JPS584277B2 - ガスタ−ビンネツコウカンキシ−ルノ マサツメンノ ヒフクホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の優れたコーティング方法は、本発明の譲受人に
譲渡されている米国特許第３６５９８６号に記載のごと
くガスタービン機関の回転式熱交換器のシーリング表面
に適用される。

この特許明細書に示すガスタービン機関は、圧縮吸込空
気をガスタービン機関へ通す第１半円形ガス流路および
前記機関の動力タービンの下流側から排気ガスを誘導す
る第２半円形ガス流路を規定する熱交換器ハウジングか
らなる。

回転式セラミック熱交換器コアは半円形開口の上に配置
されて浮動または固定軸の回りを回転するようになって
いる。

第２半円形熱交換器流路を流れるガス流により熱交換器
コアに蓄積される熱は、熱交換器コアの他の部分を流れ
る比較的低温の圧縮吸込空気に伝導される。

このようにしてさもなければ機関から排出される熱エネ
ルギーは回収されてガスタービン空気流循環の吸込空気
流に伝導される。

第１回転式熱交換器シールは回転式熱交換器コアと隣接
のガスタービン・ハウジングのシーリング表面間に配置
される。

以下において下部シール組立体と記載するこのシールは
２個のＣ−型部と単一のクロスアーム部からなり、後者
は２個の半円形開口により規定される流路を２分する。

Ｄ−型上部シール糾立体はセラミック熱交換器コア表面
の上側に配置され、それはガスタービン・ハウジングお
よび排気ガス流路にボルト締めまたは別の方法で固定さ
れた熱交換器カバー間にシールを提供するようになって
いる。

本明細書に特に記載する特定のシール構造は、回転式熱
交換器コアの隣接表面と係合する平坦なシーリング表面
を有する。

平坦なシール表面はシュー上にあり、これに低摩擦性コ
ーティング剤が適用（塗布）される。

シュー表面と低摩擦性コーティング剤の間に結合コーテ
ィング層が形成される。

シールコーティング剤は後述の高温熱可塑性樹脂と樹脂
を允填する潤滑剤からなる。

この潤滑剤は黒鉛または黒鉛と窒化ほう素の混合体が望
ましい。

ある条件にはＭｏＳ２ およびＦｅＳのごとき他の材料
も好ましく使用される。

潤滑剤の外に特定の割合の充填材を使用できる。

充てん材はガラス繊維、アスベスト繊維等の不活性繊維
材で、コーティング剤に堅固さと剛性を提供する。

表面の調製後、所定比の材料の十分な乾燥と秤量によっ
てコーティング剤か調製される。

窒化ほう素と黒鉛を一緒に用いる場合はそれらを十分に
混合してボールミルにかける。

本法に使用の樹脂は、ポリアリールスルホンポリマーで
ある。

上記のポリアリールスルホンポリマーをさらに詳細に述
べると以下のものが挙げられる。

式 なる繰り返し単位を有するポリマ一 式 なる繰り返し単位を有するポリマ一 式 なる繰り返し単位を有するポリマ一 式 なる繰り返し単位を有するポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマ一 式 なる繰り返し単位をもつポリマー これらポリマーの具体例としては、 米国デラウエア州にあるミネソタマイニングアンドマニ
ュファクチュアリング社製の周知のアストレル・ポリマ
ー３６０及び６００のような粉体ポリマーが挙げられる
。

本発明で用いられる上記一般式のポリアリールスルホン
ポリマーは１９６７年３月８日付の英国特許第１０６０
５４６号に記載されている。

これらはまた、ホーゲル（Ｈ．Ａ．ｖｏｖｅｌ）著、１
９６９年４月出版のポリマー．プレプリント、第１０巻
、第１号に“ポリアリルスルフオンの合成およびその性
質”の表題で発表されている。

黒鉛または窒化ほう素と黒鉛の混合物をジメチルアセト
アミドのような急速乾燥溶媒に溶解の樹脂に添加して高
粘度のシロップ状ペーストを形成する。

次にペーストをシーリング表面に適用する。

ペースト適用前にＮｉ−Ｃｒ合金の結合コーティング剤
をシューの表面に噴霧する。

適用されたコーティング層を有するシールを予硬化して
所定温度で加圧積層する。

予硬化条件は約２０４〜２６０℃（４００〜５００°Ｆ
）で約１／２〜１時間であり、また加圧積層条件は約２
６０〜４２７℃（５００〜８００°Ｆ）の温度と約５６
〜１０６ｋｇ／ｃｍ２（８００〜１５００ｐｓｉ）の圧
力で約１／２〜１時間である。

冷却後、シール表面を研磨仕上げする。

さらに厚くする必要がある場合はコーティング工程をく
り返す。

第１図にガスタービン熱交換器を包囲するガスタービン
機関ハウジング１０の一部を示す。

そのハウジングの上部が、２つのほぼ半円形のガス流路
１６及び１８を規定している。

流路１６は圧縮吸込空気流を燃焼室入口に供給し流路１
８は排気ガス流をパワータービンの下流側に供船する。

セラミック熱交換器コア２０は熱交換器コア開口１４に
はめ込まれる。

これは中心軸２２の回りを回転するようになっている。

適当な駆動機構（図示せず）を用いて熱交換器を動かす
。

熱交換器は一部分を通る吸込空気流を供給する軸流路を
有する。

排気ガス熱交換器コアは回転すると、熱交換器コアによ
る吸収熱は吸込空気に伝導されて熱エネルギーが回収さ
れる。

２４で総称するシール組立体が内部シール肩部２６と熱
交換器コアの下表面間に配置される。

シール組立体は図示の如く端と端をつなぐ関係に配置の
２個のＣ−型部２８、３０と、一般に直径方向に伸びる
クロスアーム部３２とからなる。

Ｄ−型シール組立体３４は熱交換器コア２０の上表面に
係合するようになっている。

それは熱交換器コアと、ハウジング１０のリム１２にボ
ルト締めされたカバー組立体との間に配置される。

このカバーは吸込空気流路の一部並びに排気ガス流路の
一部となる。

シール組立体３４は上記カバー中の吸込空気流路を排気
流路から分離する。

本明細書に記載のシール組立体の、改良された調製およ
びコーティング法は下部シール組立体２４または上部シ
ール組立体３４のいずれかに適用できる。

第２図は上部シール組立体の平面図である。

このシール組立体は潤滑および低摩擦性コーティング剤
が適用される表面３８を有する金属基質３６からなる。

基質３６の上表面は階段状になっていて表面部４０と４
２を提供する。

表面部４２に配置された葉状シール体は可とう性葉状体
４８の外縁を固定する保持具４６からなる。

これはまた葉状体４８の下にある可とう性支持体５０を
固定し、後者は熱交換器コア２０を包囲するカバーの隣
接シール表面と係合する。

シールのクロスアーム部の構造は第４図から良くわかる
。

これはその一端を金属基質５２に固定された葉状シール
体とともに形成された金属基質５２を有する。

基質に一端を固定された葉状ばね体５６はシール体５４
の下表面と係合するので、後者は熱交換器カバーの共同
シール肩部とシール係合する。

改良された本発明法を使用することにより適用されたコ
ーティング剤は、基質またはシュー３６及びシュー５２
に低摩擦シール面を提供する。

このコーティング剤は、例えばミネソタマイニングアン
ドマニュファクチュアリング社製のアストレルとして知
られるポリマー３６０及び６００のような高温熱可塑性
樹脂である。

シールのシーリング表面はコーティング剤の適用前に調
製する必要がある。

表面の酸化物を除去するために、表面は適当な浄化法で
浄化される。

例えば、それはゴム結合砥石やエメリー紙で浄化される
。

また表面は洗剤で洗浄し熱水ですすぎすべての異物を除
去しなければならない。

イソプロピルアルコールまたは他の適当な溶媒ですすぐ
必要があり得る。

表面の浄化および脱脂後、清浄な２０〜５０メッシュ硬
質セラミックグリットでグリットブラストする必要があ
る。

浄化を確実にするために、グリットは時々（少なくとも
５０時間毎に）交換しなければならない。

グリットブラスト圧を調節してシユーの過剰な変形やゆ
がみがない粗表面組織にする必要がある。

次にグリットブラスト表面はイソプロピルアルコールな
どですすぎ、ろ過された油分を含まないエアブラストに
より乾燥して表面に付着のすべての粒子を除去する必要
がある。

次に表面へのプラズマ噴霧が行なわれる。

汚染を避けるためにプラズマ噴霧工程はグリットプラス
ト工程の直後にすべきである。

シール組立体は圧縮空気で冷却してコーティング工程中
の過度の温度上昇を避けるべきである。

コーティング工程時のシュ一温度は９３℃（２００°Ｆ
）以下にすべきである。

潤滑およびシーリングコーティング層とシュー表面との
間に噴霧により適用される界面コーティング層は、シュ
ーまたは基質と、後続の工程で適用されるセラミックコ
ーティング層との間に結合を形成する。

結合コーティングは噴霧法によって行なう。

このコーティング剤は８０重量５（以下単に％と記載す
る）Ｎｉ−２０％Ｃｒ合金の粗粉体からなる。

その厚さは最大０．０１〜０．０１２７ｃｍ（０．００
４〜０．００５ｉｎ）に維持すべきである。

第５図において基質３６に結合コーティング層５８が適
用されている。

ポリマー３６０は約１４９℃（３００°Ｆ）で約１２時
間乾燥される。

次に樹脂と黒鉛の比が約３５％：約６５％となるように
黒鉛を添加し混合する。

潤滑剤として窒化ほう素および黒鉛を用いる場合にはこ
れらを秤量して一緒にボールミルにかける。

次に混合体の４０％がポリマー、２０％が窒化ほう素そ
して４０％が黒鉛になるようにポリマーに窒化ほう素及
び黒鉛を添加する。

次にこれらの混合物にジメチルアセトアミド等の溶媒を
加えて濃厚のシロップペースト乃至スラリーにする。

混合体のペースト乃至スラリ一の粘稠度はへら、ブラシ
などで広げることができる程度に十分に低くする必要が
ある。

ポリマー樹脂の薄い被膜をシール表面に適用し、次にそ
の組立体を炉内で９３℃（２００°Ｆ）、１０間乾燥す
る。

次にシール組立体を炉から取り出して室温まで冷却する
。

次にペーストをブラシまたはへらで全面に塗る。

次にその組立体を１２１〜１４９℃（２５０〜３００°
Ｆ）で少なくとも１５分間乾燥する。

このシールを室温に冷却して湿気のない環境に保存する
。

さらに厚くする必要があればこの工程をくり返す。

次にそのシールを適当なモールドに入れる。

モールドキャピテイ内のシール表面上に多量のポリマー
樹脂粉末を拡布する。

必要ならば、少量のイソプロピルアルコールをその粉体
に混ぜて分布と固化を促進する。

ダイの上部をモールド内の粉体上に入れてモールド全体
を約３６５℃（６９０°Ｆ）の温度に保持されたプレス
の下部押し板に移行させる。

約３６５℃（６９０°Ｆ）に保持された上部押し板を押
し下げ、圧力９８．５ｋｇ／ｃｍ２（１４００ｐｓｉ）
を加える。

モールド温度は２０４℃（４００°Ｆ）以上で３７１℃
（７００°Ｆ）以下にすべきで、プレス時間は５〜１５
分である。

次に同一圧力下でモールドを２３２℃（４５０°Ｆ）以
下の温度に下げる。

次にモールドを除去しできる限り迅速に冷却してモール
ドからシールを取り外してゆがみが生ずるのを避けるた
め室温まで徐冷する。

密閉、加熱加圧モールドを用いることにより潤滑および
シールコーティング剤を粉体状で結合コーティング層に
適用することが可能である。

この場合は粉体の粒度が重要になる。粉体の窒化ほう素
の粒度は約８０μ以下、ポリアリールスルフオン粉末の
粒度は約１００μ以下、そして黒鉛の粒度は約７０μ以
下にすべきである。

ポリアリールスルフオンと黒鉛と窒化ほう素の比率は約
４０％ 約４０％：約２０％とすべきである。

前記の重量比の粉体マトリックスが密閉ダイ−モールド
にシールを入れて温度約２６０〜４２７℃（５００〜８
００°Ｆ）で約１４〜１０６ｋｇ／ｃｍ２（２００〜１
５００ｐｓｉ）の圧力を加えることによって結合コーテ
ィング層に積層される。

モールドおよびダイを冷却しそのコーティング層を仕上
げ研磨する。

作動時にシール部が３４３℃（６５０°Ｆ）以上の温度
にさらされなければ、ポリマー樹脂と黒鉛の混合体は窒
化ほう素なしで使用できる。

樹脂と黒鉛の比は約３５％：６５％にすべきである。

このポリマーは約３４３℃（６５０°Ｆ）までの温度に
おける黒鉛の破壊を防ぐ。

２６０℃（５００Ｆ）におけるこの混合体の摩擦係数は
０．０２、そして摩擦速度は１００時間当り約０．００
１２５ｃｍ（１／２ｍｉｌ）である。

３４３℃（６５０°Ｆ）での摩擦係数は０．０８そして
摩耗速度は０．００２５４（１ｍｉｌ）になる。

さらに高温になれば窒化ほう素を使用すべきである。

ポリマー、窒化ほう素および黒鉛の比は約４０％：２０
％：４０％にすべきである。

混合体中の窒化ほう素はポリマーを安定にし、ポリマー
はコーティング層を約３９９℃（７５０°Ｆ）まで効果
的に保つ。

３７１℃（７００°Ｆ）の温度でのポリマー−窒化ほう
素−黒鉛の混合体の摩擦係数は約０．０４、そして摩耗
速度は１００時間当り約０．００１２５ｃｍ（１／２ｍ
ｉｌ）である。

３９９℃（７５０°Ｆ）での摩擦係数は０．０６、そし
て摩耗速度は１００時間当り０．００７５ｃｍ（３ｍｉ
ｌ）である。

これらの摩擦係数および摩耗速度は本明細書の初めに記
載したごとくコーティング層をセラミック回転式熱交換
器コアに対して回転して測定する。

別の方法では、コーティング化合物を、シール表面に拡
布せずに圧延してシートとする。

圧延操作は所定の厚さになるまで行なわれる。

次に圧延された材料をパターン状に切断してシールの表
面に置く。

シール材は結合コートを適用し加熱加圧モールド内で圧
縮成形することによりシールの金属表面に固定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービン機関の熱交換器およびそのハウジ
ングの分解組立略図：第２図はＤ型上部シール組立体の
平面図；第３図は第２図の線３−３に沿った横断面図：
第４図は第２図の線４−４に沿った横断面図：第５図は
シール組立体のシューの摩擦表面用コーティング組成物
を拡大して示す横断面略図である。 １０・・・・・・ガスタービン熱交換器のハウジング、
１２・・・・・・１０のリム、１４・・・・・・熱交換
器コアの開口、１６・・・・・・吸込空気流路、１８・
・・・・・排気ガス流路、２０・・・・・・熱交換器コ
ア、２２・・・・・・２０の中心軸、２４・・・・・・
シール組立体、２６・・・・・・内部シールの肩、２８
，３０・・・・・・Ｃ−型部、３２・・・・・・クロス
アーム部、３４・・・・・・Ｄ−型シール組立体、３６
・・・金属基質、３８・・・・・・３６の表面、４０，
４２・・・・・・３６の上表面、４６・・・・保持具、
４８・・・・・・葉状体、５２・・・・・・金属基質、
５４・・・・・・葉状シール体、５６・・・・・・板ば
ね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の諸工程を順次に含む、セラミック熱交換器コ
   アの摩擦面への低摩擦シールコーティング層の形成方法
   。 （ａ） ポリアリールスルホンポリマーと黒鉛潤滑剤
   とを、前者が約３５重量５係、後者が約６５重量％の比
   率で溶剤とともに混合する工程、 （ｂ）約８０重量％Ｎｉ−約２０重量％Ｃｒ合金粉末を
   シール表面に適用することにより、シール表面上に結合
   コーティング層を形成する工程、（ｃ） 前記結合コ
   ーティング層にポリマー−黒鉛混合物の薄いコーティン
   グ層を形成する工程、（ｄ） ポリマー−黒鉛コーテ
   ィング層を約２５０°〜３００°Ｆ（１２１〜１４９℃
   ）で少くとも１５分間乾燥し溶媒を除去する工程、 （ｅ） 前記コーティング層を約４００°〜５００°
   Ｆ（２０４〜２６０℃）で約１／２〜１時間硬化し、次
   いでこれを約５００〜８００°Ｆ（２６０〜４２７℃）
   の温度で約１／２〜１時間約８００〜１５００ｐｓｉ（
   ５６〜１０６ｋｇ／ｃｍ２）の圧力で加圧積層する工程
   、及び（ｆ） 前記コーティング層を徐冷し、平滑表
   面仕上になるように研磨する工程。 ２ 下記の諸工程を順次に含む、セラミック熱交換器コ
   アの摩擦面への低摩擦シールコーティング層の形成方法
   。 （ａ） ポリアリールスルホンポリマーと黒鉛−窒化
   ほう素潤滑剤とを、ポリマーか約４０重量％、黒鉛が約
   ４０重量％、窒化ほう素が約２０重量％の比率で溶剤と
   ともに混合する工程、 （ｂ） 約８０重量％Ｎｉ−約２０重量％Ｃｒ合金粉
   末をシール表面に適用することにより、シール表面上に
   結合コーティング層を形成する工程、（ｃ） 前記結
   合コーティング層にポリマー−黒鉛−窒化ほう素混合物
   の薄いコーティング層を形成する工程、 （ｄ） ポリマー−黒鉛−窒化ほう素コーティング層
   を約２５０〜３００°Ｆ（１２１〜１４９℃）で少くと
   も１５分間乾燥し溶媒を除去する工程、（ｅ） 前記
   コーティング層を約４００°〜５００°Ｆ（２０４〜２
   ６０℃）で約１／２〜１時間硬化し、次いでこれを約５
   ００〜８００°Ｆ（２６０〜４２７℃）の温度で約１／
   ２〜１時間約８００〜１５００ｐｓｉ（５６〜１０６ｋ
   ｇ／ｃｍ２）の圧力で加圧積層する工程、及び（ｆ）
   前記コーティング層を徐冷し、平滑表面仕上になるよ
   うに研磨する工程。 ３ 下記の諸工程を順次に含む、クロムステンレス鋼か
   らなる平坦シール表面を有するセラミック回転式熱交換
   器シール上への潤滑およびシール表面の調製方法。 （ａ） シール表面にＮｉ−Ｃｒ合金粉末を含む結合
   コーティング剤を適用する工程、 （ｂ） ポリアリールスルホン粉末と窒化ほう素と黒
   鉛とを順次約４０重量％、約２０重量％、約４０重量％
   の比率で混合する工程、 （ｃ）前工程で得られた混合物に溶媒を加えスラリーを
   形成する工程、 （ｄ） 前記スラリーを薄いシート状に拡布する工程
   、（ｅ） 前工程で得られた薄いシート状コーティン
   グ層を、約２０４℃（４００°Ｆ）以上で３７１℃（７
   ００°Ｆ）以下の高められた温度で前記結合コーティン
   グ層に加圧モールデイングする工程、 （ｆ） シール及び適用されたコーティング層を冷却
   する工程、及び （ｇ） 前記コーティング層の表面を仕上研磨する工
   程。 ４ 下記の諸工程を順次に含む、クロムステンレス鋼か
   らなる平坦シール表面を有するセラミック回転式熱交換
   器シール上への潤滑およびシール表面の調製方法。 （ａ） シール表面にＮｉ−Ｃｒ合金粉末を含む結合
   コーティング剤を適用する工程、 （ｂ） 約１００ミクロン以下の粒径を有するポリア
   リールスルホン粉末と粒径が約８０ミクロン以下の窒化
   ほう素と粒径が約７０ミクロン以下の黒鉛とを順次約４
   ０重量％、約２０重量％、約４０重量％の比率で混合す
   る工程、 （ｃ）約２００〜１５００ｐｓｉ（１４〜１０６ｋｇ／
   ｃｍ２）の圧力と約５００〜８００°Ｆ（２６０〜４２
   ７℃）の温度の閉鎖ダイ−モールド中でシール表面上の
   結合コーティング層に前記混合粉末を積層する工程、 （ｄ） 前記シール及び適用コーティング層を冷却す
   る工程、及び （ｅ） 前記コーティング層の表面を仕上研磨する工
   程。