SE453848B - Anordning vid tetningar i en gasbana medelst slipande resp slipbart material samt sett att astadkomma tetning - Google Patents

Description

453 848' 2 överensstämmelse med tätningens tjocklek.

Föreliggande uppfinning hänför sig till en sammansatt, plasmasprutad tätning som har särskilt god användbarhet i gas- turbinmotorer, speciellt i sådana motorer som är av axialström- ningstyp. Ifrågavarande motorer inkluderar växelvis anordnade rader av stationära skovlar och rörliga blad, varvid bladen är fastsatta vid omkretsen hos på en axel monterade skivor.

Tätningen enligt föreliggande uppfinning inkluderar en slipande del och en slipbar del. Tätningen anbringas på ytan hos en motorkomponent där växelverkan inträffar eller förväntas med en annan komponent. Den slipande delen är belägen omedel- bart intill komponenten, och den slipbara delen är anbragt på den slipande delen. Avståndet mellan komponenterna samt tät- ningens dimensioner är så anordnade att i normal drift inträf- far växelverkan mellan den obelagda komponenten och den slip- bara delen av tätningen, medan i onormal drift den obelagda komponenten gör kontakt med den slipande komponenten. Kontakt med den slipande komponenten hindrar direkt gnidkontakt mellan de båda komponenterna. Tätningen enligt föreliggande uppfin- ning har särskild tillämpning i kompressordelen hos gasturbin- motorer, där man måste undvika direktkontakt med titankomponen~ ter.

De ovannämnda kännetecknen och andra kännetecken och för- delar enligt föreliggande uppfinning kommer att bli uppenbara av den nu följande beskrivningen och bifogade ritningar, på vilka fig l visar en partiell tvärsektion av en typisk gastur- binmotorkompressor, fig 2 är en perspektivvy som visar samban- det mellan kompressorbladen och kompressorhöljet, och fig 3 är en perspektivvy som visar kompressorskovlarna och den inre lufttätningen.

Fig l åskådliggör en tvärsektionsdel hos kompressorav- snittet i en modern gasturbinmotor. Bland delar som är viktiga för att föreliggande uppfinning skall kunna förstås skall nämnas ett flertal roterbara skivor l, på vilkas yttre periferi är mon- terade ett par blad 2. Bladen roterar inuti det inre höljet 3 och är belägna nära detta. Minsta möjliga läckning mellan bladen och det inre höljet uppnås genom att man anordnar en tätning 4 (den yttre.lufttätningen), vilken är monterad på det inre höljet. ' 453 848 3 Inuti och på det inre höljet 3 är ett flertal skovlar 5 monterade, på vilkas fria innerändar 6 en annan tätning 7, (den inre lufttätningen) är monterad, vilken är nära belägen kniveggar 8 som är monterade på skivornas l förlängning. I en alternativ motor har skivorna inte integrala utspràng utan de är åtskilda av distansorgan på vilka kniveggar kan vara monte- rade. Kniveggen 8 och den inre lufttätningen 7 samverkar för att minska iaekningen och förbättra verkningsgraden.

Tätningarna för vilka föreliggande uppfinning är sär- skilt väl lämpad är belägna på det inre höljet 3 intill de fria ändarna hos bladen 2 (den yttre lufttätningen) och på skoviarnas 5 fria andar 6 (den inre iufctätningenï. Tätningar- na enligt föreliggande uppfinning är företrädesvis monterade på stationära underlag som är anordnade att ingripa med rör- liga (obelagda) komponenter. l Fig 2 är en perspektivvy som visar sambandet mellan bladens 20 fria ändar och det inre höljet 30 och som visar den yttre lufttätningen 40 mera i detalj. Tätningen 40 enligt före- liggande uppfinning är sammanfogad med höljet 30. Den visade utföringsformen är en treskiktsutföringsform som inkluderar ett inre slipande skikt 41 som är sammanfogat med höljet 30, ett mellanskikt 42 som är sammanfogat med det slipande skiktet 41, och ett yttre, slipbart skikt 43 som är sammanfogat med mellanskiktet 42.

Fig 3 är en perspektivvy som åskådliggör tillämpning av en annan utföringsform av föreliggande uppfinning på de inre lufttätningarna. Figuren visar det inre höljet 30, på vilket ett flertal skovlar 50 är monterade. Integralt med skov- larnas fria ändar finns plattformar eller inre lufttätnings- underlag lll, på vilka tätningen enligt uppfinningen är be- lägen. En tvåskiktsutföringsform är visad, vilken innefattar ett inre slipande skikt lll sammanfogat med plattformarna och ett yttre slipbart skikt ll2 sammanfogat med det slipande skik- tet lll. I drift medför kniveggar (inte visade) att ett spår nöts eller slipas i tätningen för att tätning skall åstadkom- maS .

Av aerodynamiska skäl är det vaséntiigt att lackning, 453 848 4 dvs strömningen av gaser mellan bladspetsarna och_höljet eller 'mellan skoveländarna och skivor eller distansorgan, skall bli så liten som möjligt. (I det följande kommer "blad" att använ- das för att i sig ange turbindelar som samverkar med tätningar.) Detta problem ökas medelst de dimensionsändringar som uppträder under motorns drift och som härrör från temperatur och pàkän- ningar.

Slipbara tätningsmaterial har använts tidigare. Dessa material har en skör, spröd natur som medför att de kan nötas bort utan betydande slitage eller skador, varför spelen för motorns drift kan minskas och motorns prestanda kan förbättras.

Ett annat avsevärt problem påträffas i turbinkompres- sorer. Kompressorkomponenterna är i regel framställda av en titanlegering. Titan är en reaktiv metall, och om gnidning in- träffar med titankomponenter kan kvarstående förbränning bli följden, vilket kan leda till en katastrof. Dylik förbränning underblåses av omgivningen i kompressorn, där temperaturer upp till ca 482°C och tryck upp till ca 2,064 MPa kan råda, vilka i kombination erbjuder en atmosfär som befrämjar förbränning.

Föreliggande uppfinning avser en ny tätningskomposition och -anordning som möjliggör slipbara egensk-per under normala driftbetingelser och slipande egenskaper under onormala drift- betingelser. Särskilt gäller att under driftbetingelser som medför att bladet svänger ut 1 tätningen i större omfattning än vad som sätts av konstruktionsgränserna bringas de roteran- de bladen att göra kontakt med en slipande del av tätningen, varvid bladen nöts bort. Detta hindrar gnidkontakten mellan bladen och motorhöljet och minskar således utsikterna till att brand uppstår. _ Den del av tätningen som är belägen omedelbart intill den stationära komponenten (det inre höljet eller skoveländar- na) består av ett mot gnidning motstàndskraftigt,slipande ma- terial. Uttrycket "slipande" beskriver i sin användning häri ett material som vid gnidning i kontakt med en av en titanle- gering bestående komponent ger upphov till ett betydande sli- tage hos den av en titanlegering bestående komponenten utan att det slipande materialet utsätts för någon större nötning. ' 453 848 5 Närmare bestämt kommer uttrycket "slipande" att användas för att ange sådana material där en samverkan under nötning med- för att åtminstone 80% av den totala nötningen uppträder 1 den obelagda komponenten och mindre än 20% av den totala nöt- ningen uppträder i det slipande materialet. För den slipbara delen gäller motsatsen, dvs större delen av nötningen inträf- far hos den slipbara komponenten och inte hos den obelagda komponenten. Närmare bestämt uppträder minst 60% av nötningen i en given samverkan eller växelverkan i den slipbara kompo- nenten medan mindre än h0% uppträder i den obelagda komponen- ten. I definitionerna ovan kan obelagda organ som saknar sli- pande eller slipbar beläggning, skyddsskikt eller beläggningar som har andra primära funktioner föreligga.

Tätningsanordningen framställs med hjälp av ett förfaran- de för avlagring medelst plasmasprutning. I ett sådant material upphettas utgàngsmaterialet, i pulverform, i ett plasma så att pulverpartiklarna mjuknar åtminstone på ytan, varefter det upphettade pulvret skjuts med hög hastighet mot underlaget, var- vid sammanfogning eller bindning inträffar. Ett betydande an- tal slipbara material kan användas, bland vilka kan nämnas volframkarbid, kromkarbid, kiselnitrid, aluminiumoxid, kisel- karbid och blandningar av dessa. Man kan använda sig av par- tikelstorlekar från ca 0,037 till 0,250 mm. Närmare bestämt har emellertid slipande kompositioner baserade pa volframkarbid och kromkarbid används med framgång, och man föredrar dessa. I fallet med sådana mot varandra slipande metaller som kromkarbid och volframkarbid visar det sig i regel vara önskvärt att ut- nyttja ett bindemedel av metall för att säkerställa bindning av partiklarna inbördes och sammanfogning av partiklarna med underlaget. Om ett bindemedel används väljs detta så, att det praktiskt taget inte reagerar med slipmedlet. I fallet med vol- framkarbid har man utnyttjat en pulverblandning bestående av ca 88 viktprocent volframkarbid och ca 12 viktprocent av ett koboltbindemedel, medan i fallet med ett slipande skikt av kromkarbid har ett pulver innehållande ca 75 viktprocent Cr3C2 och ca 25 viktprocent av en legering bestående av 80% nickel och 20% krom använts. Det visar sig ofta vara önskvärt att ut- nyttja en utgángssammanfogningsbeläggning för att säkerställa s» 453 848 6 att det slipbara materialet häftar fast vid underlaget. En så- dan sammanfogningsbeläggning kan t ex omfatta samma eller lik- artade legeringar som de legeringar som används såsom matris- materialet eller sammanfogningsmaterialet i samband med det slipbara materialet. Andra sammanfogningsskikt kan utnyttjas, inklusive legeringar av typen MCrAl, där M är ett material valt ur gruppen som består av Järn, nickel, kobolt och bland- ningar av dessa, Cr är krom i en mängd av från ca 5 viktpro- cent till 25 viktprocent, och Al är aluminium 1 en mängd av från ca 5 viktprocent till ca 20 viktprocent. Reaktiva metal- ler, såsom Y, La, Se, Hf och dyl, kan tillfogas i mängder av storleksordningen mellan O,l% och 2%.

Den totala tätningstjockleken ligger i regel mellan 0,051 cm och 0,381 cm, och tjockleken hos den yttre, slipbara delen ligger mellan från ca 50% till ca 80% av den totala tjockleken. Den yttre, slipbara delen hos tätningen framställs också genom plasmasprutning. Slipbara material är sådana mate- rial som lätt slipas eller nöts bort. Slipbarhet kan åstadkom- mas genom att man finfördelar partiklar av ett skört material 1 en mera tänjbar matris. En sådan skör, finfördelad partikel kan väljas ur gruppen bestående av grafit, glimmer, molybden- disulfid, bornitrid, vermikulit, asbest, diatomacejord, glas, ryolit, bentonit, kordierit och blandningar av dessa. En mängd av upp till 65 volymprocent kan användas. Förutom med dessa ma- terial kan slipbarhet erhållas genom att man anordnar en mängd (upp till 70 volymprocent) porositet i materialet. Denna poro- sitet kan erhållas genom att man varierar parametrarna i plas- masprutningen eller genom att man använder sig av större partik- lar eller genom att man samtidigt sprutar ett material, såsom en polyester eller ett salt, som sedermera kan brännas bort från eller lakas ut ur den avlagrade anordningen. Matrisen in- nehåller företrädesvis mellan 5% och 25% Cr, mellan 0% och 20% Al, mellan 0% och 2% av ett material utvalt ur gruppen som be- står av Y, Hf, La, So och blandningar av dessa medan återstoden är vald ur gruppen som består av järn, nickel, kobolt och bland- ningar av nickel och kobolt. Den totala mängden sköra material och porositet bör ligga mellan 30 volymprocent och 70 volympro- cent. Den amerikanska patentskriften 3 879 831 beskriver all- \ ' 'm 453 848 7 mänt sett slipbara material, och dess innehåll anses ingå i denna text.

Inom de ovan beskrivna gränserna kan en mängd utförings- former förekomma. Den enklaste utföringsformen är ett system bestående av två skikt med en inre, slipande del intill höljet och ett yttre, slipbart skikt. Slipmedlet väljs ur den ovan uppräknade gruppen, och en tunn utgångsbindningsbeläggning kan också utnyttjas. Det inre skiktet är fritt från avsikt- lig porositet. Tjockleken hos den inre delen uppgår till mellan ca 10% till ca 50% av tätningens totaltjocklek. Den yttre, slipbara delen består av ett sträckbart eller tänjbart matrismaterial som innehåller ett finfördelat, skört material och/eller är porös. I tillvägagångssättet med två skikt finns det ingen avsiktlig övergångszon mellan skikten, men 1 en två- skikttätning som alstras medelst ett plasmasprutningsförfaran- de kan ett tunt, mellanliggande, blandat skikt eventuellt förekomma. ~ I en mera komplex tätning kan tre skikt finnas. Det inre skiktet är detsamma som det inre skiktet i anordningen med två skikt innehållande slipmedel. På likartat sätt är det yttre skiktet identiskt till sin komposition med skiktet som har beskrivits ovan i samband med tvåskiktutföringsformen, var- vid det innehåller ett slipbart material och/eller är avsikt- ligt poröst. Det särskiljande draget i fallet med tre skikt är att ett avsiktligt mellanskikt finns. I ett bestämt tillväga- gångssätt med tre skikt är mellanskiktet mindre slipbart än det slipbara skiktet såsom följd av att det innehåller en lägre nivå av slipbart material och/eller porositet. I ett annat tillvägagångssätt med tre skikt innehåller mellanskiktet en av- siktlig tillsats av slipande material men vid en lägre nivå än ivad som finns i det inre skiktet. Slutligen är det möjligt att åstadkomma en treskikttätning med ett mellanskikt, varvid kom- positionen hos slipmedlet och slipbarheten varierar kontinuer- ligt i mellanskiktet.

Det är möjligt att öka antalet skikt och att därvid ge varje skikt en något annorlunda komposition än granskiktet, varvid man följer det generella schemat med en hög slipande 453 84.8 8 nivå vid tätningens insida och en hög slipbar nivå vid tät- ningens utsida och låter både slipmedelhalten och omfattningen av slipbarheten variera genom tätningens tjocklek. I det be- gränsande fallet kan slipmedlet och slipbarheten få variera kontinuerligt genom tätningens tjocklek, vilket resulterar i en kontinuerligt graderad tätning.

Uppfinningen kan förstås bättre genom hänvisning till det nu följande exemplet som är avsett att just utgöra ett exempel men ingen begränsning.

Exempel_ Provföremål som efterliknade ett kompressorblad och -höl- je (i överensstämmelse med den ovan beskrivna figuren 2) fram- ställdes och kontrollerades. Höljets segment bestod av titanle- geringen AMS 4911, och bladet bestod av titanlegeringen AMS 4928.

Höljets segment hade ett runt spår svarande mot den tänkta gnid- ningsbanan.

Den spàrförsedda delen av höljets segment försågs med beläggningen enligt uppfinningen på följande sätt: D 1. En slipande beläggning av 88% WC och 12% Co samt med tjockleken 0,025 cm plasmaavlagrades under användning av en plasmabrännare av typen METCO 7MB, vilken brännare drevs vid 40 volt och 800 ampere och hölls 10,16 cm från höljet. Pulver med en storlek av mellan 0,042 och 0,074 mm avlagrades samti- digt som brännaren fördes med 25,4 cm per minut i förhållande till höljet. 2. En slipbar beläggning av porös nikrom (80% Ni, 20% Cr) och med tjockleken 0,19 cm plasmaavlagrades med hjälp av en plasmabrännare av typen METCO 7MB som drevs vid 38 volt och 500 ampere och som hölls 11,4 cm från höljet. En pulverbland- ning av 7 delar nikrom till 2 delar polyester avlagrades, och polyestern brändes ut medelst en behandling omfattande 2 tim- mar vid 538°C i luft. Den resulterande anordningen hade en po- rositet av ca 50%.

Den därvid pålagda tätningen utgjordes av en slipande beläggning med en tjocklek av ca 0,03 cm resp en slipbar be- läggning med en tjocklek av ca 0,19 cm.

Denna tätningskombination utvärderades genom att 4šz 848 9 (det obelagda) bladet förflyttades i en takt av 20ll6,8 meter per minut i en bana parallellt med det belagda spåret samti- digt som tätningen fördes mot beläggningen med 1,52 cm per minut tills kontakt uppstod. Relativrörelsen fick fortsätta tills bladet hade fortskridit 0,84 cm in i det belagda under- laget. Tillståndet hos provstycket utvärderades periodiskt.

Man fann att när bladprovstycket frammatades in i delen med den slipbara tätningen uppgick förhållandet mellan bladnöt- ning och tätningsnötning till ca 10:90, medan när bladprov- stycket träffade på den slipande delen ändrades förhållandet för nötningen hos bladet resp tätningen till mer än 99:l, var- jämte ingen direkt nötning uppstod fràn titan till titan, dvs det obelagda bladet slipades och integriteten hos det med.slip- medel belagda höljet upprätthölls.

Claims (8)

h 453 843 10 ; PATENTKRAV

1. Anordning som inkluderar nära varandra men på avstånd n) belägna komponenter, mellan vilka relativrörelse sker och mellan vilka toleranser och medieströmning måste nedbringas till ett minimum samtidigt som direkt gnidkontakt måste undvikas, varvid på den ena komponenten anordnas en sammansatt tätningsbelägg- ning, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda sammansatta tätningsbeläggning inkluderar ett slipande skikt (111) på nämnda komponent och ett slípbart skikt (112) på nämnda slipande skikt 1 (111), varvid tjocklekarna hos de slipande (111) och slipbara (112) skikten samt komponentspelet är sådana, att vid normal drift påträffar och slipar den obelagda komponenten det slipbara skiktet (112) utan att själv slipas i någon större grad, medan under onormala arbetsbetingelser påträffar och slipar den obe- lagda komponenten det slipande skiktet (111) och inte kommer i direkt kontakt med den belagda komponenten.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att åtminstone den ena av nämnda komponenter är framställd av en titanlegering.

3. Anordning enligt krav 1 och 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att båda nämnda komponenter är framställda av en titan- legering.

H. Anordning enligt kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda slipande skikt (111) såsom sin primära slipan- de beståndsdel inkluderar ett material valt ur gruppen som be- står av volframkarbíd, kromkarbid, aluminiumoxid, kiselnitrid, kiselkarbid och blandningar av dessa.

5. Anordning enligt kraven 1 - N, k ä n n e t e c k n a d därav, att den ytterligare inkluderar en metallisk sammanfog- ningsbeläggning mellan underlagskomponenten och det slipande skiktet(111).

6. Anordning enligt kraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den ytterligare inkluderar ett mellanskikt (H2) 455 s4s 11 mellan det slipande skiktet (H1) och det slipbara skiktet (U3).

7. Anordning enligt krav 1, vilken anordning är en roteran- de maskinanordning som såsom nämnda ena komponent innefattar en stationär komponent och såsom nämnda obelagda komponent en rör- lig komponent, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda sli- pande beläggning (111) är fäst vid den stationära komponenten medan nämnda slipbara beläggning (112) är fäst vid nämnda sli- pande beläggning (111) och nämnda rörliga komponent är belägen på avstånd på så sätt att vid normal drift samverkar nämnda rör- liga komponent med nämnda slipbara beläggning (112) under det att i onormal drift samverkar nämnda rörliga komponent med nämn- da slipande beläggning (112) och inte samverkar med nämnda sta- tionära komponent (30).

8. Sätt att samtidigt åstadkomma medietätning mellan två in- bördes rörliga komponenter i en anordning och att därvid undvika skadliga växelverkningar till följd av gnidning, k ä n n e - t e c k n a t därav, att det innefattar påläggning av en vid- häftande, slipande beläggning (111) på den ena komponenten och påläggning av en vidhäftande, slipbar beläggning (112) på den slipande beläggningen (111) så att vid normal drift uppnås tät- ning genom växelverkan mellan den obelagda komponenten och den slipbara komponenten på samma gång som skadlig gnidningsväxel- verkan mellan komponenterna förhindras av den slipande belägg- ningen (111).