CN104838092B - 耐用涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

提供一种耐用涡轮叶片设计，其最大程度地减小涡轮叶片在末梢摩擦事件期间的损伤，防止进一步的末梢凹陷，并且提高涡轮叶片(24)的弹性。这可通过各种叶片末梢(12)设计实现，诸如凹陷末梢(28)或突起末梢(98)。这还可通过对叶片末梢、护罩或者它们两者提供具有可磨蚀层或磨蚀层的环境阻隔涂层(EBC)(22)实现。

Description

耐用涡轮叶片
相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C.§119(e)，本申请要求2012年11月17日以本申请的发明人的名义提交的美国临时专利申请No. 61/738,118的优先权，该申请的名称为“Robust TurbineBlades(耐用涡轮叶片)”，该临时申请通过引用而结合在本文中。
技术领域
本发明大体涉及涡轮。更特别地，本发明涉及能经受住叶片末梢和护罩之间的摩擦而不损害机械完整性或性能的耐用涡轮叶片。
背景技术
涡轮组件典型地通过使由于燃料燃烧而产生的热压缩气体膨胀来产生旋转轴功率。燃气涡轮轮叶或叶片大体具有翼型件形状，其设计成将流径气体的热能和动量转化成转子的机械旋转。
可通过以下方式来提高涡轮性能和效率：减小旋转叶片的末梢和固定护罩之间的空间，以限制在叶片的顶部上或其周围的空气流，否则空气流会绕过叶片。例如，叶片可构造成使得其末梢在发动机运行期间紧密地配合护罩。
涡轮叶片可由多种材料制成，包括镍基超合金和陶瓷基质复合材料(CMC)。CMC是用于涡轮应用的镍基超合金的有吸引力的替代品，因为它们能够耐高温且重量轻。
当设计CMC涡轮叶片时，产生和保持高效末梢间隙是至关重要的。当与金属超合金相比时，CMC的应变造成的失效固有地低且损伤容限降低，这引起了关于叶片在涡轮叶片末梢摩擦事件期间的耐用性的担忧。当努力保持紧密的末梢间隙时，CMC凹陷或气体燃烧环境中形成的二氧化硅挥发也可提出挑战。
在末梢摩擦事件期间，径向间隙达到干涉状态，而且翼型件末梢会撞击静止护罩硬件，从而对叶片施加较大的切向力。这个力会对翼型件和柄部产生相当大的弯矩，然后弯矩可使部件的负荷过大，并且造成永久的结构损伤。由于发动机构建间隙和护罩间隙控制系统中的不确定性的原因，设计稳健性最佳实践要求涡轮叶片经受住叶片末梢和护罩之间的摩擦，而不损害机械完整性或性能。
征服以上挑战的CMC叶片在本领域中是合乎需要的。
发明内容
本发明提供一种耐用涡轮叶片设计，其最大程度地减小涡轮叶片在末梢摩擦事件期间的损伤，防止进一步的末梢凹陷，并且提高涡轮叶片的弹性。这可通过各种叶片末梢设计实现，诸如凹陷末梢或突起末梢。这还可通过对叶片末梢、护罩或它们两者提供具有可磨蚀层或磨蚀层的环境阻隔涂层(EBC)实现。
根据本发明的实施例，叶片可包括具有凹陷构造或突起构造的末梢。
根据本发明的实施例，叶片可由CMC制成，而且包括EBC。护罩可由CMC制成，而且包括EBC，或者护罩可由金属制成，而且包括隔热涂层(TBC)或其它类似的陶瓷涂层。在本发明的各种实施例中，叶片末梢、护罩或者叶片末梢和护罩两者的EBC可包括可磨蚀层或磨蚀层。
根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明的叶片末梢的视图。
图2是根据本发明的实施例的具有凹陷构造的叶片末梢的透视图。
图3是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图4是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图5是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图6是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图7是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图8是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图9是根据本发明的实施例的具有突起构造的叶片末梢的透视图。
图10是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图11是根据本发明的实施例的叶片末梢的横截面图。
图12是根据本发明的实施例的具有凹陷构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层的叶片末梢的透视图。
图13是根据本发明的实施例的具有突起构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层的叶片末梢的透视图。
在可行的时候，相同参考标号将在图中用来表示相同部件。
具体实施方式
本发明提供耐用涡轮叶片设计，其最大程度地减小涡轮叶片在末梢摩擦事件期间的损伤，防止进一步的末梢凹陷，并且提高涡轮叶片的弹性。这可通过各种叶片末梢设计实现，诸如凹陷末梢或突起末梢。这还可通过对叶片末梢、护罩或它们两者提供具有可磨蚀层或磨蚀层的EBC实现。
叶片末梢可由CMC材料制成，而且可包括具有可磨蚀层或磨蚀层的EBC。包括凹陷末梢和突起末梢和可磨蚀涂层或磨料涂层的各种末梢几何构造帮助减小叶片在末梢摩擦事件期间的接触负载，并且通过减小可刮擦护罩的末梢的面积来最大程度地减小对涡轮叶片的其它关键区域的潜在损伤。
根据本发明，叶片具有前缘和后缘和叶片末梢和相对的根部端，叶片可进一步包括例如凹陷末梢或突起末梢。图1是根据本发明的叶片末梢10的视图。叶片末梢10可具有凹口或凸起12。
当叶片末梢具有凹陷构造时，末梢的侧壁可在末梢中形成凹部。根据本发明的实施例，凹部可沿着叶片末梢的长度形成开放通道。凹口可具有任何半径或深度。例如，凹口可具有大约0.018英寸至大约0.040英寸的半径和大约0.040英寸至大约0.050英寸的深度。
当叶片末梢具有突起构造时，末梢的边缘沿贯穿厚度的方向朝末梢的中心形成隆起部分。根据本发明的另一个实施例，凸起可沿着叶片末梢的宽度形成凸脊。凸起可具有任何半径或深度。例如，凸起可具有大约0.60英寸至大约0.80英寸的半径和大约0.20英寸至大约0.60英寸的深度。
图2是根据本发明的实施例的具有凹陷构造的叶片末梢的透视图。叶片末梢20包括EBC 22和在其之下的CMC衬底24，EBC 22可包括可磨蚀层或磨蚀层。如图2中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成弯曲或圆形的凹口28。
图3-8是根据本发明的各种实施例的具有凹陷末梢的叶片末梢的横截面图。如图3中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成具有平基部和弯曲或圆形的边缘的凹口28。另外，如图4中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有弯曲形状，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口28。根据本发明的另一个实施例，如图5中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有笔直形状，并且形成弯曲或圆形的凹口28。在本发明的另一个实施例中，如图6中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24可具有笔直形状的边缘26，并且形成具有平基部和弯曲边缘的凹口28。在本发明的另一个实施例中，如图7中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24的边缘26可具有笔直形状，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口28。在本发明的另一个实施例中，如图8中显示的那样，EBC 22和CMC衬底24可具有一个带有笔直形状的边缘26，并且形成具有平基部和笔直边缘的凹口28。
除了EBC结合之外，凹陷构造可形成机械保持作用，以帮助固持可磨蚀材料，以及防止涂层在摩擦事件期间完全释放。另外，凹口在高的末梢摩擦力下可变形或者部分地断裂，以减小对CMC叶片的其余的负载非常高的区域的撞击。突起构造可允许减小末梢处的面积，这可通过在叶片上产生较少压力来减小末梢摩擦力，而且由于半径较大的原因，可允许有较好的EBC化学粘结性。
图9是根据本发明的另一个实施例的具有突起构造的叶片末梢的透视图。叶片末梢90包括EBC 92，EBC 92可包括可磨蚀层或磨蚀层和在它们之下的CMC衬底94。如图9中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有弯曲形状，并且形成具有弯曲或圆形的凸脊的凸起98。
图10和11是根据本发明的各种实施例的具有突起末梢的叶片末梢的横截面图。如图8中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有弯曲形状，并且形成具有平顶部的凸起98。在本发明的另一个实施例中，如图11中显示的那样，EBC 92和CMC衬底94的边缘96可具有笔直形状，并且形成具有平顶部的凸起98。
EBC和CMC衬底可具有与图2-11中显示的相似的横截面轮廓，或者它们可具有不同的横截面轮廓。例如，EBC可具有带有弯曲形状的边缘，并且形成具有平基部和弯曲或圆形的边缘的凹口，而CMC衬底可具有带有弯曲形状的边缘和弯曲或圆形的凹口。
根据本发明的实施例，叶片末梢可涂有具有图案化可磨蚀层或磨蚀层的EBC。例如，图案可包括(但不限于)凸脊，凸脊可为遵从护罩流径的成形凸脊，诸如平凸脊、圆形凸脊、单点或多点末梢。
图12是根据本发明的实施例的具有凹陷构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层21的叶片末梢20的透视图。例如，图案化可磨蚀或磨蚀层21可为EBC 22的顶层。图13是根据本发明的实施例的具有突起构造和图案化可磨蚀层或磨蚀层91的叶片末梢90的透视图。例如，图案化可磨蚀或磨蚀层91可为EBC 92的顶层。
为了形成凹陷或突起的CMC末梢，核心翼型件结构SiC层片可延伸通过翼型件的末梢，可通过非传统的机械加工方法来限定核心翼型件结构SiC层片，诸如超声波加工，或者在CMC模制过程期间进行预成形。
某些末梢构造可提供优于其它构造的制造优点。例如，与具有笔直边缘22的构造(诸如图7或8的凹口)相比，图2中显示的凹陷末梢构造制造起来更简单，其中， EBC 22和CMC衬底24的边缘26具有弯曲形状，并且形成弯曲或圆形凹口28。另外，某些构造提供机械优点。例如，图9中显示的突起末梢构造可允许EBC 92以涂层的方式良好地粘结到CMC衬底94上。
如上面论述的那样，根据本发明的实施例，叶片可由CMC制成，而且包括EBC。包围叶片的护罩可由CMC制成，而且包括EBC，或者护罩可由金属制成，而且包括隔热涂层(TBC)或其它类似的陶瓷涂层。
可使用各种类型的CMC材料来形成本发明的叶片或护罩。例如，CMC材料具有含硅基质和加强材料，包括(但不限于)碳化硅、氮化硅和它们的混合物。
可对CMC施用EBC涂层，以保护它们免受高温发动机区段的恶劣环境的影响，并且提高抗凹陷力。EBC可提供致密的气密性密封件，对抗热燃烧环境中的腐蚀气体，腐蚀气体可快速地使含硅CMC和整块陶瓷氧化。另外，氧化硅在高温蒸汽中是不稳定的，但转化成易挥发的(气态)氢氧化硅物质。因而，EBC可帮助防止陶瓷构件由于这样的氧化和挥发过程而有尺寸变化。
根据本发明的实施例，环境阻隔涂层材料可包括典型地用于硅基高温衬底的那些，诸如碳化硅、氮化硅和它们的复合物。这些材料具有匹配或几乎匹配衬底的热膨胀系数。典型地，为了成功地将EBC材料粘结到衬底上需要多个层，包括结合涂层和至少一个耐火氧化物层。结合涂层可包括诸如元素硅、硅合金和在不形成气态副产物的情况下获得氧的金属硅化物的材料。为了包括将长期保持粘结到衬底上的一层或多层耐用叶片末梢，本领域中描述的典型的EBC耐火氧化物层将是最佳选择，包括钡锶铝硅酸盐(BSAS)、富铝红柱石、稀土二矽酸盐(例如镱二矽酸盐)、稀土单硅酸盐(例如钇单硅酸盐)和它们的混合物。但是，可使用热膨胀系数匹配或几乎匹配衬底材料的热膨胀系数的任何其它金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物或者金属氮化物。EBC材料的选择可取决于耐用叶片末梢的设计而改变。
在本发明的各种实施例中，用于叶片末梢、护罩或叶片末梢和护罩两者的EBC可包括可磨蚀层或磨蚀层，以减小末梢摩擦事件期间的叶片末梢磨损。根据本发明的实施例，可磨蚀层或磨蚀层可为EBC的顶层。
可磨蚀层在其刮擦到较硬、较致密或较重的表面时会被磨损。特别地，可磨蚀层可提供在刮擦期间将屈服或断裂且不对其余叶片结构施加那么大力的顺从、不那么硬的材料。任何磨损或断裂的可磨蚀材料将由下面的EBC涂层和CMC衬底代替，以防止进一步泄漏或末梢凹陷。相反，磨蚀层可包括使可磨蚀层磨损的较硬、较致密或较重的EBC材料。磨蚀层可提供护罩材料所屈服的更硬的材料，从而减小叶片末梢的磨损量。
根据本发明的实施例，叶片末梢可包括具有可磨蚀层的EBC。护罩可包括具有比叶片末梢的可磨蚀层更硬、更致密或更重的磨蚀层的EBC或金属涂层，使得当叶片末梢在发动机运行期间刮擦到护罩时，可磨蚀层从叶片末梢上磨损掉，从而防止叶片有损伤。
根据本发明的另一个实施例，护罩可包括具有可磨蚀层的EBC或金属涂层。叶片末梢可包括具有比叶片末梢的可磨蚀层更硬、更致密或更重的磨蚀层的EBC，使得当叶片末梢在发动机运行期间刮擦到护罩时，可磨蚀层从护罩上磨损掉，从而防止叶片有损伤。
EBC及其可磨蚀层或磨蚀层可按多种几何构造应用。例如，EBC和可磨蚀层或磨蚀层可具有平坦、弯曲的凸脊、圆锥形、局部凸丘，并且提高它们减小末梢摩擦力的有效性。
可使用标准的工业涂覆过程来应用EBC，包括(但不限于) 等离子喷涂和气相淀积技术，诸如化学气相淀积和电子束物理气相淀积。另外，可通过激光添加过程来应用EBC，其中，一层一层地铺设EBC粉末，类似于3D打印。用这个方法，可改变EBC粉末和/或可磨蚀层或磨蚀层的密度。
本发明使得能够对涡轮叶片使用CMC，这允许有较高的涡轮入口温度能力，这会提高效率。CMC涡轮叶片还允许降低发动机重量。
虽然已经参照优选实施例来描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出各种改变，而且可用等效物代替本发明的元件，而不偏离本发明的范围。另外，可作出许多修改，以使特定情形或材料适合本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意于的是本发明不限于被公开为为了实现本发明而构想的最佳模式的实施例，本发明而是将包括落在所附权利要求的范围之内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种耐用涡轮叶片，包括：
陶瓷基质复合(CMC)涡轮叶片，其具有前缘、后缘、叶片末梢和相对的根部端；
所述陶瓷涡轮叶片在所述前缘和所述后缘之间在至少一个维度上弯曲；
所述叶片末梢具有凹陷末梢和突起末梢中的一个；以及，
可磨蚀层和磨蚀层中的一个，其设置在所述叶片末梢上，并且是下者中的至少一种：凹陷的或突起的。
2.根据权利要求1所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述叶片末梢是凹陷的，而且可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个是凹陷的。
3.根据权利要求2所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述凹陷叶片末梢限定设置在隆起边缘之间的通道28。
4.根据权利要求3所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个进一步包括在所述叶片末梢的所述隆起边缘之间的笔直基部或弯曲基部中的一个。
5.根据权利要求4所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个进一步包括弯曲隆起边缘或笔直隆起边缘中的一个。
6.根据权利要求4所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述可磨蚀层的所述隆起边缘减小末梢摩擦力。
7.根据权利要求4所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个和所述叶片末梢的所述凹陷构造形成机械保持作用，以固持可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个，以及防止可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个在摩擦事件期间完全释放。
8.根据权利要求1所述的耐用涡轮叶片，特征在于，所述CMC涡轮叶片末梢是可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个和突起层。
9.根据权利要求8所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述CMC涡轮叶片末梢具有弯曲形状，并且可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个具有弯曲形状。
10.根据权利要求9所述的耐用涡轮叶片，特征在于，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个和所述叶片末梢各自具有平顶部和弯曲顶部中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述耐用涡轮叶片进一步包括设置在可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个和所述CMC叶片末梢之间的环境阻隔涂层。
12.根据权利要求1所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个具有图案。
13.根据权利要求12所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述图案是下者中的一个：成形凸脊、平凸脊、圆形凸脊、单点或多点末梢、圆锥和局部凸丘。
14.一种耐用涡轮叶片，包括：
陶瓷基质复合(CMC)涡轮叶片，其具有用以提高对磨蚀层或可磨蚀层中的一个的机械保持作用的几何成形叶片末梢；
磨蚀层和可磨蚀层中的所述一个和所述叶片末梢两者为下者中的一个：平的形状、突起形状或凹陷形状。
15.根据权利要求14所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，磨蚀层和可磨蚀层中的所述一个形成有环境涂层，或者独立于所述环境涂层形成。
16.根据权利要求14所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述叶片末梢进一步包括边缘。
17.根据权利要求15所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，磨蚀层和可磨蚀层中的所述至少一个具有边缘。
18.根据权利要求16所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述边缘是弯曲的或平的。
19.根据权利要求17所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，磨蚀层或可磨蚀层中的所述一个和所述叶片末梢是凹陷的，具有一个或者弯曲或尖锐的拐角。
20.一种耐用涡轮叶片，包括：
陶瓷基质复合(CMC)涡轮叶片，其具有前缘、后缘、叶片末梢和相对的根部端；
所述CMC涡轮叶片限定翼型件形状；
所述叶片末梢基本是平的；
可磨蚀层和磨蚀层中的一个，其设置在所述叶片末梢上，可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个基本是平的。
21.根据权利要求20所述的耐用涡轮叶片，其特征在于，所述耐用涡轮叶片进一步包括设置在可磨蚀层和磨蚀层中的所述一个和所述CMC叶片末梢之间的环境阻隔涂层。
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