CN105257342A - 切割叶片尖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及切割叶片尖。一种叶片包括叶片主体，所述叶片主体沿着纵轴从叶片根延伸到相对的叶片尖表面。所述叶片主体界定压力侧和吸入侧。所述叶片主体包括切刃，所述切刃界定在所述叶片主体的所述尖表面与所述叶片主体的所述压力侧相遇的地方。所述切刃被配置以磨损发动机外壳的密封部分。一种用于制造叶片的方法包括：形成翼型，所述翼型沿着纵轴具有根和相对的尖表面，其中所述翼型界定压力侧和吸入侧。所述方法还包括形成切刃，在所述切刃处，所述翼型的所述尖表面与所述翼型的所述压力侧相遇。

Description

切割叶片尖
技术领域
本发明涉及叶片，确切地说，涉及叶片尖表面，例如，用于与（例如，燃气涡轮发动机中的）涡轮机上的磨损涂层配合的那些叶片尖表面。
背景技术
燃气涡轮发动机中已知使用各种旋转叶片。传统上，空气密封件用在旋转叶片与发动机外壳的内表面之间，以提高发动机效率。发动机效率可能与叶片的尖和空气密封件的内径之间的间隙相关联。就这点而言，一些空气密封件被提供作为磨损空气密封件，该磨损空气密封件中含有附接到外壳的内表面的磨损材料。在操作期间，叶片的旋转叶片尖会接触并磨损所述磨损材料（也称为“摩擦”）。
磨损空气密封系统的性能要求可包括效率标准和维护成本目标，以及其他要求。为了满足这些标准，磨损空气密封系统可能需要具有低透气性、低粗糙度、良好的耐腐蚀性，但在与叶片相互作用的过程中仍可磨损。这些要求可能会彼此冲突，例如，通常而言，空气密封件的耐腐蚀性越好，密封件的密度和硬度就越高，从而增加了磨损此类密封件的难度。为了切割坚硬且密致的磨损材料，叶片可包括叶片尖磨蚀涂层，例如，立方氮化硼（CBN），这会增加叶片的成本。
对于预期的目的而言，此类传统的方法和系统通常是令人满意的。然而，本领域中仍需要改进用于密封系统的叶片。本发明为这些问题提供解决方案。
发明内容
一种叶片包括叶片主体，所述叶片主体沿着纵轴从叶片根延伸到相对的叶片尖表面。所述叶片主体界定压力侧和吸入侧。所述叶片主体包括切刃，所述切刃界定在所述叶片主体的所述尖表面与所述叶片主体的所述压力侧相遇的地方。所述切刃被配置以磨损发动机外壳的密封部分。
所述叶片可包括沿着纵轴从所述叶片尖表面轴向延伸的切割点。所述叶片可包括设置在所述叶片尖表面的一部分上的涂层。所述涂层可包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、CBN、金刚石等。例如，所述涂层可仅设置在包括所述切割点的所述叶片尖表面的一部分上。
所述叶片尖表面可包括位于所述叶片主体的所述压力侧与所述吸入侧之间的倒角表面，所述倒角表面朝向所述叶片根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。所述叶片尖表面可包括位于所述压力侧与所述倒角表面之间的所述叶片尖表面上的刀棱面（land）。所述刀棱面的一部分可与所述叶片主体的所述压力侧的一部分成九十度的角。所述切刃可界定在所述压力侧与所述叶片尖表面的所述刀棱面之间过渡的弧形部分。所述切割点可以只设置在所述叶片尖表面的所述刀棱面上。所述切刃可包括突出部分。所述突出部分可从所述叶片主体的所述压力侧延伸。
一种用于制造叶片的方法包括：形成翼型，所述翼型沿着纵轴具有根和相对的尖表面，其中所述翼型界定压力侧和吸入侧。所述方法还包括形成切刃，在所述切刃处，所述翼型的所述尖表面与所述翼型的所述压力侧相遇。
形成切刃可包括：机械加工位于所述尖表面上的所述压力侧与所述吸入侧之间的倒角表面；机械加工位于所述压力侧与刀棱面之间的弧形部分；和/或机械加工从所述压力侧延伸的突出部分。机械加工倒角表面可包括使得所述倒角表面朝向所述根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。
形成切刃可包括：锻造位于所述尖表面上的所述压力侧与所述吸入侧之间的倒角表面；锻造位于所述压力侧与刀棱面之间的弧形部分；和/或锻造从所述压力侧延伸的突出部分。锻造倒角表面可包括使得所述倒角表面朝向所述根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。所述方法可包括在所述尖表面中形成切割点。所述方法还包括用涂层材料来涂覆所述尖表面的一部分，所述涂层材料包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、CBN以及金刚石中的至少一个。
一种燃气涡轮发动机包括：界定中线轴的外壳；设置成从所述外壳径向向内的磨损衬里；从所述外壳和所述磨损衬里径向向内的轮毂；以及从所述轮毂径向向外延伸以围绕所述中线轴旋转的多个叶片主体。所述磨损衬里包括设置在所述磨损衬里的内径上的摩擦材料层。每个叶片主体的切刃放置成接近所述摩擦材料层的内径，以当所述叶片主体围绕所述中线轴旋转时，在所述切刃的周向移动过程中磨损所述摩擦材料层。
根据以下对优选实施方案的详细描述，结合附图，所属领域的技术人员将更易于了解本发明的系统和方法的这些及其他特征。
附图说明
本发明所涉及的领域的技术人员将易于理解，如何在不过度实验的情况下就能使用本发明的装置和方法，本发明的优选实施方案将参考附图进行详细描述，其中：
图1为描绘根据本发明构造的燃气涡轮发动机的一项示例性实施方案的示意图；
图2为根据本发明构造的叶片的一项示例性实施方案的透视示意图，示出了叶片的压力侧和切刃；
图3为设置在图1所示燃气涡轮发动机中的图2所示叶片的一部分的截面示意图，示出了接近磨损衬里的切刃；
图4为根据本发明构造的带有切刃的叶片的另一示例性实施方案的一部分的截面示意图，示出了带有涂层的叶片尖表面上的弧形部分；
图5为根据本发明构造的带有切刃的叶片的另一示例性实施方案的一部分的截面示意图，示出了带有涂层的叶片尖表面上的突出部分；以及
图6为根据本发明构造的带有切刃的叶片的另一示例性实施方案的一部分的截面示意图，示出了设置在带有涂层的叶片尖表面的一部分上的切割点。
具体实施方式
现在将参考附图，其中类似的参考标号表示本发明的类似结构特征或方面。出于解释和说明的目的，且不用于限制，图1中示出了根据本发明的燃气涡轮发动机的一项示例性实施方案的局部视图，通常用参考字符100表示。图2中示出了根据本发明的燃气涡轮机叶片的一项示例性实施方案的放大透视图。图3到图6中提供了根据本发明或其方面的燃气涡轮机叶片的其他实施方案，如下文将描述。本文所述的系统和方法可用来使得叶片（例如，带有或不带任何涂层的镍质叶片）能够用于燃气涡轮发动机的磨损密封系统。
图1示意性地示出燃气涡轮发动机100，所述燃气涡轮发动机包括（以连续流连通方式的）风扇102、压缩机104、燃烧室106以及涡轮机108。燃气涡轮发动机100围绕发动机中线轴A周向设置。燃气涡轮发动机100包括发动机外壳110和从外壳110径向向内的轮毂112。多片叶片114从轮毂112径向向外延伸，以围绕中线轴A旋转。
现在参考图2和图3，叶片114包括沿着纵轴B从叶片根126延伸到相对的叶片尖表面128的叶片主体124。叶片主体124界定压力侧130和吸入侧132。叶片主体124包括切刃134，所述切刃界定在叶片主体124的尖表面128与叶片主体124的压力侧130之间。切刃134被配置以磨损外壳110的磨损衬里116的一部分，例如，密封部分。所属领域的技术人员将易于了解，切刃134的作用类似于切割机的切刃。替代于通过摩擦磨损来除去磨损衬里116材料，磨损衬里116材料是通过切刃134的切割动作被除去的。预期与传统叶片相比会降低摩擦能量消耗，从而减少磨损衬里116摩擦期间产生的热量。
所属领域的技术人员也将易于了解，与用于传统密封系统的带有CBN尖的叶片相比，叶片114可以降低成本，因为叶片114无需带有CBN尖。此外，与传统带有CBN尖的叶片相比，预期叶片114可将磨损层（例如，磨损衬里116）摩擦得更厉害，其中提高效率和发动机性能，特别是在燃气涡轮机100的高压压缩机（HPC）部分104。HPC部分104中的压力和温度更高，因此，减少任何间隙/空隙一般都会对效率提高有更大的影响。此外，在HPC部分104中，经常需要具有高温性能的磨损料，例如，镍基和钴基材料，从而使得它比其他涡轮机部分中的其他磨损料更难以磨损。
如图3所示，磨损衬里116位于叶片114与发动机外壳110的内表面118之间。磨损衬里116包括设置在磨损衬里116的内径122上的摩擦材料层120。叶片尖表面128包括位于叶片主体124的压力侧130与吸入侧132之间的倒角表面136，所述倒角表面朝向叶片根126（图2所示）在从压力侧130到吸入侧132的方向上渐细。叶片尖表面128包括位于压力侧130与倒角表面136之间的刀棱面138。刀棱面138的一部分与压力侧130的一部分成九十度的角。所属领域的技术人员将易于了解，尽管本文中示出刀棱面138与压力侧130之间的角并将其描述为接近九十度，但该角可以根据应用而变化。例如，更小的角可以提高切割能力，但可能要以降低切刃强度做交换。所属领域的技术人员将易于了解，刀棱面138与倒角表面136之间的后角θ可以在2到6度的范围内。后角θ减少叶片尖表面128与磨损衬里116之间的接触，从而与传统叶片相比，减少了摩擦力和摩擦热生成。
继续参考图3，叶片主体124的切刃134放置成接近摩擦材料层120的内径121，以当叶片主体124围绕中线轴A（图1所示）旋转时，在切刃134的周向移动过程中磨损摩擦材料层120，如箭头示意性地示出。
如图4所示，叶片214类似于叶片114。叶片214的切刃234界定在叶片尖表面228的压力侧230与刀棱面238之间过渡的弧形部分240。叶片尖表面228还包括涂层246，如下文进一步详细描述。所属领域的技术人员将易于了解，弧形部分240可比尖锐的切刃更具强度，但可能会以增加摩擦力和高能量做交换，从而导致增加热生成。
现在参考图5，叶片314类似于叶片114。叶片314的切刃334包括突出部分342。突出部分342从叶片主体324的压力侧330延伸，例如，在图5所示方向的左边延伸。压力侧330与突出部分342之间的角β（例如，前角）可在0到4度的范围内，和/或根据给定的应用，可以是各种合适的角度。例如，角β越大，切刃334就越尖锐越高效，从而需要较少的力便可穿过磨损衬里，例如，磨损衬里116，但可能要以减少切刃334的强度做交换。叶片尖表面328还包括涂层346，如下文进一步详细描述。
如图6所示，叶片414大体类似于叶片114。叶片414包括沿着纵轴B从叶片尖表面428轴向延伸的切割点444。切割点设置在叶片尖表面428的刀棱面438上。所属领域的技术人员将易于了解，切割点444也可分别设置在叶片114的刀棱面138上、设置在叶片214的刀棱面238上，以及设置在叶片314的刀棱面338上。所属领域的技术人员将易于了解，与磨损衬里和不带切割点444的叶片尖表面428之间的表面区域接触相比，切割点444与磨损衬里（例如，磨损衬里116）之间的表面区域接触减少，从而减少热生成。
现在参考图3到图6，叶片214、314和414包括设置在叶片尖表面228、328和428的一部分上的涂层246、346和446。所述涂层可包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、金刚石、CBN，和/或用于机械加工高强度航空合金的任何其他合适的涂层。所属领域的技术人员将易于了解，CBN涂层与CBN磨蚀尖的不同之处在于，CBN磨蚀料通常铜焊或电镀在叶片的尖上，而CBN涂层是叶片尖上的薄层（在微米的范围内），类似于带涂层的切割工具刀刃。涂层246、346和446可以在摩擦过程中降低叶片材料（例如，镍合金材料）的磨耗。如图6所示，涂层446仅设置在包括切割点444的叶片尖表面428的一部分上。所属领域的技术人员将易于了解，尽管叶片414示为具有仅位于切割点444上的涂层446，但涂层446可直接应用到叶片（例如，叶片114）的切刃（例如，切刃134），类似于图4和图5所示的涂层246和346。还预期，其他合适的涂层可应用到叶片尖表面128、228、328和428，具体取决于叶片114、214、314和414用于涡轮发动机中的哪个地方。所属领域的技术人员将易于了解，涂层246、346和446是任选的，且不必用于叶片尖表面228、328和428上。
现在参考图1到图6，一种用于制造叶片（例如，叶片114、214、314和414）的方法包括：形成翼型（例如，叶片主体124、224、324和424），所述翼型沿着纵轴（例如，纵轴B）具有根（例如，根126）和相对的尖表面（例如，尖表面128、228、328和428），其中所述翼型界定压力侧（例如，压力侧130、230、330和430）和吸入侧（例如，吸入侧132、232、332和432）；以及形成位于所述翼型的叶片尖表面与所述翼型的压力侧之间的切刃，例如，切刃134、234、334和434。切刃被配置以磨损发动机外壳（例如，发动机外壳110）的密封部分（例如，磨损衬里116）。
所属领域的技术人员将易于了解，形成切刃可包括机械加工或锻造位于压力侧与吸入侧之间的倒角表面，例如，倒角表面136、236、336和436。机械加工和/或锻造倒角表面包括使得倒角表面朝向叶片根在从压力侧到吸入侧的方向上渐细。还预期，形成切刃可包括机械加工和/或锻造位于压力侧与刀棱面之间的弧形部分，例如，弧形部分240。此外，所属领域的技术人员也将易于了解，形成切刃可包括机械加工和/或锻造从压力侧延伸的突出部分，例如，突出部分342。
此外，预期所述方法可包括在叶片尖表面中形成切割点，例如，切割点444。所属领域的技术人员将易于了解，切割点可通过机械加工、滚花或任何其他合适的制造工艺形成。预期所述方法还包括用涂层材料来涂覆叶片尖表面的一部分，所述涂层材料包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、CBN以及金刚石中的至少一个。所属领域的技术人员将易于了解，物理气相沉积（PVD）和/或化学气相沉积（CVD）可用来沉积上述涂层，例如，涂层146、246、346和446。预期本文中描述的方法适用于大规模生产叶片。
如上文描述和附图中示出的本发明的方法和系统为叶片提供优异的性能，包括提高效率和可能降低成本。尽管参考优选实施方案示出并描述了本发明的设备和方法，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行改变和/或更改。

Claims (20)

1.一种叶片，其包括：
沿着纵轴从叶片根延伸到相对叶片尖表面的叶片主体，其中所述叶片主体界定压力侧和吸入侧，以及其中所述叶片主体包括切刃，所述切刃界定在所述叶片主体的所述叶片尖表面与所述叶片主体的所述压力侧相遇的地方，其中所述切刃被配置以磨损发动机外壳的密封部分。
2.根据权利要求1所述的叶片，其进一步包括沿着所述纵轴从所述叶片尖表面轴向延伸的切割点。
3.根据权利要求1所述的叶片，其进一步包括设置在所述叶片尖表面的一部分上的涂层，其中所述涂层包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、CBN以及金刚石中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的叶片，其中所述涂层仅设置在包括所述切割点的所述叶片尖表面的一部分上。
5.根据权利要求1所述的叶片，其中所述叶片尖表面包括位于所述叶片主体的所述压力侧与所述吸入侧之间的倒角表面，所述倒角表面朝向所述叶片根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。
6.根据权利要求5所述的叶片，其中所述叶片尖表面包括位于所述压力侧与所述倒角表面之间的所述叶片尖表面上的刀棱面。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中所述刀棱面的一部分与所述叶片主体的所述压力侧的一部分成九十度的角。
8.根据权利要求5所述的叶片，其中所述切刃界定在所述压力侧与所述叶片尖表面的刀棱面之间过渡的弧形部分，其中所述刀棱面位于所述压力侧与所述倒角表面之间。
9.根据权利要求5所述的叶片，其中沿着所述纵轴从所述叶片尖表面轴向延伸的切割点仅设置在所述叶片尖表面的刀棱面上，其中所述刀棱面位于所述压力侧与所述倒角表面之间的所述叶片尖表面上。
10.根据权利要求1所述的叶片，其中所述切刃包括突出部分，其中所述突出部分从所述叶片主体的所述压力侧延伸。
11.一种用于制造叶片的方法，所述方法包括：
形成翼型，所述翼型沿着纵轴具有根和相对的尖表面，其中所述翼型界定压力侧和吸入侧；以及
形成切刃，在所述切刃处，所述翼型的所述尖表面与所述翼型的所述压力侧相遇，其中所述切刃被配置以磨损发动机外壳的密封部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括机械加工位于所述压力侧与所述吸入侧之间的所述尖表面上的倒角表面，其中机械加工倒角表面包括使得所述倒角表面朝向所述根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。
13.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括机械加工位于所述压力侧与刀棱面之间的弧形部分，其中所述刀棱面是所述压力侧与倒角表面之间的所述尖表面上的表面，其中所述倒角表面位于所述压力侧与所述吸入侧之间的所述尖表面上。
14.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括机械加工从所述压力侧延伸的突出部分。
15.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括锻造位于所述压力侧与所述吸入侧之间的倒角表面，其中锻造倒角表面包括使得所述倒角表面朝向所述根在从所述压力侧到所述吸入侧的方向上渐细。
16.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括锻造位于所述压力侧与刀棱面之间的弧形部分，其中所述刀棱面是所述压力侧与倒角表面之间的所述尖表面上的表面，其中所述倒角表面位于所述压力侧与所述吸入侧之间的所述尖表面上。
17.根据权利要求11所述的方法，其中形成切刃包括锻造从所述压力侧延伸的突出部分。
18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括在所述尖表面中形成切割点，其中所述切割点沿着所述纵轴从所述尖表面轴向延伸。
19.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括用涂层材料涂覆所述尖表面的一部分，所述涂层材料包括TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、CBN以及金刚石中的至少一个。
20.一种燃气涡轮发动机，其包括：
界定中线轴的外壳；
设置成从所述外壳径向向内的磨损衬里，所述磨损衬里包括设置于所述磨损衬里的内径上的摩擦材料层；
从所述外壳和所述磨损衬里径向向内的轮毂；以及
从所述轮毂径向向外延伸以围绕所述中线轴旋转的多个叶片主体，其中每个叶片主体沿着相应的纵轴从相应的叶片根延伸到相应的相对叶片尖表面，其中每个叶片主体界定相应的压力侧和相应的吸入侧，其中每个叶片主体包括相应的切刃，所述切刃界定在所述叶片尖表面与所述叶片主体的所述压力侧相遇的地方，其中每个叶片主体的所述切刃放置成接近所述摩擦材料层的内径，以当所述叶片主体围绕所述中线轴旋转时，在所述切刃的周向移动过程中磨损所述摩擦材料层。
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