhöhten Temperatur, um dadurch
das leicht diffundierbare Element in das Substratmaterial bis zu einer
effektiven Tiefe zu diffundieren, um eine zerbrechliche Beschichtung
auszubilden, die sich bis zu der das duktile Substrat überdeckenden
effektiven Tiefe erstreckt, während
gleichzeitig die effektive Umgebungsbeständigkeit der Wabendichtung
erhalten bleibt, indem die effektive Dichte auf einem Prozentsatz
der Banddicke begrenzt wird.
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Entsprechend
einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Wabendichtung mit einer
reduzierten Schneidenergie und einer verbesserten Temperaturbelastbarkeit
hergestellt durch die Schritte
Ausbildung einer Wabendichtung
aus einem dünnen Band
vorgewählter
Dicke eines aus der Ni-, Co und Fe-basierenden Superlegierung bestehenden
Gruppe ausgewählten
Metallsubstratmaterials;
Auswählen eines leichtgewichtigen
leicht diffundierbaren Elements, das in der Lage ist, die Bearbeitbarkeit
des Substratmaterials bis auf eine effektive Tiefe durch Reduzieren
seiner Duktilität
zu verbessern;
Aussetzen der Wabendichtung gegenüber dem leichtgewichtigen
leicht diffundierbaren Element bei einer erhöhten Temperatur, um dadurch
das leicht diffundierbare Element in das Substratmaterial bis zu einer
effektiven Tiefe zu diffundieren, um eine zerbrechliche Beschichtung
auszubilden, die sich bis zu der das duktile Substrat überdeckenden
effektiven Tiefe erstreckt, während
gleichzeitig die effektive Umgebungsbeständigkeit der Wabendichtung
erhalten bleibt, indem die effektive Dichte auf einem Prozentsatz
der Banddicke begrenzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, um die Bearbeitbarkeit
der Waben des stationären
Abschnitts einer Labyrinthdichtung zu verbessern. Die verbesserte
Bearbeitbarkeit des stationären
Abschnitts der Labyrinthdichtung, bezeichnet als Abdeckung, resultiert
in einer Verringerung der gemessenen Temperatur der Zahnspitze der
rotierenden Dichtungszähne
des rotierenden Abschnitts der Labyrinthdichtung, während die
hohe Temperaturbelastbarkeit der rotierenden Labyrinthdichtung aufrecht
erhalten bleibt oder sich sogar verbessert, um so die Betriebsumgebung
nicht einzuschränken.
Die Dichtungsfunktionalität
der rotierenden Labyrinthdichtung ist unbeeinträchtigt und in einigen Beispielen
durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung sogar verbessert.
Die verbesserte Bearbeitbarkeit der Abdeckung resultiert in einer
geringeren Reibung zwischen der Abdeckung und den rotierenden Zähnen, wodurch
der Schaden an den Zähnen
reduziert wird.
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Nach
der Bildung einer als Dichtung oder Abdeckung verwendeten Wabe aus
einem dünnen Band
eines duktilen Substratmaterials, wie einem Superlegierungsmaterial,
ist die Bearbeitbarkeit der Wabe durch die Auswahl eines leichgewichtigen
diffundierbaren Elementes, das in der Lage ist die Duktibilität des Substratmaterials
zu beeinflussen, indem es diese zerbrechlicher macht, vergrößert, einfacher gesagt,
indem es diese dazu bringt, sich bei einem Bearbeitungsvorgang in
kleine Teile zu aufzulösen. Das
leichtgewichtige diffundierbare Element wird bei einer vorgewählten und
erhöhten
Temperatur in das Wabenbandsubstrat hinein diffundiert, um zu bewirken,
dass sich eine Beschichtung auf oder unter der Oberfläche des
Substrates bildet. Diese Beschichtung veranlasst, dass die Oberfläche der
Wabe mechanische Eigenschaften aufweist, die von den nicht beeinflussten
und darunter liegenden Substratabschnitten der Wabe verschieden
sind. Die Beschichtung vermittelt jenem Substratabschnitt, in den
sie hineingewachsen ist, eine verbesserte Bearbeitbarkeit, während auch
die Duktibilität
der Substratoberfläche reduziert
wird. Die in die Substratoberfläche
hineingewachsene Beschichtung hat eine effektive, vorgewählte Tiefe,
die gering ist.
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Jedoch
ist die dünne
Beschichtung fragil, während
das darunter liegende Substrat der Abdeckung duktil bleibt. So haben
die äußeren Abschnitte der
Wabendichtung mit der dünnen
Beschichtung andere Bearbeitungseigenschaften als das darunter liegende
Basismaterial des Substrates der Abdeckung.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet auch die Stator-Wabenabdeckung,
die nach dem vorgenannten Verfahren des Aufwachsens einer Diffusionsbeschichtung
in die Substratoberfläche
hinein hergestellt wurde.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die verbesserte Bearbeitbarkeit
der Wabe während
des Einlaufens der rotierenden Labyrinthdichtung in die Wabenabdeckung
hinein zu einer verringerten Zahntemperatur der Labyrinthrotordichtung führt. Die
verringerte Temperatur führt
zu einem verringerten Schaden an dem Dichtungszahn und reduziert
so die Neigung zur Rissbildung und Rissfortpflanzung und vergrößert dadurch
die Betriebsdauer.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das verringerte Bremsmoment.
Weil während
des Anlaufens ein geringeres Moment erzeugt wird, können einfachere
Rotorbauarten hergestellt werden, weil diese die Anti-Verdrehungsmaßnahmen nicht
länger
erfordern. Denn schon die Reibung an der Fuge, die in radialer Berührung mit
einer Rotoranordnung steht, erhält
die Konzentrizität
des Rotors aufrecht und reicht aus, um die rotierende Dichtung während Analufphasen
in Position zu halten.
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Noch
ein anderer Vorteil ist die reduzierte Metallübertragung zwischen der Wabenabdeckung und
der Zahnspitze, welche bei der Aufrechterhaltung der Dichtungsabstände von
großem
Vorteil ist. Die Metallübertragung
ist allgemein von lokaler Natur wobei sie auf dem Rotor lokal eine
erhabene Stelle verursacht, die sich dann zur einzigen Stelle entwickelt,
an der zukünftig
Abriebe stattfinden. Das hat einen nachteiligen Effekt, dass auf
dem verbleibenden Umfang ein größerer Spalt
verbleibt, weil der lokale erhabene Punkt auf dem Rotor das Material
auf dem Rotor im Wesentlichen einheitlich vom Stator abträgt, was
zu größeren Triebwerksineffizienzen
führt.
Eine geringere Metallübertragung
ergibt kleinere Spalten und größere Triebwerkseffizienzen.
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Noch
ein anderer Vorteil ist, dass die Umgebungswiderstandsfähigkeit
aufrechterhalten werden kann oder selektiv verbessert werden kann,
indem sicher gestellt wird, dass die Lebensdauer des Teils als Resultat
der verbesserten Bearbeitbarkeit nicht verkürzt wird.
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Ein
weiterer Vorteil ist die Verringerung der Neigung der rotierenden
Labyrinthdichtung zur Ausbildung von Unrundheiten. Weil rotierende
Labyrinthdichtungen selten perfekt konzentrisch mit dem Stator hergestellt
werden, sind lokale Abriebe die Norm. Die Unrundheit der rotierenden
Dichtung folgt aus lokalem Anlaufen gegen die entsprechend angrenzende
Abdeckung und die nachfolgenden sinusförmig verlaufenden thermischen
Gradienten, die aufgrund lokalen Anlaufens auftreten. Diese Unrundheit
kann zu in tiefer in die Abdeckung hineingehenden Abrieben resultieren,
was zu sogar noch größeren Nach-Anlauf-Abständen führt. Diese
tieferen Abriebe können
für ein
Anwachsen des Betrages der in die Zähne eingebrachten Wärme sorgen,
was zu einer Beschädigung
oder im endgültigen
Ausfall der Zähne führt. Die
verminderte Zahnerwärmung
der vorliegenden Erfindung vermindert die Neigung lokaler Anläufe, tiefere
Abriebsstellen zu verursachen, und vermindert dadurch die Neigung
der Dichtung, größere Nach-Anlauf-Abstände aufzuweisen,
weil die Unwucht-Bedingungen minimiert sind. Die Beschädigung der
Zähne der
Rotationsdichtung ist auch vermindert.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter beschrieben mit Hilfe von Beispielen
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
Darstellung eines Rotors und Stators eines Strahltriebwerks-Turbinenverdichters
ist;
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2 die
Darstellung eines Teilausschnitts einer Waben-Abdeckung ist;
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3 der
Querschnitt eines Verdichters, der die an eine Waben-Abdeckung angrenzenden
Zähne einer
Labyrinthdichtung zeigt ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht von einer abgestuften Anordnung einer Labyrinthdichtung,
welche die an die Zähne
der Labyrinthdichtung abgrenzende Waben-Abdeckung zeigt ist;
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5 eine
Mikro-Photografie von einer durch Dampfphasenab-Scheidung bei 954° C (1750° F) in vier Stunden hergestellten
Beschichtung ist;
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6 eine
Mikro-Photografie einer durch Dampfphasenabscheidung bei 968° C (1775° F) in sechs
Stunden hergestellten Beschichtung ist;
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7 ein
Graph ist, der die gemessenen Temperaturen der Zahnspitzen bei variierender(em) Reibungsenergie/Reibungsvolumen
zeigt;
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8 ein
Graph ist, der die Durchschnittspyrometertemperatur bei variierender
Reibungs-Energie/-Volumen anzeigt.
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Nun
wird auf die Figuren, in denen ähnliche Teile
jeweils die gleichen Nummern haben, Bezug genommen; in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird in 1 allgemein eine segmentierte
Ansicht eines Axialflussverdichters 2 von einem typischen
Düsenantrieb
mit einem Verdichter-Rotor 4 und einem Stator 6 gezeigt. Der
Verdichter-Rotor
aus 1 weist eine Reihe von Verdichter-Laufschaufeln 20 auf,
die zu Verdichterscheiben 22 zusammengesetzt sind, wobei
die Verdichterscheiben zu einer gemeinsamen Welle 24 zusammengesetzt
sind. Die rotierenden Labyrinthdichtungen der vorliegenden Erfindung
werden in 1 nicht gezeigt, sind aber auf
dem Verdichter-Rotor, bei 26, zwischen den Verdichterscheiben 22 lokalisiert. Der
Statur 6, der stationär
ist, weist eine Reihe von Leitschaufeln 30 auf, die den
Luftfluss axial durch den Verdichter leiten, während die rotierenden Verdichter-Laufschaufeln 20 sich
bewegen und die Luft in einer axialen Richtung komprimieren. Die
Verdichterlaufschaufeln 20 rotieren zwischen den Verdichter-Leitschaufeln 30,
wobei sie unterschiedliche Stufen verschiedener Drücke und
Temperaturen bilden. Den Leitschaufeln 30 sind die aus
dünnen
Wabenbändern
hergestellten Abdeckungen zugeordnet, wobei sie aber von den Leitschaufeln
ausgehend radial nach innen und gegenüber der rotierenden Labyrinthdichtungen
des Verdichter-Rotors 4 positioniert sind.
Während
das Verfahren dieser Erfindung besonders für Labyrinthdichtungen angepasst
wurde, die eine auf dem Rotor 4 zwischen den Scheiben 22 positionierte
rotierende Labyrinthdichtung und eine stationäre Dichtung oder Abdeckung
entlang des Stators 6, ein dünnes Wabenband umfassen, weist das
dünne Wabenband
eine verbesserte Bearbeitbarkeit und erfordert eine reduzierte Schneidenergie,
während
sie eine verbesserte Temperaturbelastbarkeit besitzt, wobei bei
Bedarf auch andere Strukturen unter Anwendung des Verfahrens hergestellt
werden können.
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In 2 ist
ein Ausschnitt einer allgemein zylindrischen stationären Dichtung
oder Abdeckung 40 gezeigt, die im Statur 6 positioniert
ist und eine Wabenstruktur 42 aufweist, die im allgemeinen
zylindrisch und typischer Weise auf einem Verstärkungsring (in 2 nicht
gezeigt) gebunden ist. Ein Verfahren zur Bildung der Wabenstruktur
besteht im Wellen, Sta peln und im Verbinden der dünnen verformbaren Bleche
aus Materialien wie Nickel oder nickel-basierten Superlegierungen.
Eine mit dem duktilen Plattenmaterial kompatible Lötlegierung
wird an den Verbindungspunkten zwischen der Wabenstruktur und dem Verstärkungsring
platziert. Zum Beispiel kann Nickel, das einen Schmelzpunktsenker
so wie Bor oder Silikon enthält,
als Lötlegierung
mit einer Ni-basierten Platte so wie HAST-X verwendet werden. Durch
Kühlen
werden die zuvor miteinander durch eine Verbindungstechnik, so wie
Heftschweißen,
verbundenen Platten auf dem Verstärkungsring an den Befestigungspunkten 44 durch
Löten befestigt.
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3 ist
ein Querschnitt des Verdichters 2, der die auf die Verdichter-Leitschaufeln 30 montierten
Waben-Abdeckungen 40 veranschaulicht. Angrenzend an die
Abdeckungen 40 sind die rotierenden Labyrinthdichtungen 28 auf
dem rotierenden Abschnitt des Verdichters zwischen den Verdichterscheiben 22 positioniert.
Die rotierenden Labyrinthdichtungen 28 haben jeweils mindestens
einen Zahn 50, der in eine radial nach außen gerichtete
Richtung auf die Abdeckungen 40 vorsteht. Die Verdichterlaufschaufeln 20 sind
gezeigt, wie sie auf den äußeren Umfang 23 der
Verdichterscheiben 22 montiert sind und in dem Pfad des
Gasflusses zwischen den Leitschaufeln 30 positioniert sind.
So wie es aus 3 offensichtlich ist, wird die
radiale Ausdehnung des rotierenden Abschnitts des Verdichters während des Betriebs
des Triebwerks verursachen, dass die Zähne 50 der rotierenden
Labyrinthdichtungen 28 sich an die Waben der Abdeckung
lehnen und so verursachen, dass von der Abdeckung Material abgetragen wird. 4 ist
eine perspektivische Ansicht der Zähne einer rotierenden Labyrinthdichtung 28,
die gegen eine Wabenabdeckung 40 gedrückt wird, welche auf einem
Verstärkungsstreifen 60 einer
abgestuften Labyrinthdichtung befestigt ist. Andere Triebwerks strukturen
wurden der Klarheit wegen entfernt. Die Rotationsrichtung der Zähne 50 ist
senkrecht zu einer von einer Leitschaufel durch die Zähne der
Laufschaufel gezogenen Linie, das heißt senkrecht zu der Projektion
der Laufschaufelzähne,
oder in die Ebene der Zeichnung im wesentlichen in die Richtung
der Pfeile. Es ist zu erkennen, dass es wünschenswert ist, dass das Material
der Abdeckung 40 eher als kleine fragile Partikel entfernt
wird, als durch Schmelzen, was zur Entfernung durch Erhitzen der
Zähne 50 mehr
Energie erfordert.
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Während sich
die vorgenannten Anwendungen auf Labyrinthdichtungen beziehen, die
in Verdichterabschnitten von Gasturbinenantrieben verwendet werden,
ist klar, dass ein ähnlicher
mechanischer Aufbau einer Labyrinthdichtungs-Anordnung in der Turbine
oder dem heißen
Abschnitt eines Gasturbinentriebwerks verwendet wird, um die verschiedenen
Stufen der Triebwerksabschnitte voneinander zu trennen und zu isolieren.
Die in den heißen
Bereichen verwendeten Materialien sind verschieden, wobei nickel-basierte
Superlegierungen eher verwendet werden als titan-basierte Superlegierungen,
da nickel-basierte Superlegierungen angepasst wurden, um hohe Temperaturen
und beanspruchende harte Umgebungen der Triebwerksabschnitte des
Antriebs zu überdauern.
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Das
Verfahren dieser Erfindung wird ausgeführt durch das Aussetzen des
duktilen, die Waben bildenden Materials, zum Beispiel des Bandmaterials,
gegenüber
einem leichgewichtigen Element so wie Aluminium, Stickstoff, Wasserstoff
oder Bor bei hohen Temperaturen, um es dem leichtgewichtigen Element
zu erlauben, in die Oberfläche
der Wabe zu diffundieren, und die Oberflächencharakteristika der Wabe
durch Bildung einer spröden
Phase, die leichter bearbeitbar ist, zu ändern. Es ist zum Beispiel
bekannt, dass Aluminidbeschichtungen, so wie Titanaluminid (TiAl)
und Nickelaluminid (NiAl) im Bereich der Temperaturen unterhalb
der Duktil-spröden-Übergangstemperatur
(DBTT) Versprödungs-Charakteristiken
aufweisen können,
und dass eine mit Bor behandelte Oberfläche die Duktilität von hochfestem-nickel-basiertem
Metallblech reduzieren kann, indem es dieses versprödet. Obwohl
Bor ein leichtgewichtiges Element ist, das in den heißen Bereichen
eines Turbinentriebwerks, in welchen die Temperaturen der Dichtung
oder Abdeckung sich an 1800° F
annähern,
schnell wegdiffundieren kann, kann es in den kalten Bereichen des
Triebwerks, wie dem Verdichter, oder in den nicht im Pfad des Luftstroms
liegenden Bereichen der Turbine, wo die maximal erreichten Temperaturen
im allgemeinen im Bereich unter etwa 700° C (1300° F) liegen, verwendet werden.
Bei diesen Betriebstemperaturen ist die weitere Diffusion von Aluminium
oder sogar einem leichten Element wie Bor minimal und die Diffusionsbeschichtung
wird nicht fortfahren, in das Basismaterial des Substrates einzuwachsen.
Daher ist es möglich eine
Diffusionsbeschichtung in einem dünnen Substrat anwachsen zu
lassen, um eine dünne
zerbrechliche Oberflächenschicht
bereit zu stellen, während das
unter der dünnen
Oberflächenschicht
liegende duktile Basismaterial erhalten bleibt. In Anwendungen mit
höherer
Temperatur, wie den Brennkammerbereichen und den Turbinenbereichen,
können
die Lötlegierungen
für die
Wabe Solidus-Temperaturen über
etwa 1038° C
(1900° F)
aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform für Hochtemperaturanwendungen
wird die Beschichtung auf die Wabe bei einer Temperatur unterhalb
der niedrigsten Solidus-Temperatur, der in der Anordnung des Teils
oder der Komponente verwendeten Lötlegierung, typischer Weise
niedriger als etwa –4-10° C (25-50° F), aufgebracht.
Zum Beispiel weist eine Niederdruck-Turbinenleitschaufel eine Lötlegierung
mit einer Solidus-Temperatur von etwa 1149° C (2100° F) auf. Die Wabe wurde in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur von etwa 1052-1079° C (1925-1975° F) für etwa 2-6
Stunden beschichtet.
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Die
Dicke des Bandsubstrates der Wabe, das die Abdeckung bildet, beträgt im Allgemeinen von
etwa 0,00254 cm (0,001 Inch) bis etwa 0,0127 cm (0,005 Inch), typischer
Weise etwa 0,00762 cm (0,003 Inch). Die Weite der Wabenzelle ist
im Allgemeinen etwa 0,159 cm (0,0625''),
0,079 cm (0,03125'') oder 0,3175 cm
(0,125''). Die Höhe der Wabenzelle
beträgt
zwischen etwa 0,635 cm (0,25'') bis etwa 1,27 cm
(0,5'').
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Während die
Tiefe des Abriebs bis zu 0,229 cm (0,099 Inch) sein kann, ist die
Abrieb-Tiefe typischerweise etwa 0,38 cm (0,015 Inch) bis etwa 0,051 cm
(0,020 Inch) bei einem 360° Umlauf,
mit etwa 0,152 cm (0,060 Inch) als schwerwiegend betrachteter Tiefe.
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Die
Beschichtung kann durch einen Dampfphasen-Abscheidungsprozess, durch
einen Batch-Prozess, durch ein aktiviertes Aluminium enthaltendes,
als CODAL-Band bezeichnetes Band oder durch einen dünnen Brei,
typischerweise nachdem das Waben-Material
gebildet worden ist, aufgebracht werden. Die Beschichtung wird dann
in das die Wabe bildende Basismaterial diffundiert. Die Befestigungsbereiche
der Wabe an der Verstärkungsplatte
können
maskiert werden, falls das gewünscht ist,
um diese Regionen vor dem Ausgesetztsein gegenüber den leichtgewichtigen Elementen
zu schützen,
und um das Löten
zu erleichtern. Nachdem die Beschichtung durch Aussetzen der Platte
des Substrat-Basismaterials gegenüber dem leichtgewichtigen Element
aufgebracht wurde, und die Bildung der Diffusionsbeschichtung bei
erhöhten
Temperaturen gefördert
wurde, wird das maskierende Material entfernt, so dass das Löten der
Wabe an die Verstärkungsplatte
auf herkömmliche
Art bewerkstelligt werden kann. Es ist auch möglich, die Beschichtung nach
dem Anlöten
der Wabe an die Verstärkungsstruktur,
aufzubringen.
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So
wie zuvor festgestellt, kann die Beschichtung durch eine von verschiedenen
Verfahren gebildet werden. Ein Verfahren zur Bildung einer Aluminidbeschichtung
ist die Dampfphasen-Aluminierung (VPA),
die durch einen Stapel-Prozess oder durch einen Mehrstapelprozess
bewerkstelligt werden kann. In einem Stapel-Prozess wird das Substrat
in einem Pulver platziert, das Aluminium genauso wie ein inertes
Pulver enthält.
Aber auch andere Leichtgewichtpulver können gegen Aluminium substituiert
werden, um verschiedene Arten einer zerbrechlichen Beschichtung
zu erhalten. In einer Art, kann das Pulver vor dem Erwärmen in
die Zellen der Wabe gepackt werden. Die gelöteten Bereiche können, falls
gewünscht
maskiert werden, um das Ausgesetztsein dieser Bereiche gegenüber dem
Leichtgewicht-Element sowie Aluminium zu minimieren. In einer anderen
Art, können
die Substrat-Bleche vor dem Ausbilden der Wabenstruktur mit der
entsprechenden Maskierung so wie zuvor diskutiert in das Pulver
gepackt werden. In das Pulver ist auch ein Aktivator eingeschlossen,
um das Ausgesetztsein des Substrates gegenüber dem Leichtgewicht-Element
zu beschleunigen. Das bepackte Substrat wird für eine vorgewählte Zeit
auf eine vorbestimmte erhöhte
Temperatur erwärmt,
um es dem leichtgewichtigen Element zu erlauben, bis zu einer vorbestimmten
Distanz, unter Ausbildung einer Beschichtung mit einer Dicke, die der
vorbestimmten Distanz entspricht, in das Substrat zu diffundieren.
Die Tiefe der Diffusion des Elementes in das Substrat wird durch
die Aussetzungstemperatur und die Zeit bei dieser Temperatur bestimmt.
Ein anderes VPA-Verfahren für
das Wachsen einer Diffusionsbeschichtung in das Substrat hin ein ist
ein Über-Stapel-Prozess.
Der Mechanismus der Bildung der Diffusionsbeschichtung durch das
Einwachsen in das Substrat ist beim Über-Stapel-Prozess ähnlich wie
in dem Stapel-Prozess.
Der Hauptunterschied im Über-Stapel-Prozess
ist, dass das Substrat eher über
den Pulvern aufgehängt
wird, als dass es in direktem physikalischen Kontakt mit den Pulvern
steht. Die gasförmigen
Leichtgewichtelemente bilden auf die Erwärmung hin eine Gasphase, welche über das
aufgehängte
Substrat strömt.
Die Leichtgewicht-Elemente fließen über die
Substratoberfläche
und werden auf dieser abgeschieden und diffundieren anschließend in
die Substratoberfläche.
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Das
Stapel-Pulververfahren erzeugt, wenn das Pulver in die Wabenzellen
gepackt wird, eine gleichmäßigere Beschichtungsdicke
von der Oberseite der Wabenzelle bis zu dem an die Verstärkungsplatte
angrenzenden Grund der Wabenzelle, wobei die Über-Stapel-Verarbeitung einen
Gradienten der Beschichtungsdicke erzeugt, welcher in der von der
Oberseite der Zelle zur Verstärkungsplatte ausgehenden
Richtung abnimmt. Dadurch wird ein Substrat, in dem die Beschichtung
durch die Diffusion des leichtgewichtigen Elementes durch die Verwendung
eines Stapels gebildet wird, eine wesentlich gleichbleibendere Menge
dieses entlang der Wabenwand verteilten Elementes aufweisen, was
in einer Beschichtung mit einer wesentlicher gleich bleibenden Dicke
resultiert, so dass die Menge der spröden, zerbrechlichen Phase gleichmäßig in der
gesamten Struktur der Wabenzelle lokalisiert sein wird. Dadurch
ist die Wabenzelle, unabhängig
von der Tiefe der des Abriebs in der Wabenzelle aufgrund der rotierenden
Labyrinthdichtung, durch die gleich einheitliche Zerbrechlichkeit
charakterisiert. Für
eine durch den Über-Stapel-Prozess
hergestellte Beschichtung, ist die an der Oberfläche der Wabe, gegenüber der Verstärkungsplatte,
erforderliche Menge der aus der Diffusion des Leichtgewicht- Elementes resultierenden
Beschichtung größer, und
nimmt mit Annäherung
an die Verstärkungsplatte
ab. Physikalisch führt dies
zu der Bildung einer größeren Menge
der spröden
und zerbrechlichen Phase auf der der Verstärkungsplatte gegenüberliegenden
und näher
an der Labyrinthdichtung liegenden Oberfläche der Wabe. Die Menge dieser
zerbrechlichen Phase nimmt mit zunehmender Tiefe in die Wabenzelle,
in Richtung der Verstärkungsplatte,
ab. Unter diesen Umständen wird
sich das mechanische Verhalten des Substrates mit zunehmendem Einbrechen
der rotierenden Labyrinthdichtung in das Wabensubstrat verändern. Bei einer
nickel-basierten Legierung, die für eine ausreichende Zeit aluminiert
wurde, so dass die NiAl-Phase an der Oberfläche oder nahe der Oberfläche des Substrates
vorherrscht, wird das mechanische Verhalten des Substrates an der
Oberfläche
durch die vorherrschende NiAl-Phase kontrolliert werden, so dass
diese sehr zerbrechlich sein wird. Auf den Kontakt mit der rotierenden
Labyrinthdichtung hin, wird die vorherrschende NiAl-Phase verursachen,
dass die Oberfläche
in dem Maße
sehr kleine pulverartige Partikel ausbildet, in dem sie sich in
diese einarbeitet. Natürlich
wird das Vorherrschen der NiAl-Phase mit zunehmenden Eindringen
in die Wabenstruktur und der zunehmenden Abnahme der Beschichtungsdicke abnehmen,
bis die nickel-basierte Legierung vorherrscht. Damit werden die
Partikel mit zunehmender Tiefe in die Oberfläche hinein größer und
weniger pulverartig und das Material wird duktiler werden, so dass
die Deformation sich von im wesentlichen brüchig zu im wesentlichen duktil ändert.
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Ein
anderes Verfahren zur Bildung einer Beschichtung besteht in der
Anwendung eines das leichtgewichtige, diffundierbare Element enthaltenen Bandes,
eines Aktivators und eines Klebmittels. Das befestigbare aufklebbare
Band, welches das diffundierbare Element und einen Aktivator enthält, wird
an das zu beschichtende Substrat angeheftet. Zum Beispiel kann eine
Aluminid-Beschichtung unter Verwendung eines CODAL-Bandes, welches
Aluminium und einen Aluminiumaktivator enthält, ausgebildet werden. Ein
typisches CODAL-Band ist etwa 0,050'' in
der Dicke und wird direkt auf die Oberfläche, die gegenüber dem
elementaren Aluminium ausgesetzt werden soll, angeheftet. Band-Prozesse,
so wie das CODAL-Band, sorgen für
eine akkuratere Steuerung des Beschichtungsverfahrens, da die Diffusionsbeschichtungen,
die Diffusionsalumidbeschichtungen für das CODAL-Band unterhalb
des Bandes in das Substrat einwachsen. Dadurch erfahren die Bereiche,
auf die das Band nicht aufgebracht wurde, keine messbaren Mengen
der Diffusionsbeschichtung. Dadurch ist für Bereiche, die von der Diffusionsbeschichtung
frei bleiben sollen, wie Bereiche, in denen Lötlegierung vorliegt oder vorliegen
wird, keine Maskierung erforderlich. Falls das CODAL-Band verwendet
wird, wird die Aluminid-Diffusionsbeschichtung, das durch das Kombinieren
des in der Bandschicht bereitgestellten Aluminium-Quell-Pulver und
eines Aktivators mit dem sich im wesentlichen ohne Rückstände abbauenden
Bindemittel auf die Erwärmung auf
eine vorbestimmte Temperatur und für einen vorbestimmten Zeitraum
hin, um die gewünschte
Tiefe der Beschichtung zu schaffen, erhalten.
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Ein
anderes Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung nach der vorliegenden
Erfindung in die Oberfläche
eines Substrates ist die Anwendung eines Breis. Der Brei ist eine
viskose Kombination einer verdampfbaren Trägerflüssigkeit, wie entionisiertes Wasser,
dem leichtgewichtigen Element, zum Beispiel Aluminium, einem Bindemittel
wie Lehm und einem Aktivator. Er wird direkt auf die Oberfläche des Substrates
aufgebracht. Da die Trägerflüssigkeit schnell
verdampft, bindet das Bindemittel das Aluminium und den Aktivator
an die Oberfläche
des Teils, auf dem sich die Diffusions-Aluminidbeschichtung durch Wachstum
ausbilden soll. Nach der Anwendung des Breis und dem Verdampfen
der Trägerflüssigkeit
wächst
die Beschichtung durch Erwärmen
auf eine vorbestimmte Temperatur für eine vorgewählte Zeit
in der gewöhnlichen
Art in das Substrat hinein. Das Brei-Verfahren ist dem Band-Verfahren
dahingehend ähnlich,
dass die Diffusionsschicht nur an den Orten in das Substrat hineinwächst, wo
der Brei direkt auf das Substrat aufgetragen wird. Andere Substratbereiche
bleiben unbeeinflusst. Das Brei-Verfahren ist gegenüber dem
Band-Verfahren bevorzugt, da der Brei leichter aufzutragen ist.
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Die
bevorzugte Beschichtungsdicke hängt von
dem Prozentsatz der Banddicke und des Betrags ab, um den die Schneidenergie
reduziert werden soll, mit einer minimalen Beschichtung von etwa 0,000127
mm (0,00005''). Typischer Weise
weist die Beschichtung für
ein Band mit einer Dicke von etwa 0,00305 cm (1,2 mils) eine Dicke
von etwa 0,0051-0,0076 cm (0,2-0,3 mils) auf jeder Seite des Bandes
auf. Während
sogar ein sehr kleiner Betrag der Diffusionstiefe des leichtgewichtigen
Elementes in das Substrat hinein die Schneidstärke reduziert, liegt die Beschichtungsdicke
vorzugsweise zwischen etwa 25 Prozent bis etwa 75 Prozent der Dicke
des Substratbandes, am meisten bevorzugt etwa 50 Prozent der Substratbanddicke,
wobei idealer Weise 25 Prozent der Tiefe auf beiden Seiten des Substratbandes
auftreten.
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Aluminium
ist das bevorzugte Abscheidungsmaterial und die Dampfphasen-Abschaltung (VPA)
ist ein anderes effektives Mittel zur Bereitstellung des Aluminiums,
um die Beschichtung in den Wabenzellen einheitlicher zu verteilen.
Da die Diffusion sowohl zeit- als auch temperaturabhängig ist,
können
diese Variablen kontrolliert werden, um die gewünschte Diffusionstiefe zu erreichen.
Die Kontrolle der Diffusionstiefe ist er forderlich, um eine optimale Balance
der der Bandhärte
der Wabe zu erreichen, um das Band nicht zu brüchig werden zu lassen, mit dem
sich ergebenden Potenzial zum Umgang mit Schäden, jedoch gleichzeitig, um
das Material leichter bearbeitbar zu machen. Während die Diffusion sowohl
zeit- als auch temperaturabhängig
ist, weil die Tiefe der Diffusion in das Substratband hinein klein
ist und genau kontrolliert werden muss, ist es bevorzugt, das Verfahren
zu steuern, indem längere
Zeiten und leicht geringere Temperaturen, als sie bei anderen Anwendungen,
so wie Anwendungen für
Umgebungsdiffusions-Beschichtungen Anwendung fänden, angewendet werden. Niedrigtemperatur-Diffusion
ist auch in Situationen erforderlich, in denen die Diffusionsbeschichtung
nach dem Anlöten
der Waben an die Verstärkungsstruktur
aufgebracht wird, um das Wiederzerfliesen des Lötmaterials zu verhindern.
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Während die
Brei- und Bandverfahren in der Bildung einer Diffusionsbeschichtungnur
in den Kontaktbereichen mit dem Brei oder dem Band effektiv gewesen
sind, sollte die VPA entweder unter Verwendung von Maskierungsmaterial
vor der Bildung der. Wabe oder nach der Wabenbildung aufgebracht
werden. Weil die Diffusionsbeschichtung den Lötfluss verhindern kann, wird
die Maskierung vorzugsweise benutzt, um die Abscheidung einer Beschichtung
in jenen Bereichen, in denen das Löten erforderlich ist, vor der
Anwendung der VPA zur Bildung der Beschichtung, zu vermeiden.
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Andere
Verfahren können
verwendet werden und werden verwendet, um die Diffusionsbeschichtung
nach einer VPA Behandlung, vor Bildung der Waben, zu entfernen,
aber solche Verfahren sind nicht bevorzugt, da diese Verfahren zumindest
in den Bereichen, in denen das Löten
durchgeführt
wurde, eine zumindest lokalisierte Entfernung von Material erfordern.
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Es
ist bevorzugt, die Beschichtung auf dem Waben-Basismaterial zu bilden, am meisten
bevorzugt durch einen Brei nach der Wabenbildung und dem Löten der
Waben auf die Verstärkungsplatte. Temperatur
und Zeit sind die Schlüsselfaktoren
zum Erreichen der Diffusion und die Beschichtungen können durch
irgendeines der oben genannten Verfahren in dem Temperaturbereich
von 871° C
(1600° F) bis
1149° C
(2100° F)
für die
Zeiten von 0,5 bis 6 Stunden, gebildet werden. Der Diffusionsprozess wird
durch das zweite FICK'sche
Gesetz bestimmt, dessen Lösung
beinhaltet x2 = D·t, worin x der mittlere Eindringabstand
des Elementes ist, t ist die bei der Diffusion verstrichene Zeit
und D ist der Diffusionskoeffizient des Elementes und steht mit
der Temperatur gemäß der Formel
D = D0e–Q/kT in
exponentieller Beziehung. Die Diffusionskoeffizienten für gewöhnliche Elemente
wie Aluminium und Bor bei verschiedenen Temperaturen sind verfügbar. So
wie zuvor festgestellt, werden niedrigerere Temperaturen und längere Zeiten
bein den dünnen,
für die
Abdeckungen verwendeten, Wabenbänder
bevorzugt. Das bevorzugte Beschichtungsverfahren wird bei etwa 954° C (1750° F) bis etwa
968° C (1775° F) für etwa 4
bis etwa 6 Stunden durchgeführt.
Diese Temperatur wird die Diffusion bis zu der vorgewählten Tiefe
durch Erzeugung eines zerbrechlichen Oberflächenbereichs mit einen darunter
liegenden duktilen Substrat bewerkstelligen, ohne jedoch das Wabenmaterial
aufzulösen
oder zu deformieren, während
sie unter der Solidus-Temperatur der Lötlegierung bleibt, typischer Weise
etwa 982° C
(1800° F),
die verwendet wird, um die Wabe mit dem Verstärkungsring zu verbinden.
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Das
nachfolgende Beispiel demonstriert die Verringerung der Abriebsenergie
pro Volumeneinheit der entfernten Wabe, mit dem daraus resultierenden Abfall
der Durchschnitts- und Spitzentemperaturen.
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Beispiel 1
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Proben
mit einer 0,159 cm (1/16'') Zelle einer 1,2
mil Band-HAST-X-Wabe
mit einem simulierten Träger
wurden unter Verwendung eines Dampfphasenabscheidungsprozesses mit
einer Aluminidbeschichtung beschichtet und auf die sich ergebende Bruchfestigkeit
qualitativ getestet. Das Wabenmaterial wurde auf der Befestigungsplatte
unter Verwendung einer AMS 4777 Lötlegierung mit einer Solidus-Temperatur
im Bereich von 1038-1093° C (1900-2000° F) befestigt.
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Eine
Probe wurde einer Dampfphasenaluminidbeschichtung bei 954° C (1750° F) für vier Stunden
ausgesetzt und eine zweite Probe wurde bei 968° C (1775° F) für sechs Stunden ausgesetzt.
Die bei 954° C
(1750° F)
für vier
Stunden ausgesetzte Probe war unter Anwendung einer einfachen Handmanipulation
leichter zu zerreißen
als das unbeschichtete Material, was auf eine reduzierte Scherfestigkeit
hinweist, wobei es aber weiterhin ziemlich stark blieb. Wie in 5 zu
sehen, eine Mikro-Photografie wurde nach der Diffusion mit Aluminium
bei 954° C
(1750° F)
für vier
Stunden aufgenommen, fand Diffusion statt; jedoch wurde die Diffusionsbeschichtung
als nicht vollständig
beurteilt. Es war wenig oder kein elementarer Materialzuwachs aus
Aluminium in der Banddicke, gemessen bei etwa 0,00305 cm (1,2 mils).
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Die
zweite, bei 968° C
(1775° F)
für sechs Stunden
ausgesetzte, Probe war unter Anwendung einer einfachen Handmanipulation
sogar noch leichter zu zerreißen
als die erste Probe, was auf eine geringere Scherfestigkeit als
in der ersten Probe hinweist. Die Mikro-Photografie aus 6 zeigt
an, dass ein Ausgesetztsein bei 968° C (1775° F) für sechs Stunden ausreichend
Aluminium in die Oberfläche der
Wabe diffundiert hat, um auf und nahe der Oberfläche des Substrates eine Aluminidbeschichtung
zu bilden. Die Banddicke des Substrates wurde mit etwa 0,0033 cm
(1,3 mils) gemessen, was anzeigt, dass etwas Aluminium in das Substrat
diffundierte und mit der HASTX-Legierung
kombinierte, und damit eine zumindest teilweise Umwandlung in eine
brüchige NiAl-artige
Phase innerhalb der Substratmatrix verursacht hat. Die für sechs
Stunden bei 968° C
(1775° F) ausgesetzte
Probe wurde wegen der Anwesenheit der brüchigen Phase als die für den Abriebstest
am besten Geeignete betrachtet.
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Eichproben-Trommeln
mit bereits (in die Abriebtrommeln) gelöteten Waben wurden unter Verwendung
von HAST-X 0,079 cm (1/32'') unter Verwendung
einer Zelle einer 0,00305 cm (1,2 mils) Folie; eine HAST-X 0,159
cm (1/16'') Zelle 0,00305 cm (1,2
mils) Folie; und einer HAYNES 214 1/8'' Zelle,
einer 5 mils Folie vorbereitet. Eine Test-Abriebstrommel aus HAST-X
0,159 cm (1/16''), Zelle 0,00305
cm (1,2 mils), Folie wurde einem VPA-Verfahren bei 968° C (1775° F) für sechs
Stunden ausgesetzt, unter Verwendung einer Rotationsvorrichtung
einem Abriebstest unterworfen, und die Ergebnisse wurden verglichen
mit dem Eich-Abriebstest der Trommeln ohne Diffusionsbeschichtung.
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So
wie in den Graphen der 7 und 8 zu sehen,
weisen die VPA-behandelten Proben eine Verringerung in der Spitzen-Zahntemperatur und
der durch Wärme
beeinflussten Zone (HAZ) im Vergleich mit unbehandelten Proben bei
bestimmten Anwendungen eine Temperatur von mehr als 427° C (800° F) auf.
Obwohl die größere Erniedrigung
der Spitzenzahntemperatur für die
0,159 cm (1/16'') Zellen gefunden
wurde, im Durchschnitt etwa 260° C
(500° F),
als für
die kleinere 0,079 cm (1/32 Inch) Zellen, lag dennoch noch immer
eine wesentliche, obwohl kleinere Erniedrigung der Durchschnittstemperatur für die 0,079
cm (1/32 Inch) Zelle von etwa 149° C (300° F) vor.
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Die
Reduktion oder Eliminierung der durch Wärme beeinträchtigten Zone als Ergebnis
der Anwendung einer zerbrechlichen Beschichtung auf dem feststehenden
Abschnitt einer Labyrinthdichtung oder -Abdeckung durch ein Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird die Zahl der Vorfälle mit
zersprungenen Dichtungen während
des Turbinenbetriebs signifikant verringern und den Triebwerksbetrieb
und die Effizienz verbessern. Während
die durch die vorliegende Erfindung bewirkte verringerte Schneidenergie
sowohl für
die Verwendung in heißen
als auch kalten Bereichen des Turbinentriebwerks vorteilhaft ist,
die vorteilhaften Effekte einer Diffusions-Aluminidbeschichtung
in der Bereitstellung eines Umgebungsschutzes der Abdeckung in dem
heißen
Triebwerksbereich sind jedoch ein weiterer zusätzlicher Nutzen.
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Weiterhin
ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung praktisch auf alle
metallischen Wabendichtungen anwendbar, und erlaubt die Diffusionsbeschichtung
von kompletten Verdichter- und
Turbinenanordnungen, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden
und die Dauerhaftigkeit der Dichtungen gegenüber der Umgebung verbessert
wird, was für die
in heißen
Turbinenbereichen eines Gasturbinentriebwerks verwendeten Dichtungen
von besonderem Vorteil ist. Die vorliegende Erfindung versetzt zudem
in die Lage, leichte Elemente wie Bor oder Aluminium auf Bereiche,
die während
des Triebwerksbetriebs zerschnitten wurden, aufzubringen oder selektiv
erneut zu beschichten oder zu diffundieren, um dadurch die Gesamtinstand haltungskosten
des Triebwerks durch die Verlängerung
der Austauschintervalle (oder der Abdeckungs- oder Dichtungsvorrichtung)
weiter zu reduzieren. Weiterhin sorgen die Wabendichtungen der vorliegenden
Erfindung für
einen Vorteil beim Zusammenfügen
der Rotordichtungen. Durch Bereitstellung einer Wabe, welche die
Abnützung
auf den Zähnen
der hinzugefügten
Rotordichtung reduziert, wird sich die Lebensdauer der Rotordichtungen
vergrößern, was
zu einer Vergrößerung der
Instandsetzungs-Intervalle der Instandsetzung der Dichtungszähne führt. Die
gegenwärtige Praxis
des Ablösens
und der erneuten Beschichtung der Dichtungszähne sobald der dazugehörige Stator ersetzt
wird, mag mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich
sein.