带有渐进式磨损区阶地脊的涡轮机可磨耗层的制作方法

包括本申请的以下美国专利申请是同时提交的：

案卷编号为2013P19613US，与此一起提交并分配序列号（未知）的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES（带有渐进式磨损区多深度槽的涡轮机可磨耗层）”；

案卷编号为2013P19614US，与此一起提交并分配序列号（未知）的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE（带有具有易碎或像素化尖突表面的渐进式磨损区的涡轮机可磨耗层）”；

案卷编号为2013P19615US，与此一起提交并分配序列号（未知）的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES（带有不对称的脊或槽的涡轮机可磨耗层）”；

案卷编号2013P20414US，与此一起提交且分配序列号(未知)的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTILEVEL RIDGE ARRAYS（带有渐进式磨损区多级脊阵列的涡轮机可磨耗层）”；

案卷编号为2013P20416US，与此一起提交并分配序列号（未知）的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN（带有之字形槽样式的涡轮机可磨耗层）”；以及

案卷编号为2013P20415US，与此一起提交并分配序列号（未知）的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN（带有嵌套回路槽样式的涡轮机可磨耗层）”。

本申请通过引用并入其他上述相关申请的全部，犹如其内容完全地包含在本文中。

本发明的背景

1. 技术领域

本发明涉及用于涡轮发动机（包括燃气或蒸汽涡轮发动机）的可磨耗表面，包含这样的可磨耗表面的发动机，以及用于减少发动机叶片末端磨损和叶片末端泄漏的方法。更具体地，本发明的各种实施例涉及带有包含多个竖直渐进式磨损区的不同的前部和后部脊和槽平面形态样式和/或轮廓的可磨耗表面。磨损区包括接近可磨耗表面的下部层，用于结构刚性、气流动力学、耐热性和耐热腐蚀性，以及运输磨耗碎片远离涡轮叶片末端。磨损区包括保持期望叶片末端间隙同时又减少叶片末端磨损的上部层。根据本发明的实施例构造的磨损区脊/槽平面形态和轮廓减少叶片末端泄漏以改进涡轮发动机效率。

2. 现有技术的描述

已知涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机）包含轴装式涡轮叶片，涡轮叶片在周向上被涡轮壳体或者外壳包围。流过涡轮叶片的热气体引起叶片旋转，叶片旋转将热气体内的热能转换为机械功，其可用于向诸如发电机等旋转机器提供动力。参照图1-6，诸如燃气涡轮发动机80的已知涡轮发动机包括：多级压缩机部段82、燃烧器部段84、多级涡轮机部段86和排气系统88。大气压力的进入空气通常沿涡轮发动机80的轴向长度在流动箭头F的方向上被吸入到压缩机部段82中。进入空气通过多排旋转压缩机叶片在压缩机部段82中被逐渐地加压，并且由相配的压缩机导叶引导至燃烧器部段84，在该处其与燃料混合并且被点燃。点燃的燃料/空气混合物（现在比原始的进入空气处于更高的压力和速度下）被引导至涡轮机部段86中的相继多排R₁、R₂等。发动机的转子和轴90具有多排翼型横截面形涡轮叶片92，其在压缩机部段82和涡轮机部段86中终止于远端叶片末端94。为了方便和简洁，关于发动机中的涡轮叶片和可磨耗层的进一步讨论将集中在涡轮机部段86的实施例和应用上，尽管类似的结构也可适用于压缩机部段82。每个叶片92均具有凹形轮廓高压侧96和凸形低压侧98。沿燃烧流动方向F流动的高速且高压燃烧气体施加旋转运动在叶片92上，从而使转子转动。如众所周知的，施加在转子轴上的一些机械动力可用于执行有用功。燃烧气体在转子远端由涡轮壳体100且在转子近端由空气密封件102径向地约束。参照图2中示出的第1排（Row 1）部段，相应的上游导叶104和下游导叶106引导上游燃烧气体使其大体上平行于涡轮叶片92的前缘的入射角并且使离开叶片的后缘的下游燃烧气体转向。

接近叶片末端94的涡轮发动机80涡轮壳体100以多个扇形可磨耗部件110作为衬里，每个扇形可磨耗部件110均具有支撑表面112和可磨耗基底120，支撑表面112固持在壳体内并且联接至壳体，可磨耗基底120通过叶片末端间隙G与叶片末端成相对的间隔开的关系。可磨耗基底常常由金属/陶瓷材料构造，该金属/陶瓷材料具有高耐热性和耐热腐蚀性，并且在高燃烧温度下维持结构完整性。由于可磨耗表面120的金属陶瓷材料常常比涡轮叶片末端94的材料更耐磨，因此维持叶片末端间隙G以避免两个相对的部件之间的接触，该接触从最好的角度来看可能引起过早的叶片末端磨损，并且在更糟的情况情形下可能引起发动机损坏。

除了期望防止叶片末端94过早磨损或者与可磨耗基底120接触（如图3中所示）之外，为了理想的气流和功率效率，每个相应叶片末端94均期望地具有相对于可磨耗部件110的一致叶片末端间隙G，该叶片末端间隙G尽可能地小（理想地为零余隙）以最小化在高压叶片侧96和低压叶片侧98之间以及轴向地沿燃烧流动方向F的叶片末端气流泄漏L。然而，制造和操作权衡需要叶片末端间隙G大于零。这种权衡包括相互作用的部件的容差叠加，以便在可接受径向长度容差的更高端上构造的叶片和在可接受径向容差的更低端上构造的可磨耗部件可磨耗基底120在操作期间不过度地彼此影响。类似地，在发动机组装期间出现的小机械对准差异能够引起在叶片末端间隙中的局部变化。例如，在轴向长度为数米的涡轮发动机（其具有多米的涡轮壳体可磨耗基底120内径）中，非常小的机械对准差异就能够导致几毫米的局部叶片末端间隙G变化。

在涡轮发动机80操作期间，涡轮发动机壳体100可经历如图4和图6中示出的失圆（例如，卵形）热变形。当发动机被点燃以生成功率并且随后被冷却以便在数千小时的功率生成之后进行维护时，壳体100热变形可能性在涡轮发动机80的操作循环之间增加。通常，如图6中所示，与右侧周向位置124和左侧周向位置128（即，3:00和9:00）相比，更大的壳体100和可磨耗部件110变形倾向于发生在最上部壳体周向位置122和最下部壳体周向位置126（即，6:00位置和12:00位置）处。如果，例如如图4中所示，6:00位置处的壳体变形引起叶片末端与可磨耗基底120接触，则叶片末端中的一个或多个可以在操作期间被磨损，从而在涡轮壳体100的各种其他变形更小的周向部分中使叶片末端间隙局部地从理想间隙G增加至如图5中示出的更大间隙G_W。过大的叶片间隙G_W变形增加叶片末端泄漏L，从而将热燃烧气体转向远离涡轮叶片92翼面，由此减小涡轮发动机的效率。

过去利用平坦的可磨耗表面基底120并且保守地选择叶片末端间隙G规格以提供至少最小的总余隙，从而防止叶片末端94和可磨耗表面基底在广泛的涡轮机部件制造容差叠加、组装对准差异和热变形下相接触。因此，为避免末端/基底接触而选择的相对宽的保守间隙G规格牺牲了发动机效率。提高发动机效率以便节约燃料的商业期望已驱使叶片末端间隙G规格向更小的规格发展：优选地不大于2毫米且期望地接近1毫米。

为了减少叶片末端/基底接触的可能性，可磨耗表面被构造为带有三维平面形态轮廓，诸如在图7-11中所示。图7和图10的示例性已知可磨耗表面部件130具有基层支撑部131，用于联接到涡轮壳体100。多个脊132分别具有共同高度H_R的远端脊末端表面134，该远端脊末端表面134限定叶片末端94与其本身之间的叶片末端间隙G。每个脊还具有侧壁135和136，该侧壁135和侧壁136从基底表面137延伸且限定在连续脊的相对侧壁之间的槽138。脊132在连续脊的中心线之间以平行间隔S_R排列并且限定槽宽度W_G。由于可磨耗部件表面对称，所以槽深度D_G对应于脊高度H_R。与可磨耗的坚固（solid）平滑表面相比，在叶片末端间隙G变得很小以致于允许叶片末端94接触一个或多个末端134的情况下，脊132具有更小的横截面和更有限的磨耗接触。然而，与先前连续的平坦可磨耗表面相比，相对高且宽地间隔开的脊132允许叶片泄漏L进入脊之间的槽138中。为了减少叶片末端泄漏L，脊132和槽138在水平方向上定向为在燃烧流动F（未示出）的方向上或者对角地定向成跨越可磨耗表面137的宽度（如在图7中示出），使得其将倾向于抑制泄漏。其他已知的可磨耗部件140（在图8中示出）具有以十字形样式排列的槽148，从而形成带有平坦等高的脊末端144的菱形脊平面形态142。其他已知的可磨耗部件已采用图9和图11中示出的三角圆形或者末端平坦的三角形脊152。在图9和图11的可磨耗部件150中，每个脊152均具有终止在平坦脊末端154中的对称侧壁155、156。所有脊末端154均具有共同高度H_R并且从基底表面157突出。槽158是弯曲的并且具有与叶片末端94的弧形线类似的平面形态轮廓。弯曲的槽158通常比图7和图8中示出的可磨耗部件的线性槽138或148更难以形成。

过去的可磨耗部件设计已需要在由叶片末端和可磨耗表面之间的接触所导致的叶片末端磨损和使涡轮发动机操作效率减小的叶片末端泄漏之间进行苛刻的折衷。优化发动机操作效率需要减小的叶片末端间隙和光滑、一贯平坦的可磨耗表面拓扑结构，以阻止通过叶片末端间隙的空气泄漏，从而改进初始发动机性能并节约能量。然而，这种发动机效率优化最终冒着过早叶片末端磨损的风险，从而在发动机操作循环期间打开叶片末端间隙且最终降低更长期发动机性能效率。作为减小叶片末端间隙同时减小在脊末端和叶片末端之间的潜在摩擦接触表面面积的折中方案，添加一致高度的可磨耗表面脊减小过早叶片末端磨损/增加叶片末端间隙的可能性，但是代价是到脊之间的槽中的叶片末端泄漏增加。如上所述，已经尝试通过改变脊阵列的平面形态定向来以减少叶片末端泄漏流动，以试图阻挡或者以其他方式控制到槽中的泄漏气流。

技术实现要素：

本发明的各种实施例的目的是尽管存在由诸如部件容差叠加、组装对准差异、在一个或多个发动机操作循环期间涉及的叶片/壳体变形等因素引起的局部变化，但仍以不会不适当地引起过早叶片末端磨损的方式，通过减小和控制叶片末端间隙来提高发动机效率性能。

在可磨耗表面和叶片末端已经彼此接触的局部磨损区中，本发明的各种实施例的目的是最小化叶片末端磨损，同时维持在这些区中的最小化的叶片末端泄漏并且在这些局部磨损区外侧维持相对窄的叶片末端间隙。

本发明的其他实施例的目的是在不会不适当地导致过早叶片末端磨损的风险的情况下，与已知可磨耗部件的可磨耗表面相比，减小叶片末端间隙以增加涡轮机操作效率，其中过早叶片末端磨损可能由于局部叶片末端/可磨耗表面接触区的潜在增加的数量产生。

本发明的又其他实施例的目的是通过利用可磨耗表面脊和槽复合不同的前部和后部轮廓和抑制叶片末端泄漏和/或使叶片末端泄漏转向的平面形态阵列来减少叶片末端泄漏。

本发明的额外实施例的目的是提供槽通道，以便将磨耗的材料和其他颗粒物质沿可磨耗表面轴向地运输通过涡轮机，使得它们不影响或者以其他方式磨耗旋转的涡轮叶片。

在本发明的各种实施例中，涡轮壳体可磨耗部件具有不同的前部上游和后部下游复合多定向槽和竖直突出脊平面形态样式，以减小、转向和/或阻挡在下游进入槽中的（而不是从涡轮叶片翼面高压侧到低压侧）叶片末端气流泄漏。平面形态样式实施例是具有不同的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导截留在槽内侧的气体流动朝向下游燃烧流动F方向，以阻止气体流动泄漏沿局部叶片泄漏方向L直接从涡轮叶片翼面的压力侧朝着翼面的抽吸侧。前部区大体上被限定在叶片翼面的前缘和在截点处的中弦线之间，在所述截点处，平行于涡轮机80轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切：翼面的总轴向长度的大致三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后部区 B。后部下游区B的槽和脊在角度上定向成与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角度或者后缘角度的近似30%至120%。

在本发明的其他各种实施例中，可磨耗部件构造有竖直突出的脊或者肋状物，该脊或者肋状物具有第一下部磨损区和第二上部磨损区。脊的第一下部区（接近可磨耗表面）被构造成利用平面形态阵列和突出部优化发动机气流特性，其中平面形态阵列和突出部被调整以减小、转向和/或阻挡叶片末端气流泄漏到脊之间的槽中。脊的下部区也被优化以改进可磨耗部件及表面机械和热结构完整性、耐热性、耐热腐蚀性以及磨损寿命。脊的上部区在下部区的上方形成，并且被优化以通过比下部区可更易磨耗来最小化叶片末端间隙和磨损。可磨耗部件的各种实施例利用上部子脊或者尖突具有比下部区肋状物结构更小的横截面面积更容易地实现上部区的磨耗性。在一些实施例中，上部子脊或者尖突被形成为在较小程度的叶片末端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片末端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化（pixelated）成上部磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片末端局部接触的那些尖突被磨损，同时在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，但其相比于先前已知的整体式脊引起更少的叶片末端磨损。在本发明的实施例中，当上部区脊部分被磨掉时，其余下部脊部分通过控制叶片末端泄漏来保持发动机效率。在局部叶片末端间隙被进一步减小的情况下，叶片末端在该位置处磨掉下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧的相对更高的脊维持更小的叶片末端间隙，以保持发动机性能效率。在根据本发明的实施例构造的可磨耗部件中，能够采用两个以上的分层磨损区（例如，上部/中部磨损区和下部磨损区）。

在一些发明实施例中，脊和槽轮廓以及平面形态阵列通过形成具有选定定向角度和/或横截面轮廓（被选择以减少叶片末端泄漏）的多层槽局部地或者贯穿可磨耗部件普遍地被调整。在一些实施例中，可磨耗部件表面平面形态阵列以及脊和槽的轮廓提供改进的叶片末端泄漏气流控制，而且也促进比已知可磨耗部件更简单的制造技术。

这些和其他暗示的目的中的一些在本发明的一个或多个实施例中通过涡轮机可磨耗部件实现，其特征在于：用于联接到涡轮壳体的支撑表面；联接到支撑表面的可磨耗基底，其具有适于接近旋转涡轮叶片末端周向扫掠路径定向的基底表面；和至少一个阶梯状横截面轮廓第一脊，其从基底表面突出。阶梯状脊具有接近基底表面的第一部分，其带有成对的第一相对侧壁，所述相对侧壁终止在具有第一横截面宽度的平台中；和第二部分，其通过终止在脊末端中的成对第二相对侧壁限定且具有小于第一横截面宽度的第二横截面宽度。在脊的至少一侧上的第一和第二对应壁通过平台彼此侧向偏置。

本发明的其他实施例涉及用于减少涡轮发动机叶片末端磨损的方法，所述方法的特征在于：提供涡轮机，所述涡轮机具有涡轮外壳、转子，该转子具有旋转地安装在涡轮外壳中的叶片，叶片的远端末端形成沿叶片旋转方向并在轴向上相对于涡轮外壳的叶片末端周向扫掠路径；以及将大体拱形可磨耗部件以与叶片末端相对的间隔开的关系插入在外壳中，限定在其之间的叶片间隙。所插入的可磨耗部件具有：用于联接到涡轮壳体的支撑表面；在面朝叶片末端的支撑表面上的可磨耗基底表面，其具有符合扫掠路径的表面轮廓，且具有从基底表面突出的至少一个阶梯状横截面轮廓第一脊。第一脊的特征在于：接近基底表面的第一部分，其带有终止在具有第一横截面宽度的平台中的成对第一相对侧壁；和第二部分，其通过终止在脊末端中的成对第二相对侧壁限定且具有小于第一横截面宽度的第二横截面宽度。在脊的至少一侧上的第一和第二对应壁通过平台彼此侧向偏置。操作涡轮发动机，以便在叶片末端和可磨耗表面之间的任何接触首先磨耗基底第一脊的第二部分，并且第一脊的第一部分抑制在叶片末端和基底表面之间的涡轮机气体流动，而不摩擦叶片末端。

本发明的又其他实施例涉及涡轮发动机，包括：涡轮外壳；具有旋转地安装在涡轮外壳中的叶片的转子，其远端末端形成沿叶片旋转方向且在轴向上相对于涡轮外壳的叶片末端周向扫掠路径；和可磨耗部件。可磨耗部件的特征在于：联接到涡轮外壳且包围涡轮外壳的至少内侧部分的支撑表面；和联接到支撑表面的可磨耗基底，其具有接近叶片末端周向扫掠路径对齐的基底表面。多个阶梯状横截面轮廓第一脊从基底表面朝涡轮叶片突出。每个第一脊的特征在于：接近基底表面的第一部分，其带有终止在具有第一横截面宽度的平台中的成对第一相对侧壁；和第二部分，其通过终止在脊末端中的成对第二相对侧壁限定且具有小于第一横截面宽度的第二横截面宽度。在第一脊的至少一侧上的第一和第二对应壁通过平台彼此侧向偏置。

本发明的相应目的和特征可通过本领域技术人员共同地或各自地以任何组合或者子组合应用。

附图说明

通过考虑结合附图的以下详细描述，能够容易地理解本发明的教导，在附图中：

图1是示例性已知燃气涡轮发动机的局部轴向横截面视图；

图2是第1排涡轮叶片和导叶的详细横截面立视图，其示出在图1的涡轮发动机的叶片末端和可磨耗部件之间的叶片末端间隙G；

图3是已知涡轮发动机的径向横截面示意图，其中所有叶片与围绕发动机可磨耗表面的所有周向定向之间具有理想的一致叶片末端间隙G；

图4是失圆的已知涡轮发动机的径向横截面示意图，其示出叶片末端和可磨耗表面在12:00最上部周向位置和6:00最下部周向位置处接触；

图5是已经在操作服务中的已知涡轮发动机的径向横截面示意图，该已知涡轮发动机带有大于原始设计规格的叶片末端间隙G的过大叶片末端间隙G_w；

图6是已知涡轮发动机的径向横截面示意图，其重点突出了更可能造成叶片末端磨损的周向区和更不可能造成叶片末端磨损的区；

图7-9是用于涡轮发动机可磨耗表面的已知脊和槽样式的平面视图或平面形态视图；

图10和图11分别是沿着图7和图9的截面C-C截取的用于涡轮发动机可磨耗表面的已知脊和槽样式的横截面立视图；

图12-17是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的“曲棍”构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，其中，涡轮叶片示意性叠置；

图18和图19是根据本发明的另一示例性实施例的用于涡轮发动机可磨耗表面的另一“曲棍”构造的脊和槽样式（其包括与涡轮叶片旋转方向对齐的竖直定向的脊或肋状物阵列）和涡轮叶片的示意性叠置的平面视图或平面形态视图；

图20是对于在图12-17中示出的类型的相应示例性连续槽曲棍可磨耗表面轮廓和在图18和图19中示出的类型的带有截断竖直脊曲棍可磨耗表面轮廓的分裂槽，从前缘到后缘的模拟叶片末端泄漏质量流量的比较图表；

图21是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的另一“曲棍”构造的脊和槽样式（具有交叉的脊和槽）以及涡轮叶片的示意性叠置的平面视图或平面形态视图；

图22是根据本发明的另一示例性实施例的类似于图18和图19的那些的用于可磨耗表面的另一“曲棍”构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括竖直定向的脊阵列，该脊阵列沿涡轮发动机的轴向流动方向在可磨耗表面上侧向交错；

图23是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括沿涡轮发动机的轴向流动方向在可磨耗表面上水平定向的脊和槽阵列；

图24是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括在可磨耗表面上对角定向的脊和槽阵列；

图25是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括在可磨耗表面上的V形脊和槽阵列；

图26-29是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的嵌套回路构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，其中，示意性叠置涡轮叶片；

图30-33是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的迷宫或螺旋构造的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，其中，示意性叠置涡轮叶片；

图34和图35是根据本发明的另一示例性实施例的用于涡轮发动机可磨耗件的带有弯曲肋状物过渡部段构造的脊和槽样式的复合角和涡轮叶片的示意性叠置的平面视图或平面形态视图；

图36是对于本发明的图34和图35的类型的带有弯曲的肋状物过渡部段构造的脊和槽样式可磨耗表面的相应示例性复合角、在图7中示出的类型的示例性已知对角脊和槽样式，以及已知的轴向对齐脊和槽样式可磨耗表面的可磨耗表面轮廓，从前缘到后缘的模拟叶片末端泄漏质量流量的比较图表；

图37是根据本发明的示例性实施例的用于可磨耗表面的多高度或隆起（elevation）脊轮廓构造和对应槽样式的平面视图或平面形态视图；

图38是图37的可磨耗表面实施例沿其C-C截取的横截面视图；

图39是图37和图38的运动的叶片末端和可磨耗表面实施例的示意性立视横截面视图，其示出根据本发明的实施例的叶片末端泄漏L和叶片末端边界层流动；

图40和图41是类似于图39的示意性立视横截面视图，其示出根据本发明的实施例的叶片末端间隙G、槽和脊多高度或隆起尺寸；

图42是类似于图11的已知可磨耗表面脊和槽轮廓的立视横截面视图；

图43是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的多高度或隆起阶梯状轮廓脊构造和对应槽样式的立视横截面视图；

图44是用于本发明的可磨耗表面的多高度或隆起阶梯状轮廓脊构造和对应槽样式的另一实施例的立视横截面视图；

图45是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的多深度槽轮廓构造和对应脊样式的立视横截面视图；

图46是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的不对称轮廓脊构造和对应槽样式的立视横截面视图；

图47是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的不对称轮廓脊构造和多深度平行槽轮廓样式的透视图；

图48是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的不对称轮廓脊构造和多深度交叉槽轮廓样式的透视图，其中，上部槽相对于脊末端纵向倾斜；

图49是用于可磨耗表面的不对称轮廓脊构造和多深度交叉槽轮廓样式的本发明的另一实施例的透视图，其中，上部槽垂直于脊末端且相对于脊末端纵向偏斜；

图50是根据本发明的另一实施例的用于可磨耗表面的在对称轮廓脊中的多深度、平行槽轮廓构造的横截面视图的立视横截面视图；

图51和图52是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的在对称轮廓脊中的多深度、平行槽轮廓构造的相应立视横截面视图，其中，上部槽相对于脊末端侧向倾斜；

图53是根据本发明的实施例，具有不对称的非-平行壁脊和多深度槽的可磨耗表面的透视图；

图54-56是根据本发明的替代实施例的用于可磨耗表面的在梯形轮廓脊中的多深度、平行槽轮廓构造的相应立视横截面视图，其中，上部槽垂直于脊末端或相对于其侧向倾斜；

图57是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的多级交叉槽样式的平面视图或平面形态视图；

图58是根据本发明的实施例的阶梯状轮廓可磨耗表面脊的透视图，其中，上级脊具有从下部脊平台突出的像素化竖立尖突的阵列；

图59是沿图58的C-C截取的从下部脊平台突出的成排像素化竖立尖突的立视图；

图60是根据本发明的实施例的图59的竖立尖突的替代实施例，其中，接近尖突末端的尖突部分由一层具有与该层下方的材料不同的物理性质的材料构造；

图61是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片末端使尖突弯曲；

图62是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片末端剪掉竖立尖突的全部或部分，从而使下部脊及其平台完好且通过叶片末端间隙与叶片末端径向地间隔开；以及

图63是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片末端已经剪掉全部的竖立尖突且正在磨耗下部脊部分的平台表面。

为了促进理解，在可能的情况下，已经使用相同的参考数字来指代附图中所共有的相同元件。附图未按照比例绘制。贯穿本文中所描述的各种发明实施例已利用针对尺寸、横截面、流体流动、涡轮叶片旋转、轴向或者径向定向以及流体压力的以下共同标识符：

A 可磨耗表面的前部或上游区；

B 可磨耗表面的后部或下游区；

C-C 可磨耗横截面；

D_G 可磨耗槽深度；

F 通过涡轮发动机的流动方向；

G 涡轮叶片末端到可磨耗表面间隙；

G_w 磨损涡轮叶片末端到可磨耗表面间隙；

H_R 可磨耗脊高度；

L 涡轮叶片末端泄漏；

P 可磨耗表面平面视图或平面形态；

P_p 涡轮叶片更高压力侧；

P_s 涡轮叶片更低压力侧或抽吸侧；

R 涡轮叶片旋转方向；

R₁ 涡轮发动机涡轮机部段的第一排；

R₂ 涡轮发动机涡轮机部段的第二排；

S_R 可磨耗脊中心线间隔；

W_G 可磨耗槽宽度；

W_R 可磨耗脊宽度；

α相对于涡轮发动机轴向尺寸的可磨耗槽平面形态角度；

β 相对于可磨耗表面竖直或垂直的可磨耗脊侧壁角度；

γ 相对于可磨耗脊高度的可磨耗槽前部-后部倾斜角度；

Δ 相对于可磨耗脊纵向轴线的可磨耗槽偏斜角度；

ε 相对于可磨耗表面和/或脊表面的可磨耗上部槽倾斜角度；以及

Φ 可磨耗槽拱形角度。

具体实施方式

本文中所描述的发明的实施例能够容易地用在用于涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机）的可磨耗部件中。在各种实施例中，涡轮壳体可磨耗部件具有不同的前部上游和后部下游复合多定向槽和竖直突出的脊平面形态样式，以减小、转向和/或阻挡在下游泄漏到槽中而不是从涡轮叶片翼面高压侧到低压侧的叶片末端气流泄漏。平面形态样式的实施例是具有不同的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导被截留在槽内侧的气体流动朝向下游燃烧流动F方向，以阻止气体流动泄漏沿局部叶片泄漏方向L直接从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧。前部区大体上被限定在叶片翼面的前缘和在截点处的中弦线之间，在所述截点处，平行于涡轮机轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切：大致为翼面的总轴向长度的三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后部区B。后部下游区B的槽和脊在角度上定向为与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角度或后缘角度的近似30%至120%。

在本发明的各种实施例中，可磨耗部件被构造成带有竖直突出的脊或者肋状物，该脊或者肋状物具有第一下部磨损区和第二上部磨损区。脊的第一下部区（接近可磨耗表面）被构造以利用平面形态阵列和突出部来优化发动机气流特性，其中，平面形态阵列和突出部被调整以减小、转向和/或阻挡叶片末端气流泄漏到脊之间的槽中。在一些实施例中，上部磨损区是下部磨损区高度或者总脊高度的近似1/3-2/3。脊和槽以多样的对称和不对称横截面轮廓和平面形态阵列构造，以使叶片末端泄漏流动转向和/或易于制造。在一些实施例中，槽宽度是脊宽度或者下部脊宽度（如果存在多宽度堆叠的脊）的近似1/3-2/3。在各种实施例中，脊的下部区也被优化以改进可磨耗部件及表面机械和热结构完整性、耐热性、耐热腐蚀性以及磨损寿命。脊的上部区在下部区的上方形成，并且被优化以通过比下部区可更容易磨耗来最小化叶片末端间隙和磨损。可磨耗部件的各种实施例利用上部子脊或者尖突具有比下部区肋状物结构更小的横截面面积更容易地实现上部区的磨耗性。在一些实施例中，上部子脊或者尖突被形成为在较小程度的叶片末端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片末端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化成上部磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片末端局部接触的那些尖突被磨损，同时在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，但其相比于先前已知的整体式脊引起更少的叶片末端磨损。在本发明的实施例中，当上部区脊部分被磨掉时，其余下部脊部分通过控制叶片末端泄漏来保持发动机效率。在局部叶片末端间隙被进一步减小的情况下，叶片末端磨掉在该位置处的下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧的相对更高的脊维持更小的叶片末端间隙，以保持发动机性能效率。在根据本发明的实施例构造的可磨耗部件中，能够采用两个以上的分层磨损区（例如，上部/中部磨损区和下部磨损区）。

在一些发明实施例中，脊和槽轮廓以及平面形态阵列通过形成具有选定定向角度和/或横截面轮廓（被选择以减少叶片末端泄漏并且改变脊横截面）的多层槽局部地或者贯穿可磨耗部件普遍地被调整。在一些实施例中，可磨耗部件表面平面形态阵列以及脊和槽的轮廓提供改进的叶片末端泄漏气流控制，而且还促进比已知可磨耗部件更简单的制造技术。

在一些实施例中，可磨耗部件及其可磨耗表面由具有已知组分和已知层样式/尺寸的多层陶瓷材料构造。在实施例中，脊通过已知的附加过程构造在可磨耗表面上，其中所述已知的附加过程喷涂（不使用掩模或者通过掩模）、层打印或者以其他方式将陶瓷施加至基底（带有或者不带有在下面的附加支撑结构）。槽被限定在邻接的已添加脊结构之间的空隙中。在其他实施例中，通过使用已知过程（例如，机加工、研磨、水射流切割或者激光切割或者它们中的任何的组合）从基底磨耗或者以其他方式移除材料来构造槽，其中槽壁限定分开的脊。本文中所描述的实施例可以采用添加的脊和/或移除材料的槽的组合。利用适于联接至涡轮发动机壳体的已知支撑结构和已知可磨耗表面材料组成（诸如，粘合涂层基部、热涂层以及一层或多层抗热/耐热顶部涂层）构造可磨耗部件。例如，上部磨损区能够由可磨耗材料构造，所述可磨耗材料具有与紧接着在其下方的另一层或者其他相继层不同的组成和物理性质。

尽管本文中未详细具体地描述本发明的实施例和特征的每一种可能组合，但是能够组合本文中所描述的各种可磨耗部件的脊和槽轮廓以及槽和脊的阵列以满足不同涡轮机应用的性能需求。

可磨耗表面平面形态

图12-37以及图57中示出了示例性发明实施例的可磨耗表面脊和槽平面形态样式。与在整个可磨耗表面上均一致的已知可磨耗平面形态样式不同，许多本发明的平面形态样式实施例是具有不同的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导截获在槽内侧的气体流动朝向下游燃烧流动F方向，以阻止气体流动泄漏沿局部叶片泄漏方向L直接从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧。前部区大体上限定在叶片92翼面的前缘和在截点处的中弦线之间，在所述截点处，平行于涡轮机80轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切。从更加粗略概括的视角来看，前部区A的轴向长度还能够被限定为大体上是翼面的总轴向长度的大致三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后部区B。根据本发明的实施例能够构造两个以上的轴向定向的平面形态阵列。例如，能够在可磨耗部件表面上构造前部、中部以及后部脊/槽阵列平面形态。

图12-19、图21、图22、图34-35、图37和图57中示出的实施例具有曲棍状平面形态样式。前部上游区A的槽和脊大体平行（+/-10%）于涡轮机80（见图1）内的燃烧气体轴向流动方向F对齐。后部下游区B的槽和脊在角度上定向为与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角度或后缘角度的近似30%至120%。为了设计方便，下游角度选择能够被选择成与下述任一项相匹配：涡轮叶片高压或低压平均的（线性平均线）侧壁表面或者弧形角度（例如，见图14的在高压侧上的角度α_B2，始于区B开始表面处并且止于叶片后缘处）、后缘角度（例如，见图15的角度α_B1）、使前缘和后缘之间匹配连接的角度（例如，见图14的角度α_B1）或者在这种叶片几何结构建立的角度之间的任何角度，诸如α_B3。曲棍状脊和槽阵列平面形态样式与纯粹水平或者对角的已知平面形态阵列样式一样相对容易形成在可磨耗表面上，但在流体流动模拟中，曲棍状样式具有比这些已知的单向平面形态样式中的任一者都更小的叶片末端泄漏。曲棍状样式通过已知的切割/磨耗或者附加层构建方法形成，这些已知方法先前已被用于形成已知的可磨耗部件脊和槽样式。

在图12中，可磨耗部件160具有相对于轴向涡轮机轴向流动方向F定向在+/-10度内的角度α_A处的前部脊/脊末端162A/164A以及槽168A。后部脊/脊末端162B/164B以及槽168B被定向在近似涡轮叶片92后缘角度的角度α_B处。如图12中示意性地示出的，前部脊162A阻挡前部区A的叶片泄漏方向并且后脊162B阻挡后部区B的叶片泄漏L。水平间隔部脊169周期性地定向为轴向地跨越整个叶片92的占用空间并且围绕可磨耗部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片末端泄漏L，但与已知设计的平坦连续表面不同，可磨耗表面减小可引起叶片末端接触和磨损的潜在表面面积。

图13的可磨耗部件170实施例类似于图12的可磨耗部件实施例，其中前部部分脊172A/174A以及槽178A定向为大体上平行于涡轮机燃烧气体流动方向F，同时后脊172B/174B以及槽178B定向为在近似等于在始于区B的涡轮叶片92的压力侧到叶片后缘之间形成的角度的角度α_B处。与图12的实施例一样，水平间隔部脊179周期性地定向为轴向地跨越整个叶片92的占用空间并且围绕可磨耗部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片末端泄漏L。

图14的可磨耗部件180实施例类似于图12和图13的实施例，其中前部部分脊182A/184A以及槽188A定向为大体上平行于涡轮机燃烧气体流动方向F，同时后脊182B/184B以及槽188B选择性地以角度α_B1至α_B3中的任何角度定向。角度α_B1是形成在叶片92的前缘与后缘之间的角度。如图13中那样，角度α_B2近似平行于与后部区B成相对关系的涡轮叶片92高压侧壁的部分。如图14中所示，后脊182B/184B以及槽188B实际上定向在角度α_B3处，该角度α_B3是角度α_B2的大致50%。与图12的实施例一样，水平间隔部脊189周期性地定向为轴向地跨越整个叶片92的占用空间并且围绕可磨耗部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片末端泄漏L。

在图15的可磨耗部件190实施例中，前部脊192A/194A和槽198A以及角度α_A类似于图14的前部脊和槽以及角度，但后部脊192B/194B以及槽198B具有比图14更窄的间隔和宽度。图15中所示的后部脊192B/194B以及槽198B的替代角度α_B1与涡轮叶片92的后缘角度相匹配，图12中的角度α_B也是如此。实际角度α_B2近似平行于与后部区B成相对关系的涡轮叶片92高压侧壁的部分，如图13中那样。替代角度α_B3和水平间隔部脊199与图14的角度和水平间隔部脊相匹配，尽管也能够利用角度或者间隔部脊的其他阵列。

图16和图17中示出了替代间隔部脊样式。在图16的实施例中，可磨耗部件200包含全长间隔部脊209以及附加前部间隔部脊209A的阵列，其中，全长间隔部脊209跨越涡轮叶片92的整个轴向占用空间，附加前部间隔部脊209A插在全长脊之间。附加前部间隔部脊209A在接近前缘的叶片92部分中提供附加阻挡或叶片末端泄漏。在图17的实施例中，可磨耗部件210具有全长间隔部脊219以及前部间隔部脊219A和后部间隔部脊219B的周向交错阵列的样式。当叶片92扫掠可磨耗部件210表面时，周向交错的脊219A/B提供叶片末端泄漏的周期性阻挡或者中断，且贯穿可能引起过早叶片末端磨损的扫掠没有持续接触的可能性。

尽管先前已经讨论了水平间隔部脊的阵列，但本发明的其他实施例包括竖直间隔部脊。更具体地，图18和图19的可磨耗部件220实施例包含前部脊222A，该前部脊222A之间是槽228A。这些槽由交错的前部竖直脊223A截断，该交错的前部竖直脊223A与前部脊222A相互连接。竖直如图18中所示，交错的前部竖直脊223A形成一系列从左至右向下倾斜的对角阵列。全长竖直间隔部脊229在前部区A与后部区B之间的过渡区T中定向。后部脊222B和槽228B成角度地定向，从而利用前部脊222A和槽228A使曲棍状平面形态阵列完整。交错的后竖直脊223B类似于前部竖直脊223A那样排列。竖直脊223A/B和229中断从前部部分至后部部分穿过可磨耗部件220槽的大体轴向气流泄漏，否则大体轴向气流泄漏将在图12-17的未截断全长槽实施例的情况下发生，但潜在的缺点是在与其中一个竖直脊在每个潜在摩擦接触点处增加的叶片末端磨损。作为折衷，交错的竖直脊223A/B周期性地中断通过槽228A/B的轴向气流，而不引入针对涡轮叶片末端的潜在360度摩擦表面。对于连续竖直脊229的潜在360度摩擦表面接触能够通过以下方式减小：缩短相对于脊222A/B或者223A/B的该脊的竖直高度，但仍在前部槽228A与后槽228B之间的过渡区T中提供一些轴向流动中断能力。

图20示出带有连续槽的曲棍状脊/槽样式阵列平面形态（实线）和带有由交错竖直脊中断的分裂槽的曲棍状脊/槽样式阵列平面形态（虚线）之间的模拟流体流动对比。分裂槽阵列样式的总叶片末端泄漏质量流量（相应线下方的面积）低于连续槽阵列样式。

中断槽中的气流的交错脊不必须沿叶片旋转的方向R竖直地对齐。如图21中所示，可磨耗部件230具有由脊233A/B（α_A、α_B）的成角度的样式截断的相应前部脊和后部脊232A/B和槽238A/B的样式，所述脊233A/B连接在前部脊和后部脊的连续排之间并且周期性地阻挡槽238A/B内的下游流动。与图18的实施例一样，可磨耗部件230具有位于前部区A与后部区B之间的过渡部处的连续竖直对齐的脊239。脊232A和233A/B的交叉成角度的阵列有效地阻挡局部叶片末端泄漏L从前缘至后缘沿涡轮叶片轴向长度从高压侧96泄漏至低压侧98。

应注意，图12-19和图21中所示的间隔部脊169、179、189、199、209、219、229、239等实施例可以在同一可磨耗部件阵列中具有不同的相对高度，并在部件内可以在高度上不同于其他脊阵列中一个或多个。例如，如果间隔部脊高度小于可磨耗表面中的其他脊的高度，则其可能永远不与叶片末端接触，但仍能够起到中断沿邻接截断的槽的气流的作用。

图22是曲棍状平面形态样式可磨耗部件240的替代实施例，其结合了不同的前部区A和后部区B的相应脊242A/B和槽248A/B样式的实施例理念，所述相应脊242A/B和槽248A/B样式在过渡部T处交叉而没有任何竖直脊使上述区彼此分开。因此，槽248A/B形成从可磨耗部件240的前缘或者前部缘至其后部最下游边缘（见流动方向F箭头）的连续复合槽，其通过对应涡轮叶片的轴向扫掠覆盖。交错竖直脊243A/B截断通过每个槽的轴向流动，而在一个轴向位置处在可磨耗表面与对应旋转叶片（沿旋转箭头R的方向）之间没有潜在持续磨耗接触。然而，连续直线槽248A/B的相对长的延伸仅仅由小的竖直脊243A/B周期性地截断，这使得易于通过水射流腐蚀或者其他已知制造技术制造。可磨耗部件240实施例提供了气流性能、叶片末端磨损以及制造容易性/成本之间的良好主观设计折衷。

图23-25示出了包括之字形样式的可磨耗部件脊和槽平面形态阵列的实施例。之字形样式通过以下方式形成：通过将一层或多层材料添加在可磨耗表面基底上以形成脊，或者通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽。在图23中，可磨耗部件250基底表面257具有形成于其中的连续槽258，始于258’且终止于258’’，限定交替的指状交错脊252的样式。在可磨耗部件中也可以形成其他槽和脊之字形样式。如图24的实施例中所示，可磨耗部件260具有在基底表面267中形成的始于268’且终止于268’’的连续样式对角定向的槽268，保留成角度定向的脊262。在图25中，可磨耗部件实施例270具有V形或者曲棍状双区多槽样式，该样式由基底表面277中的成对槽278A和278B形成。槽278始于278’且终止于278’’。为了使整个基底表面277上的V形或者曲棍状样式完整，第二槽278A形成于可磨耗部件270的底部左手侧部分中，始于278A’且终止于278A’’。相应的叶片末端泄漏L引流前部脊和后脊，272A和272B，形成于可磨耗表面277的相应前部区和后部区中，如对图12-19、图21和图22的可磨耗实施例所做的那样。槽258、268、278或者278A不必连续形成，并且可以包括像图18和图19的实施例的脊223A/B那样的阻挡脊，以便抑制气体流动通过槽的整个轴向长度。

图26-29示出包括嵌套回路样式的可磨耗部件脊和槽平面形态阵列的实施例。嵌套回路样式通过以下方式形成：通过将一层或多层材料添加在可磨耗表面基底上以形成脊，或者通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽。图26的可磨耗部件280实施例具有由水平定向的间隔部脊289分开的竖直定向的嵌套回路样式281的阵列。每个回路样式281均具有嵌套槽288A-288E以及对应的互补脊，该对应互补脊包括中央脊282A、回路脊282B-282E。在图27中，可磨耗部件280’包括在前部区A中的嵌套回路281A和在后部区B中的嵌套回路281B的样式。嵌套回路281A和281B通过间隔部脊既在水平方向上289又在竖直方向上289A分开。在图28的可磨耗实施例280’’中，嵌套回路281’’的水平部分以角度α定向。在图29的可磨耗实施例280’’’中，嵌套的大体上水平或者轴向的回路281A’’’和281B’’’在分开的前部区A和后部区B阵列中以相应角度α_A和α_B排列。可以改变前部角度和后部角度及回路尺寸以最小化每个区中的叶片末端泄漏。

图30-33示出了包括类似于嵌套回路样式的螺旋迷宫样式的可磨耗部件脊和槽平面形态阵列的实施例。通过将一层或多层材料添加在可磨耗表面基底上以形成脊来形成迷宫样式。替代地，如在这些相关图中所示，通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽来创建迷宫样式。图30的可磨耗部件290实施例具有竖直定向的嵌套迷宫样式291的阵列，每个嵌套迷宫样式均始于291A且终止于291B，且嵌套迷宫样式291通过水平定向的间隔部脊299分开。在图31中，可磨耗部件290’包括在前部区A中的嵌套迷宫291A和在后部区B中的嵌套迷宫291B的样式。嵌套迷宫291A和291B通过间隔部脊既在水平方向上299’又在竖直方向上293’分开。在图32的可磨耗实施例290’’中，嵌套迷宫291’’的水平部分以角度α定向。在图33的可磨耗实施例290’’’中，迷宫291A’’’和291B’’’的大体上水平的部分在单独的前部区A和后部区B阵列中以相应角度α_A和α_B排列，同时大体上竖直的部分与叶片旋转扫掠对齐。可以改变前部角度α_A和后部角度α_B及迷宫尺寸以最小化每个区中的叶片末端泄漏。

图34和图35涉及可磨耗部件300实施例，该可磨耗部件300实施例在相应前部区A和后部区B中带有分开的且不同的多阵列脊302A/302B和槽308A/308B样式，所述前部区A和后部区B在过渡区T中由对应的弯曲脊302T和槽308T连结。在该示例性实施例样式中，槽308A/B/T在可磨耗部件300表面内形成为闭合回路，围绕对应肋状物302A/B/T。肋状物之间的间隔S_RA、S_RB和S_RT以及对应槽间隔可以在部件表面上在轴向方向和在竖直方向上改变，以便使局部叶片末端泄漏最小化。如将在本文中更详细地描述的，肋状物和槽的横截面轮廓可以不对称并且相对于可磨耗部件300表面以不同角度形成，以便减少局部叶片末端泄漏。图36示出可磨耗部件中的相当深度的脊和槽轮廓的对比流体动力学模拟。实线表示图34和图35的类型的可磨耗部件中的叶片末端泄漏。虚线表示仅具有轴向或者水平定向的肋状物和槽的现有技术类型的可磨耗部件表面。点线表示仅带有与对应涡轮叶片92的后缘角度对齐的对角定向的肋状物和槽的类似于图7的现有技术可磨耗部件。可磨耗部件300具有比已知现有技术类型的单向可磨耗表面脊和槽样式中的任意一者更少的叶片末端泄漏。

可磨耗表面脊和槽横截面轮廓

图37-41和图43-63示出示例性发明实施例可磨耗表面的脊和槽横截面轮廓。与遍及整个可磨耗表面具有一致高度的已知可磨耗横截面轮廓样式不同，许多本发明的横截面轮廓包括复合多高度/深度脊和槽样式，该样式具有不同的上部磨损区（区Ⅰ）和下部磨损区（区Ⅱ）。下部区II优化发动机气流和结构特性，同时上部区I通过比下部区更易磨耗而最小化叶片末端间隙和磨损。可磨耗部件的各种实施例利用上部子脊或者尖突具有比下部区肋状物结构更小的横截面面积更容易地实现上部区的磨耗性。在一些实施例中，上部子脊或者尖突形成为在较小程度的叶片末端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片末端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化成上部磨损区的阵列，以便仅与一个或多个叶片末端局部接触的那些尖突被磨损，同时在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，但其相比于先前已知的整体式脊引起更少的叶片末端磨损。在本发明的实施例中，当上部区脊部分被磨掉时，其余下部脊部分通过控制叶片末端泄漏来保持发动机效率。在局部叶片末端间隙被进一步减小的情况下，叶片末端磨掉在该位置处的下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧的相对更高的脊维持更小的叶片末端间隙，以保持发动机性能效率。

在渐进式磨损区的情况下，本发明的叶片末端间隙G的一些实施例的构造能够从先前可接受的已知尺寸减小。例如，如果已知可接受的叶片间隙G设计规格为1 mm，则磨损区1中的更高脊的高度能够增加，使得叶片末端间隙减小至0.5 mm。建立磨损区II的边界的更低脊的高度设定为使得其远端末端部分与叶片末端间隔开1 mm。按照这种方式，对于常规涡轮机操作建立缩短50%的叶片末端间隙G，并且接受由叶片与区I中的上部脊的接触所引起的一些潜在磨损。只有在叶片末端侵入下部区中时，才会在区II中发起持续的局部逐渐叶片磨损，但在任何情况下，1 mm的叶片末端间隙G均不会比已知叶片末端间隙规格更糟糕。在一些示例性实施例中，上部区I高度是下部区II高度的近似1/3至2/3。

图37-41的可磨耗部件310具有交替高度的弯曲脊312A和312B，其从可磨耗表面317向上突出并且在结构上由支撑表面311支撑。槽318将交替高度的脊312A/B分开并且由脊侧壁315A/B和316A/B限定。磨损区I被建立为从更高的脊312A的相应末端314A向下到更低脊312B的相应末端314B。磨损区II被建立为从末端314B向下到基底表面317。在涡轮机操作条件下（图39和图40），叶片间隙G被维持在更高的脊末端312A与叶片末端94之间。当维持叶片间隙G时，叶片泄漏L沿叶片92旋转方向（箭头R）从叶片的更高压力侧96（在压力P_P下）行进至叶片的低压力或者抽吸压力侧98（在压力P_S下）。叶片末端94下的叶片泄漏L部分地被截留在相对成对的更高脊312A与中间更低脊312B之间，从而形成阻挡旋涡样式，该阻挡旋涡样式进一步阻止叶片泄漏。如果由于涡轮壳体100变形或者其他原因使得叶片末端间隙G对于任一个或多个叶片变小，则在叶片末端94与可磨耗部件310之间的最初接触将发生在更高脊末端314A处。虽然仍在区I中，但叶片末端94仅与交替交错的更高脊312A相摩擦。如果叶片间隙G逐渐变得更小，则更高脊312A将被磨耗直到其在整个区I中被磨损并且开始接触区II中的更低脊末端314B。一旦在区II中，涡轮叶片末端94就在局部磨损区处摩擦所有其余的脊314A/B，但在涡轮壳体的其他局部部分中，叶片末端间隙G可能未减小并且上部脊312A可以在其全高度上保持完好。因此，可磨耗部件310的交替高度肋状物构造适应区I和区II内的局部磨损，但是在不存在涡轮壳体100或者叶片92变形的那些局部区域中保持叶片末端间隙G和对叶片末端泄漏L的空气动力控制。通常，更低脊末端314B的脊高度H_RB在更高脊末端314A的高度H_RA的25%至75%之间。在图41中所示的实施例中，连续更高脊312A之间的中心线间隔S_RA等于连续更低脊312B之间的中心线间隔S_RB。还能够采用多高度脊（包括两个以上的脊高度）的其他中心线间隔和样式。

带有上部磨损区和下部磨损区的脊和槽轮廓的其他实施例包括图43和图44的阶梯状脊轮廓，其与图42中的现有技术可磨耗件150的已知单一高度脊结构相比较。已知单一高度脊可磨耗件150包括：联接至涡轮壳体100的基部支撑部151、基底表面157以及对称脊152，其中对称脊152具有终止于平坦脊末端154中的向内倾斜的侧壁155、156。脊末端154具有共同高度并且与相对的、间隔开的叶片末端94建立叶片末端间隙G。槽158在脊152之间形成。针对具体应用选择脊间隔S_R、槽宽度W_G和脊宽度W_R。相比而言，图43和图44的阶梯状脊轮廓在脊结构上采用两个不同的上部磨损区和下部磨损区。

图43的可磨耗部件320具有支撑表面321和可磨耗表面327，该可磨耗表面327上排列有不同的双层脊：下部脊322B和上部脊322A。下部脊322B具有终止于高度H_RB的平台324B中的成对侧壁325B和326B。上部脊322A形成在平台324B上且从平台324B突出，并具有终止于高度H_RA和宽度W_R的远端脊末端324A中的侧壁325A和326A。脊末端324A与相对的间隔开的叶片末端94建立叶片末端间隙G。磨损区II从可磨耗表面327竖直延伸至平台324B，并且磨损区I从平台324B竖直延伸至脊末端324A。图43中的两个最右侧脊322A/B具有不对称轮廓，该不对称轮廓带有合并的共同侧壁326A/B，同时相对的侧壁325A和325B彼此侧向地偏置并且由宽度W_P的平台324B分开。槽328限定在脊322A/B之间。最左侧脊322A’/B’具有对称轮廓。下部脊322B’具有终止于平台324B’中的成对互相靠拢的侧壁325B’和326B’。上部脊322A’在平台324B’上居中，使得相对于上部脊侧壁325A’和326A’具有相等宽度偏置W_P’。上部脊末端324A’具有宽度W_R’。脊间隔S_R和槽宽度W_G被选择为提供期望的叶片末端泄漏气流控制。在本文中所描述的可磨耗部件的脊和槽轮廓的一些示例性实施例中，槽宽度W_G是下部脊宽度的近似1/3至2/3。尽管图43中所示的脊和槽对称地间隔开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

图44示出带有脊332A/B的另一阶梯状轮廓可磨耗部件330，该脊332A/B具有竖直定向的平行侧壁335A/B和336A/B。下部脊终止于脊平台334B中，在该平台334B中，上部脊332A定向并且终止于脊末端334A中。在一些应用中，可以期望的是采用限定锐利转角轮廓的竖直定向的侧壁以及平坦末端/平台，用于在叶片末端间隙中进行气流控制。上部磨损区I在脊末端334A与脊平台334B之间并且下部磨损区在平台与可磨耗表面337之间。与图43的可磨耗实施例320一样，尽管图44中所示的脊和槽对称地间隔开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

在阶梯状脊构造可磨耗部件的另一排列或者种类中，如在图45中所示的可磨耗件340轮廓中所采用的那样，也可以通过采用多个槽深度、槽宽度和脊宽度来形成分开的上部磨损区I和下部磨损区II。下部肋状物342B具有肋状物平台344B，其结合可磨耗表面347限定磨损区II。该肋状物平台344B支撑成对相对的侧向侧接的上部肋状物342A，其终止于共同高度的肋状物末端344A中。磨损区I被限定在肋状物末端344A与平台344B之间。形成可磨耗部件340轮廓的一种便捷方式是以相应深度D_GA和D_GB在平坦表面的可磨耗基底中切割出双深度槽348A和348B。脊间隔S_R、槽宽度W_GA/B以及脊末端344A宽度W_R被选择为提供期望的叶片末端泄漏气流控制。尽管图45中所示的脊和槽对称地间隔开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

如图46中所示，在某些涡轮机应用中，可以期望的是通过采用具有不对称轮廓的可磨耗脊352的可磨耗部件350实施例来控制叶片末端泄漏，其中不对称轮廓的可磨耗脊352带有竖直定向的边缘锐利的上游侧壁356和倾斜的相对的下游侧壁355，该下游侧壁355从基底表面357延伸并且终止于脊末端354中。叶片泄漏L最初由竖直侧壁356对抗。然而一些泄漏气流L在从叶片的高压叶片侧96流向更低压的抽吸叶片侧98时在脊末端354与相对叶片末端94之间被压缩。该泄漏流动沿循向下倾斜的脊壁355，在该处，通过下一个下游脊的竖直侧壁356使泄漏流动转向为与叶片旋转方向R相对。现在逆向流动的泄漏空气L与沿叶片旋转方向R进一步进入的泄漏气流L对抗。图46中所示的尺寸参考与先前描述的图的参考描述一致。尽管图46的可磨耗部件实施例350未采用其他先前描述的可磨耗部件轮廓的渐进式磨损区I和II，但这种区可以合并在其他下文描述的不对称轮廓肋状物实施例中。

通过在肋状物中切出槽，能够将渐进式磨损区结合在不对称肋状物或者任何其他肋状物轮廓中，以便侧接槽切口的其余竖立肋状物材料具有比其余在下面的肋状物更小的水平横截面面积。槽定向和轮廓也可以被调整以通过减少非期望的叶片末端泄漏来改进涡轮发动机的气流特性，如在本文中将随后描述的图47的实施例中示出。以此方式，可磨耗部件表面构造为既具有改进的气流特性又减少了潜在叶片末端磨损，这是由于叶片末端仅与更易磨耗上部磨损区I的部分接触。下部磨损区II保持在槽深度下方的下部肋状物结构中。现在描述用于形成渐进式磨损区的可磨耗部件的脊和槽轮廓的其他示例性实施例。这些额外实施例中与先前描述的实施例所共有的结构特征和部件尺寸参考用类似系列的参考数字和符号来标记，且不再进一步详细描述。

图47示出可磨耗部件360，其具有图46可磨耗部件350的肋状物横截面轮廓，但包括双级槽368A和368B，槽368A形成于脊末端364中，槽368B形成在脊362到基底表面367之间。上部槽368A形成包括磨损区I的更浅深度D_G的侧脊，同时在该槽深度下方的脊362的其余部分包括下部磨损区II。在该可磨耗部件实施例360中，上部槽368A定向为平行于脊362的纵轴线并且垂直于脊末端364表面，但也可以采用其他槽定向、轮廓和深度以优化气流控制和/或最小化叶片末端磨损。

在图48的可磨耗部件370实施例中，多个上部槽378A相对于脊末端374以角度γ、深度D_GA前部-后部侧斜，并且具有平行的槽侧壁。上部磨损区I建立在槽378A的底部与脊末端374之间，并且下部磨损区II在上部磨损区下方向下至基底表面377。在图49的替代实施例中，可磨耗部件380具有带有矩形轮廓的上部槽388A，该矩形轮廓相对于脊382纵向轴线及其侧壁385/386以角度Δ歪斜。如图所示的上部槽388A还垂直于脊末端384表面。上部磨损区I在槽深度D_GA上方，并且磨损区II在槽深度下方向下至基底表面387。为了简洁起见，用与先前描述的可磨耗表面轮廓实施例相同的惯例来标注图48和图49中的结构特征和尺寸的其余部分，并且该其余部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

如图50-52中所示，上部槽不必须具有平行侧壁并且可以相对于脊末端表面以不同角度定向。而且，上部槽可以用在具有不同的横截面轮廓的脊中。可磨耗部件实施例390、400和410的脊具互相靠拢有在脊末端中的对称侧壁。如在具有双高度槽的先前描述的实施例中那样，相应的上部磨损区I从脊末端至槽深度D_G的底部，并且下部磨损区II从槽底部至基底表面。在图50中，上部槽398A垂直于基底表面（ε=90°）并且槽侧壁以角度Φ叉开。在图51中，槽408A相对于基底表面以角度+ε倾斜，并且在图52中槽418A相对于基底表面以角度-ε倾斜。在可磨耗部件实施例400和410两者中，上部槽侧壁以角度Φ叉开。为了简洁起见，用与先前描述的可磨耗表面轮廓实施例相同的惯例来标注图50-52中的结构特征和尺寸的其余部分，并且该其余部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

图53-56示出的可磨耗脊实施例具有梯形横截面轮廓并且脊末端带有呈各种定向的上部槽，用于选择性气流控制，同时还具有选择性的上部磨损区和下部磨损区。在图53中，可磨耗部件430实施例具有由下部槽438B分开的带有不对称横截面轮廓的脊432的阵列。每个脊432均具有第一侧壁435和第二侧壁436，其中第一侧壁435以角度β₁倾斜，第二侧壁436以角度β₂倾斜。每个脊432均具有上部槽438A，该上部槽438A平行于脊纵向轴线并且垂直于脊末端434。上部槽438A的深度限定上部磨损区I的下限，并且脊432的其余高度限定下部磨损区II。

在图54-56中，相应脊422、442和452的横截面是带有以角度β定向的平行侧壁425/445/455和426/446/456的梯形。右侧壁426/446/456定向为与叶片旋转方向相对地倾斜，使得截留在两个邻近的脊之间的中间下部槽428B/448B/458B内的空气也被转向为与叶片旋转方向相对，从而与从涡轮叶片的上游高压侧96至涡轮叶片的低压抽吸侧98的叶片末端泄漏方向相对，如在图46的不对称可磨耗轮廓350中所示出和描述的那样。相应上部槽428A/448A/458A定向和轮廓也被更改以引导气流泄漏和形成上部磨损区I。槽轮廓在从没有叉开的平行侧壁至以角度Φ负叉开或者正叉开的范围中被选择性地更改，其具有变化的深度D_G，并且相对于脊末端表面以变化的角度定向ε。在图54中，上部槽428A定向为垂直于脊末端424表面（ε=90°）。在图55和图56中，相应上部槽448A和458A相对于其对应脊末端表面以角度+/-ε定向。

图57示出可磨耗部件460平面形态，其包含多级槽和上部/下部磨损区，其中前部A和后部B脊462A/462B由下部槽468A/B分开，该下部槽468A/B以相应角度α_A/B定向。图49的实施例中所示的类型的前部和后部的上部部分深度的槽463A/B的阵列形成于脊462A/B的相应阵列中，并且定向为以相应角度β_A/B横贯脊和全深度槽468A/B。上部部分深度的槽463A/B限定可磨耗部件460上部磨损区I的竖直边界，其中，在这些部分深度的上部槽下方的脊的其余部分限定下部磨损区II的竖直边界。

上部磨损区I可磨耗材料的横截面和高度能够通过在脊的顶部上限定微型肋状物或者尖突的阵列（如图58中所示）被构造为符合不同程度的叶片末端侵入。可磨耗部件470包括先前描述的支撑表面471，其中下部槽和脊的阵列形成下部磨损区II。具体地，下部脊472B具有终止于脊平台474B中的侧壁475B和476B。下部槽478B由脊侧壁475B和476B以及基底表面477限定。微型肋状物或者尖突472A通过已知附加过程或者通过在下部脊472B内形成交叉槽478A和478C的阵列而在下部脊平台474B上形成。在图58的实施例中，尖突472A具有方形或者其他矩形横截面，其由终止于共同高度的脊末端474A中的竖立侧壁475A、475C、476A和476C限定。也能够利用其他尖突472A横截面平面形态形状，包括作为示例梯形或者六边形横截面。还能够利用包括不同局部横截面和高度的尖突阵列。

在图60的替代实施例中，竖立像素化尖突472A’的远端肋状物末端474A’由材料480构造，该材料480具有与下部材料482不同的物理性质和/或组成。例如，上部远端材料480能够构造为比下部材料482更容易或者更不耐磨的磨耗性质（例如，更软或者更多孔、或者这两者）。以此方式，叶片末端间隙G能够设计为比在先前已知可磨耗部件中所使用的间隙更小，以减少叶片末端泄漏，使得进入材料480中的任何局部叶片侵入均更不可能使叶片末端磨损，即使这种接触变得更加可能也是这样。以此方式，涡轮发动机能够设计为具有更小的叶片末端间隙，从而增加其操作效率，同时不显著地影响叶片磨损。

图58和图59中标记出了尖突472A和槽478A/C尺寸边界，与在现有实施例中所描述的那些一致。通常，尖突472A高度H_RA的范围为叶片末端间隙G的近似20%-100%，或者为下部脊472B和尖突472A的总脊高度的近似1/3-2/3。尖突472A横截面的范围为尖突高度H_RA的近似20%至50%。尖突材料构造、表面密度（由中心线间隔S_RA/B和槽宽度W_GA量化）被选择以平衡可磨耗部件470的耐磨性、耐热性、结构稳定性和气流特性。典型的尖突中心线间隔S_RA/B或者尖突472A的结构和阵列样式密度选择使得像素化的尖突能够在不同模式中响应于叶片末端94侵入的不同深度，如图61-63中所示。

在图61中，不存在叶片末端间隙G或者实际上存在负的叶片末端间隙G，这是因为涡轮叶片末端94与像素化尖突472A的脊末端474A接触。叶片末端94接触侵入使像素化尖突472A挠曲。在图62中，叶片末端更深地侵入至可磨耗部件470中，引起尖突472A磨损或者剪掉下部肋状物平台474B，使得在其之间留下残留叶片末端间隙。以此方式，存在叶片末端与残留破裂尖突残根472A（如果有）的最小接触，同时磨损区II中的下部脊472B维持叶片末端泄漏的气流控制。在图63中，叶片末端94已经侵入到磨损区II中的下部肋状物472B的下部脊平台474B中。

叶片深度侵入到周向可磨耗表面中的多种模式可以发生在任何涡轮发动机中的不同位置处。因此，任何局部周向位置处的可磨耗表面构造都可以被选择性地改变以补偿叶片侵入的可能程度。例如，返回参照图3-6中的燃气涡轮发动机80的典型已知的周向磨损区样式，3:00位置和6:00位置处的叶片末端间隙G可以比12:00周向位置和9:00周向位置处的那些磨损样式更小。预见到在12:00位置和6:00位置处更大的磨损，因此能够选择下部脊高度H_RB以建立最糟状况的最小叶片末端间隙G，并且能够选择像素化的或者其他上部磨损区I脊结构高度H_RA以在围绕涡轮壳体的其他周向位置（在该处可能引起叶片末端94侵入到可磨耗表面层中的可磨耗部件和壳体变形的可能性更小或者最小）中建立小的“最佳状况”叶片末端间隙G。通过示例，可磨耗部件中的上部磨损区I脊高度能够被选择为使得理想叶片末端间隙为0.25 mm。3:00和9:00涡轮壳体周向磨损区（例如，图6的124和128）很可能贯穿发动机操作循环都维持期望的0.25 mm叶片末端间隙，但在其他周向位置处涡轮壳体/可磨耗部件变形的可能性更大。可以选择下部脊高度成在1.0 mm的理想叶片末端间隙下设置其脊末端，使得在更高的磨损区中，叶片末端仅磨损到磨损区I中的更深处并且永不接触设置下部磨损区II的边界的下部脊末端。如果尽管做出最佳计算，但叶片末端仍继续磨损进入磨损区II中，则所得的叶片末端磨损操作条件也不比先前已知的可磨耗层构造的情况更糟糕。然而，在围绕可磨耗层的局部周向位置的其余部分中，涡轮机成功地在更低的叶片末端间隙G并且因此在更高的操作效率下操作，其中叶片末端上很少有或没有不利增加的磨损。

各种实施例的优点

本文中已经描述了涡轮机可磨耗部件的不同实施例。许多实施例具有不同的前部和后部平面形态脊和槽阵列，以便在旋转涡轮叶片的轴向跨度上控制局部叶片末端泄漏和其他气流。许多实施例的脊和槽样式和阵列均用易于制造的直线段构造，有时在前部区和后部区之间带有弯曲过渡部分。许多实施例在脊结构上建立渐进式竖直磨损区，使得所建立的上部区比下部磨损区更容易磨耗。相对更易磨耗的上部区使叶片末端磨损的风险减小，而且建立并保持期望的小的叶片末端间隙。下部磨损区关注气流控制、热磨损以及相对更低的热磨耗。在许多实施例中，局部气流控制以及多个竖直磨损区两者均并入在可磨耗部件中。

尽管本文已经详细示出和描述了包含本发明的教导的各种实施例，但本领域技术人员能够容易地想出仍包含这些教导的许多其他不同的实施例。本发明的应用不限于在说明书中陈述或者在附图中图示的部件的布置和构造的示例性实施例细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或者执行。例如，各种脊和槽轮廓可以并入在不同的平面形态阵列中，不同平面形态阵列也可以围绕具体发动机应用的周边局部地变化。而且，应理解的是，本文中所使用的措辞和术语出于描述的目的并且不应被视为是限制性的。本文中“包含”、“包括”、或者“具有”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的物品及其等同物以及附加物品。除非另外地具体指出或者限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型是被广义地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理或者机械连接或者联接。