SE451269B - For gasturbinmotorer avsedd, med keramisk yta forsedd tetning mot ytterluften - Google Patents

Description

451 269 2 att alltför stor nötning uppstår då partiklar som medförs av arbetsmediet slår an mot tätningen. I en del motorer kan en- bart de heta gaserna som tjänstgör såsom arbetsmedium verkar eroderande.

De amerikanska patentskrifterna 3 091 548, 3 817 719, 3 879 831, 3 911 891, 3 918 925, 3 975 165, 4 109 031, 4 163 071 och 4 289 446 utgör exempel på kända tankegångar som kan tillämpas i samband med tätningar med keramisk yta.

Ehuru man vet att många av materialen och metoderna som är beskrivna i de ovannämnda patentskrifterna är i hög grad önskvärda måste konstruktionerna som har kommit fram ur dessa material och metoder ännu nå sin fulla verkan i till- lämpningar i en fientlig omgivning. Vad som är av särskilt stor betydelse fortfarande i tillämpningar med tätningar mot ytterluften är den balans som erfordras för god slipbarhet gentemot bladkontakt med skavning samt ett gott erosionsmot- stand mot verkningarna av partiklar som medförs i arbetsmedie- strömmen.

Enligt föreliggande uppfinning framställs ett keramiskt ytmaterial hos en turbintätning mot ytterluften på så sätt att man har en första yttäthet vid tätningens framkant och en lägre yttäthet nedströms därifrån så att ytan med den första täthe~ ten blir mera motståndskraftig mot slitage genom inverkan av erosion hos främmande partiklar medan ytan med mindre täthet lätt slipas av passerande rotorblad i den omgivning där anord- ningen är installerad.

I enlighet med en bestämd utföringsform av uppfinningen är det keramiska ytmaterialet bildat av två eller flera skikt med avtagande densitet, varvid det övre och minst täta skiktet har en glaserad yta vid sitt framkantparti.

Ett primärt kännetecken hos föreliggande uppfinning är det keramiska materialets höga yttäthet vid framkantpartiet hos tätningen mot ytterluften. I åtminstone en utföringsform uppnås hög yttäthet genom att man glaserar ett annars poröst keramiskt material. Andra kännetecken hos bestämda utförings- former utgörs av det porösa keramiska materialet i tät- ningens mittparti och det täta keramiska skiktet mellan det 451 269 3 porösa keramiska materialet och eventuella material av metall.

En huvudfördel med föreliggande uppfinning är att tät- ningen blir mindre känslig för erosion vid framkanten. Par- tiklar som är inneslutna i arbetsmedieströmmen kan böjas av från den glaserade ytan på framkantpartiet utan allvarlig erosion. Trots detta upprätthålls god slipbarhet vid rotar- bladspetsarna genom att ytporositeten i detta område förblir opåverkad.

De ovannämnda kännetecknen och fördelarna och andra kännetecken och fördelar hos uppfinningen kommer att framgå bättre av den nu följande beskrivningen och bifogade rit- ningar, pà vilka fig l är en förenklad sidovy av en gasturbin- motor med en del av turbinhöljet bortbruten så att sambandet mellan tätningen mot ytterluft och turbinbladen framgår, fig 2 är en perspektivisk delvy av den i fig l àskådliggjorda tät- ningen mot ytterluften, varvid fig 2 visar området med stor yt- täthet vid tätningens framkantparti, fig 3 är en perspektivisk delvy av tätningen mot ytterluften enligt fig 1 och åskådlig- gör områden med stor yttäthet vid både tätningens framkantpar- ti och dess bakkantparti, fig 4 visar en alternativ utförings- form av anordningen enligt fig 2, fig 5 visar en alternativ ut- föringsform av anordningen enligt fig 5 och 6 är ett mikrofoto av en keramisk beläggning vars yta har gjorts tätare till ett djup av ca 0,127 mm.

Uppfinningen kommer att beskrivas i anslutning till en föredragen utföringsform av en turbintätning mot ytterluften, vilken tätning är avsedd för en gasturbinmotor. En sådan motor är åskådliggjord i fig l.

Motorn är principiellt bildad av en kompressionsdel 10, en förbränningsdel 12 och en turbindel 14. Ett rotoraggregat 16 sträcker sig radiellt genom motorn. Rotorblad, såsom det enda bladet 18 som är visat, är anordnade i rader och sträcker sig utåt på rotoraggregatet tvärs över en strömningsbana 20 för gaser som bildar arbetsmediet. Varje rotorblad har en spets 22.

Ett statoraggregat 24 med ett hölje 26 inhyser rotor- aggregatet 16. En tätning 28 mot ytterluften omsluter spetsarna 22 hos rotorbladen. Varje tätning mot ytterluften är bildad på 451 269 4 konventionellt sätt av ett flertal bågformiga segment som är anordnade ände mot ände kring motorns inre.

En del av ett 1 enlighet med föreliggande uppfin- ningstanke framställt tätningssegment 30 mot ytterluften är visad i fig 2. De såsom arbetsmedium tjänande gaserna i mo- torns strömningsbana 20 sveper över tätningen från uppströms- änden eller framkanten 32 till nedströmsänden eller bakkan- ten 34. För att möjliggöra identifiering är tätningens yta uppdelad 1 ett framkantparti 56, ett mittparti 38 och ett bakkantparti 40. Mittpartiet omfattar väsentligen den del av tätningsytan mot vilken det passerande rotorbladet skaver.

Framkantpartiet ligger framför nämnda mittparti och bakkant- partiet ligger bakom nämnda mittparti.

I den visade konstruktionen är varje tätningssegment 30 mot ytterluften bildat kring ett metallsubstrat 42. Flera skikt av graderat metalliskt och keramiskt material häftar fast vid substratet så att man erhåller en tätning med kera- misk yta. Såsom är visat inkluderar de till ett flertal upp- gående skikten ett bindningsskikt 44 av en legering av nickel, krom och aluminium, två mellanskikt 46 bestående av en bland- ning av zirkoniumoxid (ZrO2) och en legering av kobolt, krom, aluminium och yttrium (CoCrAlY), ett tätt, helkeramiskt skikt 48 av zirkoniumoxid (ZrO2) och ett poröst, helkenamiskt skikt 50 av zirkoniumoxid (Zr02). Materialen i ifrågavarande skikt och metoderna för deras paföring är mera fullständigt beskriv- na i vår amerikanska patentansökan med beteckningen EH-7599, Syftet med de keramiska skikten i en tätningsanordning mot ytterluften är tvàfaldigt, nämligen dels att bilda en värmebarriär så att substratet blir skyddat från turbinens heta arbetsmediegaser som substratet annars skulle utsättas för, dels att åstadkomma en slipbar tätning som möjliggör att de omskrivna rotorbladen kan utvidga sig värmemässigt utan att detta innebär skadliga störningar. Bland önskvärda egen- skaper hos materialet kan nämnas god slipbarhet då de passe- rande rotorbladen skaver mot detsamma samt ett gott motstånd mot erosion. Dessa båda egenskaper är inte alltid inbördes för- enliga i identiskt formulerade kompositioner. Föreliggande upp- 451 269 5 finning har till ändamål att uppnå båda egenskaperna 1 samma konstruktion. Det kan hända att arbetsmediegaserna i motorns strömningsbana innehåller partiklar av smuts eller andra främmande ämnen, och när mediegaserna når fram till turbinom- rådet kan de eventuellt också innehålla kolpartiklar från motorns förbränningsanordning. Sådana partiklar som slår an mot ytan hos tätningen mot ytterluften kommer sannolikt att medföra att material eroderas därur, särskilt om materialet är poröst och har måttlig eller låg styrka. I en del motorer kan de heta gaserna i sig själva vara eroderande.

Tätningarna enligt föreliggande uppfinning är sålunda framställda på så sätt att de inkluderar ett'område 52 som är bildat av keramiskt material med stor yttäthet i framkantpar- tiet 36'i förhållande till det keramiska materialets yttäthet i mittpartiet 38 över rotorbladen. Motståndet mot erosion för- bättras härvid utan att den önskade slipbarheten över blad- spetsarna går förlorad.

I den i fig 2 visade utföringsformen framställs områ- det med stor yttäthet medelst metoder med riktad energi och med lokal upphettning, exempelvis medelst en plasmabrännare eller en laser. Det keramiska materialet vid ytan smälts me- delst den riktade energin, och när materialet har fått svalna blir det mycket tätt och får ett glaserat utseende. Partiklar och gaser som slår an mot det glaserade området böjs av från ytan med ringa erosion.

Det föredragna djupet hos det glaserande materialet eller materialet med stor täthet är av storleksordningen 0,127 - 0,254 mm in i det keramiska materialet, varvid täthe- ten är särskilt stor vid ytan. Större eller mindre djup kan vara godtagbara, men för det första måste djupet vara till- räckligt stort för att det skall ge erosionsmotstånd under en tillräcklig livslängd och för det andra får djupet inte vara så stort att det är värmemässigt oförenligt med det porösa sub- stratet som det keramiska materialet häftar fast vid. Värme- oförenlighet kan medföra att sprickor bildas i sidled vid gräns- ytan mellan glaseringen och substratet, vilket kan medföra att det glaserade materialet spJälkas. Då djupet hålls inom det 451 269 ~ 6 föredragna intervallet är det sannolikt att ett önskat nät med vertikala sprickor i substratet tränger in i den glase- rade ytan och att spjälkning därvid undviks. I en del ut- föringsformer kan det också vara önskvärt att på likartat sätt iástadkomma.ett område 54 bestående av tätt eller glaserat kera- miskt material vid bakkantpartiet 40 såsom är visat i fig 3.

Fördelarna med föreliggande uppfinning kan parallellt med ovanstående uppnås i andra former, såsom i den i fig 4 vi- sade anordningen. Tätt keramiskt material av typen som bildar det första keramiska skiktet 48 har härvid utfällts i framkant- partiet 56. Poröst keramiskt material i skiktet 50 förblir kvar över bladspetsarna. Tätt keramiskt material kan också vara ut- fällt vid bakkantpartiet såsom är visat i fig 5.

Godtagbar täthet i keramiskt material av zirkoniumoxid (Zr02) har uppnåtts_medelst smältning med hjälp av plasmakanon under användning av kanonen METCO 7mb med ett munstycke av typen GE under betingelser som är angivna i nedanstående tabell. ïíêïill.

Avstånd till arbetsstycke 31,75 mm Ström 680 ampere Spänning 75 V01? Liusbàgsgas Primärt - gas kväve - tryck 0,344 MP8. - surömnngscakt 2265,36“am3/t1mme Sekundärt-gas väte - tryck 0,344 MPa - strömningstakt i 1415,85 :iQ/timme Värmegenomlopp Hastighet 18.3 m/min: Antal genomlopp l .Steg mellan genomloppen- 3,17 mm Förupphettning av substratet Temperatur vid början Temperatur vid slutet rumstemperatur Ky1n1ng ingen rumstemperatur h

Claims (4)

451 269 7 Mikrofotografiet i fig 6 visar det inträngningsdjup som har uppnåtts. Tätningsverkningarna är störst fram till djupet 0,025 mm, varjämte inträngning har skett till ett djup av ca 0,127 mm. Ehuru uppfinningen ovan har visats och beskrivits i samband med detaljerade utföringsformer av densamma torde det vara uppenbart för fackmannen att skilda ändringar i form och detalj i uppfinningen kan göras inom uppfinningens ram. PATENTKRAV

1. l. Tätning mot ytterluften, vilken tätning är av typen som omsluter turbinrotorbladen hos en gasturbinmotor och har ett framkantparti framför nämnda blad, ett mittparti mittemot nämnda blad och ett bakkantparti bakom nämnda blad, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar en slipbar keramisk beläggning med högre yttäthet vid tätningens framkantparti än vid tätningens mittparti.

2. Tätning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda beläggning vidare har större yttäthet vid tät- ningens bakkantparti än vid tätningens mittparti.

3. Tätning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e e k n a d därav, att nämnda område med större täthet sträcker sig till ett djup av ca 0,127 - 0,254 mm in i beläggningen.

4. Tätning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämmda slipbara keramiska beläggning utgörs av zirkonium- oxid (Zr02).