JP2019052637A - ターボ機械圧縮機用摩耗性シール組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、シールの脆い性質を最適化する目的を有し、簡易であり、耐久性が高く、軽量で、経済的で、信頼性が高く、製造、維持、検査が容易であり、効率が向上するシール用の組成物を提供する。【解決手段】本発明はターボ機械用摩耗性シール（３６）の組成物に関し、特に粉末状であり、前記シール（３６）は前記ターボ機械のロータに接触した際に砕けることが可能であり、シールは、基板ケーシング（２８）の弧状壁（３０）上に形成され、前記組成物は、アルミニウムを主成分とし、クロムを含む主となる金属相と、無機材料および／または有機材料を含む少数となる第２相とを含み、本発明はまた、ターボ機械用、特にブースターと称されるジェットエンジンの低圧圧縮機用の摩耗性シール（３６）の製造方法に関する。【選択図】 図３

Description

本発明は２相から成る摩耗性シールを用いたターボ機械のシーリングの分野に関する。本発明はまた、摩耗性シールの製造方法を提案する。本発明は圧縮機および軸流式ターボ機械に関し、特に飛行機のジェットエンジンまたは航空機のターボプロップエンジン機に関する。

動翼の先端とその周囲を囲むケーシングとの間の機械的隙間から漏れが生じ、ターボ機械圧縮機の性能を低下させる。漏れを減少させるためには、安全マージンを確保しながら動翼とケーシングとの距離を減少させることが不可欠である。実際、接触した際は動翼とケーシングが共に損傷するので、ターボ機械の安全な動作を危険にさらす可能性がある。このような事象は、特に振動、吸い込み、遠心力、膨張、ロータの偏心が原因で頻繁に発生する。したがって、前記ケーシングと動翼との間の境界面に摩耗性材料の層を追加することにより、前記損傷が、前記シールの砕ける材料にのみ限定されるため、接触の際の損傷を制御することが可能になる。

特許文献１はターボ機械用摩耗性シール組成物を開示し、組成物はアルミニウムの基部、ニッケルの粉末、ポリエステルの粉末を含む。この文献は動翼の環状列を囲む摩耗性シールを有する軸流式ターボ機械の低圧圧縮機の外部ケーシングを教示する。前記シールは、主にアルミニウムと少量のニッケルから構成される金属相を含む摩耗性材料の層で覆われた円形基板を備える。摩耗性材料はさらに、ポリエステル、メタクリル酸メチル、六方晶窒化ホウ素、カルシウムフッ化物といった添加物を２５％〜５５％含む。前記基部は区分けされ、圧縮機の有機マトリックス外部ケーシング組成物を形成する。このようにして、このシールの特性は改良される。さらに、シールは塗布するために複合体のままである。

欧州特許出願公開第３０２３５１１号明細書 欧州特許出願公開第１０１０８６１号明細書

本発明は従来技術が提示する課題のうち少なくとも１つを解決することを目的とする。より具体的には、本発明は、シールの脆い性質を最適化する目的を有する。本発明はまた、簡易であり、耐久性が高く、軽量で、経済的で、信頼性が高く、製造、維持、検査が容易であり、効率が向上する解決策を提案する。

本発明は、特に粉末状である、ターボ機械用摩耗性シールの組成物に関し、前記シールは前記ターボ機械のロータと接触した際に砕けることができ、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、とりわけ金属相はさらにクロムを含む。金属相はさらにニッケルを含む。金属相はニッケルより多くのクロムを含む。

特に硬度／靭性において、興味深い物理特性を有するニッケルを追加することは、摩耗性シールの硬度／靭性とコストとのバランスがよくなることを可能にする。本発明の有利な実施形態に基づいて、組成物は以下の特徴のうち１つ以上を備えることができ、それは単独またはあらゆる技術的な組み合わせが可能である。
前記金属相は２０〜４５質量％のクロムを含む。
前記有機材料はポリエステルを含み、前記無機材料は六方晶窒化ホウ素を含む。
前記金属相はアルミニウムとクロムから構成される。
前記金属相は前記組成物の質量の５０〜９０％を占める。
前記金属相は前記組成物の質量の８２〜９０％を占める。
前記第２相は前記組成物の質量の１０〜５０％を占める。
前記第２相は前記組成物の質量の１０〜２５％を占める。
前記第２相は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ビスマレイミド、フッ素樹脂、ケトン系樹脂、液晶ポリマー、または、それらの組み合わせである材料のうち少なくとも１つを含む。
前記第２相は、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、マイカ、または、それらの組み合わせである材料のうち少なくとも１つを含む。

本発明はターボ機械用摩耗性シールの組成物に関し、特に粉末状であり、前記シールは前記ターボ機械のロータと接触した際に砕けることができ、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、とりわけ、前記金属相は前記組成物の質量の８０〜９０％を占める、および／または少なくとも前記組成物の質量の８１％、８２％または８３％を占める。

本発明はターボ機械用摩耗性シールの組成物に関し、特に粉末状であり、前記シールは前記ターボ機械のロータと接触した際に砕けることができ、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、とりわけ、前記無機材料は前記組成物の質量の１０〜４５％、または、１０〜２５％を占める。

本発明はターボ機械用摩耗性シールの組成物に関し、特に粉末状であり、前記シールは前記ターボ機械のロータと接触した際に砕けることができ、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、とりわけ、前記有機材料は前記組成物の質量の１０〜４５％、または、１０〜２５％を占める。

本発明はターボ機械用摩耗性シールの組成物に関し、特に粉末状であり、前記シールは前記ターボ機械のロータと接触した際に砕けることができ、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、第２相とを含み、とりわけ、前記第２相は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ビスマレイミド、フッ素樹脂、ケトン系樹脂、液晶ポリマー、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、マイカ、または、それらの組み合わせである材料のうち少なくとも１つを含む。

本発明はまたターボ機械用圧縮機に関し、特に、動翼を備えるロータ、および、前記動翼と密封的に協働する摩耗性シールとを備えるターボ機械用低圧圧縮機に関し、とりわけ、摩耗性シールは本発明に基づく組成物を含む。

本発明の有利な実施形態に基づいて、圧縮機は以下の特徴のうち１つ以上を備えることができ、それは単独またはあらゆる技術的な組み合わせが可能である。
前記圧縮機は、摩耗性シールが配置される有機マトリックス組成物壁と、および、前記有機マトリックス組成物壁と前記摩耗性シールとの間にあり、金属帯板で形成された接合部分とを、備える。
摩耗性シールと密封的に協働する動翼はチタンから成る。
動翼は遷音速度で運転するよう構成される。
摩耗性シールの径方向の厚みは動翼の平均的な厚みより大きい、または、等しく、および／または３.００ｍｍより大きい、または、等しい。
帯板は鉄製であり、特に鋼鉄から成る。
摩耗性材料により製造されたシールの圧縮度は９０％、９５％、９８％または９９％より大きい、または、等しい。

本発明は、摩耗性シールを備えたターボ機械、特にジェットエンジンに関し、前記摩耗性シールは、前記摩耗性シールの組成物が本発明に基づくものである点に特徴があり、前記ターボ機械は本発明に基づく圧縮機を備えることもできる。

本発明はまた、ターボ機械用、特にジェットエンジン用の摩耗性シールの製造方法に関するものであり、前記シールは、弧状壁と、前記弧状壁に塗布された摩耗性組成物とを含み、前記製造方法は以下の工程を備える。（ａ）弧状壁を提供または製造する工程、（ｆ）溶射により、摩耗性シール組成物を弧状壁に塗布する工程であって、前記組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相および第２相とを含み、塗布する工程（ｆ）において、塗布する工程（ｆ）の開始時および／または終了時に、場合によって、前記金属相はさらにニッケルを含み、前記組成物は本発明に基づくものである。

本発明の１つの有利な形態では、塗布する工程（ｆ）中に、プラズマ溶射によって前記組成物が塗布される。

一般的に、本発明の各対象の有利な実施形態は、本発明の他の対象にも適用できる。本発明の各対象は他の対象と組み合わせることができ、本発明の対象はまた明細書の実施形態と組み合わせることができ、さらに、明確に逆の記載がない限りは、技術的に可能な組み合わせを相互にすることができる。

摩耗性組成物におけるクロムの存在は、基板への固定の強化をもたらす。例えば、金属帯板との密着力は強化され、特に有機マトリックス組成物ケーシングへの接着が強化される。

同時に、摩耗性材料の砕けやすい挙動はプラズマ溶射によってより強まる。これは特に金属相と第２層とを十分に混合することによる。これらのそれぞれは従来技術と比べて小さい結晶を形成する。結晶の形状および表面はよりよい相互浸透をもたらすことができる。

図１は本発明に基づく軸流式ターボ機械を示す。 図２は本発明に基づくターボ機械圧縮機の図である。 図３は本発明に基づくターボ機械用摩耗性シールを示す。 図４は本発明に基づくターボ機械用摩耗性シールを製造する方法の図を示す。

以下の記載において、「内部」および「外部」という用語は、軸流式ターボ機械の回転軸に対する位置を示す。軸方向はターボ機械の回転軸に沿った方向に相当する。半径方向は回転軸に垂直である。上流および下流はターボ機械の流れのなかで主要な流れ方向を示す。

金属相は材料の物理的特性と理解される。

摩耗性材料はターボ機械のロータ素子と接すると砕ける材料と理解される。この材料は、ロータの統合性を維持しつつ、摩耗および変形をロータ内に集中するのに適している。

図１は軸流式ターボ機械を簡素化した図である。これはターボファンエンジンの特別な例である。ジェットエンジン２は、低圧圧縮機４と呼ばれる第１圧縮ステージと、高圧圧縮機６と呼ばれる第２圧縮ステージと、燃焼室８と、１つ以上のタービンステージ１０とを備える。動作中は、ロータ１２の中央シャフトを介して伝達されるタービン１０の機械力は、２つの圧縮機４，６を動かす。圧縮機６は静翼の列に関連する動翼を複数列備える。回転軸１４回りのロータの回転は空気の流れを作り出し、入口から燃焼室８まで強く圧縮することが可能である。

吸気口ファン１６は動翼１２と連結されて空気の流れを作り、空気はコアフロー１８で分かれて、ターボ機械の上述した様々な段階およびバイパスフロー２０を通り抜け、機械に沿っている環状配管（部分的に図示）を通り抜けて、タービン出口でコアフローに再度合流する。バイパスフローが加速することで飛行機が飛行するために必要な推力が発生する。コアフロー１８およびバイパスフロー２０は同軸で環状の流れであり、片方がもう片方の内部にある。コアフロー１８およびバイパスフロー２０はターボ機械のケーシングおよび／または隔壁によって配管されている。そのために、ケーシングは内部および外部に面する円筒状の壁２１を有する。

図２は図１と同じ軸流式ターボ機械圧縮機の断面図である。圧縮機は低圧圧縮機４である。図はコアフロー１８をバイパスフロー２０から分離するファン１６の一部と分離器２２を示す。ロータ１２は複数列の動翼２４を備え、この場合は３列備える。

低圧圧縮機４は複数の固定子を備え、この場合は４つの固定子を備えており、それぞれが一列の静翼２６を備えている。特定の静翼は向きが調整可能であり、この場合、これらは可変ピッチ静翼と呼ばれる。前固定子は、空気の流れを変えるためにファン１６または動翼の列と関連しており、それにより前記流れの速度を圧力に変換し、特に静圧に変換する。

圧縮機４は外部ケーシング２８を備える。このケーシングは弧状壁３０を備える。この壁３０は回転軸１４の周りの一体構造の閉鎖型フープとして示されてもよく、またはハーフシェルあるいは半円として形成されてもよい。

前記ケーシング２８、特に前記ケーシングの壁３０は有機マトリックス複合材料からできている。前記マトリックスは、予備形成の形態である、ファイバーで補強されている。前記補強はファイバー層を備えることができ、例えば炭素ファイバーまたはガラスファイバーを含む。

前記静翼２６は、前記壁３０から本質的に放射状に拡張して、ピン３２によって固定され、据え付けられる。任意選択で、静翼は固定ピン３２を受け入れる固定台３４を備える。前記静翼および前記固定台は共にチタンで作られる。

前記静翼は、ケーシング２８によって、少なくとも１つの環状シール３６、場合によっては、動翼２４の各環状列の周囲にある環状シール３６を受け入れる。少なくとも１つ以上の環状シールまたは各環状シール３６は、摩耗性材料３８の環状層を有する摩耗性シールとすることができる。よって、シールは摩耗性シール３６であり、それらは動翼２４とケーシング２８とを近接させることによって、漏れを減少するのを助けることができる。

任意選択で、内部隔壁４０は静翼２６の内部終端に連結されている。それら隔壁もまた本発明に記載されるような摩耗性シールを受け入れ、ロータ１２と密封的に協働する。

図３は、図２に示されているような圧縮機用の摩耗性シール３６を示している。図はケーシング２８または基板２８の壁３４、シール３６に塗布された摩耗性層３８、２つの静翼２６間にある動翼２４の端部を示す。

摩耗性層３８は静翼２６の１つの台３４から次の台まで延長しており、これは上流または下流のどちらかに配置された隣接する列に属している。少なくとも１つの摩耗性シールまたは各摩耗性シールは、場合によって電気接触して、翼台の材料と接触しうる。

摩耗性層３８は前記ケーシング２８の壁３０に塗布される。さらに、前記シール３６は前記基板と前記摩耗性層３８との間に中間層を備える。前記中間層は鋼板またはニッケル板のような帯状体４２であり得る。前記帯状体４２は穿孔および／または切断できる。前記帯状体４２は一定の厚みを有する。前記摩耗性層３８は帯状体４２より厚くすることができる。

前記帯状体４２は、壁３０に固着され、および／または静翼２６の台３４により保持され得る。任意選択で、前記帯状体４２の上流および／または下流の端部は前記台３４と前記壁３０との間に固定される。

前記摩耗性層３８は前記コアフロー１８と接する内部表面４４を有する。その内部表面４４は後者を圧縮する間にコアフロー１８をガイドして結合させる。それは台３４の内部表面と共に流される。

前記摩耗性層３８を形成する材料の組成物、および、それによる前記シール３６は、少なくとも２つの混合相、特に、金属相および第２相を含んでもよい。前記第２相は無機および／または有機である。前記摩耗性材料は、複合材料、および／または、粒状であってもよく、および／または、その構成物質で満たされた空間であってもよい。第２相は潤滑油を形成することもできる。

前記金属相は主にアルミニウムを含む。前記組成物の金属相はアルミニウム系である。これは摩耗性材料の金属のうち最大質量はアルミニウムであるということである。アルミニウムの優位性は、前記シール３６の質量を最適化することである。前記金属相は、アルミニウムより少ない質量比でクロムを含むことができる。

金属相は２０％〜４５％のクロム、および、５５％〜８０％のアルミニウムを含む。アルミニウムおよびクロムは、それぞれの質量が前記組成物の質量の少なくとも０．１０％または少なくとも１％に相当する唯一の２つの金属であったもよい。前記金属相は、アルミニウムおよびクロムから構成され得る。

任意選択で、前記金属相は、ニッケル、特に質量比ではクロムより小さく、例えば２分の１であるニッケルを含む。

例えば、前記金属相は、１０質量％のクロム、および／または、５質量％のニッケル、または、３０質量％のクロム、および、１０質量％のニッケルを含む。

さらに、前記金属相は任意選択で鉄、銅、亜鉛、マンガン、マグネシウムおよび／または不純物を含み、これらの組成物は、個々にまたは全体で、前記金属相の１質量％〜０.１質量％を示す。

前記組成物の第２相の有機材料は、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ビスマレイミド、フッ素樹脂のような重合体、ケトン系樹脂、液晶ポリマーから構成され、またはそれらのあらゆる組み合わせを含むことができる。

前記第２相はまた六方晶窒化ホウ素、カルシウムフッ化物、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、マイカ、またはそれらのあらゆる組み合わせを含むことができる。これらの材料は無機材料であると考えられる。

前記第２相は少なくとも１つの無機材料および少なくとも１つの有機材料の混合物を含む。

第２相の質量は、前記組成物の質量の５％〜５０％、１５％〜２５％、あるいは２０％に相当する。前記金属相は、前記摩耗性層の体積の大部分を占めてもよく、すなわち、前記金属相が前記第２相を受け入れるマトリックスを形成してもよい。

また、前記摩耗性層は、粒間空間が前記第２相で満たされた金属粉末の粒子で形成されてもよい。前記摩耗性層内の空隙は１％未満であり、好ましくは０.１％未満である。

図４は、図２および／または図３にしめすような軸流式ターボ機械用摩耗性シールを製造する方法の図である。前記シールは、図１および／または図２と関連して述べられた圧縮機、特に低圧圧縮機で用いられる。

本方法は、以下の順番で実行される以下の工程を含む。
（ａ）圧縮機の外部ケーシングである弧状壁を提供または製造する工程であり、前記壁は基板として作動する、工程１００
（ｂ）台と静翼を提供または製造する工程１０２
（ｃ）帯状体を提供または製造する工程１０４
（ｄ）帯状体をケーシングに設置する工程であり、特に弧状壁の内部表面に設置する工程１０６
（ｅ）環状の列を形成する弧状壁に対して、それらの台を介して前記静翼を固定する工程１０８
（ｆ）帯状体を覆うように、摩耗性組成物を、台の環状列の間の弧状壁に塗布する工程１１０
塗布する工程（ｆ）１１０の開始時に、前記組成物は、主に、例えば粉末の形態のアルミニウムを含む金属相を有する。アルミニウムは純粋なアルミニウムまたは合金状であったもよい。これはクロムの場合も同じである。

前記組成物は、粉末上のクロムおよび場合によっては第２金属を含むことができる。クロムの質量は、金属相の少なくとも２０質量％、２１質量％、２２質量％または２３質量％を示す。粉末の組成物は上記で提示された前記摩耗性層の化学組成と一致してもよい。

塗布する工程（ｆ）１１０の終了時に、組成物の少なくとも１つの化合物または各化合物は粉末状のままである、または少なくとも１つの化合物は融解している、または、各化合物は融解している。

ある種の粉末の粒子、少なくとも１つの粉末の粒子、または各粉末の粒子は、本質的に固体であってもよい。各粒子は均質な材料を形成することができる。任意選択で、１つの種類の粒子は、中空の粒子であり、例えばアルミニウム粒子またはクロム粒子である。

塗布する工程（ｆ）１１０の間、前記組成物は、プラズマ溶射によってケーシング、すなわち、弧状壁に対して塗布される。この種の熱技術は当業者には公知であり、これは特許文献２に開示された方法と同様の方法で実施することができる。前記第２相の粉末は、金属粉末の下流においてプラズマの噴射により導入することができる。他の技術を利用することも可能である。あるいは、前記組成物は、焼成によって、場合によっては、長時間加熱することによって基板に塗布することが可能である。この代替手段においては、粒子のうちいくつかは元の形状を保つこともある。

（ｂ）静翼を提供する工程１０２、（ｃ）帯状体を提供または製造する工程１０４、（ｄ）前記帯状体を、前記ケーシング、特に、特に弧状壁の内部表面に設置する工程１０６、（ｅ）前記静翼を固定する工程１０８は、本発明において完全に任意選択である。実際に、前記摩耗性材料組成物は、動翼または静翼がなくても、および／または帯状体がなくても基板に塗布することができる。例えば、（ｆ）塗布する工程１１０は、弧状壁の厚みに形成されたチャネル内で実行、および／または、前記弧状壁の内部表面に直接実行される。

前記組成物に関連して既定された特徴はシールにも適用可能であり、逆も同様である。

Claims (12)

1. ターボ機械用の摩耗性シール用組成物であり、前記組成物は前記ターボ機械のロータに接触した際に砕けることが可能であり、
   前記組成物は、
   アルミニウムを主成分とする金属相と、
   無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、
   前記金属相はさらにクロムおよびニッケルを含み、前記金属相はニッケルより多くのクロムを含む、ターボ機械用摩耗性シール用組成物。
2. 前記金属相は２０〜４５質量％のクロムを含む、請求項１に記載の組成物。
3. 前記有機材料はポリエステルを含み、前記無機材料は六方晶窒化ホウ素を含む、請求項１に記載の組成物。
4. 前記金属相は前記組成物の質量の８２〜９０％を占める、請求項１に記載の組成物。
5. 前記第２相は前記組成物の質量の１０〜２５％を占める、請求項１に記載の組成物。
6. 前記第２相は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ビスマレイミド、フッ素樹脂、ケトン系樹脂、液晶ポリマー、または、それらの組み合わせである材料のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の組成物。
7. 前記第２相は、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、マイカ、または、それらの組み合わせである材料のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の組成物。
8. 動翼を有するロータと、および、前記動翼と密封的に協働する摩耗性シールとを備えるターボ機械用圧縮機であり、前記摩耗性シールが組成物を含み、
   前記組成物は、
   アルミニウムを主成分とする金属相であって、前記金属相はさらにクロムおよびニッケルを含み、ニッケルより多くのクロムを含む、前記金属相と、および、
   無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含む、ターボ機械用圧縮機。
9. 前記圧縮機は、摩耗性シールが配置される有機マトリックス組成物壁、および、前記有機マトリックス組成物壁と前記摩耗性シールとの間にあり、金属帯板で形成された接合部分を、備える請求項８に記載の圧縮機。
10. 摩耗性シールの径方向の厚みは動翼の平均的な厚みより大きい、または、等しい、請求項８に記載の圧縮機。
11. ジェットエンジン用の摩耗性シール用組成物の製造方法であり、シールは、弧状壁と前記弧状壁に塗布された摩耗性組成物とを備え、
    前記方法は、
    弧状壁を提供または製造する工程と、
    溶射により、摩耗性シール組成物を弧状壁に塗布する工程であって、前記摩耗性シール組成物は、アルミニウムを主成分とする金属相と、無機材料および／または有機材料を含む第２相とを含み、前記金属相はさらにクロムおよびニッケルを含み、ニッケルより多くのクロムを含む、工程とを備える、方法。
12. 塗布する工程中に、プラズマ溶射によって組成物を塗布する請求項１１に記載の方法。