具有带切削尖端的翼型顶端的涡轮叶片的制作方法
【专利说明】具有带切削尖端的翼型顶端的涡轮叶片
[0001]关于联邦赞助研究或开发的声明
本发明的开发部分得到美国能源部、先进氢祸轮发展项目(Advanced HydrogenTurbine Development Program)、合同号DE-FC26-05NT42644的支持。因此，美国政府可以拥有本发明中的某些权利。
技术领域
[0002]本发明一般涉及涡轮叶片，并且更具体而言，涉及燃气涡轮发动机中的涡轮叶片的顶端构造。
【背景技术】
[0003]通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于使压缩空气与燃料混合并且点燃混合物的燃烧室以及用于产生功率的涡轮叶片组件。燃烧室常常在可超过华氏2，500度的高温下操作。典型的涡轮机燃烧室构造使涡轮叶片组件暴露于这些高温。结果，涡轮叶片必须由能够承受这样的高温的材料制成。此外，涡轮叶片通常包含用于延长叶片的寿命并且降低由于过高的温度而导致故障的可能性的冷却系统。
[0004]通常，涡轮叶片由处于一端处的根部部分和形成从在涡轮叶片的相对端处耦接到根部部分的平台向外延伸的叶片的细长部分形成。所述叶片通常包括与根部部分相对的顶端、前缘和后缘。涡轮叶片的顶端经常具有顶端密封件，以减小涡轮机的气体路径中的环段与叶片之间的间隙。所述顶端密封件经常被称为凹槽状顶端(squealer tip)，并且经常被结合到叶片的顶端上，以帮助减少涡轮级之间的压力损失。这些特征被设计成最小化叶片顶端和环段之间的间隙。尽管如此，在启动期间，叶片顶端经常接触到环段并且造成叶片顶端上的磨损，这会损坏叶片。因此，需要在不损坏涡轮叶片的情况下适应启动状态。
【发明内容】
[0005]公开了一种涡轮叶片，其在涡轮叶片的径向外端处具有凹槽状顶端，所述凹槽状顶端具有从所述凹槽状顶端朝向环段径向延伸的多个可磨损涂层切削尖端(cuttingtip)。在操作期间，所述可磨损涂层切削尖端可以切入到涡轮发动机的从涡轮叶片径向向外定位的环段上的可磨损涂层中。所述多个可磨损涂层切削尖端可以包括从凹槽状顶端延伸到可磨损涂层切削尖端的最外部尖端的一个或多个切削棱。通过切入到相邻的可磨损涂层中，所述可磨损涂层切削尖端使涡轮发动机能够在不损失效率的情况下继续操作。
[0006]涡轮叶片可以由大致细长的叶片形成，所述大致细长的叶片具有前缘、后缘、处于第一端处的顶端、在大致与第一端相对的第二端处耦接到叶片的根部，所述根部用于支撑叶片，并且用于将叶片耦接到轮盘。所述叶片还可以包括在第一端处耦接到顶端的凹槽状顶端。所述凹槽状顶端可以包括多个可磨损涂层切削尖端，其从凹槽状顶端朝向从所述大致细长的叶片径向向外定位的环段径向延伸。所述多个可磨损涂层切削尖端可以形成至少两行的大致正交于凹槽状顶端和环段之间的燃烧排放气体流延伸的可磨损涂层切削尖端。可磨损涂层切削尖端的第二行可以位于可磨损涂层切削尖端的第一行的下游，并且可以相对于可磨损涂层切削尖端的第一行与燃烧排放气体流正交地偏置。
[0007]在至少一个实施例中，可磨损涂层切削尖端中的一个或多个可以具有至少一个切削棱，其从凹槽状顶端延伸到可磨损涂层切削尖端的最外部尖端。在另一实施例中，可磨损涂层切削尖端中的一个或多个具有至少三个切削棱，其从凹槽状顶端延伸到可磨损涂层切削尖端中的所述至少一个的最外部尖端。第一切削棱可以位于可磨损涂层切削尖端的上游侧上。第二切削棱可以在可磨损涂层切削尖端的上游侧和下游侧之间的第一交会部处从凹槽状顶端延伸到可磨损涂层切削尖端的最外部尖端。第三切削棱可以在可磨损涂层切削尖端的上游侧和下游侧之间的第二交会部处从凹槽状顶端延伸到可磨损涂层切削尖端的最外部尖端。第二交会部可以处于所述尖端的与第一侧相对的一侧上。
[0008]在至少一个实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端中的一个或多个可以具有金字塔的形状。在另一实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端中的每一个都可以具有金字塔的形状。所述多个可磨损涂层切削尖端中的至少一个可以从凹槽状顶端延伸至少125微米的距离。在另一实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端中的至少一个可以从凹槽状顶端延伸至少250微米的距离。在又一实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端中的至少一个可以从凹槽状顶端延伸1000微米、S卩I毫米的距离。在再一实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端可以从凹槽状顶端延伸至少125微米并且小于I，025微米的距离。所述多个可磨损涂层切削尖端可以由凹槽状顶端的径向外端上的滚花表面形成。
[0009]在另一实施例中，所述多个可磨损涂层切削尖端中的至少一个由多个平面表面形成，其中，相邻的平面表面相交以形成切削棱。所述多个可磨损涂层切削尖端中的至少一个可以由至少四个平面表面形成。相邻的可磨损涂层切削尖端可以在凹槽状顶端的外表面处通过直线来分隔。所述多个可磨损涂层切削尖端可以在凹槽状顶端的外表面处通过沿第一取向定位的多条直线和沿第二取向定位的多条直线分隔成行。所述第二取向可以与所述第一取向正交。第一取向和第二取向也可以相对于燃烧排放气体流的方向是非平行和非正交的。
[0010]本发明的一个优点在于，改进的间隙控制通过提高叶片顶端雕刻或切削静止部件上的可磨损材料的能力而提高了发动机的效率和功率。
[0011]本发明的另一个优点在于，可磨损涂层切削尖端切入到环段的径向内表面上的可磨损涂层中，从而产生了与从涡轮叶片延伸的可磨损涂层切削尖端相对应的轮廓。
[0012]本发明的又一个优点在于，涡轮叶片的轮廓精确地对应于环段中的扫掠轮廓，从而改进了间隙控制。
[0013]下面更详细地描述这些和其他实施例。
【附图说明】
[0014]结合在本说明书中并形成其一部分的附图图示了目前公开的本发明的实施例，并且连同说明一起公开了本发明的原理。
[0015]图1是具有根据本发明的特征的涡轮叶片的透视图。
[0016]图2是与径向向外定位的环段相邻的涡轮叶片顶端的详细剖面图，其中，可磨损涂层切削尖端的比例被放大，使得它们能够被看到。
[0017]图3是涡轮叶片的顶端的具有可磨损涂层切削尖端的部分的详细顶视图。
[0018]图4是图3中所示的涡轮叶片的顶端的具有可磨损涂层切削尖端的所述部分的详细侧视图。
[0019]图5是涡轮叶片的顶端的另一实施例的具有可磨损涂层切削尖端的部分的详细顶视图。
[0020]图6是图5中所示的涡轮叶片的顶端的具有可磨损涂层切削尖端的所述部分的详细侧视图。
[0021]图7是涡轮叶片接触材料条的测试结果的图片，其中，顶部的材料条通过平的金属涡轮叶片顶端撞击，中间的材料条通过具有可磨损涂层切削尖端的涡轮叶片顶端撞击，该可磨损涂层切削尖端具有大约125微米的高度，并且底部的材料条通过具有可磨损涂层切削尖端的涡轮叶片顶端撞击，该可磨损涂层切削尖端具有大约250微米的高度。
[0022]图8是涡轮叶片的顶端的具有可磨损涂层切削尖端的部分的透视图。
【具体实施方式】
[0023]如图1-8中所示，公开了涡轮叶片10，其在涡轮叶片16的径向外端14处具有凹槽状顶端12，所述凹槽状顶端12具有从所述凹槽状顶端12朝向环段20径向延伸的多个可磨损涂层切削尖端18。在操作期间，可磨损涂层切削尖端18可以切入到从涡轮叶片10径向向外定位的涡轮发动机的环段20上的可磨损涂层22中，如图2中所示。所述多个可磨损涂层切削尖端18可以包括从凹槽状顶端12延伸到可磨损涂层切削尖端18的最外部尖端30的一个或多个切削棱28。通过切入到相邻的可磨损涂层22中，可磨损涂层切削尖端18使涡轮发动机能够在损失效率的情况下继续操作。
[0024]涡轮叶片10可以由任何适当的构造形成。例如，在至少一个实施例中，涡轮叶片10可以由大致细长的叶片32形成，所述叶片32具有前缘34、后缘36、处于第一端14处的顶端38、在大致与第一端14相对的第二端44处耦接到叶片32的根部42，所述根部42用于支撑叶片32，并且用于将叶片32耦接到轮盘(disc)。涡轮叶片10可以包括在第一端40处耦接到顶端38的凹槽状顶端12。凹槽状顶端12可以包括多个可磨损涂层切削尖端18，其从凹槽状顶端12朝向从大致细长的叶片32径向向外定位的一个或多个环段20径向延伸。
[0025]在至少一个实施例中，可磨损涂层切削尖端18可以形成至少两行46、48的可磨损涂层切削尖端18，其大致正交于凹槽状顶端12和环段20之间的燃烧排放气体流50延伸。可磨损涂层切削尖端18的第二行48可以位于可磨损涂层切削尖端18的第一行46的下游，并且可以相对于可磨损涂层切削尖端的第一行46与燃烧排放气体流50正交地偏置。
[0026]可磨损涂层切削尖端18中的一个或多个可以具有从凹槽状顶端12延伸到可磨损涂层切削尖端18的最外部尖端30的一个或多个切削棱28，如图1-6和图8中所示。在至少一个实施例中，如图5和图8中所示，可磨损涂层切削尖端18中的一个或多个可以具有从凹槽状顶端12延伸到可磨损涂层切削尖端18的最外部尖端30的至少三个切削棱28。第一切削棱54可以位于可