燃气涡轮发动机中转子叶片与转子盘槽之间的密封涂层的制作方法

专利名称：燃气涡轮发动机中转子叶片与转子盘槽之间的密封涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的转子叶片与转子盘。
背景技术：
图1中的局部透视图示出了典型的燃气涡轮的转子布置。从授给United Technologies Corp.的美国专利No. 6， 339， 878中获得的转子布置包括一系列锚定在转子 盘4中的转子叶片2。转子盘附接至轴(未示出)，该轴通过转子叶片上的工作流体的作用 而转动。 在图2(a)和图2(b)中示出了公知类型的转子叶片的更详细的视图。该叶片由翼 段10、平台12、支撑部14、以及根部16构成。根部16与转子盘内对应形状的槽接合。根部 16被配置成公知的"杉树"形(还参见图l)，该形状常常是优选的，这是因为当盘高速转动 时，该形状对施加在转子叶片上的离心力具有良好的抵抗性。 在使用中，由于从翼段10表面上流过的工作流体具有非常高的温度，所以叶片会 受到相当大的应力。为了延长叶片的寿命，常常通过使冷却流体经过设置在叶片内的冷却 管道来冷却叶片。图2(b)示出了这样两个分开的管道18和20。管道18由翼段的内壁和 第一隔离物22限定，第一隔离物22将管道18与翼段内部的其余部分隔开。管道20处于 由第二隔离物24和第三隔离物25分开的三个部分。隔离物24没有到达翼段10的顶部， 而是留有间隙，使得冷却流体能够从第一管道部分流到第二管道部分。类似地，隔离物25 从翼段10的顶部延伸，但是并未达到该翼段的底部便终止，使得管道20第二部分中的冷却 流体能够上升进入同一导管的第三部分。为了给管道18和20供应冷却流体，在所示的示 例中提供了两个流体入口 26和28。然后，冷却流体流从叶片外部通过入口 26、28，进入管 道18、20，如图2(b)中所示。该流体通过设置在翼段前边缘和后边缘中的孔离开该叶片，如 分别通过箭头30和32所示的那样(还参见图2(a))。在某些叶片中，冷却流体可以从翼段 的顶部(在所谓的"护罩"处)离开。 为了给图2 (b)中的入口 28供应冷却流体，在盘内设置管道，该管道将冷却流体从 盘的外部运送给槽，冷却流体从槽流到入口 28中。在图3(a)和图3(b)中给出了这种布置 的示例。该示例取自转让给UnitedTechnologies Corp.的美国专利US4， 344， 738，该示例 示出了杉树形的槽40、盘内的管道42、位于管道42的径向外端处的出口 44、以及位于盘的 端面中的入口46。还示出了槽的底部48，以及热的工作气体的流动方向50。冷却流体沿 着流动路径54穿过孔段52，并且转向径向方向，在该径向方向上冷却流体沿着另一条流动 路径56(参见箭头58)流动。然后，流体进入入口 46，穿过管道42，并且在出口 44处离开， 在出口 44处该流体最终进入叶片58内的冷却通道，该冷却通道类似于和图2(b)中的入口 28相关联的冷却通道。 关于图2(a)和图2(b)中所示的入口 26，这可以以图4中所示的方式供应冷却流 体。图4源于以Rolls Royce Deutschland名义提交的德国专利申请No. DE19957225，该图 中示出了被安装在高压燃气涡轮发动机中的转子盘60和转子叶片62的局部侧视图。通过
3冷却空气流64对叶片进行气冷，冷却空气流64被送入叶片支撑部中的入口 66，并且被送入 根部下侧上的入口68。入口 66和68分别对应于图2(b)中的入口26和28。因而，该系统 类似于图3中的系统，这是因为该系统也是通过根部将冷却空气供应给叶片，只不过该系 统还采用了经由支撑部的平行供应来进行补充。 应当注意到的是，分开的入口 26和28并不总是用来供给分开的冷却管道18、20。 作为替代的是，可以包括入口 26或者入口 28，并且这些入口可以给翼段10的整个内部运 送冷却流体。同样，可以在任一位置中采用不止一个的入口，代替单个入口 26或者单个入 口 28，例如，入口 28可以形成为一对相邻的入口，并且这些相邻的入口可以供给分开的管 道18、20，或者供给单个管道。 这些公知的冷却布置的问题是，不是所有供应给盘的冷却流体都会到达叶片内的 冷却管道或者多个管道。因此，期望能够减小冷却流体的损失，使得能够减小叶片上与温度 相关的应力。

发明内容
根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片和转子盘，该转子叶片
包括翼部和根部，该转子盘包括槽，将转子叶片的根部固定在该槽内，转子叶片的根部包
括一对侧部，该对侧部与转子盘槽的对应侧部配合；和底部，该底部连接所述侧部；其中，
涂层密封所述底部与所述转子盘槽的底部之间的间隙，该涂层位于该转子叶片根部的底部
上，和/或位于该转子盘槽的底部上；其中，该转子叶片是由工作流体驱动的涡轮叶片；其
中，该转子叶片的翼部具有用于接收冷却流体的一个或多个冷却管道。 所述涂层可以是多孔金属涂层。涂层可以包括镍或者镍合金。 涂层可以包括具有一种或多种添加剂的基体材料。添加剂可选自由下列材料构成 的组聚合物、石墨、膨润土、以及氮化硼。 涂层可以选自由下列材料构成的组商用纯铝、铝-硅合金、铝-准晶体合金、 镍-石墨复合物、镍-铝合金及复合物、硅-铝-石墨复合物、硅-铝与聚酯的混合物、硅-铝 与聚酰亚胺的混合物、镍_铬与聚酯的混合物、镍_铬与聚氨酯的混合物、镍_铬与膨润土 的混合物、镍_铬_铝/膨润土混合物、镍_铬与氮化硼的混合物、镍_铬与空心球体的混 合物、镍_铬_铁与氮化硼的混合物、MCrAlY合金、放热型MCrAlY合金(exothermicMCrAlY alloy)、以及氧化钇_氧化锆与聚酯的混合物。 涂层可以包括位于煅烧过的膨润土芯上的Ni4Cr4A121层。 转子叶片和转子盘可以进一步包括位于叶片/盘的衬底与涂层之间的MCrAlY粘结层。 转子叶片的底部可以包括至少一个凸角部，所述涂层位于所述至少一个凸角部中 的一个或多个上，或者位于转子盘槽底部的与所述至少一个凸角部中的一个或多个相对的 一部分上。更具体地，转子叶片的底部可以包括第一凸角部与第二凸角部，所述涂层(i) 仅位于所述第一凸角部与第二凸角部中的一个凸角部的一部分上，该部分布置成更接近所 述第一凸角部与第二凸角部中的另一个凸角部；或者，(ii)位于所述转子盘槽的底部上， 使得该涂层仅与所述第一凸角部和第二凸角部中的一个凸角部的一部分相对，并且该部分 布置成更接近所述第一凸角部和第二凸角部中的另一个凸角部。
涂层可在其区域上具有在0. 5mm与0. 7mm之间的最大厚度。


现仅以举例的方式借助于附图对本发明的实施例进行描述，附图中
图1是用于燃气涡轮发动机的典型转子布置的透视图；
图2(a)和图2(b)分别是公知转子叶片的透视图和侧视图； 图3(a)是公知转子叶片冷却布置的侧视图，而图3(b)示出了图3(a)所用的转子 槽的透视图； 图4是穿过另外的公知转子叶片冷却布置的轴向剖面； 图5以侧视图的形式示出了根据本发明的转子叶片的第一实施例； 图6是图5的转子叶片的根部的一部分的端视图；以及 图7以侧视图的形式示出了根据本发明的转子叶片的第二实施例。
具体实施例方式
发明人已经认识到，特别明显的能够发生泄漏的区域是通常存在于转子叶片底部 与容纳该叶片的转子盘槽之间的空间。 现在转向图5，该图中是转子叶片的侧视图，该转子叶片类似于图2(b)的转子叶 片，但是在图5中的转子叶片中已经将涂层涂覆至叶片根部的底部。底部包括一对凸角70、 72，并且涂层74被涂覆至这些凸角的下侧。在图6中示出了带有涂层74的凸角70正视图。
涂层是可磨耗涂层，并且制得比凸角下侧与转子盘槽底部之间否则将会存在的预 期间隙稍微厚一点。典型的示例是可以将大约0. 5mm与0. 75mm之间的涂层涂覆于凸角。 该尺寸被示作图6中的尺寸x，并且指的是最大涂层厚度的区域，如图所示。采用所示的凸 角，随着涂层朝向根部的侧部76延伸，该厚度减小。涂层厚度的变化程度将取决于与转子 盘槽的底面形状相关的凸角轮廓。例如，当凸角底部几乎平坦且槽的底面也是类似形状时， 则涂层厚度在凸角的大部分区域上是基本恒定的。在所示的示例中，假定以涂层74的外部 轮廓所示的方式使槽的底面弯曲。当将叶片插入到它们的槽内时，一些涂层将会被去除，从 而在凸角与槽的底部之间保留非常紧密的配合。 当叶片被安装在盘内时，该涂层有效地密封否则将会存在于凸角70、72与槽48的 底部之间的空间(参见图3(b))。因此，再次参考图4，冷却空气64被限制成流动穿过通 道61然后经由入口 68直接进入叶片根部，并且被限制成还流动穿过叶片支撑部内的入口 66，而不会在叶片上游侧转向到叶片凸角之下，不会在叶片下游侧转向到叶片凸角之下，并 流出转子。以这样的方式，提高了转子操作的效率。在刚刚已经陈述的内容中，假定与许 多燃气涡轮系统的情况一样，不存在图4中所示的锁紧板63。这是因为锁紧板不仅阻止了 槽内叶片不需要的轴向运动，而且还密封了叶片下侧与槽底部48之间的泄漏路径(参见图 3(b))。顺便说一句，应当注意的是，由本发明阻止的损失是与叶片根部下侧和转子盘槽底 部之间否则将会存在的间隙的大小大致成比例的。
现在将详述用于涂层的材料问题。 所用涂层材料的类型至少部分取决于叶片在操作期间将会达到的预期温度。例 如，在涡轮盘的边缘处的温度可能会达到3Q(TC 70(TC范围内的温度。在此基础上，涂敷涂层存在两个主要的选择。第一选择是通过在多孔金属层上进行喷溅来涂敷涂层，该涂层 在将叶片组装到转子盘槽内期间被压縮并刮掉(即，磨掉)。所用的金属或合金应当具有比 预期操作温度更高的熔化温度。镍或其合金是这种金属的一个示例。无论使用何种金属， 应当小心的是该金属不应当对涡轮中存在的其它材料具有有害的影响。这种金属的一个示 例是铜，铜可能会妨碍涡轮中其它地方所用的镍基合金的完整性。 第二选择是使用具有一种或多种添加剂(例如，聚合物、石墨、膨润土、以及氮化 硼)的稠密且均匀结构的涂层。添加剂弱化了基体材料，并且能提供一定程度的干式润滑， 当叶片被安装在盘内时该干式润滑会是有用的。 用于低温应用(S卩，大约小于65(TC)的涂层优选涂敷在镍-铝粘结层上。可磨耗 材料包括商用纯铝、铝_硅合金、铝_准晶体合金、镍_石墨复合物、镍_铝合金及复合物、 硅_铝_石墨复合物、硅_铝与聚酯的混合物、硅_铝与聚酰亚胺的混合物、镍_铬与聚酯 的混合物、镍_铬与聚氨酯的混合物、镍_铬与膨润土的混合物、镍_铬_铝/膨润土混合 物、镍_铬与氮化硼的混合物、镍_铬与空心球体的混合物、镍_铬_铁与氮化硼的混合物。
用于温度非常高(g卩，大约大于649tO的发动机段的涂层必需使用高温材 料，这些高温材料易于磨掉。这些高温可磨耗材料包括MCrAlY型合金、放热型MCrAlY、 镍-铬-铝/膨润土混合物、以及氧化钇_氧化锆与聚酯的混合物。术语"MCrAlY"是一种 公知的縮写方式，指的是抗高温及氧化/腐蚀的合金系统，该合金系统包括了镍、钴、和铁 中的一种或多种来作为主要的"M"组分，还具有大量的铬和铝，再加上少量的钇或其它稀土 元素。这些合金在例如欧洲专利申请No. 0587341B1中被讨论，该申请以Rolls-Royce plc. 的名义提交。通过引用将该申请的说明书并入本文。在本申请中，"M"组分优选为镍。
—种来自低温组的优选涂层材料是Ni基可磨耗材料，而来自高温组的包括石墨 或膨润土的Ni基材料则是优选的。Ni-膨润土材料的一个具体示例是"Metco 314 "。该 材料由涂覆在膨润土颗粒芯上的镍_铬_铝合金构成。该材料的细节以及合金组分之间的 某些具体比例包含在授给Adamovic的美国专利No. 4， 291， 089中，在此通过引用将该文献 并入本文。然而，其它的Metco材料也一样是可能的，例如，Metco 312 。这种材料的一个 示例是一种由位于煅烧的膨润土芯上的Ni4Cr4A121层所构成的材料。
在实践中，由于涂层比填满间隙所必需的厚度更厚这样的事实，所以将叶片插入 到它们各自在转子盘中的槽内证明是一项困难的作业。理想地，叶片根部应当与槽精确对 准，一旦叶片已经被提供给槽，则应当笔直地向前推动叶片，而不应有任何扭转等等。这可 能需要使用工具，以便实现所必需的对准。在将叶片推入到槽内的同时避免大块的涂层脱 落也是很重要的。然而，通过使用可磨耗的材料(例如上面所提到的)，这很容易实现，只要 涂层不过厚即可。 为了使叶片的插入更加容易，本发明在其第二个实施例中设想了一种如图7中所 示的涂层布置。图7中，涂层74仅仅涂敷在凸角72的一部分上，该凸角位于根部的被首先 插入到转子盘槽内的端部处。在所示出的叶片中，该端部是"后"端，对应于翼轮廓的后边 缘。因而，插入方向由箭头78示出。凸角72的未涂敷部分作为"导入"部分80起作用，使 得插入叶片更加容易。如前面提及的，该措施减小了需要专用工具的可能性。
在替换性的布置中，该导入部分被设置在叶片翼段的前边缘，S卩，在凸角70上。这 是假定叶片的这个边缘将会被首先插入到槽内。
根据第二实施例的涂层布置是令人满意的，只要布置成更接近凸角70的凸角72 的端部处的涂层覆盖了该凸角的足够区域以便产生可靠的密封即可。因为仅仅需要很小的 导入部分80(参考方向78)，所以这是很容易实现的。当导入部分是凸角70的一部分而不 是凸角72的一部分时同样适用。 尽管凸角70通常将会被完全涂覆(如图5中所示那样)，但是该凸角也能够仅被 部分涂覆。在该情形中，凸角70可以在其上游端部处进行涂覆，或者在其下游端部处进行 涂覆，还可以在某个中间点处进行涂覆。这不是为了产生如图7中附图标记80所示的导入 部分，而仅仅是为了节约材料成本。在这里应用和凸角72上的涂层一样的标准，S卩，确保凸 角70有充足的区域被覆盖以便产生可靠的密封。当导入部分是凸角70的一部分时，对于 凸角72也存在类似的考虑。
现在将描述本发明的第三实施例。 在该第三实施例中，将涂层涂敷到转子盘槽的底部48 (参见图3 (b))，而不是将涂 层涂敷到叶片。在这种情形中，将涂层涂敷到底部的一些区域，这些区域在叶片被插入到槽 中时对应于凸角70、72的位置。在这里应用了和第一实施例与第二实施例完全一样的涂层 考虑。因此，例如可以涂覆更短的涂层，只要涂层密封了两个凸角的足够的表面区域即可。 可以提供相同的导入部分，但这次是在底部48的一部分中，当插入叶片时，该部分将会首 先接收叶片根部。 要注意到的是，第三实施例冒着这样的风险，即在装配期间从转子盘槽中磨掉的 涂层部分将会终结在涡轮叶片的冷却管道内，由此降低了冷却效率。 本发明的第四实施例对叶片根部和槽的底部中的每一个均涂敷了更薄的涂层。最 终的结果是相同的，即，随着叶片被完全插入，这二者的涂层均会磨损，并因此在根部与槽 的底部之间产生密封。尽管该方案是可能的，但是该方案一般没有用于实践，这是因为仅对 根部和槽中的一个或另一个进行涂敷会更加容易。实际上，通常优选的是仅在根部进行涂 覆，这是因为在实际中这比对盘内每个单独的槽进行涂覆要更加容易。此外，该第四实施例 具有这样的缺点，即在两个涂层之间两个涂层相遇之处会产生界面。在考虑到密封的完整 性时，该界面可能是一个弱化源头。 尽管已经联系杉树型的涡轮转子叶片和盘对本发明进行了描述，但是本发明并不 限于此。实际上，在间隙通常存在于叶片根部的底部与转子盘槽的对应部分之间的情况下， 本发明将能够应用于任意类型的涡轮转子叶片和盘。然而，应当对间隙非常大的情况加以 小心，因为这将会需要对应厚的涂层。然后，这种涂层必需由不易碎的材料构成，因为否则 在叶片插入前该涂层可能会脱落或者变得易于被损害。如果需要，可以通过使用不同材料 的简单实验来建立在任何给定情形中涂层厚度的限制。本技术允许2mm量级的涂层厚度， 而不会在组装期间对该涂层具有显著的损害风险。预期在该领域的未来发展将会允许涂敷 更厚的涂层，就像在热障涂层(TBC)领域中已经发生的那样。可替换地，在大间隙的情况 下，则如前面所提到那样将涂层涂敷到叶片和盘两者上可能会是有利的，因为每个局部涂 层可以更薄，但仍然能够实现所需要的密封效果。 尽管本发明已经假定存在两个根部凸角且这两个凸角都被涂覆，但是本发明并不 限于此，而是可以被用于多于两个凸角或少于两个凸角的情况。因而，仅包含一个凸角的应 用也能够使用本发明，尽管通过使用不止一个的密封点能够实现更加可靠的密封效果。该密封点(即，凸角)可以位于叶片根部和/或转子盘槽的任一端部处，或者位于某个中间点 处。
权利要求
一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片和转子盘，所述转子叶片包括翼部和根部，所述转子盘包括槽，所述转子叶片的根部被固定在所述槽内，所述转子叶片的根部具有一对侧部，该对侧部与转子盘槽的对应侧部相配合；和底部，所述底部连接所述侧部；其中，涂层密封了位于所述底部与所述转子盘槽的底部之间的间隙，所述涂层位于所述转子叶片根部的底部上和/或位于所述转子盘槽的底部上，其中，所述转子叶片是由工作流体驱动的涡轮叶片，所述转子叶片的翼部具有一个或多个用于接收冷却流体的冷却管道。
2. 根据权利要求1所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层是多孔金属涂层。
3. 根据权利要求2所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层包括镍或镍合金。
4. 根据权利要求1所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层包括具有一种或 多种添加剂的基体材料。
5. 根据权利要求4所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述添加剂选自由聚合物、 石墨、膨润土和氮化硼构成的组。
6. 根据权利要求4所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层选自由下列材料 构成的组商用纯铝、铝-硅合金、铝-准晶体合金、镍-石墨复合物、镍-铝合金及复合物、 硅_铝_石墨复合物、硅_铝与聚酯的混合物、硅_铝与聚酰亚胺的混合物、镍_铬与聚酯 的混合物、镍_铬与聚氨酯的混合物、镍_铬与膨润土的混合物、镍_铬_铝/膨润土混合 物、镍_铬与氮化硼的混合物、镍_铬与空心球体的混合物、镍_铬_铁与氮化硼的混合物、 MCrAlY合金、放热型MCrAlY合金、以及氧化钇-氧化锆与聚酯的混合物。
7. 根据权利要求6所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层包括位于煅烧的 膨润土芯上的Ni4Cr4A121层。
8. 根据权利要求4至7中任意一项所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，进一步包括 位于所述叶片/盘的衬底与所述涂层之间的MCrAlY粘结层。
9. 根据前面任意一项权利要求所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述转子叶片 的底部包括至少一个凸角部，所述涂层位于所述至少一个凸角部中的一个或多个上，或者 位于所述转子盘槽底部的与所述至少一个凸角部中的一个或多个相对的一部分上。
10. 根据权利要求9所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述转子叶片的底部包括 第一凸角部和第二凸角部，所述涂层i)仅位于所述第一凸角部和第二凸角部中的一个凸 角部的一部分上，该部分布置成更接近所述第一凸角部和第二凸角部中的另一个凸角部； 或者，ii)位于所述转子盘槽的底部上，使得所述涂层仅与所述第一凸角部和第二凸角部中 的一个凸角部的一部分相对，该部分布置成更接近所述第一凸角部和第二凸角部中的另一 个凸角部。
11. 根据前面任意一项权利要求所述的转子叶片和转子盘，其特征在于，所述涂层在其 区域上具有在0. 5mm和0. 7mm之间的最大厚度。
全文摘要
一种燃气涡轮转子叶片(2)与转子盘(4)的布置，其为了密封通常存在于叶片根部的底部与转子盘槽的底部之间的间隙而采用了涂层(74)。涂层(74)可以涂敷到叶片根部，或者涂敷到转子盘本身的转子盘槽的底部上。涂层优选是可磨耗的镍合金膨润土涂层。涂层还可以仅涂敷至密封区域的一部分(70、72)，而忽略该槽起始处的部分或该叶片根部的凸角中一个的起始处的部分，使得形成导入部分，由此叶片能够更加容易被插入到槽中。
文档编号F01D11/00GK101796266SQ200880106019
公开日2010年8月4日 申请日期2008年8月26日 优先权日2007年9月6日
发明者R·J·韦布 申请人:西门子公司