IT8322263A1 - Sistema di tenuta abrasiva ed abradibile per il percorso del gas in motori a turbina a gas - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo
"SISTEMA DI TENUTA ABRASIVA ED ABRADIBILE PER IL PERCORSO DEI GAS IN MOTORI A TURBINA A GAS"
RIASSUNTO
Viene descritto un sistema di tenuta abrasivo ed abradibile avente particolare utilit? nei motori a turbina a gas. Il sistema di tenuta include uno strato abrasivo (40) che impedisce :l'interazione diretta tra componenti (30, 20) aventi un movimento reciproco ed uno strato abradibile (43) che fornisce un grado efficace di tenuta ai fluidi tra i componenti stessi.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda il campo delle tenute usate in macchinari rotativi per impedire la perdita di fluidi. La presente invenzione riguarda anche il campo delle tenute abrasive che impediscono l'interazione diretta tra componenti in movimento.
I costi dell'energia in aumento hanno favorito un funzionamento efficace dei motori a turbina a gas. L'efficacia pu? essere aumentata riducendo la perdita. L'efficacia viene perci? migliorata se si riducono le tolleranze e. gli interstizi tra parti in movimento strettamente distanziate. Sforzi sostanziali sono stati compiuti nella tecnica nell'area dello sviluppo delle guarnizioni di tenuta. Un tentativo generale ? stato quello che viene chiamato rivestimenti abradibili. Tali rivestimenti sono atti ad essere facilmente asportati dai componenti in movimento, in modo che permettono ai componenti di arrivare ad una relazione di equilibrio efficiente senza un'usura estensiva del componente. Tipico della tecnica delle guarnizioni abradibili ? ci? che viene descritto nei brevetti U.S.A. N? 3.413.136 e 3.879.831. Un sistema alternativo che ? stato usato meno ampiamente ? la tecnica della guarnizione abrasiva, Nel tipo di guarnizione abrasiva, un componente in movimento viene rivestito con un materiale abrasivo e l'altro componente mobile reciprocamente viene posto in stretta vicinanza ad esso in modo che nel funzionamento l'abrasivo taglia l'altro componente lasciano un interstizio minimo tra il componente rivestito di abrasivo ed il componente non rivestito. Tale tecnica viene descritta nel brevetto U.S.A. N? 3.339.933.
Le tecniche di metallurgia delle polveri sono state usate per produrre guarnizioni di tenuta per motori a turbina a gas, e tali tecniche vengono descritte nei brevetti U.S.A. N? 3.844.011 e 3.147.087. E' anche noto nella tecnica di metallurgia delle polveri di produrre articoli aventi densit? variabili e contenenti quantit? sostanziali di porosit?.
Il brevetto U.S.A. N? 3.880.350 descrive una guarnizione di tenuta di metallo pieno per l'uso nella sezione di turbina di motori a turbina a gas avente propriet? che variano attraverso lo spessore della guarnizione.
La presente invenzione riguarda una guarnizione di tenuta composita spruzzata al plasma avente particolare utilit? nei motori a turbina a gas, particolarmente quelli del tipo a flusso assiale. Tali motori includono file alternative di palette stazionarie e di pale in movimento, con le pale che sono attaccate alla periferia di dischi rotanti montati su un albero.
La guarnizione di tenuta della presente invenzione include una parte abrasiva ed una parte abradibile. La guanrizione di tenuta viene applicata alla superficie di un componente di motore ove si verifica l'interazione o dove si prevede l'interazione con un altro componente. La parte abrasiva ? immediatamente adiacente al componente, e la parte abradibile ? disposta sulla parte abrasiva. Il distanziamento tra i componenti e le dimensioni della guarnizione di tenuta sono disposti in modo tale che nel funzionamento normale 'si verifica l'interazione tra il componente non rivestito e la parte abradibile della guarnizi?ne di tenuta mentre nel funzionamento anormale, il componente non rivestito fa contatto con il componente abrasivo. Il contatto con il componente abrasivo impedisce il contatto diretto di strofinamento tra i due componenti. La guarnizione di tenuta della presente invenzione ha particolare applicazione nella sezione di compressore di motori a turbina a gas in cui si deve evitare il contatto diretto di componenti^al titanio.
Le.prec?denti^ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno pi? chiari dalla seguente descrizione e dai disegni annessi in cui: la Fig. 1 ? una sezione -trasversale parziale di un tipico compressore per motore a turbina a gas.
La Fig. 2 ? una vista prospettica mostrante la relazione tra le pale del compressore e la carcassa del compressore.
La Fig. 3 ? una vista prospettica mostrante le palette del compressore e la guarnizione di tenuta all'aria interna.
La Fig. 1 illustra una parte in sezione trasversale della sezione di compressore di un moderno motore a turbina a gas. I componenti che sono importanti per la compressione della presente invenzione includono una pluralit? di dischi ruotabili 1 sulla cui periferia esterna ? montata una pluralit? di pael 2.
Le pale ruotano entro la carcassa interna 3 e sono strettamente distanziate rispetto ad essa. Una perdita minima tra le pale e la carcassa interna viene ottenuta mediante la previsione di una guarnizione di tenuta 4 (la guarnizione di tenuta all'aria esterna), montata sulla carcassa interna.
Montate entro la carcassa interna 3 e su di essa vi ? una pluralit? di palette 5 sulle cui estremit? libere interne 6 ? montata un'altra guarnizione di tenuta 7 (la guarnizione di tenuta all'aria interna) che ? strettamente distanziata con i bordi a coltello B montati su prolungamenti dei dischi 1. In uno schema di motore alternativo, i dischi non hanno sporgenze integrali, ma sono separati da distanziatori sui quali possono essere montati i bordi a coltello. Il bordo a coltello 8 e la guarnizione di tenuta all'aria interna 7 cooperano per ridurre la perdita ? migliorare l'efficacia.
Le guarnizioni di tenuta per cui la presente invenzione ? particolarmente ? adatta sono disposte sulla carcassa interna 3 adiacenti alle estremit? libere delle pale 2 (la guarnizione di tenuta all'aria esterna), e sulle estremit? libere 6 delle palette 5 (la guarnizione di tenuta all'aria interna). Le guarnizioni di tenuta della presente invenzione sono preferibilmente montate su substrati stazionari atti ad impegnare componenti (non rivestiti) in movimento.
La Fig. 2 ? una vista prospettica mostrante la relazione tra le estremit? libere delle pale 20 e la carcassa interna 30, e mostrante la guarnizione di tenuta all'aria esterna 40 in maggiore dettaglio. Legata alla carcassa 30 vi ? la guarnizione di tenuta 40 della presente invenzione. La forma di realizzazione mostrata ? una forma di realizzazione a tre strati che include uno strato abrai sivo interno 41 legato alla carcassa 30, uno strato intermedio 42 ? legato allo strato abrasivo 41 ed uno strato abradibile esterno 43 ? legato allo strato intermedio 42. '
La Fig. 3 ? una vista prospettica illustrante l'applicazione di un'altra forma di realizzazione della presente invenzione alle guarnizioni di tenuta all'aria interne. La figura mostra la carcassa interna 3? su cui sono montate una pluralit? di Dalette 50. Intearali con le estremit? libere delle Dalette Vi sono oiattaforme o substrati 100 della ouarnizione di tenuta all'aria interna su cui la auarnizi?ne di tenuta della presente invenzione ? posizionata. Viene mostrata la forma di realizzazione a due strati che comprende una strato abrasivo interno 111 legato alle piattaforme ed uno strato abradibile esterno 112 legato allo strato abrasivo 111. Nel funzionamento bordi a coltello (non mostrati) agiscano per usurare od abradere una scanalatura nella guarnizione di tenuta per fornire la tenuta stessa.
Per ragioni aerodinamiche, ? essenziale che venga minimizzata la perdita, il flusso dei gas tra le punte di pala e la carcassa o le estremit? di paletta ed i dischi o distanziatori (qui appresso pala verr? usato come termine per indicare genericamente parti di turbina che interagiscono con le guarnizi?ni di tenuta). Questo problema viene esacerbato dalle variazioni dimensionali che si verificano durante il funzionamento del motore risultanti dalla temperatura e dalle sollecitazioni.
Nella tecnica precedente sono stati usati materiali di tenuta abradibili. Tali materiali hanno una natura friabile e fragile che permette che essi vengano usurati via senza usura o danno notevole, permettendo che i giochi operativi del motore vengano ridotti e cos? le prestazioni del motore vengano migliorate.
Un altro problema significativo si incontra nei compressori di turbina.
I componenti del compressore sono generalmente fatti in una lega di titanio.
II titanio ? un metallo reattivo e se si verifica strofinamento che comporta componenti di metallo, ne pub risultare una combustione prolungata catastrofica. Tale combustione viene incoraggiata nel compressore che pub comportare temperature di fino a 482?C e pressioni fino a circa 2064 MPa, ed in combinazione offrono un'atmosfera conduttiva alla combustione.
La presente invenzione rappresenta una originale composizione e struttura di guarnizione di tenuta che fornisce caratteristiche abradibili durante le condizioni operative normali e caratteristiche abrasive durante le condizioni operative anormali. In particolare durante le condizioni operative risultanti nell'escursione della pala nella guarnizione di tenuta maggiori dei limiti di progrettazione, le pale rotanti fanno contatto con una parte abrasiva della guarnizione di tenuta e le pale vengono usurate via. Ci? impedisce il contatto di sfregamento delle pale con la carcassa del motore riducendo cos? le possibilit? di un incendio.
La parte della guarnizione di tenuta che ? immediatamente adiacente al componente stazionario (la carcassa interna o le estremit? di paletta) ? di un materiale abrasivo resistente allo sfregamento. Il termine abrasivo come usato in questa relazione descrive un materiale che allo sfregamento in contatto con un componente di lega di titanio, produrr? un'usura sostanziale del componente in lega di titanio senza che il materiale abrasivo subisca un'usura significativa. Pi? particolarmente il termine abrasivo verr? usato per denotare quei materiali in cui un'interazione di usura risulter? in almeno l'80% dell'usura totale che si verifica nel componente non rivestito e meno del 20% dell'usura totale che si verifica nel materiale abrasivo. Per il costituente abradibile, vale l'inverso, vale a dire la maggior parte dell'usura si verifica nel componente abradibile piuttosto che nel componente non rivestito. In particolare almeno il 60% dell'usura in una data interazione si verificher? nel componente abradibile, e meno del 40% si verificher? nel componente non rivestito. Nelle definizioni precedenti, il termine non rivestito significa non avente rivestimento abrasivo od abradibile; possono essere presenti strati protettivi o rivestimenti aventi altre funzioni primarie.
Il complesso di guarnizione di tenuta viene fabbricato mediante un processo di deposizione con spruzzatura al plasma. In un tale processo, il materiale di partenza in forma di polvere, viene riscaldato in un plasma in modo che si verifica almeno il rammollimento superficiale delle particelle di polvere, e la polvere riscaldata viene quindi proiettata ad una velocit? elevata contro il substrato per cui si verifica il legamento. Si pu? impiegare un'ampia variet? di materiali abrasivi includenti carburo di tungsteno, carburo di cromo, nitruro di silicio, ossido di alluminio, carburo di silicio e loro miscele; si possono impiegare dimensioni di particelle da circa 0,037 a circa 0,250 mm. Pi? particolarmente tuttavia le composizioni abrasive basate sul carburo di tungsteno e sul carburo di cromo sono state impiegate con successo e vengono preferite.
Nel caso degli abrasivi intermetallici come carburo di cromo e carburo di tungsteno, si trover? generalmente desiderabile impiegare un legante metallico per assicurare il legame interparticelle ed il legamento delle particelle al substrato. Il legante se impiegato viene selezionato in modo da essere essenzialmente non reattivo con 1' abrasivo. Nel caso di carburo di tungusteno, ? stata utilizzata una miscela di polvere comprendente circa 88% in peso di carburo di tungesteno e circa 12% in peso di un legante al cobalto, mentre nel caso dello strato abrasivo al carburo di cromo ? stata utilizzata una polvere contenente circa 75% in peso di Cr3Cr2 e circa 25% in peso di una lega composta dall'80% di nichel e 20% di cromo. Si trover? spesso desiderabile impiegare un rivestimento di legame iniziale per assicurare che il materiale abrasivo aderisca al substrato; un tale rivestimento di legame pu? per esempio comprendere la stessa lega o leghe simili a quelle impiegate come materiale di matrice o materiale legante in un unione con il materiale abrasivo. Altri rivestimenti di legame possono essere impiegati includendo leghe del timo MCrAl in cui M ? un materiale scelto dal gruppo consistente in ferro, nichel, cobalto e loro miscele; Cr? cromo in una quantit? da circa 5% a 25% in peso; ed Al ? alluminio in una quantit? da circa 5% a circa 20% in peso. Metalli reattivi come Y, La, Se, Hf e simili possono essere aggiunti in quantit? dell'ordine da 0,1% a 2%.
Lo spessore totale di guarnizione di tenuta varier? generalmente da 0,051 cm a 0,381 cm, lo spessore della parte abradibile esterna varier? da circa il 30% a circa l'80% dello spessore totale. La parte esterna abradibile della guarnizione di tenuta viene anche fabbricata mediante spruzzatura al plasma. I materiali abradibili sono quelli che vengono facilmente abrasi od usurati via; l'abradibilit? pu? essere fornita distendendo particelle di un materiale fragile in una matrice pi? duttile. Tali particelle disperse fragili possono essere selezionate dal gruppo consistente in grafite, mica, bisolfuro di molibdeno, nitruro di boro, vermicolite, amianto, farina fossile, vetro, riolite, bentonite, cordierite e loro miscele. Si pu? impiegare una quantit? fino a 65% in volume. In aggiunta a questi materiali, 1'abradibilit? pu? essere ottenuta fornendo una quantit? (fino al 70% in volume) di porosit? nel materiale; tale porosit? pu? essere ottenuta variando i parametri di spruzzatura al plasma od usando particelle pi? grandi oppure spruzzando assieme un materiale quale un poliestere o un sale, che possano essere successivamente bruciati via o lisciviati via dalla struttura depositata. La matrice preferibilmente contiene da 5% a 25% di Cr, da 0 % a 20% di Al, da 0% a 2% di un materiale scelto dal gruppo consistente in Y, Hf, La, Se e loro miscele, il resto essendo scelto dal gruppo consistente in ferro, nichel,cobaltoe miscele di nichel e cobalto. La quantit? totale di materiali fragili e la porosit? devono variare dal 30% al 70% in volume. Il brevetto U.S.A. N? 3.879.831 descrive ampiamente materiali abradibili e viene incorporato in questa relazione per riferimento.
Entro i limiti descritti precedentemente, si pu? impiegare un'ampia variet? di forme di realizzazione. La forma di realizzazione pi? semplice ? un sistema a due strati avente una parte abrasiva interna adiacente alla carcassa ed uno strato abradibile esterno. L'abrasivo viene scelto dal gruppo precedentemente indicato e si pu? anche impiegare un sottile rivestimento di legame iniziale.
Lo strato interno ? privo di porosit? intenzionale. Lo spessore della parte interna ? da circa il 10% a circa il 50% dello spessore totale della guarnizione di tenuta. La parte abradibile esterna ? composta di un materiale di matrice duttile contenente un materiale disperso fragile e/o porosit?. Nel sistema a due strati, non vi ? alcuna zona di transizione intenzionale tra gli strati, bench? in una guarnizione di tenuta a due strati prodotta mediante il procedimento di spruzzatura al plasma, potrebbe essere presente un sottile strato misto intermedio.
Uno schema di guarnizione di tenuta pi? complesso ? uno in cui vi sono tre. strati. Lo strato interno ? lo stessa dello strato interno nello schema a due strati contenente abrasivo. Parimenti lo strato esterno ? identico in composizione a quello precedentemente descritto rispetto alla forma di realizzazione a due strati ed ? composto da una matrice metallica contenente un materiale abradibile e/o porosit? intenzionale. La caratteristica distintiva nello schema a tre strati ? la presenza di uno strato intermedio intenzionale. In un sistema a tre strati, lo strato intermedio ? meno abradibile dello strato abradibile come risultato del contenere un livello ridotto di materiale abradibile e/o porosit?. In un altro sistema a tre strati, lo strato intermedio contiene un'aggiunta deliberata di materiale abrasivo, ma ad un livello inferiore a quello presente nello strato interno. Infine ? possibile produrre un sistema di tenuta a tre strati con uno strato intermedio in cui la composizione dell'abrasivo e dell?abradibilit? varia continuamente entro lo strato intermedia stesso.
E' passibile aumentare il numero di strati con ciascuno strato avente una composizione leggermente diversa da quelli vicini, seguendo lo schema generale di avere un elevato livello di abrasivo in corrispondenza dell'interno della guarnizione di tenuta, ed un elevato livello abradibile in corrispondenza dello esterno della guarnizione di tenuta con entrambi i contenuti di abrasivo e di materiale abradibile che variano attraverso lo spessore della guanrizione di tenuta. Nel caso limite, i contenuti di abrasivo e di materiale abradibile possono essere variati!continuamente attraverso lo spessore della guarnizione di tenuta risultando in una guarnizione di tenuta di grado continuamente variabile.
La presente invenzione pu? essere meglio compresa facendo riferimento al seguente esempio che viene inteso essere esemplificativo piuttosto che limitativo.
ESEMPIO
Vengono fabbricati e provati campioni che simulano una pala ed una carcassa di compressore (come mostrato nella Fig. 2 precedentemente discussa). I segmenti di carcassa vengono fatti con lega al titanio AMS 4911 e la pala viene fatta di lega al titanio MS 4928. Il segmento di carcassa ha una scanalatura poco profonda corrispondente al percorso di strofinamento priettato.
Alla parte scanalata del segmento di carcassa viene dato il rivestimento dell'invenzione come segue:
1. un rivestimento abrasivo di 88% WC, 12% Eo, spesso 0,025 cm viene depositato al plasma usando una torcia al plasma METCO 7MB funzionante a 40 volt, 800 amp, e tenuta a 10,16 cm dalla carcassa. Polvere con una dimensione da 0,042 a 0,074 mm viene depositata mentre la torcia viene traslata ad una velocit? di 25,4 cm al minuto rispetto alla carcassa;
2. un rivestimento abradibile di nichel-cromo poroso (80% Ni, 20%.Cr), spesso 0,19 cm viene depositato al plasma usando una torcia al plasma METCO 7MB azionata a 38 volt, 500 amp e tenuta ad 11,4 cm di distanza dalla carcassa. Una miscela di polvere di 7 parti di nichel-cromo rispetto a 2 parti di poliestere viene depositata ed il poliestere viene bruciato via usando un trattamento di due ore a 538?C in aria. La struttura risultante contiene circa il 50% di porosit?.
La guarnizione di tenuta cos? applicata comprende un rivestimento abrasivo spesso circa 0,03 cm ed un rivestimento abradibile spesso circa 0,19 cm.
Questa combinazione di guarnizione di tenuta viene valutata traslanda la pala (non rivestita) ad una velocit? di 20116,8 m al minuto in un percorso parallelo alla scanalatura rivestita mentre si fa avanzare la guarnizione di tenuta verso il rivestimento ad 1,52 cm al minuto finch? si effettua il contatto. Il movimento reciproco viene continuato finch? la pala ? avanzata di 0,84 cm
Claims (8)
1. Apparecchio che include componenti strettamente distanziati tra i quali si verifica un movimento reciproco e tra i quali i giochi ed il flusso di fluido devono essere minimizzati mentre si deve evitare il contatto di strofinamento diretto, caratterizzato dal perfezionamento che comprende: prevedere su un componente un rivestimento di tenuta composito che include uno strato abrasivo su detto componente ed uno strato abradibile su detto strato abrasivo, con lo spessore degli strati abrasivo ed abradibile ed il gioco del componente essendo tali che nel funzionamento normale il componente non rivestito incontra ed abrade lo strato abradibile senza essere abraso significativamente esso stesso, mentre nelle condizioni operative anormali il componente non rivestito incontra e viene abraso dallo strato abrasivo e non fa contatto diretta con il componente rivestito.
2. Apparecchio secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti componenti ? fabbricato in una lega di titanio.
3. Apparecchio secondo le rivendicazioni 1 e 2 caratterizzato dal fatto che entrambi detti componenti sono fabbricati in una lega di titanio.
4. Apparecchio secondo le rivendicazioni 1-3 caratterizzato dal fatto che detto strato abrasivo include come suo costituente abrasivo primario, un materiale scelto dal gruppo consistente in carburo di tungsteno, carburo di cromo, ossido di alluminio, nitruro di silicio, carburo di silicio e loro miscele.
5. Apparecchio secondo le rivendicazioni 1-4 caratterizzato dal fatto di includere inoltre un rivestimento di legame metallico tra il componente di substrato e lo strato abrasivo.
6. Apparecchio secondo le rivendicazioni 1-5 caratterizzato dal fatto di includere inoltre uno strato intermedio tra lo strato abrasivo e lo strato abradibile.
7. Apparecchio per macchinario rotativo, caratterizzato dal fatto di includere: (a) un componente stazionario; (b) un rivestimento abrasivo fissato al componente stazionario; (c) un rivestimento abradibile fissato al rivestimento abrasivo; e (d) un componente in movimento distanziato in modo tale che nel funzionamento normale detto componente in movimento interagisce con detto strato abradibile mentre nel funzionamento anormale detto componente in movimento interagisce con detto rivestimento abrasivo e non interagisce con detto componente stazionario.
8. Metodo per fornire simultaneamente tenuta ai fluidi tra due componenti di apparecchio in movimento reciproco mentre si evitano interazioni di strofinamento dannose caratterizzato dal fatto di comprendere le operazioni di:-applicare un rivestimento abrasivo aderente ad un componente, applicare un rivestimento abradibile aderente al rivestimento abrasivo, in modo che nel funzionamento normale viene fornita la tenuta mediante l'interazione del componente non rivestito con il rivestimento abradibile mentre l'interazione di strofinamento dannosa tra i componenti viene impedita dal rivestimento abrasivo.
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