在涡轮机中使用的密封系统及其制造方法
【专利说明】在涡轮机中使用的密封系统及其制造方法
[0001]背景
本发明的领域通常涉及涡轮机，且更特定地涉及包括施用到翼形件尖端的研磨材料和施用到静止部分的耐高温且耐侵蚀的材料的涡轮机密封系统及其施用方法。
[0002]至少一些已知的涡轮机为包括在至少一个转子组件之上延伸的至少一个静止组件的涡轮发动机。该转子组件包括至少一排周向隔开可旋转的金属涡轮机动叶(blade)或叶片(bucket)。并且，至少一些已知的涡轮发动机为还包括至少一排周向隔开可旋转的金属压缩机动叶的燃气祸轮发动机。叶片和动叶包括从平台向外径向延伸到金属尖端的金属翼形件。这类金属翼形件中的许多由例如镍(Ni)和钴(Co)合金的材料制造。
[0003]涡轮发动机的一些已知的静止组件包括形成通常可暴露于热气体熔剂(gasflux)的金属护罩的表面。这类金属表面中的一些包括在静止组件之上形成护罩的施用的金属基MCrAH涂层和/或施用的陶瓷热障涂层(TBC)。或者，一些这样的金属表面包含具有或没有保护性热障涂层的施用的陶瓷基质复合材料(CMC)。
[0004]金属尖端和金属护罩限定在其间的尖端间隙。然而，包括金属护罩和金属叶片两者的这类涡轮发动机构造成具有充分大以足以促进在可用发动机操作条件范围内的无摩擦发动机操作的尖端间隙。然而，所述尖端间隙仅适合于低温且低效的涡轮发动机，并且将不适合于需要较高效率的高温单元。
[0005]其它已知的涡轮机中的一些包括在静止组件之上形成的可磨损护罩。通常，形成这类护罩，其具有图案化可磨损热障涂层(TBC)，包括致密垂直开裂(dense verticalcracking, DVC)形式的TBC。尖端未被涂覆并且随着转子组件在静止组件内转动，它们磨损护罩，因为尖端的硬度值大于护罩涂层的硬度值。接着，可磨损护罩和尖端限定在其间的尖端间隙。硬度相对较小的可磨损TBC护罩涂层降低损坏相对较硬的叶片/动叶的潜在性。然而，因为相对较软，所以这类护罩涂层趋向于由于特别是沿图案化轮廓的微粒侵蚀而造成的材料损耗。为了对抗微粒侵蚀，一些涡轮发动机包含被金属叶片/动叶磨损的更强烈耐侵蚀的DVC-TBC。然而，由于硬度增加，这类DVC-TBC涂覆的护罩促进在摩擦期间叶片/动叶尖端磨耗增加，并且显示出由于摩擦诱发的温度升高造成的裂开的倾向。
[0006]其它已知涡轮发动机中的一些包括在静止组件之上形成的类似可磨损TBC护罩涂层且叶片/动叶尖端包括在其上形成的具有比叶片/动叶材料和可磨损涂层大的硬度值的磨损材料。随着转子组件在静止组件内转动，该磨损材料磨损护罩涂层。可磨损护罩涂层和磨损尖端限定在其间的尖端间隙。该尖端间隙足够小以促进减少流经涡轮发动机的轴向流，其绕过动叶和叶片，由此促进涡轮发动机的效率和性能增加。该尖端间隙也足够大，从而促进在可用发动机操作条件范围内的无摩擦发动机操作。此外，如上所述，许多这样的TBC材料为耐侵蚀的DVC-TBC并且显示由于摩擦诱发的温度升高造成的裂开的倾向。
[0007]另外，包括可磨损TBC护罩和在叶片/动叶上形成的磨损材料的那些已知涡轮发动机中的一些使用碳化硅(SiC)或立方氮化硼(CBN)用于磨损材料，这是由于其硬度特性。然而，对于高于约927摄氏度(V ) (1700华氏度(°F ))的温度，cBN变得不稳定并且易于氧化。并且，虽然SiC更适合于在超过约927°C (1700 °F )的温度下存在，但是SiC磨料包含可能侵蚀Ni/Co合金基底的游离硅。
[0008]发明简述
一方面，提供密封系统。该密封系统用于包括具有与其联结的翼形件的可旋转部分和具有内表面的静止部分的设备。所述密封系统包括可磨损部分，所述可磨损部分包括在所述内表面之上形成的可磨损材料的至少一个可磨损层。所述密封系统还包括在所述翼形件的基底的至少一部分之上布置的磨损部分。所述磨损部分包括在所述基底的至少一部分上形成的至少一个磨损层和包埋在所述磨损层内的多个磨粒。所述多个磨粒可包含基本上全为以下的一种:碳化钽(TaC)、氧化铝(Al2O3)或氧化锆(ZrO2)。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的立方氮化硼(cBN)和Al2O3O另外，所述多个磨粒可包含以预定比率的cBN、Al2O3和ZrO 2。此外，所述多个磨粒可包含以预定比率熔合在一起的Al2O3和ZrO 2。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的TaC和A1203。
[0009]另一方面，组装用于设备的密封系统的方法包括提供可旋转部分。所述可旋转部分包括至少一个与其联结的翼形组件且所述至少一个翼形组件包括基底。所述方法包括在所述可旋转部分的至少一部分之上延伸静止部分。所述静止部分包括内表面。所述方法还包括在所述内表面的至少一部分上形成至少一个可磨损材料层。所述方法还包括在所述基底的至少一部分上形成至少一个基质层。所述至少一个基质层包括包埋在所述至少一个基质层内的多个磨粒。所述多个磨粒可包含基本上全为以下的一种:碳化钽(TaC)、氧化铝(Al2O3)或氧化锆(ZrO2)。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的立方氮化硼(cBN)和Al2O3O另外，所述多个磨粒可包含以预定比率的cBN、A1203和ZrO 2。此外，所述多个磨粒可包含以预定比率熔合在一起的Al2O3和ZrO 2。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的TaC和 Al2O30
[0010]另一方面，提供操作包括可旋转部分和在所述可旋转部分的至少一部分之上延伸的静止部分的设备的方法。所述静止部分包括内表面且所述可旋转部分包括至少一个与其联结的翼形组件。所述方法包括诱发在所述可旋转构件中的转动使得密封系统的磨损部分相对于所述密封系统的可磨损部分摩擦。所述可磨损部分包括在所述静止部分上形成的致密垂直开裂(DVC)的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和致密垂直开裂(DVC)的氧化镝稳定的氧化锆(DySZ)中的至少一种的至少一层。所述可磨损部分具有第一硬度值。所述磨损部分包括包埋在至少一个基质层内的多个磨粒。所述多个磨粒具有大于所述第一硬度值的第二硬度值。所述多个磨粒可包含基本上全为以下的一种:碳化钽(TaC)、氧化铝(Al2O3)或氧化锆(ZrO2)。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的立方氮化硼(cBN)和A1203。另外，所述多个磨粒可包含以预定比率的cBN、A1203和ZrO2。此外，所述多个磨粒可包含以预定比率熔合在一起的Al2O3和ZrO2。并且，所述多个磨粒可包含以预定比率的TaC和A1203。所述方法还包括用所述磨损部分除去所述可磨损部分的至少一部分。
[0011]附图
在参考附图阅读以下详述时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将得到更好的理解，在整个附图中，相同的符号表示相同的部分，其中:
图1为例示性燃气涡轮发动机的示意图；
图2为可供在图1中示出的燃气涡轮发动机使用的例示性涡轮机叶片的示意图；
图3为可供在图1中示出的燃气涡轮发动机使用的例示性密封系统的示意图； 图4为在图3中示出的例示性密封系统的放大示意图；
图5为可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的备选例示性密封系统的放大示意图；
图6为可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的另一备选例示性密封系统的放大示意图；
图7为可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的又一备选例示性密封系统的放大示意图；
图8为组装可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的密封系统的例示性方法的流程图；
图9为在图8中组装密封系统的方法的续图；
图10为可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的具有基本光滑表面的例示性可磨损护罩的例示性部分的示意图；
图11为沿线11-11获取的在图10中所示的可磨损护罩的部分的放大示意图；
图12为可供在图3中示出的燃气涡轮发动机使用的具有图案化表面的例示性可磨损护罩的例示性部分的示意图；
图13为沿线13-13获取的在图12中所示的可磨损护罩的部分的放大示意图。
[0012]除非另外指出，否则本文提供的图意欲说明本发明的关键发明特征。认为这些关键发明特征适用于包括本发明一个或多个实施方案的各种各样的系统。因此，这些图并非意欲包括本领域的普通技术人员已知对于实施本发明所需要的所有常规特征。
[0013]发明详述
在以下说明书中和权利要求书中，将引用许多术语，这些术语将定义为具有以下含义。
[0014]除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数对象。
[0015]“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生且该描述包括其中该事件发生的情况及其中该事件不发生的情况。
[0016]在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修饰任何定量表述，这些表述可允许在不造成其相关的基本功能发生变化的条件下进行改变。因此，由诸如“约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的数值并不局限于所指定的精确值。至少在某些情况下，近似语言可对应于测量该值的仪器的精度。在此和在整个说明书和权利要求中，范围界限可组合和/或互换，除非上下文或语言另外指出，否则这样的范围被确定并包括其中所含的所有子范围。
[0017]图1为旋转式机器，即涡轮机且更具体为涡轮发动机的示意图。在该例示性实施方案中，该涡轮发动机为燃气涡轮发动机100。备选地，该旋转式机器为任何其它涡轮发动机和/或旋转式机器，包括而不限于蒸汽涡轮发动机、离心式压缩机和涡轮增压器。在该例示性实施方案中，燃气涡轮发动机100包括进气段102，以及自进气段102下游联结并与进气段102流体连通的压缩机段104。压缩机段104封入压缩机外壳105内。燃烧器段106自压缩机段104下游联结并与压缩机段104流体连通且涡轮机段108自燃烧器段106下游联结并与燃烧器段106流体连通。涡轮发动机108封入涡轮机外壳109内并包括在涡轮机段108下游的排出段110。此外，在该例示性实施方案中，涡轮机段108经由转子组件112联结到压缩机段104，所述转子组件112包括而不限于压缩机转子或者驱动轴114和涡轮机转子或者驱动轴115。
[0018]在该例示性实施方案中，燃烧器段106包括多个燃烧器组件，即各自与压缩机段104流体连通而联结的燃烧器116。燃烧器段106还包括至少一个燃料喷嘴组件118。各燃烧器116与至少一个燃料喷嘴组件118流体连通。此外，在该例示性实施方案中，涡轮机段108和压缩机段104经由驱动轴114旋转式联结到载荷120。例如，载荷120可包括而不限于发电机和/或机械驱动应用如泵。备选地，燃气涡轮发动机100可为航空器发动机。
[0019]并且，在该例示性实施方案中，压缩机段104包括至少一个压缩机动叶组件122和至少一个邻近的静止叶片组件123。压缩机动叶组件122和邻近的静止叶片组件123的各个组合限定压缩机级130。并且，各压缩机动叶组件122包括多个压缩机动叶(未在图1中示出)且各个静止叶片组件123包括多个压缩机叶片(未在图1中示出)。此外，各个压缩机动叶组件122可移动地联结到压缩机驱动轴114且各个静止叶