CN104541026A - 涡轮机部件制造 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于指示涡轮机的磨损的系统(100)。该系统(100)包括涡轮机部件(110)、形成在涡轮机部件(110)表面上的指示层(202)和覆盖指示层(202)的顶层(201)，使得如果顶层(201)因暴露于工作流体产生的磨损而消磨掉或者因涡轮机部件(110)与另一涡轮机部件(120)的接触产生的微振磨损而侵蚀掉，则指示层(202)变得光学上可检验到。

Description

涡轮机部件制造
技术领域
本发明涉及一种用于指示涡轮机的磨损的系统和一种用于指示涡轮机的磨损的方法。
背景技术
在涡轮机中，尤其在燃气轮机中，燃气轮机的工作气体导致燃气轮机的重要零件的磨损。仅举几个例子，由磨损产生的材料损失在部件之间的接触中产生，比如在过渡管和燃烧罐之间或交叉发光管(cross lightning tube)和燃烧罐之间产生，或者在两个涡轮叶片护罩之间的互锁中产生，或者在转子密封件中产生，例如迷宫式密封件或桥接相邻部件(比如涡轮轮叶平台或燃烧器衬瓦)之间的间隙的密封件。磨损可由处于操作中的转子的振动导致，或者由工作流体的流场的不稳定变化导致，或者由在影响部件的的负载瞬变或改变期间的温差产生的燃烧不稳定性或运动导致。磨损还可简单地源自表面暴露于流过涡轮机的工作流体中的颗粒或物质，即侵蚀或氧化或腐蚀。微振磨损(fretting)是在负载和存在重复相对表面运动下由例如振动诱导出的接触表面磨损。
现今，部件的检测间隔和更换基于整个发动机经验。或者，部件的更换基于发动机的报告故障。
确切地，在检测涡轮机期间，由于对涡轮机的检测是一项专业工作(其成功取决于确认一定水平磨损的人类经验)，所以不易识别出磨损或磨损程度。
此外，已知用于确认部件磨损的磨损检验系统。
US4604604公开了一种蒸汽发射磨损指示器。在一零件消磨之后，可发射出彩色的蒸汽，以特别指示出盘式制动器衬套或离合器衬垫是否消磨。
US2002/0153214A1公开了一种摩擦盘，各种传感器元件或杆式传感器安装到摩擦盘，以确定相应摩擦盘的磨损。
US2009/0107795A1公开了一种材料磨损指示系统，以指示出摩擦片的磨损。磨损指示器嵌入耐磨部分，并不与移动表面接触，直到耐磨表面被充分侵蚀为止。当磨损指示器接触移动表面时，其发射出颗粒物质，颗粒物质可由传感器检验到。传感器可操作成产生被传输到控制单元的电信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于涡轮机的更可靠的磨损指示器。
该目的通过根据独立权利要求的用于指示涡轮机的磨损的系统和用于指示涡轮机的磨损的方法来实现。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于指示涡轮机的磨损的系统。该系统包括涡轮机部件和顶层，顶层至少部分地覆盖涡轮机部件的表面。指示层形成在涡轮机部件的表面上。顶层覆盖指示层，使得在顶层由暴露于工作流体而产生的磨损消磨掉或在由涡轮机部件与另一涡轮机部件的接触而产生的微振磨损侵蚀掉的情况下，指示层变得可见。
确切地，另一涡轮机部件在涡轮机部件的接触区域中(至少部分地)重叠和接触涡轮机部件。对于涡轮机部件，沟槽形成在与另一涡轮机部件的接触区域中。指示层形成在涡轮机部件的沟槽或凹槽内。顶层形成在沟槽内，并覆盖指示层，使得在顶层由涡轮机部件与另一涡轮机部件的接触和相对运动而产生的微振磨损侵蚀掉的情况下，指示层变得光学上可检验。
顶层可包括第一颜色，指示层可包括与第一颜色不同的指示颜色，使得在顶层由磨损消磨掉的情况下，指示层变得光学上可检验(例如，通过传感器或由人可见)。或者，指示层可包括与顶层结构不同的指示结构(例如，沟槽或孔图案)。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于指示涡轮机的磨损的方法。根据该方法，在顶层由磨损消磨掉的情况下，通过指示出指示层的颜色来指示涡轮机的磨损。顶层至少部分地覆盖涡轮机部件的表面，其中，顶层包括第一颜色。指示层置于顶层和涡轮机部件表面之间，使得在顶层由磨损消磨掉的情况下，指示层在光学上可检验。指示颜色可与顶层的第一颜色不同。
涡轮机可以是例如燃气轮机、蒸汽轮机、涡轮增压器或工艺压缩机。
涡轮机部件可以是例如涡轮机的燃烧室、叶片、轮叶、密封件、瓦管(tile)、过渡管或壁部。特别地，涡轮机部件是涡轮机的受到涡轮机工作流体影响或与工作流体接触的部件。工作流体可以是例如燃烧气体，并由此可以是沿燃烧器或涡轮部件的热蒸汽流。
顶层至少覆盖涡轮机部件的一部件的表面，并可完全覆盖指示层。顶层可以是平滑的低流阻层和/或氧化保护层，以提供有效的涡轮机，例如压缩机或者保护涡轮机部件免受燃气轮机的热和侵略性工作气体的影响。
指示层还可以是氧化保护层，以保护涡轮机部件免受燃气轮机的热和侵略性工作气体的影响。指示层至少覆盖涡轮机部件的一部分的表面。特别地，指示层可具有带形状或条形状。
特别地，根据另一示例性实施例，顶层和/或指示层是氧化保护涂层，其中，与涡轮机部件的材料相比，氧化保护涂层对氧化的抵抗更高。
特别地，根据另一示例性实施例，顶层和/或指示层是平滑的表面涂层，其中，与涡轮机部件的材料相比，平滑的表面涂层具有更低的表面粗糙度或摩擦系数。换言之，更广义地，顶层和/或指示层可以是第一表面涂层，其中，与涡轮机部件的材料和/或所施加的其它涂层相比，第一表面涂层具有更低的表面粗糙度或摩擦系数。
术语“平滑的表面涂层”在本领域中用于例如“SermaFlow S4000”涂层(Praxair Surface Technologies Inc.公司的商标)或例如“IP 9442Smoothcote”(Indestructible Paint Ltd公司的商标)。可以使用被认为“平滑”的其它涂层。如先前所述，“平滑的表面涂层”限定出得到非常的气动表面的涂层，例如对气流的抵抗很小，以使碳沉积物粘附。
指示层置于顶层和涡轮机部件的一部分的表面之间，其中，在顶层由磨损(由沿顶层流动的工作气体引起或由不同部件的摩擦即涡轮机部件与另一涡轮机部件的接触产生的微振磨损引起)而消失和消磨掉的情况下，指示层变得光学上可检验。
特别地，顶层的颜色和/或表面结构(孔、沟或槽的图案)与指示层的相应颜色和/或表面结构不同。这导致的技术效果是，可以更可靠地确认消磨掉的涡轮机部件，使得整体涡轮机可靠性增加。确切地，在指示层可见的情况下，检测涡轮机的人员轻松地识别出消磨掉的涡轮机部件。因此，通过本发明，通过在顶层下方施加指示层来提供磨损指示器。
涡轮机部件的寿命由磨损例如微振磨损限制，尤其在两个涡轮机部件之间的接合处。在常规方法中，检测部件的人员不会获得部件剩余寿命和部件磨损状态的任何信息。目前很难精确地预估涡轮机部件的剩余寿命。
通过根据本发明的对当前磨损状态的指示，更易于预估部件的寿命，因为在指示层可见的情况下，检测涡轮机部件的人员易于识别出消磨状态，即，不会继续使用直到下一维护检测。因此，不必使用人类技能和经验来确定零件是否消磨掉并需要更换。当部件接近其寿命终点或要求立即更换时，通过根据本发明的磨损指示层给出明确的指示，即使对未经培训的人员也如此。
根据另一示例性实施例，指示颜色与涡轮机部件的部件颜色不同。因此，顶层、指示层和部件颜色可包括三种不同颜色。因此，可更精确地预估，存在磨损哪种状态。例如，当指示层可见时，涡轮机仍能可靠地操作一段时间。当涡轮机部件已可见时，需要立即更换相应的涡轮机部件。
特别地，涡轮机部件可由金属合成物制成，顶层和指示层可由涂层合成物制成。涡轮机部件以及相应顶层和指示层可通过各种着色方法着色。
根据另一示例性实施例，具有另一指示颜色的另一指示层置于顶层和指示层之间。另一指示颜色与指示颜色、顶层颜色和涡轮机部件的部件颜色不同。因此，通过插入具有各种不同颜色的多个另一指示层，提供了十分精确的指示系统。各指示层的每种颜色分类并列于颜色列表中，例如，使得检测涡轮机部件的人员知晓相应涡轮机部件的磨损状态。例如，顶层可具有白色顶层颜色，另一指示层可具有黄色另一指示颜色，最靠近涡轮机部件的指示层可具有红色指示颜色。当检测者看见黄色另一指示颜色时，涡轮机部件仍可使用一段时间，并可在下一维护间隔替换。如果检测者已看见红色指示颜色，则涡轮机部件应当立即更换。
根据另一示例性实施例，顶层、指示层和/或另一指示层是硬涂层，其中，与涡轮机部件相比，硬涂层具有更低的摩擦系数，并且对接触磨损或由涡轮机工作气体导致的磨损有更高的抵抗性。
硬保护涂层可通过化学(CVD)和物理(PVD)气相沉积技术涂覆到涡轮机部件。可以使用各种PVD方法，例如磁控溅射、激光蒸发、阴极和/或阳极物理气相沉积。
硬涂层(例如(另一)指示层和/或顶层)基于例如过渡金属氮化物(例如，TiN、CrN)或多组分涂层(例如，TiAlN)、多层涂层(例如，TiN/TiAlN)以及碳基涂层(DLC)。而且，可施加纳米复合(TiN+DLC)涂层和润滑涂层(WC+C)。而且，(另一)指示层和/或顶层可包括PtAl涂层或MCrAlY涂层，其中，“M”尤其表示镍(Ni)、钴(Co)或它们的混合物。
因此，指示层、顶层、涡轮机部件和另一涡轮机部件可由金属材料制成，使得在相应部件之间形成金属-金属接触。
根据另一示例性实施例，涡轮机部件是涡轮机的燃烧室、叶片、轮叶、密封件、瓦管、过渡管或壁部。顶层暴露于涡轮机的工作气体，或者不同部件的直接接触。
根据另一示例性实施例，涡轮机部件具有周向方向的弯曲形状。指示层包括多个指示层部分，其中，指示层部分沿周向方向彼此间隔开。
例如，指示层部分可具有带形状或条形状。例如，涡轮机部件(例如，燃烧室)可管状形状，其中，多个带状或条状指示层部分沿涡轮机部件的周向方向布置到涡轮机部件的内壁。带状或条状指示层部分沿周向方向彼此间隔开。例如，四个间隔开的带状或条状指示层部分可沿周向方向布置。或者，指示层部分可具有圆形横截面，并可由此形成指示圆。
应注意，参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，参考设备权利要求描述了一些实施例，参考方法权利要求描述了另一些实施例。然而，本领域技术人员从上面和下面的描述中可得出，除非明确说明，否则除了属于一种类型主题的任何组合，与不同主题相关的特征之间的任何组合、尤其是设备权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的任何组合被认为由本申请公开。
附图说明
本发明的以上限定的方面和其它方面从下面要描述的实施例示例可明白，并参考实施例示例进行说明。下面参考实施例示例更详细地描述本发明，但是本发明并不限于实施例示例。
图1示意性示出涡轮机部件，其是根据本发明示例性实施例的燃烧室；
图2示意性示出根据本发明示例性实施例的用于指示两个涡轮机部件之间的磨损和微振磨损的系统；以及
图3示意性示出用于指示涡轮机部件的磨损的系统，该涡轮机部件是根据本发明示例性实施例的轮叶。
具体实施方式
附图是示意性的。应注意，在不同附图中，类似或相同的元件由相同的参考标号表示。
图1示出本发明的示例性实施例，其中，例如，涡轮机部件110是燃气轮机的燃烧室。工作气体，尤其是流过燃烧室的内部体积的燃烧气体，沿期望方向由燃烧室的壁引导。确切地，在热燃烧气体被壁部引导和偏转的区域中，在燃烧室和另一涡轮机部件120(在该示例性实施例中为过渡管)之间的接触中会发生微振磨损和磨损。
此外，微振磨损可因涡轮机部件110和抵接的另一涡轮机部件120(比如图1所示过渡管)之间的相对移动而产生。换言之，涡轮机部件110和另一涡轮机部件120在接触区域彼此接触，使得在部件110、120之间的接触区域中发生微振磨损。
因此，在涡轮机部件110和/或另一涡轮机部件120的这种重要区域中，用于指示磨损的系统100可施加成，容易地看见并由此测量磨损和微振磨损的过程。在图2中，略图Ⅱ-Ⅱ更详细地示出系统100。
图2示出用于指示涡轮机的磨损的系统100。该系统100包括涡轮机部件110。而且，顶层201部分地覆盖涡轮机部件110的一部分的表面。顶层201可包括顶层颜色或顶层结构(孔或沟的图案)。而且，指示层202置于顶层201和涡轮机部件110的一部分的表面之间。指示层202包括指示颜色或指示结构(孔或沟的图案)，其与顶层颜色或结构不同，使得在顶层101由磨损或微振磨损消磨掉的情况下，从观看方向205，指示层202变得光学上可检验，即可见。
涡轮机部件110可以是燃烧室的内壁，另一涡轮机部件120可以是过渡管，例如，其在下游进一步引导热燃烧气体。由于涡轮机部件110和另一涡轮机部件120之间的振动，在这些部件110、120之间发生微振磨损(例如金属-金属微振磨损)，使得接触区域中的材料消耗掉。
由于热膨胀和/或燃烧动力，部件110、120可相对彼此移动，使得因两个部件110、120之间的微振磨损发生故障的可能性较高。
在涡轮机部件110与另一涡轮机部件120的接触区域中，沟槽204可关于涡轮机部件110形成，顶层201(与另一涡轮机部件120接触)、指示层202和可选的一个或多个另一指示层203可施加在沟槽中。
检测部件110、120的微振磨损和磨损的检测者沿观看方向205观看。由于可见的顶层和指示层201、202、203以及可见的顶层和指示层201、202、203的相应图案，检测者可容易地识别微振磨损和磨损状态。
图3示出另一示例性实施例。系统100包括涡轮机部件110，其可以是例如压缩机叶片或轮叶。涡轮机部件110可具有位于例如压缩机叶片的顶层201，其暴露于涡轮机的工作气体，工作气体沿流动方向302流动。顶层201可以是氧化保护涂层，以保护涡轮部件110的基底材料免受由工作流体(例如，空气、海水或其它侵略性化学物)的合成物的一部分引起的氧化或腐蚀的影响。顶层201还可以是改进压缩机叶片和示例性压缩机叶片的平台的表面光洁度的涂层。由顶层201提供的更低表面粗糙度和摩擦增加了压缩机效率以及与流通能力和喘振裕度有关的性能。
在图3中，示出顶层201的消磨掉的部分301。检测涡轮机部件110的检测者容易地识别出消磨掉的部分301，因为他或她经由消磨掉的部分301看见指示层202的指示颜色。因此，检测者可容易地注意到磨损状态。如果涡轮部件110的颜色经由消磨掉的部件301是可见的，则必须通过例如再涂覆来替换或维修保护层(即顶层201和指示层202)。
此外，多个另一插入的指示层203可置于顶层201和涡轮机部件110之间。因此，如果指示层201、202、203相对彼此具有不同的颜色，则可提供十分详细的系统来指示涡轮机部件的磨损。
应注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一个”及其变体并不排除多个。另外，与不同实施例相关描述的元件可以组合。还应注意，权利要求中的参考标号不应被理解为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.用于指示涡轮机的磨损的系统(100)，所述系统(100)包括：
涡轮机部件(110)；
另一涡轮机部件(120)，接触所述涡轮机部件(110)，
其中，对于所述涡轮机部件(110)，一沟槽(204)形成在与所述另一涡轮机部件(120)的接触区域中；
指示层(202)，形成在所述涡轮机部件(110)的沟槽(204)内；以及
顶层(201)，形成在所述沟槽(204)内，并覆盖所述指示层(202)，使得如果所述顶层(201)因所述涡轮机部件(110)与另一涡轮机部件(120)的接触产生的微振磨损而侵蚀掉，则所述指示层(202)变得可以检验到。
2.如权利要求1所述的系统(100)，
其中，所述顶层(201)包括顶层颜色，并且其中，所述指示层(202)包括与所述顶层颜色不同的指示颜色。
3.如权利要求1或2所述的系统(100)，
其中，所述顶层(201)包括顶层结构，并且其中，所述指示层(202)包括与所述顶层结构不同的指示层结构。
4.如权利要求1至3任一项所述的系统(100)，
其中，所述指示颜色与所述涡轮机部件(110)的部件颜色不同。
5.如权利要求1至4任一项所述的系统(100)，还包括
具有另一指示颜色的另一指示层(203)，
其中，所述另一指示层(203)置于所述顶层(201)和所述指示层(202)之间，
并且其中，所述另一指示颜色与所述指示颜色、所述顶层颜色、所述涡轮机部件(110)的部件颜色不同。
6.如权利要求1至5任一项所述的系统(100)，
其中，所述顶层(201)和/或所述指示层(202)是硬涂层，
其中，与所述涡轮机部件(110)的材料相比，所述硬涂层具有更低的摩擦系数和对磨损或微振磨损更高的抵抗性。
7.如权利要求1至6任一项所述的系统(100)，
其中，所述顶层(201)和/或所述指示层(202)是氧化保护涂层，并且其中，与所述涡轮机部件(110)的材料相比，所述氧化保护涂层具有对氧化更高的抵抗性。
8.如权利要求1至7任一项所述的系统(100)，
其中，所述顶层(201)和/或所述指示层(202)是平滑表面涂层，并且其中，与所述涡轮机部件(110)的材料相比，所述平滑表面涂层具有更低的表面粗糙度或摩擦系数。
9.如权利要求1至8任一项所述的系统(100)，
其中，所述涡轮机部件(110)是涡轮机的燃烧室、叶片、轮叶、密封件、瓦管、过渡管或壁部。
10.如权利要求1至9任一项所述的系统(100)，其中，所述涡轮机部件(110)具有关于周向方向的弯曲形状；
其中，所述指示层(202)包括多个指示层部分，置于所述顶层(201)和所述涡轮机部件(110)的表面之间；以及
其中，所述指示层部分沿所述周向方向彼此间隔开。
11.一种用于指示涡轮机的磨损的方法，所述方法包括：
如果顶层因所述涡轮机部件(110)与另一涡轮机部件(120)的接触产生的微振磨损而侵蚀掉，则通过指示层(202)指示涡轮机部件(110)的磨损，
其中，所述另一涡轮机部件(120)接触所述涡轮机部件(110)，
其中，对于所述涡轮机部件(110)，一沟槽(204)形成在与所述另一涡轮机部件(120)的接触区域中，
其中，所述指示层(202)形成在所述涡轮机部件(110)的沟槽(204)内，并且
其中，所述顶层(201)形成在所述沟槽(204)内，并覆盖所述指示层(202)，使得如果所述顶层(201)因微振磨损而侵蚀掉，则所述指示层(202)变得可以检验到。
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