Деталь повітряного ущільнення газотурбінного двигуна та спосіб формування керамічного покриття деталі, система повітряного ущільнення газотурбінного двигуна

Цей винахід стосується, взагалі, керамічних покриттів для використання у газотурбінних двигунах та, зокрема, керамічних покриттів, що забезпечують герметизацію та теплоізоляцію. Газотурбінні двигуни є відомими джерелами рушійної сили, наприклад, для літаків та звичайно включають секції компресора, камери згоряння та турбіни. Згідно із загальною ілюстрацією на фіг.1, секції турбіни і секції компресора включають обертові диски 1, що закріплені на валу та несуть набір лопаток 2, які знаходяться усередині порожнього кожуха або корпуса 3 з проміжними наборами стаціонарних лопаток 5 направляючого апарата, які змонтовано на корпусі. Повітряні ущільнення 4, 7 знаходяться між кінцями лопаток та корпусом та між лопатками направляючого апарата і дисками для того, щоб запобігти витіканню повітря між цими деталями. Повітря надходить крізь впускний отвір двигуна та стискується у компресорі обертовими дисками зі з'єднаними лопатками. Стиснене повітря потім спалюється з паливом у камері згоряння з метою генерування газу з високим тиском та високою температурою, який примушує обертатися секції турбіни та зв'язані з ними ступені подавального компресора, а потім викидається крізь випускний отвір двигуна для того, щоб забезпечити тягу. Корпус повинен запобігати витоку повітря або продуктів згоряння поза кінцями лопаток, тобто між кінцями лопаток та корпусом, тому що витік повітря знижує ефективність двигуна. Незважаючи на те, що деталі розроблено з метою мінімізації витоку, значна частина загального витоку, що обов'язково виникає у газотурбінному двигуні під час нормального функціонування, виникає між кінцями лопаток та корпусом та між кінцями лопаток направляючого апарата та дисками. Для того, щоб запобігти такому витоку, слід виготовляти усі сполучені деталі з допуском в особливо вузьких межах, що потребує великих витрат, якщо допуски зменшуються. Крім того, у даних діапазонах температур, яких деталі зазнають до, під час та після функціонування, та, як слідство, теплового розширення та стиснення деталей, такі вузькі допуски напевно стануть причиною взаємного черкання відповідних деталей та відповідного спрацювання деталей та інших пошкоджень. Отже, конструктори газотурбінних двигунів докладають значних зусиль з метою розробки ефективних повітряних ущільнень та, зокрема, ущільнень із зношуваних стиранням матеріалів. Дивися, наприклад, патенти США №4 936 745, автори Vine та інші, та №5 705 231, автори Nissley та інші, які є переданими правонаступнику цього винаходу і які спеціально включено до посилань цього опису. Такі ущільнення потребують балансу між декількома властивостями, а саме між зношуваністю стиранням після контакту з кінцем обертової лопатки, стійкістю до ерозії, довговічністю, тепловим розширенням, що є збалансованим з тепловим розширенням долішного матеріалу, відносною зручністю та прийнятною вартістю виробництва. Дивися, наприклад, патент США №5 536 022, автор Sileo, який також є переданим правонаступнику цього винаходу і який спеціально включено до посилань цього опису. Через те, що таке ущільнення застосовують при підвищених температурах, матеріал ущільнення повинен також бути міцним на відносно широкому діапазоні температур та теплоізоляційним для долішного субстрату. Звичайне зношуване стиранням повітряне ущільнення описано у патенті США №4 936 745, автори Vine та інші. Ущільнення містить металеве зв'язувальне покриття, наприклад, зв'язувальне покриття із MCrAlY, де "М" означає метал, що обирають з групи, яка складається із заліза, кобальту, нікелю та їх сумішей, або алюмінідне зв'язувальне покриття, та пористий керамічний зношуваний стиранням шар, такий як стабілізований оксидом ітрію діоксид цирконію (YSZ), що має регульовану пористість. Завдяки пористій та відносно м'якій структурі шару YSZ, матеріал руйнується не тільки під дією контакту з кінцями Обертових лопаток, але також від впливу газів при підвищених швидкостях, тиску, температурах, також від контакту з будь-якими частинками, які знаходяться у газах. Ерозія зношуваного стиранням матеріалу зменшує товщину шару, внаслідок чого виникає проміжок, та повітря проходить між кінцями лопаток та корпусом та між кінцями лопаток направляючого апарату та дисками і також знижує термоізоляцію, яку забезпечує шар. Через те, що ерозія проникає крізь керамічний шар, долішний субстрат термічно захищається лише зв'язувальним покриттям, і тому до ущільнення подають охолоджувальне повітря. Отже, конструктори повинні або забезпечити охолодження для ущільнення у розмірі, відповідному до припущеної відсутності керамічного матеріалу, або визначити необхідність видалення пов'язаного конструктивного елементу, наприклад, ущільнення, та заміни керамічного матеріалу після відносно короткого терміну служби. Незважаючи на те, що відомі зношувані стиранням матеріали забезпечують ефективні ущільнення, необхідно розробити ущільнення з підвищеною стійкістю до ерозії та відповідно підвищеним терміном служби. Задачею цього винаходу є саме забезпечення ущільнення з підвищеною стійкістю до ерозії, яке підтримує належну зношуваність. Крім того, задачею цього винаходу є ущільнення, яке забезпечує значну термоізоляцію для долішного субстрату, навіть якщо зношувана частина ущільнення кородує або руйнується. Згідно з цим винаходом пропонується ущільнення, що здебільшого застосовується у газотурбінному двигуні. Наприклад, ущільнення може служити як повітряне ущільнення у секціях компресора та турбіни двигуна та взаємодіяти з набором обертових лопаток секції. Ущільнення містить субстрат або колодку ущільнення, яка звичайно зроблена із матеріалу суперсплаву. Шар зчеплення із оксиду алюмінію ущільнення, утворений над субстратом, та він може бути частиною зв'язувального покриття, що є зв'язувальним покриттям із МСrАІY або алюмінідним зв'язувальним покриттям. Відносно щільний та стійкий до ерозії керамічний шар наноситься на шар оксиду алюмінію. Ущільнення також містить пористий зношуваний стиранням керамічний шар, нанесений поверх частини стійкого до ерозії керамічного шару, та він відповідає поверхні, якою ущільнення взаємодіє із відповідною частиною, такою як набір обертових турбінних лопаток. Таким чином, для забезпечення ущільнення зношуваний стиранням керамічний шар взаємодіє з кінцями лопаток. Перевага цього винаходу полягає у тому, що ущільнення містить зношуваний стиранням матеріал лише там, де ущільнення взаємодіє із парною деталлю, такою як кінці лопаток, з метою забезпечення належного ущільнення між лопатками та ущільненням. Долішний шар щільного керамічного матеріалу підвищує стійкість до ерозії та строк служби окрім термоізоляційної здатності керамічного матеріалу. Додаткові переваги будуть зрозумілими для фахівців у техніці з точки зору наступного докладного опису та супровідного ілюстративного матеріалу. Фіг.1 - зображення поперечного перетину частини звичайного газотурбінного двигуна. Фіг.2 - зображення перетину зовнішнього повітряного ущільнення згідно з цим винаходом. Фіг.3 - зображення, подібне до фіг.2, але воно ілюструє інший варіант здійснення цього винаходу. Звернемося зараз до фіг.2. Зовнішнє повітряне ущільнення 10 лопатки, яке використовує цей винахід, містить металеву колодку 12, шар зчеплення із оксиду алюмінію 14, який може бути частиною з'єднувального покриття, щільний стійкий до ерозії керамічний шар 16 та зношуваний стиранням керамічний матеріал, який нанесено на локальну поверхню 18 ущільнення. Зображене ущільнення 10 використовується у газотурбінному двигуні (фіг.1), наприклад, у ступені компресора або турбіни. Особливо у ступені турбіни, а потім у ступені компресора, керамічний матеріал є, переважно, також термоізоляційним. На фіг.1 та 2 ущільнення використовується у зв'язку з обертовою лопаткою 2, яка звичайно містить абразивний матеріал (не зображено), який нанесено на кінець лопатки, що є відомим в техніці, наприклад, з патенту США №4 936 745, автори Vine та інші, який спеціально введено до посилань цього опису. Зношувана стиранням кераміка та кінець лопатки взаємодіють на ділянці, яку називають зоною тертя лопатки, яка, принаймні, частково співпадає з локальною поверхнею, на яку нанесено зношувану стиранням кераміку. Фахівці в техніці зрозуміють, що цей винахід можна використовувати у двигунах інших типів та у інших випадках з таким саме ефектом, і що цей винахід не обмежується лише газотурбінними двигунами. Колодку 12 ущільнення 10 звичайно виробляють із матеріалу суперсплаву, особливо там, де ущільнення знаходиться у високотемпературній частині двигуна, такій як остання ступінь компресора або ступінь турбіни. До звичайних суперсплавів, які використовують з цією метою, відносяться сплави на основі нікелю, кобальту та заліза. Колодка 12 може, але необов'язково, включати виїмку або канавку 13 (порівняйте фіг.2 та 3) , яка знаходиться безпосередньо на ділянці, у якій кінці лопаток 2 (один з кінців зображено на фіг.2) взаємодіють з ущільненням. Як визначилося вище, ущільнення використовують для запобігання або, принаймні, зменшення витікання між кінцями лопаток та оточуючим корпусом двигуна. Матеріал ущільнення повинен стиратися при контакті з взаємодіючою деталлю, такою як кінець обертової лопатки, повинен бути стійким до ерозії, розширюватися під впливом температур з коефіцієнтом, що відповідає коефіцієнтові теплового розширення колодки та пов'язаних матеріалів, та вартість виробництва ущільнення повинна бути прийнятною. Залежно від того, де усередині газотурбінного двигуна використовуються ущільнення, вони можуть зазнавати впливу газу з високою температурою, та, щодо цього, матеріал ущільнення повинен ізолювати долішну колодку від впливу газів з високою температурою. При відсутності достатнього теплового захисту, температури є настільки високими, що можуть стати причиною значної деформації повзучості, окиснення або навіть плавлення металу. Переважно, але необов'язково, щільна кераміка має теплопровідність менш ніж приблизно 1,442-2,163Вт/м×К (10-15 Btuin/ft2-hr-°F (британська теплова одиниця-дюйм/фут2-година-°F)), а зношувана стиранням кераміка має теплопровідність менш ніж 0,433-1,442Вт/м×К (3-10Btu-in/ft2-hr-°F). Шар оксиду алюмінію 14 утворюється на металевому субстраті 12 та полегшує та підвищує зчеплення керамічного матеріалу, що наноситься на колодку. Переважно, але необов'язково, шар оксиду алюмінію 14 утворюють уздовж усієї поверхні ущільнення, яка буде зазнавати впливу гарячих газів, та його утворюють як частину металевого зв'язувального покриття, такого як зв'язувальне покриття із MCrAlY або алюмінідне зв'язувальне покриття, або інше зв'язувальне покриття, що є здатним утворювати шар зчеплення із оксиду алюмінію. Якщо використовують зв'язувальне покриття із MCrAlY, зв'язувальне покриття наносять уздовж колодки 12, наприклад, шляхом плазмового розпилювання, та більш переважно шляхом плазмового розпилювання при низькому тиску. Алюмінідне зв'язувальне покриття можна наносити, наприклад, шляхом алюмінування блоком катодів або шляхом хімічного осадження із парової фази. Дивися, наприклад, вищезгаданий патент США сумісного володіння №4 936 745, автори Vine та інші. Через те, що деякі керамічні покриття є відносно проникними до кисню та корозійного сміття, зв'язувальне покриття також забезпечує колодці стійкість до окиснення та корозії, а також забезпечує деяку термоізоляцію колодки у випадку, коли руйнується верхній керамічний матеріал. Як відомо, шар оксиду алюмінію утворюється на деяких суперсплавах без нанесення окремого зв'язувального покриття, і ці сплави можна також застосовувати у цьому винаході. Дивися, наприклад, патенти США сумісного володіння №4 209 348 та №4 719 080, автори Duhl та інші, які спеціально введено до посилань цього опису. Щільний стійкий до ерозії шар 16 керамічного матеріалу потім наносять, переважно, уздовж усього шару оксиду алюмінію 14, тобто, відповідно частині ущільнення, яка буде зазнавати впливу гарячих газів. Шар 16 наноситься, доки його товщина не становитиме переважно приблизно 1,905 мм (75 мілів), більш переважно, доки його однорідна товщина не досягне 1,27мм (50 мілів). Щільний керамічний шар надає стійкості до ерозії, наприклад, проти гарячих газів високого тиску у газовому проході та проти будь-яких частинок, які містяться у газах, а також забезпечує теплоізоляцію долішної колодки ущільнення від газів з високою температурою. Щільний керамічний матеріал можна наносити шляхом плазмового розпилювання, HVOF або будь-якими іншими придатними способами. Незважаючи на те, що різні керамічні матеріали можна включати у щільний керамічний шар цього винаходу із задовільними результатами, ми віддаємо перевагу використанню покриття із сегментованої зношуваної стиранням кераміки (СЗСК), як зображено і описано у патенті США сумісного володіння №5 705 231, автори Nissley та інші, який спеціально введено до посилань цього опису. Покриття СЗСК містить нижній шар на основі діоксиду цирконію, який має товщину до приблизно 0,89мм (35 мілів) (переважно між приблизно 0,254-0,508мм (10-20 мілів)) та зовнішній шар, який має товщину до приблизно 0,89 мм (35 мілів) (переважно між приблизно 0,254 - 0,762 мм (10-30 мілів)), а також поступово змінюваний проміжний шар, який має товщину до приблизно 0,051-0,635мм (2-25 мілів) (переважно між приблизно 0,102-0,203мм (4-8 мілів)). Склад проміжного шару - це комбінація нижнього та зовнішнього шарів. Суміжний із нижнім шаром склад проміжного шару відповідає взагалі складові нижнього шару. Суміжний із зовнішнім шаром склад проміжного шару відповідає взагалі складові зовнішнього шару. Згідно з його назвою, проміжний шар має склад, який поступово змінюється між складом нижнього шару та зовнішнього шару. Нижній шар складається із матеріалу, до якого належать стабілізований оксидом церію діоксид цирконію, стабілізований оксидом магнію (іноді називається "підсилений") діоксид цирконію, стабілізований оксидом кальцію діоксид цирконію або стабілізований оксидом ітрію діоксид цирконію (YSZ) та їх суміші. Перевага віддається використанню стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію, у якому оксид ітрію становить більш переважно до 35w/o (масових %), переважно між приблизно 5-35%, його пористість становить до приблизно 40% (об'ємних %), переважно - до 35%. Зовнішній шар є переважно сумішшю або шаруватим матеріалом, тобто, він утворюється шляхом нанесення по черзі тонких шарів 7YSZ та 20YSZ. Через те, що відносно більш зношуваний стиранням шар 18 наноситься послідовно, отже, зовнішній шар щільної кераміки 16 не повинен бути зношуваним стиранням, суміш або шаруватий матеріал переважно включає високий вміст більш стійкого до ерозії матеріалу, наприклад, більше 7YSZ, Щільний керамічний шар 16 переважно наносять шляхом плазмового розпилювання, так що мікротріщини утворюються усередині та розповсюджуються взагалі крізь щільний керамічний шар. Більш переважно, керамічний шар наноситься також так, щоб забезпечити виїмку або канавку 13 шляхом нанесення однакового шару на колодку, що вже має відповідну виїмку або канавку 9 (фіг.2), або так, як обговорюється нижче щодо фіг.3. Вважають, що нагрівання колодки до температури менш ніж приблизно 315,6°С (600°F) під час нанесення щільного керамічного матеріалу плазмовим розпилюванням, сприятиме утворенню мікротріщин. Мікротріщини забезпечують сегментовану природу шару 16. Дивися, наприклад, патенти США №5 073 433, автор Taylor, та №5 520 516, автори Taylor та інші, які обидва спеціально введено до посилань цього опису, а також Nissley. Зношуваний стиранням керамічний шар 18 наносять потім, наприклад, на частину ущільнення 10, що взаємодіє з кінцями 2 обертових лопаток. Різні кераміки можна використовувати з задовільними результатами, проте, ми віддаємо перевагу використанню пористої кераміки, такої яку описано у патенті США сумісного володіння №4 936 745, автори Vine та інші. Цей керамічний матеріал правонаступник цього винаходу успішно використовував для забезпечення ущільнення найвищої якості у газотурбінних двигунах між кінцями лопаток або кінцями лопаток направляючого апарату та відповідними корпусами або дисками. Зношуваний стиранням керамічний шар переважно складається із стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію, при цьому відсоткова маса оксиду ітрію становить приблизно 6-8% (масових %), а пористість -приблизно 20-35% (об'ємних %). Шар 18 переважно наноситься також шляхом звичайного плазмового розпилювання та відповідає виїмці і заповнює її. Переважно поступово змінюваний шар існує між шаром 16 і шаром 18. Матеріал змінюється між складом шару 16 та складом шару 18, так саме, як і поступово змінюваний проміжний шар щільного керамічного шару. За необхідністю, ущільнення 10 потім доводять шляхом механічної обробки до необхідних розмірів та/або з метою видалення лишнього матеріалу, наприклад, надмірної кількості пористої кераміки. Фіг.3 ілюструє варіант здійснення цього винаходу, який містить колодку, що не має попередньо існуючої канавки біля зони тертя лопатки. Ущільнення 20 містить колодку 22, яка в багатьох відношеннях є подібною до колодки 10, проте колодка 22 визначає плоску поверхню. На колодці утворено шар оксиду алюмінію 24, або зв'язувальне покриття, на якому утворено шар оксиду алюмінію, нанесено на поверхню колодки 22 таким саме способом, який описано вище стосовно шару 14. Щільний керамічний шар 26 потім наноситься на шар оксиду алюмінію 24 способом, який переважно є подібним до способу, описаного вище стосовно шару 16. Проте, шар 26 наноситься так, щоб утворити канавку 27, у яку потім наноситься зношуваний стиранням шар 28. Канавку можна утворити у щільному керамічному шарі, наприклад, за допомогою маскування ділянки шару 26 під час нанесення шару 2 6 або шляхом швидкого проходження субстрату відносно плазмового розпилювача на ділянці канавки для того, щоб осадити матеріал на ділянки, які є суміжними до ділянки, на якій необхідно утворити канавку, або шляхом нанесення однорідного щільного керамічного шару з наступним видаленням матеріалу, так щоб утворити канавку. Потім пористу кераміку наносять вищезазначеним способом. Проте, утворити канавку слід таким чином, щоб долішна щільна кераміка не видалялася механічно взаємодіючою деталлю, наприклад, щоб кінець обертової лопатки видаляв лише зношувану стиранням кераміку. Одна перевага цього винаходу полягає у тому, що ущільнення містить як відносно стійкий термоізоляційний керамічний шар, так і локальну поверхню порівняно зношуваного стиранням матеріалу, внаслідок чого об'єднуються переваги обох матеріалів. Присутність стійкого керамічного шару підвищує стійкість до ерозії ущільнення, а також забезпечує значну термоізоляцію щільної кераміки, що дозволяє знизити вимоги до охолоджування ущільнення і підвищити ефективність. Отже, навіть якщо пористий зношуваний стиранням матеріал руйнується, немає необхідності постачати охолоджувальне повітря на підставі припущення, що долішна колодка є незахищеною. Крім того, цим винаходом пропонується зношуваний стиранням матеріал у локалізованій ділянці, тобто лише там, де ущільнення взаємодіє із відповідною деталлю, такою як ряд кінців обертових лопаток, що забезпечує належне ущільнення між лопатками та ущільненням. Як зазначалося вище, цей винахід можна застосовувати із звичайним зв'язувальним покриттям, яке покриває субстрат, або з матеріалами субстрату, які утворюють шар зчеплення із оксиду алюмінію без окремого зв'язувального покриття. Якщо щільний керамічний шар є однорідним, однорідний шар забезпечує однорідну термоізоляцію долішного субстрату, внаслідок чого мінімізується теплова градація уздовж матеріалу субстрату. Незважаючи на те, що вищеописаний варіант здійснення цього винаходу застосовується здебільше у турбінній секції високого тиску газотурбінного двигуна, винахід можна також застосувати у турбінній секції низького тиску або у секції компресора, або у зв'язку з будь-якими лопатками у такому двигуні, які не мають покриття. Ущільнення цього винаходу має інші переваги у порівнянні з іншими відомими ущільненнями. Внаслідок використання стійкого керамічного шару ущільнення має значно більш високу стійкість до ерозії, внаслідок чого подовжується термін служби ущільнення. Внаслідок нанесення стійкого керамічного шару під зношуваною стиранням керамікою, отримуємо термобар'єрне покриття з передбаченим терміном служби, що відповідає значній частині терміну служби ущільнення взагалі. Як зазначалося вище, ущільнення, що включають, перш за все, лише зношуваний стиранням керамічний матеріал, повинні забезпечити значне постачання охолоджувального повітря до ущільнення, наприклад, в кількості, що відповідає припущенню, що кераміка повністю зруйнувалася. Запропоноване ж ущільнення можна розробити стосовно значно більш низьких вимог до охолоджувального повітря, а саме, об'єм охолоджувального повітря можна знизити на приблизно 0,2-0,8% від загального повітряного потоку, що проходить крізь двигун, що дає змогу відповідно удосконалити коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) по паливу приблизно на 0,1-0,8%. Таке удосконалення у к.к.д. є визначним, тому що удосконалення у к.к.д. лише приблизно на 0,1% вважають дуже суттєвим. Незважаючи на приведений вище докладний опис варіантів здійснення цього винаходу, можливими є численні варіації та зміни, які не суперечать духу винаходу або об'єму наступної формули винаходу. Отже, слід розуміти, що винахід описано шляхом ілюстрації, а не обмеження.