專利名稱：在渦輪機中獲得不均勻密封間隙的噴涂的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉機械中的密封間隙，尤其涉及一種以補償沿圓周不均勻的轉子運動的方式改進靜止殼體的方法。
背景技術：
旋轉機械包括，但不限于，燃氣渦輪和蒸汽渦輪。渦輪的運動零件稱為轉子，而固定的不運動的零件例如外殼，殼體等，稱為定子。通常，轉子在定子部件內以很高的速度旋轉，驅動又產生電能或功率的發(fā)電機。蒸汽渦輪具有一套蒸汽通道，一般包括以串流關系連接的蒸汽入口，渦輪和蒸汽出口。燃氣渦輪有一套燃氣通道，一般包括以串流關系連接的空氣進氣口(或入口)，壓縮機，燃燒室，渦輪和燃氣出口(或排氣噴嘴)。燃氣或蒸汽泄漏，無論是出燃氣或蒸氣通道或入燃氣或蒸汽通道，從高壓區(qū)到底壓區(qū)一般都是不希望有的。例如，在渦輪或壓縮機的轉子和圓周周圍的渦輪或壓縮機殼體之間，在燃氣渦輪的渦輪或壓縮機區(qū)域中的燃氣通道泄漏將會降低燃氣渦輪的效率導致增加燃料成本。
實踐中，旋轉的和靜止的零件間的間隙通常設計得足夠大以便減少發(fā)動機運行中產生接觸。然而，過大的間隔會加速不希望的泄漏及降低性能。在一些機械設計中，已經為較好的效率而設計成減少的間隙，通過在轉子和定子之間設置如刷子密封件或耐磨密封件預先處理和適應轉子和定子間的接觸。在燃氣或蒸汽渦輪的靜止零件上所用的耐磨密封件業(yè)已用來使轉子和定子由于旋轉部件(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。旋轉元件和耐磨密封件之間的接觸產生了一些被容入可磨耗密封件的構槽從而在兩者之間產生氣密的間隙。
諸如殼體的熱變形的影響和由于轉子動力學引起的振動常使有關轉子運動的路徑相對定子變得沿圓周不均勻。這種運動的不均勻性可能導致在定子的優(yōu)先的局部的區(qū)域產生顯著接觸，而使部件產生不希望的磨損量。業(yè)已嘗試許多措施以補償這種不均勻運動和防止接觸。按常規(guī)，機器零件已加工成圓形的并以寬大的間隙進行組裝以防接觸。大的間隙使更多的燃氣或蒸汽泄漏，而這將降低系統(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雜性。因此，所需要的是能生產不均勻轉子間隙的廉價定子部件。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)明的實施例滿足這些及其它要求。
本發(fā)明的一個實施例是渦輪組件的定子部件。該定子部件包含一個其內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表面的涂層。該涂層具有一個與該基座內表面相接觸的分界面及一個與分界面相對的外表面。該涂層也具有一個沿該基座內表面不同圓周位置而變化的厚度。
本發(fā)明的第二個實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其內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表面涂一層涂層。該涂層具有一個與基座部件內表面相接觸的分界面及一個與分界面相對的外表面。該涂層具有沿該基座內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)點及顯著的特點從以下的詳述，相應的附圖及從屬權利要求中將顯而易見。
附圖簡述現(xiàn)參看附圖，其中相同元件的序號相同

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實施例的簡圖；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實施例。
本發(fā)明的詳述下文中示于圖中的幾個視圖上相同序號都指相同或相當?shù)牧慵斃斫馊纭绊敳俊?，“底部”，“外部”，“內部”等術語都是合適的詞并不認為限制這些術語。而且，也應當理解這些圖例是為了說明本發(fā)明的一個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包含一個環(huán)形基座部件60，在某些實施例中，至少包含一個覆環(huán)，一個渦輪殼體和一個渦輪噴嘴的環(huán)形部件其中之一。該基座部件具有一個在軸向橫截面100基本上是圓形90的內表面80；及一層涂于基座部件60的內表面80的涂層120。該涂層120具有一個與基座部件60的內表面80相接觸的分界面140及一個與分界面140相對的外表面160。涂層120具有一個沿著基座部件60的內表面80的圓周位置的不同而變化的厚度180，而結果涂層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確地與渦輪運動的偏心度相一致，從而在運行期間提供可能的最緊密間隙。本發(fā)明的實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子—定子間隙。
在某些型式的渦輪機方面的經驗業(yè)已顯示在很多情況下轉子傾向于遵循橢圓形運動路徑。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的相對側)涂以最大厚度的涂層及在需要最大間隙處(即長軸280的相對側)涂以最小厚度的涂層的辦法來實現(xiàn)的。在某些實施例中，基座部件60包含通過水平接合面260連接在一起的一個頂部300和一個底部320，由涂層外表面160形成的橢圓具有在頂部300和底部320之間的長軸280。雖然如上所述的一般方法經常將圓形定子加工成理想的橢圓形，或組裝復式、多級定子而成橢圓形，但應用本文所述的涂層在成本及簡單性上則具有明顯的優(yōu)越性。
涂層120的厚度180高達3毫米而在一些特定的實施例中為1.75毫米。在本發(fā)明的一個實施例中涂層120由耐磨材料130組成。在工藝技術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運動的零件間的密封。所謂耐磨材料就是在轉子—定子接觸中有選擇地有損失地磨損而留下與轉子的偏心運動相匹配的型面的材料。結果獲得非常緊密的密封間隙。在美國專利6,547,522中介紹了一些典型的耐磨涂層。在一個實施例中，耐磨材料包含一種金屬基體相和至少一種第二相。在一個實施例中，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。在一個實施例中，該第二相包含石墨。在其它實施例中，至少一種第二相至少包含陶瓷、聚合物及鹽其中之一。在一個實施例中，該陶瓷至少包含六方晶系的BN，硅酸鋁及焙燒的膨潤土其中之一。在另一些實施例中，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)明的一個實施例中，涂層120包含一層噴射涂層。眾所周知在工藝技術中有很多不同的噴涂技術適合于生產涂層120。在某些實施例中，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的優(yōu)越性，本發(fā)明更進一步的實施例是為渦輪組件40提供定子部件20。該定子部件20包含一個其內表面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的內表面80并具有一個與基座部件60內表面80相接觸的分界面140和一個與分界面140相對的外表面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之間的長軸280。
本發(fā)明的其它實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其內表面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的內表面80涂以涂層120。該涂層120具有一個與基座部件60的內表面80相接觸的分界面140和一個與分界面140相對的外表面160。
涂層120具有一個沿基座部件60的內表面80的圓周位置的不同而變化的厚度180。
在本發(fā)明的一個實施例中，涂層是用如上所述的噴涂技術而實施的。為了達到厚度的不均勻性，在一些實施例中是用一個由編程來改變噴搶通過圓周的特定弧長的次數(shù)的機器人來實施的。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層的辦法來實施。同樣，在每一涂層的弧長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)已提出了幾個典型的實施例，但以上說明不應被認為是對本發(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，對于業(yè)內人士可以進行各種改進修改，及替換。
元件表20 定子40 渦輪組件60 環(huán)形基座80 內表面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希望的轉子摩擦區(qū)260短軸280長軸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轉子420殼體
權利要求
1.渦輪組件(40)的定子部件(20)包括a)一個其內表面(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)的所述內表面(80)上的涂層(120)，其中，所述涂層(120)具有一個與所述基座部件(60)的內表面(80)相接觸的分界面(140)及一個與所述分界面(140)相對的外表面(160)，其中，所述涂層(120)的厚度(180)隨著沿所述基座部件(60)的所述內表面(80)的圓周位置(200)而變化。
2.按權利要求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)厚達約3毫米。
4.按權利要求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。
8.渦輪組件(40)的定子部件(20)，其特征在于包括a)一個具有在軸向橫截面(100)上基本上為圓形(90)的內表面(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)的所述內表面(80)并具有一個與所述基座部件(60)的所述內表面(80)相接觸的分界面(140)及一個與所述分界面(140)相對的外表面(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)提供一個其內表面(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)的所述內表面(80)上配置一涂層(120)，其中，所述涂層(120)具有一個與所述基座部件(60)的所述內表面(80)相接觸的分界面(140)及一個與所述分界面(140)相對的外表面(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)提供一個其內表面(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)的所述內表面(80)，并具有一與所述基座部件(60)的所述內表面(80)相接觸的分界面(140)及一個與所述分界面(140)相對的外表面(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中實現(xiàn)圓周上不均勻密封間隙。在蒸汽和燃氣渦輪中，最好以橢圓形密封間隙組裝機器以便補償預期的殼體變形，轉子動力學或引起沿圓周不均勻的轉子－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)于徑向內表面(80)使涂層厚度(180)沿圓周變化，在組裝時提供理想的不均勻轉子－定子間隙。
文檔編號F02C7/00GK1626774SQ200410100268
公開日2005年6月15日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權日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 申請人:通用電氣公司