CN116710632A - 燃气涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮叶片，包括：根部，该根部用于连接至燃气涡轮的转子；平台，该平台附接至根部，该平台限定侧表面和形成在侧表面中的凹槽；和翼型件，该翼型件包括从平台的表面延伸至梢部的金属基底，该翼型件包括在后缘和前缘处相接的压力侧和吸入侧；以及平台冲击板。平台冲击板包括：围绕腔的周向边缘，该边缘定位成接触平台；板表面，该板表面定位成在第一表面与板表面之间形成腔；以及平坦构件，该平坦构件具有附接至板表面的面和至少一个端部部分。还提供了一种包括定位在平台的凹槽中的平台密封线的燃气涡轮叶片。

Description

燃气涡轮叶片

背景技术

燃气涡轮发动机的内部部件、尤其是热燃烧气体路径中的部件暴露在大约900摄氏度或更高的温度下。燃气涡轮发动机的涡轮部段中的叶片和叶轮属于这些内部部件。高温通常会对部件造成损坏，因此部件被设计成利用各种冷却方案来使暴露于热燃烧气体的叶片和叶轮的表面冷却。例如，叶片和叶轮通常由施加有能够承受高温的阻隔涂层的高温超合金制成。此外，超合金部件通常包括终止于部件外表面的冷却通道，该冷却通道用于冷却流体的通过从而使暴露于热燃烧气体的表面冷却。

发明内容

在一种结构中，燃气涡轮叶片包括：根部，该根部用于连接至燃气涡轮发动机的转子；平台，该平台连接至根部并限定凹槽；平台冲击板以及翼型件。平台冲击板包括：围绕腔的周向边缘，该边缘定位成接触平台的第一表面；板表面，该板表面定位成在第一表面与板表面之间形成腔；以及平坦构件，该平坦构件具有附接至板表面的一个面以及至少一个端部部分。板表面包括至少一个冲击孔，流体流流动通过该至少一个冲击孔以使平台的第一表面冷却。每个端部部分延伸超过板表面并包括弯曲度，使得弯曲的端部部分插入凹槽中。翼型件包括从平台的与第一表面相反的第二表面延伸至梢部的金属基底，该翼型件包括压力侧和吸入侧，压力侧和吸入侧在后缘和前缘处相接。

在另一种结构中，燃气涡轮叶片包括：根部，该根部用于连接至燃气涡轮发动机的转子；平台，该平台附接至根部，该平台限定侧表面和形成在该侧表面中的凹槽；平台密封线，该平台密封线定位在凹槽中；以及翼型件，该翼型件包括从平台的表面延伸至梢部的金属基底，该翼型件包括压力侧和吸入侧，压力侧和吸入侧在后缘和前缘处相接。密封线包括第一弯曲部分和第二平坦部分，使得平台密封线具有D形横截面。

附图说明

为了容易地识别所讨论的任何特定元件或动作，附图标记中的一个或多个最重要的数字指代该元件被首次引入的图号。

图1为沿包含纵向轴线或中心轴线的平面截取的燃气涡轮发动机的纵向横截面图。

图2为包括平台冲击板的涡轮叶片的立体图。

图3为包括平台冲击板的涡轮叶片的另一立体图。

图4为平台冲击板的立体图。

图5为包括孔口板的涡轮叶片的立体图。

图6为孔口板的立体图。

图7图示了平台和后缘的局部侧视图。

图8为具有涂层的涡轮叶片的立体图。

图9为具有密封线的涡轮叶片的局部立体图。

图10为密封线的立体图。

图11为涡轮叶片及其相邻导引叶轮的立体图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用方面不限于在该描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被视为限制性的。

现在将参照附图对关于系统和方法的各种技术进行描述，其中，相似的附图标记始终表示相似的元件。本专利文件中的以下讨论的附图以及用于描述本公开的原理的各种实施方式仅作为说明，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以以任何适当布置的设备实现。要理解的是，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件执行。类似地，例如，元件可以被配置成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参照示例性非限制性实施方式来描述本申请的众多创新性教导。

另外，应当理解的是，除非在一些示例中明确限制，否则本文中使用的词或短语应当被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其派生词意味着非限制性包括。除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。此外，本文中所使用的术语“和/或”指代以及包括一个或更多个相关联列出项目的任何可能的组合和全部可能的组合。除非上下文另外明确地指示，否则术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与......相关联”和“与此相关联”以及其派生词可以意味着包括、被包括在......内、与......互连、包含、被包含在......内、连接至或与......连接、联接至或与......联接、可与......通信、与......合作、交织、并置、接近、结合至或与......结合、具有、具有......的性质等。此外，尽管本文可能描述了多个实施方式或结构，但是关于一个实施方式所描述的任何特征、方法、步骤、部件等在没有相反的特别说明的情况下同样适用于其他实施方式。

此外，尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应当受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分开。例如，在不偏离本公开的范围的情况下，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能或第二动作，并且类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作。

另外，除非上下文另外明确指示，否则术语“与......邻近”可以意味着：元件相当接近另一元件但不与另一元件接触；或者元件与另一部分接触。另外，除非另有明确说明，否则短语“基于”意在表示“至少部分地基于”。术语“大约”或“大致上”或类似术语旨在涵盖在用于该尺寸的正常工业制造公差范围内的值的变化。如果没有可用的行业标准，除非另有说明，否则百分之二十的变化将落入这些术语的含义之内。

图1示出了包括沿着中心轴线122布置的压缩部段104、燃烧部段102和涡轮部段106的燃气涡轮发动机100的示例。压缩部段104包括多个压缩级108，其中每个压缩级108包括一组涡轮叶片126和一组固定叶片124或可调节导引叶轮。转子128支承涡轮叶片126以在操作期间绕中心轴线122旋转。在一些构造中，单个一体式转子128延伸燃气涡轮发动机100的长度并由任一端处的轴承支承以进行旋转。在其他构造中，转子128由附接至彼此的数个单独的线轴组装而成，或可以包括经由螺栓或多个螺栓附接的多个盘部段。

压缩部段104与入口部段116流体连通，以允许燃气涡轮发动机100将大气吸入压缩部段104。在燃气涡轮发动机100的操作期间，压缩部段104吸入大气并压缩该空气以输送到燃烧部段102。所示的压缩部段104是一个压缩部段104的示例，其他布置和设计也是可能的。

在所图示的结构中，燃烧部段102包括多个单独的燃烧器112，燃烧器各自操作成将燃料流与来自压缩部段104的压缩空气混合并燃烧该空气-燃料混合物，从而产生高温、高压燃烧气体流或废气118流。当然，燃烧部段102的很多其他布置是可能的。

涡轮部段106包括多个涡轮级110，其中每个涡轮级110包括多个旋转涡轮叶片126和多个固定叶片或叶轮。涡轮级110布置成在涡轮入口114处接收来自燃烧部段102的废气118并使该气体膨胀以将热能和压力能转换成旋转功或机械功。涡轮部段106连接至压缩部段104以驱动压缩部段104。对于用于发电或用作原动机的燃气涡轮发动机100，涡轮部段106还连接至待驱动的发电机、泵或其他装置。与压缩部段104一样，涡轮部段106的其它设计和布置也是可能的。

控制系统120联接至燃气涡轮发动机100并且操作成监测各种操作参数并控制燃气涡轮发动机100的各种操作。在优选的结构中，控制系统120通常是基于微处理器的，并且包括用于收集、分析和存储数据的存储器装置和数据存储装置。另外，控制系统120向包括允许用户与控制系统120交互以提供输入或调节的监测器、打印机、指示器等的各种装置提供输出数据。在发电系统的示例中，用户可以输入功率输出设定点，并且控制系统120可以对各种控制输入进行调节从而以有效的方式实现该功率输出。

控制系统120可以控制各种操作参数，这些操作参数包括但不限于可变的入口导引叶轮位置、燃料流速和压力、发动机速度、阀位置、发电机负载和发电机励磁。当然，其他应用可能具有更少或更多的可控制的装置。控制系统120还监测各种参数以确保燃气涡轮发动机100正常操作。所监测的一些参数可以包括入口空气温度、压缩出口温度和压力、燃烧器出口温度、燃料流速、发电机功率输出、轴承温度等。这些测量值中的很多测量值对用户显示，并且被记录以在如果需要审查的情况下供后续审查。

图2图示了可以在燃气涡轮发动机100中发现的涡轮叶片126的立体图。涡轮叶片126包括翼型件202、平台204和根部206。根部206可以连接至燃气涡轮发动机100的转子128。平台204形成在根部206的径向向外部处，并且位于根部206与翼型件202之间。翼型件202附接至平台204并从平台204沿径向方向向外延伸至梢部218。翼型件202包括具有压力侧214和吸入侧216的外表面。压力侧214和吸入侧在上游前缘210和下游后缘208处相接。术语“前(leading)”和“后(trailing)”与燃气涡轮发动机100的工作流的流体流相关地使用。在一实施方式中，图2中示出了平台冲击板212位于平台204的面向根部206且与翼型件202相反的一侧。

图3示出了平台冲击板212的另一视图。平台冲击板212附接至平台的面向根部206的第一表面上，并且附接在与平台的如下表面相反的表面上，翼型件202从该表面延伸。此外，平台冲击板212位于涡轮叶片126的压力侧214上。

图4示出了平台冲击板212的立体俯视图。平台冲击板212包括接触并附接至平台204的第一表面的周向边缘404。圆周边缘404与平台204的第一表面连续接触。边缘404围绕腔406，腔406由板表面410和环绕边缘404限定。板表面410可以包括至少一个冲击孔402。在一实施方式中，板表面410包括多于一个冲击孔402。冲击孔402使得流体流能够将平台的第一表面冷却。平台冲击板212包括平坦构件408，该平坦构件408具有附接至板表面410的面。平坦构件408包括至少一个端部部分，该端部部分延伸超过板表面410并包括弯曲端部。弯曲端部配装到平台204中的凹槽中。图4中所示的实施方式包括具有两个端部部分的平坦构件408，每个端部部分包括弯曲端部。弯曲端部中的每个弯曲端部配装到平台204中的相应凹槽中，使得平台冲击板212可以附接至平台204。在一实施方式中，弯曲端部略大于凹槽，使得当弯曲端部被安装以将平台冲击板212保持就位时弯曲端部发生略微变形。

在一实施方式中，平台冲击板212是增材制造的。增材制造(AM)使得能够制造使用常规制造技术难以制造的部件，比如平坦构件408的弯曲端部。

图5示出了涡轮叶片126的立体图，该涡流叶片被观察为使得可以看到根部206的底部。根部206的底面包括至少一个根部腔504。在图5中所示的涡轮叶片126的实施方式中，根部206包括三个根部腔504。在图5最右侧的根部腔504中，孔口板502被示出为具有覆盖进入根部腔504的开口的板。

图6示出了图5中根部206的根部腔504中所示的孔口板502的立体图。孔口板502包括具有至少一个孔口606的板602。在所示实施方式中，板602包括八边形形状。至少一个插入板604从板602的第一表面延伸。在图6的实施方式中，两个插入板604从板602的第一表面延伸。插入板604可以插入到根部腔504中，在那里，插入板604配装到根部腔504中。在一实施方式中，板602可以包括从板602的与第一表面相反的第二表面延伸的至少一个翅片608。

图7图示了后缘208处的平台204。后缘侧上的平台204延伸至后缘208的端部，使得平台204可以比传统的涡轮叶片短。较短的平台204更容易冷却并防止氧化和TBC损坏。

涡轮发动机内部部件，例如图8中所示的涡轮叶片126，通常包含金属-陶瓷材料的热障涂层(TBC)，该热障涂层直接施加至部件基底表面的外表面，或者施加在先前施加至基底表面的中间金属结合涂层上。TBC在部件基底上提供绝缘层，这降低了基底温度。图8包括具有热防护系统802的涡轮叶片126的立体图，该热防护系统可以包括施加至基底的结合涂层。热防护系统802还可以包括施加在结合涂层上的热障涂层作为顶涂层。在替选的实施方式中，将热障涂层直接施加至金属基底。在一实施方式中，热防护系统802施加至翼型件202的部分和/或施加至平台204。例如，结合涂层可以施加至整个翼型件基底，包括梢部218、前缘210、后缘208、吸入侧216和压力侧214。结合涂层可以被施加至平台204。施加结合涂层所包括的表面可以包括由A、B、C和D表示的表面。在一实施方式中，结合涂层包括铂铝合金(PtAl)。可以通过电子束物理气相沉积(EBPVD)工艺将顶涂层施加在翼型件202的部分和平台204上的结合涂层上。在一实施方式中，将顶涂层施加至梢部218、压力侧214、吸入侧216和前缘210，但不施加在后缘208上。热防护系统802、PtAl结合涂层和EBPVD顶涂层，具有比空气等离子喷涂(APS)涂层更好的表面光洁度，从而获得效率优势。

图9示出了具有密封线902的涡轮叶片126的局部立体图。图9中的涡轮叶片126包括平台204，平台204包括侧表面904，其中侧表面904中形成有凹槽。如图10中所示，密封线902包括第一弯曲部分和第二平坦部分，使得密封线902包括D形横截面。密封线902被定向成使得第二平坦部分面向燃气涡轮发动机的内径。使用密封线代替如先前已经使用的密封条，需要较少的机械加工以安装在平台204内，并且包括动态阻尼优点。具体地，密封线902在两个相邻的涡轮叶片126之间被压缩，并且是弹性的，从而减小了涡轮叶片126间的振动。

图11图示了具有平台204的涡轮叶片126，该平台204在平台204的后缘侧具有阻尼腔1102。阻尼腔1102接纳下一级的相邻导引叶轮1104的前缘部分1106。在燃气涡轮发动机100的操作期间，前缘部分1106与阻尼腔1102的相互作用使振动减轻。相邻的导引叶轮1104包括T形平台1108，该T形平台减少了进入平台腔的热气摄入。

尽管已经详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的最宽形式的精神和范围的情况下，可以对本文所公开的内容做出各种改型、替代、变型和改进。

本申请中的任何描述都不应被解读为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元素：专利主题的范围仅由所允许的权利要求来限定。此外，除非确切的词语“用于......的装置”后面是分词，否则这些权利要求都不意在援引装置加功能的权利要求结构。

Claims (22)

1.一种燃气涡轮叶片，包括：

根部，所述根部用于连接至燃气涡轮发动机的转子；

平台，所述平台附接至所述根部并且限定凹槽；

平台冲击板，包括：

围绕腔的周向边缘，所述边缘定位成接触所述平台的第一表面，板表面，所述板表面定位成在所述第一表面与所述板表面之间形成所述腔，以及

平坦构件，所述平坦构件具有附接至所述板表面的一个面以及至少一个端部部分，其中，每个端部部分延伸超过所述板表面并且包括弯曲度，使得所述弯曲的端部部分插入所述凹槽中；以及

翼型件，所述翼型件包括从所述平台的与所述第一表面相反的第二表面延伸至梢部的金属基底，所述翼型件包括压力侧和吸入侧，所述压力侧和所述吸入侧在后缘和前缘处相接，

其中，所述板表面包括至少一个冲击孔，流体流流动通过所述冲击孔以使所述平台的所述第一表面冷却。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台冲击板在所述涡轮叶片的所述压力侧接触所述第一表面。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台冲击板是增材制造的。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述根部限定腔，并且其中，孔口板包括含有孔口和至少一个插入板的板，所述插入板配装到所述根部中的所述腔中，使得所述板覆盖所述腔。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述孔口板为八边形。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述翼型件还包括沉积在所述基底上的热防护系统，所述热防护系统包括热障涂层以及施加到所述金属基底的结合涂层，所述热障涂层包括在所述翼型件的一部分上施加在所述结合涂层上的EBPVD顶涂层。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮叶片，其中，所述结合涂层包括PtAl。

8.根据权利要求6所述的燃气涡轮叶片，其中，所述翼型件的所述一部分包括所述吸入侧、所述压力侧、所述梢部和所述前缘。

9.根据权利要求6所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台还包括沉积在所述第二表面上的热防护系统，所述热防护系统包括热障涂层以及施加到所述第二表面的结合涂层，所述热障涂层包括施加在所述结合涂层上的EBPVD顶涂层。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮叶片，其中，所述结合涂层包括PtAl。

11.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台在所述平台的后缘侧延伸至所述后缘。

12.一种燃气涡轮叶片，包括：

根部，所述根部用于连接至燃气涡轮发动机的转子；

平台，所述平台附接至所述根部，所述平台限定侧表面和形成在所述侧表面中的凹槽；

平台密封线，所述平台密封线定位在所述凹槽中，其中，所述密封线包括第一弯曲部分和第二平坦部分，使得所述平台密封线具有D形横截面；以及

翼型件，所述翼型件包括从所述平台的表面延伸至梢部的金属基底，所述翼型件包括压力侧和吸入侧，所述压力侧和所述吸入侧在后缘和前缘处相接。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮叶片，其中，所述密封线定向成使所述第二平坦部分面向所述燃气涡轮发动机的内径。

14.根据权利要求12所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台还包括在所述平台的后缘侧的阻尼腔，所述阻尼腔接纳相邻导引叶轮的前缘部分，并且其中，在操作中，所述前缘部分与所述阻尼腔之间的相互作用使振动减轻。

15.根据权利要求12所述的燃气涡轮叶片，其中，所述翼型件还包括沉积在所述基底上的热防护系统，所述热防护系统包括热障涂层以及施加到所述金属基底的结合涂层，所述热障涂层包括在所述翼型件的一部分上施加在所述结合涂层上的EBPVD顶涂层。

16.根据权利要求15所述的燃气涡轮叶片，其中，所述结合涂层包括PtAl。

17.根据权利要求12所述的燃气涡轮叶片，其中，所述平台还包括沉积在所述第二表面上的热防护系统，所述热防护系统包括热障涂层以及施加到所述第二表面的结合涂层，所述热障涂层包括施加在所述结合涂层上的EBPVD顶涂层。

18.根据权利要求17所述的燃气涡轮叶片，其中，所述结合涂层包括PtAl。

19.一种燃气涡轮发动机中的导引叶轮，所述导引叶轮包括：

外平台；

内平台，所述内平台包括具有内表面和外表面的第一板，以及从所述内表面基本上垂直延伸的第二板，使得所述内平台为T形，所述第二板延伸至根部；以及

翼型件，所述翼型件在所述内平台的所述第一板的所述外表面与所述外平台之间延伸，所述翼型件包括在前缘和后缘处相接的压力侧和吸入侧。

20.一种维修具有根据权利要求1至18中的一项或更多项所述的叶片的燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括：

将所述叶片安装至所述转子。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述叶片被安装成使得所述叶片的平台的后缘侧上的阻尼腔接纳相邻导引叶轮的前缘部分，并且其中，所述导引叶轮具有T形平台，由此在所述燃气涡轮发动机的操作期间，所述前缘部分与所述阻尼腔的相互作用使振动减轻。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

将所述导引叶轮安装至所述燃气涡轮发动机的定子。