CN103307010A - 原位燃气涡轮机转子叶片和壳体间隙控制的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种原位燃气涡轮机转子叶片和壳体间隙控制的方法和系统。所述系统包括：转子组件，其具有多片周向隔开的转子叶片，其中每片叶片从内轮盘径向向外延伸；定子组件，其包括在所述转子叶片的相邻行之间延伸的一行或多行隔开的轮叶；壳体，其围绕所述转子组件和定子组件周向延伸；以及可磨耗陶瓷涂层，其涂覆到转子壳体的圆柱形内表面的选定区域，从而在启动过程中使所述壳体与转子叶片之间的间隙最小，进而确保对压缩气流进行有效的压缩机密封。

Description

原位燃气涡轮机转子叶片和壳体间隙控制的方法和系统

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及一种用于尤其在开机和停机期间，在不损坏叶片的叶尖的情况下将压缩机的静止转子壳体与转子叶片之间的间隙降至最小的方法和系统。转子壳体设计和用于涂覆壳体内部的方法改进之后，提高了转子的效率、长期性能和可靠性，以及燃气涡轮发动机的效率。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机、多个燃烧室以及燃气涡轮机部分。来自压缩机的压缩环境空气与馈送到燃烧室的烃类燃料混合。燃料和压缩空气混合物随后点燃，从而生成高温膨胀的燃烧气体。废气通过喷嘴进入燃气涡轮机中，以便从膨胀气体中提取能量并通过发电机来发电。多数燃气涡轮机都包括转子组件和配合的定子，用于接收来自一个或多个燃气燃烧室的热燃烧气体并使该气体改变方向，以便产生旋转能。类似地，涡轮机上游的压缩机部分通常包括转子组件，转子组件包括由壳体环绕的一行或多行周向隔开的转子叶片，其中叶片位于轴向隔开的各行对应的周向隔开的定子轮叶之间。压缩机中的转子叶片连接到旋转盘，其中每片叶片从基础平台径向向外延伸到叶尖。运行时，环境空气流过转子组件，由转子叶片向内引导，然后径向向外流过多个防护罩。定子组件包括从基础平台径向向外延伸到叶尖的对应多片定子轮叶，其中外带用于将定子组件安装在壳体内。

在燃气涡轮发动机开机过程中，随着压缩机和燃气涡轮发动机达到正常运行速度和稳定条件，转子组件和定子组件的运行温度增加到最大预期水平。压缩机组件旋转时，较高的金属温度倾向于从转子叶片基部朝向每片叶片的叶尖迁移。随着时间的推移，叶片的运行温度增加可能会导致叶尖的远端变弱、破裂，甚至损坏，从而不可避免地使叶尖与壳体之间的环形空间增大（有时称为“密封空隙”增大）。在正常运行过程中，叶尖与壳体之间的空间有任何此类增大都会导致转子和定子效率降低，继而降低压缩机和发动机的整体效率。

为了提高或至少维持压缩机和燃气涡轮机的持续效率，压缩机的转子叶尖与壳体之间的密封空隙应尽可能地小，而同时不会在正常运行条件下不利地限制气流或影响自由叶片旋转。

现在已发现，在壳体的圆柱形内表面的选定目标区域上添加可磨耗涂层能确保叶片间隙最小，同时保持叶尖的结构完整性和强度，而且在整个过程中不会损坏叶尖。还已发现，采用本说明书所述的方法将可磨耗涂层涂覆到内部转子壳体会形成更均匀且结构牢固的陶瓷涂层，这种陶瓷涂层在长时间运行期间能更有效地将叶片与壳体之间的空间（密封空隙）降至最小以及对其进行控制，从而提高转子和发动机的整体效率。

发明内容

概括而言，本发明包括一种用于保护各种类型的旋转机械，尤其是燃气涡轮发动机和压缩机中使用的转子叶片的叶尖的系统。转子组件的一项示例性实施例包括多片周向隔开的转子叶片，其中每片叶片从内轮盘径向向外延伸；配合的定子组件包括在相邻行的转子叶片之间延伸的一行或多行隔开的定子轮叶；壳体围绕转子组件和定子组件周向延伸，从而形成由所述转子叶片和定子轮叶界定的多条内部流路；以及涂覆到壳体内表面的指定位置的可磨耗陶瓷涂层。可磨耗陶瓷的涂覆量使得其可以磨耗，以便在所述壳体的内圆周表面与所述转子叶片的叶尖之间形成最小的环形空隙。涂覆到所述壳体的示例性陶瓷涂层包括采用等离子体喷涂技术等进行原位涂覆（in situ using）的含氧化铝（Al₂O₃）的粉末。

附图说明

图1为示例性燃气涡轮发动机的主要工作部件的示意图，包括压缩机部分，该压缩机部分直接受益于本发明，即，使用可磨耗陶瓷涂层来对转子组件进行原位间隙控制；

图2为燃气涡轮发动机的部件的截面图，包括用于压缩机部分的转子组件和定子组件，该图示出了根据本发明的涂覆到内部压缩机壳体的可磨耗陶瓷涂层的相对位置；

图3为包括示例性转子和定子组件以及采用本说明书所述的方式涂覆的陶瓷涂层的旋转机械的一部分（例如，燃气涡轮发动机压缩机）的截面图；以及

图4为如图3所示的选定数目的转子叶片和定子轮叶的又一截面图，示出了相邻的叶片和轮叶相对于壳体的定向，其中壳体具有根据本发明进行涂覆的陶瓷涂层。

具体实施方式

如上所述，根据本发明的涂层方法可以实施在多种旋转组件上，尤其是压缩机，所述压缩机包括围绕中心纵轴旋转的转子、以及安装到轮盘且径向向外延伸的多片叶片。多数转子组件还包括外壳，所述外壳大体呈圆柱形并且具有内圆周表面，所述内圆周表面与转子和叶片径向向外隔开，从而在壳体的内圆周表面与转子叶片的端部叶尖之间形成较窄的环形空隙。

根据本发明的可磨耗涂层涂覆到壳体的内圆周的选定部分，涂覆量足以在磨损之后界定最小环形空隙，如壳体内圆周和旋转叶片的叶尖所界定的那样。在转子有差别地增长（例如，这是因为随着发动机和压缩机达到标称运行条件（nominal operating conditions），热量通过叶片和转子组件向上传导）的过程中，随着发动机和压缩机达到它们的标称运行速度，壳体上的涂层会因与移动的叶尖轻微接触而被磨耗掉。之后，移动的叶尖不再影响壳体，而且壳体与移动的转子叶片之间的间隙固定在最小阈值量。

在根据本发明的相关示例性方法中，保护性陶瓷涂层采用等离子体喷涂技术涂覆到转子壳体。所述涂层包括可磨耗陶瓷，随着压缩机达到标称运行速度、以及系统温度随着时间的推移而升高，所述可磨耗陶瓷能够被转子叶片磨耗掉，但不会损坏叶片。陶瓷涂层优选进行原位涂覆（applied in situ），例如，在燃气涡轮发动机为日常维修而停机时、或在发动机/压缩机开机之前进行涂覆。当发动机启动时，转子叶尖只在叶尖处接触带涂层的转子壳体，而且随着压缩机部分达到稳定条件、以及叶片和壳体的温度升高，只有涂覆到壳体的可磨耗陶瓷的指定部分会被磨耗掉。

可用于实践本发明的示例性可磨耗陶瓷材料包括“结构”成分和“非结构”成分，包括但不限于，采用含氧化铝（Al₂O₃）的喷粉形式进行涂覆的陶瓷。其他可能使用的陶瓷包括二氧化铪（Hf₂）、二氧化铈（CeO₂）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y₂O₃）、铝酸镁（MgO-Al₂O₃），以及/或者硅酸锆（ZrO₂-SiO₂）。优选地，这些粉末在发动机停机和空闲时采用等离子体喷涂、化学气相沉积或类似的热喷涂技术进行涂覆。

涂覆到压缩机壳体的陶瓷层的优选厚度根据所涉及的最终用途而变，包括转子叶片和转子组件的气动设计、叶片的最高预期运行温度，以及馈送到并穿过转子组件和定子组件的空气成分和最高温度。优选地，涂覆的陶瓷层厚度为约4密耳到8密耳（miles），最大为约20密耳。因此，陶瓷涂层确保叶片与壳体之间维持所需的最小间隙，同时还用作防止磨耗的保护层以及热障涂层。涂层可能会稍微冷却转子壳体，从而间接减少转子组件中的热梯度。

已发现，在涂覆陶瓷涂层之前，应采用喷钢砂处理（gritblasting）等使转子叶片和定子轮叶的表面略变粗糙，以便在采用等离子体喷涂技术进行涂覆时提高粘接涂层的粘附性。已发现，表面的粗糙度水平应为约100微英寸RMS（均方根，root mean square），以便在将陶瓷涂层涂覆到转子壳体的选定部分时得到最佳结果。在某些情况下，也可能有用的是加入额外的颗粒，这些颗粒包括更坚固的不同陶瓷材料（例如，刚玉，corundum），以便形成更受控且结构牢固的陶瓷涂层，在压缩机和发动机达到稳定条件之后，这种陶瓷涂层在更高的预期运行温度下保持稳定。

如上所述的可磨耗材料可以涂覆到燃气涡轮发动机的其他部件，以及涂覆到依赖于转子或定子组件内的旋转部件的其他形式的旋转设备。除了转子组件之外，本发明可以用于保护定子组件中定子轮叶的间隙以及将该间隙降至最小。

如上所述，根据本发明的壳体和转子叶尖间隙控制系统可以在原位（in situ）实施，也就是说，在燃气涡轮发动机停机期间（例如，为了进行日常定期维修）实施。最终，新的涂层系统会形成显著更紧密的转子叶片间隙，减少叶尖周围的“二次流”，以及大大提高涡轮机（和/或压缩机）效率。在最初开机运行过程中（通常是为转子叶片提供瞬变间隙条件的最坏情况），随着发动机启动，叶片的叶尖相对于壳体精确定位。随着压缩机和发动机达到它们的预期高速运行条件，这个受控的“磨合运转（run-in）”过程慢慢将所述间隙增加到确切程度。

转到附图，图1为连接到发电机16的示例性燃气涡轮发动机10的主要工作部件的示意图，包括直接受益于原位叶片间隙控制的压缩机部分12。所示燃气涡轮发动机10、压缩机12、涡轮机14以及发电机16与轴18成单个整体配置。轴18可以分割成多个段，其中每段连接到相邻的轴段。压缩机12将压缩空气供应到燃烧室20，在燃烧室20中，空气与燃料22混合。在一项实施例中，发动机10可以是南卡罗来纳州格林维尔市（Greenville,S.C）的通用电气公司（General Electric Company）市售的6C型燃气涡轮发动机。运行时，空气流过压缩机12，且压缩空气供应到燃烧室20。来自燃烧室20的燃烧气体28推动涡轮机14，从而使轴18、压缩机12以及发电机16围绕公共纵轴旋转。

图2为标记成如图所示的示例性燃气涡轮发动机的主要部件的截面图，包括用于压缩机部分的转子组件和定子组件，该图示出了根据本发明的涂覆到压缩机转子壳体的可磨耗陶瓷涂层的相对位置。因此，图2示出了转子叶片和定子轮叶相对于轮盘的轮缘表面和壳体的大体位置，它们均直接受益于上述可磨耗涂层系统，这是因为磨耗之后，壳体与转子叶尖之间形成较窄的气体流路。

图3为包括示例性转子和定子组件以及采用本说明书所述的方式涂覆的陶瓷涂层的旋转机械的一部分（例如，压缩机或涡轮机）的另一截面图。图3示出了相邻的叶片和定子轮叶相对于组装在压缩机部分中带涂层的壳体的定向。压缩机30包括转子组件和定子组件，所述组件位于壳体36内，以便界定一般气体流路38。转子组件还界定流路38的内部流路边界40，而定子组件界定流路38的外部流路边界42。压缩机30包括多个级，其中每个级包括一行周向隔开的转子叶片50以及一行定子轮叶组件52。在此实施例中，转子叶片50连接到转子盘54，其中每片转子叶片从转子盘54径向向外延伸。每片叶片包括从内叶片平台58径向延伸到转子叶尖60的翼型。

类似地，定子组件包括多行定子轮叶组件52，其中每行轮叶组件位于相邻行的转子叶片之间。压缩机级经配置以与环境空气等气体工作流体配合，其中流体在随后的级中进行压缩。每行轮叶组件52均包括多片周向隔开的定子轮叶，其中每片轮叶从定子壳体36径向向内延伸，而且包括从外轮叶平台70延伸到轮叶叶尖72的翼型。每个翼型包括前缘和后缘，如图所示。

图4示出了根据本发明的可磨耗陶瓷涂层如何能涂覆到壳体内表面的选定部分，包括连接到相邻定子轮叶的轮盘的轮缘表面。图示了多片转子叶片和定子轮叶80的截面。两片转子叶片85和86中的每片转子叶片将分别磨耗如上所述涂覆到壳体的陶瓷的一部分，即，陶瓷涂层81和88。每片叶片分别连接到对应的轮盘82和87。必要时，可磨耗陶瓷的类似均匀涂层可以涂覆到与定子轮叶83相邻的轮缘表面89。

一旦根据本发明的可磨耗陶瓷涂层进行原位涂覆，压缩机的旋转便会以上述方式磨耗掉叶尖、壳体以及轮缘表面的外围边缘附近精确量的陶瓷。随着热量生成并且进入并沿着每片转子叶片和定子轮叶传导，磨耗将继续进行并且略有增加，直到涡轮机或压缩机达到稳定条件为止。磨耗受控可以确保各移动的转子和定子部件之间最终存在较窄的密封空隙，从而确保叶片、轮叶与壳体之间的空气泄露极少。

虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示的实施例，相反，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (19)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮机；

一个或多个烃气燃烧室；

空气压缩机；

用于所述压缩机的压缩机转子组件，其包括从内轮盘径向向外延伸的多片周向隔开的转子叶片；

压缩机定子组件，其包括在所述转子叶片的相邻行之间延伸的一行或多行隔开的定子轮叶；

壳体，其围绕所述转子组件和定子组件周向延伸，从而形成由所述转子叶片和所述定子轮叶界定的多条内部和外部流路；以及

陶瓷涂层，其涂覆到所述壳体的内部，涂覆量足以使所述转子叶片的叶尖在启动过程中磨耗部分所述陶瓷涂层，以及使所述转子叶片与所述壳体之间的间隙最小。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层涂覆到所述内轮盘的轮缘表面。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层包括含氧化铝（Al₂O₃）的粉末。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层包括二氧化铪（Hf₂）、二氧化铈（CeO₂）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y₂O₃）、铝酸镁（MgO-Al₂O₃），或者硅酸锆（ZrO₂-SiO₂）。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层原位形成于所述转子壳体的圆柱形内表面上。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层采用等离子体喷涂技术涂覆到所述转子壳体。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层涂覆到所述壳体上，厚度介于4密耳与8密耳之间。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述可磨耗陶瓷涂层进一步包括一些颗粒，所述颗粒包括热稳定、且更坚固的不同陶瓷材料。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中所述颗粒包括刚玉。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述转子壳体的表面进一步包括用于粘附到所述可磨耗陶瓷涂层的经粗糙过的圆柱形内表面。

11.一种用于燃气涡轮发动机的压缩机，包括：

用于所述涡轮机的转子组件，其包括多片周向隔开的转子叶片，每片叶片从内轮盘径向向外延伸；

壳体，其围绕所述转子组件周向延伸，从而形成由与定子轮叶配合的所述转子叶片界定的多条内部流路；以及

可磨耗陶瓷涂层，其涂覆到所述壳体的接近所述转子叶片的内部。

12.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层包括含氧化铝（Al₂O₃）的粉末。

13.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层还涂覆到所述内轮盘的轮缘表面。

14.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层包括二氧化铪（Hf₂）、二氧化铈（CeO₂）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y₂O₃）、铝酸镁（MgO-Al₂O₃），或者硅酸锆（ZrO₂-SiO₂）。

15.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层原位形成于所述转子壳体上。

16.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层采用等离子体喷涂涂覆到所述转子壳体内表面。

17.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层涂覆到所述壳体内表面上，厚度介于4密耳与8密耳之间。

18.根据权利要求11所述的压缩机，其中所述可磨耗陶瓷涂层进一步包括一些颗粒，所述颗粒包括第二热稳定陶瓷材料。

19.根据权利要求18所述的压缩机，其中所述颗粒包括刚玉。

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