Истираемый состав и уплотнение кожуха компрессора осевой турбомашины - RU2695090C2

Чертежи

Описание

Область техники

[0001] Изобретение относится к области уплотнений осевой турбомашины, выполненных из истираемого материала. Точнее, изобретение посвящено теме уплотнений, выполненных из истираемого материала на основе алюминия, для компрессора осевой турбомашины для летательных аппаратов.

Уровень техники

[0002] Известно использование истираемого материала для обеспечения динамического уплотнения в турбомашине, в частности в компрессоре осевой турбомашины. Такой материал наносится в виде слоя на наружный кожух и способен разрушаться в случае контакта с кончиками роторных лопаток, не разрушая их. Механическая целостность сохраняется, несмотря на то что скорость вращения превышает 8000 об/мин, а относительная скорость между кончиком лопатки и ее уплотнением по существу равняется скорости звука. Подобный материал также используется для обеспечения уплотнения под внутренними бандажами или на подшипнике приводного вала.

[0003] Таким образом, можно конструировать компрессор, уменьшая эксплуатационный зазор между кончиками роторных лопаток и внутренней поверхностью кожуха. При оптимизации также может приниматься во внимание расширение, центробежная сила и определенные эксплуатационные риски, такие как забор воздуха и нагнетание воздуха. Истираемый материал, который образует покрытие кожуха, в целом содержит алюминий, кварц, полиэстер.

[0004] В EP 1 010 861 A2 раскрывается состав слоя истираемого материала для компрессора осевой турбомашины. Состав содержит смесь алюминиевого порошка и кварцевого порошка, при этом алюминий составляет большую часть. Кроме того, порошок содержит полимерный порошок с метилметакрилатом. Данный состав наносится путем плазменного напыления на стенку компрессора осевой турбомашины, при этом перед этим стенка принимает скрепляющий слой, большую часть которого составляет никель, а меньшую часть алюминий. Данный состав позволяет изготавливать истираемое уплотнение с необходимой коррозионной устойчивостью; однако эта коррозионная устойчивость все равно нуждается в усовершенствовании, чтобы оптимизировать устойчивость и эффективность турбомашины.

Сущность изобретения

Техническая задача

[0005] Целью изобретения является решение по меньшей мере одной из проблем, существующих в уровне техники. Точнее, одной из целей изобретения является усовершенствование коррозионной устойчивости уплотнения осевой турбомашины, выполненного из истираемого материала. Еще одной целью изобретения является оптимизация износоустойчивости истираемого материала, хрупкой природы истираемого материала и уплотнения, которое обеспечивает истираемый материал.

Техническое решение

[0006] Из данного описания станет очевидно, что одним из предметов изобретения является уплотнение для осевой турбомашины, в частности для компрессора, при необходимости компрессора низкого давления, осевой турбомашины; при этом уплотнение содержит: округлую опору; по меньшей мере одно покрытие, выполненное из истираемого материала, металлическая фаза которого главным образом или преимущественно содержит алюминий, в частности алюминиевый порошок; при этом металлическая фаза дополнительно содержит никель, в частности никелевый порошок; истираемое покрытие наносится на округлую опору и предназначается для взаимодействия путем истирания с роторным элементом осевой турбомашины.

[0007] Еще одним предметом изобретения является состав для истираемого покрытия уплотнения осевой турбомашины, в частности, для нанесения на округлую опору путем плазменного напыления, при этом состав содержит: металл, в частности металлический порошок, главным образом с алюминием; органический или минеральный наполнитель, в частности в виде порошка; отличающийся тем, что металл дополнительно содержит никель, в частности никелевый порошок.

[0008] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения металл содержит, по весу, от 20% до 45%, предпочтительно от 35% до 45% никеля, в частности никелевого порошка.

[0009] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения металл содержит, по весу, от 55% до 80% алюминия, в частности алюминиевого порошка.

[0010] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения состав содержит, по весу, от 5% до 50% наполнителя, предпочтительно от 15% до 25% наполнителя; при необходимости наполнителем является полимер, такой как полиэстер или метилметакрилат; или гексагональный нитрид бора; или фтористый кальций, при необходимости в виде порошка (порошков).

[0011] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения сочетание алюминия и никеля составляет больше 80% веса металла в составе, предпочтительно больше 90%, более предпочтительно больше 95%.

[0012] Еще одним предметом изобретения является уплотнение осевой турбомашины, в частности компрессора осевой турбомашины, при этом уплотнение содержит: округлую опору; по меньшей мере одно покрытие, выполненное из истираемого материала, которое покрывает округлую опору и предназначено для взаимодействия путем истирания с роторным элементом осевой турбомашины; отличающееся тем, что состав истираемого покрытия отвечает изобретению.

[0013] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения в истираемом покрытии металл образует матрицу, которая сочетается с наполнителем; при необходимости, в истираемом покрытии объем, занимаемый металлической матрицей, составляет большую часть объема.

[0014] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения округлая опора представляет собой наружный бандаж, при этом истираемое покрытие находится на внутренней стороне наружного бандажа; или округлая опора представляет собой наружный кожух, при этом истираемое покрытие расположено на внутренней стороне наружного кожуха.

[0015] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения опора выполнена из композиционного материала с органической матрицей с углеродными волокнами и/или стекловолокнами, при этом указанные волокна расположены стопами при необходимости тканых волоконных слоев.

[0016] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения опора содержит крепежные средства, такие как отверстия и/или по меньшей мере один кольцевой крепежный выступ, при этом указанные средства располагаются спереди и/или сзади истираемого покрытия.

[0017] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения опора содержит кольцевую канавку с кромкой спереди и кромкой сзади, при этом истираемое покрытие покрывает кольцевую канавку от кромки спереди до кромки сзади.

[0018] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения истираемое покрытие образует слой, толщина которого составляет более 0,30 мм, предпочтительно более 2,00 мм, более предпочтительно более 5,00 мм.

[0019] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения покрытие образует равномерный слой по своей толщине и/или по своему главному участку.

[0020] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения округлая опора образует круг или часть круга. Выражение “часть круга” можно понимать как означающее угловую часть круга.

[0021] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения уплотненность истираемого покрытия составляет более 80%, предпочтительно более 95%, более предпочтительно более 99%.

[0022] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения в металле истираемого покрытия объем алюминия составляет большую часть объема.

[0023] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения истираемое покрытие образует герметичный барьер, чтобы защитить опору от агрессивного химического воздействия турбомашины.

[0024] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения уплотнение содержит промежуточный слой, расположенный между опорой и истираемым покрытием; предпочтительно промежуточным слоем является металлическая полоса.

[0025] Еще одним предметом изобретения является способ изготовления истираемого уплотнения осевой турбомашины, в частности компрессора осевой турбомашины, при этом уплотнение содержит округлую опору и истираемое покрытие, нанесенное на опору, при этом способ включает следующие этапы: (a) предоставление или изготовление округлой опоры; (d) нанесение истираемого состава на округлую опору, при этом состав содержит металлический порошок, который главным образом содержит алюминиевый порошок; отличающийся тем, что на этапе (d) нанесения металлический порошок дополнительно содержит никелевый порошок; при необходимости состав отвечает изобретению.

[0026] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения на этапе (d) нанесения состав наносится путем плазменного напыления на опору; предпочтительно состав дополнительно содержит органический порошок, такой как полимер, или минеральный порошок.

[0027] Еще одним предметом изобретения является турбомашина, содержащая истираемое уплотнение, изготовленное в соответствии со способом, отличающаяся тем, что истираемое уплотнение отвечает изобретению и/или способ отвечает изобретению.

[0028] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения турбомашина содержит компрессор низкого давления по меньшей мере с одним рядом роторных лопаток, при этом уплотнение представляет собой уплотнение компрессора низкого давления, которое окружает по меньшей мере один ряд роторных лопаток.

[0029] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения турбомашина содержит по меньшей мере один кольцевой ряд статорных лопаток с платформами, прикрепленными к опоре, при этом истираемое покрытие находится в контакте с платформами лопаток; предпочтительно, истираемое покрытие образует герметичный барьер, который защищает опору, начиная, по оси, с платформ. Такое уплотнение обеспечивает двойное уплотнение, а именно динамическое уплотнение и статическое уплотнение.

[0030] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения опора представляет собой внутренний бандаж, соединенный с внутренними концами ряда статорных лопаток, при этом истираемое покрытие наносится на внутреннюю сторону внутреннего бандажа.

[0031] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения компрессор содержит нагревательные элементы, способные нагревать покрытие из истираемого материала, и/или компрессор содержит выпускные отверстия для потока.

[0032] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения внутренняя поверхность истираемого уплотнения направляет кольцевой поток, в целом осевой кольцевой поток, турбомашины.

[0033] В целом, предпочтительные варианты осуществления каждого предмета изобретения также могут применяться с другими предметами изобретения.

Предоставляемые преимущества

[0034] Свойства, предлагаемые изобретением, ограничивают выбросы наполнителя, такого как полимер, в турбомашину, чтобы не нарушать происходящего в ней горения. Ограничивается выброс частиц, которые закупоривают каналы и механизмы или которые истирают последние. Данные преимущества попадают в контекст повышения безопасности.

[0035] Изобретение особенно уместно в отношении компрессора низкого давления, поскольку воздух, который в него входит, может иметь температуру -50 °C, а на выходе из компрессора прогреваться до +170 °C. Предлагаемый состав подходит как для низких температур, так и для средних температур, поскольку диапазон температурных колебаний первичного потока как функции от этапов полета летательного аппарата превышает 200 °C. Изобретение дополнительно позволяет сохранять тепловую устойчивость истираемого материала.

[0036] Как доказали испытания, Al-Ni-полиэстеровый состав предоставляет определенную устойчивость к коррозии, в частности при попадании в солевой туман. Устойчивость может наблюдаться в широком диапазоне температур, например от -50 °C до более чем 150 °C. В долгосрочной перспективе данная устойчивость также касается уплотнения, при этом роторные лопатки преждевременно не разрушаются. Эти преимущества увеличивают временные промежутки между работами по техническому обслуживанию турбомашины, что позволяет добиться существенной экономии.

Краткое описание графических материалов

[0037] На фиг. 1 изображена осевая турбомашина в соответствии с изобретением.

[0038] На фиг. 2 схематически показан компрессор турбомашины в соответствии с изобретением.

[0039] На фиг. 3 представлено истираемое уплотнение турбомашины в соответствии с изобретением.

[0040] На фиг. 4 показана блок-схема способа изготовления истираемого уплотнения турбомашины в соответствии с изобретением.

Описание вариантов осуществления

[0041] В приведенном ниже описании термины «расположенный внутри» или «внутренний» и «внешний» или «наружный» относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины. Осевое направление соответствует направлению, которое проходит вдоль оси вращения турбомашины.

[0042] На фиг. 1 упрощенным образом изображена осевая турбомашина. В этом конкретном случае это — турбовентиляторный двигатель. Турбовентиляторный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, называемую компрессором 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, называемую компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней 10 турбины. Во время работы механическая мощность турбины 10, передаваемая через центральный вал на ротор 12, приводит в движение два компрессора 4 и 6. Последние содержат несколько рядов роторных лопаток, которые скомбинированы с рядами статорных лопаток. Таким образом, вращение ротора вокруг своей оси 14 вращения обеспечивает возможность создания потока воздуха и постепенно сжимает последний вплоть до входа в камеру 8 сгорания. Средства понижения передачи могут увеличивать скорость вращения, передаваемого компрессор.

[0043] Приточный вентилятор, который обычно называют вентилятором или нагнетателем 16, соединен с ротором 12 и создает поток воздуха, который разделяется на первичный поток 18, который проходит через разные вышеупомянутые ступени турбомашины, и вторичный поток 20, который проходит через кольцевой канал (показан частично) по длине машины, чтобы затем снова соединиться с первичным потоком на выходе турбины. Вторичный поток можно ускорить, чтобы вызвать тяговую реакцию. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются кольцевыми потоками; они направляются кожухом турбомашины. Для этого в кожухе предусмотрены цилиндрические стенки или бандажи, которые могут быть внутренними и наружными стенками или бандажами.

[0044] На фиг. 2 показан вид в разрезе компрессора осевой турбомашины, такой как показанная на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Тут можно увидеть часть нагнетателя 16 и разделитель 22 для разделения первичного потока 18 и вторичного потока 20. Ротор 12 содержит несколько рядов роторных лопаток 24, в данном случае три.

[0045] Компрессор 4 низкого давления содержит несколько выпрямителей, в данном случае четыре, каждый из которых содержит ряд статорных лопаток 26. Выпрямители скомбинированы с вентилятором 16 или рядом роторных лопаток 24, чтобы выпрямлять воздушный поток с целью преобразования скорости потока в статическое давление. Статорные лопатки 26 проходят по существу радиально от наружного кожуха 28 компрессора и могут крепиться к нему при помощи винта 30, который радиально удлиняет платформы 32 статорных лопаток 26.

[0046] Наружный кожух 28 может содержать кольцевую стенку 34 и кольцевые крепежные фланцы 36, которые ограничивают стенку 34 по оси. Наружный кожух 28 может быть образован из двух половин оболочки. Стенка 34 образует рукав и имеет оживальную форму, и ее контур вращения изогнут и главным образом проходит по оси; ее радиус варьируется. Стенка 34 служит опорой для крепления к крепежным платформам 32 статорных лопаток 26 и опорой для нанесения покрытий из истираемых материалов 38, которые обеспечивают динамическое уплотнение, так чтобы образовывать истираемые уплотнения 39 вокруг роторных лопаток 24. Истираемые покрытия 38 образуют равномерные кольцевые слои, такие как круглые полоски, толщина которых превышает 2,00 мм. Динамическое уплотнение понимается как ограничение потока между истираемым материалом и роторной лопаткой, которая поворачивается во время работы турбомашины.

[0047] Кольцевые крепежные фланцы 36 проходят радиально наружу. Кольцевые фланцы 36 спереди и сзади кожуха 28 позволяют прикреплять компрессор 4 к промежуточному кожуху 40 нагнетателя, но также делают возможным прикрепление разделителя 22. Крепежные фланцы 36 могут содержать осевые крепежные отверстия (не показаны) и трубчатые пазы. Истираемые покрытия 38 могут располагаться по оси между кольцевыми крепежными фланцами 36.

[0048] Кожух 28, в частности его стенка 34, может быть выполнен из композиционного материала с органической матрицей. Композиционный материал может содержать эпоксидную смолу и заготовку со стопой трехмерно тканых слоев из углеродного волокна. Альтернативно, кожух может быть выполнен из металла, такого как титановый или алюминиевый сплав. В соответствии с альтернативой изобретения кожух может быть образован из нескольких наружных бандажей, добавленных и прикрепленных по оси друг к другу, например, с использованием радиальных кольцевых фланцев.

[0049] Ряды статорных лопаток 26 могут поддерживать внутренние бандажи 42, соединенные с внутренними концами статорных лопаток 26. Внутренние поверхности внутренних бандажей 42 могут поддерживать слои истираемых материалов 44, чтобы образовывать уплотнения 45 вокруг кольцевых полос ротора 12, или выступы, чтобы бороться с рециркуляцией под внутренними бандажами 42.

[0050] Термин “покрытие” можно понимать как оболочку конструкции уплотнения (39; 45), по которой течет воздух и на которую действуют аэродинамические силы. Покрытие может образовывать наружную или внутреннюю поверхность уплотнения (39; 45).

[0051] На фиг. 3 представлено истираемое уплотнение 39 компрессора, такого как на фиг. 2. Тут представлена стенка 34 кожуха 28, или опоры 28, истираемое покрытие 38, которое на нее наносится, и кончик роторной лопатки 24 между двумя статорными лопатками 26.

[0052] Истираемое покрытие 38 проходит от одной платформы 32 лопатки 26 к следующей, которая относится к соседнему ряду, расположенному спереди или сзади. Истираемое покрытие 38 находится на одном уровне с внутренними поверхностями платформ 32. Платформы 32 статорных лопаток 26 образуют круглые заплечики 46, которые ограничивают истираемые покрытия 38 по оси. Альтернативно, стенка содержит образованные в ее толще радиальные кольцевые канавки, которые по всей своей глубине наполнены истираемыми покрытиями. Истираемые покрытия покрывают всю внутреннюю поверхность стенки между платформами статорных лопаток. Сочетание платформ 32 и истираемых покрытий 38 образует в целом герметичный барьер вдоль всего кожуха 28, или по меньшей мере стенки 34, при необходимости, за исключением канавок, между платформами 32 одного и того же кольцевого ряда.

[0053] Истираемое покрытие 38 может наноситься непосредственно на свою опору 34. Или же уплотнение 39 может содержать промежуточный слой между опорой и истираемым покрытием. Промежуточный слой может представлять собой полосу, такую как лист стали или лист никеля. Полоса может быть перфорированной и/или содержать надрезы.

[0054] Внутренняя поверхность истираемого покрытия 38 находится в контакте с первичным потоком 18. Его поверхность направляет и ограничивает первичный поток 18 во время его сжатия. Истираемое покрытие 38 может содержать по меньшей мере две смешанные фазы, а именно металлическую фазу и при необходимости фазу наполнителя, такую как минеральная фаза и/или органический наполнитель, чтобы образовывать композиционный материал. Материалы истираемого покрытия могут быть гранулированными, или некоторые из них могут быть гранулированными, а другие могут заполнять пространства между гранулами.

[0055] Металлическая фаза истираемого покрытия 38 главным образом содержит алюминий. Металлическая фаза покрытия основана на алюминии. Иначе говоря, среди металлов истираемого материала наибольшим весом обладает алюминий. Преобладание алюминия оптимизирует вес уплотнения 39. Металлическая фаза истираемого покрытия 38 также содержит никель, пропорциональное содержание которого по весу ниже, чем у алюминия. Металлическая фаза может содержать от 20% до 45% никеля и от 55% до 80% алюминия. Кроме того, металлическая фаза может при необходимости содержать железо, медь, цинк, марганец, магний, примеси; при этом каждый из этих компонентов составляет от 1% до 0,1% веса металлической фазы.

[0056] Наполнитель истираемого покрытия 38 может содержать полимер, такой как полиэстер или метилметакрилат. Наполнитель также может содержать гексагональный нитрид бора или фтористый кальций. Вес наполнителя может составлять от 5% до 50%, предпочтительно от 15% до 25%, при необходимости 20%, веса покрытия 38. Металлическая фаза может составлять большую часть объема истираемого покрытия; таким образом, металлическая фаза может образовывать в нем матрицу, которая принимает наполнитель или присадку. При необходимости истираемое покрытие может быть образовано из гранул металлических порошков, межгранулярные пространства которых заполнены наполнителем. Пустое пространство в истираемом покрытии составляет менее 1%, предпочтительно менее 0,1%.

[0057] На фиг. 4 представлена блок-схема способа изготовления истираемого уплотнения осевой турбомашины, такой как показанная на фиг. 3. Уплотнение может использоваться на компрессоре, в частности на компрессоре низкого давления.

[0058] Способ включает следующие этапы, при необходимости выполняемые в следующем порядке:

(a) предоставление 100 округлой опоры, такой как наружный кожух компрессора;

(b) предоставление 102 статорных лопаток с платформами;

(c) прикрепление 104 лопаток при помощи их платформ к округлой опоре с образованием кольцевых рядов;

(d) нанесение 106 истираемого состава на округлую опору между кольцевыми рядами платформ, чтобы покрыть опору между рядами платформ лопаток;

(e) сборку 108 опоры вокруг ротора турбомашины, например кольцевого ряда роторных лопаток.

[0059] Вначале этапа (d) нанесения 106 состав содержит металлическую фазу главным образом с алюминием, например, в виде порошка. Металлическая фаза также может содержать никель и наполнитель; оба компонента представлены в виде порошков. Состав порошка может соответствовать химическому составу истираемого покрытия, представленного выше. В конце этапа (d) нанесения 106 по меньшей мере одно или каждое соединение состава остается в виде порошка, или по меньшей мере одно из соединений плавится, или все соединения плавятся.

[0060] При необходимости, некоторые гранулы или все типы гранул являются по существу твердыми, и их собственные пустоты составляют менее 5% от их материала, предпочтительно менее 1%, более предпочтительно менее 0,20%. У каждой гранулы может быть однородный материал. При необходимости, один тип гранул является полым, например алюминиевые или никелевые гранулы.

[0061] На этапе (d) нанесения 106 состав может наноситься на опору путем плазменного напыления. Такая технология хорошо известна специалистам в области техники и может осуществляться подобному тому, как описано в документе EP 1 010 861 A2. Порошок-наполнитель может вводиться в струю плазмы ниже по потоку относительно металлических порошков. Допускаются также другие технологии. Альтернативно, состав может наноситься на опору путем спекания, при необходимости с длительным нагреванием. В этой альтернативе определенные гранулы могут сохранять свою исходную форму.

[0062] Этапы (b) предоставления 102 статорных лопаток; (c) прикрепления 104 лопаток; (e) сборки 108 опоры совершенно не обязательны в соответствии с изобретением. Действительно, истираемый состав может наноситься на опору без лопаток и их платформ. В этом случае этап (d) нанесения 106 может осуществляться в канавке, образованной в толще бандажа.

Реферат

Изобретение относится к составу для истираемого уплотнения турбомашины и может быть использовано для нанесения покрытия на опору уплотнения осевой турбомашины. Состав для истираемого покрытия (38) уплотнения (39) осевой турбомашины путем плазменного напыления содержит металл, содержащий алюминий, органический или минеральный наполнитель, причем в качестве органического наполнителя используют полимер, а в качестве минерального наполнителя используют гексагональный нитрид бора или фтористый кальций, при этом металл дополнительно содержит от 20 до 45 вес.% никеля, в частности никелевого порошка, и от 55 до 80 вес.% алюминия, в частности алюминиевого порошка. Уплотнение (39) осевой турбомашины содержит округлую опору (34), по меньшей мере одно покрытие, выполненное из истираемого материала (38), которое покрывает округлую опору (34) и предназначено для взаимодействия путем истирания с роторным элементом (24) осевой турбомашины (2). Изобретение также относится к способу изготовления истираемого уплотнения путем плазменного напыления Al-Ni-полиэстерового порошка. Изобретение направлено на повышение коррозионной стойкости и износостойкости уплотнений турбомашин. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула