CN103143796A - 用于可磨损天使翼的蜂窝结构 - Google Patents

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Abstract

提供用于可磨损天使翼的蜂窝结构。可磨损蜂窝在用于与动叶天使翼接合的涡轮喷嘴密封凸缘中集成地形成，以减少空气泄漏到涡轮的热气体路径。蜂窝利用沉降EDM方法在涡轮喷嘴密封凸缘中集成地形成，以将蜂窝直接地沉降到密封凸缘本身内，使得蜂窝为凸缘的集成部分。为了修复，完全新的蜂窝凸缘可被制造并且焊接或者硬焊到涡轮喷嘴上。

Description

用于可磨损天使翼的蜂窝结构
技术领域
本发明涉及涡轮，并且更具体地涉及将可磨损蜂窝(abradable honeycomb)建造为喷嘴密封凸缘的集成部分，该喷嘴密封凸缘通过在燃气涡轮中的旋转动叶的天使翼(angel wing)而接合，以限制冷却空气泄漏到燃气涡轮的高温燃烧气体通道内。
本发明在由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下利用政府的支持而做成。政府在本发明中拥有某些权利。
背景技术
燃气涡轮为从通过涡轮的燃烧气体流抽取能量的旋转式发动机。它具有上游空气吸入口或入口、联接到燃烧器的压缩机、接收来自燃烧器的燃烧气体的下游涡轮、和气体出口或排气喷嘴。
压缩机和涡轮区段包括旋转的转子叶片或动叶的至少一个周向排。动叶的自由端部或尖端由定子壳体环绕。转子叶片的基部的侧面靠着位于旋转动叶的上游和下游的定子叶片或喷嘴的内部围带(shroud)。
密封组件典型地用于阻止或限制冷却空气从移动动叶和静止喷嘴之间泄漏到燃气涡轮的高温燃烧气体通道内。这些密封组件典型地包括称为“天使翼”的密封板，其从移动动叶的柄部的上游或下游表面轴向延伸，并且该密封板终止于径向向外延伸的尖端或齿。密封组件还包括从静止喷嘴组件的上游和下游轴向凸出的密封结构或凸缘，以与移动动叶柄部的天使翼限定密封件。然而，这些密封组件的密封性能不总为良好的，使得超过期望量的冷却空气倾向于泄漏到高温燃烧气体通道内，使得冷却空气量增加，从而引起燃气涡轮的性能的降低。
涡轮的效率部分地取决于天使翼和邻近密封结构之间的径向间隙或间隔。如果间隙太小，则天使翼将在某些涡轮操作条件期间撞击邻近密封结构。如果间隙太大，则过多的有价值的冷却空气将从转子叶轮空间(wheelspace)泄漏到热气体路径内，从而降低涡轮的效率。
可磨损密封件可用来通过物理地减少喷嘴的密封凸缘和动叶的相对的天使翼密封板之间的间隙而改善涡轮性能。可磨损密封材料有时定位在静止喷嘴的密封件的径向内部表面上，以便定位在喷嘴密封件的内部表面和旋转动叶的天使翼的端部尖端之间的环形间隔内。
用于密封组件中的一种类型的密封材料为可磨损蜂窝。尽管可磨损蜂窝具有显著地减少冷却空气到高温燃烧气体通道内的泄漏的能力，但是，传统制造的可磨损蜂窝件在动叶/喷嘴界面处的牢固附连难以确保。
利用在喷嘴上的蜂窝的天使翼可磨损密封件已证明提供显著的密封改善。然而，将蜂窝件可靠地附连到天使翼为困难的，这是因为硬焊(braze)金属带的薄件意味着很小的附连区域。目前，蜂窝有时直接硬焊到局部，希望它将继续停留。对这的一个替代方案为将蜂窝硬焊到板，并且然后将板硬焊或焊接到天使翼上。
发明内容
本发明利用沉降(sinker)放电加工(“EDM”)，以将蜂窝直接地插入/烧制到涡轮喷嘴密封凸缘内，所以它变成喷嘴密封凸缘的集成部分，使得当在涡轮的密封组件中的涡轮动叶天使翼擦损喷嘴密封凸缘时，在喷嘴密封凸缘和动叶天使翼之间存在带有较小的蜂窝失效风险的改善的密封。可选地，通过利用沉降放电加工装置将电极插入到材料块中而所获得的蜂窝可覆盖有适合于抗腐蚀性和/或改善的可磨损性的覆层。另外，蜂窝形成在其中的材料块可为涡轮喷嘴的集成部分或者与涡轮喷嘴分离。在后面的情况下，材料块在蜂窝形成于这种块中之后焊接或者硬焊到涡轮喷嘴。
在本发明的示范性实施例中，制造具有形成于密封凸缘中的多个可磨损空腔的涡轮喷嘴密封凸缘的方法包括如下步骤：提供适合于用作喷嘴密封凸缘的材料块；提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到材料块内；提供电极用于与沉降放电加工装置一起使用，以执行将特征部加工到材料块中，电极成形为在材料块中形成多个空腔；并且利用沉降放电加工装置使用电极，以将电极直接地插入到材料块内，以由此形成具有多个可磨损空腔的喷嘴密封凸缘。
在本发明的另一个示范性实施例中，限制冷却空气泄漏到燃气涡轮的高温燃烧气体通道内的方法包括如下步骤：提供适合于形成一个或多个相应涡轮喷嘴密封凸缘的一个或多个材料块；提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到(多个)材料块内；并且提供电极用于与沉降放电加工装置一起使用，以执行将特征部加工到(多个)材料块内，电极具有一系列交叉阴性沟槽，该一系列交叉阴性沟槽形成阳性蜂窝样式，其通过当电极按压到材料块内时阳性电极将蜂窝样式烧制到一个或多个材料块中的各个内而可直接地形成到(多个)材料块内。
在本发明的又一示范性实施例中，制造具有预定的集成可磨损形状的部件的方法包括如下步骤：提供适合于制造部件的材料块；提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到材料块内；提供电极用于与沉降放电加工装置一起使用，以执行将特征部加工到材料块中，电极成形为在材料块中形成预定的形状；利用沉降放电加工装置使用电极，以将预定的集成可磨损形状直接地烧制到材料块中；并且利用适合于抗腐蚀性和/或改善的磨损性的覆层可选地覆盖烧制到所述材料块中的所获得的预定的集成可磨损形状。
附图说明
图1示出将可磨损蜂窝密封件附连到天使翼以将路径从叶轮空间密封到涡轮热气体路径内的原理。
图2A和2B为可磨损天使翼密封件的两个实施例的透视图，可磨损蜂窝在该可磨损天使翼密封件中直接地形成，以便为天使翼密封件的集成部分。
图3为形成于根据本发明的天使翼密封件中的可磨损蜂窝的一部分的放大的透视图。
图4为描绘多个层的示意图，该多个层由于蜂窝覆盖有用于抗腐蚀性/改善磨损性的材料而获得。
图5为描绘六方形(hexagonal)单元中的各个的优选菱形形状的简图的放大透视图，该六方形单元包括形成于根据本发明的天使翼密封件中的可磨损蜂窝。
图6为在制造蜂窝压印(impression)的工艺中使用的沉降EDM(放电加工)机器的简化的示意图，该蜂窝压印在根据本发明的天使翼密封件中形成。
图7为用于制造蜂窝压印的沉降EDM机器的电极的放大透视图，该蜂窝压印在根据本发明的天使翼密封件中形成。
部件列表：
10           密封组件
11           静止喷嘴
14           天使翼
15           移动动叶
16           密封凸缘
17           切齿
18           蜂窝
19           蜂窝的前缘
20           单元
21           蜂窝的后缘
30           单一蜂窝单元的部分
32           衬底材料
34           扩散区
36           覆层
40            沉降EDM(放电加工)机器
42           电极
44           交叉“阴性”沟槽。
具体实施方式
图1为示出密封组件10的局部的简易截面图，该密封组件10用于限制冷却空气从燃气涡轮(未示出)的移动动叶15和静止喷嘴11之间泄漏到涡轮的高温燃烧气体通道。涡轮具有围绕中心纵向轴线旋转的转子(未示出)和安装在该转子的外部表面上的多个动叶15。动叶围绕转子周向地彼此隔开。动叶15还从转子径向向外延伸。环绕动叶并且与动叶径向向外隔开的静止外部壳体(未示出)限定通过涡轮的高温气体通道。
典型地称为“天使翼”14的密封板从旋转动叶15的柄部的上游和下游表面轴向延伸。天使翼14中的各个终结于径向向外延伸的尖端或切齿17。密封结构或凸缘16从静止喷嘴组件11的上游和下游轴向凸出，用于与旋转动叶15的天使翼14限定密封件。密封组件12和14意图限制冷却气体量泄漏到高温燃烧气体通道。
图1示出密封凸缘16的原理，该密封凸缘16具有可磨损蜂窝，其附连到喷嘴11并且通过在天使翼14上的切齿17接合，以由此将路径密封到热气体路径内。在密封凸缘16中的蜂窝和在天使翼14上的切齿17之间的密封减少泄漏。然而，因为密封凸缘16的位置为高重力和高温位置并且变形可获得变化的数量的擦损，所以确保传统的薄蜂窝箔片到板16的可靠的附连为困难的。
图2A和2B为密封凸缘16的透视图，该密封凸缘16具有可磨损蜂窝18，其直接插入到喷嘴密封凸缘本身内，使得蜂窝18为喷嘴密封凸缘的集成部分。为密封凸缘16的集成部分的蜂窝18为有利的，这是因为此构造允许更快更好地修复损坏的可磨损蜂窝密封件。蜂窝18可集成地形成于集成到天使翼14的密封凸缘中、或者与天使翼14分离的新的或替代密封凸缘16中。在具有集成地形成的蜂窝18的密封凸缘16与天使翼14分离的情形下，该密封凸缘16可然后焊接、硬焊或机械地附连到天使翼14。蜂窝18可延伸到喷嘴密封凸缘的所有侧面，或可延伸到喷嘴密封凸缘的侧面中的仅仅某些(例如两个)，如在图2A和2B中所示。
在蜂窝18形成之后，它可以可选地覆盖有适合于抗氧化性和抗腐蚀性和/或改善的磨损性的覆层。这种覆层的实例将为铝化物金属间化合物(aluminide intermetallic)覆层。
应当注意到，尽管图2优选地示出具有形成于喷嘴密封凸缘16中的多个单元20的蜂窝18，但是包括通过多个侧壁互连的多个空腔的其它可磨损样式可在密封凸缘16中形成。这些空腔可例如在形状和/或构造方面类似于或不同于蜂窝18的单元20。
图3为形成于根据本发明的密封凸缘16中的可磨损蜂窝18的一部分的放大的透视图。图4描绘单一蜂窝单元20的一部分30，该单一蜂窝单元20覆盖有可能用于抗腐蚀性和/或改善的磨损性的覆层36，使得结果为衬底材料32具有它本身和覆层36之间的扩散区34，密封凸缘16并且因此蜂窝18由该衬底材料32形成。衬底材料的一个实例为因科镍合金(inconel)。“因科镍合金”为用于奥氏体镍铬基超级合金的族系的注册商标，该超级合金典型地用于高温应用。
如从图3可看到，尽管应当注意到其它合适的几何形状可被使用，但是优选地，形成蜂窝18的单个单元20中的各个为菱形形状的六方形。图5为描绘六方形的单元20中的各个的优选菱形形状的示意图的放大透视图，该六方形的单元20构成形成于密封凸缘16中的可磨损蜂窝18。单元20的尺寸可具有任何大小和任何壁厚。优选地，用于菱形形状的单元20的目标尺寸为0.05英寸和0.2英寸之间的长度、0.05英寸和0.1英寸之间的宽度、大约0.1英寸到0.6英寸的深度、和大约0.004英寸到0.015英寸的壁厚。
图6为沉降EDM(放电加工)机器40的简化的示意图，该机器40用于制造蜂窝压印18的工艺中，该蜂窝压印18在根据本发明的密封凸缘16中集成地形成。图7为电极42的放大的透视图，该电极42用于沉降EDM机器40，以将蜂窝压印18按压入根据本发明的密封凸缘16中。电极42包括一系列交叉“阴性”沟槽44，在该电极42中该交叉“阴性”沟槽44形成“阳性”菱形形状的样式，其用来将菱形形状的蜂窝18按压入密封凸缘16中。沉降EDM机器40然后包括电极42安装在其上的按压组件，以将蜂窝18直接地按压到密封凸缘16内，如在图6中所示。利用沉降EDM机器40以将菱形蜂窝18直接地沉降到密封凸缘16内，允许蜂窝成为密封凸缘16的集成部分。在这点上，用于密封凸缘16的铸件可增厚以允许在任何期望位置处将蜂窝18直接地按压到凸缘内，在这之后覆层可被添加。为了修复或作为用于新构造的替代物，整个密封凸缘16可具有沉降到它内的蜂窝18，其可然后焊接、硬焊或机械地附连到喷嘴11。
因而，图6示出用于制造密封凸缘16的工艺，该密封凸缘16具有带有合适尺寸和大小的集成蜂窝18。类似于图7所示，沉降电极42首先形成并且然后插入到该蜂窝待进入的密封凸缘内。一种可能性将为因科镍合金块将用作密封凸缘16。菱形或方形形状为最容易制造，但是利用例如电极42的电极的更复杂加工，更多复杂形状可被制造。尺寸可容易地变化。
沉降EDM(放电加工)为当传统加工不合适时适用于特征部的精密加工的工艺。例如，复杂特征部、小的精密特征部和紧密公差特征部为良好适合于沉降EDM的操作的所有实例，其中“阳性”成形的电极可被加工并且然后“沉降”(烧制)成期望的部件。利用EDM，因为特征部烧制而不是磨损成它们的形状，所以没有压力施加到被加工的材料。相比于在图7中示出的电极42的菱形形状的蜂窝，更复杂的电极形状可制造更复杂的蜂窝样式或其它更复杂的样式。
在一个可选实施例中，沿着前缘19和/或后缘21的更厚的侧壁(其中无擦损出现)可被保持以改善强度。额外实施例可包括形成变化的形状和大小。EDM技术使某些壁能够在一个轴线或位置中厚于另一个，这可允许改善的密封，同时不影响磨损性(例如，相比于在擦损方向上，在流动方向上更厚)。EDM技术还可使蜂窝能够在优选方向上成角度，又改善密封。蜂窝的厚度可在一个方向与另一优选方向上变化。诸如蜂窝的该沉降形状还可具有另一非常规的定向，其不可容易地以其它任何方式制造。
使用沉降放电加工(“EDM”)以将蜂窝18直接地插入到喷嘴密封凸缘16本身内，使得蜂窝成为喷嘴密封凸缘的集成部分，这通过提供可靠的方法用于将蜂窝放置在喷嘴密封凸缘上，使可磨损天使翼密封件成为可能。它还获得如下密封凸缘，即其在天使翼和密封凸缘之间提供改善的密封。
使用沉降放电加工使新的密封技术成为可能，该新的密封技术可应用于其它涡轮位置以及其它应用领域。
尽管本发明结合现在被认为是最实际和优选的实施例而描述，但是应当理解，本发明不限于这些公开的实施例，而是相反地，意图覆盖包括在附属权利要求的精神和范围内的各种更改和等同布置。

Claims (24)

1.一种制造具有多个可磨损空腔的涡轮喷嘴密封凸缘的方法，所述多个可磨损空腔通过形成于所述密封凸缘中的多个侧壁而互连，所述方法包括如下步骤：
提供适合于用作喷嘴密封凸缘的材料块，
提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到所述材料块内，
提供电极用于与所述沉降放电加工装置一起使用，以执行将所述特征部加工到所述材料块中，所述电极成形为在所述材料块中形成多个互连空腔，并且
利用所述沉降放电加工装置使用所述电极，以将所述电极直接地插入到所述材料块内，以由此形成具有所述多个互连空腔的所述喷嘴密封凸缘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：利用适合于抗氧化性和抗腐蚀性和/或改善的可磨损性的覆层覆盖所述多个互连空腔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成在其中的所述材料块与所述涡轮喷嘴分离，并且其中，所述方法还包括如下步骤：在所述多个互连空腔形成于这种块之后，将所述材料块焊接或者硬焊到所述涡轮喷嘴。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成在其中的所述材料块为所述涡轮喷嘴的集成部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成蜂窝形状，并且其中，所述蜂窝的各单元具有导致所述单元具有菱形形状的长度和宽度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成蜂窝形状，并且其中，所述蜂窝的各单元具有导致所述单元具有与菱形形状不同的形状的尺寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料块由奥氏体镍铬基合金形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极阳性地成形，使得所述多个互连空腔可沉降到所述材料块内，并且其中，通过所述阳性电极将所述多个互连空腔的形状烧制到所述材料块内，所述多个互连空腔沉降到所述材料块内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个空腔形成蜂窝形状，并且其中，所述蜂窝的各单元具有0.05英寸和0.2英寸之间的长度、0.05英寸和0.1英寸之间的宽度、大约0.1英寸到0.6英寸的深度、和大约0.004英寸到0.015英寸的壁厚。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极具有一系列交叉阴性沟槽，所述一系列交叉阴性沟槽形成阳性菱形形状的蜂窝样式，其当所述电极按压到所述材料块内时烧制到所述材料块内。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉降放电加工装置包括所述电极安装在其上的按压组件，以将所述电极按压到所述材料块内，以由此将所述多个互连空腔直接地烧制到材料块内。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成有沿着所述多个互连空腔的前缘和/或后缘的侧壁，以在所述密封凸缘中改善强度。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成有壁，其在第一方向上比在第二方向上更厚，以由此当所述喷嘴密封凸缘在所述密封组件中时改善所述喷嘴密封凸缘和在涡轮的密封组件中的涡轮动叶天使翼之间的密封。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔形成有壁，其在冷却空气流动到涡轮的高温燃烧气体通道的方向上、而不是在涡轮的密封组件中的涡轮喷嘴天使翼擦损所述喷嘴密封凸缘的方向上更厚，当所述喷嘴密封凸缘在所述密封组件中时，以由此改善所述喷嘴密封凸缘和所述动叶天使翼之间的密封。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个互连空腔在所述密封凸缘中形成，以便在预定方向上成角度，以由此改善所述喷嘴密封凸缘和所述动叶天使翼之间的密封。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成于所述材料块中的多个互连空腔延伸到所述材料块的所有侧面，或者延伸到所述材料块的所述侧面中的仅仅某些。
17.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述覆层为铝化物金属间化合物覆层。
18.一种限制冷却气体泄漏到燃气涡轮的高温燃烧气体通道内的方法，所述方法包括如下步骤：
提供适合于形成一个或多个相应涡轮喷嘴密封凸缘的一个或多个材料块，
提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到所述材料块内，
提供电极用于与所述沉降放电加工装置一起使用，以执行将所述特征部加工到所述材料块内，所述电极具有一系列交叉阴性沟槽，所述一系列交叉阴性沟槽形成阳性蜂窝样式，其通过当所述电极按压到所述材料块内时所述阳性电极将所述蜂窝样式烧制到所述一个或多个材料块中的各个内而可直接地形成到所述材料块内；
利用所述沉降放电加工装置使用所述电极，以将所述蜂窝直接形成到所述一个或多个材料块中的各个内，
利用适合于抗氧化性和抗腐蚀性和/或改善磨损性的覆层可选地覆盖直接地形成于所述一个或多个材料块中的各个内的所获得的蜂窝，以由此形成具有集成地形成于所述喷嘴密封凸缘中的可磨损蜂窝的一个或多个相应的喷嘴密封凸缘，并且
提供一个或多个涡轮密封组件，其中具有集成可磨损蜂窝的所述一个或多个相应的喷嘴密封凸缘通过相应的动叶天使翼接合，
由此限制泄漏到所述燃气涡轮的高温燃烧气体通道内的冷却空气。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述蜂窝形成在其中的所述材料块中的至少一个与所述涡轮喷嘴分离，并且其中，所述方法还包括如下步骤：在所述蜂窝形成在这种块中之后，将所述材料块焊接或者硬焊到所述喷嘴。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述蜂窝形成在其中的所述材料块中的至少一个为所述涡轮喷嘴的集成部分。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电极具有一系列交叉阴性沟槽，所述一系列交叉阴性沟槽形成阳性菱形形状的蜂窝样式，其通过当所述电极按压到所述材料块内时所述阳性电极将所述菱形形状的蜂窝样式烧制到所述材料块中而可直接地形成到所述材料块内。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述沉降放电加工装置包括所述电极安装在其上的按压组件，以将所述电极按压到所述材料块内，以由此将所述蜂窝直接地烧制到所述材料块内。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述覆层为铝化物金属间化合物覆层。
24.一种制造具有预定的集成可磨损形状的部件的方法，所述方法包括如下步骤：
提供适合于制造所述部件的材料块，
提供沉降放电加工装置用于将特征部加工到所述材料块内，
提供电极用于与所述沉降放电加工装置一起使用，以执行将所述特征部加工到所述材料块中，所述电极成形为使所述预定的形状形成在所述材料块中，
利用所述沉降放电加工装置使用所述电极，以将所述预定的集成可磨损形状直接地烧制到所述材料块内，并且
利用适合于抗氧化性和抗腐蚀性和/或改善的磨损性的覆层可选地覆盖烧制到所述材料块中的所获得的预定的集成可磨损形状。
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