專利名稱：在渦輪機(jī)中獲得不均勻密封間隙的噴涂的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的密封間隙，尤其涉及一種以補(bǔ)償沿圓周不均勻的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的方式改進(jìn)靜止殼體的方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械包括，但不限于，燃?xì)鉁u輪和蒸汽渦輪。渦輪的運(yùn)動(dòng)零件稱為轉(zhuǎn)子，而固定的不運(yùn)動(dòng)的零件例如外殼，殼體等，稱為定子。通常，轉(zhuǎn)子在定子部件內(nèi)以很高的速度旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)又產(chǎn)生電能或功率的發(fā)電機(jī)。蒸汽渦輪具有一套蒸汽通道，一般包括以串流關(guān)系連接的蒸汽入口，渦輪和蒸汽出口。燃?xì)鉁u輪有一套燃?xì)馔ǖ溃话惆ㄒ源麝P(guān)系連接的空氣進(jìn)氣口(或入口)，壓縮機(jī)，燃燒室，渦輪和燃?xì)獬隹?或排氣噴嘴)。燃?xì)饣蛘羝孤?，無論是出燃?xì)饣蛘魵馔ǖ阑蛉肴細(xì)饣蛘羝ǖ?，從高壓區(qū)到底壓區(qū)一般都是不希望有的。例如，在渦輪或壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和圓周周圍的渦輪或壓縮機(jī)殼體之間，在燃?xì)鉁u輪的渦輪或壓縮機(jī)區(qū)域中的燃?xì)馔ǖ佬孤?huì)降低燃?xì)鉁u輪的效率導(dǎo)致增加燃料成本。
實(shí)踐中，旋轉(zhuǎn)的和靜止的零件間的間隙通常設(shè)計(jì)得足夠大以便減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生接觸。然而，過大的間隔會(huì)加速不希望的泄漏及降低性能。在一些機(jī)械設(shè)計(jì)中，已經(jīng)為較好的效率而設(shè)計(jì)成減少的間隙，通過在轉(zhuǎn)子和定子之間設(shè)置如刷子密封件或耐磨密封件預(yù)先處理和適應(yīng)轉(zhuǎn)子和定子間的接觸。在燃?xì)饣蛘羝麥u輪的靜止零件上所用的耐磨密封件業(yè)已用來使轉(zhuǎn)子和定子由于旋轉(zhuǎn)部件(例如葉尖，軸齒等)與定子相接觸而不造成明顯的損傷或磨損。旋轉(zhuǎn)元件和耐磨密封件之間的接觸產(chǎn)生了一些被容入可磨耗密封件的構(gòu)槽從而在兩者之間產(chǎn)生氣密的間隙。
諸如殼體的熱變形的影響和由于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)引起的振動(dòng)常使有關(guān)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的路徑相對(duì)定子變得沿圓周不均勻。這種運(yùn)動(dòng)的不均勻性可能導(dǎo)致在定子的優(yōu)先的局部的區(qū)域產(chǎn)生顯著接觸，而使部件產(chǎn)生不希望的磨損量。業(yè)已嘗試許多措施以補(bǔ)償這種不均勻運(yùn)動(dòng)和防止接觸。按常規(guī)，機(jī)器零件已加工成圓形的并以寬大的間隙進(jìn)行組裝以防接觸。大的間隙使更多的燃?xì)饣蛘羝孤@將降低系統(tǒng)性能。在某些情況下，零件被加工成偏心的以形成不均勻間隙，但這使它們的制造復(fù)雜化并大大提高了成本。在一些蒸汽渦輪中，密封件被分為4，6，8或更多段，而這些段被加工成不同的直徑。由于這些零件必須被分別打上印跡并在它們特定的圓周位置上就地組裝從而大大增加了渦輪組裝的復(fù)雜性。因此，所需要的是能生產(chǎn)不均勻轉(zhuǎn)子間隙的廉價(jià)定子部件。更需要的是制造這類部件的有效的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的實(shí)施例滿足這些及其它要求。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是渦輪組件的定子部件。該定子部件包含一個(gè)其內(nèi)表面在軸向橫截面上基本是圓形的環(huán)形基座部件以及一層涂于該基座內(nèi)表面的涂層。該涂層具有一個(gè)與該基座內(nèi)表面相接觸的分界面及一個(gè)與分界面相對(duì)的外表面。該涂層也具有一個(gè)沿該基座內(nèi)表面不同圓周位置而變化的厚度。
本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例是一種制造渦輪組件的定子部件的方法。該方法包括提供一個(gè)其內(nèi)表面在軸向橫截面基本是圓形的環(huán)形基座部件及在該基座部件內(nèi)表面涂一層涂層。該涂層具有一個(gè)與基座部件內(nèi)表面相接觸的分界面及一個(gè)與分界面相對(duì)的外表面。該涂層具有沿該基座內(nèi)表面不同圓周位置而變化的厚度。
本發(fā)明的這些及其它方面，優(yōu)點(diǎn)及顯著的特點(diǎn)從以下的詳述，相應(yīng)的附圖及從屬權(quán)利要求中將顯而易見。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)參看附圖，其中相同元件的序號(hào)相同

圖1是表明在定子基座部件上涂有不均勻噴射涂層的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)圖；圖2是表明在定子基座部件上涂有不均勻噴射涂層的另一個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明的詳述下文中示于圖中的幾個(gè)視圖上相同序號(hào)都指相同或相當(dāng)?shù)牧慵?。?yīng)當(dāng)理解如“頂部”，“底部”，“外部”，“內(nèi)部”等術(shù)語(yǔ)都是合適的詞并不認(rèn)為限制這些術(shù)語(yǔ)。而且，也應(yīng)當(dāng)理解這些圖例是為了說明本發(fā)明的一個(gè)特定的范例而又不想限制本發(fā)明。
參看圖1和2，本發(fā)明的這些實(shí)施例通過為渦輪組件40提供定于部件20論述了上述要求。該定子部件20包含一個(gè)環(huán)形基座部件60，在某些實(shí)施例中，至少包含一個(gè)覆環(huán)，一個(gè)渦輪殼體和一個(gè)渦輪噴嘴的環(huán)形部件其中之一。該基座部件具有一個(gè)在軸向橫截面100基本上是圓形90的內(nèi)表面80；及一層涂于基座部件60的內(nèi)表面80的涂層120。該涂層120具有一個(gè)與基座部件60的內(nèi)表面80相接觸的分界面140及一個(gè)與分界面140相對(duì)的外表面160。涂層120具有一個(gè)沿著基座部件60的內(nèi)表面80的圓周位置的不同而變化的厚度180，而結(jié)果涂層120的外表面160的形狀與基座部件60的圓形不相一致且更準(zhǔn)確地與渦輪運(yùn)動(dòng)的偏心度相一致，從而在運(yùn)行期間提供可能的最緊密間隙。本發(fā)明的實(shí)施例允許零件被加工成圓形及正中的，并且正是涂層120提供了組裝和工作期間理想的不均勻轉(zhuǎn)子—定子間隙。
在某些型式的渦輪機(jī)方面的經(jīng)驗(yàn)業(yè)已顯示在很多情況下轉(zhuǎn)子傾向于遵循橢圓形運(yùn)動(dòng)路徑。因此，為了更好的與這種情況的間隙相一致，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，涂層120的外表面160在軸向橫截面100上基本是一橢圓形220。涂層外表面160的橢圓形狀是通過在希望間隙最小的圓周位置(即在橢圓的短軸260的相對(duì)側(cè))涂以最大厚度的涂層及在需要最大間隙處(即長(zhǎng)軸280的相對(duì)側(cè))涂以最小厚度的涂層的辦法來實(shí)現(xiàn)的。在某些實(shí)施例中，基座部件60包含通過水平接合面260連接在一起的一個(gè)頂部300和一個(gè)底部320，由涂層外表面160形成的橢圓具有在頂部300和底部320之間的長(zhǎng)軸280。雖然如上所述的一般方法經(jīng)常將圓形定子加工成理想的橢圓形，或組裝復(fù)式、多級(jí)定子而成橢圓形，但應(yīng)用本文所述的涂層在成本及簡(jiǎn)單性上則具有明顯的優(yōu)越性。
涂層120的厚度180高達(dá)3毫米而在一些特定的實(shí)施例中為1.75毫米。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中涂層120由耐磨材料130組成。在工藝技術(shù)方面耐磨涂層被廣泛了解并且由于它們的性能而用作在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件間的密封。所謂耐磨材料就是在轉(zhuǎn)子—定子接觸中有選擇地有損失地磨損而留下與轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)相匹配的型面的材料。結(jié)果獲得非常緊密的密封間隙。在美國(guó)專利6,547,522中介紹了一些典型的耐磨涂層。在一個(gè)實(shí)施例中，耐磨材料包含一種金屬基體相和至少一種第二相。在一個(gè)實(shí)施例中，該金屬基體金相至少包含一種選自由CoNiCrAlY，NiCrFeAl及NiCrAl組成的合金。在一個(gè)實(shí)施例中，該第二相包含石墨。在其它實(shí)施例中，至少一種第二相至少包含陶瓷、聚合物及鹽其中之一。在一個(gè)實(shí)施例中，該陶瓷至少包含六方晶系的BN，硅酸鋁及焙燒的膨潤(rùn)土其中之一。在另一些實(shí)施例中，該聚合物至少包含聚酯，聚酰亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，硅樹脂，硅氧烷和橡膠其中之一。在另一些實(shí)施例中，該鹽至少包含磷酸鋁和氫氧化鋁其中之一。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，涂層120包含一層噴射涂層。眾所周知在工藝技術(shù)中有很多不同的噴涂技術(shù)適合于生產(chǎn)涂層120。在某些實(shí)施例中，該噴涂包含等離子體噴涂，火焰噴涂，高速氧燃料(HVOF)噴涂，熱噴涂及線弧噴涂中的至少一種。
為了充分地吸取上述特點(diǎn)的優(yōu)越性，本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施例是為渦輪組件40提供定子部件20。該定子部件20包含一個(gè)其內(nèi)表面80在軸向橫截面100上基本上是圓形90的環(huán)形基座部件60；和一層由耐磨材料組成的涂層120。涂層120涂于基座部件60的內(nèi)表面80并具有一個(gè)與基座部件60內(nèi)表面80相接觸的分界面140和一個(gè)與分界面140相對(duì)的外表面160。涂層120的外表面160在軸向橫截面100上基本上是一橢圓220，具有在基座部件60的頂部300和底部320之間的長(zhǎng)軸280。
本發(fā)明的其它實(shí)施例包括一種制造渦輪組件40的定子部件20的方法。此方法包括提供一個(gè)其內(nèi)表面80在軸向橫截面100上基本是圓形90的環(huán)形基座60，和在該基座60的內(nèi)表面80涂以涂層120。該涂層120具有一個(gè)與基座部件60的內(nèi)表面80相接觸的分界面140和一個(gè)與分界面140相對(duì)的外表面160。
涂層120具有一個(gè)沿基座部件60的內(nèi)表面80的圓周位置的不同而變化的厚度180。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，涂層是用如上所述的噴涂技術(shù)而實(shí)施的。為了達(dá)到厚度的不均勻性，在一些實(shí)施例中是用一個(gè)由編程來改變噴搶通過圓周的特定弧長(zhǎng)的次數(shù)的機(jī)器人來實(shí)施的。每次所謂的“通過”將涂一層涂層其厚度為約20微米至約80微米。例如，間隙改變約200微米是由通過殼體某些區(qū)域比通過其它區(qū)域多涂5層的辦法來實(shí)施。同樣，在每一涂層的弧長(zhǎng)也是層與層之間不同從而在厚涂層區(qū)與薄涂層區(qū)之間形成相對(duì)平滑的過渡。
雖然為了具體說明，本發(fā)明業(yè)已提出了幾個(gè)典型的實(shí)施例，但以上說明不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。因此，不背離本發(fā)明的精神及范圍的情況下，對(duì)于業(yè)內(nèi)人士可以進(jìn)行各種改進(jìn)修改，及替換。
元件表20 定子40 渦輪組件60 環(huán)形基座80 內(nèi)表面90 圓形100軸向橫截面120涂層130耐磨材料140分界面160外表面180涂層厚度200圓周位置220橢圓240增加的涂層厚度250希望的轉(zhuǎn)子摩擦區(qū)260短軸280長(zhǎng)軸300頂部320底部330渦輪葉片340渦輪覆環(huán)360渦輪殼體380渦輪噴嘴400轉(zhuǎn)子420殼體
權(quán)利要求
1.渦輪組件(40)的定子部件(20)包括a)一個(gè)其內(nèi)表面(80)在軸向橫截面(100)基本上為圓形(90)的環(huán)形基座部件(60)；和b)一層配置于所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)上的涂層(120)，其中，所述涂層(120)具有一個(gè)與所述基座部件(60)的內(nèi)表面(80)相接觸的分界面(140)及一個(gè)與所述分界面(140)相對(duì)的外表面(160)，其中，所述涂層(120)的厚度(180)隨著沿所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)的圓周位置(200)而變化。
2.按權(quán)利要求1所述的定子部件(20)，其特征在于，所述涂層(120)的所述外表面(160)在軸向橫截面(100)上基本上為一橢圓(220)。
3.按權(quán)利要求1所述的定子部件(20)，其特征在于，所述涂層(120)的所述厚度(180)厚達(dá)約3毫米。
4.按權(quán)利要求1所述的定子部件(20)，其特征在于，所述涂層(120)由可磨耗材料(130)組成。
5.按權(quán)利要求4所述的定子部件(20)，其特征在于，所述的耐磨材料(130)包含一種金屬基體相和至少一種第二相。
6.按權(quán)利要求5所述的定子部件(20)，其特征在于，所述的金屬基體相至少包含一種選自由CoNiCrAlY，NiCrFeAl和NiCrAl組成的組群的合金。
7.按權(quán)利要求1所述的定子部件(20)，其特征在于，所述基座部件(60)包括覆環(huán)，渦輪殼體和環(huán)形渦輪噴嘴部件中的至少一個(gè)。
8.渦輪組件(40)的定子部件(20)，其特征在于包括a)一個(gè)具有在軸向橫截面(100)上基本上為圓形(90)的內(nèi)表面(80)的環(huán)形基座(60)；和b)一層由耐磨材料(130)組成的涂層(120)，所述的涂層(120)被配置于所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)并具有一個(gè)與所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)相接觸的分界面(140)及一個(gè)與所述分界面(140)相對(duì)的外表面(160)，其中，所述涂層(120)的所述外表面(160)在軸向橫截面(100)上基本上為橢圓(220)，其長(zhǎng)軸在所述基座部件(60)的頂部(300)和底部(320)之間延伸。
9.制造渦輪組件(40)的定子部件(20)的方法包括a)提供一個(gè)其內(nèi)表面(80)的軸向橫截面(100)上基本上為圓形(90)的環(huán)形基座部件(60)；和b)在所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)上配置一涂層(120)，其中，所述涂層(120)具有一個(gè)與所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)相接觸的分界面(140)及一個(gè)與所述分界面(140)相對(duì)的外表面(160)，其中，所述涂層(120)的厚度(180)隨著沿所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)的圓周位置(200)而變化。
10.制造渦輪組件(40)的定子部件(20)的方法包括a)提供一個(gè)其內(nèi)表面(80)在軸向橫截面(100)上基本上為圓形(90)的環(huán)形基座部件(60)；和b)利用熱噴涂工藝方法配置一層由耐磨材料(130)組成的涂層(120)，所述涂層(120)被配置于所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)，并具有一與所述基座部件(60)的所述內(nèi)表面(80)相接觸的分界面(140)及一個(gè)與所述分界面(140)相對(duì)的外表面(160)，其中，所述涂層(120)的所述外表面(160)在軸向橫截面(100)上基本上為一橢圓(220)，其長(zhǎng)軸在所述基座部件(60)的頂部(300)和底部(320)之間延伸。
全文摘要
本發(fā)明提供噴射涂層以在渦輪機(jī)中實(shí)現(xiàn)圓周上不均勻密封間隙。在蒸汽和燃?xì)鉁u輪中，最好以橢圓形密封間隙組裝機(jī)器以便補(bǔ)償預(yù)期的殼體變形，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)或引起沿圓周不均勻的轉(zhuǎn)子－定子摩擦的現(xiàn)象。本發(fā)明允許殼體硬件制成圓的，而用噴射涂層(120)于徑向內(nèi)表面(80)使涂層厚度(180)沿圓周變化，在組裝時(shí)提供理想的不均勻轉(zhuǎn)子－定子間隙。
文檔編號(hào)F02C7/00GK1626774SQ200410100268
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者N·A·圖恩奎斯特, M·W·科瓦爾茨克, F·哈斯里普爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司