Technetics金屬纖維耐磨密封件在航空渦輪機上的應用

2021-02-14 華越國際

自從渦輪機問世以來，限制航空航天渦輪機中的洩漏一直是工程師的重點。越來越多的公司發現，金屬纖維耐磨密封件是減少軸向流壓縮機和渦輪機中經過葉片尖端逸出的壓縮氣體量的有效解決方案。這些密封件保持隔室壓力，以提高關鍵壓縮區域的密封效果。在瞬態和非穩態條件下，耐磨材料允許刀片尖端將其自身的通道「機械加工」到殼體中，從而最大程度地減少了刀片與外殼之間的流動路徑。

金屬纖維耐磨密封件適用於航天推進燃氣輪機和陸基公用蒸汽輪機和燃氣輪機。這些密封件平衡了耐侵蝕性和耐腐蝕性以及抗氧化性和在高溫操作中具有耐磨性這些衝突的要求。這些密封件由燒結的耐熱和抗氧化金屬纖維製成，設計成多孔的。替代品包括蜂窩材料和金屬熱噴塗。研究表明，與這些選擇相比，使用耐磨密封件可以將比油耗降低多達2％。這是由於幾個因素。用耐磨的密封件，沒有刀頭磨損或密封材料拾取。此外，「機械加工」密封件所需的工作更少，並且在瞬態過程中去除的材料也更少。

與結合了硬表面密封的系統相比，這些關鍵優勢放寬了對公差的要求，該系統很容易受到摩擦以及由於刀片幹擾外殼而造成的損害。

耐磨的密封件設計為耐摩擦的，因此可以使發動機工作間隙最小化，從而通過限制發動機級之間的氣體洩漏來提高效率。隨著對提高性能的需求不斷提高，已應用於固定式發動機組件的耐磨密封件可在整個360°旋轉中實現刀片尖端和級間迷宮式的完全密封，同時最大程度地減少或消除昂貴旋轉硬體上的磨損。

為燃氣渦輪發動機中的特定位置選擇耐磨的密封件總是涉及衝突要求的折衷。每個位置都有其自身的特定問題，這些問題涉及工作速度，溫度，壓力，壓降，氣體速度，脈動壓力和機械負載，熱循環，氣體撞擊角度，存在的顆粒的大小和數量以及氣體組成。密封材料必須能夠承受嚴格的操作，並在發動機的使用壽命內繼續履行其基本功能。當與高速旋轉接觸時，它必須足夠脆弱才能不造成磨損。該材料還必須足夠堅固，以承受高速氣體和微粒侵蝕。

葉片頂端密封件比級間迷宮式密封件承受更高的氣體速度和更髒的空氣中的壓降，並且設計成可承受更嚴重的腐蝕。級間刀刃密封件由於刀刃的連續摩擦而承受更多的熱量和摩擦，這與刀片尖端的間歇切割作用不同。因此，刀口密封件必須較弱，以消除這種更嚴重的摩擦作用造成的磨損。級間迷宮式密封在清潔空氣中的氣體侵蝕最小，壓縮機的低壓降和氣體流速也很小。但是，這些密封墊可能會因其自身的摩擦碎片而嚴重腐蝕。

如果它太大而不能被洩漏的氣體吹出密封區域。當顆粒大於25微米時，在帶有粉末金屬密封件的壓縮機中會看到這種腐蝕。當來自上遊粉末金屬的可磨蝕或磨蝕塗層形式的粗碎屑吹入密封件時，這個情況也會發生在金屬纖維密封件中。

金屬纖維耐磨密封件由有效直徑為10-20微米，長徑比為60-90：1的細金屬纖維製成。纖維主要是Hastelloy-X，因為它提供了絕大多數應用所需的抗氧化性，但是也可以使用不鏽鋼和FeCrAlY。纖維被「氈化」成片狀並經受燒結循環，其中在纖維之間的接觸點處形成粘結，然後將薄板捲成所需的厚度和密度，並切成一定尺寸。最終產品是一條條狀的軋制纖維金屬材料，準備釺焊或機械連接到殼體中。這種材料本質上是多孔的，其表觀密度通常為鍛造材料的15％至30％。極限抗拉強度（UTS）由燒結粘結的強度和數量決定，通常在500至3,000 psi的範圍內。UTS的設置可以獨立於製造過程中的其他物理屬性。這很重要，因為UTS在很大程度上決定了材料的耐磨性和腐蝕性能。

圖1說明了這些衝突的屬性。「調節」耐磨性和侵蝕性能的能力使設計人員可以靈活地為每種應用選擇最佳材料。

圖2總結了五種不同的耐磨密封材料的腐蝕測試數據。可以預見，纖維金屬材料的腐蝕速率與UTS成反比。腐蝕劑的大小對纖維金屬和鎳石墨的腐蝕速率都有影響。較大的侵蝕顆粒的增加的能量足以破壞這些結構中的燒結鍵。兩種腐蝕尺寸的CoNiCrAlY / hBN / PE和蜂窩材料的結果均相同。

同時也比較了不同材料的體積磨損比或磨損的葉片材料量（理想情況下為零）與去除的密封材料量。運行後硬體的照片如圖3所示。金屬纖維樣品顯示出完全清潔的摩擦，直至最終侵入深度。刀尖上仍可見機加工痕跡，表明摩擦作用幾乎沒有影響，也沒有材料拾取。Hastelloy-X蜂窩樣品也顯示出乾淨的摩擦。但是，實際的磨損量被葉片尖端上的Hastelloy-X材料拾取所掩蓋。CoNiCrAlY / hBN / PE塗層樣品上的摩擦槽也顯示出廣泛的磨損。在摩擦槽中觀察到了可磨損材料剝落或破裂的局部區域。葉片磨損了整個侵入深度，並且由於摩擦作用而顯示出熱變色。鎳石墨塗層樣品中唯一可測量的磨損是塗層剝落的區域。在摩擦軌跡上還可以看到大量的熱量檢查，並且刀片的侵入深度使刀片磨損，並且還表現出熱量變色。

結論


在模擬葉尖應用中發現的條件下，對金屬纖維，蜂窩狀，CoNiCrAlY / hBN / PE和鎳石墨耐磨密封材料進行了評估。根據測試結果，蜂窩耐磨材料並不是特別適合這些應用。大量吸收蜂窩材料，以及較高的腐蝕速率，使其成為不太有吸引力的候選材料。兩種熱噴塗材料在高速下的性能非常差，刀片磨損過大的耐磨性測試無需考慮。在所評估的材料中，金屬纖維表現出耐磨性和侵蝕性能的最佳組合，使其成為公用和航空渦輪機的首選材料。

作為EnPro Industries（紐約證券交易所代碼：NPO）的一部分的Technetics集團為以下領域提供創新的解決方案：

從核反應堆壓力容器到航空發動機以及世界上最關鍵和最苛刻的應用。Technetics Group是全球公認的工程組件，密封件，組件和子系統的來源，這些組件是為半導體，航空航天，發電，石油和天然氣，醫療和其他行業中的高性能和極端應用量身定製的。

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