专利名称：带镀层的涡轮叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带镀层的涡轮叶片。
背景技术：
此类涡轮叶片是众所周知的。它们有一种可被热工质绕流从流入边向 后缘延伸的翼型。在这里，翼型由吸入侧叶片壁和压力侧叶片壁构成，以 及在其外部面对热工质的表面设有镀层。镀层用作隔热层，使保持低的从 热工质进入翼型材料内的热量，为的是使翼型能在规定的使用寿命期间承受住机械负荷和热负荷。尽管镀层，例如陶瓷的APS隔热层，保护了涡轮 叶片材料，但仍可能在叶片材料内产生磨损造成的裂紋，这样的裂紋缩短'情》发明内容因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种上述类型的、其使用寿 命及其磨损特性得到进一步改善的涡轮叶片。上述技术问题通过一种用于轴流式的地面燃气轮机的涡轮叶片得以解 决，该涡轮叶片具有由吸入侧叶片壁和压力侧叶片壁构成的空心翼型，该 空心翼型的叶片壁在其面朝工质的外表面具有镀层，所述涡轮叶片具有至 少一个设在内部的、连接压力侧叶片壁与吸入侧叶片壁的支承肋，该支承 肋分别在连接区过渡到叶片壁，按照本发明，所述镀层在至少外表面的那 些与每个连接区相对的区域之一具有比叶片壁外表面的那些在内部作为空 腔的边界的区域大的层厚。本发明基于以下认识在上述类型的其内部可被冷却剂流过的涡轮叶 片中，沿翼型的叶片壁，从流入边到后缘观察，产生高的材料温度，而在 存在于翼型内部用于支承两个叶片壁的肋内，在工作时存在低得多的材料 温度。基于这种影响，在肋与叶片壁互相过渡的连接区内出现彼此间大的 溫差，这种温差可导致此处开裂。为避免所述的特別高的温差，本发明建
议，镀层在至少外表面上那些与每个连接区相对置的区域之一，具有比叶 片壁外表面的另一些作为内部空腔边界的区域大的层厚。因此在镀层较厚 的地方只发生较少的热量传入。这导致材料温度的均匀化以及减小连接区 内的温度梯度，从而在材料内产生较低的热应力。其结果是可以达到涡轮 叶片更长的使用寿命，因为在连接区内很少产生裂紋或裂紋的生长只是緩 慢地进行。基于局部增厚的镀层，尤其增厚的陶瓷隔热层，因而在按本发明设计 的所有连接区内均可以达到材料温度的均匀化，这导致延长涡轮叶片的使 用寿命。在这里，涡轮叶片可以设计为导向叶片或工作叶片。当翼型内部可流通冷却剂时，采用本发明尤其有特殊的效果。在这种 情况下，尽管这导致连接区内进一步增大的温度梯度，但对支承肋必要时 甚至在两侧均特別有效地冷却。因此，按照本发明用于均衡材料温度和延 长使用寿命的措施尤其对于此类涡轮叶片有重要意义。若从较薄的镀层向外以比较小的隆凸形式突起成较厚的镀层，则在它 上面流过的热工质可能产生涡流。然而这种可忽略不计的紊流度只导致在 热燃气侧传热系数微小的局部增大，这对于涡轮叶片是无害的。但因为通 常基于所采用的镀层方法层厚反正不可能是台阶状隆凸，而只是层厚的一 种连续增大或连续减小，所以对于本发明并没有负面的影响。按本发明的另一项扩展设计，翼型由基体构成，在基体上施加镀层。 例如铸造的基体在镀层应有较大层厚的区域内设有凹槽。每个凹槽的深度 优选地设计为，它与较厚与较薄的镀层之间的厚度差大体一致，以使镀层 的空气动力特性特别好和无台阶，亦即具有光滑的可被工质绕流的表面。因为镀层通常层厚为200pm至600pm，以及较薄的镀层与较厚的镀层之间 的比例系数在数量级为至少1.1或至少1.2,所以所述凹槽通常不深于 120,。按本发明的一项特別的设计，吸入侧叶片壁和压力侧叶片壁在后缘的 区域内会合，以及镀层在此区域内比在这之前直接处于上游的区域厚。在 这里，较热的叶片壁区域也与内部较冷的材料区相邻接，从而也可以在这 些地方实现材料应力按照本发明的降低。
下面借助实施例详细说明本发明特征的效果。附图中图1表示按照本发明第一种设计的叶型横截面；以及 图2表示按照另一种设计的叶型横截面。图中相同的特征采用相同的附图标记。只要没有明确指出，相同的特 征也导致相同的效果。
具体实施方式
图1表示按照本发明的涡轮叶片12的翼型IO的横截面。此涡轮叶片 12优选地使用在轴流式的地面燃气轮机中。但例如也可以看到它使用于航 空燃气轮机内。翼型10由吸入侧叶片壁14和压力侧叶片壁16构成，它们 分别从前缘18向后缘20延伸。此外，翼型10具有设在在内部22中的支 承肋24,这些支承肋连接压力侧叶片壁16与吸入侧叶片壁14,由此增大 翼型IO的刚度。每个支承肋24过渡到一个连接区26内以增大叶片壁14、 16在这里的壁厚D。吸入侧叶片壁14和压力侧叶片壁16在后缘20的区域 内会合，从而在此区域内朝后缘20的方向一开始存在一个共同的特别大的 壁厚D,它以变小的距离朝后缘20连续减小。叶片壁14、 16在其面朝工质的外表面30上具有镀层32，该镀层尤其 可以是陶瓷隔热层。它可以例如用APS法施加。与之不同地，隔热层也可 以通过等离子喷镀法或类似的方法施加在基体40上。此外，镀层32也可 以作为分层系统是多层的以及附加地包括一个腐蚀层。不仅吸入侧叶片壁14而且压力侧叶片壁16,沿其从前缘18到后缘20 的延伸长度，有基本上相同的壁厚D。但壁厚D在连接区26基于朝支承肋 24方向的凹形过渡而增大，从而使此区域B有比区域A更大的壁厚，在涡 轮叶片12的内部22存在的空腔31设在此区域A内。此外，在过渡区存在 质量积聚C。在有较大壁厚D的区域B内或在连接区26附近，施加比在区域A内 厚的镀层，在区域A内涡轮叶片12的叶片壁14、 16有较小的壁厚D,或 在区域A内所述内部空腔31以叶片壁14、 16为界。如此构成的局部镀层 积聚33从表面小量突起，因为镀层的层厚沿横截面观察连续增大到期望的 较厚量E,并在达到最大值后重新连续减小到一般量F。在图1中示意性地 表示出了这种情况。较薄的镀层与较厚的镀层之间的比例系数在数量级为
至少1.1或至少1.2。因为由基体40构成的翼型10通常具有期望的空气动力学型面，所以 基于此局部层厚的变化形成微小隆凸33,这种微小的隆凸对空气动力的影 响可以忽略不计。图2用横截面表示的涡轮叶片表示了对此的补救措施。在支承肋24与 叶片壁16、 14连接的区域26中，在基体24内设沿翼型10高度延伸的凹 槽42,由此可获得有镀层的涡轮叶片12的一种因为没有隆凸所以空气动力 学特性特别好的轮廓形状，以实现本发明的思想。图此也减少了连接区26 内的材料积聚。为了冷却涡轮叶片12,可以在涡轮叶片12的内部22或空腔31内流通 冷却剂，该冷却剂利用已知的冷却系统，如对流冷却、冲击冷却和/或气膜 冷却，调整基体40材料中的温度，使之尽管在热工质具有更高的情况下仍 能达到特别长的使用寿命。由于镀层32比较薄，在图2中未按比例地将凹槽42画得比较大。实 际上凹槽的深度在数量级上为120(im或更小。采取所建议的措施可以使连接区26内的温度梯度均匀化，由此可以降 低可能的有害的材料应力。此外，不同的镀层厚度也可以影响涡轮叶片的 自振特性。总之通过本发明提供了一种涡轮叶片，它的叶片壁14、 16可以分成一 些有局部适配材料温度的区段。叶片壁14、 16较低的材料温度处于支承肋 24过渡到叶片壁14、 16中的那些地方。叶片壁14、 16有较高材料温度的 区域，在那些在叶片壁14、 16内部设有空腔31的位置。按本发明这通过 有不同层厚E、 F的镀层32,尤其通过陶瓷隔热层达到，不同的层厚允许叶 片壁14、 16不同的材料温度。尤其叶片壁14、 16的面对工质的表面30上 那些与成形在内部22的肋24对置的区域B,具有比叶片壁14、 16表面30 上那些可通过一种可在空腔31内流动的冷却剂冷却的区域A厚的隔热层。 这导致在连接区26内和沿叶片壁从前缘18到后缘20材料温度均匀化，其 结果是达到延长涡轮叶片12的寿命。
权利要求
1.一种用于轴流式的地面燃气轮机的涡轮叶片(12)，其具有由吸入侧叶片壁(14)和压力侧叶片壁(16)构成的空心翼型(10)，该空心翼型的叶片壁(14、16)在其面朝工质的外表面(30)具有镀层(32)，所述涡轮叶片具有至少一个设在内部(22)的、连接压力侧叶片壁(16)与吸入侧叶片壁(14)的支承肋(24)，该支承肋分别在连接区(26)过渡到叶片壁(14、16)内，其特征在于所述镀层(32)在至少外表面(30)的那些与每个连接区(26)相对的区域之一具有比叶片壁(14、16)外表面(30)的那些在内部(22)作为空腔(31)的边界的区域大的层厚。
2. 按照权利要求1所述的涡轮叶片(12)，其特征在于，在内部(22)可流 通冷却剂。
3. 按照权利要求1或2所述的涡轮叶片(12),其特征在于，所述翼型(10) 由基体(40)构成，在该基体上施加镀层(32);以及，在基体中在镀层(32)有 较大层厚的区域内设有凹槽(42)。
4. 按照权利要求3所述的涡轮叶片(12)，其特征在于，所述凹槽(42) 具有大体等于较厚与较薄的镀层(32)之间的厚度差的深度尺寸，以达到镀层 (32)具有在空气动力学特性上可特别好地被工质绕流的表面。
5. 按照权利要求1至4中任一项所述的涡轮叶片(12),其特征在于， 吸入侧叶片壁(14)和压力侧叶片壁(16)在后缘(20)的区域内会合，以及镀层 (32)在至少叶片壁(14、 16)的该区域比在这之前直接处于上游的区域厚。
6. 按照权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶片(12),其特征在于， 在横截面内较厚的镀层(32)比此后覆盖的较薄的镀层(32)厚至少约1.1倍， 尤其约1.2倍。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃气轮机的带镀层的涡轮叶片(12)。其叶片壁(14、16)按本发明分成一些有局部适配材料温度的区段。叶片壁较低的材料温度处于支承肋(24)向叶片壁过渡的那些地方。叶片壁有较高材料温度的区域，在那些在叶片壁内部设有空腔(31)的位置。这通过有不同层厚的镀层(32)，尤其通过陶瓷隔热层达到，不同的层厚允许不同的材料温度。尤其叶片壁的面对工质的表面(30)的那些与成形在内部(22)的肋(24)相对置的区域(B)，具有比叶片壁表面(30)的那些可通过在空腔(31)内流动的冷却剂冷却的区域(A)厚的隔热层。这导致在连接区(26)内材料温度均匀化，其结果是达到延长涡轮叶片(12)的寿命。
文档编号F01D5/14GK101131099SQ200710141789
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月23日
发明者法西·阿马德, 迈克尔·丹科特 申请人:西门子公司