CN104100303A - 具有改进的持久性的燃气涡轮热护罩 - Google Patents

具有改进的持久性的燃气涡轮热护罩 Download PDF

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Abstract

热保护燃气涡轮叶片的护罩装置(10)，包括陶瓷层(11)和金属层(12)，金属层(12)由陶瓷层(11)热保护，陶瓷层(11)通过固定装置(20)机械地连结于金属层(12)，固定装置(20)包括位于金属层(12)中的多个凸起(21)，多个凸起(21)设计成以便与位于陶瓷层(11)中的多个腔(22)接合，使得在环境温度下在腔(22)与凸起(21)之间存在间隙(50)，间隙(50)在燃气涡轮的高温操作下消失，凸起(21)接着锁定到腔(22)中。

Description

具有改进的持久性的燃气涡轮热护罩
技术领域
本发明涉及一种用于热保护燃气涡轮的叶片的护罩装置，护罩装置具有改进的持久性。
背景技术
燃气涡轮中的构件耐受关于温度和压力的特别强的状态使得燃气涡轮构件的材料和设计具有首要的重要性。具体而言，燃气涡轮的叶片耐受较强的操作状态，导致这些叶片随着时间磨损。为了不更换非常昂贵的叶片，每次它们变得磨损时，现有技术水平中已知的是使用保护叶片的护罩装置，这些装置能够在需要时被及时替换。
现有技术水平中已知的当前护罩装置由金属护罩构成，该金属护罩具有嵌入其中的蜂窝：典型地，这些蜂窝由薄金属层构成，具有的问题在于其在燃气涡轮的操作期间氧化，导致护罩装置更易碎。出于该原因，一些解决方案，如US 6435824 B2中公开的一种，由陶瓷材料替换金属蜂窝，诸如嵌入金属护罩中的陶瓷泡沫。由于陶瓷材料与金属材料(特别是用于燃气涡轮叶片的超级合金)之间的热失配，故在使用陶瓷材料(以泡沫或以任何其它方式)时的主要问题在于如何将其联结于构造护罩装置的金属护罩。结果在于，在这些已知的解决方案中，陶瓷材料中的高应变水平在护罩装置的加热和/或冷却期间发生，最终导致陶瓷材料的失效，并且因此导致护罩装置的失效。
针对减小由材料的热失配引起的应变的另外的解决方案已经在本领域中找到，并且是已知的：这些解决方案中的一种为包括金属护罩、在其顶部上的陶瓷层，以及金属护罩与陶瓷层之间的应变顺应层的护罩装置。然而，该应变顺应层为韧性的，并且具有有限的强度：因此，对于其中高水平的剪切(应变)应力施加于陶瓷层和应变顺应层两者的应用，发现必须在应变(剪切)顺应与强度之间折衷，这不易于实现。
用于将陶瓷材料附接于金属层的一些其它已知的解决方案为硬钎焊，或在使用陶瓷泡沫的情况下，通过渗入，如US 6435824 B2中公开的。然而，所有这些已知的解决方案呈现出的缺陷在于，陶瓷材料的任何失效要求更换整个护罩装置，这是昂贵且耗时的。已知的另一个解决方案在于通过机械夹持来固定金属层和陶瓷层：然而，该解决方案导致了积累在陶瓷层中的应力，这可导致其失效，并且因此导致整个护罩装置失效。
本发明针对解决现有技术中的上文提到的缺陷。
发明内容
本发明涉及一种用于热保护燃气涡轮的叶片的护罩装置，护罩装置具有改进的持久性。本发明的护罩装置包括陶瓷层和金属层，陶瓷层通过固定装置机械地连结于金属层。在本发明的护罩装置中，陶瓷层为磨损的部分，固定装置以如下方式设计成使得其允许陶瓷层从金属层的容易除去，以便在需要时将其替换。护罩装置以如下方式构造成使得金属层由陶瓷层热保护，因此具有最小化的退化运动。该构造允许热护罩装置具有长寿命，在燃气涡轮发动机开启期间，在需要时仅要求替换陶瓷层。
附图说明
通过参照结合附图进行时的以下详细描述，本发明的前述目的和伴随的优点中的许多将由于其变得更好理解而将变得更容易被认识到，其中：
图1a和图1b示出了根据本发明的用于热保护燃气涡轮的叶片的具有改进的持久性的护罩装置的示意图。
图2和图3示出了根据本发明的第一实施例的用于热保护燃气涡轮的叶片的具有改进的持久性的护罩装置的示意图。
图4和图5示出了根据本发明的第二实施例的用于热保护燃气涡轮的叶片的具有改进的持久性的护罩装置的示意图。
部件列表
10 护罩装置
20 固定装置
11 陶瓷层
12 金属层
13 阻挡装置
21 金属层中的凸起
22 陶瓷层中的腔
30 陶瓷层的插入移动
40 由叶片旋转产生的剪切移动
50 环境温度下的凸起与腔之间的间隙。
具体实施方式
本发明涉及具有改进的持久性的热保护燃气涡轮叶片的护罩装置10。护罩装置10包括陶瓷层11和金属层12，陶瓷层11通过固定装置20机械地连结于金属层12。固定装置20以如下方式设计成使得其允许从金属层12的陶瓷层11的容易除去，以便在需要时将其替换。金属层12由陶瓷层11热保护，因此具有最小化的退化运动，向护罩装置10提供了长寿命，在燃气涡轮发动机开启期间，在需要时仅要求交换陶瓷层11。
本发明的固定装置20允许陶瓷层11沿滑动方向30滑入和滑出护罩装置10，以使陶瓷层11可在护罩装置10内容易地替换。阻挡装置13不允许陶瓷层11在其安装在隔热罩上之后沿滑动方向30进一步移动，限定了陶瓷层11的安装位置。阻挡装置30不允许陶瓷层11沿由燃气涡轮叶片在旋转时施加的负载的方向40移动。固定装置20还以如下方式设计成使得其在燃气涡轮叶片的高温操作期间以较紧的方式保持陶瓷层20，意味着固定装置20在燃气涡轮叶片的静止位置期间和在环境温度下略微松弛(允许陶瓷层11相对于金属层12的一定程度的移动)。
固定装置20包括位于金属层12中的多个凸起21，其设计成以便与位于陶瓷层11中的多个腔22接合。根据本发明，腔22略大于用作配对物的凸起21，诸如，当燃气涡轮操作且陶瓷层11与具有高于700℃的温度的热气体接触时，腔22和凸起21的表面进行接触：(温度取决于其所安装的级，末级叶片将优选为具有~700℃或从700℃到1000℃的范围中的热气体温度，而第一级叶片具有~1500℃和甚至更高的热气体温度)。利用该构造，除沿陶瓷层11插入金属层12中的方向的移动30之外，陶瓷层11不具有相对于护罩装置10内的金属层12的更大的移动自由度，该移动30与在旋转时由燃气涡轮叶片施加的剪切移动40相反。
护罩装置10的设计以如下方式制作成使得金属层12由用作热护罩的陶瓷层11热保护，这确保了该金属层12的低退化运动和用作可磨损系统的护罩装置10的该部分的高持久性。由于护罩装置10的该构造，故在燃气涡轮中的叶片随时间操作之后，仅必须替换陶瓷层11，这是能够由手且在现场执行的任务。
陶瓷层11可包括陶瓷泡沫。陶瓷层11的材料将优选为包括氧化铝，但还可包括以氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙、氧化镁或它们的任何组合。
陶瓷层11中的材料的多孔性的范围在20%至80%之间，更优选为30%至50%之间。陶瓷层11可通过将材料模制成形来制造，在烧制其之后，材料做成了期望尺寸，要求最少的加工来将陶瓷层11精整成期望的形状和大小。陶瓷层11中的多孔性等级可通过使用用于陶瓷回火的易变材料，通过引入易变气孔模型或通过浆料的直接泡沫化来获得。
此外，陶瓷层11可由具有小于30%的多孔性的材料制成的额外陶瓷层覆盖：该额外陶瓷层将位于面向热气体的陶瓷层11的侧部中，以便减小腐蚀。该额外陶瓷层可通过首先以薄层模制致密陶瓷生坯来制造(陶瓷的生料为材料，其已经定形，并且由陶瓷或陶瓷前体和其它材料如粘合剂制成，比最终的陶瓷更软并且可容易加工；在该阶段，陶瓷通过粘合剂保持形状，随后执行高温热处理，粘合剂被烧掉，并且陶瓷颗粒烧结在一起来给出最终产品，使得在烧结过程期间，陶瓷体的体积减小，意味着生坯的尺寸和形状不等于最终产品的尺寸和形状)，独立地模制陶瓷层11的多孔性陶瓷生料前体，独立地烧制材料中的一种或两种，使得两种材料(致密陶瓷和多孔陶瓷)的烧结不完全，并且其在最后烧结步骤期间的尺寸减小将匹配，将两种材料组装在一起，并且执行最后的烧结过程。这允许了确保两种材料将以其界面处的最小残余应力较强地连结。
根据本发明的第一实施例，如图2和图3中所示，固定装置20以如下方式设计成使得与陶瓷层11中的腔22匹配的金属层12中的凸起21在彼此之间大致垂直。如图2和图3中所示，存在允许在环境温度下凸起21与腔22的松弛连接的间隙50，间隙50的大小确定成使得当在燃气涡轮的操作状态下达到高温时，获得了凸起21进入腔22的较紧锁定，间隙50接着消失。
同样地，根据本发明的第二实施例，如图4和图5中所示，固定装置20以如下方式设计成使得与陶瓷层11中的腔22匹配的金属层12中的凸起21在彼此之间大致平行，优选为相对于金属层12和陶瓷层11形成大约45°的角。如图4和图5中所示，存在允许在环境温度下凸起21与腔22的松弛连接的间隙50，间隙50的大小确定成使得当在燃气涡轮的操作状态下达到高温时，获得了凸起21进入腔22的较紧锁定，间隙50接着消失。
尽管已经关于优选实施例完整描述了本发明，但明显的是，改型可引入其范围内，并未将此看作是由这些实施例限制，而是由以下权利要求的内容限制。

Claims (13)

1. 一种热保护燃气涡轮叶片的护罩装置(10)，包括陶瓷层(11)和金属层(12)，所述金属层(12)由所述陶瓷层(11)热保护，其特征在于，所述陶瓷层(11)通过固定装置(20)机械地连结于所述金属层(12)，所述固定装置(20)包括位于所述金属层(12)中的多个凸起(21)，所述多个凸起(21)设计成以便与位于所述陶瓷层(11)中的多个腔(22)接合，使得在环境温度下在所述腔(22)与所述凸起(21)之间存在间隙(50)，所述间隙(50)在所述燃气涡轮的高温操作下消失，所述凸起(21)接着锁定到所述腔(22)中。
2. 根据权利要求1所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述固定装置(20)以如下方式设计成使得允许所述陶瓷层(11)在所述陶瓷层(11)插入所述金属层(12)中/从所述金属层(12)取出的方向上的方向移动(30)之后移动，所述护罩装置(10)还包括阻挡装置(13)，所述阻挡装置(13)限定所述陶瓷层(11)的安装位置，并且约束所述陶瓷层(11)沿所述方向移动(30)的移动，该方向移动(30)平行于所述燃气涡轮叶片在旋转时施加的剪切移动(40)。
3. 根据权利要求1至权利要求2中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)包括陶瓷泡沫。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)包括氧化铝。
5. 根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)包括以氧化钇稳定的氧化锆、氧化钙、氧化镁或它们的任何组合。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)中的材料的多孔性的范围在20%至80%之间。
7. 根据权利要求6所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)中的材料的多孔性的范围在30%至50%之间。
8. 根据权利要求6至权利要求7中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)中的多孔性等级通过使用易变材料，通过引入易变气孔模型或通过浆料的直接泡沫化来获得。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述陶瓷层(11)由具有小于30%的多孔性的材料制成的额外陶瓷层覆盖。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述固定装置(20)以如下方式设计成使得与所述陶瓷层(11)中的所述腔(22)匹配的所述金属层(12)中的所述凸起(21)在彼此之间大致垂直。
11. 根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述固定装置(20)以如下方式设计成使得与所述陶瓷层(11)中的所述腔(22)匹配的所述金属层(12)中的所述凸起(21)在彼此之间大致平行。
12. 根据权利要求11所述的护罩装置(10)，其特征在于，所述金属层(12)中的所述凸起(21)相对于所述金属层(12)和所述陶瓷层(11)形成大约45°的角。
13. 一种包括根据权利要求1至权利要求12中任一项所述的其叶片中的至少一个中的护罩装置(10)的燃气涡轮(1)。
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