CN101205814B - 用于防止涡轮机叶片尖端护罩磨损的系统 - Google Patents
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Abstract
一种设在涡轮发动机中的用于防止涡轮机叶片(100)的尖端护罩(106)磨损的系统，其包括形成在尖端护罩(106)的接触面(200)上的腔穴(212)和配合在腔穴(212)内且具有耐用外表面(214)的插塞件(211)。耐用外表面(214)可以包括钴基硬质敷层粉末。腔穴(212)可以形成于接触面(200)上，而插塞件(212)可以是具有预定尺寸的密合地配合到腔穴(212)内的插塞件。在一些实施例中，在插塞件(211)配合到腔穴(212)之后，耐用外表面(214)可以基本上与接触面(200)对齐。在其它实施例中，在插塞件(211)配合到腔穴(212)之后，耐用外表面(214)可以保持稍稍高出接触面(200)。
Description
技术领域
本发明大致涉及一种用于防止涡轮发动机中涡轮机叶片尖端护罩(tip shroud)上的磨损的系统。更具体而言，但不限于此的是，本发明涉及一种把耐用外表面一体式地结合在相邻尖端护罩之间的接触面上的系统。
背景技术
涡轮机叶片大致包括翼型和附接于其上的尖端护罩。附接到翼型外边缘的尖端护罩，提供基本上垂直于翼型表面延伸的表面区域。尖端护罩的表面区域有助于把涡轮机废气保持在翼型上(也即，不允许废气从翼型叶片端部漏去)，使得较大比例的涡轮机废气能量可以转化成涡轮机的机械能量。因此，尖端护罩改进了燃气涡轮发动机的性能。优选的尖端护罩设计需要较大尖端护罩表面区域，使得涡轮机叶片翼型的整个外表面都被覆盖。
在涡轮机工作期间，尖端护罩一般与相邻涡轮机叶片的尖端护罩相互作用。因为已安装的涡轮机叶片和优选的尖端护罩设计的对准，尖端护罩一般会接触其各侧的尖端护罩、也即其前缘和后缘的相邻尖端护罩。相邻涡轮机叶片尖端护罩之间的接触还可以有助于把涡轮机废气保持在翼型上(也即，防止尖端护罩之间大规模的泄露)，使得涡轮机性能得以加强。然而，由于涡轮机在工作的旋转速度及振动和相邻尖端护罩之间接合部的非永久性的性质，与相邻尖端护罩之间的接触相关的物理的和机械的应力会变得很大。
此外，工业用燃气涡轮机和航空发动机的涡轮机叶片工作在很高的环境温度中。一般地，涡轮机内涡轮机叶片工作点的温度处于600℃和1500℃之间。另外，涡轮机工作温度迅速而频繁的变化使施加到热通路部件上的热应力剧增。因此，涡轮机叶片和附接于其上的尖端护罩上的热应力相当大。
涡轮机叶片和附接于其上的尖端护罩大致由镍基超合金、钴基超合金、铁基合金或相似材料制成。尽管这些材料已经被证明是物美价廉的，并且对于大多数必需的功能来说是十分有效的，但是如果在极大的机械应力和热应力下，相邻尖端护罩之间的连接区域(也即尖端护罩与各相邻尖端护罩的接触处)将会过早地磨损。其它的更硬的/更耐用的材料对于抵抗这种相邻尖端护罩之间接触区域的磨损来说更有效。
传统的方法和系统在有效防止这种磨损方面并不成功。例如，已经试验过火焰喷雾附层。然而，这样的附层已经被证明太薄而不能提供任何长时间的保护。还已经试过特殊焊接，其在接触区域内大致形成“焊接结构”。然而，特殊焊接还也只能提供少许保护。另外，在该区域内的工作应力已经很大时，焊接结构仍然把其它热相关的应力引入到接触区域。
因此，相邻尖端护罩之间的接触点处的过早磨损持续导致系统的效率下降。例如，过早的磨损可能导致：1)涡轮机单元增加的维修停工期；2)由于接触区域内的过早磨损而更换其它完好的尖端护罩；和3)劳动力和零件支出的相关增长。因此，需要改进的系统，以防止相邻尖端护罩之间的过早磨损。
发明内容
本发明介绍了一种在涡轮发动机中用于防止磨损涡轮机叶片尖端护罩的系统。系统可以包括形成在尖端护罩接触面内的腔穴(pocket)和配合在腔穴内并具有耐用(durable)外表面的插塞件(plug)。在一些实施例中，耐用外表面可以包括钴基硬质敷层粉末(hardfacingpowder)。
腔穴可以形成于接触面中，而插塞件可以是具有预定尺寸的密合地(snugly)配合到腔穴内的插塞件。在一些实施例中，在插塞件配合到腔穴内之后，耐用外表面可以基本上对齐接触面。在其它的实施例中，在插塞件配合到腔穴内之后，耐用外表面也可以保持稍稍高出接触面。
在一些实施例中，尖端护罩在涡轮机工作期间可以在接触面处与相邻尖端护罩接触。接触面可以包括Z形界面，Z形界面具有近似“Z”形的轮廓。尖端护罩还可以包括切削齿，其形成了沿着尖端护罩上表面的中间的凸脊。Z形界面可以包括中间接触面，该中间接触面对应于大致“Z”形轮廓的中间那一划(middle leg)，中间接触面具有大致矩形的形状，其基本上对应于切削齿的截面形状。不管是在上部接触面或下部接触面，腔穴的高度都可接近尖端护罩的厚度。
在一些实施例中，腔穴可以穿过下部内部面而敞开。插塞件可以钎焊(braze)到腔穴内。在其它实施例中，插塞件的耐用外表面可以与相邻尖端护罩的第二插塞件的第二耐用外表面相对。
本发明还介绍了一种在涡轮发动机中用于防止涡轮机叶片尖端护罩的磨损的系统，其可以包括附接于尖端护罩接触面的板(plate)。该板可以包括耐用外表面。在一些实施例中，耐用外表面包括钴基硬质敷层粉末。
尖端护罩在涡轮机工作期间可以在接触面处与相邻尖端护罩接触。在一些实施例中，接触面可以包括Z形界面，Z形界面具有近似“Z”形的轮廓。尖端护罩还可以包括切削齿，其形成了沿着尖端护罩的上表面的中间的凸脊。Z形界面可以包括中间接触面，其对应于近似“Z”形轮廓的中间那一划，中间接触面具有大致矩形的形状，其基本对应于切削齿的截面形状。在一些实施例中，板可以是大致矩形的，并且覆盖几乎所有的中间接触面。
系统还可以包括设在板内的榫销开口(dowel opening)和用于插入榫销的接触面。板的耐用外表面可以与相邻尖端护罩的第二板的相对。在一些实施例中，板可以包括凸出部，其在贴靠接触面安装板时，与接触面的边缘接合。结合附图和所附权利要求，本发明这些特征和其它特征在下文对优选实施例的详述中会显而易见。
附图说明
图1显示了安装在转子上的涡轮机叶片尖端护罩的俯视图。
图2显示了根据本发明一示范性实施例的、带有耐用外表面的插塞件和腔穴。
图3显示了根据本发明一示范性实施例的、安装在尖端护罩上的带有耐用外表面的板。
图4显示了根据本发明一示范性实施例的、穿过板和尖端护罩的榫销开口。
图5显示了根据本发明一示范性实施例的、安装在尖端护罩上的带有耐用外表面的板，其中该板带有凸出部。
具体实施方式
现在参考附图，其中各标号在各视图中始终代表相同的部件，图1显示了装配在涡轮机转子(未显示)上的涡轮机叶片100的俯视图。涡轮机叶片102可以与涡轮机叶片104相邻。如该俯视图所示，每个涡轮机叶片100都可以具有尖端护罩106。涡轮机叶片104的尖端护罩106的前缘可以接触或接近涡轮机叶片102的尖端护罩106的后缘。该接触区域可以称为接触面或Z形界面108。如图1所示，Z形界面108可以形成在尖端护罩106的两边缘之间的近似“Z”形的轮廓。本领域普通技术人员可以认识到，其涡轮机叶片100和尖端护罩106仅仅是示范性的，而其它不同结构的涡轮机叶片和尖端护罩也可以使用在本发明的可选实施例中。另外，“Z”形的界面也仅仅是示范性的。
涡轮机叶片100还可以具有切削齿110。切削齿110可以沿每个尖端护罩106的外部面(也即上部)的长度方向延伸。切削齿110可以形成沿着各尖端护罩106中间的凸脊或尖的突出部。在工作时，切削齿110可以利用软金属区域形成迷宫式密封，其中该软金属附接于固定的护罩上，而该护罩又固定在涡轮机外壳上。
当涡轮机处于非工作的“冷”状态时，在相邻尖端护罩106边缘之间的Z形界面108处可能存在窄的间隔。当涡轮机处于工作的“热”状态时，涡轮机叶片金属的膨胀可以使该间隔变窄，以使相邻尖端护罩106的边缘互相接触。其它的工作条件，包括涡轮机的高转速和相关的振动，可以引起相邻尖端护罩106之间的(即使在涡轮机工作期间仍然保持在Z形界面108内的)间隔处的额外接触。发生在两尖端护罩106之间的Z形界面108处的接触，可能主要发生在“Z”形的中间那一划处，也就是与切削齿110交叉的那一划处。其原因在于，这一划位于中间，并且和“Z”形的其它笔划比较，它的表面积较大。
图2显示了根据本发明示范性实施例的接触面或接触面200。因为此处的示范性实施例在尖端护罩106之间具有“Z”形界面，所以接触面200也就是Z形界面108，且因此可以包括三个分段。每个分段都对应于“Z”形的一划。因此，上部接触面202对应于“Z”形界面的上面那一划，并且在形状上可能是大致矩形的，而且在轮廓上相对较短。下部接触面204对应于“Z”形界面的下面那一划，并且类似地在形状上是大致矩形的，而在轮廓上相对较短。中间接触面206对应于Z形界面的中间那一划。中间接触面206也可以是大致矩形的形状。因为切削齿110的缘故，所以，中间接触面206可以比上部接触面202和下部接触面204要高。在中间接触面206的内侧208处，中间接触面206可以朝下部接触面204弯曲，以形成两个面之间的过渡半径210。
图2还显示了插塞件211。插塞件211可以是密合地配合到腔穴212内的预定尺寸的预先形成的插塞件，其中该腔穴212在中间接触面206上加工而成。插塞件211可以具有耐用外表面214，其在插塞件211配合到腔穴内212之后，基本上与中间接触面206对齐。耐用外表面214的材料可以由钴基硬质敷层粉末或其它相似材料构成。在一些实施例中，耐用外表面214的材料可以由高百分比的钴基硬质敷层粉末和低百分比的钎焊粉末组成。这样的材料可以有效地经受与两相邻尖端护罩106之间的接触区域有关的物理应力和热应力。插塞件211可以整个地由耐用外表面214的材料形成。在可选实施例中，插塞件211的其余部分由与耐用外表面214不同的材料形成，这会是比较经济的。
如上所述，腔穴212可以形成于中间接触面206的表面中。如图所示，腔穴212的尺寸可以是中间接触面的表面积的约25％，不过该百分比可以根据应用而显著地增加或减少。如图2所示，腔穴212可以位于中间接触面206的下部/外侧象限中。尽管在可选实施例中腔穴212也可以位于中间接触面206的其它区域，但是，如果腔穴212位于下部/外侧象限内，则可以使耐用外表面214吸收显著的发生在相邻尖端护罩106之间的接触磨损。在一些可选实施例中，腔穴212可以朝过渡半径210进一步延伸。在其它可选实施例中，腔穴还可以朝着切削齿110的上边缘向上延伸。在一些实施例中，以及如图2所示，腔穴212的高度可以近似于尖端护罩106的沿着上部接触面202和下部接触面204的厚度。
腔穴212还可以穿过它的另一内表面而敞开(也即可以够到该腔穴)。例如，如图所示，腔穴212的下部面在加工过程中已经被去除，因此它是敞开的。该设计可以使腔穴212的加工成形过程更有效率。
在一些可选实施例中，在插塞件211配合到腔穴212内之后，插塞件211的耐用外表面214可以保持稍稍高于中间接触面206的表面。耐用外表面214的这种稍高的状态使得它可以吸收更大比例的、发生在相邻尖端护罩106之间的物理接触磨损，因此这就可以更好地保护尖端护罩的其它未增高的接触面200。
在工作中，插塞件211可以配合到腔穴212内并以传统的方法固定，其中这些方法可以包括钎焊工艺。因为涡轮机叶片100一般在安装之前都需要最终热处理，在连接时应用钎焊工艺可以更有效，因为钎焊工艺可以与热处理结合完成，所以就不需要另外的处理步骤。插塞件211可以安装在各相邻尖端护罩106内(也即，每个尖端护罩106的前缘和后缘)，使得一旦安装之后，插塞件211跨过Z形界面108而彼此相对。以这种方式，在工作期间，相邻尖端护罩106的插塞件211基本上仅仅相互接触。因此，一旦安装，相邻尖端护罩106的耐用外表面214就可以吸收大量的发生在相邻涡轮机护罩102之间的接触磨损，因此而保护尖端护罩106的其它(比较不耐用的)接触面。
在本发明的某些实施例中，在发生了一定量的工作磨损之后，插塞件211可以被取下，并用新插塞件211代替。以这种方式，涡轮机叶片100和尖端护罩106的使用寿命都可以延长。具体来说，可以不需要更换其它完好的涡轮机叶片100或尖端护罩，这是因为磨损集中在尖端护罩106的接触面200上。另外，插塞件211可以安装到其它完好的、但是在其接触面200上经受了这种集中磨损的涡轮机叶片100内。以这种方式，涡轮机叶片100使用寿命可以延长。
在工作期间，插塞件211可以通过腔穴212的设计而有效地保持就位，也就是说，腔穴设计可以有效地处理与涡轮机的超高转速相关的物理应力。更具体地说，如图2所示，腔穴的设计和涡轮机转子的旋转方向都可以使插塞件211牢固地保持靠在腔穴212的内壁上。因此，作用在插塞件211上的旋转力在涡轮机工作期间不是要取出插塞件211，而是要保持插塞件211密合地贴靠在腔穴212的内表面上。钎焊连接，或其它的连接方法，可以足够且有效地用于把插塞件211保持就位。
图3显示了本发明的可选实施例，其包括板300。板300可以预先形成为具有预定尺寸的薄板，其附接到尖端护罩106的中间接触面206上并基本上覆盖它。在可选实施例中，板300的尺寸可以设计成使得它覆盖基本上整个的中间接触面206。在板300的外表面(也即，一旦安装，将与相邻尖端护罩106的接触面200相对的那个表面)上，板300可以包括耐用外表面302。耐用外表面302的材料可以由钴基硬质敷层粉末或其它相似材料组成。在一些实施例中，耐用外表面302的材料可以由高百分比的钴基硬质敷层粉末和低百分比的钎焊粉末组成。这样的材料可以有效地经受与两相邻尖端护罩106之间的接触区域有关的物理应力和热应力。板300可以整个地由耐用外表面302的材料组成。在可选实施例中，如果板300的其余部分由与耐用外表面302不同的材料组成，这将会是比较经济的。
在工作时，板300的平的内表面(在图3中不可见)可以通过传统的方法固定到中间接触面206的平表面上，其中这些方法可以包括钎焊工艺。如上所述，因为涡轮机叶片100一般在安装之前都需要最终的热处理，附接时应用钎焊工艺可以更有效，因为钎焊工艺可以与热处理结合完成，使得不需要另外的处理步骤。板300可以安装在各相邻尖端护罩106内(也即，每个尖端护罩106的前缘和后缘)，使得一旦安装之后，板300跨过Z形界面108而彼此相对。以这种方式，在工作期间，相邻尖端护罩106的板300基本上仅仅相互接触。因此，一旦安装，相邻尖端护罩106的耐用外表面302可以吸收大量发生在相邻涡轮机护罩106之间的接触磨损，因此而保护尖端护罩106的其它(比较不耐用的)接触面。
在本发明的某些实施例中，在发生了一定量的工作磨损之后，耐用表面板300可以被取下并用新的板300代替。以这种方式，涡轮机叶片100和尖端护罩106的使用寿命都可以延长。换句话说，可以不需要更换其它完好的涡轮机叶片100或尖端护罩，因为磨损集中在尖端护罩106的接触面200上。另外，板300可以安装到其它完好的、但是在其接触面200上经受了这种集中磨损的涡轮机叶片100内。以这种方式，涡轮机叶片100使用寿命可以延长。
在工作期间，板300可以通过其平的内表面和尖端护罩106的中间接触面206之间的钎焊(或相似类型的)密封而有效地保持就位。然而，在某些情况下，增加两个平的表面之间的钎焊密封是有利的。在这样的情况下，如图4所示，榫销开口402可以穿过(或进入而并不全部穿过)中间接触面206和板300，使得一旦板300固定到中间接触面206上，两个开口就会对齐。然后榫销(未显示)可以插入榫销开口402中，并通过传统的方法、诸如钎焊而附接在开口中。以这种方式，板300和尖端护罩106的中间接触面206之间的连接可以增强，使得它可以更好地经受与涡轮机的超高转速相关的物理应力。
在其它实施例中，如图5所示，可以使用例如“L”形的板500。板500可以相似于板300，但可以具有凸出部502。凸出部502可以配合在凹槽504内，如图所示，凹槽504通过加工而形成于中间接触面206中，或围绕中间接触面206的下部边缘而卷曲。以这种方式，凸出部502可以接合中间接触面206的边缘。另外，当安装时，凸出部502可以定向成，反抗通过涡轮机的旋转而施加到板500上的力，使得凸出部502有助于把板500紧固到中间接触面206上。也就是说，例如，作用在板500上的旋转力在涡轮机工作期间可以把凸出部502靠着凹槽504而保持，这有助于防止板500被取出。同样，钎焊连接或其它的相似连接方法，可以足够而有效地用来把板500靠着中间接触面206而保持。
显而易见的是，上文仅介绍了本发明的若干实施例，而只要不背离所附权利要求和其等效物所限定的本发明的精神和范围，就可以进行大量的修改和变化。具体地，本领域普通技术人员可以认识到，本发明的可选实施例可以使用与本文所述的示范性尖端护罩设计不同的尖端护罩。
Claims (15)
1.一种在涡轮发动机中的用于防止涡轮机叶片的尖端护罩上的磨损的系统，所述系统包括：
腔穴，其形成在所述尖端护罩的接触面内；和
刚性插塞件，其配合在所述腔穴内，并且具有耐用外表面；
其中，在所述涡轮机工作期间，所述尖端护罩在所述接触面处与相邻的尖端护罩接触；
所述接触面包括Z形界面，所述Z形界面具有“Z”形的轮廓；
所述尖端护罩还包括切削齿，其形成沿着所述尖端护罩的上表面的中间的凸脊；并且
所述Z形界面包括中间接触面，其对应于所述“Z”形轮廓的中间那一划，所述中间接触面具有对应于所述切削齿的横截面形状的矩形的形状。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耐用外表面包括钴基硬质敷层粉末。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔穴通过加工而形成于所述接触面中，而所述插塞件包括密合地配合在所述腔穴内的预定尺寸的插塞件。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述插塞件配合在所述腔穴内之后，所述耐用外表面与所述接触面对齐。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述插塞件配合在所述腔穴内之后，所述耐用外表面保持稍稍高出所述接触面。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，不管是在上部接触面或下部接触面，所述腔穴的高度包括所述尖端护罩的厚度。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述腔穴穿过下部的内表面而敞开。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述插塞件钎焊在所述腔穴内。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述插塞件的所述耐用外表面与所述相邻的尖端护罩的第二插塞件的第二耐用外表面相对。
10.一种在涡轮发动机中的用于防止涡轮机叶片的尖端护罩上的磨损的系统，所述系统包括附在所述尖端护罩的接触面上的刚性板，其中，所述板包括耐用外表面；
其中，在所述涡轮机工作期间，所述尖端护罩在所述接触面处与相邻的尖端护罩接触；
所述接触面包括Z形界面，所述Z形界面具有“Z”形的轮廓；
所述尖端护罩还包括切削齿，其形成沿着所述尖端护罩的上表面的中间的凸脊；并且
所述Z形界面包括中间接触面，其对应于所述“Z”形轮廓的中间那一划，所述中间接触面具有对应于所述切削齿的横截面形状的矩形的形状。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述耐用外表面包括钴基硬质敷层粉末。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述板是矩形的，并且覆盖所有的所述中间接触面。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述板和所述接触面中的榫销开口，用于榫销的插入。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述板的所述耐用外表面与所述相邻的尖端护罩的第二板的第二耐用外表面相对。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述板包括凸出部，其依靠所述板紧靠所述中间接触面的安装而接合所述中间接触面的边缘。
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