CN106232946A - 具有气流引导的像素化表面特征样式的涡轮机可磨耗层 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机可磨耗部件包括支撑表面和热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，所述热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底联接至所述支撑表面用于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）从所述基底表面突出。所述PMPP沿着所述扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在所述叶片尖端与所述基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，所述成对的第一相对横向壁限定占据1‑12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度。MSF的PMPP阵列在所述可磨耗表面与所述叶片尖端之间的间隙中提供热气体的气流控制，并且与具有类似的平面形态轮廓的实心突出肋相比具有更小的潜在摩擦表面面积。

Description

具有气流引导的像素化表面特征样式的涡轮机可磨耗层

优先权声明和相关申请的交叉引用

本申请要求在下列美国专利申请下的优先权，其全部内容通过引用并入本文：

于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,941的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；以及

于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”。

案卷编号为2014P23740WO，并且分配的序列号未知的发明名称为“TURBINECOMPONENT COOLING HOLE WITHIN A MICROSURFACE FEATURE THAT PROTECTS ADJOININGTHERMAL BARRIER COATING”的同时提交的国际专利申请被指明为相关申请并且通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及用于涡轮发动机（包括燃气或者蒸汽涡轮发动机）的可磨耗表面，包含这种可磨耗表面的发动机，以及用于减少发动机叶片尖端磨损和叶片尖端泄露的方法。更具体地，本发明的各种实施例涉及具有细长像素化主平面形态样式（pixelated majorplanform patterns，“PMPP”）的可磨耗表面，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。PMPP由多个非连续微型表面特征（micro surface features，“MSF”）构成，该多个非连续微型表面特征从基底表面突出横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端。在一些实施例中，PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复。MSF形成的磨损区具有比先前已知的实心肋更小的截面面积，这保留了期望的叶片尖端间隙并减少了叶片尖端磨损和摩擦生热。具有根据本发明实施例构造的MSF轮廓的磨损区PMPP平面形态减少了叶片尖端泄露，以提高涡轮发动机的效率，还减小了潜在的叶片和可磨耗接触表面面积。

背景技术

已知涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机）包含轴装式涡轮叶片，涡轮叶片在周向上被涡轮壳体或者壳体包围。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器提供动力。参照图1-6，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、多级涡轮机部段86和排气系统88。大气压力的进入空气通常沿涡轮发动机80的轴向长度在流动箭头F的方向上被吸入到压缩机部段82中。进入空气通过成排的旋转压缩机叶片在压缩机部段82中被逐渐地加压，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（现在比原始的进入空气处于更高的压力和速度下）被引导至涡轮机部段86中的相继的多排R₁、R₂等。发动机的转子和轴90具有多排翼面（airfoil）横截面形状的涡轮叶片92，其在压缩机部段82和涡轮机部段86中终止于远端叶片尖端94。为了方便和简洁，关于发动机中的涡轮叶片和可磨耗层的进一步讨论将集中在涡轮机部段86的实施例和应用上，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流动的高速且高压燃烧气体施加旋转运动在叶片92上，使转子旋转。如众所周知的，施加在转子轴上的一些机械动力可用于执行有用功。在转子远端通过涡轮壳体100并且在转子近端通过空气密封件102径向地约束燃烧气体。参照图2中示出的排1（Row 1）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使离开叶片的后缘的下游燃烧气体转向。

接近叶片尖端94的涡轮发动机80涡轮壳体100衬有多个扇形可磨耗部件110，每个扇形可磨耗部件110均具有支撑表面112和可磨耗基底120，支撑表面112固持在壳体内并且联接至壳体，可磨耗基底120通过叶片尖端间隙G与叶片尖端成相对的间隔开的关系。可磨耗基底常常由金属/陶瓷材料构造，该金属/陶瓷材料具有高耐热性和耐热侵蚀性，并且在高燃烧温度下维持结构完整性。由于可磨耗表面120的金属陶瓷材料常常比涡轮叶片尖端94的材料更耐磨耗，因此维持了叶片尖端间隙G以避免两个相对的部件之间的接触，该接触在最好的情形下可能引起过早的叶片尖端磨损，并且在更糟的情况情形下可能引起发动机损坏。一些已知的可磨耗部件110用整块金属/陶瓷可磨耗基底120构造。其他已知的可磨耗部件110用复合基体复合材料（composite matrix composite，CMC）结构构造，该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由多层紧密堆积的中空陶瓷球形颗粒构成的易碎分级绝缘（friable graded insulation，FGI）陶瓷层粘接至该陶瓷支撑表面112，如在美国专利号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，其中大体上更易可磨耗的球形成上层以减少叶片尖端94的磨损。美国专利公开号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。该槽旨在减小可磨耗表面材料的横截面面积以减少潜在的叶片尖端94磨损（如果它们接触可磨耗表面的话）。其他众所周知的可磨耗部件110构造有金属基层支撑表面112，形成可磨耗基底层120的热喷涂的陶瓷/金属层被施加于该金属基层支撑表面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，以减小可磨耗表面材料横截面以便减少潜在的叶片尖端94磨损。

在期望防止叶片尖端94过早磨损或者与可磨耗基底120接触之外，如图3中所示，为了理想的气流和功率效率，每个相应的叶片尖端94均期望地具有相对于可磨耗部件110的一致的叶片尖端间隙G，该叶片尖端间隙G尽可能地小（理想地为零空隙）以最小化在高压叶片侧96和低压叶片侧98之间以及轴向地沿燃烧流动方向F的叶片尖端气流泄漏L。然而，制造和操作之间的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，以便在可接受径向长度容差的更高端上构造的叶片和在可接受径向容差的更低端上构造的可磨耗部件可磨耗基底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的机械对准差异能够引起在叶片尖端间隙中的局部变化。例如，在轴向长度为数米的涡轮发动机（其具有多米的涡轮壳体可磨耗基底120内径）中，非常小的机械对准差异就能够导致几毫米的局部叶片尖端间隙G的变化。

在涡轮发动机80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。当发动机被发动以产生动力并且随后被冷却以便在数千小时的动力产生之后进行维护时，壳体100热变形可能性在涡轮发动机80的操作循环之间增加。通常，如图6中所示，与横向的右侧周向位置124和左侧周向位置128（即，3:00和9:00位置）相比，更大的壳体100和可磨耗部件110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和12:00位置）处。如果，例如如图4中所示，6:00位置处的壳体变形引起叶片尖端与可磨耗基底120接触，则叶片尖端中的一个或多个可以在操作期间被磨损，从而在涡轮壳体100的各种其他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变形增加叶片尖端泄漏L，从而将热燃烧气体转向远离涡轮叶片92翼面，由此减小涡轮发动机的效率。

过去利用平坦的可磨耗表面基底120并且保守地选择叶片尖端间隙G规格以提供至少最小的总空隙，以防止叶片尖端94和可磨耗表面基底在广泛的涡轮机部件制造容差叠加、组装对准差异和热变形下的接触。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已驱动叶片尖端间隙G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。

过去的可磨耗设计已经包含了横跨叶片尖端的轴向扫掠面积的成排的径向重复的连续肋并在相继的肋之间具有间隙，以便减少在可磨耗肋与涡轮机叶片尖端之间的潜在表面接触面积。突出的肋被配置为控制或者抑制热气体流横过叶片尖端从尖端的压力侧流到吸入侧。例如，为了减少叶片尖端/基底接触的可能性，可磨耗部件（其包括具有热喷涂的金属/陶瓷可磨耗表面的金属基层支撑部）已被构造为具有三维平面形态轮廓，诸如在图7-11中所示。图7和图10的示例性已知可磨耗表面部件130具有用于联接到涡轮壳体100的金属基层支撑部131，已经通过已知的沉积或者烧蚀材料工作方法在金属基层支撑部131上将热喷涂的金属/陶瓷层沉积并且形成为三维的脊和槽轮廓。具体地，在这些引述的图中，多个脊132分别具有共同高度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136从基底表面137延伸且限定在相继的脊的相对侧壁之间的槽138。脊132在相继的脊的中心线之间以平行间隔S_R阵列并且限定槽宽度W_G。由于可磨耗部件表面对称，所以槽深度D_G对应于脊高度H_R。与可磨耗件的无空隙平滑表面相比，在当叶片尖端间隙G变得很小以致于允许叶片尖端94接触一个或多个尖端134的情况下，脊132具有更小的横截面和更有限的磨耗接触。然而，与先前连续的平坦可磨耗表面相比，相对高且宽地间隔开的脊132允许叶片泄漏L进入脊之间的槽138中。为了减少叶片尖端泄漏L，脊132和槽138在水平方向上定向为在燃烧流动F（未示出）的方向上或者对角地定向成横过可磨耗表面137的宽度（如在图7中示出），使得其将倾向于抑制泄漏。其他已知的可磨耗部件140（在图8中示出）具有以十字形样式阵列的槽148，从而形成具有平坦等高的脊尖端144的菱形脊平面形态142。另外已知的可磨耗部件已采用图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的可磨耗部件150中，每个脊152均具有终止在平坦脊尖端154中的对称侧壁155、156。所有脊尖端154均具有共同高度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的弧形线类似的平面形态轮廓。弯曲的槽158通常比图7和图8中示出的可磨耗部件的线性槽138或148更难以形成。

过去的可磨耗部件设计已需要在由叶片尖端和可磨耗表面之间的接触所导致的叶片尖端磨损和使涡轮发动机操作效率降低的叶片尖端泄漏之间进行苛刻的折衷。优化发动机操作效率需要减小的叶片尖端间隙和光滑、一致平坦的可磨耗表面拓扑结构，以阻碍通过叶片尖端间隙的空气泄漏，从而改进初始发动机性能并节约能源。如先前所述，由于从叶片的尖端绕流而不是通过涡轮机的热气体的减压，在旋转的叶片的尖端与其所密封的表面之间的任何间隙均会引起涡轮机效率的损失。可磨耗系统具有有限的使用寿命，该使用寿命主要地可归因于通过与叶片尖端相摩擦的逐渐烧结而增加的可磨耗硬度，或者通过剥裂的覆层损失。为了在使用停歇期之间的更长的涡轮机使用寿命，期望的是平衡小的叶片尖端/可磨耗表面间隙和这些相对表面的低侵蚀。

在为了增加燃气涡轮机操作效率和灵活性的另一驱动下，构造了所称的“快速启动”模式发动机，其需要更快速的全功率增大（40至50 Mw/min的数量级）。激进的增大速率加剧了叶片尖端侵入环段可磨耗覆层的更大可能性，这是由热的和机械的更快速的增长和更高的变形以及旋转部件与静止部件之间的增长速率的更加不匹配所导致的。与仅用于“标准”启动循环构造的发动机所需要的叶片尖端空隙相比，这继而需要在“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，作为设计选择，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叶片尖端磨损，打开叶片尖端间隙以及最终在发动机操作循环期间降低更长期发动机性能效率的风险。上述陶瓷基体复合材料（ceramicmatrix composite，CMC）可磨耗部件设计旨在通过使用更软的顶部可磨耗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可磨耗表面的小的叶片尖端间隙。美国专利公开号2008/0274336的可磨耗部件也旨在通过在上层中空陶瓷球之间包含槽来减少叶片尖端磨损。然而，槽的尺寸固有地受到填装间隔和球的直径的限制以便防止球破碎。作为减小叶片尖端间隙同时减小在脊尖端和叶片尖端之间的潜在摩擦接触表面面积的折中方案，添加一致高度的可磨耗表面脊至热喷涂的基底轮廓减小过早叶片尖端磨损/增加叶片尖端间隙的可能性，但是代价是增加了进入到脊之间的槽中的叶片尖端泄漏。如上所述，已经尝试通过改变脊阵列的平面形态定向来以减少叶片尖端泄漏流动，以试图阻挡或者以其他方式控制进入到槽中的泄漏气流。

发明内容

各种实施例的目的是尽管存在由诸如部件容差叠加、组装对准差异、在一个或多个发动机操作循环期间涉及的叶片/壳体变形等因素引起的局部变化，但仍以不会不适当地引起过早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。

在可磨耗表面和叶片尖端已经彼此接触的局部磨损区中，各种实施例的目的是最小化叶片尖端磨损，同时维持在这些区中的最小化的叶片尖端泄漏并且在这些局部磨损区外侧维持相对窄的叶片尖端间隙。

其他实施例的目的是与已知可磨耗部件的可磨耗表面相比，减小叶片尖端间隙以增加涡轮机操作效率，而不会不适当地导致由于局部的叶片尖端/可磨耗表面接触区的数量的潜在增加而可能产生的过早叶片尖端磨损的风险。

又其他实施例的目的是通过利用抑制叶片尖端泄漏和/或使叶片尖端泄漏转向的可磨耗表面脊和槽复合不同的向前和向后轮廓和平面形态阵列来减少叶片尖端泄漏。

额外的实施例的目的是提供槽通道，以便将磨耗的材料和其他颗粒物质沿可磨耗表面轴向地运输通过涡轮机，使得它们不影响或者以其他方式磨耗旋转的涡轮叶片。

在本文描述的各种实施例中的一些中，涡轮壳体可磨耗部件具有不同的向前上游和向后下游复合多定向槽和竖直突出脊平面形态样式，以减小、转向和/或阻挡叶片尖端气流泄漏下游进入槽中，而不是从涡轮叶片翼面高压侧到低压侧。平面形态样式实施例是具有不同的向前上游（区A）和向后下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导截留在槽内侧的气体流动朝向下游燃烧流动F方向，以阻止气体流动泄漏沿局部叶片泄漏方向L直接从涡轮叶片翼面的压力侧朝着翼面的抽吸侧。向前区大体上被限定在叶片翼面的前缘和中弦线之间的截点处，在所述截点处，平行于涡轮机80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。阵列样式的余下部分包括向后区B。向后下游区B的槽和脊成角度地定向成与叶片旋转方向R相对。角度的范围为相关联的涡轮叶片92的弧形角度或者后缘角度的近似30%至120%。

在本文中描述的其他各种实施例中，可磨耗部件构造有竖直突出的脊或者肋，该脊或者肋具有第一下部磨损区和第二上部磨损区。该脊的第一下部区（接近可磨耗表面）被构造成利用平面形态阵列和突出部优化发动机气流特性，其中平面形态阵列和突出部被调整以减小、转向和/或阻挡叶片尖端气流泄漏到脊之间的槽中。脊的下部区也被优化以改进可磨耗部件及表面机械的和热的结构完整性、耐热性、耐热侵蚀性以及磨损寿命。脊的上部区形成在下部区的上方，并且通过比下部区可更易磨耗而被优化以最小化叶片尖端间隙和磨损。可磨耗部件的各种描述的实施例利用与下部区肋结构相比具有更小的横截面面积的上部子脊或者尖突实现更容易的上部区的磨耗性。在一些实施例中，上部子脊或者尖突被形成为在较小程度的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片尖端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化（pixelated）成上部磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片尖端局部接触的那些尖突被磨损，而在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，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。在一些实施例中，随着上部区脊部分被磨掉，余下的下部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，叶片尖端磨掉在该位置处的下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧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。另外地，多级磨损区轮廓允许单个涡轮发动机设计被以标准模式或者“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部磨损区层，并且过度的叶片尖端磨损的可能性更小，同时保持下部磨损区的空气动力学功能。当同一发动机以标准启动模式操作时，更有可能的是，可磨耗件的上部磨损区和下部磨损区两者均将被保持，用于高效发动机操作。在根据本发明的实施例构造的可磨耗部件中，能够采用两个以上的分层磨损区（例如，上部磨损区、中部磨损区和下部磨损区）。

在一些实施例中，通过形成具有被选择以减少叶片尖端泄漏的选定定向角度和/或横截面轮廓的多层槽，局部地或者贯穿可磨耗部件普遍地调整脊和槽轮廓以及平面形态阵列。在一些实施例中，可磨耗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，而且也便于与已知可磨耗部件相比更简单的制造技术。

更具体地，本发明的示例性实施例包括具有非连续的微型表面特征（microsurface features，MSF）的可磨耗表面，平衡期望的可磨耗表面/在间隙中的叶片尖端密封，减少可磨耗表面覆层剥裂的倾向，并且增加覆层系统的潜在寿命。该MSF有助于利用在定期服务停歇期之间的更长的潜在操作时间平衡涡轮机操作效率。这些平衡的组合的属性潜在地有助于获得更持久且耐热的可磨耗覆层系统以便在工业燃气涡轮机中使用。

更具体地，本发明的示例性实施例的特征在于一种涡轮机可磨耗部件，其包括用于联接至涡轮机壳体的支撑表面和热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，该热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底联接至所述支撑表面用于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）从基底表面突出，横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端。在一些示例性实施例中，PMPP聚合平面形态模拟了实心凸出肋可磨耗部件的总体平面形态（诸如弯曲的或者对角的已知设计），或者本文中示出并描述的肋和槽的平面形态实施例。期望的是，PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流，这是通过在MSF周围提供曲折路径用于热气体流入到间隙中。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，该成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的宽度、长度和高度。包括PMPP的MSF集体地引导气流，但是MSF单独受限的横截面面平面形态面积减少了MSF与叶片尖端的聚合潜在摩擦接触表面面积，为了减少的接触摩擦生热和减少的旋转的叶片尖端的磨损。

在本发明的一个或者多个实施例中，通过具有用于联接至涡轮机壳体的支撑表面的涡轮机可磨耗部件实现了上述的和以其它方式的暗示的目的中的一些目的。热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底被联接至支撑表面，并且具有基底表面，该基底表面适于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。多个微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从基底表面突出，横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端，并且沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，该成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度。

本发明的其它实施例涉及涡轮发动机，该涡轮发动机包括涡轮机壳体；转子，该转子具有旋转安装在涡轮机壳体中的叶片，该叶片的远端尖端在叶片旋转方向上并且轴向相对于涡轮机壳体形成叶片尖端周向扫掠路径；以及热喷涂陶瓷/金属可磨耗部件。该可磨耗部件具有用于联接至涡轮机壳体的支撑表面。热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底联接至支撑表面，并且具有基底表面，该基底表面适于接近旋转涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从基底表面突出，横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端。PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，该成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度。

本发明的又其它实施例涉及用于减少涡轮发动机叶片尖端磨损的方法。该方法包括提供涡轮机，该涡轮机具有涡轮机壳体和具有旋转安装在涡轮机壳体中的叶片的转子。叶片的远端尖端在叶片旋转方向上并且轴向地相对于涡轮机壳体形成叶片尖端周向扫掠路径。该方法进一步包括：以与叶片尖端成相对的、间隔开的关系，在壳体中插入大体上呈拱形的可磨耗部件，从而在叶片尖端与可磨耗部件之间限定出叶片间隙。该可磨耗部件具有用于联接至涡轮机壳体的支撑表面。热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底联接至支撑表面，并且具有基底表面，该基底表面适于接近旋转涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从基底表面突出，横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端。PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，该成对的第一相对横向壁继而限定宽度、长度和高度。每个MSF占据1-12立方毫米的体积包封。操作涡轮发动机，由此在叶片尖端与可磨耗表面之间的任何接触磨耗至少一个MSF的远端尖端，从而余下的MSF抑制在叶片尖端与基底表面之间的涡轮气体流动。

本领域技术人员可以按照任何组合或者子组合结合地或分开地应用本发明的分别的目的和特征。

附图说明

通过结合附图考虑以下详细描述，能够容易地理解本发明的教导，在附图中：

图1是示例性已知燃气涡轮发动机的局部轴向横截面视图；

图2是排1的涡轮叶片和导叶的细节横截面立视图，其示出在图1的涡轮发动机的叶片尖端和可磨耗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，其中在所有叶片与围绕发动机可磨耗表面的所有周向定向之间具有理想的一致叶片尖端间隙G；

图4是失圆的已知涡轮发动机的径向横截面示意图，其示出叶片尖端和可磨耗表面在12:00最上部周向位置和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，该已知涡轮发动机具有大于原始设计规格的叶片尖端间隙G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，其重点突出了更可能造成叶片尖端磨损的周向区和更不可能造成叶片尖端磨损的区；

图7-9是用于涡轮发动机可磨耗表面的已知脊和槽样式的平面视图或平面形态视图；

图10和图11分别是沿着图7和图9的截面C-C截取的用于涡轮发动机可磨耗表面的已知脊和槽样式的横截面立视图；

图12-17是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的“曲棍球棒”配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图18和图19是根据本发明的另一示例性实施例的用于涡轮发动机可磨耗表面的另一“曲棍球棒”配置的脊和槽样式（其包括竖直定向的与涡轮叶片旋转方向对齐的脊或肋阵列）的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图20是对于在图12-17中示出的类型的相应示例性的连续槽的曲棍球棒可磨耗表面轮廓，以及在图18和图19中示出的类型的具有截断竖直脊的分裂槽的曲棍球棒可磨耗表面轮廓，从前缘到后缘的模拟叶片尖端泄漏质量通量的比较图表；

图21是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的另一“曲棍球棒”配置的脊和槽样式（具有交叉的脊和槽）的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图22是根据本发明的另一示例性实施例的类似于图18和图19中的样式的用于可磨耗表面的另一“曲棍球棒”配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括竖直定向的脊阵列，该脊阵列在涡轮发动机的轴向流动方向上横过可磨耗表面横向交错；

图23是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括在涡轮发动机的轴向流动方向上横过可磨耗表面的水平定向的脊和槽阵列；

图24是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括横过可磨耗表面的对角定向的脊和槽阵列；

图25是根据本发明的另一示例性实施例的用于可磨耗表面的“之字形”配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式包括横过可磨耗表面的V形脊和槽阵列；

图26-29是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的嵌套回环配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图30-33是根据本发明的示例性实施例的涡轮发动机可磨耗表面的迷宫或螺旋配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图34和图35是根据本发明的另一示例性实施例的用于涡轮发动机可磨耗件的具有弯曲肋过渡部段的复合角配置的脊和槽样式的平面视图或平面形态视图，涡轮叶片示意性叠置；

图36是对于本发明的图34和图35的类型的相应示例性的具有弯曲的肋过渡部段的复合角配置的脊和槽样式可磨耗表面、在图7中示出的类型的示例性的已知对角的脊和槽样式，以及已知的轴向对齐的脊和槽样式的可磨耗表面可磨耗表面轮廓，从前缘到后缘的模拟叶片尖端泄漏质量通量的比较图表；

图37是根据本发明的示例性实施例的用于可磨耗表面的多高度或海拔（elevation）脊轮廓配置和对应槽样式的平面视图或平面形态视图，该样式适用于在标准发动机模式或者“快速启动”发动机模式中使用；

图38是图37的可磨耗表面实施例沿其C-C截取的横截面视图；

图39是图37和图38的运动的叶片尖端和可磨耗表面实施例的示意性立视横截面视图，示出根据本发明的实施例的叶片尖端泄漏L和叶片尖端边界层流动；

图40和图41是类似于图39的示意性立视横截面视图，示出根据本发明的实施例的叶片尖端间隙G、槽和脊多高度或海拔的尺寸；

图42是类似于图11的已知可磨耗表面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可磨耗表面的多高度或海拔阶梯状轮廓脊配置和对应槽样式的立视横截面视图；

图44是用于本发明的可磨耗表面的多高度或海拔阶梯状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可磨耗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可磨耗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可磨耗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可磨耗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，上部槽相对于脊尖端纵向倾斜；

图49是用于可磨耗表面的不对称轮廓脊配置和多深度交叉槽轮廓样式的本发明的另一实施例的透视图，其中，上部槽垂直于脊尖端且相对于脊尖端纵向偏斜；

图50是根据本发明的另一实施例的用于可磨耗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可磨耗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，上部槽相对于脊尖端横向偏斜；

图53是根据本发明的实施例，具有不对称的非-平行壁脊和多深度槽的可磨耗表面的透视图；

图54-56是根据本发明的替代实施例的用于可磨耗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，上部槽垂直于脊尖端或相对于其横向偏斜；

图57是根据本发明的实施例的用于可磨耗表面的多级交叉槽样式的平面视图或平面形态视图；

图58是根据本发明的实施例的阶梯状轮廓可磨耗表面脊的透视图，其中，上级脊具有从下部脊平台突出的像素化竖立尖突的阵列；

图59是沿图58的C-C截取的从下部脊平台突出的成排的像素化竖立尖突的立视图；

图60是根据本发明的实施例的图59的竖立尖突的替代实施例，其中，接近尖突尖端的尖突部分由一层具有与该层之下的材料所不同的物理性质的材料构造；

图61是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片尖端使尖突偏转；

图62是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片尖端剪掉竖立尖突的全部或部分，使留下的下部脊及其平台完好且被叶片尖端间隙与叶片尖端径向地间隔开；

图63是图58的像素化上部尖突实施例的示意性立视图，其中，在叶片旋转期间涡轮叶片尖端已经剪掉全部的竖立尖突且正在磨耗下部脊部分的平台表面；

图64是根据本发明的示例性实施例的具有多个微型表面特征（MSF）的弯曲的细长像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件的剥离层的平面视图或平面形态视图；

图65是根据本发明的另一个示例性实施例的具有多个微型表面特征（MSF）的对角的细长像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件的剥离层的平面视图或平面形态视图；

图66是示出根据本发明的另一个示例性实施例的示出具有多个微型表面特征（MSF）的“曲棍球棒”的细长像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件的剥离层的平面视图或平面形态视图；

图67是示出根据本发明的示例性实施例的示出具有多个倒V形（chevron-shaped）微型表面特征（MSF）的人字形像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图68是图67的倒V形微型表面特征（MSF）的细节透视图；

图69是示出具有多个替代实施例的倒V形微型表面特征（MSF）的人字形像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图，该表面包括了在顶点处收敛的两个线性元件，这两个线性元件被间隙在顶点处间隔开；

图70是图69的倒V形微型表面特征（MSF）的替代实施例的细节透视图；

图71是示出根据本发明的示例性实施例的具有多个弯曲的或者环状扇形微型表面特征（MSF）的像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图72是图71的环状扇形微型表面特征（MSF）的细节透视图；

图73是示出根据本发明的示例性实施例的具有复合的环状扇形和矩形或者线性微型表面特征（MSF）的像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图74是图73的复合的环状扇形和线性微型表面特征（MSF）的细节透视图；

图75是示出根据本发明的示例性实施例的具有线性微型表面特征（MSF）的菱形像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图76是示出根据本发明的示例性实施例的具有弯曲的微型表面特征（MSF）的波状样式像素化主平面形态（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图77是示出根据本发明的示例性实施例的具有非连续弯曲的微型表面特征（MSF）的像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图78是示出根据本发明的示例性实施例的具有第一高度的微型表面特征和更高的第二高度的微型表面特征（MSF）的之字形波状像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图79是图78的可磨耗部件的横截面图；

图80是示出根据本发明的另一个示例性实施例的具有第一高度的微型表面特征和更高的第二高度的微型表面特征（MSF）的之字形波状像素化主平面形态样式（PMPP）的可磨耗部件表面的局部平面视图或平面形态视图；

图81是图80的可磨耗部件的横截面图；

图82是根据本发明的示例性实施例的具有形成在金属粘结覆层中的微型表面特征（MSF）的可磨耗部件的横截面图，所述覆层应用在支撑基底上；以及

图83是根据本发明的另一个实施例的具有形成在支撑基底中的微型表面特征（MSF）的可磨耗部件的横截面图。

为了帮助理解，在可能的情况下，已经使用相同的参考数字来指代附图中所共有的相同元件。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，已利用用于尺寸、横截面、流体流动、涡轮叶片旋转、轴向或者径向定向以及流体压力的以下共同标识符：

A 可磨耗表面的向前或上游区；

B 可磨耗表面的向后或下游区；

C-C 可磨耗件横截面；

D_G 可磨耗件槽深度；

F 通过涡轮发动机的流动方向；

G 涡轮叶片尖端到可磨耗表面的间隙；

G_W 磨损的涡轮叶片尖端到可磨耗表面的间隙；

H 微型表面特征（MSF）的高度；

H_R 可磨耗脊高度；

L 涡轮叶片尖端泄漏或者微型表面特征（MSF）的长度；

P 可磨耗表面平面视图或平面形态；

P_P 涡轮叶片更高压力侧；

P_S 涡轮叶片更低压力侧或抽吸侧；

R 涡轮叶片旋转方向；

R₁ 涡轮发动机涡轮机部段的排1；

R₂ 涡轮发动机涡轮机部段的排2；

S_R 可磨耗脊中心线间隔；

W 微型表面特征（MSF）的宽度；

W_G 可磨耗槽宽度；

W_R 可磨耗脊宽度；

α 相对于涡轮发动机轴向尺寸的可磨耗槽平面形态角度；

β 相对于可磨耗表面竖直或垂直的可磨耗脊侧壁角度；

γ 相对于可磨耗脊高度的可磨耗槽向前-向后倾斜角度；

Δ 相对于可磨耗脊纵向轴线的可磨耗槽歪斜角度；

ε 相对于可磨耗表面和/或脊表面的可磨耗上部槽倾斜角度；以及

Φ 可磨耗槽拱形角度。

具体实施方式

本文中描述的实施例可以容易地在用于涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机）的可磨损部件中使用。在本文中更详细描述的示例性实施例中，一种涡轮机可磨损部件包括支撑表面和热喷涂陶瓷/金属可磨损基底，该热喷涂陶瓷/金属可磨损基底联接至支撑表面用于接近旋转涡轮机叶片尖端州向扫掠路径定向。多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）从基底表面突出。PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁来限定，该成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封（volumeenvelope）的宽度、长度和高度。MSF的PMPP阵列为可磨损表面与叶片尖端之间的间隙中的热气体的气流控制提供与具有相似平面形态轮廓的实心突出肋相比更小的潜在摩擦表面面积。微型表面特征（MSF）通过以下方式形成：（i）已知的熔融颗粒的热喷涂以建立表面特征；或（ii）已知的增材层制造建立表面特征的应用，诸如通过3D打印、烧结、电子或者激光束沉积；或者（iii）已知的基底材料的烧蚀移除制造过程，该过程通过未移除的部分来限定特征。

在各种实施例中，涡轮壳体可磨耗部件具有不同的向前上游和向后下游复合多定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中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不同的向前上游（区A）和向后下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导被截留在槽内侧的气体朝向下游燃烧流动F方向，以阻碍气体流动泄漏沿局部的叶片泄漏方向L直接从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧。向前区大体上被限定在叶片翼面的前缘和中弦线之间的截点处，在该截点处，平行于涡轮机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。阵列样式的余下部分包括向后区B。向后下游区B的槽和脊成角度地定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的弧形角度或后缘角度的近似30%至120%。

在各种实施例中，可磨耗部件的热喷涂陶瓷/金属可磨耗层被构造成具有竖直突出的脊或者肋，该脊或者肋具有第一下部磨损区和第二上部磨损区。该脊第一下部区（接近热喷涂可磨耗表面）被构造利用平面形态阵列和突出部来优化发动机气流特性，其中，平面形态阵列和突出部被调整以减小、转向和/或阻挡叶片尖端气流泄漏到脊之间的槽中。在一些实施例中，热喷涂可磨耗层的上部磨损区是下部磨损区高度或者总脊高度的近似1/3-2/3。脊和槽以多样的对称和不对称横截面轮廓和平面形态阵列构造在热喷涂可磨耗层中，以使叶片尖端泄漏流动转向和/或易于制造。在一些实施例中，槽宽度是脊宽度或者下部脊宽度（如果存在多宽度堆叠的脊）的近似1/3-2/3。在各种实施例中，脊的下部区也被优化以改进可磨耗部件及表面机械和热结构完整性、耐热性、耐热侵蚀性以及磨损寿命。脊的上部区形成在下部区的上方，并且通过比下部区可更容易磨耗而被优化以最小化叶片尖端间隙和磨损。热喷涂可磨耗层可磨耗部件的各种实施例利用具有比下部区肋结构更小的横截面面积的上部子脊或者尖突实现更容易的上部区的磨耗性。在一些实施例中，上部子脊或者尖突被形成为在较小程度的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片尖端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化成上部磨损区的阵列，使得仅与一个或多个叶片尖端局部接触的那些尖突被磨损，同时在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，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，当上部区脊部分被磨掉时，余下的下部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，叶片尖端磨掉在该位置处的下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧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。在根据本发明的实施例构造的可磨耗部件中，能够采用两个以上的分层磨损区（例如，上部磨损区、中部磨损区和下部磨损区）。

在一些实施例中，热喷涂可磨耗层中的脊和槽轮廓以及平面形态阵列通过形成具有选定定向角度和/或横截面轮廓（被选择以减少叶片尖端泄漏并且改变脊横截面）的多层槽被局部地或者贯穿可磨耗部件普遍地调整。在一些实施例中，可磨耗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，而且还促进比已知可磨耗部件更简单的制造技术。

在一些实施例中，可磨耗部件及其可磨耗表面由已知组分的多层热喷涂陶瓷材料构造并且以已知层样式/尺寸在金属支撑层上构造。在实施例中，脊通过已知的增材过程构造在可磨耗表面上，其中所述已知的增材过程包括热喷涂（不使用掩模或者通过掩模）、层打印或者以其他方式将陶瓷或金属/陶瓷材料施加至金属基底（具有或者不具有下层附加支撑结构）。槽被限定在毗邻添加的脊结构之间的空中。在其他实施例中，通过使用已知过程（例如，机加工、研磨、水射流或者激光切割或者它们中的任何的组合）从热喷涂基底磨耗或者以其他方式移除材料来构造槽，其中槽壁限定分开的脊。本文中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。利用适于联接至涡轮发动机壳体的已知支撑结构和已知可磨耗表面材料组成（诸如，粘合覆层基部、热覆层以及一层或多层抗热/耐热顶部覆层）构造可磨耗部件。例如，上部磨损区能够由热喷涂可磨耗材料构造，所述热喷涂可磨耗材料具有与紧接着在其下的另一热喷覆层或者其他相继层不同的组成和物理性质。

尽管本文中未详细具体地描述本发明的实施例和特征的每一种可能组合，但是本文中所描述的各种热喷涂金属支撑层可磨耗部件的脊和槽轮廓以及槽和脊的阵列能够被组合以满足不同涡轮机应用的性能需求。

可磨耗表面平面形态

图12-37以及图57中示出了示例性发明实施例的可磨耗表面脊和槽平面形态样式。与一致地横过整个可磨耗表面的已知可磨耗平面形态样式不同，许多本发明的平面形态样式实施例是具有不同的向前上游（区A）和向后下游样式（区B）的复合多槽/脊样式。这些组合的区A和区B脊/槽阵列平面形态引导截获在槽内侧的气体流动朝向下游燃烧流动F方向，以阻止气体流动泄漏沿局部叶片泄漏方向L直接从涡轮翼面的压力侧朝向翼面的抽吸侧。向前区大体上限定在叶片92翼面的前缘和中弦线之间的在截点处，在所述截点处，平行于涡轮机80轴线的线大致与翼面的压力侧表面相切。从更加粗略概括的视角来看，向前区A的轴向长度还能够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。阵列样式的余下部分包括向后区B。根据本发明的实施例能够构造两个以上的轴向定向的平面形态阵列。例如，能够在可磨耗部件表面上构造向前、中部以及向后脊/槽阵列平面形态。

图12-19、图21、图22、图34-35、图37和图57中示出的实施例具有曲棍球棒状平面形态样式。向前上游区A的槽和脊大体平行（+/-10%）于涡轮机80（见图1）内的燃烧气体轴向流动方向F对齐。向后下游区B的槽和脊成角度地定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的弧形角度或后缘角度的近似30%至120%。为了设计方便，下游角度选择能够被选择成与下述任一项相匹配：涡轮叶片高压或低压平均的（线性平均线）侧壁表面或者弧形角度（例如，见图14的在高压侧上的角度α_B2，始于区B开始表面处并且止于叶片后缘处）、后缘角度（例如，见图15的角度α_B1）、匹配前缘和后缘之间的连接的角度（例如，见图14的角度α_B1）或者在这种叶片几何结构建立的角度之间的任何角度，诸如α_B3。曲棍球棒状脊和槽阵列平面形态样式与纯粹水平或者对角的已知平面形态阵列样式一样相对容易形成在可磨耗表面上，但在流体流动模拟中，曲棍球棒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。曲棍球棒状样式通过已知的切割/磨耗或者增层构建方法形成，这些已知方法先前已被用于形成已知的可磨耗部件脊和槽样式。

在图12中，可磨耗部件160具有相对于轴向涡轮机轴向流动方向F定向在+/-10度以内的角度α_A的向前脊/脊尖端162A/164A以及槽168A。向后脊/脊尖端162B/164B以及槽168B被定向在近似涡轮叶片92后缘角度的角度αB。如图12中示意性地示出的，向前脊162A阻挡向前区A的叶片泄漏方向并且后脊162B阻挡向后区B的叶片泄漏L。水平间隔部脊169周期性地定向为轴向地横过整个叶片92的占用空间（footprint）并且围绕可磨耗部件表面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，可磨耗表面减小可引起叶片尖端接触和磨损的潜在表面面积。

图13的可磨耗部件170实施例类似于图12的可磨耗部件实施例，其中向前部分脊172A/174A以及槽178A定向为大体上平行于涡轮机燃烧气体流动方向F，而后脊172B/174B以及槽178B定向在角度α_B，该角度α_B近似等于在始于区B的涡轮叶片92的压力侧到叶片后缘之间形成的角度。与图12的实施例一样，水平间隔部脊179周期性地定向为轴向地横过整个叶片92的占用空间并且围绕可磨耗部件表面167的周边，以便阻挡和中断叶片尖端泄漏L。

图14的可磨耗部件180实施例类似于图12和图13的实施例，其中向前部分脊182A/184A以及槽188A定向为大体上平行于涡轮机燃烧气体流动方向F，同时后脊182B/184B以及槽188B选择性地定向在角度α_B1至α_B3中的任何角度。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近似平行于与向后区B成相对关系的涡轮叶片92高压侧壁的部分。如图14中所示，后脊182B/184B以及槽188B实际上定向在角度α_B3，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周期性地定向为轴向地横过整个叶片92的占用空间并且围绕可磨耗部件表面187的周边，以便阻挡和中断叶片尖端泄漏L。

在图15的可磨耗部件190实施例中，向前脊192A/194A和槽198A以及角度α_A类似于图14的向前脊和槽以及角度，但向后脊192B/194B以及槽198B具有比图14更窄的间隔和宽度。图15中所示的向后脊192B/194B以及槽198B的替代角度α_B1与涡轮叶片92的后缘角度相匹配，图12中的角度α_B也是如此。实际角度α_B2近似平行于与向后区B成相对关系的涡轮叶片92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，尽管也能够利用角度或者间隔部脊的其他阵列。

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，可磨耗部件200包含全长间隔部脊209以及附加的向前间隔部脊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，附加向前间隔部脊209A插在全长脊之间。附加向前间隔部脊209A在接近前缘的叶片92部分中提供附加阻挡或叶片尖端泄漏。在图17的实施例中，可磨耗部件210具有全长间隔部脊219以及向前间隔部脊219A和向后间隔部脊219B的周向交错阵列的样式。当叶片92扫掠可磨耗部件210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，而没有贯穿可能引起过早叶片尖端磨损的扫掠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，但本发明的其他实施例包括竖直间隔部脊。更具体地，图18和图19的可磨耗部件220实施例包含向前脊222A，该向前脊222A之间是槽228A。这些槽由交错的向前竖直脊223A截断，该交错的向前竖直脊223A与向前脊222A相互连接。竖直如图18中所示，交错的向前竖直脊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在向前区A与向后区B之间的过渡区T中定向。向后脊222B和槽228B成角度地定向，从而与向前脊222A和槽228A完成曲棍球棒状平面形态阵列。交错的后竖直脊223B类似于向前竖直脊223A那样成阵列。竖直脊223A/B和229中断从向前部分至向后部分横过可磨耗部件220的槽的大体轴向的气流泄漏，否则大体轴向气流泄漏将在图12-17的未截断全长槽实施例的情况下发生，但潜在的缺点是在每个与竖直脊中的一个的潜在摩擦接触点处的增加的叶片尖端磨损。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，而不引入对于涡轮叶片尖端的潜在的360度摩擦表面。对于连续竖直脊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，但仍在向前槽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示出具有连续槽的曲棍球棒状脊/槽样式阵列平面形态（实线）和具有由交错竖直脊中断的分裂槽的曲棍球棒状脊/槽样式阵列平面形态（虚线）之间的模拟流体流动对比。对于总叶片尖端泄漏质量通量（相应线下方的面积）来说，分裂槽阵列样式的低于连续槽阵列样式的。

中断槽中的气流的交错脊不必须沿叶片旋转的方向R竖直地对齐。如图21中所示，可磨耗部件230具有被脊233A/B（α_A，α_B）的成角度的样式截断的相应向前脊和向后脊232A/B和槽238A/B的样式，所述脊233A/B连接在向前脊和向后脊的相继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，可磨耗部件230具有位于向前区A与向后区B之间的过渡部处的连续竖直对齐的脊239。脊232A和233A/B的交叉成角度的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。

注意到的是，图12-19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可磨耗部件阵列中具有不同的相对高度，并在部件内可以在高度上不同于其他脊阵列中的一个或多个。例如，如果间隔部脊高度小于可磨耗表面中的其他脊的高度，则其可能永远不与叶片尖端接触，但仍能够起到中断沿毗邻被截断的槽的气流的作用。

图22是曲棍球棒状平面形态样式可磨耗部件240的替代实施例，其结合了不同的向前区A和向后区B的相应脊242A/B和槽248A/B样式的实施例理念，所述相应脊242A/B和槽248A/B样式在过渡部T处交叉而没有任何竖直脊使上述区彼此分开。因此，槽248A/B形成从可磨耗部件240的前缘或者向前缘至其向后最下游边缘（见流动方向F箭头）的连续复合槽，其被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的在可磨耗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的相对长的延伸仅仅由小的竖直脊243A/B周期性地截断，这使得易于通过水射流侵蚀或者其他已知制造技术制造。可磨耗部件240实施例提供了在气流性能、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23-25示出了包括之字形样式的可磨耗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可磨耗表面基底上以形成脊，或者通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽。在图23中，可磨耗部件250基底表面257具有形成于其中的连续槽258，连续槽258始于258’且终止于258’’限定交替的指状交错脊252的样式。在可磨耗部件中也可以形成其他槽和脊之字形样式。如图24的实施例中所示，可磨耗部件260具有连续样式对角定向的始于268’且终止于268’’的槽268在基底表面267中形成，留下成角度定向的脊262。在图25中，可磨耗部件实施例270具有V形或者曲棍球棒状双区多槽样式，该样式由基底表面277中的成对的槽278A和278B形成。槽278始于278’且终止于278’’。为了在整个基底表面277上完成V形或者曲棍球棒状样式，第二槽278A形成于可磨耗部件270的底部左手侧部分中，始于278A’且终止于278A’’。相应的叶片尖端泄漏L流动引导的向前脊和后脊，272A和272B，形成于可磨耗表面277的相应向前区和向后区中，如对图12-19、图21和图22的可磨耗实施例所做的那样。槽258、268、278或者278A不必连续形成，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26-29示出包括嵌套回环样式的可磨耗部件脊和槽平面形态阵列的实施例。嵌套回环样式通过以下方式形成：通过将一层或多层材料添加在可磨耗表面基底上以形成脊，或者通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽。图26的可磨耗部件280实施例具有被水平定向的间隔部脊289分开的竖直定向的嵌套回环样式281的阵列。每个回环样式281具有嵌套的槽288A-288E以及对应的互补脊，该对应互补脊包括中央脊282A、回环脊282B-282E。在图27中，可磨耗部件280’包括在向前区A中的嵌套回环281A和在向后区B中的嵌套回环281B的样式。嵌套回环281A和281B被间隔部脊既在水平方向上289又在竖直方向上289A分开。在图28的可磨耗实施例280’’中，嵌套回环281’’的水平部分被以角度α定向。在图29的可磨耗实施例280’’’中，嵌套的大体上水平或者轴向的回环281A’’’和281B’’’在分开的向前区A和向后区B阵列中以相应角度α_A和α_B成阵列。可以改变向前角度和向后角度及回环尺寸以最小化每个区中的叶片尖端泄漏。

图30-33示出了包括类似于嵌套回环样式的螺旋迷宫样式的可磨耗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可磨耗表面基底上以形成脊来形成迷宫样式。替代地，如在这些相关图中所示，通过诸如通过已知激光或者水射流切割方法在基底内形成槽来创建迷宫样式。图30的可磨耗部件290实施例具有竖直定向的嵌套迷宫样式291的阵列，每个嵌套迷宫样式均始于291A且终止于291B，且嵌套迷宫样式291被水平定向的间隔部脊299分开。在图31中，可磨耗部件290’包括在向前区A中的嵌套迷宫291A和在向后区B中的嵌套迷宫291B的样式。嵌套迷宫291A和291B被间隔部脊既在水平方向上299’又在竖直方向上293’分开。在图32的可磨耗实施例290’’中，嵌套迷宫291’’的水平部分以角度α定向。在图33的可磨耗实施例290’’’中，迷宫291A’’’和291B’’’的大体上水平的部分在分开的向前区A和向后区B阵列中以相应角度α_A和α_B成阵列，并且大体上竖直的部分与叶片旋转扫掠对齐。可以改变向前角度α_A和向后角度α_B及迷宫尺寸以最小化每个区中的叶片尖端泄漏。

图34和图35涉及可磨耗部件300实施例，该可磨耗部件300实施例在相应向前区A和向后区B中具有分开的且不同的多阵列脊302A/302B和槽308A/308B样式，所述向前区A和向后区B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在可磨耗部件300表面内形成为闭合回环，围绕对应肋302A/B/T。肋之间的间隔S_RA、S_RB和S_RT以及对应槽间隔可以轴向地和竖直地改变横过部件表面，以便使局部叶片尖端泄漏最小化。如将在本文中更详细地描述的，肋和槽的横截面轮廓可以不对称并且相对于可磨耗部件300表面以不同角度形成，以便减少局部叶片尖端泄漏。图36示出可磨耗部件中的相当深度的脊和槽轮廓的对比流体动力学模拟。实线表示图34和图35的类型的可磨耗部件中的叶片尖端泄漏。虚线表示仅具有轴向或者水平定向的肋和槽的现有技术类型的可磨耗部件表面。点线表示仅具有与对应涡轮叶片92的后缘角度对齐的对角地定向的肋和槽的类似于图7的现有技术的可磨耗部件。可磨耗部件300具有比已知现有技术类型的单向可磨耗表面脊和槽样式中的任意一者泄漏更少的叶片尖端泄漏。

可磨耗表面脊和槽的横截面轮廓

图37-41和图43-63示出示例性发明实施例可磨耗表面脊和槽横截面轮廓。与横过整个可磨耗表面的具有一致高度的已知可磨耗横截面轮廓样式不同，在热喷涂可磨耗层中形成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，该样式具有不同的上部磨损区（区I）和下部磨损区（区Ⅱ）。下部区II优化发动机气流和结构特性，而上部区I通过比下部区更易磨耗而最小化叶片尖端间隙和磨损。可磨耗部件的各种实施例利用上部子脊或者尖突实现上部区的更易磨耗性，该上部子脊或者尖突具有比下部区肋结构更小的横截面面积。在一些实施例中，上部子脊或者尖突形成为在较小程度的叶片尖端接触的情况下弯曲或者以其他方式挠曲，并且在更大程度的叶片尖端接触的情况下磨掉和/或剪掉。在其他实施例中，上部区子脊或者尖突被像素化成上部磨损区的阵列，以便仅那些与一个或多个叶片尖端局部接触的尖突被磨损，而在局部磨损区外侧的其他尖突则保持完好。尽管脊的上部区部分被磨掉，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并且实现比CMC/FGI可磨耗部件构造更大的轮廓形成灵活性，其中CMC/FGI可磨耗部件构造需要围绕复合中空陶瓷球基体定向和直径的物理约束形成轮廓。在本发明的实施例中，当上部区脊部分被磨掉时，余下的下部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，叶片尖端磨掉在该位置处的下部脊部分。然而，在该下部脊部分局部磨损区域外侧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。

具有渐进式磨损区的本发明的一些实施例的构造中，叶片尖端间隙G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设计规格为1mm，则磨损区1中的更高脊能够在高度上增加，使得叶片尖端间隙减小至0.5mm。为磨损区II建立边界的更低脊的高度设定为使得其远端尖端部分与叶片尖端间隔开1mm。按照这种方式，对于常规涡轮机操作来说，建立了缩短50%的叶片尖端间隙G，并且接受由叶片与区I中的上部脊的接触所引起的一些潜在磨损。只有在叶片尖端侵入下部区中时，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，1mm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，上部区I高度是下部区II高度的近似1/3至2/3。

图37-41的可磨耗部件310具有交替高度的弯曲脊312A和312B，该弯曲脊312A和312B从可磨耗表面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向下到更低脊312B的相应尖端314B。磨损区II被建立为从尖端314B向下到基底表面317。在涡轮机操作条件下（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。当叶片间隙G被维持时，叶片泄漏L沿叶片92旋转方向（箭头R）从叶片的更高压力侧96（在压力P_P下）行进至叶片的低压力或者抽吸压力侧98（在压力P_S下）。叶片尖端94下的叶片泄漏L被部分地截留在相对成对的更高脊312A与中间更低脊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他原因使得对于任一个或多个叶片的叶片尖端间隙G变小，则在叶片尖端94与可磨耗部件310之间的最初接触将发生在更高脊尖端314A处。虽然仍在区I中，但叶片尖端94仅与交替交错的更高脊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中被磨损并且开始接触区II中的更低脊尖端314B。一旦在区II中，涡轮叶片尖端94在局部磨损区摩擦所有余下的脊314A/B，但在涡轮壳体的其他局部部分中，叶片尖端间隙G可能未减小并且上部脊312A可以在其全高度上保持完好。因此，可磨耗部件310的交替高度肋构造适应区I和区II内的局部磨损，但是在不存在涡轮壳体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（具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。通常，用于更低脊尖端314B的脊高度H_RB是在更高脊尖端314A的高度H_RA的25%至75%之间。在图41中所示的实施例中，在相继的更高脊312A之间的中心线间隔S_RA等于在相继的更低脊312B之间的中心线间隔S_RB。还能够采用多高度脊（包括两个以上的脊高度）的其他中心线间隔和样式。

具有上部磨损区和下部磨损区的脊和槽轮廓的其他实施例包括图43和图44的阶梯状脊轮廓，其与图42中的现有技术可磨耗件150的已知单一高度脊结构相比较。已知单一高度脊可磨耗件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、156。脊尖端154具有共同高度并且与相对的、间隔开的叶片尖端94建立叶片尖端间隙G。槽158在脊152之间形成。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的阶梯状脊轮廓在脊结构上采用两个不同的上部磨损区和下部磨损区。

图43的可磨耗部件320具有支撑表面321和可磨耗表面327，该可磨耗表面327上阵列有不同的双层脊：下部脊322B和上部脊322A。下部脊322B具有终止于具有高度H_RB的平台324B中的成对的侧壁325B和326B。上部脊322A形成在平台324B上且从平台324B突出，上部脊322A具有终止于具有高度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与相对的间隔开的叶片尖端94建立叶片尖端间隙G。磨损区II从可磨耗表面327竖直延伸至平台324B，并且磨损区I从平台324B竖直延伸至脊尖端324A。图43中的两个最右侧脊322A/B具有不对称轮廓，该不对称轮廓具有合并的共同侧壁326A/B，而相对的侧壁325A和325B彼此横向地偏置并且由具有宽度W_P的平台324B分开。槽328限定在脊322A/B之间。最左侧脊322A’/B’具有对称轮廓。下部脊322B’具有终止于平台324B’中的成对互相靠拢的侧壁325B’和326B’。上部脊322A’在平台324B’上居中，使得相对于上部脊侧壁325A’和326A’具有相等宽度偏置W_P’。上部脊尖端324A’具有宽度W_R’。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。在本文中所描述的可磨耗部件的脊和槽轮廓的一些示例性实施例中，槽宽度W_G是下部脊宽度的近似1/3至2/3。尽管图43中所示的脊和槽对称地间隔开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

图44示出具有脊332A/B的另一阶梯状轮廓可磨耗部件330，该脊332A/B具有竖直定向的平行侧壁335A/B和336A/B。下部脊终止于脊平台334B中，上部脊332A定向在该平台334B上并且终止于脊尖端334A中。在一些应用中，可以期望的是采用限定锐利转角轮廓的竖直定向的侧壁以及平坦尖端/平台，用于在叶片尖端间隙中进行气流控制。上部磨损区I在脊尖端334A与脊平台334B之间并且下部磨损区在平台与可磨耗表面337之间。与图43的可磨耗实施例320一样，尽管图44中所示的脊和槽对称地间隔开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

在阶梯状脊构造可磨耗部件的另一排列或者种类中，如在图45中所示的可磨耗件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分开的上部磨损区I和下部磨损区II。下部肋342B具有肋平台344B，其与可磨耗表面347共同限定磨损区II。该肋平台344B支撑成对的相对的横向在侧面的上部肋342A，该上部肋342A终止于共同高度的肋尖端344A中。磨损区I被限定在肋尖端344A与平台344B之间。形成可磨耗部件340轮廓的一种便捷方式是以相应深度D_GA和D_GB在平坦表面的可磨耗基底中切割出双深度槽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开，但也可以选择其他间隔轮廓，包括形成阶梯状磨损区I和II的不同脊横截面轮廓。

如图46中所示，在一些涡轮机应用中，可以期望的是通过采用具有不对称轮廓的可磨耗脊352的可磨耗部件350实施例来控制叶片尖端泄漏，其中不对称轮廓的可磨耗脊352具有竖直定向的边缘锐利的上游侧壁356和倾斜的相对的下游侧壁355，该侧壁从基底表面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流向更低压的抽吸叶片侧98时在脊尖端354与相对叶片尖端94之间被压缩。该泄漏流动沿循向下倾斜的脊壁355，在该处，通过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进一步进入的泄漏气流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的可磨耗部件实施例350未采用其他先前描述的可磨耗部件轮廓的渐进式磨损区I和II，但这种区可以合并在其他下文描述的不对称轮廓肋实施例中。

通过在肋中切出槽，能够将渐进式磨损区合并在不对称肋或者任何其他肋轮廓中，以便在槽切口侧面的余下的竖立肋材料具有比余下的下层肋更小的水平横截面面积。槽的定向和轮廓也可以被调整以通过减少非期望的叶片尖端泄漏来改进涡轮发动机的气流特性，如在本文中将随后描述的图47的实施例中示出的。以此方式，热喷涂可磨耗部件表面构造为既具有改进的气流特性又减少了潜在叶片尖端磨损，这是由于叶片尖端仅与更易磨耗上部磨损区I的部分接触。下部磨损区II保持在槽深度下方的下部肋结构中。现在描述用于形成渐进式磨损区的可磨耗部件的脊和槽轮廓的其他示例性实施例。这些额外实施例中与先前描述的实施例所共有的结构特征和部件尺寸参考用类似系列的参考数字和符号来标记，且不再进一步详细描述。

图47示出可磨耗部件360，其具有图46可磨耗部件350的肋横截面轮廓，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之间至基底表面367。上部槽368A形成包括磨损区I的更浅深度D_G的横向脊，而在该槽深度下方的脊362的余下部分包括下部磨损区II。在该可磨耗部件实施例360中，上部槽368A定向为平行于脊362的纵轴线并且垂直于脊尖端364表面，但也可以采用其他槽定向、轮廓和深度以优化气流控制和/或最小化叶片尖端磨损。

在图48的可磨耗部件370实施例中，多个上部槽378A相对于脊尖端374以角度γ、深度D_GA向前-向后偏斜，并且具有平行的槽侧壁。上部磨损区I建立在槽378A的底部与脊尖端374之间，并且下部磨损区II在上部磨损区下方向下至基底表面377。在图49的替代实施例中，可磨耗部件380具有的上部槽388A具有矩形轮廓及其侧壁385/386，该矩形轮廓相对于脊382纵向轴线以角度Δ歪斜。如图所示的上部槽388A还垂直于脊尖端384表面。上部磨损区I在槽深度D_GA上方，并且磨损区II在槽深度下方向下至基底表面387。为了简洁起见，用与先前描述的可磨耗表面轮廓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余下部分，并且该余下部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

如图50-52中所示，上部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定向。而且，上部槽可以用在具有不同的横截面轮廓的脊中。可磨耗部件实施例390、400和410的脊具有互相靠拢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，相应的上部磨损区I从脊尖端至槽深度D_G的底部，并且下部磨损区II从槽底部至基底表面。在图50中，上部槽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偏斜，并且在图52中槽418A相对于基底表面以角度-ε偏斜。在可磨耗部件实施例400和410两者中，上部槽侧壁以角度Φ叉开。为了简洁起见，用与先前描述的可磨耗表面轮廓实施例相同的惯例来标注图50-52中的结构特征和尺寸的余下部分，并且该余下部分具有与先前描述相同的功能、目的和关系。

在图53-56中，示出的可磨耗脊实施例具有梯形横截面轮廓并且脊尖端具有呈各种定向的上部槽，用于选择性气流控制，同时还具有选择性的上部磨损区和下部磨损区。在图53中，可磨耗部件430实施例具有被下部槽438B分开的具有不对称横截面轮廓的脊432的阵列。每个脊432均具有第一侧壁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均具有上部槽438A，该上部槽438A平行于脊纵向轴线并且垂直于脊尖端434。上部槽438A的深度限定上部磨损区I的下限，并且脊432的余下高度限定下部磨损区II。

在图54-56中，相应的脊422、442和452的横截面是具有以角度β定向的平行侧壁425/445/455和426/446/456的梯形。右侧壁426/446/456定向为与叶片旋转方向相对地倾斜，使得截留在两个邻近的脊之间的中间下部槽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的不对称可磨耗轮廓350中所示出和描述的那样。相应的上部槽428A/448A/458A的定向和轮廓也被更改以引导气流泄漏和形成上部磨损区I。槽轮廓在从没有叉开的平行侧壁至以角度Φ负叉开或者正叉开的范围中被选择性地更改，该槽具有变化的深度D_G，并且相对于脊尖端表面以变化的角度定向ε。在图54中，上部槽428A定向为垂直于脊尖端424表面（ε=90°）。在图55和图56中，相应的上部槽448A和458A相对于其对应的脊尖端表面以角度+/-ε定向。

图57示出可磨耗部件460平面形态，其包含多级槽和上部/下部磨损区，其中向前A和向后B脊462A/462B被下部槽468A/B分开，该下部槽468A/B以相应角度α_A/B定向。图49的实施例中所示的类型的向前和向后的上部部分深度的槽463A/B的阵列形成于脊462A/B的相应阵列中，并且定向为以相应角度β_A/B横贯脊和全深度槽468A/B。上部部分深度的槽463A/B限定可磨耗部件460上部磨损区I的竖直边界，而在这些部分深度的上部槽下方的脊的余下部分限定下部磨损区II的竖直边界。

利用热喷涂可磨耗部件构造，热喷涂可磨耗材料的上部磨损区I的横截面和高度能够被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或者尖突的阵列（如图58中所示），而没有关于在CMC/FGI可磨耗部件构造中围绕中空陶瓷球形成槽的上述几何限制，并且该设计受益于使用金属可磨耗部件支撑结构。可磨耗部件470包括先前描述的金属支撑表面471，其中下部槽和脊的阵列形成下部磨损区II。具体地，下部脊472B具有终止于脊平台474B中的侧壁475B和476B。下部槽478B由脊侧壁475B和476B以及基底表面477限定。微型肋或者尖突472A通过已知增材过程在下部脊平台474B上形成或者通过在下部脊472B内形成交叉槽478A和478C的阵列而形成，而没有否则将在CMC/FGI可磨耗部件设计中被强加的任何中空球完整性保持几何结构的约束。在图58的实施例中，尖突472A具有方形或者其他矩形横截面，其由终止于共同高度的脊尖端474A中的竖立侧壁475A、475C、476A和476C限定。也能够利用其他尖突472A横截面平面形态形状，包括作为示例的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突阵列。

在图60的替代实施例中，竖立像素化尖突472A’的远端肋尖端474A’由热喷涂材料480构造，该材料480具有与下部热喷涂材料482不同的物理性质和/或组成。例如，上部远端材料480能够构造为比下部材料482更容易或者更不耐磨耗的磨耗性质（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能够设计为比在先前已知可磨耗部件中所使用的间隙更小，以减少叶片尖端泄漏，使得进入材料480中的任何局部叶片侵入更不可能使叶片尖端磨损，即使这种接触变得更加可能。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，以及其在标准的或者快速启动的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中标记出了尖突472A和槽478A/C尺寸边界，这与在现有实施例中所描述的那些一致。通常，尖突472A高度H_RA的范围为叶片尖端间隙G的近似20%-100%，或者为下部脊472B和尖突472A的总脊高度的近似1/3-2/3。尖突472A横截面的范围为尖突高度H_RA的近似20%至50%。尖突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）被选择以平衡可磨耗部件470的耐磨性、耐热性、结构稳定性和气流特性。例如，在受控密度的热喷涂陶瓷可磨耗件中产生的多个小宽度尖突472A为热气体提供高泄漏保护。这些能够仅仅处在高侵入倾向区域处或者处在整个发动机组中。建议的是，如果需要额外密封，则这经由增加维持其低强度的多个脊来完成而不是通过增加脊的宽度。典型的尖突中心线间隔S_RA/B或者尖突472A的结构和阵列样式密度选择使得像素化的尖突能够在不同模式中响应于叶片尖端94侵入的变化的深度，如图61-63中所示。

在图61中，不存在叶片尖端间隙G或者实际上存在负的叶片尖端间隙G，这是因为涡轮叶片尖端94与像素化尖突472A的脊尖端474A接触。叶片尖端94接触侵入使像素化尖突472A挠曲。在图62中，叶片尖端更深地侵入至可磨耗部件470中，引起尖突472A磨损。断裂或者剪掉下部肋平台474B，使得在其间留下残留叶片尖端间隙。以此方式，存在叶片尖端与残留破裂尖突残根472A（如果有）的最小接触，而磨损区II中的下部脊472B维持叶片尖端泄漏的气流控制。在图63中，叶片尖端94已经侵入到磨损区II中的下部肋472B的下部脊平台474B中。返回到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，尖突472A能够以交替高度H_RA样式成阵列：更高的尖突用于标准启动优化并且更低的尖突用于快速启动优化。在快速启动模式中，交替尖突472A的更高尖突断裂，留下交替尖突中的更低尖突以便维持叶片尖端间隙G。具有易碎肋或者尖突的示例性热喷涂的可磨耗部件具有的高度H_RA与宽度W_RA的比大于1。通常在脊或者尖突的顶点处测量的宽度W_RA将为0.5mm至2mm，并且其高度H_RA由发动机侵入需要确定，并且维持大于1的高度与宽度比（H_RA/W_RA）。建议的是，在需要额外密封的情况下，这经由增加多个脊或者尖突（即，窄宽度的尖突或者脊的更大的分布密度，从而维持其低强度）来完成而不是通过增加脊或者尖突的宽度W_RA来完成。对于需要低速可磨耗系统的发动机中的区，脊或者尖突的宽度与槽宽度的比（W_RA/W_GA）优选地小于1。对于通常不需要易于叶片尖端磨耗性的发动机可磨耗部件表面区或者区域，为了空气动力学密封能力优选地使可磨耗表面横截面轮廓最大化（例如，小的叶片尖端间隙G和最小化的叶片尖端泄漏），这是通过应用本发明的表面平面形态和横截面轮廓实施例，其中脊/尖突与槽宽度的比大于1。

叶片深度侵入到周向可磨耗表面中的多种模式可以发生在任何涡轮发动机中的不同位置处。因此，在任何局部周向位置处的可磨耗表面构造都可以被选择性地改变以补偿叶片侵入的可能程度。例如，返回参照图3-6中的燃气涡轮发动机80的典型已知的周向磨损区样式，3:00位置和6:00位置处的叶片尖端间隙G可以比12:00和9:00周向位置处的那些磨损样式更小。预见到在12:00位置和6:00位置处更大的磨损，能够选择下部脊高度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他上部磨损区I脊结构高度H_RA、横截面宽度、及尖突间隔密度以在围绕涡轮壳体的其他周向位置（在该处可能引起叶片尖端94侵入到可磨耗表面层中的可磨耗部件和壳体变形的可能性更小或者最小）中建立小的“最佳状况”叶片尖端间隙G。以图62的易碎脊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的启动模式时），叶片94冲击易碎脊472A或者472A'——该脊在高载荷下断裂，从而仅在冲击区处增加空隙——从而在非最佳可磨耗条件下限制叶片尖端磨损。通常，可磨耗部件中的上部磨损区I脊高度能够被选择为使得理想叶片尖端间隙为0.25mm。该3:00和9:00涡轮壳体周向磨损区（例如，图6的124和128）很可能贯穿发动机操作循环都维持期望的0.25mm叶片尖端间隙，但在其他周向位置处涡轮壳体/可磨耗部件变形的可能性更大。可以选择下部脊高度成在1.0mm的理想叶片尖端间隙下设置其脊尖端，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置下部磨损区II的边界的下部脊尖端。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中，则所得的叶片尖端磨损操作条件也不比先前已知的可磨耗层构造的情况更糟糕。然而，在围绕可磨耗层的局部周向位置的余下部分中，涡轮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，其中叶片尖端上很少有或没有不利增加的磨损。

包括像素化的非连续微型表面特征（MSF）的主平面形态样式（PMPP）的实施例

本文中描述的实施例可以容易地在用于涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机）的可磨耗部件中使用。在各种实施例中，可磨耗部件包括用于联接至涡轮机壳体的支撑表面和热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，该热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底联接至支撑表面用于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向。包括多个非连续微型表面特征（MSF）的细长像素化的主平面形态样式（PMPP）从基底表面突出，横过大部分周向扫掠路径从涡轮机叶片的尖端到尾端。在一些示例性实施例中，PMPP聚合平面形态模拟了实心凸出肋可磨耗部件的总体平面形态，诸如弯曲的或者对角的已知设计。在其它示例性实施例中，PMPP聚合平面形态模拟本发明的肋和槽的平面形态，曲棍球棒状、之字形、嵌套回环、迷宫和变化曲线的实施例在本文中示出和描述。PMPP沿着扫掠路径在叶片尖端旋转方向上径向地重复，用于在叶片尖端与基底表面之间选择性地引导气流。每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，该成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的宽度、长度和高度。在一些实施例中，MSF长度和在每个MSF之间限定的间隙的比在大约1:1至1：3的范围内。在其它实施例中，MSF宽度和间隙的比在大约1:3至1:5的范围内。在一些实施例中，MSF高度和宽度的比为大约0.5至1.0。特征尺寸可以（但不限于）在1mm至3mm之间，其中壁的高度在0.1mm至2mm之间，且壁的厚度在0.2mm至1mm之间。在一些实施例中，PMPP具有第一高度MSF和更高的第二高度MSF。

在一些实施例的PMPP中的MSF由直接成形在基底材料中的铸造的或工程化的表面特征产生。在其它实施例中，PMPP中的MSF通过烧蚀或者增材表面改变技术（诸如，水射流或者电子束或者激光切割或者通过激光烧结方法）在基底中或者上覆的粘结覆层（bondcoat，BC）层中产生。工程化表面特征将随后被利用高温可磨耗热障覆层（thermal barriercoating， TBC）涂覆（具有或者没有应用于PMPP中的工程化MSF特征上的中间粘结涂覆层）以产生将比现有技术状态的覆层更有效地磨耗的不连续表面。一旦（被经过的叶片尖端）接触，释放出的（磨耗的）颗粒经由曲折盘绕的（在表面之上或者之下）路径被移除到在MSF之间的间隙中或者在MSF之间的可磨耗表面内形成的额外的狭槽中。可选的连续狭槽和/或者间隙定向为以便提供用于热气喷射的曲折路径，从而保持主（接触）表面的密封效率。减小在叶片尖端和不连续MSF之间的潜在摩擦接触表面积的表面配置减小了在叶片尖端中产生的摩擦热。叶片尖端中的减少的摩擦热潜在地减少了已磨损叶片尖端材料损失，这种损失可归因于尖端过热和至可磨耗件的表面的金属涂抹/转移。进一步的益处包括在MSF之上沉积与通常可能的具有已知连续可磨耗肋设计相比更厚、更牢固的热障覆层，从而给予环形部段潜在延长的设计寿命。

包括具有非连续MSF的PMPP工程化特征的本发明的可磨耗实施例，促进潜在叶片摩擦表面面积的优化、优化的用于引导气流到可磨耗表面/叶片尖端间隙的PMPP的角度和平面形态、以及优化的用于在可磨耗件/叶片尖端摩擦期间产生的已磨耗颗粒的下层流动/喷射路径。最简单形式的微型表面特征（MSF）可以是基本形状的几何结构，其以单元细胞（unit cell）重复横过环形部段的表面并具有在相应单元细胞之间的间隙。单元细胞MSF与聚合形成PMPP的更大样式的像素类似。在更优化的形式中，可以根据操作期间的部件的热行为的叶片尖端关系的要求而修改MSF。在这种环境中，可以在表面内修改特征深度、定向、角度和纵横比，以产生从叶片扫掠的开始到结束都优化的可磨耗性能。其它优化参数包括热喷涂设备形成TBC以渗入表面内的全部俘获区域的能力并且允许横过整个表面的有效的连续TBC覆层。

如前所述，具有包括MSF的阵列的PMPP的可磨耗部件的形成是通过在可磨耗基底的制造期间将MSF直接铸造在可磨耗基底中，或者通过增材制造技术（诸如，电子束或者激光束沉积），或者通过基底材料的烧蚀。在首先提到的形成过程中，可以在蜡模中形成表面特征，然后用壳包被蜡模并且在每个标准化的熔模铸造程序中浇铸。替代地，可以在蜡模外侧使用陶瓷壳插入件以形成壳结构的一部分。在利用陶瓷壳插入件时，能够在可磨耗部件制造处理过程中更有效地保护MSF并且能够具有更独特的特征形状和几何结构（即，能够包含在不会在常规用壳包被操作中存留的底切或者易碎的凸出特征）。

MSF可以是交错的（台阶的）以接收等离子溅射并且具体地使等离子溅射偏转以用于最佳的TBC穿透。铸造并且沉积在基底上的表面特征可以不必需在形式上完全转化至TBC全涂覆的表面。在涂覆期间，陶瓷沉积将会以大体转化的性质建立在基底上，但是不会直接复制原来的工程化表面特征。热喷涂厚度也可以是决定最终的表面形式的因素。一般而言，热喷涂覆层越厚，最终的表面几何结构越消散。在设计工程化表面特征（初始大小和纵横比）时，这不一定成问题，但是需要考虑。例如，形成于基底中的倒V形MSF，当其随后被中间粘结涂覆层和TBC顶部层进行涂覆时，在完成的可磨耗表面突出轮廓中可能消散为新月形的或者山形的凸出。

当在图64-83中示出示例性MSF单元细胞，这些被提供用于尺寸上的考虑。为了有效的尺寸上的引导，可以将单元细胞大小考虑成大小在1mm至12mm范围内的立方体。立方体尺寸的变化也可以适用于细胞高度。根据特征的几何结构和待施加的覆层的厚度，该高度可以比立方体大小更小或者更大。通常，该尺寸的大小范围可以在1mm与10mm之间。

本文中所述的、包含共同地或分别地在不同组合中的非连续微型表面特征（MSF）的像素化主平面形态样式（PMPP）的各种示例性实施例，至少具有下列特征中的一些：

•包括MSF工程化表面特征的该PMPP形成具有凸起的、非连续涂覆结构的下层表面，这导致减小的被经过的叶片尖端磨耗的表面积。

•MSF工程化表面特征提高了等离子喷涂的可磨耗覆层的附着力和机械互锁性能，这是由于增加的粘结表面面积和表面特征的独特性以经由本文中已经描述的各种互锁的几何结构互锁垂直于表面的覆层。

•工程化微型表面特征（MSF）凭借其下层平均表面深度，导致了聚合地更厚的覆层，这提高了对下层基底的热保护，带来潜在更低的基底温度。

•由于减少了可磨耗表面与涡轮机叶片尖端的接触面积，不需要与标准成本8YSZ热障覆层材料相比更加可磨耗的相对更贵的覆层，诸如33YBZO（33% Yb₂O₃–氧化锆）或者Talon型YSZ （与聚合物共喷涂的高孔隙率YSZ）。叶片尖端的更少可磨耗性的（即，更硬的）YSZ磨损被与旋转的叶片尖端潜在摩擦接触的更小的表面面积取消。

•微型表面特征（MSF）（其中一些的高度小到100μm）减少了潜在的热障覆层剥裂，这是由于增加的与下层热障覆层的附着表面接触面积。

在图64-83中示出了包括非连续微型表面特征（MSF）的像素化主平面形态样式（PMPP）的涡轮机可磨耗部件的示例性实施例。为了绘制简单性，图64-66示意性地示出了包括两排MSF的PMPP。然而，在任意可磨耗部件中的一个或者多个PMPP可以包括单排或者两排以上的MSF。例如，图64是分裂成上部分和下部分的可磨耗部件500的平面形态示意图，该可磨耗部件500具有金属基底501。在分裂之上的上部分上，基底501具有弯曲的整体轮廓像素化主平面形态样式（PMPP）502，该像素化主平面形态样式（PMPP）502包括直接形成于基底上的倒V形微型表面特征（MSF）503的阵列。如前所述，MSF503的形成是通过一个或多个下列过程：在基底初始形成期间直接形成MSF的浇铸过程；在先前形成的基底501表面上建立MSF的增材过程；或者通过将金属从基底切除或者移除以在余下的材料中保留形成的MSF的烧蚀过程。

在可磨耗部件500的最上部分上，热障覆层（TBC）506已经被直接应用在MSF503，在PMPP502中的可磨耗部件上留下土丘或者新月形轮廓的突出，该突出形成阵列用于引导在可磨耗部件与旋转的涡轮机叶片尖端之间的热气体流动。在叶片尖端与相对的可磨耗部件500的表面接触的情况下，相对较小的横截面表面积MSF503会摩擦叶片尖端并且被叶片尖端磨损。与先前已知的连续肋或者实心表面可磨耗部件（诸如图3-11中所示出的那些）相比较，MSF503和涡轮机叶片尖端的接触更少可能地引起叶片尖端侵蚀或者可磨耗见500的表面从接触处剥裂。

在可磨耗部件501的最下部分上，金属粘结覆层（bond coat，BC）504应用到基底501上，并且通过增材或者烧蚀制造过程在BC中形成倒V形MSF505。在PMPP502中成阵列的BC504和MSF504然后被用TBC506覆盖，留下从基底500表面突出的大体上呈倒V形的MSF508。

在图65中示出了替代实施例的可磨耗部件510，其中，对角的平面形态PMPP512形成在BC514中并且包括倒V形的MSF515的阵列。BC514及其MSF51然后被用TBC516覆盖，留下从基底510暴露的表面突出的新月形MSF517。PMPP512具有与图7的已知的可磨耗部件130相似的对角的定向。

图66是具有与图12-22的实施例的肋的平面形态样式相似的曲棍球棒状PMPP阵列轮廓522的可磨耗表面520。在可磨耗部件520中，微型表面特征（MSF）523形成在基底表面512中。粘结覆层524被应用在先前形成在基底501中的现有MSF522上（例如，通过热喷涂涂覆），留下更明显的且更高的MSF525。TBC526被应用在MSF522和BC524之上，留下更高堆垒的新月形MSF527。

在图67和图68中，可磨耗部件530在其顶部表面531上具有非连续表面特征PMPP，该非连续表面特征PMPP包括交错的直立和倒立的倒V形MSF532的七排人字形样式，该MSF532具有封闭的连续前缘533、后缘534、面对旋转的涡轮机叶片的顶部表面535和在相继的倒V形之间的间隙537。交错的成排的倒V形532形成用于热气体流动的曲折路径。在该附图的垂直方向上没有直接的气体流动路径。相比之下，图69-70可磨耗部件540的替代实施例在其表面541上具有非连续的表面特征开放尖端间隙倒V形542，该倒V形542具有前缘543、后缘544和在每个倒V形的顶点处的尖端间隙545，以及在倒V形基部端546处将相继的倒V形分开的间隙547。对齐的尖端间隙545的大小允许气体在图中的垂直方向上流动；但是，由于交错的人字形样式，热气体流动的实质部分将如同在图67和图58的实施例中的那样沿着更曲折的路径流动。每个倒V形MSF实施例532和542具有占据1-12立方毫米的体积包封的宽度W、长度L和高度H尺寸。在一些实施例中，MSF长度与在每个MSF之间限定的间隙的比大约在1:1至1:3的范围内。在其它实施例中，MSF宽度与间隙的比大约在1:3至1:8的范围内。在一些实施例中，MSF高度与宽度的比大约为0.5至1.0。特征尺寸可以（但不限于）在3mm与10mm之间，具有在0.1mm到2mm之间的壁高度，在0.2mm与2mm之间的壁厚度。

在图71和图72中，可磨耗部件550在其顶部表面551上具有六排扇形或者弯曲形状的MSF552，MSF552具有前缘553、后缘554、面对旋转的叶片的顶部表面555和在相继的扇形之间的间隙557。MSF552的交错样式形成用于热气流动的曲折路径。在垂直于MSF552的前表面553和后表面554的方向上没有直接的气体流动路径。在图73和图74的可磨耗件560实施例中，在表面561上的平行的成排的扇形MSF552之间的间隙中的气体流动路径可以通过在相继的扇形MSF之间插设矩形或者线性MSF562，被引导以甚至更加曲折的方式。MSF562具有前缘563和后缘564。相应的MSF552和562具有占据1-12立方毫米的体积包封的宽度W、长度L和高度H尺寸，如图71-74所示。在一些实施例中，MSF长度与限定在每个MSF之间的间隙的比大约在1:1至1:3的范围内。在其它实施例中，MSF宽度与间隙的比大约为1:3至1:8。在一些实施例中，MSF高度与宽度的比大约为0.5至1.0。特征尺寸可以（但不限于）在3mm与10mm之间，具有在0.1mm至1mm之间的壁高度，在0.2mm到2mm之间的壁厚度。

替代地，在图75中，在可磨耗部件570表面571上的矩形或者线性MSF562被阵列为被间隙577间隔开的菱形状PMPP非连续阵列样式。

在图76的可磨耗部件580中，在表面581上的PMPP包括被间隙587间隔开的非连续的变化曲线MSF582、583和584的波状样式。在图77的可磨耗部件590实施例中，弯曲的可磨耗MSF552在部件表面591上被阵列成替代的交错对角定向的排。

如具有图37-41中所示的可磨耗实施例，在PMPP内可以改变MSF高度用于促进具有普通可磨耗部件轮廓的涡轮发动机中的快速启动模式和正常启动模式。在图78-81中，可磨耗部件600和610在其PMPP中具有双高度的倒V形MSF阵列，具有相应的更高的高度H₁和更低的高度H₂。可磨耗部件600利用表面601上的Z形MSF602和602的交错高度非连续样式。可磨耗部件610利用交错高度的倒V形MSF612和613的人字形样式。

如前面所论述的，微型表面特征MSF可以形成在基底中或者在可磨耗部件的粘结覆层中。在图82中，可磨耗部件620具有平滑的无特征基底621，在该基底621上已经应用有粘结覆层（BC）的层622，MSF624已经通过先前描述的任何一个或者多个增材或者烧蚀过程形成在BC层中。热障覆层（TBC）624已经被应用在BC622之上，包括在MSF623之上。替代地，在图83中，可磨耗部件630的基底631具有工程化表面特征632，该工程化表面特征632可以如先前所述的通过在基底制造期间的直接浇铸、烧蚀过程或者增材过程形成。在该示例中，粘结覆层633已经被应用在包括工程化特征MSF632的基底631之上。BC633随后被TBC633覆盖。替代地，TBC633可以被直接应用在下层基底及其工程表面MSF上而没有中间BC层。如前所述，MSF623或者632可以有助于将TBC机械地互锁到下层BC或者基底层。

各种实施例的优势

本文中已经描述了涡轮机可磨耗部件的不同实施例。包含MSF的PMPP阵列的发明实施例为在可磨耗表面与叶片尖端之间的间隙中的热气体的气流控制提供比具有类似平面形态轮廓的实心突出肋更小的潜在摩擦表面积。许多实施例具有不同的向前和向后平面形态脊和槽阵列，用于横过旋转的涡轮叶片的轴向跨度的局部叶片尖端泄漏和其他气流控制。许多实施例的脊和槽样式和阵列被构造为具有易于制造的直线段，有时在向前区和向后区之间具有弯曲过渡部分。许多实施例在脊结构上建立渐进式竖直磨损区，使得所建立的上部区比下部磨损区更容易磨耗。相对更易磨耗的上部区减小了叶片尖端磨损的风险，而且建立并保持期望的小的叶片尖端间隙。下部磨损区关注于气流控制、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并入在可磨耗部件中。

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他不同的实施例。本发明的应用不限于在说明书中陈述或者在附图中图示的部件的布置和构造的示例性实施例细节。本发明能够具有其他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并入在不同的平面形态阵列中，不同平面形态阵列也可以围绕具体发动机应用的周边局部地变化。而且，应理解的是，本文中所使用的措辞和术语出于描述的目的并且不应被视为是限制性的。本文中“包含”、“包括”、或者“具有”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项及其等同以及附加项。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，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理或者机械连接或者联接。

Claims (21)

1.一种涡轮机可磨耗部件，包括：

用于联接至涡轮机壳体的支撑表面；

联接至所述支撑表面的热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，所述热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底具有基底表面，所述基底表面适应于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向；

多个微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从所述基底表面突出，横过大部分所述周向扫掠路径从所述涡轮机叶片的尖端到尾端，并且沿着扫掠路径叶片尖端旋转方向径向地重复，用于在所述叶片尖端与所述基底表面之间选择性地引导气流；以及

每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，所述成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度。

2.根据权利要求1所述的部件，其中，MSF长度和在每个MSF之间限定的间隙的比包括大约1:1。

3.根据权利要求2所述的部件，其中，MSF宽度和在每个MSF之间限定的间隙的比包括大约1:3至1:8的范围。

4.根据权利要求2所述的部件，其中，MSF高度和宽度的比包括大约0.5至1.0的范围。

5.根据权利要求1所述的部件，其中，所述MSF包括倒V形形状。

6.根据权利要求5所述的部件，其中，所述倒V形形状包括在顶点处收敛的两个线性元件，所述两个线性元件在所述顶点处由第二间隙间隔开。

7.根据权利要求1所述的部件，其中，所述MSF包括环状扇形形状。

8.根据权利要求1所述的部件，其中，所述MSF包括线性形状。

9.根据权利要求1所述的部件，其中，所述MSF形成于所述支撑表面中。

10.根据权利要求1所述的部件，其中，所述MSF形成于粘结覆层中，所述粘结覆层设置于所述支撑表面与所述可磨耗基底之间。

11.根据权利要求1所述的部件，其中，所述PMPP包括第一高度MSF和更高的第二高度MSF。

12.根据权利要求1所述的部件，进一步包括：

从所述基底表面突出横过大部分所述周向扫掠路径的多个细长的第一脊，所述第一脊具有终止于连续表面脊平台的成对的第一相对横向脊壁，所述脊平台具有相对于所述可磨耗基底表面的脊平台高度，所述平台限定平面形态横截面宽度和长度；以及

从所述第一脊平台突出的PMPP。

13.根据权利要求1所述的部件，其中，所述PMPP包括倒V形形状的MSF的人字形平面形态样式。

14.根据权利要求1所述的部件，其中，所述PMPP包括大约与所述叶片尖端的弧线相对应的弯曲的平面形态样式。

15.根据权利要求1所述的部件，其中，所述PMPP包括曲棍球棒状的平面形态样式。

16.根据权利要求1所述的部件，其中，MSF长度和在每个MSF之间限定的间隙的比包括大约1:2。

17.根据权利要求1所述的部件，其中，MSF长度和在每个MSF之间限定的间隙的比包括大约1:3。

18.一种涡轮发动机，包括：

涡轮机壳体；

转子，所述转子具有旋转安装在所述涡轮机壳体中的叶片，所述叶片的远端尖端在叶片旋转方向上并且轴向地相对于所述涡轮机壳体形成叶片尖端周向扫掠路径；以及

热喷涂陶瓷/金属可磨耗部件，所述热喷涂陶瓷/金属可磨耗部件具有：

用于联接至涡轮机壳体的支撑表面；

联接至所述支撑表面的热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，所述热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底具有基底表面，所述基底表面适应于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向；

多个微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从所述基底表面突出，横过大部分所述周向扫掠路径从所述涡轮机叶片的尖端到尾端，并且沿着扫掠路径叶片尖端旋转方向径向地重复，用于在所述叶片尖端与所述基底表面之间选择性地引导气流；以及

每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，所述成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度。

19.根据权利要求18所述的部件，其中，所述PMPP包括第一高度MSF和更高的第二高度MSF。

20.一种用于减少涡轮发动机叶片尖端磨损的方法，包括：

提供具有涡轮机壳体的涡轮机，具有旋转安装在所述涡轮机壳体中的叶片的转子，所述叶片的远端尖端在所述叶片旋转方向上并且轴向地相对于所述涡轮机壳体形成叶片尖端周向扫掠路径；

以与所述叶片尖端成相对的、间隔开的关系插入大体上拱形的可磨耗部件到所述壳体中，在所述叶片尖端与所述可磨耗部件之间限定叶片间隙，并且所述可磨耗部件具有：

用于联接至涡轮机壳体的支撑表面；

联接至所述支撑表面的热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底，所述热喷涂陶瓷/金属可磨耗基底具有基底表面，所述基底表面适应于接近旋转的涡轮机叶片尖端周向扫掠路径定向；

多个微型表面特征（MSF）的细长像素化主平面形态样式（PMPP）被间隙间隔开，并且从所述基底表面突出，横过大部分所述周向扫掠路径从所述涡轮机叶片的尖端到尾端，并且沿着扫掠路径叶片尖端旋转方向径向地重复，用于在所述叶片尖端与所述基底表面之间选择性地引导气流；以及

每个MSF由成对的第一相对横向壁限定，所述成对的第一相对横向壁限定占据1-12立方毫米的体积包封的MSF的宽度、长度和高度；以及

操作所述涡轮发动机，从而使得在所述叶片尖端与所述可磨耗表面之间的任何接触磨耗至少MSF的远端尖端，从而使得余下的MSF抑制在所述叶片尖端与所述基底表面之间的涡轮气流。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：在标准启动模式或者快速启动模式下操作所述涡轮发动机，从而使得：

在标准启动模式下，在所述叶片尖端与所述可磨耗表面之间的任何接触仅磨耗MSF的远端尖端；以及

在快速启动模式下，在所述叶片尖端与所述可磨耗表面之间的任何接触剪断至少一个MSF。