專利名稱：可壓縮陶瓷密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及受到熱膨脹的部件之間的流體密封，并且特別地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的密封，例如陶瓷基復(fù)合材料(CMC)圍帶段之間的密封。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)組件、燃燒室組件和渦輪組件。壓縮機(jī)壓縮環(huán)境空氣， 該環(huán)境空氣然后被引導(dǎo)到燃燒室，其在燃燒室中與燃料混合。燃料和壓縮空氣的混合物被點(diǎn)燃，產(chǎn)生溫度可以達(dá)到2500到四00° F (1371到1593° C)的工作氣體。該氣體然后穿過(guò)渦輪組件。渦輪組件具有保持多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片圓形陣列或“行”的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。渦輪組件也具有多個(gè)附連到渦輪殼體的固定導(dǎo)葉圓形陣列。每個(gè)葉片行前面是以與葉片所成的最佳角度來(lái)引導(dǎo)工作氣體的導(dǎo)葉行。工作氣體膨脹穿過(guò)渦輪組件導(dǎo)致能量從工作氣體傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，使得軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)葉片行被包含和引導(dǎo)工作氣體的圍帶緊密地環(huán)繞。加壓冷卻流體，例如來(lái)自壓縮機(jī)的部分空氣，相對(duì)于圍帶的徑向外表面被引導(dǎo)(“徑向”表示相對(duì)于渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸線)。每個(gè)圍帶可以由相鄰弓形環(huán)段的圓形陣列形成。在每對(duì)相鄰環(huán)段之間需要密封來(lái)防止加壓冷卻流體向內(nèi)泄漏進(jìn)入段之間，并且防止工作氣體向外泄漏。照慣例這通過(guò)安裝在環(huán)段之間的間隙的每側(cè)上的狹窄溝槽中的金屬封條來(lái)提供。該封條橫跨間隙，阻斷氣體的泄漏并且允許相鄰圍帶段之間的熱膨脹有一些不同。每個(gè)導(dǎo)葉包括具有連接到渦輪殼體的徑向外部平臺(tái)的翼型。導(dǎo)葉也可以具有連接到內(nèi)部冷卻劑加壓室的內(nèi)部平臺(tái)。給定導(dǎo)葉行中的外部平臺(tái)互相相鄰安裝作為圓形陣列中的段，從而限定外部圍帶。內(nèi)部平臺(tái)類似地在圓形陣列中互相相鄰安裝來(lái)限定內(nèi)部圍帶。這些外部和內(nèi)部圍帶限定它們之間的在固定導(dǎo)葉翼型上引導(dǎo)工作氣體的流體通道。在每對(duì)相鄰?fù)獠科脚_(tái)之間、每對(duì)內(nèi)部平臺(tái)之間以及每對(duì)相鄰圍帶之間需要密封。燃?xì)鉁u輪被設(shè)計(jì)成具有不斷增加的工作氣體溫度來(lái)提供高效率。該演進(jìn)是由高溫部件材料例如陶瓷基復(fù)合材料(CMC)和其他用于暴露于工作氣體的部件的陶瓷實(shí)現(xiàn)的，所述部件包括圍帶段。CMC環(huán)段和金屬支撐結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹差在一系列的渦輪運(yùn)行條件中發(fā)生。這導(dǎo)致環(huán)段之間密封間隙尺寸的周期性變化。傳統(tǒng)封條在其溝槽深度中具有間隙來(lái)允許間隙的膨脹和收縮。由于陶瓷相比于金屬的相對(duì)脆性，這種傳統(tǒng)密封方法在陶瓷中不是理想的，因?yàn)橄鄬?duì)地窄而深的密封溝槽可以產(chǎn)生不被陶瓷良好耐受的應(yīng)力集中。


在接下來(lái)的描述中參照附圖來(lái)解釋本發(fā)明，附圖示出 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的基本密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖。
圖2是在厚度上處于壓縮的圖1的結(jié)構(gòu)的視圖。圖3是密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖，示出墊片的第一橫向分隔，導(dǎo)致第一可壓縮度。圖4是密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖，示出墊片的第二橫向分隔，導(dǎo)致較高的第二可壓縮度。圖5是密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖，示出在密封結(jié)構(gòu)的寬度上變化的墊片的橫向分隔，導(dǎo)致在密封結(jié)構(gòu)的寬度上的一系列可壓縮性。圖6示出安裝在燃?xì)鉁u輪部件之間的密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖。圖7示出沿圖6的線7-7截取的截面圖，圖示出密封結(jié)構(gòu)中的冷卻間隙。圖8示出帶有交替取向的CMC纖維的如圖7中的結(jié)構(gòu)。圖9示出根據(jù)本發(fā)明的方面制備密封結(jié)構(gòu)的敷疊階段。圖10圖示出根據(jù)本發(fā)明的方面制備密封結(jié)構(gòu)的方法。圖11示出帶有安裝在燃?xì)鉁u輪部件之間的錐形的不可壓縮部分的可壓縮密封結(jié)構(gòu)的橫向截面圖。
具體實(shí)施例方式發(fā)明人認(rèn)識(shí)到燃?xì)鉁u輪中的陶瓷部件的更好的密封應(yīng)具有陶瓷的熱耐受性，而也應(yīng)該是彈性可壓縮的。陶瓷通常是不可壓縮的，但是本發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)新地構(gòu)想出制造陶瓷密封的方法，使得該陶瓷密封在厚度方向上是彈性可壓縮的。圖1和2圖示出本發(fā)明的方面。帶有可壓縮厚度T的密封結(jié)構(gòu)20由被陶瓷墊片 26分開和互連的實(shí)質(zhì)上平行的陶瓷板22的堆疊體形成。每對(duì)相鄰的板22被一個(gè)或多個(gè)墊片的行R1-R3分開。墊片在寬度W上比板窄。墊片沈在相鄰的墊片行R1-R3中可以是互相橫向偏置的。這在行R1-R3中形成與相鄰行中的墊片沈?qū)R的間隔觀。如圖2中所示，當(dāng)密封結(jié)構(gòu)在厚度T上被壓縮C時(shí)，相鄰的板22彎曲進(jìn)入間隔觀。圖3-5圖示出設(shè)計(jì)理想的可壓縮度的示范性方式。圖3示出由層Ll-Lll形成的密封結(jié)構(gòu)20A，其中奇數(shù)編號(hào)的層是陶瓷板22，偶數(shù)編號(hào)的層是分隔和互連所述板的陶瓷墊片26的行。在圖3中，每行的墊片具有給定的墊片之間的橫向分隔Si。在圖4中圖示出類似結(jié)構(gòu)，但其中每行的墊片具有更大的墊片之間的橫向分隔S2。圖4的密封結(jié)構(gòu)20B在其厚度方向(T)上具有比圖2的密封結(jié)構(gòu)20A小的壓縮抵抗力。圖5圖示出密封結(jié)構(gòu)20C，其中墊片沈之間的橫向分隔在每個(gè)墊片行中從密封結(jié)構(gòu)20C的第一區(qū)域A到第二區(qū)域B增加。這提供橫穿密封結(jié)構(gòu)的寬度W的一系列可壓縮性， 從處于側(cè)A的相對(duì)低的可壓縮性到處于側(cè)B的相對(duì)較高的可壓縮性(更具柔性)。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)適應(yīng)從冷卻的側(cè)A到熱側(cè)B的變化的熱膨脹分布能夠是有用的。在密封結(jié)構(gòu)20C的端層 LULll上可以提供一個(gè)或多個(gè)部分層M。這些部分層M形成在厚度方向上延伸來(lái)接合兩個(gè)相鄰渦輪部件中的相應(yīng)保持凹槽的相對(duì)的脊，從而限制密封結(jié)構(gòu)20C在部件之間的寬度方向上(側(cè)A和B之間)的移動(dòng)。圖6圖示出安裝在兩個(gè)燃?xì)鉁u輪部件42、44之間的間隙46中的密封結(jié)構(gòu)20D。密封結(jié)構(gòu)在其厚度方向T上是部分可壓縮的。每個(gè)墊片行R的墊片沈、27之間的分隔從密封結(jié)構(gòu)20D的第一側(cè)A到第二個(gè)側(cè)B增加。這提供橫穿密封結(jié)構(gòu)的寬度W的一系列可壓縮性，從處于A側(cè)的相對(duì)低的可壓縮性到處于B側(cè)的相對(duì)較高的可壓縮性。在這個(gè)例子中，每行R的第一墊片27與其他行R中的每行的第一墊片27沿密封結(jié)構(gòu)的側(cè)A對(duì)齊。這形成了沿密封結(jié)構(gòu)的側(cè)A的密封結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)上不可壓縮的部分，而朝向側(cè)B的密封結(jié)構(gòu)的剩余部分是可壓縮的。在圖6的實(shí)施例中，第一墊片27沿其相應(yīng)的整個(gè)寬度對(duì)齊，但是在其他實(shí)施例中相應(yīng)行的墊片可以沿其相應(yīng)寬度中的僅僅一些對(duì)齊，由此在墊片27的邊緣部分處產(chǎn)生更漸變的可壓縮性變化。在這個(gè)例子中的側(cè)B沒有墊片，并且是高度可壓縮的。如本領(lǐng)域中所知，這個(gè)配置允許在由熱工作氣流58引起的熱側(cè)B上的部件42和44的更大的熱膨脹，而冷側(cè)A由于在側(cè)A上提供的冷卻氣流64而具有較少的膨脹。示出了三個(gè)可壓縮范圍非柔性48 ；部分柔性50 ；和最具柔性52，表示就可壓縮性而言的分級(jí)結(jié)構(gòu)。一個(gè)或多個(gè)在厚度方向上突出或形成臺(tái)階來(lái)接合間隙46中的對(duì)應(yīng)保持止擋56的額外層陽(yáng)能夠被提供在密封結(jié)構(gòu)20D上，所述止擋防止密封結(jié)構(gòu)朝向側(cè)B滑動(dòng)。盡管圖示出的是單側(cè)止擋56，但是雙側(cè)溝槽可以替代地對(duì)應(yīng)圖5中的脊M被提供來(lái)防止密封朝向側(cè) A或側(cè)B滑動(dòng)。圖7示出沿圖6的線7-7所取的穿過(guò)墊片沈、27的行的截面。至少一些墊片26、 27能夠具有一個(gè)或多個(gè)沿著密封結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L被隔開的橫向間隙60、62，以使得冷卻氣體 64能夠流進(jìn)板22之間的至少一些間隔。在這個(gè)例子中，間隙60、62提供第一側(cè)A和第二側(cè) B之間的臺(tái)階式氣流路徑66，以使得一部分冷卻氣體64從側(cè)A穿過(guò)墊片中的間隙流到側(cè)B， 因此冷卻密封結(jié)構(gòu)并且防止工作氣體58的侵入。間隙62可以取成理想的尺寸來(lái)限制或控制冷卻劑流率。板22和墊片沈、27可以用CMC或其他陶瓷材料(包括在陶瓷部件制造領(lǐng)域中所知的氧化CMC)制成。CMC具有嵌入陶瓷基的陶瓷纖維。纖維可以是如圖7中示出的機(jī)織物 68。每層22、26、27的纖維可以與密封的長(zhǎng)度L和寬度W正交地排列(沒有示出)，或其可以如示出的那樣對(duì)角交叉。對(duì)角幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)是彈性板22的運(yùn)行時(shí)寬向彎曲將所有的纖維都彎曲，而不是如在正交纖維取向中所發(fā)生的只彎曲一半纖維。類似的，在處理過(guò)程中密封結(jié)構(gòu)的任何長(zhǎng)度方向的彎曲將所有的纖維都彎曲。因此，對(duì)這兩個(gè)最常見彎曲方向的耐久性被最大化。替代地，纖維可以是非機(jī)織的并且被對(duì)角取向或?qū)墙徊?。纖維在板22和墊片沈、27中可以是不同取向的。圖8示出在墊片沈、27中實(shí)質(zhì)上于長(zhǎng)度方向取向并且在板22中實(shí)質(zhì)上于寬度方向取向的非機(jī)織的纖維70、72。每層的纖維對(duì)那個(gè)層所遭遇的應(yīng)力是最優(yōu)化取向的。彈性板22在運(yùn)行過(guò)程中遭遇寬度方向彎曲。墊片26、27在運(yùn)行過(guò)程中不彎曲，因此其纖維70 能夠縱向地取向來(lái)強(qiáng)化密封抵抗處理和安裝過(guò)程中的破裂。圖9示出密封結(jié)構(gòu)的制造階段，在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，濕陶瓷材料和易消耗(揮發(fā)性)材料76的層與濕陶瓷材料74的層交替，所述易消耗材料76在燒制過(guò)程中分解而不留下殘留污染。圖10圖示出制造過(guò)程中的基本步驟，包括80-交替敷疊濕陶瓷材料 74的層與最終形成陶瓷板之間的墊片行的濕陶瓷材料和易消耗材料76的層；82 -燒制到易消耗材料的汽化溫度以上的陶瓷材料的燒結(jié)溫度來(lái)固化陶瓷材料，去除易消耗材料，并且因此形成具有交替的板層和墊片行的密封結(jié)構(gòu)。如圖11中所示，密封20E的不可壓縮的部分49可以是錐形的以在部件42、44之間的壓縮情況下朝外徑向滑動(dòng)。這允許密封的不可壓縮部分49來(lái)適應(yīng)部件42、44的熱膨脹。密封20E通常被冷卻氣體64與工作氣體58的壓力差徑向地向內(nèi)壓迫。其可進(jìn)一步通過(guò)附連到部件42、44中的一個(gè)或附連到部件支撐結(jié)構(gòu)(沒有示出)的彈簧78被保持。在壓縮情況下，密封將稍微地徑向移位。固體潤(rùn)滑劑例如六方氮化硼(h-BN)可以被應(yīng)用在密封 20E和部件42、44之間，并且/或者可以被一體形成到那些部件的材料中。
雖然本發(fā)明的不同實(shí)施例已在本文中示出和描述，但是顯而易見的是這些實(shí)施例僅僅是通過(guò)例子的方式提供的。大量的不同、變化和替換能夠被實(shí)施而不脫離本文中的本發(fā)明。相應(yīng)的，原則上本發(fā)明僅僅限制于所附權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種可壓縮密封，包括被陶瓷墊片分隔和互連的實(shí)質(zhì)上平行的陶瓷板的堆疊體，因此形成具有長(zhǎng)度、寬度和厚度的密封結(jié)構(gòu)；所述板中的至少一些相鄰板被墊片中的一個(gè)或多個(gè)墊片的相應(yīng)行分隔；其中墊片在寬度上比板窄，從而限定每個(gè)墊片行中的相應(yīng)間隔，使得當(dāng)密封結(jié)構(gòu)在厚度上被壓縮時(shí)相鄰的板彎曲進(jìn)入間隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮密封，其中陶瓷板由包括陶瓷基中的陶瓷纖維的陶瓷基復(fù)合材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可壓縮密封，其中板的陶瓷纖維大體上在寬度方向上取向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可壓縮密封，其中陶瓷墊片由包括陶瓷基中的陶瓷纖維的陶瓷基復(fù)合材料制成，并且墊片的陶瓷纖維實(shí)質(zhì)上在長(zhǎng)度方向上取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可壓縮密封，其中板的陶瓷纖維被對(duì)角取向或?qū)墙徊嫒∠颉?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮密封，其中密封結(jié)構(gòu)安裝在燃?xì)鉁u輪中的兩個(gè)部件之間，將部件第一側(cè)的冷卻氣體與部件第二側(cè)的熱氣體分隔開，并且其中至少一些墊片沿密封結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度限定一個(gè)或多個(gè)橫向間隙，以使得一部分冷卻氣體能夠流進(jìn)板之間的至少一些間隔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可壓縮密封，其中至少一些墊片行在部件的第一側(cè)和第二側(cè)之間提供穿過(guò)間隙的臺(tái)階式氣流路徑，其中一部分冷卻氣體從部件的第一側(cè)穿過(guò)臺(tái)階式氣流路徑流到第二側(cè)，從而冷卻密封結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮密封，其中至少一行中的相鄰墊片之間的橫向分隔沿密封結(jié)構(gòu)的寬度變化，以使得密封結(jié)構(gòu)具有沿密封結(jié)構(gòu)寬度變化的一系列可壓縮性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮密封，其中至少一行中的相鄰墊片之間的橫向分隔從密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)到第二側(cè)增加，以使得密封結(jié)構(gòu)具有從密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)的相對(duì)低的可壓縮性到第二側(cè)的較高可壓縮性的一系列可壓縮性。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可壓縮密封，其中每行中的第一墊片與其他行中每一行的第一墊片在其寬度的至少部分上沿密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)對(duì)準(zhǔn)，從而形成沿密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)的實(shí)質(zhì)上不可壓縮的密封結(jié)構(gòu)的部分，而密封結(jié)構(gòu)的剩余部分是可壓縮的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的可壓縮密封，其中每行中的相鄰墊片之間的橫向分隔沿密封結(jié)構(gòu)的剩余部分的寬度變化，以使得密封結(jié)構(gòu)具有沿密封結(jié)構(gòu)的寬度變化的一系列可壓縮性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可壓縮密封，其中每行中的墊片之間的橫向分隔從密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)到第二側(cè)增加，以使得密封結(jié)構(gòu)具有從密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)的實(shí)質(zhì)上無(wú)可壓縮性到第二側(cè)的可壓縮的一系列可壓縮性。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的可壓縮密封，其中實(shí)質(zhì)上不可壓縮的密封結(jié)構(gòu)的部分是錐形的以在部件之間的壓縮情況下徑向向外滑動(dòng)。
14.一種制造如權(quán)利要求1所述的可壓縮密封的方法，包括形成從1到N的濕陶瓷材料層的堆疊體，其中一些濕陶瓷材料層包括汽化溫度低于濕陶瓷材料燒結(jié)溫度的易消耗材料的內(nèi)含物；在易消耗內(nèi)含物的汽化溫度以上熱固化層的堆疊體來(lái)固化和燒結(jié)陶瓷材料，從而形成和整合密封結(jié)構(gòu)。
15.一種可壓縮密封，包括被陶瓷墊片分隔和互連的實(shí)質(zhì)上平行的陶瓷板的堆疊體，因此形成具有長(zhǎng)度、寬度和厚度的密封結(jié)構(gòu)；所述板中每對(duì)相鄰的板被墊片中的一個(gè)或多個(gè)墊片的行分隔；其中，墊片在寬度上比板窄，并且墊片在相鄰墊片行中互相橫向地偏置，在每個(gè)墊片行中形成與相鄰行中的墊片對(duì)準(zhǔn)的間隔，以使得當(dāng)密封結(jié)構(gòu)在厚度上被壓縮時(shí)相鄰的板彎曲進(jìn)入間隔；以及其中至少一些墊片沿著密封結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度具有一個(gè)或多個(gè)橫向間隙，以使得冷卻氣體能夠從密封結(jié)構(gòu)的第一側(cè)流進(jìn)板之間的間隔中的至少一些間隔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的可壓縮密封，其中憑借間隙在給定行的相鄰墊片中沿長(zhǎng)度方向互相偏置，至少一些間隙形成穿過(guò)密封結(jié)構(gòu)寬度的臺(tái)階式氣流路徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的可壓縮密封，其中每行中的相鄰墊片之間的橫向分隔沿密封結(jié)構(gòu)的寬度變化，以使得密封結(jié)構(gòu)具有沿密封結(jié)構(gòu)寬度變化的一系列可壓縮性。
18.一種用于流體的可壓縮密封，包括從1到N奇數(shù)編號(hào)的被從2到N-I偶數(shù)編號(hào)的層分隔開的陶瓷層的堆疊體，其中每個(gè)偶數(shù)編號(hào)的層包括分隔和連接兩個(gè)相鄰的奇數(shù)編號(hào)的層的一個(gè)或多個(gè)墊片，因此形成密封結(jié)構(gòu)，并且其中每個(gè)偶數(shù)編號(hào)的層進(jìn)一步在所述兩個(gè)相鄰的奇數(shù)編號(hào)的層之間包括一個(gè)或多個(gè)空氣間隔；其中至少一些墊片與相鄰的偶數(shù)編號(hào)的層中的空氣間隔對(duì)準(zhǔn)，以使得當(dāng)密封結(jié)構(gòu)在正交于層的方向上被壓縮時(shí)相鄰的奇數(shù)編號(hào)的層彎曲進(jìn)入空氣間隔。
全文摘要
被陶瓷墊片(26，27)分隔和互連的實(shí)質(zhì)上平行的陶瓷板(22)堆疊體形成帶有長(zhǎng)度(L)、寬度(W)和厚度(T)的密封結(jié)構(gòu)(20)。墊片在寬度上比板窄，可以從相鄰行中的墊片橫向地偏置來(lái)在與另一相鄰行中的墊片對(duì)準(zhǔn)的行中形成間隔(28)。當(dāng)密封結(jié)構(gòu)在厚度上被壓縮時(shí)，相鄰的板彎曲進(jìn)入間隔。每行的墊片在橫向間隔中可以是不同的，因此提供沿密封結(jié)構(gòu)的寬度變化的一系列可壓縮性。
文檔編號(hào)F01D9/04GK102159392SQ200980136820
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2009年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者G·B·梅里爾, J·A·莫里森 申請(qǐng)人:西門子能源公司