PL186317B1

PL186317B1 - Sposób wytwarzania uszczelnienia ścieralnego

Info

Publication number: PL186317B1
Application number: PL97333624A
Authority: PL
Inventors: Thomas A. Wolfla; James J. Ferguson
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2003-12-31
Also published as: WO1998026158A1; CN1232720C; EP0944767A1; BR9714216A; CN1240014A; IL130331A0; DE69728898D1; JP2001507774A; CZ294381B6; ATE265612T1; NO992827D0; CA2274526C; JP4394753B2; US5951892A; RU2217617C2; KR100510898B1; AU735670B2; US6203021B1; AU5572198A; NZ335844A

Abstract

1. Sposób wytwarzania uszczelnienia scieralnego, dla elementu, polegajacy na scieraniu scieralnego materialu uszczelnia- jacego przez wzgledny ruch pomiedzy ele- mentem i sasiednia powierzchnia, zna- mienny tym, ze wycina sie laserem wzór (3) w powierzchni scieralnego materialu uszczelniajacego (1) na obszarze i na gle- bokosci (6), wycieranej przez sasiednia po- wierzchnie przy tworzeniu uszczelnienia, która to glebokosc jest w zakresie od okolo 0,254 mm do 2,54 mm, a nastepnie uszczelnia sie przestrzen pomiedzy ele- mentem i sasiednia powierzchnia scierajac scieralny material uszczelniajacy w znany sposób. FIG-1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania uszczelnienia ścieralnego.

Sprawność współczesnych silników z turbinami gazowymi zależy od ścisłej szczelności pomiędzy elementami obrotowymi (łopatkami) i elementami stałymi (tarcza wirnika w wentylatorze, sprężarce i turbinie. To uszczelnienie jest ustalone przez umożliwienie łopatkom wycięcia (wytarcia) żłobka w ścieralnym materiale uszczelniającym, co chroni przed wypłynięciem znacznej ilości powietrza przy końcach łopatek. Tradycyjnie materiały uszczelniające są wytwarzane z tkanych włókien metalowych lub spiekanych cząstek metalowych lutowanych na miejscu. Chociaż te materiały są łatwo ścieralne ze względu na ich wysoką porowatość wewnętrzną i małą wytrzymałość, ich odporność na erozję cząstek jest mała co powoduje szybką stratę materiału. Ta strata materiału pogarsza szczelność i sprawność silnika raptownie się zmniejsza. Materiały uszczelniające w bardziej zaawansowanym silniku wyko186 317 rzystują termicznie natryskiwane powłoki które realizują te same funkcje, co splatane ścieralne uszczelnienia, ale które są łatwiejsze do nakładania i łatwiejsze do wymiany, gdy silnik jest remontowany. Właściwości tych natryskiwanych powłok uszczelniających mogą się zmieniać albo w kierunku zwiększania odporności na erozję albo zwiększania ścieralności. Nie można jednak jednocześnie maksymalizować tych dwóch właściwości.

Zastosowanie termicznie natryskiwanych proszków dla utworzenia ścieralnych uszczelnień jest znane i przedstawione w opisie patentowym USA Nr 4,291,089. Takie proszki są zastosowane do tworzenia powłok na podkładzie dla uzyskania ścieralnego uszczelnienia, które jest warstwą uszczelniającą przestrzeń między podkładem a sąsiednią powierzchnią, ruchoma w stosunku do niego i który jest ścierany w kontrolowanym zakresie przez względny ruch pomiędzy podkładem i sąsiednią powierzchnią. Takie uszczelnienie jest wstępnie tworzone przez termiczne natryskiwanie proszku na podkład dla utworzenia powłoki o nieco większej grubości niż odległość pomiędzy podkładem i sąsiednią powierzchnią tak, że powłoka jest ścierana przez względny ruch pomiędzy podkładem i sąsiednią powierzchnią do nieco mniejszej grubości odpowiadającej odległości pomiędzy podkładem i sąsiednią powierzchnią tak, żeby zapewnić skuteczne uszczelnienie między nimi. Takie uszczelnienia są stosowane na przykład na łopatkach turbiny lub sprężarki silników z turbiną gazową, takich jak stosowane w samolotach, dla zapewnienia uszczelnienia pomiędzy łopatkami a obudową turbiny lub sprężarki.

Jednym z problemów w przygotowaniu odpowiedniego ścieralnego uszczelnienia jest wykonanie termicznie natryskiwanej powłoki, która z jednej strony ma wystarczającą wytrzymałość strukturalną i która pomimo to jest wystarczająco mała dla uzyskania ścieralności, a z drugiej strony ma wystarczająco dużą odporność na erozję powodowaną cząstkami uderzającymi w ścieralną powłokę uszczelniającą w czasie eksploatacji. Na przykład w przypadku łopatek turbiny gazowej lub sprężarki, powłoka uszczelniająca jest poddawana uderzeniom ściernych cząstek porywanych przez powietrze i łapanych przez silnik.

W jednym rodzaju, proszku stosowanym do tworzenia ścieralnych powłok uszczelniających każda cząstka proszku ma rdzeń środkowy z niemetalowego stałego materiału otoczony przez warstwę materiału metalowego, jak opisano na przykład w opisie patentowym USA Nr 3,914,507. Takie proszki są znane jako proszki złożone z cząstkami znanymi jako złożone cząstki proszku. Jeden ze złożonych proszków tego rodzaju, który zaproponowano ma cząstki z rdzeniami otoczonymi niklem lub stopem niklu, a ścieralne powłoki uszczelniające utworzone przez termiczne natryskiwanie takich proszków są użyteczne jako ścieralne powłoki uszczelniające w sprężarkach i turbinach silników lotniczych z turbinami gazowymi.

Z opisu patentowego US 5352540 znane jest wycinanie szeregu nieciągłych rowków za pomocą lasera w zewnętrznej powierzchni ceramicznej warstwy ze stałego środka smarnego w celu nadania powłoce tolerancji na odkształcenia.

Ujawniono uszczelnienie regeneracyne zawierające wielowarstwową powłokę złożoną z warstwy wiążącej (np. NiCr A1Y), warstwy pośredniej (np. YSZ), i powierzchniowej warstwy ceramicznej ze stałego środka smarnego.

Rowki wycięte w ceramicznej warstwie powierzchniowej według opisu US 5353540 służą zwiększeniu tolerancji na odkształcenia układu powłokowego - rowki te pozwalają na zwiększenie objętości ceramiki i jej kurczenie bez powodowania uszkodzeń wielowarstwowej struktury uszczelniającej.

Rowkowanie prowadzi do wytworzenia zadanych pęknięć w strukturze ceramicznej i zapewnia wytworzenie kontrolowanego toru pęknięć dla układu powłokowego, zapobiegając niekontrolowanemu pękaniu i ewentualnemu wykruszaniu się powłoki wskutek naprężeń termicznych spowodowanych ogrzewaniem i chłodzeniem materiału uszczelniającego.

Z opisu patentowego US 4664973 znana jest mikroporowata struktura metalowa ze stopu niklowego wykonana metodą natryskiwania sproszkowanego materiału i użyteczna jako ścieralne uszczelnienie w sprężarkach osiowych. Struktura ta o zawartości stałego metalu 2738% i zawartości tlenków nie większej niż 1-30% wag. ma pożądaną ścieralność - nie zachodzi więc potrzeba jej poprawiania, natomiast wskutek dużej porowatości wewnętrznej

186 317 i niskiej wytrzymałości takiej struktury mikroporowatej ponosi uszczerbek jej odporność na erozję.

Sposób wytwarzania uszczelnienia ścieralnego dla elementu, polegający na ścieraniu ścieralnego materiału uszczelniającego przez względny ruch pomiędzy elementem i sąsiednią powierzchnią, odznacza się według wynalazku tym, że wycina się laserem wzór w powierzchni ścieralnego materiału uszczelniającego na obszarze i na głębokości, wycieranej przez sąsiednią powierzchnię przy tworzeniu uszczelnienia, która to głębokość jest w zakresie od około 0,254 mm do 2,54 mm, a następnie uszczelnia się przestrzeń pomiędzy elementem i sąsiednią powierzchnią ścierając ścieralny materiał uszczelniający w znany sposób.

Korzystnie, po wycięciu wzoru nakłada się ścieralny materiał uszczelniający z wzorem wyciętym w jego powierzchni na element.

Korzystnie, stosuje się element i ścieralny materiał uszczelniający z metalu.

Korzystnie, stosuje się element ze stopu wybranego z grupy zawierającej stopy na bazie niklu, kobaltu, żelaza, aluminium i tytanu.

Korzystnie, ścieralny materiał uszczelniający jest stopem wybranym z grupy zawierającej stopy na bazie żelaza, aluminium, tytanu, niklu, kobaltu, NiCr, NiCrAl lub MCrAlY, gdzie M jest wybrany z grupy składającej się z Fe, Ni lub Co lub ich mieszanin.

Korzystnie, stosuje się ścieralny materiał uszczelniający zawierający cząstki nie metalowe.

Korzystnie, cząstki nie metalowe są wybrane z grupy składającej się z azotku boru, bentonitu, tlenków, azotków, borków, krzemków, związków międzymetalicznych, tworzyw sztucznych i polimerów.

Korzystnie, jako sąsiednią powierzchnię stosuje się powierzchnię łopatki.

Korzystnie, stosuje się wzór wybrany z grupy zawierającej blisko siebie umieszczone otwory, siatkę kresek, paski, linie biegnące prostopadle lub równolegle do uszczelnienia.

Korzystnie, nakłada się ścieralny materiał uszczelniający przez termiczne natryskiwanie sproszkowanego stopu metalowego.

Korzystnie, nakłada się ścieralny materiał uszczelniający przez mocowanie arkusza materiału uszczelniającego do elementu.

Korzystnie, po obydwu stronach wzoru znajduje się nie wycięty materiał uszczelniający.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku na którym fig. 1-3 przedstawiają pierścień tarczy wirnika sprężarki gazowego silnika turbinowego mającego na sobie ścieralną powłokę uszczelniającą z wzorem w postaci siatki kresek, przy czym fig. 1 przedstawia jego widok z góry, fig. 2 widok z boku, a fig. 3 przedstawia w powiększeniu część ścieralnego uszczelnienia z fig. 2, fig. 4-6 przedstawiają pierścień tarczy wirnika sprężarki gazowego silnika turbinowego mającego na sobie ścieralną powłokę uszczelniającą z wzorem rurkowym, przy czym fig. 4 przedstawia jego widok z góry, fig. 5 jego widok z boku, a fig. 6 przedstawia w powiększeniu części ścieralnego uszczelnienia z fig. 5, fig. 7-10 przedstawiają ukształtowania alternatywnych wzorów, przy czym fig. 7 przestawia w widoku z góry wzór paskowy, fig. 8 - wzór z fig. 7 w przekroju, fig. 9 w widoku z góry ukośny wzór paskowy, a fig. 10 - wzór z fig. 9 w przekroju, fig. 11 pokazuje w widoku z góry wzór wykonany w przykładzie 1, i fig. 12 pokazuje w widok z góry wzór wykonany w przykładzie 2 wynalazku.

Ścieralne uszczelnienie wykonane jest przy użyciu lasera dla wycinania wzoru na powierzchni ścieralnego materiału uszczelniającego. Teksturowanie laserowe zapewnia elementy modyfikujące powierzchnie ścieralnego materiału uszczelniającego o dobrej odporności na erozję, ale wymagającego lepszej ścieralności powierzchniowej. Ta modyfikacja powierzchni jest wzorem z, na przykład blisko siebie umieszczonymi otworami, wzorem w postaci siatki kresek, wzorem rurkowym, wzorem paskowym lub z ukośnymi paskami, wzorem linii biegnących prostopadle lub równolegle do uszczelnienia lub jeszcze innym wzorem poprawiającym ścieralność. Różne wzory są pokazane na figurach rysunku. Teksturowanie może być także wykonane na szerokości uszczelniającej powierzchni styku dla dalszej poprawy ścieralności w tym obszarze. Wynalazek umożliwia modyfikowanie ścieralnych

186 317 materiałów uszczelniających odpornych na erozję, tak aby nadać dobrą ścieralność samemu wyrobowi. Istniejące uszczelnienia ścieralne nie mają takich właściwości.

Ścieralnym materiałem uszczelniającym może być termicznie natryskiwana powłoka lub prefabrykowany arkusz (panel), który jest przymocowany do elementu przez spiekanie lub lutowanie lub inne materiały znane ze stanu techniki. Korzystnie, mogą być używane materiały bardziej odporne na erozję, ponieważ dzięki temu wynalazkowi można nadać materiałowi lepszą ścieralność przez teksturowanie laserowe. Elementy silnika z turbiną gazową są wykonane typowo ze stopów na bazie na niklu, kobaltu, żelaza, tytanu. Ścieralnym materiałem uszczelniającym mogą być także stopy na bazie aluminium, tytanu, żelaza, niklu lub kobaltu albo może on być wykonany z materiałów odpornych na erozję, zawierających stopy NiCr, stopy NiCrAl, stopy FeCr, CoCr, FeCrAl, CoCrAl lub MCrAlY, gdzie M może być Fe, Ni, lub Co, tlenkami, azotkami, borkami, siarczkami, krzemkami i związkami międzymetalicznymi. Jest również możliwe stosowanie samej powierzchni elementu jako ścieralnego materiału uszczelniającego. W jednym przykładzie wykonania ścieralny materiał uszczelniający może także zawierać cząstki niemetalowe, a w tym azotki boru, bentonit, tlenek, azotek, borek, krzemki, związki międzymetaliczne i niemetaliczne np. tworzywa sztuczne, polimery itp.

Teksturowanie laserowe jest stosowane do wycinania w powierzchni ścieralnego materiału uszczelniającego wzoru, który nada materiałowi zwiększoną ścieralność. Różne wzory są skuteczne, w tym koła, siatki kresek i paski jak pokazano na fig 1-10. Figury 1-3 pokazują zastosowanie wzoru w postaci siatki kresek wyciętych w ścieralnym materiale uszczelniającym. Figury 3-6 pokazują wzór w postaci celek rurkowych (koła), podczas gdy fig. 7-10 pokazują paski wycięte w powierzchni. Wybór właściwego wzoru jest zależny od konkretnego materiału uszczelniającego i wymaganego stopnia ścieralności. Wzór jest także wycinany w materiale w obszarze i do głębokości, gdzie przewiduje się, że łopatki będą ciąć (ścierać) podczas pracy. Typowo głębokość wzoru wynosi około 0,254 mm do 2,54 mm, podczas gdy szerokość wzoru może zmieniać się w zależności od łopatki i wynosić od 3,17 mm do 609,6 mm. W jednym przykładzie wykonania nie cięty materiał (to jest bez wzoru) pozostaje po obu stronach wzoru, to jest na krawędziach przewidywanego toru łopatki dla uzyskania zwiększonej odporności na erozję podczas pracy silnika z turbiną gazową. Na figurach ścieralny materiał uszczelniający 1 jest pokazany na pierścieniu 2 tarczy wirnika sprężarki z wzorem 3 wyciętym w powierzchni toru 4 łopatki. Ponadto obszary nie wycinane 5 (bez wzoru) ścieralnego materiału uszczelniającego są pokazane na dwóch stronach wzoru 3. Na fig. 3 i 6 głębokość 6 wzoru odpowiada przewidywanej głębokości wnikania łopatki. Do wycinania wzorów może być wykorzystany typowy laser. Takim typowym laserem jest laser SS550 YAG firmy Raytheon wyposażony w sterownik 5 osi ruchu, pracujący przy około 0,5 kilowata.

Przykład 1

Powierzchnia płyty ze stali nierdzewnej 304 o wymiarach w przybliżeniu 38,1 mm szerokości i 101,6 mm długości i grubości 2,54 mm była mechanicznie szerstkowana przy użyciu tlenku aluminium, o numerze sita 60, w komorze do obróbki strumieniowo-ściemej. Płyta była pokryta termicznie natryskiwaną powłoką wiążącą z Ni z 5% wagowych Al o grubości 0,10-0,15 mm. Na powłokę wiążącą była następnie termicznie natryskiwana powłoka z bentonitu NiCrAl (powłoka ścieralna) do grubości około 3,81 mm. Powierzchnia powłoki ścieralnej była obrabiana skrawaniem dla uzyskania zasadniczo płaskiej powierzchni o jednolitej chropowatości.

Pokryta płyta była zamontowana w szczekach sterowanego komputerowo stołu laserowego Χ-Υ. Program został napisany i załadowany do komputera, który wykonał diagonalny, poprzeczny wzór przy nachyleniu około 45° z odstępem około 1,27 mm jak pokazano na fig. 11. Laser był uruchomiony i mógł grawerować powierzchnię ścieralnej powłoki do głębokości około 1,27 mm.

Przykład 2

Powierzchnia płyty ze stali nierdzewnej 304 o wymiarach w przybliżeniu 38, 1 mm szerokości i 101,6 mm długości i grubości 2,54 mm była szorstkowana mechanicznie przy użyciu tlenku aluminium o numerze sita 60 w komorze do obróbki strumieniowo ściernej. Płyta była pokryta termicznie natryskiwaną powłoką wiążącą z Ni z 5% wagowych Al o grubości 0,106

186 317

0,15 mm. Na powłokę wiążącą była następnie termicznie natryskiwana powłoka z bentonitu NiCrAl (powłoka ścieralna) do grubości około 3,81 mm.

Powierzchnia powłoki ścieralnej była obrabiana skrawaniem dla uzyskania zasadniczo płaskiej powierzchni o jednolitej chropowatości.

Pokryta płyta była zamontowana w uchwycie mocującym sterowanego komputerowo stołu laserowego X-Y. Program został napisany i załadowany do komputera który wykonywał ruchy, które przesuwały pokrytą płytę liniowo poprzez powierzchnię. Ruch był zatrzymywany co 1,27 mm i był uruchamiany laser. Na końcu długości poprzecznej płyta była przestawiona o 1,27 mm w kierunku poprzecznym dla umieszczenia następnego rzędu otworów, a przesunięcie 0,63 mm było wprowadzone dla wprowadzenia następnego rzędu otworów pomiędzy poprzednie rzędy. Ten wzór był powtarzany aż na całej powierzchni został wygrawerowany wzór pokazany na fig. 12. Wykonane otwory były odległe od siebie o około 1,27 mm i miały głębokość w przybliżeniu 1,27 mm.

FIG-4

FIG-5

FIG-6

186 317

FIG-11

FIG-12

1,27 mm

186 317

FIG-2

FIG-3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania uszczelnienia ścieralnego, dla elementu, polegający na ścieraniu ścieralnego materiału uszczelniającego przez względny ruch pomiędzy elementem i sąsiednią powierzchnią, znamienny tym, że wycina się laserem wzór (3) w powierzchni ścieralnego materiału uszczelniającego (1) na obszarze i na głębokości (6), wycieranej przez sąsiednią powierzchnię przy tworzeniu uszczelnienia, która to głębokość jest w zakresie od około 0,254 mm do 2,54 mm, a następnie uszczelnia się przestrzeń pomiędzy elementem i sąsiednią powierzchnią ścierając ścieralny materiał uszczelniający w znany sposób.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po wycięciu wzoru (3) nakłada się ścieralny materiał uszczelniający (1) z wzorem wyciętym w jego powierzchni na element.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się element i ścieralny materiał uszczelniający (1) z metalu.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się element ze stopu wybranego z grupy zawierającej stopy na bazie niklu, kobaltu, żelaza, aluminium i tytanu.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ścieralny materiał uszczelniający (1) jest stopem wybranym z grupy zawierającej stopy na bazie żelaza, aluminium, tytanu, niklu, kobaltu, NiCr, NiCrAl lub MCrA1Y, gdzie M jest wybrany z grupy składającej się z Fe, Ni lub Co lub ich mieszanin.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się ścieralny materiał uszczelniający (1) zawierający cząstki niemetalowe.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że cząstki niemetalowe są wybrane z grupy składającej się z azotku boru, bentonitu, tlenków, azotków, borków, krzemków, związków międzymetalicznych, tworzyw sztucznych i polimerów.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako sąsiednią powierzchnię stosuje się powierzchnię łopatki.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się wzór (3) wybrany z grupy zawierającej blisko siebie umieszczone otwory, siatkę kresek, paski, linie biegnące prostopadle lub równolegle do uszczelnienia.
10. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że nakłada się ścieralny materiał uszczelniający (1) przez termiczne natryskiwanie sproszkowanego stopu metalowego.
11. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że nakłada się ścieralny materiał uszczelniający (1) przez mocowanie arkusza materiału uszczelniającego do elementu.
12. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że po obydwu stronach wzoru (3) znajduje się nie wycięty materiał uszczelniający (5).