SE443828B - Yttre lufttetning for gasturbinmotor - Google Patents

Description

8004614-7 US patentskrifterna 3 817 719, 3 879 831, 3 918 925 och 3 936 656.

Trots ovannämnda material och utföranden fortsätter tillver- karna av gasturbinkomponenter att utveckla ännu bättre slipmaterial- konstruktioner med adekvat hållbarhet under påfrestande förhållanden.

Speciellt i turbinsektionen i motorn där tätningsmaterial utsättes för lokala temperaturer på över l370°C, är material- och konstruk- tionsvalet begränsat. Keramiskt belagda tätningar är av primärt intresse för dessa komponenter.

Keramiska material är generellt kända för att vara goda värme- isolatorer i gasturbiner och användes ofta som beläggningsmaterial för metallsubstrat i hög temperaturomgivning. Så länge beläggnings- materialen håller sig intakta förhindrar desamma en skadlig nedbryt- ning av metallformerna på vilka de är applicerade. Metalliska och keramiska material är inte helt förenliga, då en stor skillnad i värmeutvidgningskoefficient mellan de två materialen försvårar längre tids vidhäftning av det keramiska materialet vid metallen.

Efterföljande värmekretslopp av den färdiga delen i avsedd omgiv- ning medför sprickbildning och ytsplittring av det keramiska materia- let från metallen. Sådana problem är speciellt allvarliga där belägg- ningsdjup endast något överstigande några få tusendels centimeter önskas.

En med keramiskt material belagd tätningsstruktur som är av- passad att upptaga skillnader i värmeutvidgningskoefficient mellan det keramiska beläggningsmaterialet och ett underliggande metall- substrat, beskrives i US patentskrift 4 109 031. Graderade material- skikt där de relativa mängderna-av metall och keramiskt material varierar från 100% metall vid metallgränsytan till 100% keramiskt material vid det keramiska materialets gränsyta, är applicerade på metallsubstratet. _ En annan typ av keramiskt belagd tätningsstruktur diskuteras i en skrift som utdelades vid 1976 Joint Fall Meeting av the Basic Science Electronics and Nuclear Divisions av the American Ceramic Society med titeln 'Banding Ceramic Materials to Metallic Substrates for High-Temperature Low-Weight Applications' och i NASA Technical Memorandum, NASA TM 73 852 med titeln 'Preliminary Study of Cyclic Thermal Shock Resistance of Plasma - Sprayed Zirconium Oxide Turbine Outer Air Seal Shrouds'. Enligt angivna system förbinder en matta av sintrade trådar ett keramiskt skikt med ett underliggande metal- liskt substrat. Trådarna bildar ett eftergivligt skikt som kan an- passas till varierande värmeutvidgning mellan substrat och keramiska :fi-ß .X-aæ-...L- *så 8004614-7 skikt. I den förstnämnda strukturen appliceras ett aluminiumoxid (Al203) keramiskt material direkt på trådmattan. I den sistnämnda strukturen appliceras ett zirkoniumoxid (Zr02) keramiskt material vid en bindebeläggning på 0,076 - 0,127 mm på en trådmatta eller raster. Även om ovanstående strukturer är mycket lämpliga ifall adekvat keramisk hållbarhet kan erhållas, är de dock ihte fullt tillfreds- ställande, speciellt i utföranden för krävande förhållanden. Mycket forskning vad gäller önskat keramiskt materials mekaniska egenskaï per bedrives fortfarande i sökandet efter hållbara strukturer.

Ett primärt syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en effektiv yttre lufttätningskonstruktion för gasturbinmotorer.

Lämplighet i högtemperaturmiljö eftersträvas och speciellt åsyftas att åstadkomma en keramiskt belagd komponent med god resistans mot värmechock.

Enligt uppfinningen avsättes ett keramiskt beläggningsmaterial med föredragen densitet på en lâgmodulkudde av poröst metalliskt material till bildande av en hållbar yttre lufttätning. Vid före- dragen densitet har det keramiska materialet en elasticitetsmodul (E) och en genomsnittlig draghållfasthet (T) som ger den keramiska strukturen bra resistans mot värmechock.

Ptt principiellt drag i strukturen enligt uppfinningen är det keramiska beläggningsmaterialet. Beläggningsmaterialet utsättes för de varma arbetsmediegaserna i motorns flödesbana för att bilda en tätningsstruktur som tål höga temperaturer. I ett utförande består det keramiska materialet av yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid som avsatts med en densitet på ca. 92% av den teoretiska densiteten.

Vid denna densitet har det keramiska materialet följande fysikaliska egenskaper: Elasticitetsmodul (E) vid 982°C : 68 950 MPa Genomsnittlig draghallfasthet (T) vid 9s2°c = 238 Mæa Värmeutvidgningskoefficient (OC) vid 982°C : 3,36xlO_6(°C)-l 2 o Värmeledningsförmåga (K) vid 982°C :726,43 Jxm/hrxm: I åtminstone ett utförande häftas det keramiska materialet vid en porösmetallisk kudde som först impregnerats med MCrALY-belägg- ningsmaterial. Detta material ger en grov yta som håller kvar det keramiska materialet på den yttre lufttätningsstrukturen.

En principiell fördel med föreliggande uppfinning är fören- ligheten av det keramiska materialet med högtemperaturmiljön i gas- turbinmotorer. Minimala mängder kylluft erfordras för att skydda -Tsliëyïzlä- 5-1 ~ .I »Lïfgziä e' 8004614-7 1fl@w@fi tätningen. Motorns totaleffekt ökar då mindrelükgder kylluft erford- V ras. Strukturen har adekvata avnötningsegenskaper för icke-destruk- Ä tiv gnidpåverkan med bladspetsarna och är väl lämpad för konstruk- tioner för litet spelrum mellan bladspetsarna och de yttre luft- É tätningarna. Indirekt har tätningsstrukturen avsatt med angiven L densitet, adekvat resistans mot erosion. Relativa värmetillväxt- -skillnader mellan det keramiska materialet och underliggande substrat upptages av lågmodulkudden. God vidhäftning av det keramiska materia- let vid lågmodulkudden erhålles genom impregnering av kudden med ett MCrALY-material innan appliceringen av det keramiska materialet på kudden. _ Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l är en förenklad sidovy av en gasturbinmotor med en bort- skuren del för att visa en yttre lufttätning som omger spetsarna på en med rotorblad i motorn; fig. 2 är en perspektivvy över ett yttre lufttätningssegment enligt uppfinningen; fig. 3 är en kurva som visar fysikaliska egenskaper för ett keramiskt material sprutat till lämplig densitet; och fig. 4 jämför värmechockresistansen för ett keramiskt material sprutat till olika densiteter.

En gasturbinmotor för vilken uppfinningen kan användas visas i fig. l. Motorn omfattar principiellt kompressorsektion 10, en förbränningssektion 12 och en turbinsektion 14. En rotor 16 sträcker sig axiellt genom motorn. Rotorbladen 18 är anordnade i rader och sträcker sig utåt från rotorn tvärs över en flödesbana 20 för arbets- mediegaser. Varje rotorblad har en spets 22.

En stator 24 med ett hölje 26 hyser rotorn 16. En yttre luft- tätning 28 vid varje rad av rotorblad sträcker sig inåt från motor- -höljet och omger bladens spetsar 22. Varje lufttätning består konventionellt av ett antal bågformade segment, varav ett segment 30 visas, vilka är anordnade i ett ände-mot-ände-förhållande runt motorhöljets inre.

Ett yttre lufttätningssegment som framställts enligt uppfin- ningen visas i fig. 2.Segmflwet är format kring ett fast metalliskt substrat 32 med en bågformad yta 34 med den profil som önskas, mitt- för bladspetsarna. En porös metallisk kudde 36 av ett material med låg elasticitetsmodul, t.ex. den visade trådnätkudden, fästes på metallsubstratet. Lågmodulkudden impregneras med en underliggande 5. 8004614-7 J beläggning 38. Ett keramiskt beläggningsmaterial 40 häftas fast på beläggningen. Gränsytan mellan det metalliska underlaget och det keramiska materialet betecknas som gränsyta "A". Keramik- materialets egenskaper vid gränsytan är kritiska för undvikande lå av sprickbildning genom detsamma. Metallsubstratet kan avkylas på lämpligt sätt för att förhindra för hög uppvärmning av kuddens trådar.

I ett effektivt utförande bestod det keramiska materialet nominellt av 80 vikt-% zirkoniumoxid (ZrO2) och 20 vikt-% yttriumoxid (YZO3).

Materialet avsattes medelst en konventionell sprutanordning till ett djup på 0,15 cm med en verklig densitet på 92% teoretisk densitet. Den verkliga densiteten mättes i termer av materialhård- het för upprättande av en repeterbar kvalitetskontrollstandard. önskad materialdensitet gör 90 i Rockwell B stöttest, som i stor utsträckning användes inom industrin. Densiteten anges i fysika- liska termer som 5,36 g/cm3. Keramikdjup på 0,10-0,30 cm har också med fördel avsatts.

Material med hårdheten 90 erhålles genom plasmasprutning av den yttriumoxidstabiliserade zirkoniumoxidkomposition med anord- ningen och förhållandena enligt nedan: Plasmasprutsystem Sprutpistol - Metco 3 MG medfi 3 pulveröppning Krafteffekt - 600 A, 70 V Primärgas - Kväve med 2,26 m3/h flödeshastighet och 3,44 bars tryck Sekundärgas - Väte med 0,14-0,42 m3/h flödeshastighet och 3,44 bars tryck såsom erfordras för upprätthål- lande av en spänning på 70 V över elektroderna.

Kraftgivare Matare _ - Plasmadyne Model=F¥=l224 med värmare Pulverhastighet - 1,18 kg/h Pulvergas - Kväve vid tjugo 0,566 m3/h flödeshastighet och femtio 3,44 MPa tryck.

Sprutförhållande Pismmvscåna - 1s,24-ml Huvudets rörelse - Horisontell hastighet på 4,57 cm/s med 0,32 cm vertikalt steg, varvid varje passage avsätter en beläggning på ca. 0,07 mm. 8004614~7 Kxlgas xylgas - Luft vid 3,44 Mæa Fysikaliska egenskaper vid hårdheten 90 framgår av kurvan i fig. 3. Egenskaperna vid 982°C är följande: Elasticitetsmodul (E) 68 950 MPa Genomsnittlig draghållfasthet (T) 238 MPa värmeucvidgningskoefficient (ch) 3,3ex1o'5(°c)°1 Värmeledningsförmåga (K)' 726,43 h%š%2xoC Värmeledningsförmâgan (K) är en viktig materialegenskap. Alla keramiska material har relativt liten värmeledningsförmåga, varför deras lämplighet som beläggningsmaterial är uppenbar. Väsentliga temperaturgradienter över keramikmaterialet kan hållas för att skydda metallstrukturerna vid vilka keramikmaterialet är häftat fast. I kurvan i fig. 3 ökar emellertid värmeledningsförmågan tvärs över keramikmaterialet väsentligt vid temperaturer över l093°C. Ökad värmeledningsförmåga medför ökad avkylning av metallstrukturerna för att förhindra skador därpå och är icke önskvärd. Det är därför i hög grad önskvärt att hålla keramikmaterialets temperatur vid gräns- ytan "A" under l093°C. ' I Materialets med hårdheten 90 draghållfasthet (T), elastici- tetsmodul (E) och värmeutvhàpfingskoefficient (Gb ) framgår också av kurvan i fig. 3. Dessa tre faktorer bestämmer i stora mått keramikmaterialets förmåga att motstå värmechocker. Värmeinduce- rade spänningar är proportionella mot såväl elasticitetsmodul som värmeutvidgningskoefficient. Mindre värmespänningar induceras i material med relativt mindre elasticitetsmodul och värmeutvidg- ningskoefficient än i material med relativt högre dylika faktorer utsatta för samma värmegradienter. Materialets förmåga att motstå termiskt inducerade spänningar beror på materialets hållfasthet.

För keramiska material i yttre lufttätningar är brott i spänningen på grund av värmel-vtsgång den vanligaste skadeorsaken. Således markeras draghållfastheten i kurvan i fig. 3.

Såsom framgår av fig. 3 med kurvan för den med 20 % yttrium- oxidstabiliserade zirkoniumoxidens egenskaper sjunker elasticitets- modulen (E)hetydligt med ökad temperatur till ca. 982°C och sjunker därefter i mindre grad. Draghållfastheten sjunker däremot endast gradvis med ökad temperatur upp till ca. l093°C, men därefter snabbare. Det keramiska materialet med ovanstående egenskaper är därför lämpat för utföranden där gränsytans ”A” temperatur be- gränsas inom området 982°C - l093°C. 8004614-7 I jämförande syfte beräknas och markeras en värmechockresis- tansindikator (I) för samma yttriumoxidstabiliserade zirkoniu- oxidmaterial, avsatt med olika densiteter, i kurvan i fig. 4.

Chockindikatorn (I) beräknas vara det teoretiskt maximala spänning/ /hållfasthetförhållandet (0/T) 1 keramikmaterialet under en motor- driftcykel. Maximivärdet uppnås normalt under ett övergångstill- stånd, t.ex. under ett 6s långt accelerationstillstånd. Ett spän- ning/hållfasthetförhållande större än l indikerar brott i keramik- materialet. Notera att i fig. 4 materialens med hårdheten 80 och 100 spänning/hållfasthetförhållande överstiger l under föreslagen motorcykel, medan spänning/hållfasthetförhållandet för materialet med hårdheten 90 förblir mindre än 1.

I föreliggande utförande av den yttre lufttätningen, bildades den porösa kudden av en tråd av en järnbaslegering (FeGrALSif och med en diameter på 0,127 - 0,152 mm. Kudden samanpressades till en densitet på 35 % trâdmaterial och sintrades för upprättande av åtminstone ett partiellt metallurgiskt förband mellan intill varandra liggande trådar. En kudde av 1,52 mm tjockt material löda- des fast vid substratet på känt sätt. Ett underlag av NiCrALY- -legeringsmaterialet bestående av 14-20 vikt-% Cr, ll-13 vikt-° AL. 0,10-0,70 vikt-% Y, 2 vikt-% Co, resten Ni max. och användes. Ett ekvivalent beläggningsdjup; d.v.s. beläggningsdjupet vid applicering på en plan yta, eller ca. 0,l27 mm avsattes in i trådkudden. Andra lämpliga underlagsmaterial torde innefatta nickel- koboltbaslegeringen 'NiCoCrALY', koboltbaslegeringen “CoCrALY” eller järnbaslegeringen "FeCrALY".

Effektiv applicering av underlagsmaterial är viktig för god vidhäftning av keramikmaterialet på tråden. Underlaget måste tränga in i trådkudden och häfta fast vid trådarna. En lämplig applicerings- teknik beskrivas i US patentskrift ..... (patentansökan US Serial No. 38 042). Enligt denna teknik mjukgöres underlagspartiklar i ett plasmaflöde och accelereras i flödet till hastigheter på ca. 12/9 m/s.

Den höga hastigheten tillåter partiklarna tränga in i den porösa trådkudden. Motsvarande är utflödets temperatur i det beskrivna plasmasprutförfarandet väsentligt lägre än vid konventionella plasmasprutprocesser. Den relativt låga temperaturen förhindrar -fl " . «

Claims (6)

8004614-7 överdriven förvärmning och resulterande oxidering av trådfibrerna i kudden innan acceptabla beläggningar kan avsättas. Trådtemperatu- rer på mindre än 538°C krävs vanligen för att medge att oxidering av trådarna ej sker. Fibertemperaturer på 421-482°C föredras. Andra appliceringstekniker kan också användas för avsättning av underlags- materialet på den porösa kudden. Keramikmaterialet med hårdheten 90 enligt ovan, har visat adekvat resistans mot flödesbaneerosion. Material med hårdheten 80 visade större erosionstendens, medan material med hårdheten 100 hade bättre erosionsresistans än materialet med hårdheten 90 men uppvisande inadekvata avnötningsegenskaper för att medge önskad liten tole- rans för tätning/bladstrukturen i de flesta gasturbinmotorer. Materialet med hårdheten 90 visade sig vara en god kompromiss mel- lan erforderlig avnötningsegenskap och erosionsresistans. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan modifieras och ändras inom ramen för efterföljande patentkrav utan att frångå uppfinningens idê och ändamål. Patentkrav

1. Yttre lufttätning av den typ som omger spetsarna på rotor- bladen i turbinsektionen i en gasturbinmotor och som innefattar en porös kudde av material med låg elasticitetsmodul och uppvisande en bågformad profil, samt ett keramiskt beläggningsmaterial som häftas fast vid den porösa kudden till sarna motstående yta, bildande av en bladspet- k ä n n e t e c k n a d a v att det kera- miska beläggningsmaterialet för nämnda yta vid 982°C uppvisar föl- jande fysikaliska egenskaper: elasticitetsmodul (E) : 68950 MPa genomsnittlig draghâllfasthet (T) : 238 MPa värmeutvidgningskoefficient (00) : 3,36xl0-6(°C)_1, och värmeleaningsförmåga (x) = 126,43 Jm/nrmäfc.

2. Yttre lufttätning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d a v »att det keramiska beläggningsmaterialet är yttrium- oxidstabiliserad zirkoniumoxid innefattande nominellt 80 vikt-% Zr02 och 20 vikt-% Y203.

3. Yttre lufttätning enligt patentkrav 1 eller 2, t e c k n a d a v att beläggningsmaterialet avsättes med en verk- k ä n n e - lig densitet motsvarande ca._92% av materialets teoretiska densitet.

4. Yttre lufttätning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d. a v att beläggningsmaterialet uppvisar en Rockwell 8004614-7 n hårdhet (RB) pa ca. so. _ _

5. S. Yttre lufttätning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - *y n a d a v ett fast metalliskt substrat vid vilket den porösa kudden häftas fast.

6. Yttre lufttätning enligt något av patentkrav l - S, k ä n n e t e c k n a d a v en mellanliggande beläggning av g MCIALY-typ som impregnerats i den porösa kudden till bildande av en grov yta för det keramiska beläggningsmaterialets vidhäft- ning.