CN106030045A - 具有带有复合角、不对称表面面积密度脊和槽样式的耐磨层的涡轮环形节段 - Google Patents

Abstract

涡轮壳体耐磨部件，具有耐磨表面（1300），所述耐磨表面（1300）带有由一对前线性节段部分和后线性节段部分（1302A、1302B）限定的槽和脊（1302）构成的复合角平面形态图案，所述前线性节段部分和后线性节段部分（1302A、1302B）由过渡部分（1302T）连结。所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度，以补偿在发动机操作期间前区中的更大脊腐蚀并且减小后区中的叶片尖端磨损。一些耐磨部件实施例通过结合比后区中的脊更宽的脊来增加前区脊的表面面积密度。

Description

具有带有复合角、不对称表面面积密度脊和槽样式的耐磨层 的涡轮环形节段

相关申请的优先权声明和交叉引用

本申请主张以下美国专利申请案的优先权，所有这些申请案均于2014年2月25日提交，并且其中的每一个的全部内容均通过引用并入本文：

指定的序列号为14/189,081的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVEPATTERN”；

指定的序列号为14/189,035的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGESOR GROOVES”；以及

指定的序列号为14/188,992的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE TERRACED RIDGES”。

同时提交的案卷编号为2015P01174WO的名称为“TURBINE ABRADABLE LAYER WITHINCLINED ANGLE SURFACE RIDGE OR GROOVE PATTERN”的国际专利申请案，且其指定的序列号（未知）被识别为相关的申请并且通过引用并入本文。

以下美国专利申请案于2014年2月25日同时提交并且出于对目前提交的申请案进行审查的目的被识别为相关申请案，以下申请案中的每一个的全部内容通过引用并入本文：

指定的序列号为14/188,813的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE MULTI DEPTH GROOVES”；

指定的序列号为14/188,941的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；

指定的序列号为14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”；以及

指定的序列号为14/189,011的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOPGROOVE PATTERN”。

背景技术

1. 发明领域

本发明涉及用于涡轮发动机（包括燃气或者蒸汽涡轮发动机）的耐磨表面、含有这种耐磨表面的发动机，以及用于减小发动机叶片尖端磨损和叶片尖端泄漏的方法。更具体地，本发明的各种实施例涉及具有不对称的首尾向脊表面面积密度的耐磨表面，并且前脊具有比后脊更大的表面面积密度以补偿发动机操作期间前区中的更大的脊腐蚀和在后区中减小叶片尖端磨损。

2. 现有技术的描述

已知涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机）含有轴装式涡轮叶片，涡轮叶片由涡轮壳体或者外壳周向地围绕。流过涡轮叶片的热气体引起叶片旋转，叶片旋转将热气体内的热能转换为机械功，其可用于向诸如发电机等旋转机械提供动力。参照图1至图6，诸如燃气涡轮发动机80的已知涡轮发动机包括：多级压缩机部段82、燃烧器部段84、多级涡轮部段86和排气系统88。大气压力进气空气通常沿涡轮发动机80的轴向长度的流动箭头F的方向被抽入压缩机部段82中。进气空气通过多排旋转压缩机叶片在压缩机部段82中被逐步地加压，并且由相配的压缩机导叶引导至燃烧器部段84，在该处其与燃料混合并且被点燃。点燃的燃料/空气混合物现在处于比原始进气空气更大的压力和速度下，且被引导至涡轮部段86中的相继排R₁、R₂等。发动机的转子和轴90具有多排翼型横截面形涡轮叶片92，其在压缩机部段82和涡轮部段86中终止于叶片尖端94远端。为了方便和简洁，关于发动机中的涡轮叶片和耐磨层的进一步讨论将集中于涡轮部段86的实施例和应用，尽管类似的结构也可适用于压缩机部段82。每个叶片92均具有凹形轮廓高压侧96和凸形低压侧98。沿燃烧流动方向F流动的高速和高压燃烧气体使得叶片92旋转运动，从而使转子转动。如众所周知的，施加在转子轴上的一些机械功率可用于执行有用功。燃烧气体在转子远端由涡轮壳体100径向地约束，且在转子近端由空气密封件102径向地约束。参照图2中示出的第1排部段，相应的上游导叶104和下游导叶106引导上游燃烧气体使其大体上平行于涡轮叶片92的前缘的入射角并且重新引导下游燃烧气体离开叶片的后缘。

接近叶片尖端94的涡轮发动机80的涡轮壳体100布有多个扇形耐磨部件110，每个扇形耐磨部件110均具有支撑表面112和耐磨基底120，支撑表面112固持在壳体内并且联接至壳体，耐磨基底120由叶片尖端间隙G与叶片尖端成相对的间隔开的关系。耐磨基底通常由金属/陶瓷材料构造，该金属/陶瓷材料具有高耐热性和耐热腐蚀性，并且在高燃烧温度下维持结构完整性。由于耐磨表面120的金属陶瓷材料通常比涡轮叶片尖端94的材料更加粗糙，因此维持叶片尖端间隙G以避免两个相对的部件之间的接触，该接触可能最好地引起过早的叶片尖端磨损，并且在更糟的情况下情形可能引起发动机损坏。一些已知的耐磨部件110是用整块金属/陶瓷耐磨基底120构造。其它已知的耐磨部件110用复合材料基体复合材料（CMC）结构构造，该复合材料基体复合材料（CMC）结构包括陶瓷支撑表面112，由更小的颗粒陶瓷填料包围的多层密堆积中空陶瓷球形颗粒构成的脆性分段绝缘（FGI）粘接至该陶瓷支撑表面112，如在美国专利No. 6,641,907中所描述的那样。具有不同性质的球形颗粒在基底120中分层，并且大体上更易耐磨的球形成上层以减小叶片尖端94的磨损。美国专利公开No. 2008/0274336中描述了另一种CMC结构，其中，该表面包括在中空陶瓷球之间的切槽样式。该槽旨在减小耐磨表面材料的横截面面积以减小潜在的叶片尖端94的磨损（如果它们与耐磨表面接触）。其它众所周知的耐磨部件110由金属基部层支撑表面112构造，形成耐磨基底层120的热喷涂的陶瓷/金属层被施加于该金属基部层支撑表面112。如将更加详细地描述的，该热喷涂的金属层可以包括槽、凹陷或者脊，以减小耐磨表面材料横截面以便减小潜在的叶片尖端94的磨损。

除了期望防止叶片尖端94过早磨损或者与耐磨基底120接触（如图3中所示）之外，为了理想的气流和功率效率，每个相应叶片尖端94均期望地具有相对于耐磨部件110的均匀的叶片尖端间隙G，该叶片尖端间隙G尽可能地小（理想地为零空隙）以使高压叶片侧96与低压叶片侧98之间的（以及轴向地沿燃烧流动方向F）叶片尖端气流泄漏L最小化。然而，制造和操作权衡需要叶片尖端间隙G大于零。这种权衡包括相互作用的部件的容差叠加，使得以可接受径向长度容差的更高端构造的叶片与以可接受径向容差的更低端构造的耐磨部件耐磨基底120在操作期间不过度地彼此影响。类似地，在发动机组装期间出现的小机械调准差异能够引起叶片尖端间隙的局部变化。例如，在轴向长度为数米且具有几米的涡轮壳体耐磨基底120内径的涡轮发动机中，非常小的机械调准差异就能够导致数毫米的局部叶片尖端间隙G变化。

在涡轮发动机80的操作期间，涡轮发动机壳体100可经历如图4和图6中示出的失圆（例如，卵形）热变形。当发动机被点燃以生成功率并且随后被冷却以便在数千小时的发电之后进行维护时，壳体100的热变形可能在涡轮发动机80的操作周期之间增加。通常，如图6中所示，与右侧周向位置124和左侧周向位置128（即，3:00和9:00）相比，壳体100和耐磨部件110的更大的变形倾向于发生在最上部壳体周向位置122和最下部壳体周向位置126（即，6:00位置和12:00位置）。如果，例如图4中所示，6:00位置处的壳体变形引起叶片尖端与耐磨基底120接触，则一个或多个叶片尖端可以在操作期间被磨损，从而在涡轮壳体100的各种其它变形更小的周向部分中使叶片尖端间隙局部地从理想间隙G增加至如图5中示出的更大间隙G_W。过大的叶片间隙G_W变形使叶片尖端泄漏L增加，从而将热燃烧气体转向远离涡轮叶片92的翼面，由此减小涡轮发动机的效率。

过去利用平坦的耐磨表面基底120并且保守地选择叶片尖端间隙G的规格以提供至少最小的总空隙，从而防止叶片尖端94与耐磨表面基底在广泛的涡轮部件制造容差叠加、组装调准差异和热变形下进行接触。因此，为避免尖端/基底接触而选择的相对宽的保守间隙G的规格牺牲了发动机效率。提高发动机效率以便节约燃料的商业期望驱使叶片尖端间隙G的规格向更小的规格发展：优选地不大于2毫米且期望地接近1毫米。

为了减小叶片尖端/基底接触的可能性，已经用三维平面形态轮廓（诸如图7和图11中所示）来构造包括带有热喷涂的金属/陶瓷耐磨表面的金属基部层支撑部的耐磨部件。图7和图10的示例性已知耐磨表面部件130具有金属基部层支撑部131以便联接至涡轮壳体100，已经通过已知的沉积或者烧蚀材料工作方法将热喷涂的金属/陶瓷层沉积在金属基部层支撑部131上并且形成为三维脊和槽轮廓。具体地，在这些引述的图中，多个脊132分别具有相同的高度H_R的远端脊尖端表面134，该远端脊尖端表面134限定叶片尖端94与其之间的叶片尖端间隙G。每个脊还具有侧壁135和136，该侧壁135和侧壁136从基底表面137延伸且限定连续脊的相对侧壁之间的槽138。脊132排列成带有在连续脊的中心线之间有平行的间隔S_R并且限定槽宽度W_G。由于耐磨部件表面的对称性，槽深度D_G与脊高度H_R相对应。与耐磨的固体平滑表面相比，在叶片尖端间隙G变得很小以致于允许叶片尖端94与一个或多个尖端134接触的情况中，脊132具有更小的横截面和更有限的磨耗接触。然而，与先前连续的平坦耐磨表面相比，相对高且间隔宽的脊132允许叶片泄漏L进入脊之间的槽138内。为了减少叶片尖端泄漏L，脊132和槽138定向为沿燃烧流动的方向F（未示出）水平地取向或者对角地穿过耐磨表面137的宽度取向（如图7中示出），使得其将倾向于抑制泄漏。其它已知的耐磨部件140（在图8中示出）具有以十字形样式排列的槽148，从而形成带有平坦等高脊尖端144的菱形脊平面形态142。额外的已知耐磨部件采用了如图9和图11中示出的三角圆形或者尖端平坦的三角形脊152。在图9和图11的耐磨部件150中，每个脊152均具有终止在平坦脊尖端154的对称侧壁155和156。所有脊尖端154均具有共同的高度H_R并且从基底表面157突出。槽158是弯曲的并且具有与叶片尖端94的脊线类似的平面形态轮廓。弯曲的槽158通常比图7和图8中示出的耐磨部件的线性槽138或者148更难以形成。

过去的耐磨部件设计需要在叶片尖端磨损与叶片尖端泄漏之间进行苛刻的折衷，其中叶片尖端磨损是由于叶片尖端与耐磨表面之间的接触所导致的，叶片尖端泄漏使涡轮发动机操作效率减小。优化发动机操作效率需要减小的叶片尖端间隙和光滑、一贯地平坦的耐磨表面拓扑结构，以阻止通过叶片尖端间隙的空气泄漏，从而改进初始发动机性能和节约能量。此外，为了增加燃气涡轮的操作效率和灵活性，构造了需要更快速的全功率增大（40至50 Mw/min的数量级）的所谓的“快速启动”模式发动机。激进的增大速率激化了叶片尖端侵入环形节段耐磨涂层的更大可能性，这是由更快速的热生长和机械生长、更高的变形以及旋转部件与静止部件之间的生长速率更加不匹配所导致的。与仅针对“标准”启动周期配置的发动机所需要的叶片尖端空隙相比，这相应地需要在“快速启动”模式发动机中有更大的涡轮尖端空隙，以避免过早的叶片尖端磨损。因此，在选择设计时，需要平衡如下益处：更快速的启动/更低操作效率、更大的叶片尖端间隙，或者标准启动/更高操作效率、更小的叶片尖端间隙。传统的标准或者快速启动发动机需要不同的构造以适应两种设计所需要的不同叶片尖端间隙参数。不管在标准配置还是快速启动配置中，减小叶片尖端间隙以便优化发动机效率最终会导致过早的叶片尖端磨损的风险，敞开叶片尖端间隙则最终会在发动机操作周期期间减小更长期的发动机性能效率。上述陶瓷基复合材料（CMC）耐磨部件设计旨在通过使用更软的顶部耐磨层来缓和叶片尖端磨损，以维持气流控制益处和平坦表面轮廓耐磨表面的小叶片尖端间隙。美国专利公开No. 2008/0274336的耐磨部件还旨在通过在上层中空陶瓷球之间包含槽来减小叶片尖端磨损。然而，槽的尺寸固有地受到密填间隔和球的直径的限制以便防止球破碎。作为折衷方案，向热喷涂的基底轮廓添加均匀高度的耐磨表面脊，以减小叶片尖端间隙，同时减小脊尖端与叶片尖端之间的潜在摩擦接触表面面积，这减小了过早的叶片尖端磨损/叶片尖端间隙增加的可能性，但代价是进入脊之间的槽内的叶片尖端泄漏增加。如上文指出的，已经试图通过改变脊阵列的平面形态取向来减小叶片尖端泄漏流动，以试图阻挡或者以其它方式控制进入槽内的泄漏气流。

发明内容

本发明的各种实施例的目的在于：尽管存在在一个或多个发动机操作周期期间由诸如部件容差叠加、组件调准差异、涉及叶片/壳体变形等的因素引起的局部变化，但仍以不会不适当地引起过早的叶片尖端磨损的方式通过减小和控制叶片尖端间隙来提高发动机效率性能。

在耐磨表面和叶片尖端已经彼此接触的局部磨损区中，本发明的各种实施例的目的在于使叶片尖端磨损最小化，同时维持在这些区中的最小化的叶片尖端泄漏并且维持这些局部磨损区外侧的相对窄的叶片尖端间隙。

本发明的其它实施例的目的在于：在不会不适当地导致过早叶片尖端磨损的风险的情况下，与已知耐磨部件的耐磨表面相比，减小叶片尖端间隙以增加涡轮操作效率，其中过早叶片尖端磨损可能由于局部叶片尖端/耐磨表面接触区的可能增加的数量产生。

本发明的又一实施例的目的在于通过如下方式来减小叶片尖端泄漏：通过利用耐磨表面的脊和槽复合的各异的前后轮廓以及抑制叶片尖端泄漏和/或使叶片尖端泄漏转向的平面形态阵列，同时在前区中提供更大的耐磨脊表面面积，以便补偿发动机操作期间的耐磨表面腐蚀。

额外的实施例的目的在于提供槽通道，以便将磨耗的材料和其它颗粒物质沿耐磨表面轴向地运输通过涡轮，使得它们不影响或者以其它方式磨耗旋转的涡轮叶片。

在本发明的各种实施例中，涡轮壳体耐磨部件具有各异的前部上游和后部下游复合多取向槽和竖直突出脊平面形态样式，以减小、转向和/或阻挡向下游进入槽内的（而不是从涡轮叶片翼面高压侧到低压侧）叶片尖端气流泄漏。平面形态样式实施例是具有各异的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态朝向下游燃烧流动F方向引导截留在槽内部的气体流，以阻止气体流泄漏沿局部叶片泄漏方向L从涡轮叶片翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧直接泄漏。前区大体上被限定在叶片翼面的前缘与截点处的弦线中心之间，在该截点处，平行于涡轮80的轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切：翼面的总轴向长度的大致三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后区 B。后部下游区B的槽和脊在角度上取向为与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角或者后边缘角的近似30%至120%。在一些实施例中，上游或者前区A的脊/槽阵列平面形态比下游或者后区B的脊/槽平面形态具有更大的耐磨表面面积，以便补偿在发动机操作期间发生的更大的耐磨腐蚀。

在其它各种实施例中，耐磨部件由竖直突出的脊或者肋状物构造，该脊或者肋状物具有第一下磨损区和第二上磨损区。脊的第一下区（接近耐磨表面）构造为用平面形态阵列和突起来优化发动机气流特性，其中平面形态阵列和突起定制为减小、转向和/或阻挡泄漏入脊之间的槽内的叶片尖端气流泄漏。脊的下区也被优化以提高耐磨部件和表面的机械和热结构完整性、耐热性、耐热腐蚀性以及磨损寿命。脊的上区在下区的上方形成，并且被优化以通过比下区更易磨耗来使叶片尖端间隙和磨损最小化。耐磨部件的各种实施例用具有比下区肋状结构更小的横截面面积的上子脊或者尖头更容易地实现上区的耐磨性。在一些实施例中，上子脊或者尖头形成为在小幅的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其它方式挠曲，并且在更大幅度的叶片尖端接触的情况下磨损和/或剪断。在其它实施例中，上区子脊或者尖头被像素化（pixelated）成上磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片尖端局部接触的那些尖头被磨损，同时局部磨损区外部的其它尖头则保持完好。尽管脊的上区部分被磨损，但其相比于先前已知的整体式脊引起更少的叶片尖端磨损。在本发明的实施例中，当上区脊部分被磨损时，其余下脊部分通过控制叶片尖端泄漏来保持发动机效率。在局部叶片尖端间隙被进一步减小的情况下，叶片尖端在该位置处磨去下脊部分。然而，该下脊部分局部磨损区域外部的相对更高的脊维持更小的叶片尖端间隙，以保持发动机性能效率。此外，多级磨损区轮廓允许单个涡轮发动机设计以标准模式或者“快速启动”模式操作。当以快速启动模式操作时，发动机将倾向于磨损上磨损区层，并且过度的叶片尖端磨损的可能性更小，同时保持下磨损区的空气动力学功能。当相同的发动机以标准模式操作时，更有可能的是，耐磨的上磨损区和下磨损区均将针对有效的发动机操作而得到保持。在根据本发明的实施例构造的耐磨部件中，可以采用两个以上的分层磨损区（例如，上磨损区、中磨损区和下磨损区）。

在一些发明实施例中，脊和槽的轮廓以及平面形态阵列耐磨表面面积可以局部地定制或者贯穿耐磨部件普遍地定制，诸如通过用选择为减小叶片尖端泄漏的选定的取向角度和/或横截面轮廓来形成多层槽。在一些实施例中，耐磨部件表面平面形态阵列以及脊和槽的轮廓提供改进的叶片尖端泄漏气流控制，而且也促进了比已知耐磨部件更简单的制造技术。

所提出的这些目的和其它目的中的一些在本发明的一个或多个实施例中通过涡轮耐磨部件来实现，该涡轮耐磨部件杂特征在于涡轮发动机环形节段耐磨部件，其适应于以与旋转涡轮叶片尖端周向扫掠路径相对的取向联接至涡轮壳体的内部周边。对应叶片尖端具有旋转方向、前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线的压力侧凹入表面上的弦线中心截点，以及后缘。该部件包括支撑表面，其适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮壳体内周边。支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与对应的涡轮叶片旋转轴线平行取向的支撑表面轴线。耐磨基底联接至支撑表面，其具有基底表面，该基底表面带有由一对前和后线性节段部分限定的槽和竖直突出的脊的复合角平面形态样式，该对前和后线性节段部分由过渡部分连结。每个前线性节段部分源于支撑表面上游端部附近，取向为相对于支撑表面轴线在正或负10度的角度的范围内。在一些实施例中，前线性节段部分大体上平行于支撑表面轴线。前线性节段部分终止在预期的涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置上游的支撑表面端部之间。每个后线性节段部分源于涡轮叶片弦线中心截点的下游，且在角度上取向为与对应的涡轮叶片旋转方向相对，同时终止在支撑表面下游端部附近。前线性节段部分中的前脊具有比后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。为了形成具有更大的前端部密度的耐磨表面，在一些实施例中，前脊比后脊更宽。在本发明的一些实施例中，过渡部段脊和槽限定弯曲的平面形态。在其它实施例中，脊具有相对于支撑表面倾斜的远端突出尖端。

本发明的其它实施例涉及涡轮发动机，其特征在于涡轮外壳和转子，该转子具有旋转地安装在涡轮外壳中的叶片，该叶片的远端尖端沿叶片旋转方向并且轴向地相对于涡轮外壳形成叶片尖端周向扫掠路径。该叶片尖端具有前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线的压力侧凹入表面上的弦线中心截点，以及后缘。这种发明实施例的特征在于耐磨部件，该耐磨部件具有适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮外壳内周边的支撑表面。支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与涡轮叶片旋转轴线平行地取向的支撑表面轴线。在这些实施例中，耐磨基底联接至支撑表面，其具有基底表面，该基底表面带有由一对前和后线性节段部分限定的槽和竖直突出脊的复合角平面形态样式，该对前和后线性节段部分由过渡部分连结。每个前线性节段部分源于支撑表面上游端部附近，且取向为相对于支撑表面轴线在正或负10度的角度的范围内，并且终止于预期的涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置上游的支撑表面端部之间。每个后线性节段部分源于所述预期涡轮叶片弦线中心截点的下游，且在角度上取向为与对应涡轮叶片旋转方向相对，终止于支撑表面下游端部附近。前线性节段部分中的前脊具有比后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。

本发明的相应目的和特征可以由本领域技术人员以任何组合或者子组合联合地或者分别地应用。

附图说明

能够通过结合附图考虑以下详细描述来容易地理解本发明的教导，附图中：

图1是示例性已知燃气涡轮发动机的部分轴向横截面视图；

图2是第一排（Row 1）涡轮叶片和导叶的详细横截面立视图，示出叶片尖端与图1的涡轮发动机的耐磨部件之间的叶片尖端间隙G；

图3是已知涡轮发动机的径向横截面示意图，并且所有叶片与围绕发动机耐磨表面的所有周向取向之间具有理想的均匀叶片尖端间隙G；

图4是失圆的已知涡轮发动机的径向横截面示意图，示出叶片尖端与耐磨表面在12:00最上部周向位置处和6:00最下部周向位置处接触；

图5是已经在操作服务中的已知涡轮发动机的径向横截面示意图，该已知涡轮发动机带有比原始设计规格的叶片尖端间隙G更大的过大叶片尖端间隙G_W；

图6是已知涡轮发动机的径向横截面示意图，强调了更可能形成叶片尖端磨损的周向区和更不可能形成叶片尖端磨损的区；

图7至图9是用于涡轮发动机耐磨表面的已知脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图10和图11分别是沿图7和图9的线段C-C截取的、用于涡轮发动机耐磨表面的已知脊和槽样式的横截面立视图；

图12至图17是根据本发明的示例性实施例，并且带有涡轮叶片的示意重叠的涡轮发动机耐磨表面的“曲棍”配置脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图18和图19是根据本发明的另一示例性实施例并且涡轮叶片示意重叠的用于涡轮发动机耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽样式（包括与涡轮叶片旋转方向对齐的竖直取向的脊或者肋状物阵列）的平面视图或者平面形态视图；

图20是针对以下两种情况的从前缘至后缘的模拟叶片尖端泄漏质量流量的比较图表：图12至图17中所示的类型的相应示例性连续槽曲棍耐磨表面轮廓，以及图18和图19中所示的类型的带有中断竖直脊曲棍耐磨表面轮廓的分裂槽；

图21是根据本发明的另一个示例性实施例，以及涡轮叶片示意重叠的用于耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽样式（具有交叉的脊和槽）的平面视图或者平面形态图，；

图22是根据本发明的另一示例性实施例的用于耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽样式（类似于图18和图19）的平面视图或者平面形态视图，该样式包括竖直取向的脊阵列，该脊阵列沿涡轮发动机的轴向流动方向横向地交错穿过耐磨表面；

图23是根据本发明的另一示例性实施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图，该样式包括沿涡轮发动机的轴向流动方向穿过耐磨表面的水平取向的脊和槽阵列；

图24是根据本发明的另一示例性实施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图，该样式包括穿过耐磨表面的对角地取向的脊和槽阵列；

图25是根据本发明的另一示例性实施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图，该样式包括穿过耐磨表面的V形脊和槽阵列；

图26至图29是根据本发明的示例性实施例并且有涡轮叶片的示意重叠的涡轮发动机耐磨表面的嵌套回路配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图30至图33是根据本发明的示例性实施例并且有涡轮叶片的示意重叠的涡轮发动机耐磨表面的迷宫或者螺旋配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图34和图35是根据本发明的另一示例性实施例并且有涡轮叶片的示意重叠的用于涡轮发动机耐磨表面的带有弯曲肋状物过渡部段的复合角配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图36是针对以下三种情况的从前缘至后缘的模拟叶片尖端泄漏质量流量的比较图表：本发明的图34和图35的类型的相应示例性带有弯曲肋状物过渡部段的复合角配置的脊和槽样式、图7中示出的类型的示例性已知对角脊和槽样式，以及已知的轴向对齐的脊和槽样式的耐磨表面的耐磨表面轮廓；

图37是根据本发明的示例性实施例的用于耐磨表面的多高度或者海拔脊轮廓配置和对应槽样式的平面视图或者平面形态视图，其适合于在标准发动机模式或者“快速启动”发动机模式中的任一模式中使用；

图38是沿图37的C-C截取的图37的耐磨表面实施例的横截面视图；

图39是根据本发明的实施例的图37和图38的运动叶片尖端和耐磨表面实施例的示意立视横截面视图，示出了叶片尖端泄漏L和叶片尖端边界层流动；

图40和图41是根据本发明的实施例的类似于图39的示意立视横截面视图，示出了叶片尖端间隙G、槽和脊多高度或者海拔尺寸；

图42是类似于图11的已知耐磨表面的脊和槽轮廓的立视横截面视图；

图43是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的多高度或者海拔阶梯式轮廓脊配置和对应槽样式的立视横截面视图；

图44是用于本发明的耐磨表面的多高度或者海拔阶梯式轮廓脊配置和对应槽样式的另一实施例的立视横截面视图；

图45是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的多深度槽轮廓配置和对应脊样式的立视横截面视图；

图46是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和对应槽样式的立视横截面视图；

图47是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和多深度平行槽轮廓样式的透视图；

图48是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和多深度交叉槽轮廓样式的透视图，其中，上槽相对于脊尖端纵向地倾斜；

图49是本发明的另一实施例的透视图，关于用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和多深度交叉槽轮廓样式，其中，上槽垂直于脊尖端并且相对于脊尖端纵向地偏斜；

图50是根据本发明的另一实施例的用于耐磨表面的在对称轮廓脊中的多深度平行槽轮廓配置的横截面视图的立视横截面视图；

图51和图52是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的在对称轮廓脊中的多深度平行槽轮廓配置的相应立视横截面视图，其中，上槽相对于脊尖端横向地侧斜；

图53是根据本发明的实施例的耐磨表面的透视图，其具有不对称的非平行壁脊和多深度槽；

图54至图56是根据本发明的替代实施例的用于耐磨表面的在梯形轮廓脊中的多深度平行槽轮廓配置的相应立视横截面视图，其中，上槽垂直于脊尖端，或者相对于脊尖端横向地侧斜；

图57是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的多级交叉槽样式的平面视图或者平面形态视图；

图58是根据本发明的实施例的阶梯式轮廓耐磨表面脊的透视图，其中，上级脊具有从下脊台突出的像素化直立尖头阵列；

图59是沿图58的C-C截取的从下脊台突出的一排像素化直立尖头的立视图；

图60是根据本发明的实施例的图59的直立尖头的替代实施例，其中，在接近尖头尖端的尖头部分由一层具有与该层下方的材料的物理性质不同的物理性质的材料构造；

图61是图58的像素化上尖头实施例的示意立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片尖端使尖头偏转；

图62是图58的像素化上尖头实施例的示意立视图，其中，在叶片旋转期间，涡轮叶片尖端剪断所有或者部分直立尖头，保持下脊及其台完好，并且由叶片尖端间隙与叶片尖端径向地间隔分开；

图63是图58的像素化上尖头实施例的示意立视图，其中，在叶片旋转期间，涡轮叶片尖端已经剪断所有直立尖头，并且磨耗下脊部分的台表面；

图64是根据本发明的另一示例性实施例的类似于图34和图35的用于涡轮发动机耐磨表面的带有弯曲肋状物过渡部段的复合角配置的脊和槽样式的平面视图或者平面形态视图，并且有恒定的脊/槽间隔或者节距以及变化的脊宽度；

图65是根据本发明的替代实施例的类似于图54至图56中的那些配置的用于耐磨表面的在梯形轮廓脊中的平行槽轮廓配置的立视横截面视图，没有垂直于脊尖端或者相对于脊尖端横向地侧斜的上槽；

图66至图69是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和带有倾斜的脊尖端面（一些还具有倾斜槽基部面）的对应槽样式的立视横截面视图；以及

图70至图71是根据本发明的实施例的用于耐磨表面的不对称轮廓脊配置和对应槽样式的立视横截面视图，该不对称轮廓脊配置具有多高度或者海拔、与叶片尖端旋转方向相对地倾斜的反角侧壁（一些还具有倾斜的槽基部面），其适合于用在用于耐磨表面的标准发动机模式或者“快速启动”发动机模式中的任一者。

为了促进理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来指代附图中共有的相同元件。附图未按照比例绘制。贯穿本文中所描述的各种发明实施例已利用针对尺寸、横截面、流体流、涡轮叶片旋转、轴向取向或者径向取向以及流体压力的以下常用标识符：

A 耐磨表面的前区或者上游区；

B 耐磨表面的后区或者下游区；

C-C 耐磨横截面；

D_G 耐磨槽深度；

F 通过涡轮发动机的流动方向；

G 涡轮叶片尖端至耐磨表面间隙；

G_W 磨损的涡轮叶片尖端至耐磨表面间隙；

H_R 耐磨脊高度；

L 涡轮叶片尖端泄漏；

P 耐磨表面平面视图或者平面形态视图；

P_P 涡轮叶片更高压力侧；

P_S 涡轮叶片更低压力或者抽吸侧；

R 涡轮叶片旋转方向；

R₁ 涡轮发动机涡轮部段的第一排（Row 1）；

R₂ 涡轮发动机涡轮部段的第二排（Row 2）；

S_R 耐磨脊中心线间隔，其也被称为节距；

W_G 耐磨槽宽度；

W_R 耐磨脊宽度；

α 相对于涡轮发动机轴向尺寸的耐磨槽平面形态角度；

β 相对于竖直或者垂直耐磨表面的耐磨脊侧壁角度；

γ 相对于耐磨脊高度的耐磨槽首尾侧斜角度；

Δ 相对于耐磨脊纵向轴线的耐磨槽偏斜角度；

ε 相对于耐磨表面和/或脊表面的耐磨上槽侧斜角度；以及

Φ 耐磨槽弧形角度。

具体实施方式

本文所描述的发明的示例性实施例能够容易地用在用于涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机）的耐磨部件中。在多个实施例中，涡轮壳体耐磨部件具有各异的前部上游和后部下游复合多取向槽和竖直突出的脊平面形态样式，以减小、转向和/或阻挡向下游泄漏到槽内（而不是从涡轮叶片翼面高压侧到低压侧）的叶片尖端气流泄漏。平面形态样式的实施例是具有各异的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态朝向下游燃烧流动F方向引导被截留在槽的内部的气体流，以便阻止沿局部叶片泄漏方向L从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧直接泄漏气体流。前区大体上被限定在叶片翼面的前缘与截点处的弦线中心之间，在该截点处，平行于涡轮轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切：大致为翼面的总轴向长度的三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后区B。在一些实施例中，前部上游区A的槽和脊在相对于支撑表面轴线或者发动机内的叶片旋转轴线正或负10度的角度范围内取向。更具体地，一些实施例使前区A的槽和脊取向为平行于支撑表面/叶片旋转轴线。后部下游区B的槽和脊在角度上取向为与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角或后边缘角的近似30%至120%。在一些实施例中，对于在发动机操作期间在前区中耐磨件腐蚀的可能性更大但叶片尖端侵入的可能性更小的应用，前区A的脊具有比后区中的脊更大的表面面积密度和更小的耐磨性。与此不同，在涂层腐蚀更无关紧要但在发动机操作期间叶片/耐磨涂层接触的可能性更大的应用中，更加期望的是后区B中具有比前区中更低的脊表面面积密度和更大的耐磨性。耐磨表面密度的变化的配置通过如下方式提供折衷：通过具有充足的耐磨材料以在前区A中维持期望的叶片尖端间隙，从而在进行的发动机操作期间补偿该区中的耐磨表面腐蚀，还减小后区B中的表面密度，以便减小涡轮叶片尖端磨损的可能性。在一些应用中，期望的是单独地或者结合变化的脊/肋状物表面面积密度来改变前区和后区中的部件耐磨材料的耐磨性性质。

在本发明的各种实施例中，热喷涂的或者附加地建立的耐磨部件的陶瓷/金属耐磨层构造有竖直突出的脊或者肋状物，该脊或者肋状物具有第一下磨损区和第二上磨损区。脊的第一下区（接近热喷涂的耐磨表面）被构造为用平面形态阵列和突起来优化发动机气流特性，其中平面阵列和突起被定制为减小、转向和/或阻挡进入脊之间的槽内的叶片尖端气流泄漏。在一些实施例中，热喷涂的耐磨层的上磨损区是下磨损区高度或者总脊高度的近似1/3至2/3。脊和槽按照多种对称和不对称横截面轮廓和平面形态阵列构造在热喷涂的耐磨层中，以使叶片尖端泄漏流转向和/或易于制造。在一些实施例中，槽宽度是脊宽度或者下脊宽度的近似1/3至2/3（如果存在多宽度堆叠的脊）。在各种实施例中，脊的下区也被优化以提高耐磨部件和表面机械和热结构完整性、耐热性、耐热腐蚀性以及磨损寿命。脊的上区在下区的上方形成，并且被优化以通过比下区更容易磨耗来使叶片尖端间隙和磨损最小化。热喷涂的耐磨层耐磨部件的各种实施例用具有比下区肋状物结构更小的横截面面积的上子脊或者尖头（nib）来更容易地实现上区的耐磨性。在一些实施例中，上子脊或者尖头形成为在小幅的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其它方式挠曲，并且在更大幅度的叶片尖端接触的情况下磨损和/或剪断。在其它实施例中，上区子脊或者尖头被像素化为上磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片尖端局部接触的那些尖头被磨损，同时局部磨损区外部的那些尖头保持完好。尽管脊的上区部分被磨去，但其引起的叶片尖端磨损小于先前已知的整体式脊所引起的磨损。在本发明的实施例中，当上区脊部分被磨去时，其余下脊部分通过控制叶片尖端泄漏保持发动机效率。在局部叶片尖端间隙被进一步减小的情况下，叶片尖端在该位置处磨去下脊部分。然而，该下脊部分局部磨损区域外部的相对高的脊维持更小的叶片尖端间隙，以保持发动机性能效率。在根据本发明的实施例构造的耐磨部件中可以采用两个以上的分层磨损区（例如，上磨损区、中磨损区和下磨损区）。

在一些发明实施例中，热喷涂的或者附加地建立的耐磨层中的脊和槽的轮廓以及平面形态阵列通过用选择为使叶片尖端泄漏减小和改变脊横截面的选定的取向角度和/或横截面轮廓来形成多层槽，从而局部地定制或者贯穿耐磨部件普遍地定制。在一些实施例中，耐磨部件表面平面形态阵列以及脊和槽的轮廓提供改进的叶片尖端泄漏气流控制，而且也促进比已知耐磨部件更为简单的制造技术。

在一些实施例中，耐磨部件及其耐磨表面由金属支撑层上的多层热喷涂的或者附加地建立的组成已知的陶瓷材料构造，且呈已知的层样式/尺寸。在一些实施例中，通过已知的附加工艺将脊构造在耐磨表面上，其中所述已知的附加工艺热喷涂熔融颗粒（不使用掩模（mask）或者通过掩模）、层打印（例如，3D打印、烧结、电子或者激光束沉积）或者以其它方式将陶瓷或者金属/陶瓷材料施加至金属基底（带有或者不带有下层附加支撑结构）。槽限定在邻近地添加的脊结构之间的空位中。在其它实施例中，通过使用已知工艺（例如，机械加工、研磨、喷水或者激光切割或者其任意组合）从热喷涂的基底磨耗或者以其它方式移除材料来构造槽，并且槽壁限定分开的脊。本文所描述的实施例可以采用添加的脊和/或移除材料的槽的组合。用适应于联接至涡轮发动机壳体的已知支撑结构和已知耐磨表面材料组成（诸如，粘接涂层基部、热涂层以及一层或多层抗热/耐热顶部涂层）构造耐磨部件。例如，上磨损区能够由热喷涂的或者附加地建立的耐磨材料构造，其中耐磨材料具有与紧接着其下方的另一热喷涂层或者其它相继层不同的组成和物理性质。

尽管本文未具体地详细描述本发明的实施例和特征的每一种可能的组合，但是能够组合本文所描述的各种热喷涂的金属支撑层耐磨部件的脊和槽轮廓以及槽和脊的阵列以满足不同涡轮应用的性能需求。

耐磨表面平面形态

图12至图37以及图57中示出了示例性发明实施例的耐磨表面脊和槽平面形态样式。与遍及整个耐磨表面均一致的已知耐磨平面形态样式不同，许多本发明的平面形态样式的实施例是具有各异的前部上游（区A）和后部下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态朝向下游燃烧流动F方向引导截获在槽的内部的气体流，以阻止沿局部叶片泄漏方向L从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧直接泄漏气体流。前区大体上限定在叶片92翼面的前缘与截点处的弦线中心之间，在该截点处，平行于涡轮80轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切。从更加粗略的概括的视角来看，前区A的轴向长度还可以被限定为大体上是翼面的总轴向长度的大致三分之一至二分之一。阵列样式的其余部分包括后区B。根据本发明的实施例能够构造两个以上的轴向取向的平面形态阵列。例如，能够在耐磨部件表面上构造前、中以及后脊/槽阵列平面形态。

图12至图19、图21、图22、图34至图35、图37和图57中示出的实施例具有曲棍状平面形态样式。前部上游区A的槽和脊大体上与涡轮80（见图1）内的燃烧气体轴向流动方向F平行（+/-10%）对齐。后部下游区B的槽和脊在角度上取向为与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角或后边缘角的近似30%至120%。为了设计方便，下游角度选择能够被选择为与以下任何一个角度相匹配：涡轮叶片高压或低压平均（线性平均线）侧壁表面角或者弧形角（例如，见图14的高压侧上的角度α_B2，其中高压侧始于区B处的开始表面并且止于叶片后缘处）、后缘角（例如，见图15的角度α_B1）、使前缘与后缘之间的连接相匹配的角度（例如，见图14的角度α_B1）或者在这种叶片几何结构构建的角（诸如α_B3）之间的任何角度。曲棍状脊和槽阵列平面形态样式与纯粹水平的或者对角的已知平面形态阵列样式一样相对容易形成在耐磨表面上，但在流体流动模拟中，曲棍状样式具有比这些已知的单向平面形态样式中的任一者都更小的叶片尖端泄漏。曲棍状样式通过已知的切割/磨耗或者附加层建立方法形成，这些已知方法先前已被用于形成已知的耐磨部件脊和槽样式。

在图12中，耐磨部件160具有前脊/脊尖端162A/164A以及槽168A，该前脊/脊尖端162A/164A以及槽168A取向为相对于轴向涡轮轴向流动方向F成+/-10度内的角度α_A，该轴向涡轮轴向流动方向F对应于涡轮叶片旋转轴线或者耐磨部件支撑轴线。后脊/脊尖端162B/164B以及槽168B取向为成近似涡轮叶片92的后缘角的角度α_B。如图12中示意性地示出的，前脊162A阻挡前区A的叶片泄漏方向并且后脊162B阻挡后区B的叶片泄漏L。水平间隔部脊169周期性地取向为轴向地穿过整个叶片92的占用空间并且围绕耐磨部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片尖端泄漏L，但与已知设计的平坦连续表面不同，耐磨表面使可以引起叶片尖端接触和磨损的潜在表面面积减小。

图13的耐磨部件170的实施例类似于图12的耐磨部件实施例，并且前部分的脊172A/174A以及槽178A取向为大体上平行于涡轮燃烧气体流动方向F，同时后脊172B/174B以及槽178B取向为成近似等于形成在始于区B的涡轮叶片92的压力侧到叶片后缘之间的角度的角度α_B。如图12的实施例那样，水平间隔部脊179周期性地取向为轴向地穿过整个叶片92的占用空间并且围绕耐磨部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片尖端泄漏L。

图14的耐磨部件180的实施例类似于图12和图13的实施例，并且前部分脊182A/184A以及槽188A取向为大体上平行于涡轮燃烧气体流动方向F，同时后脊182B/184B以及槽188B选择性地以角度α_B1至角度α_B3中的任何角度取向。角度α_B1是形成在叶片92的前缘与后缘之间的角度。如图13中那样，角度α_B2近似平行于与后区B成相对关系的涡轮叶片92的高压侧壁的部分。如图14中所示，后脊182B/184B以及槽188B实际上以角度α_B3取向，该角度α_B3是角度α_B2的大致50%。与图12的实施例一样，水平间隔部脊189周期性地取向为轴向地穿过整个叶片92的占用空间并且围绕耐磨部件表面187的周边，以便阻挡和中断叶片尖端泄漏L。

在图15的耐磨部件190的实施例中，前脊192A/194A和槽198A以及角度α_A类似于图14的前脊和槽以及角度，但后脊192B/194B以及槽198B具有比图14更窄的间隔和宽度。图15中所示的后脊192B/194B以及槽198B的替代角度α_B1与涡轮叶片92的后缘角相匹配，如图12中的角度α_B那样。实际角度α_B2近似平行于与后区B成相对关系的涡轮叶片92的高压侧壁的部分，如图13中那样。替代角度α_B3和水平间隔部脊199与图14的角度和水平间隔部脊相匹配，尽管也能够利用其它角度或者间隔部脊的阵列。

图16和图17中示出了替代间隔部脊样式。在图16的实施例中，耐磨部件200包含全长间隔部脊209以及附加前间隔部脊209A的阵列，其中全长间隔部脊209跨越涡轮叶片92的整个轴向占用空间，附加前间隔部脊209A插在全长脊之间。附加前间隔部脊209A在接近前缘的叶片92的部分中提供叶片尖端泄漏的附加的阻挡。图17的实施例中，耐磨部件210具有全长间隔部脊219以及前间隔部脊219A和后间隔部脊219B的周向交错阵列的样式。当叶片92扫掠耐磨部件210的表面时，周向交错的脊219A/B提供叶片尖端泄漏的周期性阻挡或者中断，而贯穿扫掠动作没有可能引起过早叶片尖端磨损的持续接触的可能性。

尽管先前已经讨论了水平间隔部脊的阵列，但本发明的其它实施例包括竖直间隔部脊。更具体地，图18和图19的耐磨部件220的实施例包含前脊222A，该前脊222A之间是槽228A。这些槽由交错的前竖直脊223A截断，其中该交错的前竖直脊223A与前脊222A相互连接。如图18中所示，交错的前竖直脊223A形成一系列从左至右向下倾斜的对角阵列。全长竖直间隔部脊229取向在前区A与后区B之间的过渡区T中。后脊222B和槽228B成角度地取向，从而使带有前脊222A和槽228A的曲棍状平面形态阵列完整。交错的后竖直脊223B类似于前竖直脊223A那样排列。竖直脊223A/B和229中断从前部分至后部分穿过耐磨部件220的槽的大体上轴向的气流泄漏，否则大体上轴向的气流泄漏将在图12至图17的不间断全长槽实施例的情况中发生，但潜在缺陷在于，在与其中一个竖直脊接触的每个潜在摩擦接触位置处的叶片尖端磨损增加。作为折衷，交错的竖直脊223A/B周期性地中断通过槽228A/B的轴向气流，而不引入针对涡轮叶片尖端的潜在360度摩擦表面。连续竖直脊229的潜在360度摩擦表面接触能够通过以下方式减小：缩短相对于脊222A/B或者223A/B的该脊的竖直高度，但仍在前槽228A与后槽228B之间的过渡区T中提供一些轴向流动中断能力。

图20示出带有连续槽的曲棍状脊/槽样式阵列平面形态（实线）与由交错竖直脊中断的分裂槽（虚线）的模拟流体流对比。分裂槽阵列样式的总叶片尖端泄漏质量流量（相应线下方的面积）低于连续槽阵列样式。

中断槽中的气流的交错脊不必须沿叶片旋转方向R竖直地对齐。如图21中所示，耐磨部件230具有由脊233A/B（α_A、α_B）的成角度的样式截断的相应前脊和后脊232A/B和槽238A/B的样式，其中脊233A/B连接在前脊和后脊的连续排之间并且周期性地阻挡槽238A/B内的下游流动。与图18的实施例一样，耐磨部件230具有位于前区A与后区B之间的过渡部处的连续竖直对齐的脊239。脊232A和233A/B的交叉成角度阵列有效地阻挡局部叶片尖端泄漏L从前缘至后缘沿涡轮叶片轴向长度从高压侧96泄漏至低压侧98。

应注意，图12至图19和图21中所示的间隔部脊169、179、189、199、209、219、229、239等实施例可以在相同的耐磨部件阵列中具有不同的相对高度，并在部件内可以不同于一个或多个其它脊阵列的高度。例如，如果间隔部脊高度小于耐磨表面中的其它脊的高度，则其可能永远不与叶片尖端接触，但仍能够用于中断沿相邻截断槽的气流。

图22是曲棍状平面形态样式耐磨部件240的替代实施例，该替代实施例结合了各异的前区A和后区B的相应脊242A/B和槽248A/B样式的实施例构思，相应脊和槽在过渡部T处交叉而没有任何竖直脊使区彼此分开。因此，槽248A/B形成从耐磨部件240的前缘或者前部缘至其最下游后缘（见流动方向F箭头）的连续复合槽，其由对应涡轮叶片的轴向扫掠覆盖。交错竖直脊243A/B截断通过每个槽的轴向流动，而没有在一个轴向位置处在耐磨表面与对应旋转叶片（沿旋转箭头R的方向）之间的潜在持续磨耗接触。然而，连续直线槽248A/B的相对长的延续仅仅由小竖直脊243A/B周期性地截断，这提供通过喷水腐蚀或者其它已知制造技术制造的容易性。耐磨部件240的实施例提供了气流性能、叶片尖端磨损以及制造容易性/成本之间的良好主观设计折衷。

图23至图25示出了包括之字形样式的耐磨部件脊和槽平面形态阵列的实施例。之字形样式通过以下方式形成：通过将一层或多层材料添加在耐磨表面基底上以形成脊，或者通过诸如由已知激光或者喷水切削方法在基底内形成槽。在图23中，耐磨部件250的基底表面257具有形成于其中的连续槽258，始于258’并且止于258''，其限定交替的指状交插脊252的样式。在耐磨部件中也可以形成其它槽和脊之字形样式。如图24的实施例中所示，耐磨部件260具有形成在基底表面267中的连续样式对角取向槽268，该槽268始于268’并且止于268''，保留成角度地取向的脊262。在图25中，耐磨部件实施例270具有V形或者曲棍状双区多槽样式，该样式由基底表面277中的一对槽278A和278B形成。槽278始于278’并且止于278''。为了使整个基底表面277上的V形或者曲棍状样式完整，第二槽278A形成于耐磨部件270的底部左手侧部分，其始于278A’并且止于278A''。相应的叶片尖端泄漏L流动引导前脊272A和后脊272B形成于耐磨表面277的相应前区和后区中，如图12至图19、图21和图22的耐磨实施例那样做的一样。槽258、268、278或者278A不必须形成为连续的，并且可以包括像图18和图19的实施例的脊223A/B那样的阻挡脊，以便抑制气体流动通过槽的整个轴向长度。

图26至图29示出包括嵌套回路样式的耐磨部件脊和槽平面形态阵列的实施例。嵌套回路样式通过以下方式形成：通过将一层或多层材料添加在耐磨表面基底上以形成脊，或者通过诸如由已知激光或者喷水切削方法在基底内形成槽。图26的耐磨部件280实施例具有由水平取向的间隔部脊289分隔开的竖直取向的嵌套回路样式281的阵列。每个回路样式281具有嵌套槽288A至288E以及对应的互补脊，该对应互补脊包括中央脊282A、回路脊282B至282E。在图27中，耐磨部件280'包括前区A中的嵌套回路281A和后区B中的嵌套回路281B。嵌套回路281A和281B由间隔部脊水平地289和竖直地289A分隔开。在图28的耐磨实施例280’’中，嵌套回路281’’的水平部分以角度α取向。在图29的耐磨实施例280’’’中，大体上水平或者轴向的嵌套的回路281A’’’和281B’’’在单独的前区A和后区B阵列中以相应角度α_A和α_B排列。可以改变首尾角度和回路尺寸以使每个区中的叶片尖端泄漏最小化。

图30至图33示出了包括类似于嵌套回路样式的螺旋迷宫样式的耐磨部件脊和槽平面形态阵列的实施例。通过将一层或多层材料添加在耐磨表面基底上以形成脊来形成迷宫样式。替代性地，如在这些相关图中所示，通过诸如由已知激光或者喷水切削方法在基底内形成槽来创建迷宫样式。图30的耐磨部件290的实施例具有竖直取向的嵌套迷宫样式291的阵列，每个嵌套迷宫样式始于291A并且止于291B，且竖直取向的嵌套迷宫样式291由水平取向的间隔部脊299分隔开。在图31中，耐磨部件290'包括前区A中的嵌套迷宫291A和后区B中的嵌套迷宫291B的样式。嵌套迷宫291A和291B由间隔部脊既水平地299’也竖直地293’分隔开。在图32的耐磨实施例290’’中，嵌套迷宫291’’的水平部分以角度α取向。在图33的耐磨实施例290’’’中，迷宫291A’’’和291B’’’的大体上水平的部分在单独的前区A和后区B阵列中以相应角度α_A和α_B排列，同时大体上竖直的部分与叶片旋转扫掠对齐。可以改变首尾角度α_A和α_B和迷宫尺寸以使每个区中的叶片尖端泄漏最小化。

图34和图35涉及耐磨部件300的实施例，该耐磨部件300实施例带有在相应前区A和后区B中的单独且各异的多阵列脊302A/302B和槽308A/308B样式，该多阵列脊302A/302B和槽308A/308B样式在过渡区T中由对应的弯曲脊302T和槽308T连结。在该示例性实施例样式中，槽308A/B/T在耐磨部件300的表面内形成为闭合回路，围绕对应肋状物302A/B/T。肋状物间间隔S_RA、S_RB和S_RT以及对应槽间隔可以穿过部件表面轴向地和竖直地改变，以便使局部叶片尖端泄漏最小化或者补偿不同的局部耐磨表面腐蚀率，这种不同的局部耐磨表面腐蚀率导致不对称的脊表面面积密度。

在图64的替代性实施例中，通过局部地更改脊宽度W_R使耐磨部件1300的局部耐磨表面面积密度变化，耐磨部件1300在前区A中具有比在后区B中的脊1302B更宽的脊1302A，从而创建不对称的前区A/后区B表面面积平面形态样式。前脊1302A具有比后脊1302B更大的表面面积密度（和/或采用带有更低耐磨性性质的耐磨材料），以便补偿在发动机操作期间前区中的更大的脊腐蚀，同时减小后区中的叶片尖端磨损，其中在发动机操作期间，局部脊腐蚀的可能性更小，但叶片尖端/基底表面接触的可能性更大。在图64的耐磨部件1300实施例中，脊的连续排具有恒定的脊间或者肋状物间间隔或者节距S_RA、S_RB和S_RT。因此，过渡部段脊1302T的宽度从连结起来的前脊1302A的对应宽度至连结起来的后脊1302B的对应宽度局部地变窄。为了维持恒定的脊1302的节距，于是相应槽部段1308A/T/B中的槽1308的宽度穿过部件1300从首至尾变得更宽。如图所示的部件1300构造有耐磨部件1300的表面内的闭合回路，该闭合回路围绕对应肋状物1302A/B/T，类似于图34和图35中所示的部件300的那些闭合回路。如将在本文中更加详细地描述的，局部叶片尖端泄漏以及与对应叶片尖端肋状物接触的耐磨表面密度还通过以下方式改变：通过在耐磨表面脊尖端（例如，见图52至图57）、像素化脊尖端（例如，见图58）中包含子肋状物或者子槽，和/或通过使叶片尖端表面相对于旋转叶片尖端倾斜（例如，见图66至图69）。

图36示出耐磨部件中的相当深度脊和槽轮廓的对比流体动态模拟。实线表示图34、图35和图64的类型的耐磨部件中的叶片尖端泄漏。短划线表示仅具有轴向或者水平取向的脊和槽的现有技术类型的耐磨部件表面。点线表示仅带有与对应涡轮叶片92的后缘角对齐的对角取向的脊和槽的类似于图7的现有技术耐磨部件。耐磨部件300和1300具有比已知现有技术类型的单向耐磨表面脊和槽样式中的任意一者的泄漏更少的叶片尖端泄漏。

耐磨表面脊和槽横截面轮廓

图37至图41、图43至图63以及图65至图71示出示例性发明实施例耐磨表面脊和槽横截面轮廓。与遍及整个耐磨表面具有一致的高度的已知耐磨横截面轮廓样式不同，形成于热喷涂的耐磨层中的许多本发明的横截面轮廓包括复合多高度/深度脊和槽样式，其具有各异的上磨损区（区Ⅰ）和下磨损区（区Ⅱ）。下区II优化发动机气流和结构特性，同时上区I通过比下区更易磨耗而使叶片尖端间隙和磨损最小化。耐磨部件的各种实施例用具有比下区肋状物结构更小的横截面面积的上子脊或者尖头来更容易地实现上区的耐磨性。在一些实施例中，上子脊或者尖头形成为在小幅的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其它方式挠曲，并且在更大幅度的叶片尖端接触的情况下磨损和/或剪断。在其它实施例中，上区子脊或者尖头被像素化为上磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片尖端局部接触的那些尖头被磨损，同时局部磨损区外部的那些尖头保持完好。尽管脊的上区部分被磨损，但其比先前已知的整体式脊引起的叶片尖端磨损更小，并且实现比CMC/FGI耐磨部件构造更大的轮廓形成灵活性，其中CMC/FGI耐磨部件构造需要围绕复合中空陶瓷球基质取向和直径的物理约束形成轮廓。在本发明的实施例中，当上区脊部分被磨损时，其余下脊部分通过控制叶片尖端泄漏来保持发动机效率。在局部叶片尖端间隙被进一步减小的情况下，叶片尖端在该位置处磨去下脊部分。然而，该下脊部分局部磨损区域外部的相对更高的脊维持更小的叶片尖端间隙，以保持发动机性能效率。

在该渐进式磨损区的情况中，本发明的叶片尖端间隙G的一些实施例的构造能够从先前可接受的已知尺寸减小。例如，如果已知可接受的叶片间隙G的设计规格为1 mm，则磨损区I中的更高脊的高度能够增加，使得叶片尖端间隙减小至0.5 mm。建立磨损区II的边界的更低的脊的高度设定为使得其远端尖端部分与叶片尖端间隔分开1 mm。按照这种方式，建立收紧50%的叶片尖端间隙G以便常规涡轮操作，并且接受由叶片与区I中的上脊的接触所引起的一些潜在磨损。只有在叶片尖端侵入下区内时，才会在区II中发起持续的局部渐进叶片磨损，但在任何情况下，1 mm的叶片尖端间隙G均不会比已知叶片尖端间隙规格更糟糕。在一些示例性实施例中，上区I的高度是下区II的高度的近似1/3至2/3。

图37至图41的耐磨部件310具有交替高度的弯曲脊312A和312B，其从耐磨表面317向上突出并且在结构上由支撑表面311支撑。槽318将交替高度的脊312A/B分隔开并且由脊侧壁315A/B和316A/B限定。磨损区I被建立为从更高的脊312A的相应尖端314A向下到达更低的脊312B的相应尖端314B。磨损区II被建立为从尖端314B向下到达基底表面317。在涡轮发动机操作条件下（图39和图40），叶片间隙G被维持在更高的脊尖端312A与叶片尖端94之间。当维持叶片间隙G时，叶片泄漏L沿叶片92的旋转方向（箭头R）从叶片96的更高压力侧（在压力P_P下）行进至叶片98的低压力或者抽吸压力侧（在压力P_S下）。叶片尖端94下的叶片泄漏L部分地被截留在一对相对的更高脊312A与中间更低的脊312B之间，从而形成阻挡旋涡样式，该阻挡旋涡样式进一步阻止叶片泄漏。如果由于涡轮壳体100变形、快速发动机启动模式或者其它原因使得叶片尖端间隙G对于任意一个或多个叶片变小，则叶片尖端94与耐磨部件310之间的初始接触将发生在更高脊尖端314A处。虽然叶片尖端94仍在区I中，但其仅与交替交错更高脊312A相摩擦。如果叶片间隙G逐渐变得更小，则更高脊312A将被磨耗直到其在整个区I中被磨损并且开始在区II中与更低脊尖端314B接触。一旦在区II中，涡轮叶片尖端94就在局部磨损区处摩擦所有其余的脊314A/B，但在其它局部涡轮壳体部分中，叶片尖端间隙G可能不存在减小并且上脊312A可以处于其全长下且保持完好。因此，耐磨部件310的交替高度肋状物构造适应区I和区II内的局部磨损，而且在不存在涡轮壳体100或者叶片92变形的那些局部区域中保持叶片尖端间隙G和对叶片尖端泄漏L的空气动力控制。当标准发动机操作模式或快速启动发动机操作模式中的任一者或者两者均是期望的时，更高脊312A形成空隙的初级层（带有最小的叶片尖端间隙G），从而为通常利用低增速或者不执行热启动的机器提供最佳能量效率空隙。总体地，更低脊尖端314B的脊高度H_RB在更高脊尖端314A的高度H_RA的25%至75%之间。在图41中所示的实施例中，连续更高脊312A之间的中心线间隔S_RA等于连续更低脊312B之间的中心线间隔S_RB。也能够采用多高度脊（包括两个以上的脊高度）的其它中心线间隔和样式。

带有上磨损区和下磨损区的脊和槽轮廓的其它实施例包括图43和图44的阶梯式脊轮廓，其与图42中的现有技术耐磨部件150的已知单个高度脊结构形成比较。已知单个高度脊耐磨件150包括：联接至涡轮壳体100的基部支撑部151、基底表面157以及对称脊152，其中对称脊152具有终止于平坦脊尖端154中的向内倾斜的侧壁155和156。脊尖端154具有共同高度并且与相对的、间隔分开的叶片尖端94建立叶片尖端间隙G。槽158建立在脊152之间。针对具体应用选择脊间隔S_R、槽宽度W_G和脊宽度W_R。相比而言，图43和图44的阶梯式脊轮廓在脊结构上采用两个各异的上磨损区和下磨损区。

图43的耐磨部件320具有支撑表面321和耐磨表面327，该耐磨表面327上排列有各异的双层脊：下脊322B和上脊322A。下脊322B具有止于高度H_RB的台324B中的一对侧壁325B和326B。上脊322A形成在台324B上且从台324B突出，并具有止于高度H_RA和宽度W_R的远端脊尖端324A中的侧壁325A和326A。脊尖端324A与相对的间隔分开的叶片尖端94建立叶片尖端间隙G。磨损区II从耐磨表面327竖直延伸至台324B，并且磨损区I从台324B竖直延伸至脊尖端324A。图43的两个最右侧脊322A/B具有不对称轮廓，该不对称轮廓带有合并的共同侧壁326A/B，同时相对的侧壁325A和325B彼此横向地偏移并且由宽度W_P的台324B分隔开。槽328限定在脊322A/B之间。最左侧脊322A’/B’具有对称轮廓。下脊322B’具有终止于台324B’中的一对汇聚的侧壁325B’和326B’。上脊322A’在台324B’上居中，保持相对于上脊侧壁325A’和326A'具有相等宽度偏移W_P’。上脊尖端324A’具有宽度WR’。脊间隔S_R和槽宽度W_G被选择为提供期望的叶片尖端泄漏气流控制。在本文所描述的耐磨部件、脊和槽轮廓的一些示例性实施例中，槽宽度W_G是下脊宽度的近似1/3至2/3。尽管图43中所示的脊和槽对称地间隔分布，但也可以选择其它间隔轮廓，包括形成阶梯式磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

图44示出带有脊332A/B的另一阶梯式轮廓耐磨部件330，该脊332A/B具有竖直取向的平行侧壁335A/B和336A/B。下脊终止于脊台334B中，上脊332A取向在该台334B中并且止于脊尖端334A中。在一些应用中，可以期望的是采用限定具有锐利转角的轮廓的竖直取向的侧壁以及平坦尖端/台，以便在叶片尖端间隙中控制气流。上磨损区I在脊尖端334A与脊台334B之间并且下磨损区在台与耐磨表面337之间。与图43的耐磨实施例320一样，尽管图44中所示的脊和槽对称地间隔分布，但也可以选择其它间隔轮廓，包括形成阶梯式磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

在阶梯式脊构造耐磨部件的其它排列组合或者种类中，如在图45中所示的耐磨340轮廓中所采用的那样，也可以通过采用多个槽深度、槽宽度和脊宽度来形成单独的上磨损区I和下磨损区II。下肋状物342B具有肋状物台344B，其与耐磨表面347结合共同限定磨损区II。该肋状物台344B支撑一对相对的横向侧接的上肋状物342A，其终止于共同高度的肋状物尖端344A中。磨损区I被限定在肋状物尖端344A与台344B之间。形成耐磨部件340轮廓的一种便捷方式是以相应深度D_GA和D_GB在平坦表面的耐磨基底内切削出双深度槽348A和348B。脊间隔S_R、槽宽度W_GA/B以及脊尖端344A的宽度W_R被选择为提供期望的叶片尖端泄漏气流控制。尽管图45中所示的脊和槽对称地间隔分布，但也可以选择其它间隔轮廓，包括形成阶梯式磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

如图46中所示，在某些涡轮应用中，可以期望的是通过采用具有不对称轮廓的耐磨脊352的耐磨部件350的实施例来控制叶片尖端泄漏，其中不对称轮廓的耐磨脊352带有竖直取向的边缘锐利的上游侧壁356和倾斜的相对的下游侧壁355，该下游侧壁355从基底表面357延伸并且终止于脊尖端354中。叶片泄漏L最初由竖直侧壁356对抗。然而一些泄漏气流L在从叶片的高压叶片侧96流向更低压力的抽吸叶片侧98时还被压缩在脊尖端354与相对的叶片尖端94之间。该泄漏流动沿循向下倾斜的脊壁355，在该处，由下一个下游脊的竖直侧壁356使泄漏流动转向为与叶片旋转方向R相对。现在逆向流动的泄漏空气L与沿叶片旋转方向R进一步到来的泄漏气流L对抗。图46中所示的尺寸参考与先前描述的图的参考描述一致。尽管图46的耐磨部件实施例350未采用其它先前描述的耐磨部件轮廓的渐进式磨损区I和II，但这种区可以合并在其它下文描述的不对称轮廓肋状物实施例中。

通过在肋状物内切削槽，使得侧接切削出的槽的其余直立肋状物材料具有比其余下层肋状物更小的水平横截面面积，能够将渐进式磨损区结合在不对称肋状物或者任何其它肋状物轮廓中。槽取向和轮廓也可以被定制为通过减小不期望的叶片尖端泄漏来提高涡轮发动机的气流特性，这在本文中将随后描述的图47的实施例中示出。以此方式，由于叶片尖端仅与更易磨耗的上磨损区I的部分接触，因此热喷涂的耐磨部件表面构造为带有提高的气流特性和减小的潜在叶片尖端磨损两者。下磨损区II保持在槽深度下方的下肋状物结构中。现在描述用于形成渐进式磨损区的耐磨部件脊和槽轮廓的其它示例性实施例。这些附加实施例中与先前描述的实施例共有的结构特征和部件尺寸参考用类似系列的附图标记和符号来识别，并且不再进一步详细描述。

图47示出耐磨部件360，其具有图46的耐磨部件350的肋状物截面轮廓，但包括双级槽368A和368B，槽368A形成于脊尖端364中，槽368B形成在脊362与基底表面367之间。上槽368A形成包括磨损区I的更浅深度D_G的横向脊，同时在该槽深度下方的脊362的其余部分包括下磨损区II。在该耐磨部件实施例360中，上槽368A取向为平行于脊362的纵轴线并且垂直于脊尖端364表面，但也可以采用其它槽取向、轮廓和深度以优化气流控制和/或使叶片尖端磨损最小化。

在图48的耐磨部件370的实施例中，多个上槽378A相对于脊尖端374以角度γ、深度D_GA首尾侧斜，并且具有平行的槽侧壁。上磨损区I建立在槽378A的底部与脊尖端374之间，并且下磨损区II在上磨损区下方向下到达基底表面377。在图49的替代实施例中，耐磨部件380具有带有矩形轮廓的上槽388A，该矩形轮廓相对于脊382的纵轴线及其侧壁385/386以角度Δ偏斜。如图所示的上槽388A还垂直于脊尖端384的表面。上磨损区I在槽深度D_GA上方，并且磨损区II在槽深度下方向下到达基底表面387。为了简洁起见，用与先前描述的耐磨表面轮廓的实施例相同的惯例来标注图48和图49中的结构特征和尺寸的其余部分，并且该其余部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

如图50至图52中所示，上槽不必须具有平行侧壁并且可以相对于脊尖端表面以不同角度取向。此外，上槽可以用在具有不同的横截面轮廓的脊中。耐磨部件的实施例390、400和410的脊具有汇聚在脊尖端中的对称侧壁。如在具有双高度槽的先前描述的实施例中那样，相应的上磨损区I是从脊尖端至槽深度D_G的底部，并且下磨损区II是从槽底部至基底表面。在图50中，上槽398A垂直于基底表面（ε=90°）并且槽侧壁以角度Φ叉开。在图51中，槽408A相对于基底表面以角度+ε侧斜，并且在图52中槽418A相对于基底表面以角度-ε侧斜。在耐磨部件实施例400和410两者中，上槽侧壁以角度Φ叉开。为了简洁起见，用与先前描述的耐磨表面轮廓的实施例相同的惯例来标注图50至图52中的结构特征和尺寸的其余部分，并且该其余部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

图53至图56示出的耐磨脊实施例具有梯形横截面轮廓和带有呈各种取向的上槽的脊尖端，以便选择性地控制气流，同时还具有选择性的上磨损区和下磨损区。在图53中，耐磨部件430的实施例具有由下槽438B分隔开的带有不对称横截面轮廓的脊432的阵列。每个脊432具有第一侧壁435和第二侧壁436，其中第一侧壁435以角度β₁倾斜，第二侧壁436以角度β₂倾斜。每个脊432具有上槽438A，该上槽438A平行于脊纵轴线并且垂直于脊尖端434。上槽438A的深度限定上磨损区I的下限，并且脊432的其余高度限定下磨损区II。

在图54至图56中，相应脊422、442和452的横截面是带有以角度β取向的平行侧壁425/445/455和426/446/456的梯形。右侧壁426/446/456取向为与叶片旋转方向相对地侧倾，使得截留在两个邻近的脊之间的中间下槽428B/448B/458B内的空气也被转向为与叶片旋转方向相对，从而与从涡轮叶片的上游高压侧96至涡轮叶片的低压抽吸侧98的叶片尖端泄漏方向相对，如在图46的不对称耐磨轮廓350中所示出和描述的那样。相应上槽428A/448A/458A的取向和轮廓也被更改以引导气流泄漏和形成上磨损区I。槽轮廓在从不带有偏离的平行侧壁至角度Φ的负偏离或者正偏离的范围中被选择性地更改，具有变化的深度D_G，并且成相对于脊尖端表面的变化的角度取向ε。在图54中，上槽428A取向为垂直于脊尖端424的表面（ε=90°）。在图55和图56中，相应上槽448A和458A相对于其对应脊尖端表面成角度+/-ε。

图57示出耐磨部件460的平面形态，其包含多级槽和上/下磨损区，并且前A和后B脊462A/462B由下槽468A/B分隔开，该下槽468A/B以相应角度α_A/B取向。图49的实施例中所示的类型的首尾上部分深度槽463A/B的阵列形成于脊462A/B的相应阵列中，并且取向为以相应角度β_A/B横贯脊和全深度槽468A/B。上部分深度槽463A/B限定耐磨部件460的上磨损区I的竖直边界，并且这些部分深度上槽下方的脊的其余部分限定下磨损区的竖直边界。

在热喷涂的耐磨部件构造的情况中，上磨损区I的热喷涂的耐磨材料的横截面和高度能够配置为通过以下方式来符合不同程度的叶片尖端侵入：通过在脊的顶部上限定微型肋状物或者尖头的阵列（如图58中所示），而没有关于在CMC/FGI耐磨部件构造中围绕中空陶瓷球形成槽的上述几何限制，并且设计受益于使用金属耐磨部件支撑结构。耐磨部件470包括先前描述的金属支撑表面471，并且下槽和脊的阵列形成下磨损区II。具体地，下脊472B具有终止于脊台474B中的侧壁475B和476B。下槽478B由脊侧壁475B和476B以及基底表面477限定。微型肋状物或者尖头472A通过已知附加工艺或者通过在下脊472B内形成交叉槽478A和478C的阵列而在下脊台474B上形成，而没有否则将在CMC/FGI耐磨部件设计中被强加的任何中空球完整性保持几何约束。在图58的实施例中，尖头472A具有方形或者其它矩形横截面，其由终止于共同高度的脊尖端474A中的直立侧壁475A、475C、476A和476C限定。也能够利用其它尖头472A的横截面平面形态形状，例如包括梯形或者六边形横截面。还能够利用包括不同局部横截面和高度的尖头阵列。

在图60的替代实施例中，直立像素化尖头472A’的远端肋状物尖端474A’由热喷涂的材料480构造，该热喷涂的材料480具有与下热喷涂的材料482不同的物理性质和/或组成。例如，上远端材料480能够构造为具有比下材料482更容易或者更不容易磨耗的磨耗性质（例如，更软或者更多孔、或者这两者）。以此方式，叶片尖端间隙G能够设计为比先前已知耐磨部件中所使用的间隙更小，以减小叶片尖端泄漏，使得进入材料480内的任何局部叶片侵入均更不可能使叶片尖端磨损，即使这种接触变得更加可能也是这样。以此方式，涡轮发动机能够设计为具有更小的叶片尖端间隙，从而增加其操作效率，以及其在标准启动模式或者快速启动启动模式中操作的能力，同时不显著地影响叶片磨损。

图58和图59中标记出了尖头472A和槽478A/C尺寸边界，与在现有实施例中所描述的那些一致。总体地，尖头472A高度H_RA的范围为从叶片尖端间隙G的近似20%至100%，或者为从下脊472B和尖头472A的总脊高度的近似1/3至2/3。尖头472A的横截面是从尖头高度H_RA的近似20%至50%。尖头材料构造和表面密度（由中心线间隔S_RA/B和槽宽度W_GA量化）被选择为使耐磨部件470的耐磨性、耐热性、结构稳定性和气流特性平衡。例如，在受控的密度热喷涂陶瓷耐磨件中产生的多个小宽度尖头472A为热气体提供高泄漏保护。这些能够仅仅处在高入侵倾向区域处或者处在整个发动机组中。建议的是，如果需要额外的密封，则经由增加维持其低强度的多个脊并且不通过增加脊的宽度来完成该操作。通常的尖头中心线间隔S_RA/B或者尖头472A的结构和阵列样式密度选择使得像素化尖头能够在不同模式中响应于叶片尖端94入侵的不同深度，如图61至图63中所示。

在图61中，不存在叶片尖端间隙G或者实际上存在负叶片尖端间隙G，这是因为涡轮叶片尖端94与像素化尖头472A的脊尖端474A接触。叶片尖端94接触入侵使像素化尖头472A挠曲。在图62中，叶片尖端更深地入侵至耐磨部件470内，引起尖头472A磨损、破裂或者剪断下肋状物台474B，保留残留的叶片尖端间隙在其间。以此方式，存在叶片尖端与残留断裂尖头残根472A（如果有）的最小接触，同时磨损区II中的下脊472B维持叶片尖端泄漏的气流控制。在图63中，叶片尖端94已经入侵到磨损区II中的下肋状物472B的下脊台474B内。返回发动机能够以标准模式或者快速启动模式中的任一者启动的发动机的示例，在替代实施例中，尖头472A能够以交替高度H_RA样式排列：针对标准启动优化更高高度的尖头和针对快速启动优化更低高度的尖头。在快速启动模式中，交替尖头472A的更高尖头破裂，留下交替尖头中的更低尖头以便维持叶片尖端间隙G。具有脆性肋状物或者尖头的示例性热喷涂的耐磨部件具有大于一的高度H_RA与宽度W_RA之比。通常，在脊或者尖头的顶点处测量的宽度W_RA将为0.5 mm至2 mm，并且其高度H_RA由发动机侵入需要所确定，并且维持大于1的高度与宽度之比（H_RA/W_RA）。建议的是，在需要额外密封的情况下，经由增加多个脊或者尖头（即，窄宽度尖头或者脊的更大分布密度，从而维持其低强度）并且不通过增加其宽度W_RA来完成该操作。对于需要低速耐磨系统的发动机中的区，脊或者尖头的宽度与槽宽度之比（W_RA/W_GA）优选地小于1。对于通常不需要叶片尖端轻易磨耗性的发动机耐磨部件表面区或者区域，针对空气动力学密封能力（例如，小叶片尖端间隙G）和最小化的叶片尖端泄漏优选地通过应用本发明的表面平面形态和横截面轮廓实施例（并且脊/尖头与槽宽度之比大于1）使耐磨表面横截面轮廓最大化。

多种模式的进入周向耐磨表面内的叶片深度入侵可以出现在任何涡轮发动机中不同位置处。因此，任何局部周向位置处的耐磨表面构造都可以被选择性地改变以补偿叶片入侵的可能程度。例如，返回参照图3至图6中的燃气涡轮发动机80的典型的已知周向磨损区样式，3:00位置和6:00位置处的叶片尖端间隙G可以比12:00周向位置和9:00周向位置处的那些磨损样式更小。预见到12:00位置和6:00位置处的更大磨损，因此能够选择下脊高度H_RB以建立最糟状况的最小叶片尖端间隙G，并且能够选择像素化的或者其它上磨损区I脊结构高度H_RA、横截面宽度和尖头间隔密度以在围绕涡轮壳体的其它周向位置（在该处可能引起叶片尖端94侵入耐磨表面层内的耐磨部件和壳体变形的可能性更小或者最小）中建立小“最佳状况”叶片尖端间隙G。以图62的脆性脊472A为例，在恶劣的发动机操作条件期间（例如，当发动机处于快速启动启动模式时），叶片94冲击脆性脊472A或者472A’—该脊在高载荷下破裂，从而仅在冲击区处增加空隙—从而在非最佳耐磨条件下限制叶片尖端磨损。总体地，耐磨部件中的上磨损区I的脊高度能够被选择为使得理想叶片尖端间隙为0.25mm。3:00和9:00涡轮壳体周向磨损区（例如，图6的124和128）可能贯穿整个发动机操作周期都维持期望的0.25 mm叶片尖端间隙，但在其它周向位置处涡轮壳体/耐磨部件变形的可能性更大。可以选择下脊高度以在1.0 mm的理想叶片尖端间隙下设定其脊尖端，使得在更高的磨损区中，叶片尖端仅磨损到磨损区I中的更深处并且永不接触设定下磨损区II的边界的下脊尖端。如果尽管做出最佳计算，但叶片尖端仍继续磨损进入磨损区II内，则所得的叶片尖端磨损操作条件也不比先前已知的耐磨层构造的情况更糟糕。然而，在围绕耐磨层的局部周向位置的其余部分中，涡轮发动机成功地在更低的叶片尖端间隙G并且因此在更高的操作效率下操作，并且叶片尖端上仅有很少或没有不利地增加的磨损。

倾斜角表面脊或者槽样式

图65至图71的耐磨部件实施例采用带有倾斜侧壁、脊尖端或者槽基部表面中的一者或多者的脊或者槽样式，以便叶片尖端气流泄漏控制。这些实施例（其包括倾斜脊尖端）还促进叶片尖端磨损减小，这是因为与带有平坦脊尖端的实施例相比，它们具有的与叶片尖端接触的潜在耐磨表面面积更少。本文已经描述的各种实施例已经采用带有渐进式磨损区的平坦脊尖端，以便使叶片尖端磨损减小和叶片尖端泄漏控制配置（profile）。回忆到图39的耐磨部件310的实施例采用了双高度脊312A/312B，以便减小磨损和控制叶片尖端泄漏流L。与此不同，图46的耐磨部件350采用了带有竖直侧壁356和倾斜侧壁355的锥形肋状物/脊352的轮廓，当竖直地朝向槽基部357磨耗其时，其暴露更多的表面面积。由相对的竖直侧壁356和倾斜侧壁355限定的槽358在槽通道357中生成逆向流L，以减小尖端泄漏流。

在图65的实施例中，耐磨部件1310具有突出脊1312，该突出脊1312带有类似于图46的实施例的脊尖端的平坦脊尖端1314。然而，侧壁1315/1316两者均与叶片92的旋转方向R相对地倾斜或者倾倒。脊1312的上游侧上的倾斜侧壁1316（即，面向流L）引发逆向流并且为泄漏流形成了更长的蜿蜒的或者迷宫状流动路径。该逆向流和更长的流动路径有效地减小了泄漏L流动速率。此外，与平坦脊尖端1314接合的倾斜下游侧壁1315使气流体积在脊尖端与叶片尖端94之间的间隙限制下游膨胀。槽中的增加的体积为气流L形成膨胀区，该膨胀区引发沿该侧壁与槽基部或者基床1317的接合部的涡流状气流L₁。气流L₁对抗叶片尖端泄漏L流动，同时使总流动路径距离增加。逆向流的阻力和增加的气流距离有效地帮助降低气流泄漏L流动速率。

相应的图66至图69的相应耐磨件实施例1320、1330、1340和1350将倾斜的脊尖端1324、1334、1344和1354添加至相应的耐磨脊1322、1332、1342和1352，从而引起沿叶片尖端94的旋转方向R穿过脊尖端的宽度变化的叶片尖端间隙。关注图66，与图65的脊尖端1314相比，倾斜的脊尖端或者肋状物尖端1324有效地减小了对应耐磨表面的潜在叶片尖端94接触表面面积。脊尖端1314与叶片尖端94的初始局部接触（如果有）仅仅沿尖端的最右侧上游边缘在其与侧壁1326的接合部处，并且随着局部耐磨尖端/叶片尖端间隙缩窄，接触表面面积扩大。因此，如果期望，则倾斜脊尖端表面1324有效地提供渐进式耐磨磨损区，而不需要制造阶梯式的、多级的、有子槽的或者像素化的耐磨部件脊轮廓。当泄漏气流L通向限制更小的流动空间时，倾斜脊尖端1324有利地在扩大的间隙中、在最窄的间隙限制下游的气流膨胀区中引发额外的涡流状气流L₂。额外的气流区域L₂在侧壁1325与槽基部1327的接合部处对涡流状气流区域L₁进行补充。气流区域L₁和L₂结合引发更大的累积逆向流，消耗尖端泄漏流能量，并且为泄漏流形成甚至更长的蜿蜒的或者迷宫状流动路径。图67的耐磨部件1330实施例在槽1338中添加倾斜槽基部1337，与槽1328轮廓的平坦槽基部1327相比，这进一步形成更大的泄漏气流L膨胀空间。倾斜槽基部1337还引导泄漏气流L远离叶片尖端间隙，直到使其在下一个上游脊侧壁1326的接合部处急剧地转向。在图68和图69的相应耐磨部件实施例1340和1350中，相应脊尖端1344和1354沿图66和图67的脊尖端的相对方向倾斜。在这些实施例的每一个中，随着叶片尖端间隙沿叶片旋转方向R缩窄，泄漏气流L受到约束，然后一旦离开下游侧壁1345/1355接合部就迅速膨胀，从而引发前述涡流状气流L₁。耐磨部件1320、1330、1340和1350的其它结构特征用与图65的部件1310的附图标记惯例类似的附图标记惯例来标注。

相应图70和图71的耐磨部件1360和1370采用带有脊侧壁和阶梯式脊尖端的脊和槽横截面轮廓，其中脊侧壁与叶片旋转方向R/气流泄漏方向L相对地倾斜，并且耐磨部件1360和1370结合了带有相应图66至图69的实施例1320、1330、1340和1350的改进的气流泄漏L控制的先前描述的实施例的上脊磨损区I和下脊磨损区II。耐磨部件1360具有基部基底1361，其支撑阶梯式耐磨脊1362A/B和槽基部1367。阶梯式脊下部分1362B形成下磨损区II，同时上部分1362A形成上磨损区I，从而当通过与旋转叶片92的尖端94摩擦接触而在局部区域中磨去肋状物时，提供不同的耐磨性表面面积。肋状物上游侧壁限定屈折的复合角轮廓，并且最下侧部分1366B沿叶片旋转方向R倾斜，同时最上侧部分1366A与叶片旋转方向相对地倾斜。这种屈折角度逆转引发气流泄漏流L的逆向流再循环，同时沿侧壁部分1364A阶梯式肋状物尖端1364A至1364B引起涡流流动区L₂中的气流膨胀。如先前所描述的，涡流流动区L₂对抗下游泄漏气流L并且增加下游泄漏气流L的蜿蜒的或者迷宫状有效流动路径。流动膨胀体积从在下侧壁1365B和槽基部1367的接合部附近的区域中体积的进一步增加引发先前描述的涡流流动区L₁。在实施例1370中，与图70的槽1368的轮廓的平坦槽基部1367相比，槽1378中的倾斜槽基部1377进一步形成更大的泄漏气流L膨胀空间。倾斜的槽基部1377还引导泄漏气流L远离叶片尖端间隙，直到使其在下一个上游脊屈折角侧壁1376B/1376A的接合处急剧地转向。虽然未示出，但可以通过使相应脊尖端1364A/1364B或者1374A/1374B中的任一者或者两者倾斜来在耐磨部件1360或者1370中的任一者中进一步选择性地修改叶片/耐磨间隙气流泄漏L和耐磨表面面积。

各种实施例的优点

本文已经描述了涡轮耐磨部件的不同实施例。许多实施例具有各异的前和后平面形态脊和槽阵列，以便遍及旋转涡轮叶片的轴向跨度控制局部叶片尖端泄漏和其它气流。许多实施例的脊和槽样式和阵列均用易于制造的直线段构造，有时带有前区和后区之间的弯曲过渡部分。许多实施例在脊结构上建立渐进式竖直磨损区，使得所建立的上区比下磨损区更容易磨耗。相对更易磨耗的上区使叶片尖端磨损的风险减小，而且建立并保持期望的小叶片尖端间隙。下磨损区关注气流控制、热磨损以及相对更低的热磨耗。在许多实施例中，局部气流控制以及多个竖直磨损区两者均合并在耐磨部件内。

尽管本文已经详细示出和描述了包含本发明的教导的各种实施例，但本领域技术人员能够容易地想出仍包含这些教导的许多其它不同的实施例。

本发明的应用不限于示例性实施例的在说明书中陈述或者在附图中图示的构造和部件的布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或者执行。例如，各种脊和槽轮廓可以结合在不同的平面形态阵列中，不同平面形态阵列也可以在具体发动机应用的周边周围局部地发生变化。此外，应理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应被视为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”、或者“具有”及其变型意味着涵盖其后列出的物品及其等同物以及附加物品。除非另外地具体指出或者限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型是被广义地使用的，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理或者机械连接或者联接。

Claims (18)

1.一种涡轮发动机环形节段耐磨部件，其适应于以与旋转涡轮叶片尖端周向扫掠路径相对的取向联接至涡轮壳体的内部周边，所述叶片尖端具有旋转方向、前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线处的所述叶片尖端的压力侧凹入表面上的弦线中心截点以及后缘，所述部件包括：

支撑表面，所述支撑表面适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮壳体内周边，所述支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与对应涡轮叶片旋转轴线平行地取向的支撑表面轴线；

联接至所述支撑表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面带有通过由过渡部分连结的一对前线性节段部分和后线性节段部分限定的槽和竖直突出的脊的复合角平面形态样式；

每个前线性节段部分源于所述支撑表面上游端部附近，在相对于所述支撑表面轴线正或者负10度的角度范围内取向，并且终止于预期涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置的上游的所述支撑表面端部之间；

每个后线性节段部分源于所述预期涡轮叶片弦线中心截点的下游，在角度上取向为与对应涡轮叶片旋转方向相对，并且终止于所述支撑表面下游端部附近；以及

所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。

2.根据权利要求1所述的部件，还包括比后脊更宽的前脊，以便形成所述前脊的更大的表面密度。

3.根据权利要求2所述的部件，还包括在过渡部段中从前至后缩窄的脊宽度，以便使对应的连结起来的前脊和后脊的宽度的相应宽度相匹配。

4.根据权利要求2所述的部件，还包括在所述过渡部段中限定弯曲的平面形态的脊和槽。

5.根据权利要求2所述的部件，至少部分脊具有相对于所述支撑表面倾斜的远端突出尖端。

6.根据权利要求2所述的部件，所述脊和槽包括连续的之字形槽样式。

7.根据权利要求2所述的部件，所述脊和槽具有恒定的间隔节距。

8.根据权利要求1所述的部件，所述脊和槽具有恒定的间隔节距。

9.根据权利要求1所述的部件，所述脊和槽包括连续的之字形槽样式。

10.根据权利要求1所述的部件，每个前节段部分取向为平行于所述支撑表面轴线。

11.一种涡轮发动机，包括：

涡轮外壳；

转子，所述转子具有旋转地安装在所述涡轮外壳中的叶片，所述叶片的远端尖端沿所述叶片旋转方向并且相对于所述涡轮外壳轴向地形成叶片尖端周向扫掠路径，所述叶片尖端具有前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线的所述叶片尖端的压力侧凹入表面上的弦线中心截点以及后缘；

以及

耐磨部件，其具有：

支撑表面，所述支撑表面适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮壳体内周边，所述支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与所述涡轮叶片旋转轴线平行地取向的支撑表面轴线；

联接至所述支撑表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面带有通过由过渡部分连结的一对前线性节段部分和后线性节段部分限定的槽和竖直突出的脊的复合角平面形态样式；

每个前线性节段部分源于所述支撑表面上游端部附近，在相对于所述支撑表面轴线正或者负10度的范围或角度内取向，并且终止于预期涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置上游的所述支撑表面端部之间；

每个后线性节段部分源于所述预期涡轮叶片弦线中心截点的下游，在角度上取向为与对应涡轮叶片旋转方向相对，并且终止于所述支撑表面下游端部附近；以及

所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。

12.根据权利要求11所述的发动机，所述部件还包括比后脊更宽的前脊，以便形成所述前脊的更大的表面密度。

13.根据权利要求12所述的发动机，所述部件还包括在过渡部段中从前至后缩窄的脊宽度，以便使对应的连结起来的前脊和后脊的宽度的相应宽度相匹配。

14.根据权利要求13所述的发动机，所述部件还包括在所述过渡部段中限定弯曲平面形态的脊和槽。

15.根据权利要求12所述的发动机，所述部件还包括具有相对于所述支撑表面倾斜的远端突出尖端的至少部分脊。

16.根据权利要求12所述的发动机，所述部件还包括形成连续的之字形槽样式的所述脊和槽。

17.根据权利要求12所述的发动机，所述部件还包括具有恒定的间隔节距的所述脊和槽。

18.根据权利要求11所述的发动机，所述部件还包括取向为平行于所述支撑表面轴线的每个前节段部分。