耐用涡轮叶片的制作方法
【专利说明】耐用涡轮叶片
[0001]相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C.§ 119(e)，本申请要求2012年11月17日以本申请的发明人的名义提交的美国临时专利申请N0.61/738，118的优先权，该申请的名称为“Robust TurbineBlades (耐用涡轮叶片)”，该临时申请通过引用而结合在本文中。
技术领域
[0002]本发明大体涉及涡轮。更特别地，本发明涉及能经受住叶片末梢和护罩之间的摩擦而不损害机械完整性或性能的耐用涡轮叶片。
【背景技术】
[0003]涡轮组件典型地通过使由于燃料燃烧而产生的热压缩气体膨胀来产生旋转轴功率。燃气涡轮轮叶或叶片大体具有翼型件形状，其设计成将流径气体的热能和动量转化成转子的机械旋转。
[0004]可通过以下方式来提高涡轮性能和效率:减小旋转叶片的末梢和固定护罩之间的空间，以限制在叶片的顶部上或其周围的空气流，否则空气流会绕过叶片。例如，叶片可构造成使得其末梢在发动机运行期间紧密地配合护罩。
[0005]涡轮叶片可由多种材料制成，包括镍基超合金和陶瓷基质复合材料(CMC)。CMC是用于涡轮应用的镍基超合金的有吸引力的替代品，因为它们能够耐高温且重量轻。
[0006]当设计CMC涡轮叶片时，产生和保持高效末梢间隙是至关重要的。当与金属超合金相比时，CMC的应变造成的失效固有地低且损伤容限降低，这引起了关于叶片在涡轮叶片末梢摩擦事件期间的耐用性的担忧。当努力保持紧密的末梢间隙时，CMC凹陷或气体燃烧环境中形成的二氧化硅挥发也可提出挑战。
[0007]在末梢摩擦事件期间，径向间隙达到干涉状态，而且翼型件末梢会撞击静止护罩硬件，从而对叶片施加较大的切向力。这个力会对翼型件和柄部产生相当大的弯矩，然后弯矩可使部件的负荷过大，并且造成永久的结构损伤。由于发动机构建间隙和护罩间隙控制系统中的不确定性的原因，设计稳健性最佳实践要求涡轮叶片经受住叶片末梢和护罩之间的摩擦，而不损害机械完整性或性能。
[0008]征服以上挑战的CMC叶片在本领域中是合乎需要的。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种耐用涡轮叶片设计，其最大程度地减小涡轮叶片在末梢摩擦事件期间的损伤，防止进一步的末梢凹陷，并且提高涡轮叶片的弹性。这可通过各种叶片末梢设计实现，诸如凹陷末梢或突起末梢。这还可通过对叶片末梢、护罩或它们两者提供具有可磨蚀层或磨蚀层的环境阻隔涂层(EBC)实现。
[0010]根据本发明的实施例，叶片可包括具有凹陷构造或突起构造的末梢。
[0011]根据本发明的实施例，叶片可由CMC制成，而且包括EBC。护罩可由CMC制成，而且包括EBC，或者护罩可由金属制成，而且包括隔热涂层(TBC)或其它类似的陶瓷涂层。在本发明的各种实施例中，叶片末梢、护罩或者叶片末梢和护罩两者的EBC可包括可磨蚀层或磨蚀层。
[0012]根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式示出本发明的原理。
【附图说明】
[0013]图1是根据本发明的叶片末梢的视图。
[0014]图2是根据本发明的实施例的具有凹陷构造的叶片末梢的透视图。
[0015]图3是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0016]图4是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0017]图5是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0018]图6是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0019]图7是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0020]图8是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0021]图9是根据本发明的实施例的具有突起构造的叶片末梢的透视图。
[0022]图10是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0023]图11是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
[0024]图12是根据本发明的实施例的具有凹陷构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层的叶片末梢的透视图。
[0025]图13是根据本发明的实施例的具有突起构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层的叶片末梢的透视图。
[0026]在可行的时候，相同参考标号将在图中用来表不相同部件。
【具体实施方式】
[0027]本发明提供耐用涡轮叶片设计，其最大程度地减小涡轮叶片在末梢摩擦事件期间的损伤，防止进一步的末梢凹陷，并且提高涡轮叶片的弹性。这可通过各种叶片末梢设计实现，诸如凹陷末梢或突起末梢。这还可通过对叶片末梢、护罩或它们两者提供具有可磨蚀层或磨蚀层的EBC实现。
[0028]叶片末梢可由CMC材料制成，而且可包括具有可磨蚀层或磨蚀层的EBC。包括凹陷末梢和突起末梢和可磨蚀涂层或磨料涂层的各种末梢几何构造帮助减小叶片在末梢摩擦事件期间的接触负载，并且通过减小可刮擦护罩的末梢的面积来最大程度地减小对涡轮叶片的其它关键区域的潜在损伤。
[0029]根据本发明，叶片具有前缘和后缘和叶片末梢和相对的根部端，叶片可进一步包括例如凹陷末梢或突起末梢。图1是根据本发明的叶片末梢10的视图。叶片末梢10可具有凹口或凸起12。
[0030]当叶片末梢具有凹陷构造时，末梢的侧壁可在末梢中形成凹部。根据本发明的实施例，凹部可沿着叶片末梢的长度形成开放通道。凹口可具有任何半径或深度。例如，凹口可具有大约0.018英寸至大约0.040英寸的半径和大约0.040英寸至大约0.050英寸的深度。
[0031]当叶片末梢具有突起构造时，末梢的边缘沿贯穿厚度的方向朝末梢的中心形成隆起部分。根据本发明的另一个实施例，凸起可沿着叶片末梢的宽度形成凸脊。凸起可具有任何半径或深度。例如，凸起可具有大约0.60英寸至大约0.80英寸的半径和大约0.20英寸至大约0.60英寸的深度。
[0032]图2是根据本发明的实施例的具有凹陷构造的叶片末梢的透视图。叶片末梢20包括EBC 22和在其之下的CMC衬底24，EBC 22可包括可磨蚀层或磨蚀层。如图2中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成弯曲或圆形的凹口 28。
[0033]图3-8是根据本发明的各种实施例的具有凹陷末梢的叶片末梢的横截面图。如图3中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成具有平基部和弯曲或圆形的边缘的凹口 28。另外，如图4中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口 28。根据本发明的另一个实施例，如图5中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有笔直形状，并且形成弯曲或圆形的凹口 28。在本发明的另一个实施例中，如图6中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24可具有笔直形状的边缘26，并且形成具有平基部和弯曲边缘的凹口 28。在本发明的另一个实施例中，如图7中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有笔直形状，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口 28。在本发明的另一个实施例中，如图8中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24可具有一个带有笔直形状的边缘26，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口 28。
[0034]除了 EBC结合之外，凹陷构造可形成机械保持作用，以帮助固持可磨蚀材料，以及防止涂层在摩擦事件期间完全释放。另外，凹口在高的末梢摩擦力下可变形或者部分地断裂，以减小对CMC叶片的其余的负载非常高的区域的撞击。突起构造可允许减小末梢处的面积，这可通过在叶片上产生较少压力来减小末梢摩擦力，而且由于半径较大的原因，可允许有较好的EBC化学粘结性。
[0035]图9是根据本发明的另一个实施例的具有突起构造的叶片末梢的透视图。叶片末梢90包括EBC 92，EBC 92可包括可磨蚀层或磨蚀层和在它们之下的CMC衬底94。如图9中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有弯曲形状，并且形成具有弯曲或圆形的凸脊的凸起98。
[0036]图10和11是根据本发明的各种实施例的具有突起末梢的叶片末梢的横截面图。如图8中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有弯曲形状，并且形成具有平顶部的凸起98。在本发明的另一个实施例中，如图11中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有笔直形状，并且形成具有平顶部的凸起98。
[0037]EBC和CMC衬底可具有与图2_11中显示的相似的横截面轮廓，或者它们可具有不同的横截面轮廓。例如，EBC可具有带有弯曲形状的边缘，并且形成具有平基部和弯曲或圆形的边缘的凹口，而CMC衬底可具有带有弯曲形状的边缘和弯曲或圆形的凹口。
[0038]根据本发明的实施例，叶片末梢可涂有具有图案化可磨蚀层或磨蚀层的EBC。例如，图案可包括(但不限于)凸脊，凸脊可为遵从护罩流径的成形凸脊，诸如平凸脊、圆形凸脊、单点或多点末梢。
[0039]图12是根据本发明的实施例的具有凹陷构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层21的叶片末梢20的透视图。例如，图案化可磨蚀或磨蚀层21可为EBC 22的顶层。图13是根据本发明的实施例的具有突起构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层91的叶片末梢90的透视图。例如，图案化可磨蚀或磨蚀层91可为EBC 92的顶层。
[0040]为了形成凹陷或突起的CMC末梢，核心翼型件结构SiC层片可延伸通