YSZ陶瓷基可磨耗封严涂层的制备与性能研究
发布时间：2021-06-19 11:14
随着航空工业的迅速发展,全国对发动机的效率提出越来越高的要求。目前减小压气机,涡轮机叶尖与机壳之间间隙的气路封严技术成为提高发动机效率的主要方法。因此,为解决燃气轮机及航天航空发动机在正常工况下整体工作效率低,静子与转子头磨损严重,导致静子与转子间隙变大的问题,本研究优选出适合喷涂于叶片表面和机壳内衬上的可磨耗封严涂层。可磨耗封严涂层作为一种牺牲性涂层,可大幅度的改善燃气轮机及航天航空发动机的气路封闭,提高发动机整体的工作效率与性能,延长使用寿命,因此对可磨耗封严涂层的研究与应用是全世界航天工业的关键问题。本文介绍了在航空工业中常见的气路封严技术和对比分析了不同技术之间的异同点,同时对近年内国内外常见的可磨耗封严涂层材料做了简单的介绍和总结,着重对可磨耗封严涂层材料的成分和配比进行分析和确定。在性能方面,可磨耗封严涂层既要具有可磨耗性,又要具有一定的强度和硬度用于抵御外界冲蚀。为了满足涂层的这一矛盾性能,本文设计了多种YSZ陶瓷基可磨耗封严涂层配比,其中的材料包括YSZ、Ni、h BN及聚苯酯（PHB）。在一定条件下采用固相烧结法制备YSZ陶瓷片,包括8YSZ、9YSZ、10YSZ及1...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涡轮发动机(a)结构示意图；(b)简要组成结构图；(c)剖面示意图
第一章绪论3图1-2[15]表示径向间隙对部件效率及耗油率的影响。由图可知，随着叶片和机匣之间的间隙值增加，发动机燃油效率明显下降，耗油率大幅增加。除此，当压气机的运转间隙过大，就会在工况条件下严重影响发动机的气动特性，且有可能造成喘震，从而导致发动机的稳定性以及寿命下降。因此，为了提高发动机的使用效率及降低油耗，在改善发动机气动性能的时候，适当地减小压气机和涡轮机叶尖与机匣的径向间隙是一种有效的措施。图1-2径向间隙对部件效率及耗油率的影响Fig.1-2Diagramoftheeffectoncomponentefficiencyandfuelconsumption美国GE公司通过对径向间隙的控制，使燃气涡轮发动机的工作效率得以有效提高，文中指出平均每个气路的封闭可以相应地降低热量损耗的0.2-0.6%，同时可使发动机的效率将近提高1%[16]；英国Rolls-royce公司调查研究表明，在发动机上应用相应的封严技术最少可降低整体油耗的0.5%，并且封严涂层的应用还能缓解发动机的叶片磨损，从而延长使用寿命，节约巨大的经济费用[17]。虽然减小气路密封间隙可以提高涡轮发动机的性能，但间隙过小极有可能导致运动部件和静止部件之间发生摩擦，这不但会损伤机件，甚至会导致钛合金零部件之间出现起火的危险。经过研究发现，导致转动部件（叶片及篦齿）与机匣刮擦损伤的主要原因有：发动机的装配公差、零件加工误差、发动机转子与机匣材料热膨胀系数的差异、转子高速旋转引起的叶片伸长、零部件因工作震动而引起的位移和变形以及因起飞、加速、减速等飞行负载的改变及其他外界干扰引起的机械变化[18]。因此，国内外通常在发动机结构设计上保留一定的径向间隙，然后再采用气路封严或涂层封严技术改善发动机的性能。总之，在提高发动机推重比、降低油耗、延长使用寿
轮机、燃气轮机、离心式压缩机、鼓风机等机器中作为级间密封、轴端密封或其他密封的前置密封，该密封技术是在叶轮机械中最常用的密封方式[26]。一般来说，迷宫式密封材料的配对应该是一硬一软：如果在整体制造上采用了硬梳齿，则相应采用软材料衬套；如果用了装备的软材料密封片，则采用硬材料衬套，以免摩擦生热或产生火花引起烧损或爆炸。随着密封的不同要求，最开始的梳齿密封已经演化为很多种经过形状变化的结构型式，包括平滑型、阶梯型、径向排列型等，虽然他们的形状有一些区别，但是基本的功能和原理是一致的，如图1-3。图1-3迷宫式密封的不同结构型式Fig.1-3Differentstructuraltypesoflabyrinthseals根据所查阅的相关资料，平滑型密封制造方便，密封段的轴径可作为光轴，密封结构简单，但密封效果较差[27,30]。阶梯型密封的效果优于平滑型密封，常用于叶轮轮盖的密封，一般有3-5个密封齿。径向排列型密封结构能有效节省迷宫密封的轴向尺寸，同时采用密封片径向排列的形式，其密封效果很好。迷宫式密封的工作原理为：一定压力的气体进入体系后，前面的梳齿将会阻挡迎面而来的流体，部分的流体会立即收缩进入梳齿之间，同时这部分流体仍有一部分进入到下一个梳齿的缝隙中，剩下的流体会与梳齿之间的流体相遇，相互之间的动量会被彼此消耗，从而会有不断的流体进入梳齿，各级梳齿之间相互配合，流体的能量就不断地被消耗在涡旋与梳齿的阻隔作用中，从而达到密封的效果。迷宫式密封在设计和使用过程中，首先应尽量使气流的动能转化为热能，不
【参考文献】：
期刊论文
[1]321和304不锈钢在含硫污水中的应力腐蚀开裂行为研究[J]. 张艳玲,韩磊,宋晓良. 腐蚀科学与防护技术. 2018(05)
[2]采用定制阿基米德天平测试玻璃密度时影响准确性的因素排查及消除措施[J]. 胡亚玲,胡正宜,陈芳芳,张晓燕,李青. 硅酸盐通报. 2017(S1)
[3]溶胶-凝胶法ZrO2/聚苯酯复合材料的性能研究[J]. 谢娇娇. 陶瓷. 2017(12)
[4]热喷涂Cr/Al2O3复合粉末的制备及性能研究[J]. 崔珊,周亮,昌花婷,高希贤,田小伟. 表面技术. 2017(07)
[5]粉末喷涂工艺中颗粒流动性的测试方法[J]. 石彤,Krantz Matthew,邵媛媛,张海萍,张辉,祝京旭. 涂料工业. 2017(07)
[6]汽轮机密封技术应用研究[J]. 杨琦. 中国设备工程. 2017(09)
[7]航空先驱冯如与“冯如二号”[J]. 吴林照. 航空世界. 2016(11)
[8]Rolls-Royce的船用4002kW MT7发动机[J]. 吉桂明. 热能动力工程. 2016(09)
[9]非常规等离子喷涂技术及其特点分析[J]. 洪智亮,郭云珊,石随林. 硅酸盐通报. 2016(05)
[10]热障涂层体系中MCrAlY合金粘接层结构设计及高温氧化行为研究[J]. 唐健江,白宇,张平,刘琨,王玉,杨晶,韩志海,丁秉钧,梁工英. 热喷涂技术. 2015(02)
硕士论文
[1]ZrO2陶瓷基可磨耗封严涂层的制备与性能研究[D]. 宫紫剑.哈尔滨工业大学 2016
[2]氧化钇稳定氧化锆粉体的制备与表征[D]. 黄巧玲.湖南大学 2015
[3]高温可磨耗封严复合涂层的制备及性能研究[D]. 黄伟.武汉理工大学 2011
[4]叶轮机械先进密封的研究[D]. 叶小强.北京化工大学 2006
本文编号：3237707
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涡轮发动机(a)结构示意图；(b)简要组成结构图；(c)剖面示意图
第一章绪论3图1-2[15]表示径向间隙对部件效率及耗油率的影响。由图可知，随着叶片和机匣之间的间隙值增加，发动机燃油效率明显下降，耗油率大幅增加。除此，当压气机的运转间隙过大，就会在工况条件下严重影响发动机的气动特性，且有可能造成喘震，从而导致发动机的稳定性以及寿命下降。因此，为了提高发动机的使用效率及降低油耗，在改善发动机气动性能的时候，适当地减小压气机和涡轮机叶尖与机匣的径向间隙是一种有效的措施。图1-2径向间隙对部件效率及耗油率的影响Fig.1-2Diagramoftheeffectoncomponentefficiencyandfuelconsumption美国GE公司通过对径向间隙的控制，使燃气涡轮发动机的工作效率得以有效提高，文中指出平均每个气路的封闭可以相应地降低热量损耗的0.2-0.6%，同时可使发动机的效率将近提高1%[16]；英国Rolls-royce公司调查研究表明，在发动机上应用相应的封严技术最少可降低整体油耗的0.5%，并且封严涂层的应用还能缓解发动机的叶片磨损，从而延长使用寿命，节约巨大的经济费用[17]。虽然减小气路密封间隙可以提高涡轮发动机的性能，但间隙过小极有可能导致运动部件和静止部件之间发生摩擦，这不但会损伤机件，甚至会导致钛合金零部件之间出现起火的危险。经过研究发现，导致转动部件（叶片及篦齿）与机匣刮擦损伤的主要原因有：发动机的装配公差、零件加工误差、发动机转子与机匣材料热膨胀系数的差异、转子高速旋转引起的叶片伸长、零部件因工作震动而引起的位移和变形以及因起飞、加速、减速等飞行负载的改变及其他外界干扰引起的机械变化[18]。因此，国内外通常在发动机结构设计上保留一定的径向间隙，然后再采用气路封严或涂层封严技术改善发动机的性能。总之，在提高发动机推重比、降低油耗、延长使用寿
轮机、燃气轮机、离心式压缩机、鼓风机等机器中作为级间密封、轴端密封或其他密封的前置密封，该密封技术是在叶轮机械中最常用的密封方式[26]。一般来说，迷宫式密封材料的配对应该是一硬一软：如果在整体制造上采用了硬梳齿，则相应采用软材料衬套；如果用了装备的软材料密封片，则采用硬材料衬套，以免摩擦生热或产生火花引起烧损或爆炸。随着密封的不同要求，最开始的梳齿密封已经演化为很多种经过形状变化的结构型式，包括平滑型、阶梯型、径向排列型等，虽然他们的形状有一些区别，但是基本的功能和原理是一致的，如图1-3。图1-3迷宫式密封的不同结构型式Fig.1-3Differentstructuraltypesoflabyrinthseals根据所查阅的相关资料，平滑型密封制造方便，密封段的轴径可作为光轴，密封结构简单，但密封效果较差[27,30]。阶梯型密封的效果优于平滑型密封，常用于叶轮轮盖的密封，一般有3-5个密封齿。径向排列型密封结构能有效节省迷宫密封的轴向尺寸，同时采用密封片径向排列的形式，其密封效果很好。迷宫式密封的工作原理为：一定压力的气体进入体系后，前面的梳齿将会阻挡迎面而来的流体，部分的流体会立即收缩进入梳齿之间，同时这部分流体仍有一部分进入到下一个梳齿的缝隙中，剩下的流体会与梳齿之间的流体相遇，相互之间的动量会被彼此消耗，从而会有不断的流体进入梳齿，各级梳齿之间相互配合，流体的能量就不断地被消耗在涡旋与梳齿的阻隔作用中，从而达到密封的效果。迷宫式密封在设计和使用过程中，首先应尽量使气流的动能转化为热能，不
【参考文献】：
期刊论文
[1]321和304不锈钢在含硫污水中的应力腐蚀开裂行为研究[J]. 张艳玲,韩磊,宋晓良. 腐蚀科学与防护技术. 2018(05)
[2]采用定制阿基米德天平测试玻璃密度时影响准确性的因素排查及消除措施[J]. 胡亚玲,胡正宜,陈芳芳,张晓燕,李青. 硅酸盐通报. 2017(S1)
[3]溶胶-凝胶法ZrO2/聚苯酯复合材料的性能研究[J]. 谢娇娇. 陶瓷. 2017(12)
[4]热喷涂Cr/Al2O3复合粉末的制备及性能研究[J]. 崔珊,周亮,昌花婷,高希贤,田小伟. 表面技术. 2017(07)
[5]粉末喷涂工艺中颗粒流动性的测试方法[J]. 石彤,Krantz Matthew,邵媛媛,张海萍,张辉,祝京旭. 涂料工业. 2017(07)
[6]汽轮机密封技术应用研究[J]. 杨琦. 中国设备工程. 2017(09)
[7]航空先驱冯如与“冯如二号”[J]. 吴林照. 航空世界. 2016(11)
[8]Rolls-Royce的船用4002kW MT7发动机[J]. 吉桂明. 热能动力工程. 2016(09)
[9]非常规等离子喷涂技术及其特点分析[J]. 洪智亮,郭云珊,石随林. 硅酸盐通报. 2016(05)
[10]热障涂层体系中MCrAlY合金粘接层结构设计及高温氧化行为研究[J]. 唐健江,白宇,张平,刘琨,王玉,杨晶,韩志海,丁秉钧,梁工英. 热喷涂技术. 2015(02)
硕士论文
[1]ZrO2陶瓷基可磨耗封严涂层的制备与性能研究[D]. 宫紫剑.哈尔滨工业大学 2016
[2]氧化钇稳定氧化锆粉体的制备与表征[D]. 黄巧玲.湖南大学 2015
[3]高温可磨耗封严复合涂层的制备及性能研究[D]. 黄伟.武汉理工大学 2011
[4]叶轮机械先进密封的研究[D]. 叶小强.北京化工大学 2006
本文编号：3237707
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