CN106050324A - 影响围带和转子耐用性的可变涂层孔隙率 - Google Patents

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Abstract

一种影响围带和转子耐用性的可变涂层孔隙率。提供构件(100)上的可变密度涂层系统(81)。在一个实施例中，该可变密度涂层系统(81)包括：该构件(100)上的外部涂层(104)，其中，该外部涂层(104)具有第一密度区域(90)和第二密度区域(92)，其中该第一密度区域(90)比该第二密度区域(92)更加致密。还提供燃气涡轮发动机(10)，其包括CMC构件(100)，该CMC构件(100)在其上具有该可变密度涂层系统(81)。

Description

影响围带和转子耐用性的可变涂层孔隙率
技术领域
本主旨大体上涉及涡轮围带和涡轮转子，更具体而言，涉及影响围带和转子耐用性和其他特性的涂层系统。
背景技术
燃气涡轮发动机的涡轮区段包括转子轴和一个或更多个涡轮级，涡轮级各自具有涡轮盘(或转子)和涡轮叶片，涡轮盘(或转子)由轴安装或以其他方式承载，涡轮叶片安装至盘的外围且从其径向地延伸。涡轮组件通常通过使由燃料燃烧产生的热压缩气体膨胀而生成旋转轴动力。燃气涡轮动叶或叶片通常具有翼型件形状，其设计成用于将流动路径气体的热能和动能转变成转子的机械旋转。
可通过减小旋转叶片的末梢与静止围带之间的空间，以限制在叶片末梢上或附近的在其他情况下将绕过该叶片的空气流，从而增强涡轮性能和效率。例如，叶片可构造成以便在发动机操作期间，其末梢装配接近围带。因此，出于效率目，生成和维持有效的末梢间隔是特别合乎需要的。
尽管涡轮叶片可由多种超合金(例如，镍基超合金)制成，由于陶瓷基质复合材料(CMC)的高温能力和轻量，故对于涡轮应用，陶瓷基质复合材料(CMC)是镍基超合金的有吸引力的备选方案。然而，CMC构件在涡轮发动机环境中必须用环境屏障涂层(EBC)保护，以在存在高温蒸汽的情况下避免严重的氧化和逆行。
因此，在某些构件中，由于与邻近构件的磨擦事件，EBC区可能易受磨损。例如，对于CMC叶片，叶片末梢处的EBC易受对金属围带构件的磨擦。如果EBC涂层磨减，那么CMC叶片易受到来自高温蒸汽的逆行侵蚀，这将展开CMC叶片末梢与金属围带之间的间隔，从而降低发动机的效率。
因此，在本领域中期望提供用于减少由涡轮操作期间的磨擦事件引起的CMC叶片末梢上的EBC磨损的材料和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在下列说明中部分地阐述，或可从描述变得明显，或可通过本发明的实践而习得。
大体上提供构件(例如，CMC构件)上的可变密度涂层系统。在一个实施例中，该可变密度涂层系统包括：该构件上的外部涂层，其中，该外部涂层具有第一密度区域和第二密度区域，其中该第一密度区域比该第二密度区域更加致密。
还大体上提供燃气涡轮发动机。在一个实施例中，该燃气涡轮发动机包括压缩机；燃烧区段；涡轮；和围带组件，该围带组件配置在该压缩机或该涡轮中的一者中。该围带组件包括陶瓷基质复合材料，该陶瓷基质复合材料在其上具有外部涂层，其中该外部涂层具有第一密度区域和第二密度区域，其中该第一密度区域比该第二密度区域更加致密。
技术方案1：一种构件上的可变密度涂层系统，所述可变密度涂层系统包括：
所述构件上的外部涂层，其中，所述外部涂层具有第一密度区域和第二密度区域，且其中，所述第一密度区域比所述第二密度区域更致密。
技术方案2：根据技术方案1所述的可变密度涂层系统，其中，所述构件为CMC构件。
技术方案3：根据技术方案2所述的可变密度涂层系统，其中，所述外部涂层包括稀土硅酸盐。
技术方案4：根据技术方案1所述的可变密度涂层系统，还包括：
内部涂层，其定位在所述构件与所述外部涂层之间。
技术方案5：根据技术方案4所述的可变密度涂层系统，其中，所述内部涂层包括接合层。
技术方案6：根据技术方案1所述的可变密度涂层系统，其中，所述外部涂层还具有比所述第二密度区域更加致密的第三密度区域。
技术方案7：根据技术方案6所述的可变密度涂层系统，其中，所述第一密度区域具有大约10%的孔隙率，且其中，所述第二密度区域具有大约20%到大约30%的孔隙率，且又其中，所述第三密度区域具有大约10%或更小的孔隙率。
技术方案8：根据技术方案7所述的可变密度涂层系统，其中，所述第二密度区域定位在第一涂层区域与第三涂层区域之间。
技术方案9：根据技术方案9所述的可变密度涂层系统，其中，所述构件为燃气涡轮发动机的围带，且其中，所述第一涂层区域覆盖所述围带的前缘，第二涂层区域覆盖所述围带的叶片轨迹部分，且所述第三涂层区域覆盖所述围带的后缘。
技术方案10：根据技术方案1所述的可变密度涂层系统，其中，所述第一密度区域与所述第二密度区域之间的过渡是逐渐减小的。
技术方案11：根据技术方案1所述的可变密度涂层系统，其中，所述第一密度区域具有与所述第二密度区域除密度之外基本上相同的化学成分。
技术方案12：一种燃气涡轮发动机，包括：
压缩机；
燃烧区段：
涡轮；和
围带组件，所述围带组件配置在所述压缩机或所述涡轮中的一者中，所述围带组件包括在其上具有外部涂层的陶瓷基质复合材料，其中，所述外部涂层具有第一密度区域和第二密度区域，且其中，所述第一密度区域比所述第二密度区域更加致密。
技术方案13：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，还包括：
转子叶片，其配置在所述压缩机或所述涡轮中的一者中，所述转子叶片限定径向外末梢，使得所述围带组件定位为直接邻近所述径向外末梢，其中，所述第二密度区域限定叶片轨迹区域，所述叶片轨迹区域与所述径向外末梢的行进路径对应。
技术方案14：根据技术方案13所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一密度区域限定所述围带的前缘。
技术方案15：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外部涂层包括稀土硅酸盐。
技术方案16：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，还包括：
内部涂层，其定位在所述陶瓷基质复合材料与所述外部涂层之间。
技术方案17：根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中，所述内部涂层包括接合层。
技术方案18：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外部涂层还具有比所述第二密度区域更加致密的第三密度区域。
技术方案19：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外部涂层到处具有除密度之外基本上相同的化学成分。
技术方案20：根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一密度区域与所述第二密度区域之间的过渡是逐渐减小的。
通过参照下列描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并组成其一部分的附图例示了本发明的实施例，且与说明一起用来解释本发明的原理。
附图说明
本发明的完整且可实现的公开，包括对于本领域技术人员而言的其最佳实施方式，在参照附图作出的说明书中示出，在附图中：
图1例示根据本主题的方面的可用在飞行器内的燃气涡轮发动机的一个实施例的截面图；
图2例示适用于在图1中示出的燃气涡轮发动机内使用的涡轮构造的一个实施例的截面图；
图3示出具有根据本主旨的一个实施例的可变密度涂层系统的示范围带的流动路径表面；且
图4示出图3的示范围带的截面图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
12 中心线轴线
14 核心燃气涡轮发动机
16 风扇区段
18 外壳体
20 环形入口
22 增压压缩机
24 高压压缩机
26 燃烧器
28 高压涡轮
30 高压驱动轴
32 低压涡轮
34 低压驱动轴
36 排气喷嘴
38 风扇转子
40 环形风扇壳体
42 出口导向导叶
44 风扇转子叶片
46 下游区段
48 空气流导管
50 空气流
52 入口
54 第一压缩空气流
56 第二压缩空气流
58 空气流
60 燃烧产物
62 第一级涡轮喷嘴
64 第一级涡轮转子
66 喷嘴导叶
68 弧形外环带
70 弧形内环带
72 喷嘴节段
74 转子叶片
76 转子盘
78 涡轮围带
80 围带节段
81 可变密度涂层系统
82 围带悬架
83 前缘
84 燃烧区域
85 后缘
90 第一密度区域
92 第二密度区域
93 叶片轨迹部分
94 第三密度区域
100 构件
102 内部涂层
104 外部涂层。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各实施例是作为本发明的解释而非本发明的限制提供的。事实上，在本发明中可进行各种修改和改变而不脱离本发明的精神和范畴这点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分例示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，意图本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种修改和改变。
如在本文中所使用的，用语“第一”、“第二”、和“第三”可以可互换地使用，以用于将一个构件与另一个区分开，且不意图表示单独构件的场所或重要性。
大体上提供用于CMC的可变密度涂层系统，以及所得的构件和及其应用方法。通过控制涂层系统的密度，可在构件上局部地调整涂层的特性，以允许使硬件耐用性最大化的更大的敏感性。即，可在构件上的谨慎场所处更改涂层孔隙率，以调整耐热、耐磨擦和耐腐蚀特性。由于叶片-围带磨擦事件、在极端温度下形成的热应力和/或温度变化等，可变密度涂层系统对于影响定子和转子耐用性是特别有用的。
现在参照附图，图1例示根据本主题的方面的可用在飞行器内的燃气涡轮发动机10的一个实施例的截面图，其中发动机10示为具有延伸穿过其以用于参照目的的纵向或轴向中心线轴线12。总的来说，发动机10可包括核心燃气涡轮发动机(大体上由参考标号14指出)和位于其上游的风扇区段16。核心发动机14大体上可包括基本上管状的外壳体18，该外壳体18限定环形入口20。此外，外壳体18还可包封且支撑增压压缩机22，以用于将进入核心发动机14的空气的压力提高至第一压力水平。高压、多级、轴流式压缩机24然后可接收来自增压压缩机22的加压空气，且进一步提高此种空气的压力。离开高温压缩机24的加压空气然后可流到燃烧器26，在燃烧器26内，燃料被喷射到加压空气流中，其中所得的混合物在燃烧器26内燃烧。高能燃烧产物被从燃烧器26沿发动机10的热气体路径引导到第一(高压)涡轮28，以用于经由第一(高压)驱动轴30来驱动高压压缩机24，且然后被引导至第二(低压)涡轮32以用于经由与第一驱动轴30大体上同轴的第二(低压)驱动轴34来驱动增压压缩机22和风扇区段16。在驱动涡轮28和32中的各个之后，燃烧产物可经由排气喷嘴36从核心发动机14排出以提供推进喷气推力。
应当理解的是，各涡轮28、30可大体上包括一个或更多个涡轮级，其中各级包括涡轮喷嘴(在图1中未示出)和下游涡轮转子(在图1中未示出)。如在下面将描述的，涡轮喷嘴可包括围绕发动机10的中心线轴线12以环形阵列的形式配置的多个导叶，以用于使燃烧产物流转向或以其他方式将燃烧产物流朝形成涡轮转子一部分的转子叶片的对应环形阵列引导穿过涡轮级。如一般理解的，转子叶片可联接至涡轮转子的转子盘，转子盘又旋转地联接至涡轮的驱动轴(例如，驱动轴30或34)。
此外，如图1所示，发动机10的风扇区段16可大体上包括可旋转、轴流式的风扇转子38，风扇转子38构造成由环形风扇壳体40包围。在具体实施例中，(LP)驱动轴34可直接地连接至风扇转子38，诸如，以直接驱动构造。在备选实施例中，(LP)驱动轴34可经由速度降低装置37(诸如，减速齿轮齿轮箱)以间接驱动或齿轮驱动构造连接至风扇转子38。根据期望或要求，这种速度降低装置可包括在发动机10内的任何合适的轴/转轴之间。
本领域技术人员应理解的是，风扇壳体40可构造成通过多个基本上径向地延伸的、周向地间隔的出口导向导叶42而相对于核心发动机14得到支撑。因此，风扇壳体40可包封风扇转子38及其对应的风扇转子叶片44。而且，风扇壳体40的下游区段46可在核心发动机14的外部分上延伸，以便限定辅助或旁通空气流导管48，该导管48提供额外的推进喷气推力。
在发动机10的操作期间，应理解的是，初始空气流(由箭头50指示)可穿过风扇壳体40的相关入口52进入发动机10。空气流50然后穿过风扇叶片44且分成移动穿过导管48的第一压缩空气流(由箭头54指出)和进入增压压缩机22的第二压缩空气流(由箭头56指出)。第二压缩空气流56的压力然后增大且进入高压压缩机24(如由箭头58指出的)。在与燃料混合且在燃烧器26内燃烧之后，燃烧产物60离开燃烧器26且流过第一涡轮28。之后，燃烧产物60流过第二涡轮32且离开排气喷嘴36，以提供用于发动机10的推力。
现参考图2，根据本主旨的实施例例示在上面参考图1描述的第一(或高压)涡轮28的局部截面图。如图所示，第一涡轮28可包括第一级涡轮喷嘴62和第一级涡轮转子64。喷嘴62可大体上由环形流动通道限定，该流动通道包括多个径向地延伸、成圆形地间隔的喷嘴导叶66(示出其中的一个)。导叶66可被支撑在多个弧形外环带68与弧形内环带70之间。如大体上理解的，导叶66、外环带68和内环带70可布置到多个周向地连结的喷嘴节段72中，以形成完整的360度组件，其中各喷嘴节段72的外和内环带大体上分别限定外和内径向流动路径边界，以用于沿发动机10的热气体路径流动通过喷嘴72的燃烧产物(由箭头60指示)。
此外，第一级涡轮转子64可包括多个周向地间隔的转子叶片74(在图2中仅示出其中的一个)，转子叶片74从转子盘76径向向外延伸，该转子盘76围绕发动机10的中心线轴线12(图1)旋转。此外，涡轮围带78可直接地定位为接近转子叶片74的径向外末梢，以便限定外径向流动路径边界，该外径向流动路径边界用于沿发动机10的热气体路径流动通过涡轮转子64的燃烧产物60。涡轮围带78可大体上由多个弧形的围带节段80(图2中示出其中的一个)形成，其中围带节段80围绕中心线轴线12以环形阵列的形式周向地布置，以便形成完整的360度组件。如在图2中所示，在若干个实施例中，各围带组件80可构造为“箱”围带节段，且因此可限定大体上矩形的截面轮廓。如大体上理解的，在某些实例中，围带节段80可通过围带悬架82或其他合适的静止结构而被相对于转子叶片74径向地固持，该静止结构允许用于将围带节段80联接至燃气涡轮发动机10的壳体。
在操作期间，热燃烧气体60可沿轴向方向从燃烧器26(图1)的燃烧区域84流动到环形、第一级涡轮喷嘴62中。第一级涡轮喷嘴62的喷嘴导叶66可大体上构造成使热气体转向或引导其，以便该流成角度地冲击在第一级转子64的转子叶片74上。围绕转子叶片74环形阵列的热气体流可导致涡轮转子64的旋转，涡轮转子64然后可旋转地驱动转子64联接至的轴(例如，图1中示出的第一驱动轴30)。
应当理解的是，尽管在上面仅大体上描述高压涡轮28的第一级，但涡轮28还可包括任意数量的随后的级，随后的级包括喷嘴导叶和涡轮叶片的任意数量的对应、连续的环形阵列。类似地，低压涡轮32(图1)还可包括类似的构造，具有喷嘴导叶和涡轮叶片的连续环形阵列的一个或更多个级。
图3和4示出定位在围带80上的示范可变密度涂层系统81。图4示出可变密度涂层系统81包括构件100、内部涂层102、和外部涂层104。内部涂层102和外部涂层104一起用于构件100上的环境屏障涂层(EBC)和/或热屏障涂层(TBC)。例如，构件100可为CMC基底，且内部涂层102和外部涂层104可形成其上的EBC。备选地，构件100可为合金基底，且内部涂层102和外部涂层104可形成其上的TBC。应理解的是，内部涂层102和/或外部涂层104可由通常存在于EBC或TBC中的任何合适数量的层形成。例如，当在CMC表面上形成EBC时，内部涂层102可包括接合涂层层、一个或更多个稀土硅酸盐层等。
在示出的实施例中，外部涂层104具有沿围带80前缘83的第一密度区域90、沿叶片轨迹部分93的第二密度区域92、和沿围带80的其后缘85的第三密度区域94。尽管示为具有三个分离的密度区域90、92、94，但应理解的是，可根据需要使用任何合适数量的分离的密度区域。即，外部涂层104可包括“N”个具有多孔性的密度区域，其中，N为密度区域的数量，且可根据具体应用所需要的设计而改变为任何数量。
在一个实施例中，第一密度区域90和第三密度区域94具有比第二密度区域92的孔隙率小的孔隙率值。即，第一密度区域90和第三密度区域94比第二密度区域92更致密。例如，第一密度区域90和第二密度区域94可具有独立地小于10%的孔隙率。相反，第三密度区域92可具有大约20%到大约30%的孔隙率。在该实施例中，描述在磨擦事件中从各构件损耗的材料的叶片-围带磨擦比率可通过涂层微结构来控制。因此，柔软的材料可被隔离在叶片轨迹部分93中(即，更大的孔隙率，更不致密)，而第一密度区域90保留足够地致密，以相对于过度的腐蚀保护前缘83(即，更小的孔隙率，更致密)。
在一个实施例中，邻近的密度区域之间(例如，第一密度区域90与第二密度区域92之间)的过渡中的孔隙率从一个的孔隙率逐渐减小至另一个(例如，从第一密度区域90的孔隙率到第二密度区域92的孔隙率)。例如，孔隙率的过渡可为从第一密度区域90的孔隙率至第二密度区域92的孔隙率的线性状过渡。备选地，邻近密度区域之间(例如，在第一密度区域90与第二密度区域92之间)的过渡中的孔隙率通过一系列的中间密度区域从一个的孔隙率逐步变化至另一个。
可根据任何合适的方法形成外部涂层104。例如，可通过HVOF/热喷涂程序；通过使用将在后续熔炉操作中烧尽的填充材料(即，填充材料的量、尺寸和分布驱使所得的孔隙率)；通过使用将影响孔隙率的原料粉末的不同化学/材料；通过掩蔽将形成特定区的不同区；通过控制喷涂区；通过不同的预热和应用温度以影响孔隙率；等来改变外部涂层104的孔隙率。
在一个实施例中，内部涂层102和外部涂层104形成环境屏障涂层(EBC)。例如，内部涂层102可为接合涂层(例如，包括硅或硅石)。外部涂层104可为由一种或更多种稀土硅酸盐形成的多个层。例如，外部涂层104可包括莫来石层、莫来石-碱土铝硅酸盐混合物层、钇单硅酸盐(YMS)层、掺镱钇二硅酸盐(YbYDS)层、钡锶铝硅酸盐(BSAS)层等中的一种或更多种。在这种实施例中，外部层104大体上作用为环境屏障，以提供相对于蒸汽逆行和熔融灰尘的保护。
在一个具体实施例中，外部涂层104中的各密度区域具有遍及外部涂层104除密度之外基本上相同的化学成分和/或分层。即，第一密度区域具有与第二密度区域、第三密度区域等除密度(即，孔隙率)之外基本上相同的化学成分。
尽管示为分离的密度区域90、92、94相对于叶片路径定向，但要理解的是，可根据需要利用分离的密度区域的任何合适的定向。例如，分离的密度区域可在构件上的“热点”处使用，以将下面的构件与热气体路径更好地热隔离。
此外，应理解的是，可变密度涂层系统可在任何构件上使用，且不限于围带。例如，可变密度涂层系统可应用至存在EBC或TBC的叶片、导叶、喷嘴、或发动机的其他部分。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果此种其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果此种其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则此种其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种构件(100)上的可变密度涂层系统(81)，所述可变密度涂层系统(81)包括：
所述构件(100)上的外部涂层(104)，其中，所述外部涂层(104)具有第一密度区域(90)和第二密度区域(92)，且其中，所述第一密度区域(90)比所述第二密度区域(92)更致密。
2.根据权利要求1所述的可变密度涂层系统(81)，其中，所述构件(100)为CMC构件，且其中，所述外部涂层(104)包括稀土硅酸盐。
3.根据权利要求1所述的可变密度涂层系统(81)，还包括：
内部涂层(102)，其定位在所述构件(100)与所述外部涂层(104)之间。
4.根据权利要求1所述的可变密度涂层系统(81)，其中，所述外部涂层(104)还具有比所述第二密度区域(92)更加致密的第三密度区域(94)，其中，所述第二密度区域(92)定位在第一涂层区域(90)与第三涂层区域(94)之间。
5.根据权利要求4所述的可变密度涂层系统(81)，其中，所述构件(100)为燃气涡轮发动机(10)的围带(78)，且其中，所述第一涂层区域(90)覆盖所述围带(78)的前缘(83)，第二涂层区域(92)覆盖所述围带(78)的叶片轨迹部分(93)，且所述第三涂层区域(94)覆盖所述围带(78)的后缘(85)。
6.根据权利要求1所述的可变密度涂层系统，其中，所述第一密度区域与所述第二密度区域之间的过渡是逐渐减小的。
7.根据权利要求1所述的可变密度涂层系统，其中，所述第一密度区域具有与所述第二密度区域除密度之外基本上相同的化学成分。
8.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
压缩机(24)；
燃烧(26)：
涡轮(28)；和
涡轮围带(78)，所述涡轮围带(78)配置在所述压缩机(24)或所述涡轮(28)中的一者中，所述涡轮围带(78)包括在其上具有外部涂层(104)的陶瓷基质复合材料，其中，所述外部涂层(104)具有第一密度区域(90)和第二密度区域(92)，且其中，所述第一密度区域(90)比所述第二密度区域(92)更加致密。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，还包括：
转子叶片(74)，其配置在所述压缩机(24)或所述涡轮(28)中的一者中，所述转子叶片(74)限定径向外末梢，使得所述涡轮围带(78)定位为直接邻近所述径向外末梢，其中，所述第二密度区域(92)限定叶片轨迹区域(93)，所述叶片轨迹区域(93)与所述径向外末梢的行进路径对应。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其中，所述外部涂层(104)到处具有除密度之外基本上相同的化学成分，且其中，所述第一密度区域(90)与所述第二密度区域(92)之间的过渡是逐渐减小的。
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