CN103362563B - 涡轮叶冠总成及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮叶冠总成及其形成方法，所述涡轮叶冠总成包括内部叶冠部分，所述内部叶冠部分包括：主体部分，所述主体部分具有第一周向边缘；以及防漏器，所述防漏器沿周向延伸经过所述主体部分的所述第一周向边缘，其中所述防漏器与所述内部叶冠部分形成一体。

Description

涡轮叶冠总成及其形成方法

技术领域

本发明所揭示之标的物涉及涡轮机系统，更确切地说，涉及其中的涡轮叶冠总成（turbine shroud assemblies）。

背景技术

涡轮机引擎，确切地说是燃气涡轮机引擎，包括高温涡轮段，在高温涡轮段中具有旋转叶片，该等旋转叶片在径向上密封有一组高温材料组件，也就是叶冠（shroud）。该等叶冠形成了环形空腔，该等旋转叶片在该环形空腔中运行。由于该等叶冠处于高温环境中，因此该等叶冠需要冷却，因而降低了燃气涡轮机系统的总体效率。因此，需要减少流向该叶冠的内部叶冠部分的冷却流体，以提高涡轮段性能。因此，该内部叶冠部分常常由耐高温材料制成，以阻挡涡轮段的高温。虽然已作出了这些努力，但是，对于高温气体从涡轮段流向外部叶冠部分这一现象而言，问题仍然是存在的。

发明内容

根据本发明的一方面，一种涡轮叶冠总成包括：内部叶冠（shroud）部分，该内部叶冠部分包括具有第一周向边缘的主体部分；以及防漏器（discourager），该防漏器沿周向延伸，经过该主体部分的第一周向边缘，其中该防漏器与该内部叶冠部分一体形成。

根据本发明的另一方面，一种涡轮总成包括第一内部叶冠部分，该第一内部叶冠部分包括防漏器。还包括第二内部叶冠部分，该第二内部叶冠部分包括第二内部叶冠周向边缘，其中该防漏器延伸经过第二内部叶冠部分周向边缘。

根据本发明的另外一方面，一种形成涡轮叶冠总成的方法包括将防漏器围绕具有第一圆周的固定物进行包裹，防漏器由陶瓷基复合材料形成。还包括形成内部叶冠部分，方式是通过以下操作：将由陶瓷基复合材料形成的主体部分的主体部分周向边缘围绕该防漏器中的一部分进行包裹，其中该防漏器中的一部分沿周向延伸，经过该主体部分的主体部分周向边缘。

通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。

附图说明

作为本说明书的结论，权利要求书详细指出并明确主张了可被看做本发明的申请标的。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1为包括旋转总成的涡轮机系统的局部截面示意图；

图2为包括多个旋转组件的旋转总成的局部透视图；

图3为涡轮机叶冠总成的透视图；

图4为涡轮机叶冠总成的内部叶冠部分中的防漏器部分的透视图；

图5为该内部叶冠部分中的间隔物和防漏器部分的透视图；

图6为该内部叶冠部分的透视图，该内部叶冠部分组装有主体部分、间隔物以及防漏器部分；

图7为涡轮叶冠总成的底部透视图，该涡轮叶冠总成具有内部叶冠部分以及相邻内部涡轮叶冠部分；

图8为形成该内部叶冠部分的方法的示意性图示；以及

图9为大体图示形成该涡轮叶冠总成的方法的流程图。

具体实施方式参考附图并通过实例来介绍本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参看图1，图中以数字10大体示出根据本发明的示例性实施例构建的涡轮机系统，图中所示形式为燃气涡轮引擎。涡轮机系统10包括压缩机12以及多个燃烧器总成，该多个燃烧器总成被配置成环管形阵列，其中一个燃烧器总成以数字14示出。如图示，燃烧器总成14包括端盖总成16，端盖总成16将燃烧室18密封，并且至少部分地界定出燃烧室18。多个喷嘴20-22由端盖总成16支撑，并延伸到燃烧室18中。喷嘴20-22通过一个共同的燃料入口（未示出）接收燃料，并且从压缩机12接收压缩空气。燃料与压缩空气被输送到燃烧室18，并且被点燃以形成用于驱动涡轮24的高温高压燃烧产物或气流。涡轮24包括多个旋转总成或旋转级26-28，该等旋转总成或旋转级通过压缩机/涡轮转子30以可运转的方式连接到压缩机12。

在运行中，空气流入压缩机12中并被压缩成高压气体。该高压气体被供给燃烧器组件14，并在燃烧室18中与例如过程气体（processgas）和/或合成气体（合成气）等燃料混合。该燃料/空气、或可燃混合物经点燃后，形成高温高压的燃气流，温度超过2,500°F（1,371°C）。或者，燃烧器总成14所燃烧的燃料可包括（但不限于）天然气和/或燃料油。不管燃烧何种燃料，燃烧器总成14将燃气流导入到涡轮24中，涡轮24将热能转化为旋转机械能。

此处，应理解，每一旋转总成或旋转级26-28均以相似方式形成，因此，会参考图2和图3来描述根据本发明的示例性实施例所构建的级26，应理解剩余的级（即级27和28）具有对应结构。而且，应理解，可将本发明应用到压缩机12中的级、或者是需要抗高温表面的其他旋转总成。不论如何，图中级26包括多个旋转部件，诸如翼型件32，该多个旋转部件分别从具有轴向中心线35的中央轮毂34起向外径向延伸。翼型件32可以围绕中央轮毂34的轴向中心线35旋转，并且包括根部部分36以及径向外部部分38。

涡轮叶冠总成（图中大体示为50）覆盖着翼型件32的桨叶部分（bucket portion）或喉部部分（throat portion）（并未分别标出）。涡轮叶冠总成50沿周向围绕级26延伸，并且与径向外部部分38紧密接近。涡轮叶冠总成50形成外部流路边界，该外部流路边界减少了在级26的顶部部分（并未分别标出）上的气路空气泄漏，以提升级效率以及总体的涡轮性能。

现在将更详细说明涡轮叶冠总成50。涡轮叶冠总成50包括以可运转的方式彼此配合/连接的外部叶冠部分52以及内部叶冠部分54，其中内部叶冠部分54更接近于翼型件32和转子30（前文均已对两者进行了描述）。外部叶冠部分52通常由金属材料形成并且靠近涡轮24的外壳，该金属材料能够针对在外部叶冠部分52中常见的二级流体泄漏提供有效的密封。内部叶冠部分54由耐高温材料形成，诸如陶瓷基复合材料（CMC）或高熔点合金（refractory alloy）。应了解，前述材料仅仅为说明性的，能够耐高温的各种替代材料均可适用。由于外部叶冠部分52是由相对较不耐热的金属形成，所以内部叶冠部分54能够防止存在于涡轮24中的热气体流到外部叶冠部分52，或者是减少此类现象的发生。

外部叶冠部分52包括径向内部表面56，如所图示的实施例所示出，内部叶冠部分54沿着径向内部表面56来进行设置。内部叶冠部分54包括防漏器（discourager）62，该防漏器沿周向延伸，并且超出主体部分70，更确切地说，超出主体部分70的第一主体部分周向边缘74。尽管在图中展示为超出第一主体部分周向边缘74，但是应理解，防漏器62还可以延伸超出第二主体部分周向边缘60，还可以想到将两者进行组合，防漏器62对于第一主体部分周向边缘74和第二主体部分周向边缘60均超出。

参看图4至图6，详细图示了内部叶冠部分52。图中将防漏器62展示为具有相对椭圆形的几何形状，但是，这仅仅是为了说明防漏器62所可能具有的几何形状配置。防漏器62包括第一边缘64和第二边缘68，并且被靠近第一边缘64的主体部分70以环绕方式包住。间隔物72可以设置在主体部分70与防漏器62之间。间隔物72在防漏器62与一个或多个相邻物件之间形成了间隙，下文会对此进行描述。防漏器62的第二边缘68延伸超出主体部分70的第一主体部分周向边缘74。在内部叶冠部分52由CMC材料形成的实施例中，防漏器62、主体部分70以及间隔物72中的每一者均由多个CMC板层形成。

参看图7，在图中，涡轮叶冠总成50与相邻涡轮叶冠总成相组合，更确切地说，是与相邻内部叶冠部分82相组合。相邻内部涡轮叶冠部分82包括相邻防漏器84，相邻防漏器84在结构上与防漏器62相似，并且以相似方式相对于相邻主体部分86来设置，相邻主体部分86在结构以及设置方式上与主体部分70相似。如图所示，涡轮叶冠总成50由一个或多个外部涡轮叶冠部分52形成，该一个或多个外部涡轮叶冠部分52以可运转的方式与多个内部涡轮叶冠部分（诸如内部叶冠部分54以及相邻内部叶冠部分82）相配合/连接。内部叶冠部分54以及相邻内部叶冠部分82经相互协同，而使得相应的防漏器62或84与另一内部叶冠部分54或82略微重叠。间隔物72在防漏器62与相邻内部涡轮叶冠部分82之间提供间隙。如在所图示的实施例中展示，防漏器84延伸超出主体部分70的第二主体部分周向边缘60。通过如此配置，对于存在于涡轮24中的热气体在内部叶冠部分54与相邻内部叶冠部分82之间朝外部叶冠部分52渗透的现象，防漏器84能够减少此类现象的发生，而外部叶冠部分52对高温气体是很敏感的。

参看图8，大体图示了一种形成内部叶冠部分54的方法。为便于论述，使用相对平面化的组件来示意性地图示该内部叶冠部分，但是，如上文所描述，内部叶冠部分54中的组件可以使用各种几何形状的配置，例如包括椭圆形。型芯90或其他加工固定物被预成形为具有适于本发明的尺寸以及几何形状配置。独特几何形状配置的实例是存在于该型芯中的凹槽92。防漏器62以配合方式（fitted manner）设置于凹槽92内。内部叶冠部分54的主体部分70将防漏器62中的一部分以环绕方式封闭，而设置在主体部分70与防漏器62之间的可以是间隔物72，如上文所描述。在内部叶冠54由CMC材料形成的情况中，通过将用于各个组件的多个板层布置在型芯90的所示部分上，并将这些板层围绕型芯90进行包裹来形成图示中的这些组件。如图示，将防漏器62的这些板层包裹之后，在型芯90上形成搭叠（shiplap），其中间隔物板层被布置在该防漏器区段的顶部上，形成一间隙，以便将公差以及在最终组装时的配件不匹配考虑在内。最后，加入用于形成内部叶冠54的主体部分70的板层（plies）。

参看图9，通过所示流程图图示了一种形成涡轮叶冠总成的方法，大体示为100。方法100包括形成内部叶冠部分102，其包括将多个防漏器板层进行包裹（104）以形成搭叠区域，将多个间隔物板层围绕该等防漏器板层进行包裹（106），以及将多个主体部分板层围绕该等间隔物板层进行包裹（108），进而形成CMC内部叶冠。方法100还包括按照与形成内部叶冠部分102相似的方式来形成相邻内部叶冠部分110。在形成该内部叶冠部分以及相邻内部叶冠部分之后，方法100包括将该内部叶冠部分与该相邻内部叶冠部分安置/设置为紧密接近，并且以可运转的方式将该内部叶冠部分和该相邻内部叶冠部分与外部叶冠部分相耦合/连接（112）。该内部叶冠部分以及该相邻内部叶冠部分经定位以使得，其中一个内部叶冠部分的防漏器与另一内部叶冠部分中的至少一部分相重叠，使得进而防止或减少存在于涡轮中的热气体传播到外部叶冠部分这一现象的发生，而外部叶冠部分对于高温气体是很敏感的。

尽管仅结合了有限数目的实施例来详细描述本发明，但容易了解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。相反，本发明可以经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应了解，本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受前述说明的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。

Claims (11)

1.一种涡轮叶冠总成，包括：

内部叶冠部分，所述内部叶冠部分包括：主体部分，所述主体部分具有第一周向边缘；

防漏器，所述防漏器沿周向延伸经过所述主体部分的所述第一周向边缘，其中所述防漏器与所述内部叶冠部分形成一体；其中，所述主体部分围绕所述防漏器的一部分设置；以及

间隔物，所述间隔物设置在所述主体部分和所述防漏器之间，所述间隔物、所述主体部分和所述防漏器由同一种材料构成，所述同一种材料是陶瓷基复合材料。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶冠总成，进一步包括外部叶冠部分，其中所述外部叶冠部分中的至少一部分由金属形成。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶冠总成，进一步包括具有相邻周向边缘的相邻内部叶冠部分，其中所述相邻周向边缘被设置成靠近所述主体部分的所述第一周向边缘，其中所述防漏器延伸经过所述相邻周向边缘。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶冠总成，其中所述相邻内部叶冠部分中的一部分被设置在所述防漏器的径向向外位置。

5.一种涡轮总成，其包括：

第一内部叶冠部分，所述第一内部叶冠部分包括防漏器和具有第一主体周向边缘的主体部分，所述第一主体周向边缘围绕并与所述防漏器的一部分接合；其中，所述防漏器延伸周向地超出所述第一主体周向边缘；

第二内部叶冠部分，所述第二内部叶冠部分包括第二内部叶冠周向边缘，其中所述防漏器延伸经过所述第二内部叶冠周向边缘；以及

间隔物，所述间隔物设置在所述主体部分和所述防漏器之间，所述间隔物、所述主体部分和所述防漏器由同一种材料构成，所述同一种材料是陶瓷基复合材料。

6.根据权利要求5所述的涡轮总成，进一步包括外部叶冠部分，其中所述外部叶冠部分包括金属。

7.一种形成涡轮叶冠总成的方法，其包括：

将由陶瓷基复合材料形成的防漏器围绕具有第一圆周的固定物进行包裹；以及

形成内部叶冠部分，方式是通过以下操作：将由所述陶瓷基复合材料形成的主体部分的主体部分周向边缘围绕所述防漏器中的一部分进行包裹，其中所述防漏器的一部分沿周向延伸经过所述主体部分的所述主体部分周向边缘；以及

以将所述防漏器的一部分和间隔物进行包裹的謶将所述间隔物设置在所述主体部分和所述防漏器之间，所述间隔物、所述主体部分和所述防漏器由同一种材料构成，所述同一种材料是陶瓷基复合材料。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述内部叶冠部分一体配合连接到外部叶冠部分以形成所述涡轮叶冠总成。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述内部叶冠部分与具有相邻周向边缘的相邻内部叶冠部分对齐。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述防漏器延伸经过所述相邻内部叶冠部分的所述相邻周向边缘。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将所述防漏器设置在所述相邻内部叶冠部分的至少一部分的径向向内位置。