高溫密封系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于氧化環(huán)境中的流體動(dòng)壓密封系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子和密封定子。定子包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理并且轉(zhuǎn)子被硬化，或者定子被硬化并且轉(zhuǎn)子包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理。定子靠近轉(zhuǎn)子定位以提供密封。定子和轉(zhuǎn)子在高于700華氏度(F)的極端溫度下是穩(wěn)固的，使得定子和轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有足以維持在定子與轉(zhuǎn)子之間的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。
【專利說(shuō)明】局溫密封系統(tǒng)
[0001]政府權(quán)利聲明
依據(jù)由(AFRL-WPAFB)授予的FA8650-09-D-2922 0002，在美國(guó)政府的支持下做出本發(fā)明。美國(guó)政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開大體而言涉及用于極端溫度環(huán)境中的材料和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]存在許多高溫環(huán)境，其中采用基于碳的元素的元件不能持續(xù)操作。典型的基于碳的元素在大約和高于700華氏度(F)下遭遇某些嚴(yán)重降解。
[0004]更具體而言，滑動(dòng)部件，諸如包括具有所需部件的活塞和轉(zhuǎn)子裝置的線性或往復(fù)式應(yīng)用，越來(lái)越多地需要在極端環(huán)境中操作。
[0005]在一個(gè)示例中，流體動(dòng)壓(hydrodynamics)面密封和流體動(dòng)壓周向密封為最小化潤(rùn)滑油泄漏的密封技術(shù)。流體動(dòng)壓密封提供一種有吸引力的解決方案，因?yàn)樗鼈冎饕苑墙佑|方式操作，因此增加了密封壽命和在緊湊軸向空間中的可靠性，同時(shí)維持嚴(yán)格的密封公差。流體動(dòng)壓面密封以及流體動(dòng)壓周向密封依靠在旋轉(zhuǎn)密封表面與靜態(tài)密封表面之間壓力分布的發(fā)展而生成盡可能小的操作間隙。必須在旋轉(zhuǎn)密封表面和靜態(tài)密封表面上維持良好的表面光潔度以便保持所需的壓力分布。盡管流體動(dòng)壓密封在大部分操作中是非接觸的，但它們?cè)谵D(zhuǎn)子的啟動(dòng)和停止期間經(jīng)受滑動(dòng)接觸。為了在整個(gè)接觸操作期間最小化磨損和熱裂，并且因此維持高效的流體動(dòng)壓密封，密封部件通常由表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦和磨損特征的材料制成。
[0006]通常由碳制成的傳統(tǒng)流體動(dòng)壓密封件并不適合于在諸如超過(guò)700華氏度(F)的溫度下操作，因?yàn)樵谶@樣的溫度下發(fā)生嚴(yán)重的降解氧化。這樣的嚴(yán)重降解氧化條件的一個(gè)示例在高馬赫渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪油盤(sump)中出現(xiàn)。一旦密封件損壞，整個(gè)油盤便可能出現(xiàn)故障。
[0007]在另一應(yīng)用中，具有以線性方式操作的活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)采用環(huán)和密封件，其具有如本文所指出的相同問(wèn)題。
[0008]因此，需要一種用于操作的系統(tǒng)和方法，其允許增加溫度操作同時(shí)維持完整性和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在一個(gè)方面，本系統(tǒng)提供一種用于氧化環(huán)境中的密封系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)子和密封定子。定子包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理，而轉(zhuǎn)子被硬化，或者定子被硬化，而轉(zhuǎn)子包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理。定子靠近轉(zhuǎn)子定位以提供密封。定子和轉(zhuǎn)子在高于700華氏度(F)的極端溫度下是穩(wěn)固的(robust)，使得定子和轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有足以維持在定子與轉(zhuǎn)子之間的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。[0010]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于氧化環(huán)境中的滑動(dòng)系統(tǒng)，該滑動(dòng)系統(tǒng)包括滑動(dòng)部和密封部。密封部包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理，而滑動(dòng)部被硬化，或者滑動(dòng)部包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理，而密封部被硬化。密封部靠近滑動(dòng)部定位以提供密封。密封部和滑動(dòng)部在高于700華氏度(F)的溫度下是穩(wěn)固的，使得密封部和滑動(dòng)部中的至少一個(gè)具有足以維持在密封部與滑動(dòng)部之間的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]當(dāng)參看附圖來(lái)閱讀下文的詳細(xì)描述時(shí)，本系統(tǒng)的這些和其它特點(diǎn)、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件，其中:
圖1為根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)施例的流體動(dòng)壓密封系統(tǒng)的側(cè)視截面圖；
圖2為圖1的系統(tǒng)的一部分的放大視圖；
圖3為根據(jù)一實(shí)施例的流體動(dòng)壓面密封的操作的示意圖；
圖4描繪了盤在環(huán)上(disc-on-ring)的試驗(yàn)設(shè)備；
圖5為列出了根據(jù)圖4的設(shè)備用于試驗(yàn)的定子和轉(zhuǎn)子中所用的材料的表；
圖6為用于圖5的轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)如和試驗(yàn)后表面粗糖度的圖表；
圖7為用于圖5的轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)如和試驗(yàn)后重量變化的圖表；
圖8為圖5的材料在試驗(yàn)期間的平均扭矩的圖表；
圖9列出了根據(jù)圖4的設(shè)備和圖5的材料用于試驗(yàn)的列表數(shù)據(jù)；
圖10為在階段II試驗(yàn)中試驗(yàn)的定子和轉(zhuǎn)子的表；
圖11為圖10的轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后表面粗糙度的圖表；
圖12為圖10的轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后重量變化的圖表；
圖13為圖10的定子和轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)期間的平均扭矩的圖表；
圖14為圖10的定子和轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)結(jié)果的表；
圖15為根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)施例的活塞和氣缸的頂視圖；以及 圖16為圖15的系統(tǒng)的側(cè)視截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]根據(jù)本發(fā)明的原理，提供用于在極端條件下操作的系統(tǒng)和方法。一個(gè)示例為涂層或母體材料，其允許在極端環(huán)境下操作，特別是用于滑動(dòng)元件。
[0013]在一個(gè)示例中，密封系統(tǒng)在高溫環(huán)境中提供緊密的密封并且以低磨損和表面粗糙度維持小間隙。
[0014]在圖1所描繪的示例性實(shí)施例中，流體動(dòng)壓密封系統(tǒng)10包括被涂布硬涂層的轉(zhuǎn)子20和由固體潤(rùn)滑劑(例如，滲硼因康鎳合金718)組成的密封件30，該固體潤(rùn)滑劑在超過(guò)700華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。在一個(gè)示例中，溫度范圍高達(dá)約1200華氏度(F)。“穩(wěn)固”在本文中被定義為具有足以維持在定子與轉(zhuǎn)子之間約0.0002英寸的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。
[0015]流體動(dòng)壓面密封件(在諸如油氣行業(yè)的行業(yè)中被稱作干氣密封件)由旋轉(zhuǎn)環(huán)和固定環(huán)組成，旋轉(zhuǎn)環(huán)被稱作座或轉(zhuǎn)子(例如轉(zhuǎn)子20)，固定環(huán)被稱作面或定子(例如密封件30)。在一個(gè)實(shí)例中，每個(gè)面密封件的表面光潔度為大約0.1 μ m。在另一示例中，轉(zhuǎn)子的幾何形狀包括徑向凹槽200，該徑向凹槽200從密封面的中心延伸到外徑，如圖3中所描繪。這些凹槽的目的是為了在旋轉(zhuǎn)時(shí)切入操作流體內(nèi)(通常為氣態(tài)烴或干氮?dú)?，且因此朝向凹槽的徑向內(nèi)部210積蓄流體動(dòng)壓力以便分開兩個(gè)密封面。在操作中時(shí)，流體動(dòng)壓密封部可分開(例如，由操作間隙)，并且在分開時(shí)，座(例如轉(zhuǎn)子20)騎行在面(例如密封件30)上方的氣墊上，如圖3中所描繪。如上文所指示，在特定轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)和停止期間，密封部可彼此接觸。根據(jù)一個(gè)示例,座的凹槽為約6 μ m深，并且面-座間隙為約3 μ m。
[0016]系統(tǒng)10為先進(jìn)的流體動(dòng)壓密封，該流體動(dòng)壓密封在極端溫度例如大于700華氏度(F)且在一個(gè)示例中高達(dá)約1200華氏度(F)下在氧化環(huán)境中是穩(wěn)固的。這種密封系統(tǒng)可用于高馬赫渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油盤(例如油盤40)中，例如在圖1至圖2中所描繪的。油盤40可包括軸承50、密封拋油環(huán)60、密封回繞螺紋(windback thread) 70和密封外殼80。還描繪了固定密封件90和旋轉(zhuǎn)迷宮密封件100。操作間隙110存在于密封件30與轉(zhuǎn)子20之間。密封件30可包括表面處理，諸如滲硼因康鎳合金718，其在超過(guò)1000華氏度(F)和高達(dá)至少1200華氏度(F)的溫度下是穩(wěn)固的。流體動(dòng)壓密封的合適操作需要密封表面，該密封表面在整個(gè)操作中維持低表面粗糙度。硬轉(zhuǎn)子涂層(例如，具有HRC 70或更高的洛氏硬度值)和包括適當(dāng)表面處理(例如，滲硼因康鎳合金718)的密封部件的組合導(dǎo)致低摩擦系數(shù)、低磨損率且能在整個(gè)操作期間保持可接受的表面光潔度。在另一示例中，轉(zhuǎn)子可包括所描述的表面處理的材料，而密封部件可以具有硬涂層或者可以以其它方式硬化，使得其具有HRC 70或更高的洛氏硬度值。
[0017]如本文所描述，通常由碳制成的傳統(tǒng)流體動(dòng)壓密封件不適合在超過(guò)700華氏度(F)的溫度下操作，因?yàn)槌霈F(xiàn)導(dǎo)致密封件的災(zāi)難性故障的嚴(yán)重降解氧化。由在高溫下穩(wěn)固的固體潤(rùn)滑劑而不是碳制成流體動(dòng)壓密封件允許操作溫度達(dá)到至少1200華氏度(F)。
[0018]在一個(gè)示例中，高馬赫渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的前、中和后油盤在接近馬赫3的沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡階段時(shí)達(dá)到1000華氏度(F)至約1200華氏度(F)的極端溫度。這種極端溫度遠(yuǎn)超流體動(dòng)壓密封件制造商的當(dāng)前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。如所描述的那樣，由碳制成的當(dāng)前密封件在超過(guò)700F的溫度下經(jīng)受加速氧化。
[0019]研究用來(lái)在1200華氏度(F)下操作的油盤密封件用的各種基片和涂層(例如，用于高馬赫渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油盤)。將用于此環(huán)境中的流體動(dòng)壓學(xué)密封件的參數(shù)包括(例如):1200華氏度(F)下的耐磨性、滑動(dòng)界面處的低摩擦系數(shù)和低發(fā)熱性。如本文所描述，在傳統(tǒng)碳密封件中，嚴(yán)重的降解氧化通常在超過(guò)700華氏度(F)的溫度下出現(xiàn)。希望用于此類密封件中的材料在至少700華氏度(F)、1000華氏度(F)和1200華氏度(F)的范圍正常使用，以提供低泄漏且對(duì)油環(huán)境不敏感。模擬的試驗(yàn)基于操作狀況預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)泄漏(性能)，預(yù)測(cè)熱變形和對(duì)性能的影響，并且表征表面粗糙度對(duì)性能的影響。
[0020]在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高溫材料試驗(yàn)，如在圖4中所描繪，滑動(dòng)磨損試驗(yàn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)子盤130和定子環(huán)140，在轉(zhuǎn)子盤130與定子環(huán)140之間具有間隙150?；瑒?dòng)磨損試驗(yàn)臺(tái)被設(shè)計(jì)用于環(huán)在盤上的試驗(yàn)，其中轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的而定子(密封件)是固定的。這種試驗(yàn)?zāi)７略诟邷?例如高達(dá)1200F)環(huán)境，諸如在高馬赫渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的油盤密封件，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止期間例如在發(fā)生流體動(dòng)壓升力之前或之后發(fā)生的實(shí)際條件(例如，溫度和速度)。
[0021]在一個(gè)示例中，密封件(試驗(yàn)設(shè)置的靜態(tài)定子)由在圖5中列出的材料組成。為了模仿在傳統(tǒng)流體動(dòng)壓和碳密封件中使用的材料組合，相對(duì)于M-15人工石墨，試驗(yàn)WC-Co涂布的因康鎳合金718盤。為了實(shí)現(xiàn)1200華氏度(F)操作溫度，CrC-NiCr轉(zhuǎn)子涂層(在高達(dá)1650華氏度(F)抗氧化)替換目前使用的WC-Co涂層(在高達(dá)1000華氏度(F)抗氧化)。圖5總結(jié)了在任務(wù)3和任務(wù)4中試驗(yàn)的材料。
[0022]試驗(yàn)分成兩個(gè)階段(階段I和階段2)。第一試驗(yàn)階段用來(lái)識(shí)別潛在的密封材料候選物。階段2試驗(yàn)在部件的整個(gè)操作范圍中的多個(gè)等溫線(isotherm)下執(zhí)行。階段I試驗(yàn)以線性速度275ft/s (在試驗(yàn)樣品的外徑處)運(yùn)行?；瑒?dòng)界面處的溫度為1000華氏度(F)。在整個(gè)試驗(yàn)中，接觸壓力保持在3.5psi，這是傳統(tǒng)密封件供貨商規(guī)定的典型接觸壓力。第二試驗(yàn)階段以275ft/s在72華氏度(F) ,400華氏度(F) ,600華氏度(F) ,800華氏度(F)、1000華氏度(F)和1200華氏度(F)的等溫線下進(jìn)行。
[0023]在識(shí)別成功的材料候選物時(shí)評(píng)估的特征為:1)低摩擦系數(shù)；2)良好的耐磨性(由表面粗糙度降級(jí)和磨屑類型量化)；以及3)在滑動(dòng)界面處的低發(fā)熱性。這些特征將組合以在指示的溫度下在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生適當(dāng)操作間隙(例如，0.0002英寸)持續(xù)該密封件的壽命。因此，用以比較材料性能的具體試驗(yàn)度量為:1)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)；2)輪廓測(cè)定法，用來(lái)評(píng)估由磨損和氧化造成的表面光潔度降級(jí)；3)滑動(dòng)界面處的溫度水平；以及4)質(zhì)量損失(用來(lái)評(píng)估磨損)。
[0024]在階段I條件下，即在1000華氏度(F)的腔室溫度、275ft/s的最大表面速度、
3.5psi的磨損表面處負(fù)荷和I小時(shí)的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間下，對(duì)若干材料進(jìn)行試驗(yàn)。圖6為轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)I至試驗(yàn)10的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后表面粗糙度(以微英寸Ra計(jì))的圖表。圖7為轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后重量變化的圖表，并且圖8為這些試驗(yàn)中每一個(gè)期間的平均扭矩的圖表。圖9列出了試驗(yàn)的列表數(shù)據(jù)。
[0025]試驗(yàn)I為M-45人工石墨定子與WC-Co轉(zhuǎn)子(現(xiàn)有技術(shù)材料組合的當(dāng)前狀態(tài))的基線試驗(yàn)。雖然這種材料組合的性能在I小時(shí)磨損試驗(yàn)中是優(yōu)良的，但人工石墨定子材料快速氧化且不適于在所希望的溫度下長(zhǎng)期操作。
[0026]試驗(yàn)2的材料組合在這種操作條件下不能持續(xù)正常工作。選定的SiC材料提供優(yōu)良的磨損特征；然而，它并不提供低摩擦系數(shù)且定子的溫度快速升高。在2分鐘后，熱沖擊造成脆性的SiC定子碎裂為多個(gè)碎片。
[0027]ESK Ekastic T氮化娃和CrCNiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)3材料組合利用非基線材料組合提供最佳的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)3的扭矩(摩擦)水平非常類似試驗(yàn)I的水平，并且試驗(yàn)3的重量減輕值比試驗(yàn)I的值更佳。利用這種材料組合得到的階段I結(jié)果是最有前景的，并且其被選擇為在階段2操作條件下試驗(yàn)。
[0028]試驗(yàn)4和試驗(yàn)5的定子材料部分地由六方氮化硼組成。這種材料具有低摩擦系數(shù)(例如在高于1000華氏度(F)下小于0.2)，石墨的摩擦系數(shù)在高于這個(gè)溫度下顯著增加(例如，超過(guò)0.8)。盡管這些材料有具前景的高溫摩擦數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)4和試驗(yàn)5材料組合在階段I試驗(yàn)條件下表現(xiàn)不佳。這些材料并未選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0029]Tribaloy T-800涂層和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)6材料組合在表面粗糙度和重量減輕方面提供不太成功的結(jié)果。試驗(yàn)6的扭矩(摩擦)水平高于所試驗(yàn)的任務(wù)4涂層之外并且沒(méi)有被選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0030]滲硼因康鎳合金和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)7材料組合在表面粗糙度方面提供不太成功的結(jié)果，考慮到定子粗糙度的增加比所希望的更多。盡管這樣，試驗(yàn)7的扭矩(摩擦)水平低于試驗(yàn)I (碳石墨)的基線扭矩。由這種材料組合導(dǎo)致的這種低扭矩水平是很有前景的，并且其被選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0031]Alcrona涂層定子和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)8材料組合在表面粗糙度、重量減輕和扭矩方面提供不太成功的結(jié)果。這種材料組合并未選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0032]NASA PS304涂層定子和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)9材料組合在表面粗糙度方面提供優(yōu)良的結(jié)果但在重量減輕方面提供不太好的結(jié)果。試驗(yàn)9的扭矩(摩擦)水平低于試驗(yàn)1(碳石墨)的基線扭矩。這種材料組合的該低扭矩水平和低粗糙度變化被選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0033]TiAl合金涂層定子和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)10材料組合在表面粗糙度、重量減輕和扭矩方面提供不太成功的結(jié)果。這種材料組合并未選擇用于階段2試驗(yàn)。
[0034]在圖10中展現(xiàn)的材料組合在階段2條件下試驗(yàn)，即，腔室溫度變化至高達(dá)1200華氏度(F)、275ft/s的最大表面速度、3.5psi的磨損表面處負(fù)荷和I小時(shí)的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。圖11為轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后表面粗糙度的圖表，圖12為轉(zhuǎn)子和定子的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后重量變化的圖表，并且圖13為在這些試驗(yàn)中每一個(gè)期間平均扭矩的圖表。圖14表不關(guān)于試驗(yàn)11、12、13和Ila的列表數(shù)據(jù)。
[0035]滲硼因康鎳合金定子和CrC-NiCr涂層轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)11材料組合能夠在階段2的整個(gè)試驗(yàn)矩陣中持續(xù)正常工作。樣本所經(jīng)歷的表面粗糙度和重量變化類似于在階段I期間所測(cè)量的。在1000華氏度(F)等溫線下測(cè)量的平均扭矩為0.57in-lb，其遠(yuǎn)高于在階段I試驗(yàn)中在此相同等溫線下測(cè)量的平均扭矩(0.13-1n-lb)。這種偏離可歸因于試驗(yàn)臺(tái)在其重建后的變化。
[0036]在試驗(yàn)12和試驗(yàn)13中試驗(yàn)的材料組合并未通過(guò)超過(guò)72華氏度(F)等溫線的試驗(yàn)。由于在試驗(yàn)臺(tái)軸中過(guò)多跑出(excessive run out),兩個(gè)試驗(yàn)都停止。為了確保這些失敗是由于材料性能而不是由于試驗(yàn)臺(tái)重建造成，作為試驗(yàn)11A，對(duì)試驗(yàn)11材料組合重新試驗(yàn)。自IlA收集的數(shù)據(jù)與來(lái)自試驗(yàn)11的數(shù)據(jù)相比非常接近。這種一致性確認(rèn)了試驗(yàn)臺(tái)并未造成試驗(yàn)12和試驗(yàn)13失敗。
[0037]基于階段2試驗(yàn)結(jié)果，滲硼因康鎳合金718和CrC-NiCr涂布的因康鎳合金718分別適于定子或密封件(例如密封件30)和轉(zhuǎn)子(例如，轉(zhuǎn)子20)。特別地，在試驗(yàn)IlA中，平均扭矩低于其它材料，而滲硼因康鎳合金718的粗糙度增加是圖14中列出的其它定子中最少的。因此，如上文所討論使用的這些材料提供高溫兼容性、良好的磨損特征(逐漸而不是災(zāi)難性的)并且能維持良好的表面光潔度。用于定子的其它適當(dāng)材料包括六方氮化硼和NASA PS304涂布的因康鎳合金718。由于試驗(yàn)定子的較小幾何形狀，在階段2試驗(yàn)中的NASA PS304涂層的品質(zhì)不太好，這被認(rèn)為造成階段2試驗(yàn)中重量減輕的不太好的結(jié)果。來(lái)自階段I的數(shù)據(jù)表明這種材料適合用作定子(例如，密封件30)?；诳傻玫降母邷啬Σ料禂?shù)數(shù)據(jù)，六方氮化硼似乎也是用于高溫應(yīng)用中的密封件(例如，密封件30)的碳石墨的合適替代物。例如，密封件或定子可以完全由嵌有固體潤(rùn)滑劑(諸如六方氮化硼)的粘結(jié)劑制成。包括于流體動(dòng)壓密封件定子中的材料應(yīng)允許在高達(dá)1200華氏度(F)的操作溫度(例如，上文所描述的高溫航空發(fā)動(dòng)機(jī))下維持適當(dāng)操作間隙(例如，高達(dá)0.0002in)。另夕卜，在每種特定情形下，轉(zhuǎn)子和定子的材料選擇可以相反，使得定子材料用于轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)子的材料可用于定子。
[0038]在圖15和圖16中所描繪的另一示例中，滑動(dòng)元件100(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞)可以相對(duì)于密封部110(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)缸壁)移動(dòng)，滑動(dòng)元件100與密封部110由間隙120分開。如上文關(guān)于系統(tǒng)10所描述，這些元件可以用于極端溫度環(huán)境中，使得滑動(dòng)元件和/或密封元件可以由上文所描述的材料形成，并且可以具有足以維持在滑動(dòng)元件與密封元件之間大約0.0002英寸的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。例如，滑動(dòng)元件可以由CrC-NiCr形成或者可以被涂布CrC-NiCr，而密封元件可以包括例如滲硼因康鎳合金718、六方氮化硼或NASA PS304涂布的因康鎳合金718。替代地，密封元件與滑動(dòng)元件的這些材料選擇可以相反。
[0039]本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，被描述為適用于經(jīng)受極端環(huán)境諸如超過(guò)700華氏度(F)、約1000華氏度(F)、約1200華氏度(F)和高于1200華氏度(F)的溫度的滑動(dòng)界面(諸如線性或旋轉(zhuǎn))的材料具有低泄漏、對(duì)油環(huán)境的不敏感、以及滑動(dòng)界面處的低耐磨性、低摩擦系數(shù)和低發(fā)熱性。
[0040]應(yīng)了解上文的描述旨在為說(shuō)明性的而不是限制性的。舉例而言，上述實(shí)施例(和/或其方面)可彼此組合使用。此外，可做出許多修改以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下使特定情形或材料適應(yīng)各種實(shí)施例的教導(dǎo)。雖然本文所描述材料的尺寸和類型旨在限定各種實(shí)施例的參數(shù)，但它們絕非限制性的，而只是示例性的。通過(guò)閱讀上文的描述，許多其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，應(yīng)參考所附權(quán)利要求以及所附權(quán)利要求授權(quán)的等效物的整個(gè)范圍來(lái)確定各個(gè)實(shí)施例的范圍。在所附權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括”和“在其中”用作相應(yīng)詞語(yǔ)“包含”和“其中”的簡(jiǎn)明語(yǔ)言等效物。此外，在所附權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”和“第三”等僅用作標(biāo)簽，且并非旨在對(duì)其目的物施加任何數(shù)值要求。另外，所附權(quán)利要求的限制并未以裝置加功能格式書寫且并非旨在基于35 U.S.C.§ 112第六段來(lái)理解，除非且直到這樣的權(quán)利要求限制明確地使用后面為功能陳述而非另一結(jié)構(gòu)的“……裝置”。當(dāng)然應(yīng)了解，根據(jù)任何特定實(shí)施例未必可實(shí)現(xiàn)上文所述的所有這些目的或優(yōu)點(diǎn)。因此例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可被實(shí)施和實(shí)行使得實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化如本文所教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而未必實(shí)現(xiàn)如本文所教導(dǎo)或建議的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。
[0041]雖然僅關(guān)于有限的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)易于了解本發(fā)明并不限于此類公開的實(shí)施例。而是，可修改本發(fā)明以合并之前未描述的任意數(shù)量的變型、更改、替代或等效布置，但這些仍與本發(fā)明的精神和范圍相符。此外，雖然描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但應(yīng)了解，本發(fā)明的方面可僅包括所描述實(shí)施例中的某些。因此，本發(fā)明不應(yīng)視作受前文的描述限制，而是僅受所附權(quán)利要求的范圍限制。
[0042]本書面描述使用示例來(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的專利保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，那么此類其它示例預(yù)期在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于氧化環(huán)境中的密封系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 轉(zhuǎn)子和密封定子； 下列情況之一:所述定子包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理，而所述轉(zhuǎn)子被硬化；和，所述轉(zhuǎn)子包括所述固體潤(rùn)滑劑或所述表面處理，而所述定子被硬化；以及 所述定子靠近所述轉(zhuǎn)子定位以提供密封，所述轉(zhuǎn)子和所述定子在高于700華氏度的溫度下是穩(wěn)固的，使得所述定子和所述轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有足以維持在所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。
2.該密封系統(tǒng)，其中所述操作間隙為約0.0002英寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子由CrC-NiCr涂布的因康鎳合金718組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子包括滲硼因康鎳合金718。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子包括熱壓的六方氮化硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子包括NASAPS304涂布的因康鎳合金718。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子和所述定子包括高溫流體動(dòng)壓升力密封件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子和所述定子包括用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油盤密封件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特`征在于，所述定子在高達(dá)約1200華氏度的溫度下經(jīng)受約3.5psi的負(fù)荷約一小時(shí)時(shí)的粗糙度小于12微英寸Ra。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子包括小于約2.0微英寸Ra的表面粗糙度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子在高達(dá)約1200華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子在高達(dá)約1000華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定子在超過(guò)1200華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括具有至少HRC70硬度的硬涂層。
15.一種用于氧化環(huán)境中的密封系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 滑動(dòng)部和密封部； 下列情況之一:所述密封部包括固體潤(rùn)滑劑或表面處理，而所述滑動(dòng)部被硬化；和，所述滑動(dòng)部包括所述固體潤(rùn)滑劑或所述表面處理，而所述密封部被硬化；以及 所述密封部靠近所述滑動(dòng)部定位以提供密封，所述密封部和所述滑動(dòng)部在高于700華氏度的溫度下是穩(wěn)固的，使得所述密封部和所述滑動(dòng)部中的至少一個(gè)具有足以維持在所述密封部與所述滑動(dòng)部之間的操作間隙的磨損率和表面粗糙度。
16.該密封系統(tǒng)，其中所述操作間隙為約0.0002英寸。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)部由CrC-NiCr涂布的因康鎳合金718組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部包括滲硼因康鎳合金718。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部包括熱壓的六方氮化硼。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部包括NASAPS304涂布的因康鎳合金718。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)部和所述密封部包括高溫流體動(dòng)壓升力密封件。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)部和所述密封部包括用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油盤密封件。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部在高達(dá)約1200華氏度的溫度下經(jīng)受約3.5psi的負(fù)荷約一小時(shí)時(shí)的粗糙度小于12微英寸Ra。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部包括小于約2.0微英寸Ra的表面粗糙度。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部在高達(dá)約1200華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部在高達(dá)約1000華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述密封部在超過(guò)1200華氏度的溫度下是穩(wěn)固的。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系`統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)部包括具有至少HRC70硬度的硬涂層。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)部和密封部在整個(gè)操作期間保持彼此接觸。
【文檔編號(hào)】F01D11/02GK103890320SQ201280052956
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月28日
【發(fā)明者】T.L.斯蒂恩, E.J.魯吉羅, B.科拉蒂伊爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司