燃气涡轮机的可磨耗唇部的制作方法

本公开涉及用于燃气涡轮机的涡轮机，并且具体地涉及包括导叶和叶片之间的间隙以及该间隙中的可磨耗唇部的用于燃气涡轮机的涡轮机。

发明背景

燃气涡轮机包括压缩机、燃烧器和涡轮机。在涡轮机中，带有涡轮叶片的转子穿插有静止的涡轮导叶。在目前的涡轮机设计中，涡轮叶片和相邻涡轮导叶之间的轴向间隙必须足够大，以在最糟的情形下避免叶根(叶柄)背面与导叶前缘之间的刮擦，即，涡轮叶片和相邻涡轮导叶在任何运行状况下都不应当彼此刮擦。因此，轴向间隙基于最糟情况的制造公差、最糟情况的定子-转子组装公差以及导叶和叶片之间最糟情况的瞬态关闭(transient closing)的组合，以及考虑了预测的不确定性的额外边际来设计。考虑到这些要求，应当认识到能够在设计上做出改进。

技术实现要素：

本发明限定在现在提及的所附独立权利要求中。本发明的有利特征在从属权利要求中陈述。

本发明的第一方面提供一种用于燃气涡轮机的涡轮机，包括叶片、导叶、和附接到叶片或导叶的可磨耗唇部，其中叶片和导叶由间隙分开，并且可磨耗唇部延伸跨过间隙的部分距离。这能允许导叶和叶片之间的轴向间隙被最小化，从而降低清洗空气要求，并且因此能够改进燃气涡轮机效率。这还能够通过减少间隙的宽度和/或通过生成一种减少流入间隙的热气体的量的涡流，来减少导叶和叶片之间的间隙内的热气体吸入，从而潜在地改进转子热屏蔽(RHS)腔与主热气体流之间的密封。可磨耗层能够被制造成承受所述部位的极端条件(例如，温度)。能够独立于制造公差和组装公差形成导叶和叶片之间的轴向空隙。

在一个实施例中，涡轮机包括附接在与可磨耗唇部相对的间隙的另一侧上的磨料层。提供磨料层能改进可磨耗唇部的擦入(rubbing in)。使用磨料层能允许针对可磨耗唇部使用更硬和/或更密的材料，这能产生更好的长期耐腐蚀性。在一个实施例中，磨料层包括填料和磨料颗粒。在一个实施例中，磨料层由缓冲层附接至叶片或导叶。在一个实施例中，磨料层包括由以下材料中的至少一种制成的嵌入磨料颗粒：cBN、α-Al₂O₃和SiC。在一个实施例中，磨料颗粒嵌入在抗氧化填料材料中。在一个实施例中，抗氧化填料材料是MCrAlY，其中M是从由Ni、Co和Fe构成的集合中选择的至少一种元素。在一个实施例中，抗氧化填料具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)：15-30Cr、5-10Al、0.3-1.2Y、0.1-1.2Si、0-2其它，其余为Ni、Co。

在一个实施例中，可磨耗唇部包括锚定格栅。锚定格栅能使可磨耗唇部的可使用厚度与寿命最大化。锚定格栅还能使可磨耗层稳定。在一个实施例中，锚定格栅由具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/β或γ/γ′型抗氧化超合金制成：15-30Cr、5-10Al、0.3-1.2Y、0.1-1.2Si、0-2其它，其余为Ni、Co。

在一个实施例中，涡轮机包括在叶片上的至少一个可磨耗唇部以及在导叶上的至少一个可磨耗唇部。以这种方式提供至少两个可磨耗唇部还能够进一步改进主热气体流与RHS腔之间的密封。

在一个实施例中，涡轮机包括在可磨耗唇部和涡轮机的热气体流路径之间邻近可磨耗唇部的第一冷却流体孔，和/或在远离涡轮机的热气体路径的可磨耗唇部的冷却空气侧上邻近可磨耗唇部的第二冷却流体孔。在可磨耗唇部和热气体路径之间提供冷却孔能帮助冷却导叶平台的边缘，并且能通过形成冷却空气膜来冷却可磨耗唇部，从而保护可磨耗唇部不受热气体损伤。这种冷却孔还能生成帮助保护RHS腔不受来自热气体路径的热气体吸入损伤的清洗流。在远离热气体路径的可磨耗唇部的冷却空气侧(RHS腔侧)上提供冷却孔能帮助保持RHS腔内的冷却流体，这改进了RHS腔的冷却。

在一个实施例中，可磨耗唇部由缓冲层附接到叶片或导叶。这能改进机械完整性。在一个实施例中，叶片是涡轮机的第一级叶片，并且导叶是涡轮机的第二级导叶。由于严苛的条件，就密封方案而言，第一级叶片和第二级导叶之间的间隙是一个挑战，并且本发明能够被制成承受该间隙中的条件。

本发明的第二方面提供一种制造用于燃气涡轮机的涡轮机的方法，所述涡轮机包括叶片、导叶以及附接到叶片或导叶的可磨耗唇部，其中叶片和导叶由间隙分开，并且可磨耗唇部延伸跨过间隙的部分距离，所述方法包括将可磨耗唇部附接到叶片或导叶的步骤。

在一个实施例中，涡轮机包括附接在与可磨耗唇部相对的间隙的另一侧上的磨料层，并且所述方法包括将磨料层附接到与可磨耗唇部相对的间隙的另一侧上的步骤。

在一个实施例中，缓冲层附接到与可磨耗唇部相对的间隙的另一侧，并且磨料层附接到缓冲层。在一个实施例中，缓冲层被外延地形成。在一个实施例中，激光金属成形工艺被用于形成下列元件中的至少一个：磨料层(50、52)、可磨耗唇部(40)的锚定格栅(41)或缓冲层(48)。在一个实施例中，使用具有在＜50K且优选地＜30K的固相线和液相线温度之间的固化间隔ΔT₀的焊接合金，并且其中在单晶基材料上固化的第一相是γ型。在一个实施例中，焊接合金是具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/β型或者γ/γ′型中的任一类型的抗氧化超合金：15-30Cr、5-10Al、0.3-1.2Y、0.1-1.2Si、0-2其它，其余为Ni、Co。

附图说明

现在将通过仅示例的方式并且参考附图来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出具有一个可磨耗唇部的涡轮机的一部分的横剖面；

图2示出具有两个可磨耗唇部的涡轮机的一部分的横剖面；

图3示出具有可磨耗唇部和磨料表面的涡轮机的一部分的横剖面；

图4示出具有可磨耗唇部和磨料条带的涡轮机的一部分的横剖面；

图5示出具有替代性可磨耗唇部与磨料条带的涡轮机的一部分的横剖面；

图6示出磨料层的横剖面；

图7示出可磨耗唇部的侧视横剖面视图；以及

图8示出图7的可磨耗唇部的顶视横剖面视图。

具体实施方式

图1示出由间隙30分开的叶片10和导叶20。可磨耗唇部40附接到导叶并延伸跨过间隙30的部分距离。在该示例中，叶片10是第一级叶片，导叶20是第二级导叶。

叶片10包括带有尾缘14的翼型(aerofoil)12，以及叶根16。导叶20包括带有前缘24的翼型22、前边缘25、冷却流体室(plenum)26和蜂窝28。热气体流经的涡轮机热气体路径32在叶片翼型12和导叶翼型22之间和周围延伸。热气体总体地沿热气体流动方向60流过涡轮机，这个方向通常也是燃气涡轮机的轴线的方向。其它的箭头示出热气体在可磨耗唇部40附近的流动。

图2示出类似于图1的叶片10和导叶20。除了已描述的特征之外，还设置了第一冷却流体孔44和第二冷却流体孔46。第一冷却流体孔44被放置成使得其能从冷却流体室26向可磨耗唇部40与涡轮机热气体路径32之间的间隙30提供冷却流体(诸如冷却空气)。第二冷却流体孔46被放置成使得其能从冷却流体室26向可磨耗唇部40的冷却空气侧上的间隙30提供冷却流体(诸如冷却空气)。

图2还示出附接到叶片10，具体地附接到叶根16的第二可磨耗唇部42。在另一个实施例中，仅设置第二可磨耗唇部42并且省略可磨耗唇部40。

图3示出类似于图1中的叶片10和导叶20。除了已描述的特征之外，磨料层，在该情况中是磨料表面50，被附接到叶片10，尤其是被附接到叶根16。

图4示出类似于图1中的叶片10和导叶20。如图3那样，示出磨料层，这次是磨料条带52。

图5示出类似于图1中的叶片10和导叶20。设置了如图4中那样的磨料条带52。再次设置可磨耗唇部40，可磨耗唇部40包括锚定格栅41(参见图7的放大图)。

图6示出通过诸如图5的磨料条带52(磨料刀刃)的磨料层的横剖面；类似的结构能被用于诸如磨料表面50的其它类型的磨料层。磨料条带52包括填料54和磨料颗粒56。

填料材料54优选地具有良好的抗氧化性，以便使其在导叶与涡轮叶片之间的间隙30中在高温下的可用寿命最大化。例如，抗氧化填料材料54可以是MCrAlY合金，其中M是从由Ni、Co和Fe构成的集合中选择的至少一种元素。抗氧化填料材料54能为嵌入的磨料颗粒56提供基体。在一个实施例中，这些磨料颗粒由立方氮化硼(cBN)构成。因为其形态和极高的硬度，即使在＞850℃的温度下，cBN也具有优秀的切割能力。作为另一示例，磨料颗粒还可以由α-Al₂O₃(蓝宝石、刚玉)、SiC，或cBN、α-Al₂O₃与SiC颗粒的混合物制成。

为了改进磨料颗粒56在填料材料54内的嵌入，磨料颗粒能够额外地涂覆有布置在磨料颗粒上的第一颗粒涂覆层。可选地，在第一颗粒涂覆层上布置第二颗粒涂覆层。

第一颗粒涂覆层可由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Co、Mo、Ni、它们的合金或者它们的碳化物、硼化物、氮化物或氧化物构成，或第一颗粒涂层可以包含上述物质。因此，能够实现颗粒表面与颗粒涂层之间的充分粘接。另外，当这些材料在常规沉积条件下能够形成金属碳化物或金属氮化物的填隙层时，这些材料能够允许第一颗粒涂覆层到颗粒表面的化学键合。第一颗粒涂覆层的厚度能够大范围地变化。能够使用小于0.1μm、0.1到5μm，或5μm以上的厚度。

第二颗粒涂覆层能够由与能够用于第一颗粒涂覆层的材料相同的材料构成，或包含这样的材料。优选地，第二颗粒涂覆层的厚度大于第一颗粒涂覆层的厚度。

为了改进磨料条带(刀刃)52或磨料层50至叶片的粘接，能够在叶片材料和磨料条带52或磨料层50之间插入缓冲层。如果叶片材料具有单晶微结构，则该缓冲层能在该单晶基材料上外延地生长，即，具有匹配的晶体学取向。这种外延界面能使界面处的晶界和缺陷最小化或避免，并且还能够由于两种界面材料的匹配的热-物理性质产生优异的热-机械寿命。为此，能够使用外延激光金属成形制造(LMF)工艺。激光金属成形也能被用于制造磨料唇部(刀刃)52或磨料层50。可以替代地用等离子体喷涂工艺产生磨料层50。

为了形成外延缓冲层，能够有利的是选择在＜50K且优选地＜30K的固相线和液相线温度之间具有小的固化间隔ΔT₀的焊接合金。这能降低在激光金属成形工艺期间热裂的风险。为了确保缓冲层的外延生长，所述合金优选地被选择成使得固化的第一相是γ型。已知的合适材料包括具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/β或γ/γ′型抗氧化超合金：15-30Cr、5-10Al、0.3-1.2Y、0.1-1.2Si、0-2其它，其余为Ni、Co。具体示例是具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/β型抗氧化超合金：35-40Co、18-24Cr、7-9Al、0.3-0.8Y、0.1-1Si、0-2其它，其余为Ni；或者具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/γ’型抗氧化超合金：16-26Cr、5-8Al、0.3-1.2Y、0.1-1.2Si、0-2其它，其余为Ni。

图7示出通过诸如图5的可磨耗唇部40的可磨耗唇部的横剖面。可磨耗唇部40包括锚定格栅41和可磨耗填料43。能够由激光金属成形(LMF)制造锚定格栅。用于锚定格栅41的合适材料选择包括Ni-基合金(诸如Hastelloy X、Haynes 230、Haynes 214)或其它Ni-基或Co-基超合金。在优选的实施例中，锚定格栅41由诸如MCrAlY合金的抗氧化合金形成，其中M是从由Ni、Co和Fe构成的集合中选取的至少一种元素。作为示例，能够使用具有以下化学组分(所有数据都以重量百分比为单位)的γ/β型抗氧化合金：35-40Co、18-24Cr、7-9Al、0.3-0.8Y、0.1-1Si、0-2其它，其余为Ni。

可磨耗填料43通常由诸如钇稳定氧化锆的热障涂层(TBC)材料制成。在大多数情况下，它将被热喷涂到锚定格栅和/或缓冲层上。

缓冲层48可选地包含在导叶前边缘25和可磨耗唇部40之间。缓冲层能够由MCrAlY粘接涂层材料构成(其中M是从由Ni、Co和Fe构成的集合中选择的至少一种元素)，或者由上文所描述的其它材料构成。图8示出图7的可磨耗唇部的横剖面顶视图。可磨耗唇部40能够通过激光金属成形、等离子体喷涂、焊接、这些方法的组合、或其它恰当的方法附接到叶片/导叶表面。可磨耗唇部还可以作为导叶或叶片的一部分(或者叶片或导叶的一部分)通过铸造一体地形成。如果设置锚定格栅，则它应当在施加可磨耗填料43之前被添加。在可磨耗唇部与导叶/叶片之间有缓冲层48的实施例(在下文描述)中，锚定格栅能够在添加缓冲层之后被添加于缓冲层的表面上。然后能够将填料喷涂到例如缓冲层上，并且当锚定格栅存在时也喷涂到锚定格栅上。锚定格栅能够提供缓冲层与可磨耗填料43之间的改进的机械互锁。优选地，锚定格栅通过激光金属成形(LMF)或通过焊接施加，但是也能够使用其它方法。

如上文所述，可磨耗层能够附接至或形成在缓冲层(或粘接涂层)上，所述缓冲层(或粘接涂层)将在可磨耗层与导叶/叶片之间。缓冲层可以由抗氧化材料(诸如MCrAlY，其中M是Ni、Co或者Ni与Co的结合)制成。

磨料表面50和/或磨料条带52能够直接地附接到叶片/导叶。以类似于如上文所描述的可磨耗层的方式，诸如MCrAlY(其中M代表Ni、Co或者Ni与Co的结合)的抗氧化材料，或上文所描述的其它材料制成的缓冲层，也可以附接到叶片/导叶，并且磨料表面附接到缓冲层。

也可以在已有的叶片或导叶上改装可磨耗唇部和/或磨料表面。

尽管上文给出的示例描述了第一级叶片与第二级导叶之间的间隙(沿热气流动方向)，但本发明能应用于任意导叶与叶片之间的间隙，例如，第一级导叶与第一级叶片，或者第四级导叶与第三级叶片。间隙总体上相对于燃气涡轮机轴线沿径向或实质上径向的方向，在热气流32和RHS腔34之间延伸。这意味着该间隙具有平行于或实质上平行于燃气涡轮机轴线延伸的宽度，并且可磨耗唇部或多个可磨耗唇部中的每一个沿轴向方向延伸跨过该间隙的部分长度。

上文所描述的叶片和导叶结构仅是示例，并且能够使用结构不同的叶片和导叶。例如，导叶20的冷却流体室26和蜂窝28是可选的。冷却流体室能够设置在叶片中。如所描述的那样的在导叶中的(多个)冷却流体孔可以设置在叶片中。第一和第二冷却流体孔中的每一个可以是相对于燃气涡轮机轴线沿周向方向间隔开的一行冷却流体孔。

可以取代上文所述的那些冷却布置或补充上文所述的那些冷却布置来设置其它冷却布置。第一冷却流体孔44和第二冷却流体孔46可以从冷却流体室26和/或从其它冷却系统或冷却系统的其它部分向间隙提供冷却流体。虽然第一冷却流体孔44和第二冷却流体孔46在图2到5中示出而未在图1中示出，但是在所描述的任何实施例中，能够不设置第一冷却流体孔和第二冷却流体孔，或者能够设置第一冷却流体孔和第二冷却流体孔之一或能够设置这两者。

可磨耗唇部可以放置在叶片、导叶、或两者上。可磨耗唇部或多个可磨耗唇部可以附接到叶片和/或导叶的任何恰当的部分，而不仅是附图中所示的叶根和导叶前边缘。一个或多个可磨耗唇部可以设置在叶片和/或导叶上。在一个可磨耗唇部放置在叶片上并且另一个可磨耗唇部放置在导叶上的情况中，可磨耗唇部通常在间隙中错开，使得可磨耗唇部在使用期间不彼此接触(这对于避免两个可磨损表面之间的接触而言通常是最佳的)。换句话说，可磨耗唇部总体上沿径向方向交错排列，使得它们不沿径向方向重合。这意味着两个、三个或更多个可磨耗唇部能够放置在间隙中，优选地每个后续可磨耗唇部在间隙的相对侧上(例如，第一可磨耗唇部附接到导叶、第二可磨耗唇部附接到叶片、第三可磨耗唇部附接到导叶，等等)，从而形成穿过间隙的曲折路径。这能够进一步减少流过间隙的流体。类似地，任何磨料层可以附接到叶片和/或导叶的任意恰当部分，并且一个或多个磨料层可以附接到叶片和/或导叶。

可磨耗唇部可以是各种形状，并且主要目的在于可磨耗唇部延伸进入间隙以减少进入间隙的热气体流和离开间隙的冷却空气流。可磨耗唇部总体上延伸跨过间隙的距离的10％到75％，并且更优选地是跨过间隙的距离的30％到50％。可磨耗唇部应当总体上延伸足够远以在最严重的靠近状态下刮擦，并且能够弥补诸如由于制造公差、组装公差和预测不确定性导致的那些的不确定性。

可磨耗唇部能够由可磨耗填料制成，例如TBC，例如多孔陶瓷材料，以及可以额外地具有锚定格栅(诸如图7和8中的锚定格栅)。也可以使用其它恰当的材料。在一些实施例中，磨料唇部可以优选于磨料表面，因为磨料唇部能够被设计为具有更好的切割能力。

磨料层是可选的，并且在没有磨料层的实施例中，可磨耗唇部将直接地刮擦间隙的另一侧，即叶片或导叶。间隙的另一侧的材料将需要足够硬以保持不损伤或者受到刮擦的最小损伤。

附图中所示的磨料层可以使用在任何所描述的实施例中。类似地，图5中所描述的可磨耗唇部可以使用在任何所描述的实施例中。在使用了多于一个可磨耗唇部和/或多于一个磨料层的实施例中，可以使用不同类型的可磨耗唇部与磨料层的组合。

磨料层总体上包括磨料和填料。磨料可以是cBN(立方氮化硼)或其它磨料(诸如刚玉(Al₂O₃，氧化铝)、碳化硅(SiC)、或这些磨料的混合物)。对于磨料表面50而言，磨料表面能够喷涂在例如通过HVOF(高速氧燃料)喷涂沉积的表面硬化层(hardface layer)上。

磨料颗粒可以仅存在于磨料层的一部分中，如图6中所示(即，磨料层可以是双层磨料层，并且表面处的第一层具有填料和磨料颗粒，基底处的第二层具有填料但无磨料颗粒，其邻近叶根16)，或者可以贯穿磨料层的厚度存在。锚定格栅41是可选的。锚定格栅41可以是各种形状；在图8中，示出了蜂窝，但是可以替代地使用例如其它格栅形状或平行肋条。锚定格栅41可以穿过导叶/叶片表面的整个范围从导叶/叶片表面延伸相同的距离，或者可以在边缘处从导叶/叶片表面延伸更短的距离，如图7中所示。

可磨耗唇部40能够被添加在已有的可磨耗唇部的顶部上，例如图7中所示的在如图1至4中所示的可磨耗唇部的顶部上的可磨耗唇部。这能够是改装方法的一部分。具体地，期望的是在通过铸造与叶片或导叶(或者叶片或导叶的一部分)一体地形成的已有可磨耗唇部的顶部上添加可磨耗唇部。

在不偏离由以下权利要求所限定的本发明的情况下，对于所描述的实施例的各种改型是可能的，并且本领域技术人员将想到上述各种改型。

附图标记

10 叶片

12 叶片翼型

14 叶片尾缘

16 叶根

20 导叶

22 导叶翼型

24 导叶前缘

25 导叶前边缘

26 冷却流体室

28 蜂窝

30 间隙

32 热气体路径

34 RHS腔

40 可磨耗唇部

41 锚定格栅

42 第二可磨耗唇部

43 可磨耗填料

44 第一冷却流体孔

46 第二冷却流体孔

48 缓冲层

50 磨料表面

52 磨料条带

54 填料

56 磨料颗粒

60 热气体流动方向

ΔT₀＝固化间隔

LMF 激光金属成形

HVOF＝高速氧燃料

RHS＝转子热屏蔽

TBC 热障涂层

YSZ＝钇稳定氧化锆