CN107438700B - 用于燃气轮机的静叶段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的静叶装置(100)。所述静叶装置(100)包括：内护罩(110)和外护罩(120)；翼型(101、115)，被布置在所述内护罩(110)与所述外护罩(120)之间；所述翼型(101、115)和/或内护罩(110)和/或外护罩(120)包括：在衬底(203)上的第一层(202)MCrAlY涂层；涂覆表面部分(104、106)，涂覆有在第一层(202)MCrAlY涂层上方的热障涂层；设置在第一层(202)MCrAlY与所述涂覆表面部分(104、106)的所述热障涂层之间的第二层(302)MCrAlY涂层。

Description

用于燃气轮机的静叶段
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机的静叶段，特别是具有TBC(热障涂层)的静叶段，并且涉及一种制造用于燃气轮机的静叶段的方法。
背景技术
燃气轮机中的定子静叶和转子动叶暴露于通过静叶和动叶的工作流体的高温下。由于这种高温，在定子静叶或转子动叶的翼型的前缘处，可能会发生基础合金的显著氧化。此外，在定子静叶或转子动叶的内护罩和/或外护罩的内部平台处，也可能发生氧化。目前，这种劣化是该部件的寿命限制机理。
为了解决这种问题，已知的是为经受高温的部件提供铂铝化物(PtAl)或MCrAlY第一涂层，该铂铝化物(PtAl)或MCrAlY第一涂层被施加到该部件的基材衬底。热障涂层(TBC)“贴片”被设置在第一涂层上，该TBC“贴片”为定子静叶或转子动叶的局部区域提供附加高温保护，否则这些局部区域将限制该部件的寿命。TBC贴片通常由陶瓷材料制成。特别地，在贴片位置，已知的是：将高速氧燃料(HVOF)MCrAlY涂层、而不是PtAl涂层施加到基材衬底，以促进TBC涂层的结合。然后，将TBC涂层施加到HVOF MCrAlY涂层的上方。使用与TBC贴片直接接触的HVOF MCrAlY层，被认为是防止TBC涂层过早分层所必需的。
上述方法在基材衬底上方涉及两种不同涂层，即，在TBC贴片下方的HVOF MCrAlY涂层和在衬底的其余部分上方的PtAl涂层，这种方法被认为是不实用的，而且并非是成本有效的。
发明内容
本发明的目的可以是提供一种用于燃气轮机的更耐热的静叶段，该静叶段的制造成本被降低，并且重量得以减轻。
通过一种用于燃气轮机的静叶段、和一种制造用于燃气轮机的静叶段装置的方法，该主题可以得到解决。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于燃气轮机的静叶装置(静叶段)。该静叶装置包括：
-内护罩和外护罩，
-至少一个翼型，被布置在内护罩和外护罩之间，
-该翼型和/或内护罩和/或外护罩包括在衬底上的第一层MCrAlY涂层，以用于向衬底提供热保护，
-至少一个涂覆表面部分，涂覆有在第一层MCrAlY涂层上方的一个热障涂层，以在高温下提供附加保护，其中有第二层MCrAlY涂层被设置在第一层MCrAlY与涂覆表面部分的热障涂层之间。
根据本发明的第二方面，提出一种制造用于燃气轮机的静叶装置的方法，其中该静叶装置包括：内护罩和外护罩，以及被布置在内护罩和外护罩之间的至少一个翼型，该内护罩、外护罩和翼型限定燃气轮机的工作流体的一条气体路径，该方法包括：
-利用第一层MCrAlY涂层，来涂覆翼型和/或内护罩和/或外护罩的衬底，以向衬底提供热保护，
-在第一层MCrAlY涂层的一部分的上方涂覆第二层MCrAlY涂层，
-在第二层MCrAlY涂层的上方涂覆热障涂层，以提供在高温下具有附加保护的涂覆表面部分。
本发明提供第一层MCrAlY涂层和第二层MCrAlY涂层，该第一层MCrAlY涂层在整个衬底上，而该第二层MCrAlY涂层在该第一层与TBC贴片之间。这两个层的材料相同，并且是相互兼容的。作为彼此不同的两个层，它们可以利用不同工艺来获得，这些不同的工艺的目的例如是获得不同的粗糙度。对于未被施加TBC贴片的位置，第一层的较平滑表面可以改善该位置处在高温下的抗氧化性。第二层的较粗糙表面可以促进上部TBC层的结合。TBC贴片与第一层MCrAlY涂层和第二层MCrAlY涂层的这种组合，提供了对热和氧化的稳定且耐受的保护。
根据本发明的一个可行的实施例，通过电镀(EP)工艺获得第一层MCrAlY涂层。有利地，第一层MCrAlY提供了一个表面，该表面适于在工作中暴露于高温氧化环境，特别是没有TBC涂层的那些表面。电镀工艺确保了这些表面达到平滑要求，以减少进入到部件中的热传递。
通过对第一层EP MCrAlY涂层进行振动抛光，可以实现进一步的平滑化。这进一步提高了EP MCrAlY涂层的氧化寿命，从而确保实现该部件的设计寿命。
因此，对于未被TBC涂覆的区域而言，该部件要求在该区域上具有平滑的MCrAlY涂层表面。但是，对于需要TBC涂层的区域而言，该部件要求具有“粗糙”且不规则的MCrAlY表面。
根据本发明的一个可行的实施例，第二层302MCrAlY涂层通过空气等离子喷涂(APS)工艺而被获得。APS工艺提供了第二层MCrAlY，以便在EP第一MCrAlY层的上方产生一个MCrAlY表面，该MCrAlY表面相对于第一层更粗糙且不规则，从而确保TBC在使用中不会过早分层。这将确保部件设计寿命得以实现。
根据本发明的另一个可行的实施例，第一层MCrAlY涂层沿着燃气轮机的工作流体的气体路径，覆盖翼型和/或内护罩和/或外护罩的整个衬底。有利地，这为气体路径的整个表面提供了共同的第一层，该气体路径的整个表面即：由燃气轮机的热工作气体冲洗的整个表面，包括具有TBC的区域和不具有热障涂层的区域。
根据本发明的另一可行的实施例，翼型包括吸力侧和压力侧，吸力侧至少包括第一涂覆表面部分，该第一涂覆表面部分涂覆有一个热障涂层。有利地，这提供了一种TBC，其中已经测量出：各个翼型的表面的最热部分位于各个翼型的吸力侧。
内护罩和外护罩分别包括第一内部平台和第二内部平台。根据本发明的一个可行的实施例，第一内部平台和/或第二内部平台包括另一涂覆表面部分，该另一涂覆表面部分涂覆有一个热障涂层。特别地，该另一涂覆表面部分可以位于翼型后缘的下游。有利地，这提供了一种TBC区域，其中还发现存在由工作流体引起的热点，即，这些热点存在于翼型的后缘下游的内部平台区域中。
必须注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参考产品类型权利要求描述了一些实施例，而其他实施例已经参考方法类型权利要求描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得知，除非另有说明，否则，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合、特别是产品类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为与本申请一起公开。
附图说明
本发明的上述方面和其他方面将从以下将要描述的实施例的示例中显而易见并将参考实施例的示例进行说明。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的包括两个翼型的静叶段的示意图；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的如图1所示的翼型的涂覆表面部分的放大截面图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的包括涂覆表面部分的翼型的示意图；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的包括另一涂覆表面部分的静叶段的内部平台的示意图；以及
图5示出了根据本发明的示例性实施例的静叶装置的透视图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应当注意，在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。
图1示出了用于燃气轮机的静叶装置(静叶段)100。静叶装置100包括第一翼型101、第二翼型115、一个内护罩110和一个外护罩120，第一翼型101包括第一吸力侧107和第一压力侧108，第二翼型115包括第二吸力侧118和第二压力侧119。第一翼型101和第二翼型115被布置在内护罩110和外护罩120之间，并且沿相对于燃气轮机的旋转轴线的周向方向而彼此间隔。
根据本发明的其他实施例，与图1所示的两个翼型101、115相比，用于燃气轮机的静叶装置(静叶段)100包括更多翼型。
内护罩110包括一个内部平台111，并且外护罩120包括另一内部平台121。根据图1所示的视图，所示的内部平台111、121可以是内护罩110或外护罩120的相应内部平台111、121。第一翼型110和第二翼型115被附接到内部平台111、121，即吸力侧107、118和压力侧108、119从内部平台111、121中的一个延伸到另一个。在静叶装置100中，吸力侧107、118和压力侧108、119以及内部平台111、121限定了一条气体路径，所述气体路径在燃气轮机运行期间被燃气轮机的工作流体冲洗。
燃气轮机中的工作流体的流动方向F由图1所示的箭头表示。工作流体沿着静叶装置100的气体路径，从各个翼型101、115的相应前缘102、116一直流动到各个翼型101、115的相应后缘103、117。在后缘103、117处，工作流体从翼型101、115流走。
沿着该气体路径，第一翼型101、第二翼型115和内部平台111、121涂覆有第一层202MCrAlY涂层(如图2所示)。第一层202通过电镀(EP)而获得，并且沿静叶装置100的气体路径提供一个平滑表面。第一层202提供改善的抗氧化性。
根据本发明的一个可行的实施例，通过在电镀工艺之后、对MCrAlY的第一层202施加振动抛光工艺，来实现进一步的平滑。
特别地，MCrAlY组分包括：“M”所指示的组分，特别是镍(Ni)、钴(Co)或两者的混合物。
沿着该气体路径，至少第一吸力侧107包括一个涂覆表面部分104，该涂覆表面部分104涂覆有一个热障涂层(TBC)，并且表示第一吸力侧107的总表面的至少一部分。热障涂层104包括陶瓷成分。相对于第一层202MCrAlY涂层，涂覆表面部分104提供在高温下的附加保护。已经测量出，各个翼型101、115的表面的最热部分尤其位于各个翼型101、115的吸力侧107、118处。因此，如图1所示，涂覆表面部分104被涂覆在第一翼型101的第一吸力侧107上，以便提高耐热性。此外，一个相应的涂覆表面部分104也可以被施加到第二翼型115的第二吸力侧118。
如图1所示，在示例性实施例中，内部平台111和/或另一内部平台121包括另一涂覆表面部分106。
事实上，另外还发现，在翼型101、115的后缘103、117下游的、沿着内部平台111、121的区域中，存在由工作流体引起的最热点。因此，通过本发明，在各个内部平台111、121的下游部分处，施加另一涂覆表面部分106，该下游部分位于各个后缘103、117与各个内部平台111、121的相应后缘112、122之间。
另一涂覆表面部分106是可选的，并且根据本发明的其他实施例，可以不存在该另一涂覆表面部分106。
根据本发明的其他实施例，仅在内部平台111和/或另一内部平台121上存在涂覆表面部分106，而翼型101、115没有涂覆表面部分104。
图2示出了如图1所示的第一翼型101处的涂覆表面部分104的更详细视图。
在第一翼型101的衬底203上施加第一层202MCrAlY涂层，以提高抗氧化性。衬底203的材料是Mar-M-247合金。
根据本发明的其他实施例，衬底203的材料是其他合金。
在第一层202MCrAlY涂层的上方，施加涂覆表面部分104的热障涂层。在第一层202MCrAlY涂层与涂覆表面部分104之间，提供第二层302MCrAlY涂层。
第二层302MCrAlY涂层通过空气等离子体喷涂(APS)工艺而被获得，并提供一个粗糙表面，这对于涂覆表面部分104的结合是最优的。
如图2所示，涂覆表面部分104包括一个变薄部分201。在该变薄部分201中，涂覆表面部分104中的热障层的厚度减小，直至在涂覆表面部分104的端部边缘处减小至零。
图3更详细地示出了涂覆表面部分104在第一翼型101上的定位。
如图3所示，涂覆表面部分104的热障层位于第一翼型101的吸力侧108。在涂覆表面部分104的更靠近前缘102的边缘处，施加有热障层的一个变薄部分201，以便平滑地减小热障层的厚度，直至厚度减小为零。
具体地，在第一翼型101的最大翼型厚度(该厚度例如沿与相应翼型101、115的弦线相垂直的线而被测量)与第一翼型101的后缘103之间，涂覆表面部分104在第二层302MCrAlY涂层的上方被涂覆到第一翼型101。对于在前缘102与涂覆表面部分104的边缘之间的部分而言，不具有任何热障层。
此外，如图3所示，压力侧109可以不具有热障涂层。此外，各个内部平台111、121的上游部分位于各个前缘102、116与各个内部平台111、121的相应上游前缘112、122之间，在该上游部分处，表面可以不具有热障涂层。因此，热障涂层仅被施加在翼型101的最热区域处，以便有效地施加热障涂层，从而减轻重量并降低成本。
图4示出了内护罩110的放大图。外护罩120可以通过类似设计来形成。
在第一翼型101的后缘103与内护罩110的内部平台111的后缘112之间，施加包括TBC涂层的另一涂覆表面部分106。在该另一涂覆表面部分106的相应的上游边缘和下游边缘处，形成相应的变薄部分201、201’，热障涂层的厚度在该变薄部分201、201’处减小，直至厚度为零。如图4所示，第一层202MCrAlY涂层被施加到衬底203上。第一层202MCrAlY沿着内部平台111的内表面、并且围绕内部平台111的后缘112而被施加。
另一涂覆表面部分106被施加在第二层302APS MCrAlY涂层的上方。
另一涂覆表面部分106和第二层302APS MCrAlY涂层仅被施加在内部平台111的内表面处，其中工作流体冲洗并接触内部平台111的这一表面。
图5示出了静叶装置100的透视图，其中静叶装置100包括内护罩110、外护罩120、第一翼型101和第二翼型115。如图5所示的静叶装置100可以具有与图1所示的截面图中所示相同的特征。此外，图5示出了涂覆表面部分104，其中该涂覆表面部分104例如以图3所示方式而与第一翼型101的第一前缘102间隔开。此外，涂覆表面部分104例如以距离X而与内部平台111和另一内部平台121间隔开。
特别地，内部平台与涂覆表面部分104的边缘之间的各个部分(即所谓的圆角部分)均没有热障涂层，而是例如仅涂覆有第一层202电镀MCrAlY。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。关于不同实施例描述的元件也可以被组合。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于燃气轮机的静叶装置(100)，所述静叶装置(100)包括：
-一个内护罩(110)和一个外护罩(120)；
-至少一个翼型(101、115)，被布置在所述内护罩(110)与所述外护罩(120)之间；
-所述翼型(101、115)和/或内护罩(110)和/或外护罩(120)包括在一个衬底(203)上的第一层(202)MCrAlY涂层，以用于向所述衬底(203)提供热保护；
其中第二层(302)MCrAlY涂层被涂覆在所述第一层(202)MCrAlY涂层上方，并且涂覆表面部分(104、106)包括热障涂层，所述热障涂层被涂覆在所述第二层(302)MCrAlY涂层上方，所述第二层(302)MCrAlY涂层的粗糙度大于所述第一层(202)MCrAlY涂层的粗糙度。
2.根据权利要求1所述的静叶装置(100)，其中所述第一层(202)MCrAlY涂层通过电镀工艺而获得。
3.根据权利要求1或2所述的静叶装置(100)，其中所述第二层(302)MCrAlY涂层通过空气等离子喷涂工艺而获得。
4.根据权利要求1所述的静叶装置(100)，其中所述第一层(202)MCrAlY涂层沿所述燃气轮机的工作流体的一条气体路径而覆盖所述翼型(101、115)和/或内护罩(110)和/或外护罩(120)的整个所述衬底(203)。
5.根据权利要求1所述的静叶装置(100)，其中所述衬底(203)的材料是镍基超耐热合金Mar-M247。
6.根据权利要求1所述的静叶装置(100)，其中所述翼型(101、115)包括一个吸力侧(107、118)和一个压力侧(108、119)，所述吸力侧(107、118)至少包括涂覆有一个热障涂层的第一涂覆表面部分(104)。
7.根据权利要求1所述的静叶装置(100)，其中所述内护罩(110)和所述外护罩(120)分别包括第一内部平台(111)和第二内部平台(121)，所述第一内部平台(111)和/或所述第二内部平台(121)包括涂覆有一个热障涂层的一个涂覆表面部分(106)。
8.根据权利要求7所述的静叶装置(100)，其中所述涂覆表面部分(106)位于所述翼型(101、115)的一个后缘(103、117)的下游。
9.根据权利要求6所述的静叶装置(100)，其中所述翼型(101、115)的所述压力侧(108、119)没有热障涂层。
10.一种用于制造用于燃气轮机的静叶装置(100)的方法，其中所述静叶装置(100)包括一个内护罩(110)和一个外护罩(120)以及至少一个翼型(101、115)，所述至少一个翼型(101、115)被布置在所述内护罩(110)与所述外护罩(120)之间，所述内护罩(110)、所述外护罩(120)和所述翼型(101、115)限定所述燃气轮机的工作流体的一条气体路径，
所述方法包括：
-利用第一层(202)MCrAlY涂层，来涂覆所述翼型(101、115)和/或内护罩(110)和/或外护罩(120)的一个衬底(203)，以向所述衬底(203)提供热保护，
-在所述第一层(202)MCrAlY涂层的一部分的上方涂覆第二层(302)MCrAlY涂层，
-在所述第二层(302)MCrAlY涂层的上方涂覆一个热障涂层，以提供在高温下具有附加保护的一个涂覆表面部分(104、106)，
其中所述第二层(302)MCrAlY涂层的粗糙度大于所述第一层(202)MCrAlY涂层的粗糙度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层(202)MCrAlY涂层通过电镀(EP)工艺而被施加，并且所述第二层(302)MCrAlY涂层通过空气等离子喷涂(APS)工艺而被施加。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层(202)MCrAlY涂层通过振动抛光工艺而被平滑。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述热障涂层通过电子束物理气相沉积或空气等离子喷涂(APS)工艺而被施加。
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