专利名称：罩部段和转子叶片尖端之间的密封系统及这种部段的制造方法
技术领域：
本发明涉及包括涡轮机叶片和周向壳体部段的设置，其中所述涡轮机叶片包括至 少根部、翼面和尖端且借助于其根部被安装于转子，该转子沿机器轴线延伸，所述周向壳体 部段包括面向叶片的尖端的表面，其中所述表面被结构化。此外，本发明涉及生产壳体部段 的方法，该壳体部段包括面向涡轮机叶片的叶片尖端的表面，所述涡轮机叶片被安装于转 子，该转子可旋转地沿机器轴线延伸。
背景技术：
现代燃气轮机领域中最重要的研究目标在于提高效率。其他重要方面是操作灵活 性、低维修成本、高可用性以及低排放。后一目标与效率的提高直接相关，其中次要特征是 操作稳定性。基础热力学表明较高的气体温度是增加燃气轮机效率的一种可能。温度限制因素 在第一情况下是与热气体直接接触的部件所使用的材料。为了超过例如现代燃气轮机中的 叶片或面向叶片尖端的壳体部段的材料所设定的气体温度限制，例如通过叶片内冷却空气 的通道来提供复杂冷却。在一些应用中，薄的冷却空气膜被构建在面向热气体的表面的顶 部上。通过附加热屏障涂层来隔绝这些具有低导热率的部件的基础材料可以甚至产生 更高温度。一种示例可以参见W02007/115839A2。除用于增加效率的与温度相关的方法之外，还采用流体动力学措施来增加燃气轮 机的相对功率输出。一种可能性在于降低通过旋转叶片尖端与壳体部段的相对表面之间的 间隙的次级流动的量。这可以通过减小静止部分和旋转部分之间的空隙来实现。另一方面，这些空隙必须被不能缩减至小于由于非稳态操作条件下特别是启动期 间特别的热膨胀而导致被桥接跨过的间隙，以便避免旋转部分和静止部分之间的接触。这 种磨损情况会导致灾难性的失效。具有最大相对速度的叶片尖端和面向尖端的相应相对表面承受剧烈热冲击，这是 由于高的操作温度与空气动力学摩擦的结合。穿过叶片尖端和热屏蔽叶片之间的间隙的热 气体的湍流会导致对于叶片尖端和壳体部段的相对表面的最大热冲击。
发明内容
因此，本发明的一个目标在于提供一种上述类型的设置，其能够使得在旋转叶片 和相对壳体部段之间的间隙区域内具有最大操作温度及最佳流体动力学性能且不会降低 燃气轮机的操作安全性或操作范围。此外，本发明的目标是提供生产这种设置的壳体部段 的方法。这些目标通过根据权利要求1的设置及相应地通过根据权利要求2的生产壳体部 段的方法来实现。从属权利要求分别涉及优选实施例。
根据本发明的机器轴线是承载叶片(特别是燃气轮机的叶片)的转子的旋转轴线。本发明具体涉及燃气轮机不过对于配合旋转叶片的其他旋转机器(例如蒸汽轮机 或压缩机)也同样重要。根据本发明的周向表面是承载该表面的元件，其面向旋转机器的旋 转叶片的尖端。这里，叶片的尖端指代叶片翼面的常规最外边缘。这个边缘通常沿翼面的 横截面轮廓的弦长延伸。因为在发动机操作期间旋转叶片沿轴向的热膨胀的原因，表面元件的构造摩擦到 叶片尖端中，从而在面向壳体部段的叶片尖端上形成对应构造。这种结构化与平坦表面相 比更有效地限制了不理想的次级流动。这种构造由多个凹槽或突起或沟槽构成，或者可以 是蜂窝状。沟槽优选地沿周向方向延伸。在表面上提供陶瓷涂层使得能够以有利方式定制表面性质且不改变壳体部段的 基础材料，而这需要适合于表面结构的机加工。根据本发明所提供的方法，结构被机加工到 表面中，且之后表面配备有陶瓷涂层。有利地，被具体选择以呈现更好操作行为的具有有益 材料性质的表面与改进空气动力学的表面几何形状相结合。可以通过车削、铣、研磨、电火花加工或其他任意适当方法来实现根据本发明的机加工。根据本发明的方法的优选实施例提供在应用至少部分陶瓷涂层之后通过将表面 的突起机加工至特定最小直径的进一步生产步骤。因为涂层方法不一定导致最高的几何形 状准确性，所以后续机加工步骤保证在旋转叶片和壳体部段的相对表面之间具有足够操作 空隙。根据本发明的优选实施例，表面的结构包括周向沟槽。这些沟槽可以被周向突起 彼此隔开，所述周向突起例如具有三角形横截面。此外，沟槽本身可以具有三角形横截面。 这种结构几何形状导致改进的密封效果。通过作为面向叶片尖端的表面的涂层的热屏障涂层来提供一种特别有益的实施 例。优选地，这种涂层具有在0.3至3W/mK之间的热导率。此外，本发明的优选实施例提供 作为可磨损涂层的涂层，其优选地可被叶片尖端磨损。在本文中的可磨损性意味着磨擦元 件和被磨损元件均不被毁坏，且被磨损元件被磨擦元件减缩，相应地叶片尖端机加工根据 本发明的壳体部段的表面。本发明的另一实施例提供冷却壳体部段的冷却系统。通过冷却壳体部段，可以增 加在沿表面和壳体部段的基础材料流动的热气体之间的温度差。特别是，当涂层至少部分 是热屏障涂层时。优选地，涂层具有近似100 μ m至3000 μ m的厚度，这导致了良好的隔绝效果。本发明的一种优选实施例提供了作为层系统的涂层，其包括直接应用于基础材料 (相应地是基底)的表面作为粘结层的第一层以及可以具有可磨损功能的作为隔绝层的第 二层。特别是当粘结层是薄的金属层时能够延长涂层的使用寿命。优选地，第二层是陶瓷 层，其优选地主要包含氧化锆及一定量的稳定化氧化物。为了具有良好可磨损性，第二层能够具有在15-50vd%之间的孔隙度。用于第二层的有益的涂层方法是等离子喷涂，特别是大气等离子喷涂、低压等离 子喷涂、真空等离子喷涂或等离子增强的化学气相沉积。壳体部段上的沟槽结构也可以有利于涂层粘附。
通过结合附图参考实施本发明的当前最佳模式的下述说明，将更加显而易见到本 发明的上述特性及其他特征和优点及其获得方式并且更好地理解发明本身，附图中
图1示出了根据本发明的设置的示意图，其包括燃气轮机叶片和壳体部段，该壳体部 段具有面向所述叶片的尖端的表面，
图2示意性示出了图1的细节，相应地是在最终生产步骤之后涂覆有涂层的壳体部段 的表面。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的设置1，其包括燃气轮机叶片2和壳体部段3。燃气轮机叶片2由叶片根部4、平台5以及径向终止于叶片尖端7的翼面6构成。 叶片2以未示出的方式被安装于沿机器轴线8 (相应地是转子的旋转轴线)延伸的未示出 转子中。壳体部段3周向围绕转子。在叶片尖端7和面向叶片尖端7的壳体部段3的表面11之间提供间隙9来保持 旋转部分和固定部分之间的必要空隙。表面11具有第一表面结构12，该第一表面结构12 通过禁止在叶片尖端7之上的次级流动而提高空气动力学效率，而次级流动的旁通减小了 功率输出。锯齿状结构12由分隔开三角形周向突起14的具有三角横截面形状的周向沟槽 22构成。在操作前，叶片尖端7最初具有无任何结构的平坦尖端表面。在首次启动后，突起14在叶片的尖端内研磨出具有相应形状的相应第二表面结 构13 (图1中的虚线)，从而得到锯齿状的第二突起。图2示出了应用部分陶瓷涂层14且机加工了第一结构12的突起14的尖端之后 处于最终状态的表面11的细节。涂层15包括层系统，该层系统由第一层18 (相应地是粘结层16)和第二层20 (相 应地是陶瓷层21)构成，该第二层20作为热屏障涂层17。粘结层16是由MCrAlY型合金 (MCrAlY)构成的薄金属层。涂层具有50-300 μ m的总体厚度，并且热屏障涂层17具有在 0.3-3W/mK之间的导热率。热屏障涂层17被施加有在15-50vd%之间的孔隙度，并且主要 包含氧化锆及一定量的稳定化氧化物。通过等离子喷涂，优选地大气等离子喷涂，来施加第 二层20 (相应地是热屏障涂层17)。涂层15是可磨损的，其使得能够具有非常紧密的径向空隙，从而导致高效率且没 有因磨擦而导致的失效危险。
权利要求
1.一种包括涡轮机叶片和周向壳体部段(3)的设置(1)，所述涡轮机叶片包括至少根 部(1)、翼面和尖端(7 )且借助于其根部(4 )被安装于转子，该转子沿机器轴线(8 )延伸，所 述周向壳体部段包括面向所述叶片(2)的尖端(7)的表面(11)，其中所述表面(11)被结构 化，其特征在于所述表面(11)至少部分地具有至少部分陶瓷的涂层(15)。
2.一种生产壳体部段(11)的方法，该壳体部段(3)包括表面(11)，该表面面向涡轮机 叶片(2)的叶片尖端(7)，所述涡轮机叶片安装于转子，该转子能够旋转地沿机器轴线(8) 延伸，所述方法包括如下步骤-在所述表面(11)内机加工第一结构(12)，-向所述表面(11)提供陶瓷涂层(15)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在涂层步骤之后-执行将所述壳体部段(3)的所述表面(11)结构的突起(14)机加工至特定直径的步马聚ο
4.根据权利要求1所述的设置或根据权利要求2或3所述的方法，其中所述第一结构 (12)包括周向沟槽(22)。
5.根据权利要求4所述的设置或方法，其中所述沟槽(22)分别由具有三角形横截面的 周向突起(14)彼此隔开。
6.根据权利要求5所述的设置或方法，其中所述沟槽(22)具有三角形横截面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设置或方法，其中所述涂层(15)是热屏障涂层。
8.根据前述权利要求7所述的设置或方法，其中所述热屏障涂层的导热率在0.3-3W/ HlK之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设置或方法，其中所述涂层是能够磨损的。
10.根据前述权利要求9所述的设置或方法，其中所述涂层(15)能够被所述叶片(2) 的所述尖端(7)磨损。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设置或方法，其中所述壳体部段(3)被冷却系 统冷却。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设置或方法，其中所述涂层(15)具有在 100-3000 μ m之间的厚度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设置或方法，其中所述涂层(15)是包括至少第 一层(18)和第二层(20)的层系统，其中所述第一层被直接施加于所述表面(11)作为粘结 层(19)，所述第二层是隔绝层。
14.根据权利要求13所述的设置或方法，其中所述粘结层(16)是薄金属层。
15.根据前述权利要求13或14中一项权利要求所述的设置或方法，其中所述第二层 (20)是陶瓷层。
16.根据前述权利要求15所述的设置或方法，其中所述陶瓷层包含氧化锆或氧化钇。
17.根据前述权利要求16所述的设置或方法，其中所述陶瓷层主要包含氧化锆。
18.根据前述权利要求13-17中一项权利要求所述的设置或方法，其中所述第二层 (20)具有在15-50vd%之间的孔隙度。
19.根据前述权利要求13-18中一项权利要求所述的设置或方法，其中所述第二层 (20)通过等离子喷涂来施加，特别地通过大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、真空等离子喷 涂或化学气相沉积来施加。
全文摘要
本发明涉及包括涡轮机叶片和周向壳体部段(3)的设置(1)，所述涡轮机叶片包括至少根部(4)、翼面和尖端(7)且借助于其根部(4)被安装于转子，该转子沿机器轴线(8)延伸，所述周向壳体部段包括面向所述叶片(2)的尖端(7)的表面(11)，其中所述表面(11)被结构化。此外本发明涉及生产这种壳体部段(11)的方法。本发明的目标在于增加效率且不限制涡轮机的操作范围。该目标通过提供至少部分具有至少部分陶瓷的涂层(15)的表面(11)来实现。此外，提出通过如下步骤生产壳体部段在表面(11)中机加工第一结构(12)，为表面(11)提供陶瓷涂层(15)。
文档编号F01D5/20GK102084090SQ200980125572
公开日2011年6月1日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月3日
发明者S·舒金, H·李 X- 申请人:西门子公司