专利名称：用于制造燃气轮机的转子/定子密封部的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将陶瓷层施加到燃气轮机转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件内周上的密封段的密封面上的方法。
背景技术：
在涡轮机、尤其是燃气轮机、例如飞机的喷气发动机中，在相互作用的并且相对运动的转子和定子部件之间的间隙所引起的泄漏流会降低效率。为了使间隙损失最小化，并且进而使得流体机械或者说涡轮机保持高效率，需要将在机器运行过程中通常高速旋转的转子叶片和包围转子的属于定子的壳体密封面之间的间隙保持地较小。这一点存在问题，因为转子叶片会在高附在时不仅由于热负荷而且由于离心力在径向方向伸长，而壳体通常仅经历很小的热膨胀，并且进而壳体外周变大的幅度很小。因此，间隙尺寸在燃气轮机运行 中是可变化的。为了考虑这些间隙尺寸变化，(US4，299，865)已知所谓的磨耗密封部(abradableseals)。在此，转子的叶片尖段由一种硬质材料制成或者具有硬质涂层，并且周围定子的磨耗密封部或者所跑合密封部(Einlaufdichtung)比较柔软。在各种不同的运行状态下，可能会出现叶片尖端进入到定子密封部中，并且可能会出现磨耗密封部的材料，而不会损坏叶片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开头所述类型的方法，该方法能够以简单而且成本低廉的方式施加一磨耗层(abradable seal),并且尤其适于在燃气轮机的保养或者维修过程中更新或更换转子/定子密封部。按照本发明提出，当密封段在装配状态下位于涡轮壳体部件中期间，施加陶瓷层。首先对在本发明中所用的几个术语进行解释。燃气轮机是一种流体机械，其中可将通过燃烧烃或者其它发动机燃料产生的高温气流的热能转变为机械能。本发明尤其可用于飞机的喷气发动机或者涡轮螺旋桨发动机。转子/定子密封部在旋转运动中彼此相对于密封彼此相对运动的燃气轮机部件，尤其可相对于环绕的涡轮壳体圆周来密封转子的叶片尖端。在权利要求I的内容中，术语“涡轮壳体部件”是指具有或固定包围转子的定子密封部的涡轮机部件。在本发明的范围内尤其涉及一种喷气发动机模块，其中布置定子密封部。将密封段布置在涡轮壳体部件的内周上。术语“密封段”是指可拆卸或可单独更换的部件，这些部件分别砌衬涡轮壳体内周的一小部分。多个密封段在涡轮壳体部件的整个圆周上延伸，并且共同构成定子密封部。密封段具有密封面，涉及那些朝向转子的面。按照本发明，将陶瓷层施加到这些密封面上。在本发明的范围内，术语“陶瓷层”是指具有陶瓷材料成分并且适合用来形成所谓的磨耗密封部的所有材料。这些陶瓷层通常均基于Zr02、Al203之类的材料和/或其它金属氧化物、过渡金属氧化物或者稀土氧化物或者混合氧化物。按照本发明，当密封段在装配状态下位于涡轮壳体部件之中期间，施加陶瓷层。这意味着，当密封段在装配状态下、即与涡轮壳体部件相连接地形成了在涡轮壳体部件的整个圆周上延伸的密封面期间，施加陶瓷层。在装配状态下进行涂层具有一系列优点。一方面仅必须将燃气轮机或喷气发动机拆解至模块层，不必耗费地且进而可能产生成本地拆解至零件层。另一方面在装配状态下在模块层上进行涂层时，从一开始就能施加统一或者说同样的(einheitlich)在圆周上平整的陶瓷层。在通常按现有技术为零件涂层时，由于在随后装配密封段过程中误差不可避免，在彼此相邻密封段的圆周方向上在过渡或拼接部位上会出现不 连续性，从而通常需要进行修整(例如磨削)，以用于制造在整个圆周上平整的密封面。在现有技术中，必须将比较厚的磨耗层或者说跑合层(Einlaufschicht)施加到各个密封段上，以便有足够的材料可供装配之后必不可少的精密磨削之用。这一点是耗费的，而且会提高成本。此外，在现有技术中所需要的较厚的陶瓷层易于材料剥落。替代地在现有技术中，可能还要考虑密封面在定子的整个圆周上的不连续性，并且装甲的转子叶片尖端在首次发动机运转时可能会切入到陶瓷层之中。所以这里又需要较厚的、有上述剥落简易性的陶瓷层。按照本发明，特别优选通过常压等离子喷涂(atmospheric plasma spray,APS)来施加陶瓷层。在等离子喷涂时使用等离子束，通过复合之前产生的气体等离子体而产生等离子束的热能。将待施加的材料作为粉末加入到等离子束中。在常压等离子喷涂中在通常的环境大气中进行材料施加。使用常压等离子喷涂作为用于施加陶瓷层的方法，其具有特别的优点不必将通常很大的涡轮壳体部件转移到受控的大气压、例如真空室中。可在常压等离子喷涂中获得的陶瓷层质量足以容易地用于根据本发明的目的。已经多次提及的涡轮壳体部件根据本发明例如可以是喷气发动机所谓的高压涡轮护罩支架(High Pressure Turbine Shroud Support/HPT Shroud Support)。按照本发明可能良好的密封作用或者较小的密封间隙的获得，尤其可以显著改善高压涡轮机的效率，并且进而节省燃料。按照本发明施加的陶瓷层优选具有10至40Vol.-%、更优选20至30Vol. 的孔隙度。这种孔隙度有助于足够柔软地形成陶瓷层，并且使得陶瓷层具有所谓的耐磨特性。如果转子叶片尖端与这种陶瓷层接触，则应以下述方式设计材料副或者摩擦畐0，即仅或者主要磨蚀陶瓷层密封面，并且在叶片尖端上不会出现磨损或者仅仅出现少量磨损。为了实现这种孔隙度，所施加的陶瓷材料在施加时刻优选含有一部分可热去除的材料。所述材料尤其可以是一种聚合物，例如聚酯。“可热去除”意味着当输入热能时，该材料可以大部分或完全无残留地从陶瓷层中消失，并且在此留下孔形式的空腔。通过蒸发、升华、热分解或燃烧在气态分解产物挥发的情况下，可实现去除。陶瓷层的陶瓷材料例如可以基于ZrO2(二氧化锆)，可以利用稀土金属氧化物、例如Y2O3或者其它氧化物进行掺杂。适合用于喷涂的陶瓷粉末例如可以基于YSZ(Yttriastabilized Zirconia(乾稳定氧化错)),并且含有重量百分比为3至9%,优选为4至6%的聚酯，以用来制造希望的孔隙度。适用的粉末例如可从Sulzer Metco公司购买名称为Metco 2460NS 的产品。按照本发明，施加的陶瓷层的厚度可以在O. I至O. 7mm之间，更优选在O. I至O. 5mm之间。通常施加厚度在O. 2至O. 4或者O. 2至O. 3mm范围内的涂层。在本发明的范围内，优选在施加陶瓷层之前将附着力增强剂层施加到密封段的基材上。附着力增强剂层的厚度优选为O. Imm或者更小。所述附着力增强剂层优选是MCrAH层，其中M优选是选自镍、钴、铁组的一种金属或者其组合物。其它元素 、例如铪或硅作为所谓的反应性元素添加物可以被添加，以便提高附着力增强剂层(Bond Coat)的耐氧化性和使用寿命。同样优选通过等离子喷涂来施加附着力增强剂层。必要时，可以使用真空等离子喷涂(low vacuum plasma spray,LVPS),然而优选使用已述的常压等离子喷涂。适用于附着力增强剂层的材料例如是同样可从Sulzer Metco公司获得的基于CoNiCrALY的细颗粒粉末、例如Amdry 365-2。在高压涡轮机的密封段(所谓的HPT Shroud)的密封面中通常存在冷却空气孔，以便减小HPT Shroud的热负荷。在本发明的范围内有利的是在施加陶瓷层和可能的附着力增强剂层或者其它层之前封闭所述冷却空气孔，以防止冷却空气孔阻塞或者在横截面中不允许地被减小。按照本发明的一种变型方案，在施加陶瓷层之前(并且优选还在施加附着力增强剂层或者其它可能的中间层之前)使用可热去除的材料来暂时封闭这些冷却空气孔。“可热去除”意味着在施加陶瓷层以及进行修整(例如磨削等)之后，可以通过热处理或者在涡轮机首次运转时通过在那时出现的热负荷将该材料去除。特别是可以通过蒸发、升华或者热分解成优选气态分解产物而进行热去除。该热去除优选完全或大部分无残留实现。可热去除的材料优选是聚合物或者塑料。优选地，利用单体、低聚物和/或随后用于硬化的预聚物组成的、尚未硬化的混合物来封闭冷却空气孔。按照本发明，可以通过热或者优选通过光或紫外线辐射来诱发硬化。优选使用紫外线硬化或者光硬化塑料，更优选使用丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯。例如可以是环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯和有机硅丙烯酸酯。相应的光硬化塑料为本领域技术人员所熟悉。优选地，设计用于封闭冷却空气孔的尚未硬化的混合物的粘度和特性，从而能够可靠地施加粘胶，并且使其在硬化之前不会或者只能以可接受的方式流走。例如可从法兰克福的DymaxEurope GmbH公司买到适用的塑料或胶粘剂。按照本发明在施加陶瓷层之前封闭冷却空气孔，这避免了现有技术条件下在施加陶瓷层之后通常必要耗费地钻开冷却空气孔。这种将冷却空气孔封闭的方式是本发明的特别有利的方面，本申请人必要时在对各个拆开的密封段的说明的内容中也要求对这一点加以保护，其在装配状态下不再处于涡轮壳体部件内。此外，本发明的主题是一种对燃气轮机转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件内周上的的密封段的密封面进行修理的方法，包括以下步骤a)提供被拆卸的涡轮壳体部件，其中密封段在装配状态下位于涡轮壳体部件中，b)去除密封段的密封面的材料，c)借助权利要求I至12中任一项所述的方法施加陶瓷层。此外，本发明的另一主题是用于修理燃气轮机的方法，所述燃气轮机具有至少一个转子和转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件内周上的密封段，其中在所述燃气轮机的新状态下在转子叶片尖端和所述密封段的密封面之间设置密封间隙，所述方法包括以下步骤a)拆卸所述燃气轮机并且提供被拆卸的涡轮壳体部件，其中所述密封段在装配状态下位于所述涡轮壳体部件之中，b)去除所述密封段的密封面的材料，c)借助权利要求I至12中任一项所述的方法施加陶瓷层，从而形成比在新状态下的密封间隙更小的密封间隙。根据本发明的这两个方面，主要涉及一种修理方法，其中针对性地重新制造密封面。权利要求13和14所述修理方法的共性在于，在涡轮壳体模块层上进行修理，不必继续拆解成零件，尤其是密封段处在装配状态下。此外，按照本发明所，从密封段的密封面上去除材料，从而实现了足够的空间用于按照本发明的方法重新施加陶瓷层。
按照本发明的另一个方面，在执行根据发明的方法之前，被修理的涡轮壳体部件或者燃气轮机具有金属密封面，既不是按照本发明施加的、也不是其它类型的陶瓷密封面。按照本发明的另一个方面(权利要求14的特征c))，在按照本发明进行修理时，制造比燃气轮机的新状态中的密封间隙更小的密封间隙。因此这里涉及一种可用来提高燃气轮机效率的方法。这一点在所谓的Green Aviation(绿色航空)方面是本发明的重要方面，其中应减少飞机发动机的燃料消耗及CO2排放。以下还将详细阐述本发明的这个方面。根据本发明的修理方法可使用在燃气轮机中，该燃气轮机在新状态下具有陶瓷密封面，并且其中规定转子叶片尖端在某些运行状态下会进入到这些密封面中并且引起材料磨蚀。在使用陶瓷密封面时，在现有技术中涡轮机叶片的叶片尖端通常具有护甲或者基于立方氮化硼(CBN)的护甲。在使用按照本发明施加的陶瓷层时，则不需要这种护甲。同样也存在用于飞机的喷气发动机(例如General Electric CFM56和CF6-80)，其具有金属密封面。对于这些发动机来说，应通过精确控制几何形状和制造及装配误差来避免在首次跑合时或者稍后在运行时，转子尖端与金属密封面接触。为了在所有运行状态下可靠避免在此不希望的磨耗，通常需要比较大的密封间隙，通过该密封间隙会减小发动机的效率。根据本发明，在这种具有金属密封面的燃气轮机中，也可以按照权利要求14所述的修理方法将陶瓷层施加到密封面上。在该方法中可完全或者部分去除金属密封面，从而在相应的涡轮壳体部件的内周上提供足空间用于按照本发明施加陶瓷密封面。该陶瓷密封面可以如此设计和施加，使得密封间隙在重新装配燃气轮机之后小于具有金属密封面的新状态下的密封间隙。可以减小密封间隙，因为在按照本发明施加陶瓷密封面时，则可以容许叶片尖端进入到密封面中。当发生这种进入或者说跑合时，由于进入到柔软的陶瓷层中的叶片尖端的材料副，因此仅磨蚀该陶瓷层。如果在金属密封面中，在不希望的运行状态时，叶片尖端未按规定地进入到金属密封面中，那么在转子叶片尖端上可能也会出现材料磨蚀，从而使得密封间隙继续变大，并且不能再通过修复密封面使其重新回到最初规定的尺寸。在实施根据本发明的方法时使用常压等离子喷涂具有工艺温度比较小的优点。由于等离子束仅将比较少的热能传递到待涂层的密封段上，因此可避免装配部件发生可能的扭曲。如下面还将在实施例中解释的那样，在涂层期间可以使模块与所装配的密封段一起旋转，从而等离子束对于各个密封段的作用时间比较少，并且相应的密封段在模块继续旋转期间可以进行冷却，此后其重新与等离子束进行接触。
以下将根据附图来描述本发明的实施例。其中示出了 图I示出了燃气轮机区段的剖视图；图2示出了涡轮壳体的俯视图；图3示出了在运行中涡轮机叶片和密封面的相互作用；图4示意性示出了在实施根据本发明的修理时的加工步骤； 图5示意性示出了在本发明方法的准备过程中去除密封面材料时的操作；图6示意性示出了本发明涂层方法；图7示出了按照本发明可能的减小密封间隙；图8示出了按照本发明构造的转子/定子密封部在运行中的特性。
具体实施例方式图2以俯视图示出了涡轮壳体1，在涡轮壳体的内周上布置用于密封段3的接纳段
2。在涡轮壳体I的圆周上相互拼接的密封段3在其径向向内的圆周面上具有密封面4。在图I中以附图标记5示意性示出了燃气轮机的旋转对称轴线。在转子盘6上在圆周上分布地设置多个涡轮叶片7 (转子叶片或转动叶片)。涡轮叶片7的径向向外的尖端相对于密封段3的密封面4密封，并且与其围成密封间隙8，该密封间隙可由定子半径9与转子半径10之差算出。箭头11表示流过燃气轮机的气流方向。图3a还示出了图I中所示的初始状态。密封段3在该实施方式中具有金属密封面。附图标记13标注密封段3中的冷却空气孔。在发动机运行中，可能会由于热膨胀和/或图3b中以12示出的转子偏心矩而导致涡轮叶片7进入到密封段3的密封面之中。通过所述进入就会在密封段3中形成图3c中所示的进入凹槽14，并且叶片长度15会因为在涡轮叶片7尖端上的材料磨蚀而减小。形成增大的密封间隙8a ;发动机的效率减小。图4示意性示出了根据本发明的修理方法的流程。图4a示出了密封段3在修理之前的初始状态，其中通常已经磨蚀了一定量的密封面4，必要时也可能存在图4a中没有示出的进入凹槽(参见图3c中的附图标记14)。在图4中所示的整个修理过程当密封段在涡轮壳体I中的装配状态下发生，如其在图2中示出。为了清晰起见，在图4中仅示出了唯--个密封段。图5示意性示出了从密封段3的密封面4上去除材料。为了这个目的，磨削工具15可以靠在密封面4上转动。替代磨削，也可以使用其它的去除方法，例如铣削或者腐蚀。在图4b中示意性示出了材料去除的效果。接着清洁待施加的密封面4，清洁优选包括除油、使用去离子水(VE-wasser)冲洗，以及在例如120°C温度下进行干燥，必要时在减小的气压的条件下进行干燥。为了准备等离子涂层，实施所谓的活化喷砂(Aktivierungsstrahlen)。为了这个目的，使用36目(Mesh)粒度的Al2O3喷砂材料。以下喷砂参数适用于活化喷砂
旋转速度15转/分钟，两次垂直行程，喷射压力I. 6bar，喷嘴距离200mm，喷射角度45°。在此应避免喷砂材料进入到冷却空气孔13之中。在图4c中以16示意性示出所施加的活化层。如果要施加具有大于O. 2或O. 3mm的层厚的陶瓷层，通常应适合地暂时封闭冷却空气流道13。为了这个目的，或者点状地借助吸液管或类似的涂覆器具，或者借助成型的标记辅助、例如具有基本上与冷却空气孔相符的相应切口的薄膜，将基于I3U的光硬化塑料施加到每个冷却空气孔13的孔口上，接着借助光、紫外线辐射和/或热量使得塑料硬化。得到图4d中示意性示出的将冷却空气流道13封闭的塑料塞17。在下一步骤中，施加在图4e中示意性示出的附着力增强剂层18。为此目的，通过常压等离子喷涂来施加基于CoNiCrALY的细颗粒粉末(Amdry 365-2)。图 6示意性示出具有等离子束20的涂层单元19如何通过相对于涡轮壳体I运动对密封段3的密封面4的整个圆周进行涂层。使用以下涂层参数I次行程，3. 6%机器人的垂直速度，旋转速度27转/分钟。所施加的附着力增强剂层的厚度优选为O. 03至O. 05mm。在使用陶瓷粉末、例如Praxair 1484的情况下，可以选择性地将耐腐蚀的陶瓷中间层施加到附着力增强剂层上。接着利用涂层单元19施加根据本发明的柔软陶瓷层(磨耗层)，在图4f中以21示意性示出该层。使用Metco 2460NS作为涂层材料。使用以下涂层参数2mm单喷嘴，9次行程，I. 8 %机器人的垂直速度，旋转速度33转/分钟，喷射角度90°。通常以O. 2至O. 7mm厚度施加陶瓷层21。在下一个步骤中，将密封段3的密封面4磨削到所需的定子半径。在此，可以去除可能由于塑料塞17引起的密封面4不平整度，例如材料凸起。在磨削之后，塑料塞17如图4g所示凸出至密封面4。或者通过单独的热处理，或者在发动机首次运转时使得塑料塞17受热分解，并且基本上无残留地从冷却空气孔13中将其去除。图4h示意性示出了如此制造的可以投入运行的状态。图7示出了 按照本发明可能减小密封间隙，从而提高了在所谓的绿色航空的框架内喷气发动机的效率。图7a示出了涡轮叶片7相对于密封段3的金属密封面4运转的原始状态。需要比较大的密封间隙8，因此会出现泄漏流和效率损失。图7b示出了按照本发明的方法施加多孔陶瓷层21之后的状态。由于其约为30Vol.-%的孔隙度，因此该涂层比较柔软。这里可以相对于初始状态减小密封间隙Sb。例如密封间隙8可以在O. 5至2mm的数量级内，减小的密封间隙Sb的值可以减小为O. I至
O.4mm、优选O. I至O. 3mm、更优选O. I至O. 2mm。例如在发动机的高压润轮机中将密封间隙减小了 O. 2_，从而可使得发动机燃料消耗并且CO2排放降低了约O. 3%。图8示意性示出了 在发动机运转中涡轮叶片7可能进入到密封段3的密封面4中。在此又形成了图8b中以14标注的进入凹槽。由于该进入凹槽形成在柔软的陶瓷层21中，因此在涡轮叶片7的尖端上不会发生材料磨蚀或者材料磨蚀量极少，从而使其径向长度15基本保持不变。
权利要求
1.一种用于将陶瓷层(21)施加到燃气轮机的转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件⑴的内周上的密封段⑶的密封面⑷上的方法，其特征在于，当所述密封段⑶在装配状态下位于所述涡轮壳体部件(I)中期间，施加所述陶瓷层(21)。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过常压等离子喷涂(APS)施加所述陶瓷层(21)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层(21)具有10至40Vol. -%，优选20至30Vol. 的孔隙度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述孔隙度由在所施加的陶瓷材料中一部分能去除的材料的成分引起。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，能热去除的材料是一种聚合物、优选聚酯。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述陶瓷层的陶瓷材料含有ZrO20
7.根据权利要求I至6中任一项所述的方法，其特征在于，被施加的陶瓷层(21)的厚度为O. I至O. 7謹、优选O. I至O. 5謹。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的方法，其特征在于，在施加所述陶瓷层之前，施加附着力增强剂层(18)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述附着力增强剂层(18)具有一种基于CoNiCrAlY 的材料。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述附着力增强剂层(18)的厚度为O.Imm或者更小。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的方法，其特征在于，在施加所述附着力增强剂层(18)和/或所以陶瓷层(21)之前，利用一种能热去除的材料(17)来封闭存在于所述密封面⑷中的冷却空气孔(13)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述能热去除的材料(17)是一种塑料、优选是紫外线硬化或者光硬化塑料，进一步优选使用丙烯酸酯塑料和/或甲基丙烯酸酯塑料，更优选是选自由环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯和有机硅丙烯酸酯组成的组中的塑料。
13.一种用于对燃气轮机的转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件的内周上的密封段的密封面进行修理的方法，包括以下步骤 a)提供被拆卸的涡轮壳体部件(I)，其中所述密封段(3)在装配状态下位于所述涡轮壳体部件(I)中， b)去除所述密封段(3)的密封面(4)的材料， c)借助权利要求I至12中任一项所述的方法施加陶瓷层(21)。
14.一种用于修理燃气轮机的方法，所述燃气轮机具有至少一个转子(6，7)和转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件(I)内周上的密封段(3)，其中在所述燃气轮机的新状态下在转子叶片尖端和所述密封段(3)的密封面(4)之间设置密封间隙(8)，所述方法包括以下步骤 a)拆卸所述燃气轮机并且提供被拆卸的涡轮壳体部件(I)，其中所述密封段(3)在装配状态下位于所述涡轮壳体部件(I)之中， b)去除所述密封段(3)的密封面(4)的材料， c)借助权利要求I至12中任一项所述的方法施加陶瓷层(21)，从而形成比在新状态下的密封间隙(8)更小的密封间隙(Sb)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在步骤a)中提供的涡轮壳体部件(I)的所述密封段(3)具有金属密封面(4)。
全文摘要
本发明涉及一种用于将陶瓷层(21)施加到燃气轮机的转子/定子密封部的、布置在涡轮壳体部件(1)内周上的密封段(3)的密封面(4)上的方法。按照本发明规定，当密封段(3)在装配状态下位于涡轮壳体部件(1)中期间，施加陶瓷层(21)。
文档编号C23C4/18GK102985582SQ201080058998
公开日2013年3月20日 申请日期2010年12月6日 优先权日2009年12月23日
发明者J·O·彼得斯, V·蒂德曼, C·W·西里, D·施图恩茨 申请人:汉莎航空技术公司