JPH02211304A - 摩耗可能シール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガスタービン・エンジンの摩耗可能なシール
（ａｂｒａｄａｂｌ、ｅ　ｓｅａｌｇ）に関し、摩耗可
能なシールシステムにおいて有害な初期の相互作用を削
減することに関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ガスタ
ービン・エンジンは、特に、航空機工業において、出力
源として広く応用されている。こノヨウなガスタービン
・エンジンは、空気を適当な圧力及び適当な温度の状態
に圧縮する圧縮機セクションから成る。圧縮された空気
は、燃焼室セクションで燃料と化合し、タービン・セク
ションにおいて、燃焼生成物から有用な出力が抽出され
る。タービン・セクションは、もとの圧縮機セクション
に動力を供給するとともに、任意に外部負荷に動力を供
給する。通常の形態のガスタービン・エンジンでは、タ
ービン・セクションは、増加推力を供給するファン・セ
クションにも動力を供給する。

ガスタービン・エンジンは、空気の流れが必要とされる
所だけに空気が流れるようにすることを保証するととも
に、漏出、例えば、ブレードの先端及びベーンの端部の
回りの漏出を最小限にすることを保証することによって
、エンジンの効率を高めることが出来る。タービン・エ
ンジンの構成要素は、温度とともに伸縮し、クリアラン
スが負荷状態の変化とともに変化するので、シールする
ための労力は、さらに困難になる。現在では、摩耗可能
シールが広く使用されている。摩耗可能シールは、脆く
、砕けやすい物質から成り、通常、弱く結合した粒状合
成物から成る。これは、可動ブレードの先端又はベーン
端部と相互作用するときに、フローリング（ｆｌｏｗｉ
ｎｇ）又はスミアリング（ｓ＋ａｅａｒｉｎｇ）という
よりも、むしろ、理論的にはきれいに離脱する。摩耗可
能シール・システムは、可動構成要素と組み合わせた摩
耗可能な構造物（通常固定物）によって構成される。可
動構成要素は、摩耗可能な構成物と相互作用して、その
内部に溝を形成する。可動構成要素は、通常の動作中、
溝内で動作して、シールの寸法を良好にする。

高温動作に適した摩耗可能物質（ａｂｒａｄａｂｌｅ）
と研削材（ａｂｒａｓｉｖｅ）との組み合わせを見つけ
ることは、特に合理的な組立コストも必要とされる場合
に、要求されていることである。

米国特許３．４１３．１３６号、３．８７９．８３１号
、３．８４４．０１１号及び３．１４７．０８７号には
、様々な可動橋５５．要素と相互作用することが出来る
典型的な摩耗可能なシール・システムが記載されている
。研削材の部分が加えられるのは、可動ブレードの先端
、又はナイフェツジのシール上よりも、むしろ、摩耗可
能な構成要素上に摩耗が生ずることを保証するためであ
る。摩耗可能物質と研削材との最適な組み合わせは、現
在では、まだ発見されていない。摩耗可能物質と研削材
とが適当に相互作用しない場合に生ずる実質的な問題が
依然としであるが、その代わりに、スミアリング又は引
き伸ばし形式で、摩耗可能な相互作用が起こり、粘着力
が生じ、摩耗面上に沈積物を形成する。このような作用
が起こり始めると、摩耗する表面上の沈積物が、摩耗可
能なシール構成要素によって、又はこれらに引き付けら
れて、湿潤性になるので、その作用が持続する。シール
物質によって回動部材が湿潤すると、不均衡が生じて、
振動を生じ、最後には疲労亀裂を引き起こすまで、有害
な効果が続く。

本発明は、特に、研削材の表面と摩耗可能なシールとの
間の初期の接触中に、シールから回転部材への最小の物
質移動で、最小の相互作用を提供する、過渡的な中間コ
ーティング（Ｈｉｒａｎｓｉｅｎｔｉｎｔｅｒｍｅｄｉ
ａｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇ）　、及び摩耗可能物質と研削
材のシステムを提供することを目的とする。

［課題を達成するための手段及び作用］研削材と摩耗物
質の相互作用の大部分は、エンジン動作の最初の数秒あ
るいは数分間に起こる。

この最初の短時間の間に、多量の摩耗可能物質が摩耗し
、この時間中の研削材と摩耗可能物質との間の相互作用
により、エンジン動作とシール作用を良好にする。

本発明によれば、従来の摩耗可能なシールは、最初のエ
ンジン動作の前に、可動構成要素の表面に過渡的なコー
ティングを挿入することによって、実質的に修正された
研削材の表面と相互作用することが出来る。

従来の研削材物質は、ブレードの先端及びナイフ・エツ
ジのシール上にプラズマ（ｐｌａｓｉ＋ａ）として吹き
付けることが出来る。この物質は、カーバイド、窒化物
、酸化物から選択される研削材物質を含む、酸化及び侵
食に耐えるマトリックスから成る。この研削材は、従来
のような摩耗可能シール、例えば、米国特許３．４１３
．１３６号、３．８７９．８３１号、３、８４４．０１
１号及び３．１４７．０８７号に示される摩耗可能シー
ルと相互作用する。この技術に関する過去の経験では、
このような組み合わせは、不利な相互作用が起こったの
で、全（満足できるものではなかった。

本発明によれば、これらの相互作用は、研削材の表面に
セラミック物質のコロイド系を沈積させることによって
、実質的に減少する。このセラミック物質は、高温の相
互作用中において、摩耗可能物質によって湿潤性になら
ず、回転槽５５．要素への摩耗可能物質の移動及び付着
を最小にする。典型的なセラミック物質は、Ａ＃ｚＯ８
、ＭｇＯ，ＺｒＯ２，５ｉｓＮ４及びＢＮを含む。この
ような物質は、エンジン動作の最初の瞬間的な時間内に
不利な相互作用をかなり減じることが出来る。初期のエ
ンジン動作中に不利な相互作用を避けることが出来れば
、他の方法では満足できないような摩耗可能シール・シ
ステムも、通常のエンジン使用中に生ずる相互作用を実
質的により少なくすることが出来る。

このような相互作用は、明らかに、非湿潤性の物質と組
み合わせて、摩擦熱を減少させることにより、減少する
。

本発明によれば、エンジン可動構成要素と相互作用する
ように配置された摩耗可能シールを有する摩耗可能シー
ルシステムの初期の組立法が提供される。この組立法は
、エンジン可動構成要素にセラミックのコロイド粒子の
薄石を塗布し、この薄層が摩耗可能シールによって湿潤
性にならず、初期のエンジン動作中において、摩耗可能
シールとエンジン可動構成要素の間の不利な相互作用を
最小にすることを特徴とする。

また、本発明によれば、エンジン可動構成要素と相互作
用するように配置された摩耗可能シールと、エンジン可
動橋ｆｆ要素に塗布されたセラミックのコロイド粒子の
薄層とから成り、この薄層が摩耗可能シールによって湿
潤性にならず、初期のエンジン動作中において、摩耗可
能シールとエンジン可能構成要素との間の不利な相互作
用を最小にすることが出来る摩耗可能シールシステムが
提供される。

［実施例］ 本発明は、ガスタービン・エンジン、特に、軸流型のガ
スタービン・エンジンに使用するシールに関する。この
ようなエンジンは、交互に配置された固定ベーンと可動
ブレードの列を有し、可動ブレードは、シャフトに取り
付けられた回転ディスクの周縁部に貼着されている。

図は、最新のガスタービン・エンジンの一部の断面を示
している。本発明を理解するために重要な構成部材は、
多数の回転ディスク１を含み、このディスク１の外周上
に、多数のブレード２が取り付けられている。ブレード
２は、インナ・ケース３内で回転し、イン力・ケース３
に接近して配置されている。ブレード２とインナ・ケー
ス３との間の漏出量を最小にするために、インナ・ケー
ス３には、シール４（アウタ・エア・シール）が設けら
れている。

イン力・ケース３内には、多数のベーン５が配置してい
る。ベーン５の内側の先端部６には、別のシール７（イ
ンナ・エア・シール）が設けられている。インナ・エア
・シール７は、ディスク１の拡張部に設けられたナイフ
ェツジ８に隣接して配置している。ナイフェツジ８とイ
ンチ・エア・シール７は、共働して、漏出量を減少させ
、エンジン効率を向上させる。あるいは、別のエンジン
設計では、ディスク１は、一体に形成された突出部を有
しないが、ナイフェツジを取り付けることが出来るスペ
ーサによって、隔離されている。

本発明に特に適したシールは、好ましくは、ブレード２
の先端部に隣接して、インナ・ケース３上に配置される
（アウタ・エア・シール）とともに、ベーン５の先端部
６上に配置される（インナ・エア・シール）。また、本
発明によるシールは、好ましくは、エンジンの可動構成
部材に配置された固定基板上に取り付けられる。

本発明は、従来より試みられて確実な結果が得られなか
った従来のシール物質を改良したしのである。本発明は
、初期のエンジン動作中に研削材と摩耗可能物質との間
の不利で有害な相互作用を著しく減少させる最初の中間
コーティングを挿入することにより、好結果の組み合わ
せよりも少ない成功を、予めこれらにもたらす。摩耗可
能シールは、例えば、米国特許３．４１３．１．３６号
、３．８７９．８３１号、３．８４４．０１１号及び３
．１４７．０８７号の技術から選択することが出来る。

アルミナは、高温で使用される周知のセラミッりであり
、摩耗可能な構造と研削材の表面に使用されるような合
金に対して、一般に非反応性で非湿潤性であるという特
性を有する。研削材と摩耗可能物質とが最初に摩擦され
る間に、このような非湿潤性、非反応性の物質が存在す
ることを保証することによって、最初の相互作用を非湿
潤性の相互作用とすることができ、初期のエンジン動作
中にしばしば起こる問題を最小にすることが出来る。本
発明によれば、ｉ、Ｏ，、Ｍｇ０ＳＺｒ（ｈ、５ｉｓＮ
＜及びＢＮなど、少なくとも３０００°Ｆで安定で機能
的に変わらない非湿潤性のセラミックスが含まれる。実
用的な大きさは、好ましくは、１０ミクロンであり、コ
ーティングの厚さは、１ミル以上にすべきである。

この摩耗可能シール物質と相互作用する摩耗可能な表面
は、カーバイド及び酸化物、特に、ＷＣｌＣｘＣｓ、５
ｊｓＮ４、Ａｔ２０．、ＳｉＣ及びこれらと結合剤との
混合物から選択される研削材物質を、コプラズマ・スプ
レィ（ｃｏｐｌａｓｍａ　ｓｐｒａｙｉｎｇ）すること
によって、提供することが出来る。

結合剤を使用する場合、結合剤は、実質的に、研削材と
反応しない、即ち、研削材によって湿潤性にならないよ
うに選択される。タングステンカーバイドの場合には、
約８８重量％のタングステンカーバイドと約１２重量％
のコバルト結合剤から成る粉末混合物が使用されており
、炭化クロムの研削材層の場合には、約７５重量％のＣ
ｒ３Ｃ２と、８０９−６のニッケルと２０％のクロムか
ら成る約２５重量％の合金を含む粉末が使用されている
。

研削材物質が基板に付着することを保証するためには、
最初に結合コーティング（ｂｏｎｄ　ｃｏａｔ）を使用
することが望ましいことがわかった。このような結合コ
ーティングは、例えば、研削材物質に関してマトリック
ス物質又は結合剤物質として使用されるものと同様な合
金から成る。ＭＣｒＡｊ？タイプの合金を含む他の結合
コーティングも使用することが出来る。ここで、Ｍは、
鉄、ニッケル、コバルト及びこれらの混合物から選択さ
れる物質であり、Ｃｒは、約５重量％乃至約２５重量％
の量のクロム、ＡＩｌは、約５重量％乃至約２０重量％
のアルミニウムである。０．１％乃至２％程度のＹ、Ｌ
ａ、Ｓｃ、Ｈｆなどの反応性の金属を加えることも出来
る。

研削材コーティングと不利に相互作用するのは、主に摩
耗物質であり、高温における研削材と摩耗物質との間の
この反応は、本発明による過渡的なジルコニアによって
防止される。本発明のコーティングは、水溶性又は有機
物の、即ち、セルロース硝酸塩基（ｃｅｌｌｕＬｏｓｑ
　ｎ１ｔｒａｔｅ　ｂａｓｅｄ）のコロイド系としてほ
とんど有利に適用することが出来る。

また、本発明のコーティングは、概念的に、非常に軽い
プラズマ・スプレー・コーティングによって適用するこ
とが出来た。

［発明の効果］ 上述したように、本発明によれば、研削材と摩耗物質の
相互作用の大部分は、エンジン動作の最初の数秒あるい
は数分間に起こり、この間に、多量の摩耗可能物質が摩
耗し、この時間中の研削材と摩耗可能物質との間の相互
作用により、エンジン動作とシール作用を良好にするこ
とが出来る。

また、本発明によれば、研削材の表面にセラミック物質
のコロイド系を沈積させる。このセラミック物質は、高
温の相互作用中において、摩耗可能物質によって湿潤性
にならず、回転構成要素への摩耗可能物質の移動及び付
着性を最小にすることができ、エンジン動作の最初の瞬
間的な時間内に不利な相互作用をかなり減じることが出
来る。このような初期のエンジン動作中に不利な相互作
用を避けることが出来れば、他の方法では満足出来ない
ような摩耗可能シールシステムも、通常のエンジン使用
中に生ずる相互作用を実質的に減少させることが出来る
。

【図面の簡単な説明】

図は、典型的なシール構造を示すガスタービン・エンジ
ンの一部の断面図である。 １・・・回転ディスク ２・・・ブレード ３・・・イン力・ケース ４・・・アウタ・エア・シール ５・・・ベーン ６・・・先端部 ７・・・インナ・エア ８・・・ナイフェツジ シール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジン可動構成要素と相互作用するように配置
   された摩耗可能シールを有する摩耗可能シールシステム
   の初期の組立法において、前記エンジン可動構成要素に
   セラミッ クのコロイド粒子の薄層を塗布し、前記薄層が前記摩耗
   可能シールによって湿潤性にならず、初期のエンジン動
   作中において、前記摩耗可能シールとエンジン可動構成
   要素の間の不利な相互作用を最小にすることを特徴とす
   る、摩耗可能シールの組立法。
2. （２）エンジン可動構成要素と相互作用するように配置
   された摩耗可能シールと、エンジン可動構成要素に塗布
   されたセラミックのコロイド粒子の薄層とから成り、前
   記薄層が前記摩耗可能シールによって湿潤性にならず、
   初期のエンジン動作中において、前記摩耗可能シールと
   エンジン可能構成要素との間の不利な相互作用を最小に
   することを特徴とする、摩耗可能シールシステム。