NL7907005A

NL7907005A - Afdekring voor turbinemotoren.

Info

Publication number: NL7907005A
Application number: NL7907005A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1980-03-25
Also published as: FR2436882B1; GB2033972A; JPS5543282A; JPS6227242B2; IT1123143B; IT7925707A0; DE2937463A1; US4247249A; GB2033972B; FR2436882A1

Description

S 2348-962 * ** P & c

Afdekring voor turbinemotoren.

De uitvinding heeft betrekking op gasturbinemotoren en meer in het bijzonder op motoren met een afdekring die de uiteinden van de rotorschoepen in het turbinegedeelte van de motor omgeeft. In een gasturbinemotor van het bovengenoemde type worden onder druk gebrachte lucht en brandstof 5 in een verbrandingskamer verbrand, waardoor thermische energie aan het daardoor stromende gasvormige medium wordt toegevoerd. Het effluent uit de verbrandingskamer wordt gevormd door gassen van hoge temperatuur, die stroomafwaarts langs een ringvormige stromingsweg door het turbinegedeelte van de motor worden gevoerd. Straalbuisleischoepen bij de inlaat van de turbine 10 richten het gasvormige medium naar een aantal schoepen die zich radiaal van de rotor in buitenwaartse richting uitstrekken. Een ringvormige afdekking, die door het turbinehuis gedragen wordt, omgeeft de uiteinden van de rotor-schoepen en bevat het gasvormige medium dat naar de stromingsweg stroomt.

De speling tussen de uiteinden van de schoepen en de af dekring wordt tot 15 een minimum beperkt ten einde weglekken van gassen rond de uiteinden van de schoepen te voorkomen.

Een beperkende factor bij vele turbinemotoren is de maximale temperatuur van het gasvormige medium die in de turbine getolereerd kan worden zonder de duurzaamheid van de afzonderlijke componenten nadelig te beper-20 ken. De afdekringen die de uiteinden van de rotorschoepen omgeven, zijn 'in het bijzonder gevoelig voor thermische beschadiging. Wegens de nauwe toleranties tussen de uiteinden van de rotorschoepen en de boogvormige segmenten, die de afdekring vormen, en de verschillende spanningen waaraan de componenten van de motor onderworpen zijn, worden verder de uiteinden van 25 de schoepen tegen het afdichtvlak van het afdeksegment gewreven. Derhalve dient het materiaal van de afdekring wrijftolerantie te bezitten zodat het de uiteinden van de schoepen niet beschadigt en niet te sterk afslijt door een eventueel beperkt contact. De uitvinding verschaft nu een dergelijk afdekmateriaal voor gasturbinemotoren.

30 Gevonden werd nu dat aan een afdichtvlak voor een afdekring voor gas turbinemotoren, die geschikt kunnen worden toegepast in vliegtuigen en dergelijke, zowel voortreffelijke eigenschappen bij hoge temperatuur als voortreffelijke wrijvingseigenschappen (slijtage-eigenschappen) verleend kunnen worden. Meer in het bijzonder wordt het afdichtvlak van de afdek-35 ring, die zich tegenover de uiteinden van de schoepen bevindt, gevormd uit een hittebestendig amfoteer oxide als matrix, een fosfaat als bindmiddel en desgewenst een stabiliseermiddel, wapeningsmiddel en/of middel voor het regelen van de porositeit.

7907005 ·1 - 2 -

Fosfaten die geschikt zijn voor het hechten van de onderhavige afdek-ring-matrixmaterialen dienen stabiel te zijn bij de toegepaste motortempe-raturen of bij temperaturen boven circa 1350®C. Voorbeelden van geschikte fosfaten zijn aluminiumfosfaat (AlPO^) en zircoonpyrofosfaat .

5 Men kan ook mengsels van fosfaten gebruiken, alsmede fosforzuur (H^PO^) daar dit laatstgenoemde materiaal tijdens de reactie een stabiel fosfaat vormt.

Hittebestendige amfotere oxiden die als matrixmaterialen kunnen worden toegepast, zijn die welke stabiel zijn bij de vereiste hoge temperaturen; 10 bij voorkeur bezitten deze materialen een thermische expansiecoëfficiënt die soortgelijk is aan die van het afdekrandblok van superlegering, als-r mede een geringe thermische geleidendheid zodat deze materialen minder koeling vereisen. Verder zijn deze materialen bij voorkeur zowel in een oxiderend als in een reducerend milieu stabiel. Voorbeelden van geschikte 15 materialen zijn aluminiumoxide (Al^O^), ceriumoxide (CeO^), thoriumoxide (ThO^), gestabiliseerd hafniumoxide (HfC^) en gestabiliseerd zirconiumoxide (ZrC>2). Gestabiliseerd zirconiumoxide verdient de voorkeur daar de thermische expansiecoëfficiënt van dit materiaal het dichtst gelegen is bij die van tegenwoordig in gebruik zijnde, tegen hoge temperaturen bestendige me-20 talen voor vliegtuigen, en wegens de geringe thermische geleidendheid die minder koeling vereist dan andere materialen. De verhouding tussen amfoteer oxide en bindmiddel kan uiteenlopen van circa 8:1 tot circa 2:1.

Stabiliseermiddelen die kunnen worden toegepast, zijn die welke stabiel zijn bij de toegepaste motortemperaturen of bij temperaturen boven 25 circa 1350°C en in zirconiumoxide of hafniumoxide een overgang van mono- “ kliene naar tetragonale kristallen voorkomen. Voorbeelden van geschikte stabiliseermiddelen zijn yttriumoxide , magnesiumoxide (MgO), calcium- oxide (CaO) en oxiden van zeldzame aardmetalen. Voorbeelden van representatieve oxiden van zeldzame aardmetalen zijn erbiumoxide, europiuinoxide, 30 scandiumoxide en ytterbiumoxide. Yttriumoxide verdient de voorkeur, in het bijzonder in combinatie met zirconiumoxide of hafniumoxide. De toegepaste hoeveelheid stabiliseermiddel hangt af van het gebruikte stabiliseermiddel, het matrixmateriaal en andere variabelen, maar in het algemeen is circa 4-50 gew.%, betrokken op het matrixmateriaal, voldoende. Men kan een 35 grote verscheidenheid van deeltjesvormige vulstoffen voor het verlenen van wapening of het regelen van de porositeit gebruiken; deze materialen worden bij voorkeur toegepast maar zijn niet altijd noodzakelijk. Zo worden bijvoorbeeld materialen zoals grafiet afgebrand bij de hbge temperaturen die optreden in turbinemotoren, maar deze materialen zijn wel geschikt 7907005 - 3 - s voor het regelen van de porositeit en de hardheid van het hittebestandige amfotere oxide. Andere materialen, zoals zaagsel of kunststof als vulstof, kunnen voor hetzelfde doel gebruikt worden. Wapenende materialen die bij de optredende hoge temperaturen niet afgebrand worden, zijn onder meer 5 siliciumcarbidevezels ("whiskers") die dienen voor het verbeteren van de breukbestendigheid en de bestendigheid tegen thermische schok van het samenstel. Voorbeelden van andere materialen die kunnen worden toegepast, zijn vezelvormige hittebestendige oxiden zoals aluminiumoxide of zirconiumoxide. Wapenende materialen, zoals siliciumcarbide-"whiskers” bezitten bij voor-10 keur een lengte van circa 3-10 mm, een dikte van circa 0,04 - 0,1 mm en een breedte van 0,1 - 0,5 mm.

De deeltjesgrootte van de als matrixmaterialen toegepaste, hittebestendige amfotere oxiden bedraagt bij voorkeur minder dan circa 1 micron tot 40 micron ter verschaffing van een volledigere reactie, ofschoon ook 15 grotere deeltjes met een afmeting tot 100 micron als vulstoffen kunnen worden toegepast. Deze materialen kunnen bereid worden door het hittebestendige amfotere oxide, het fosfaat bevattende materiaal en een hoeveelheid deeltjesvormige vulstof van circa 0-25 gew.%, die voldoende is ter verschaffing van de gewenste porositeit en wrijvingseigenschappen, met elkaar 20 te mengen en voldoende gedestilleerd water toe te voegen ter vorming van een gietbare pasta. De pasta wordt gedurende circa 4-48 uren op een betrekkelijk lage temperatuur van circa 80° - 120 ®C verhit tot een droog materiaal om de pasta vast te maken en vervolgens gedurende circa' 1-24 uren bij een matig verhoogde temperatuur van circa 120® - 160®C gehard ter 25 verwijdering van het grootste deel van het vrije water en ten slotte gedurende circa 1 - 24 uren bij een verhoogde temperatuur van 500® - 1000®C gehard ten einde al het chemisch gebonden water te verwijderen zodat het cement niet opnieuw kan worden opgelost.

Onder toepassing van gebruikelijke vormen en materialen kan het ver-30 kregen materiaal worden gegoten en gecementeerd aan een gebruikelijk metalen afdekrandblok van een turbinemotor ter verschaffing van een afdichtvlak en afdekmateriaal met wrijftoleranties '

De uitvinding en voorkeursuitvoeringsvormen hiervan worden in de onderstaande voorbeelden toegelicht. In deze voorbeelden zijn alle genoemde de-35 len en percentages gewichtsdelen resp. gewichtspercentages, tenzij anders vermeld.

VOORBEELD I

In een smeltkroes van kunststof bracht men 20 g met 12 % gestabi liseerd ZxO^ met een deeltjesgrootte van minder dan 0,044 mm (Zirconium 7907005 - 4 - f

Corporation of America), 5 g Zrt^ met een deeltjesgrootte van minder dan 1 micron (Zircar Products Inc.) en 3,75 g a-SiC-"whiskers". Deze materialen werden grondig gemengd onder verkrijging van een praktisch homogeen droog mengsel. Aan dit mengsel voegde men 8 g 25 %'s H^PO^ en 2 g gedestilleerd 5 ^0 toe onder vorming van een gietbare paste die in een vorm van 4,91 x 2,45 x 0,58 cm werd gegoten.. De pasta werd gedurende 4 uren in een elektrische moffeloven op 100®C verhit totdat de pasta vast was geworden en niet inzakte. Men verhitte nog 2 uren verder op 150°C totdat het materiaal droog was, waarna verder werd gehard gedurende 4 uren bij 600°C. Het mate-10 riaal bezat aan het oppervlak een Rockwell-hardheid van 93, bepaald met een stalen kogel (1,27 cm) voor het maken van een indrukking en een belasting van 15 kg. Uit wrijvingsproeven bleek dat .het materiaal een goede slijtbaarheid bezat. Het materiaal bezat een open porositeit van circa 30 %.

15 Vervolgens werd met een diamenten wiel een monster uit de staaf ge sneden; de samenhang van het monster bleef gehandhaafd bij herhaaldelijk verhitten in een zuurstof-methaanvlam tot het monster bijna witheet was en onmiddellijk hierna onderdompelen in koud water. Het materiaal bezat derhalve een voortreffelijke bestandheid tegen thermische schok.

20 VOORBEELD II

In een houder van kunststof bracht men 20 g met 12 % ^^2, S^stabiliseerd ZrC^ met een deeltjesgrootte van minder dan 0,044 mm, en 3 g α-SiC-"whiskers,'.

Het materiaal werd in droge toestand grondig gemengd en aan het mengsel voegde men 10 g Al(H2P04)^-oplossing toe. Een vorm van 5,32 x 2,53 x 0,63 cm 25 werd met dit materiaal gevuld; de vorm werd gedurende 12 uren op 80°C, ge- ” durende 2 uren op 100 ®C en gedurende 2 uren op 120®C verhit totdat het materiaal volledig vast was geworden. Een verdere verhitting op 200°C gedurende 2 uren en op 600°C gedurende 6 uren voltooide de warmtebehandeling. Het ge- 3 harde materiaal bezat een dichtheid van 2,74 g/cm en een goede bestandheid 30 van de deeltjes tegen erosie.

VOORBEELDEN III-V

o

In een smeltkroes van kunststof bracht men 20 g oxide of hydroxide van thorium, hafnium of cerium met een deeltjesgrootte van minder dan 0,044 mm en 3 g α-SiC-"whiskers". De materialen werden in droge toestand grondig 35 gemengd onder vorming van een homogeen mengsel; aan dit mengsel voegde men 8 g fosforzuur of 10 g Al(^PO^)^ toe. De materialen werden verder gemengd onder vorming van een pasta of gietbaar mengsel e.n in de gewenste vorm of vliegtuigmotor-afdekrandblok gegoten. Door een warmtebehandeling gedurende 4-25 uren bij een temperatuur van 80° - 120°C werd het materiaal vast en 7907005

•f* V

V-- κ - 5 - een verdere geleidelijke verhitting tot 600®C bewerkstelligde de uiteindelijke harding. De uiteindelijk verkregen materialen bezaten in hoofdzaak dezelfde eigenschappen als de in Voorbeelden I en II beschreven materialen, maar de thermische expansiecoëfficiënten zijn soortgelijk aan de expansie-5 coëfficiënt van het gebruikte hittebestendige oxide.

7907005

Claims

1. Afdichting voor gasturbinemotoren, gevormd door een aantal boogvormige segmenten met tegen elkaar gelegen einden, welke segmenten de uiteinden van de rotorschoepen van de motor omgeven, waarbij elk segment een 5 afdichtvlak tegenover de uiteinden van de schoepen bezit, met het kenmerk dat.het afdichtvlak gevormd is uit (a) een hittebestendig amfoteer oxide als matrix, en wel ZrC^, Α1202, Ce2°' Th02' Hf02 een men9se^ van twee of meer van deze materialen, (b) een fosfaat als bindmiddel, welk fosfaat stabiel is boven 1350°C, waarbij de gewichtsverhouding tussen (a) en (b) 10 uiteenloopt van 2:1 tot 8:1, en desgewenst (c) tot 50 gew.% (betrokken op het matrixmateriaal) van een stabiliseermiddel, en wel Y2°3f M9°' Ca0' een oxide van een zeldzaam aardmetaal of een mengsel van twee of meer van deze materialen, en desgewenst (d) tot 25 gew.% (betrokken op het matrixmateriaal) van een vulstof.

2. Afdichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het hittebesten dige amfotere oxide ZrC>2 is.

3. Afdichting volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door 4 - 50 % als stabiliseermiddel,

4. Afdichting volgens conclusies 1-3, gekenmerkt door een mengsel 20 van H^PO^ en AlPO^ als fosfaat.

5. Afdichting volgens conclusies 1-4, gekenmerkt door grafiet of siliciumcarbide-"whiskers" of een mengsel hiervan als vulstof.

6. Afdichting’volgens conclusies 2-5, met het kenmerk dat het afdichtvlak gevormd wordt door met H3P04 en sïlici™6arkide-"whiskers" ge- 2. stabiliseerd Zr02· i « 7907005