CN1417452A - 涡轮机及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮机，旋转运动的活动叶片的前端作为被磨削面(14)，作为活动叶片的外套的护罩(20)的内壁作为磨削面(23)，磨损性粒子(13)的一部分从上述被磨削面(14)突出，当旋转的上述活动叶片的前端与上述护罩(20)内壁接触时，上述磨损性粒子的突出部(13a)与上述磨削面(23)相对滑动而磨损。通过该构成，涡轮机在运转期间，在活动叶片和护罩之间总是保持合适的间隙，并且在高温下耐用期长，维修、更新容易。

Description

涡轮机及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在运转期间总是能保持活动叶片和护罩(shroud)之间的合适间隙的涡轮机。
背景技术
作为燃气涡轮机或喷气发动机而使用的涡轮机的一例如图4所示。该涡轮机100由以下部分构成：转子110，具有沿旋转轴X-X间歇排列的多个活动叶片本体111；圆锥形的护罩120，作为活动叶片本体111的外套。标号121是从护罩120的内壁开始向活动叶片本体111的间歇内延伸的静止叶片，作为嵌套。例如当从护罩120的小直径一侧将高压流体导入涡轮机100时，通过活动叶片本体111的扭矩，转子110旋转，可以将流体的动能转化为旋转运动。在该涡轮机100中，在活动叶片本体111的前端和与该前端相对的护罩120的内壁之间，设有间隙，使得两者在运转中不接触。如果该间隙过大，则流体会从活动叶片本体111的高压一侧向低压一侧泄漏，从而由于压力损失造成运转效率下降。因此，为了防止高压流体的泄漏，提高涡轮机的效率，需要研究将该间隙调整到所希望的最小的技术。关于这一点，对于将旋转运动转化为流体压力的涡轮机也是一样的。
另一方面，如果上述间隙过小，则在涡轮机的运转初期，由于活动叶片本体111的热膨胀、转子110的偏心、涡轮机110整体产生的振动等，可能会使活动叶片本体111的前端和护罩120的内壁发生接触，由于活动叶片的旋转而造成相对滑动。这种现象一般被称为“初期滑动”。此外，如果使涡轮机长时间运转，则由于暴露在高温高压的流体中的活动叶片本体111和护罩120逐渐产生热变形，可能会使活动叶片本体111的前端和护罩120发生接触滑动。该现象一般被称为“二次滑动”。
在护罩或活动叶片上，为了绝热和防止氧化，一般在在表面上设置保护膜。例如，为了绝热，设置由氧化锆系列的陶瓷材料构成的TBC(Thermal Barrier Coating)，为了防止氧化，设置MCrAlY(M是Fe、Ni、Co其中一种以上元素)的膜。但是，由于最外层的TBC硬度高，当活动叶片本体111的前端和护罩120发生接触滑动时，由于摩擦热和滑动应力，特别会使活动叶片造成很大的损伤。为了解决上述问题，特开平4-218698号公报和特表平9-504340号公报以及美国专利第5702574号说明书公开了这样的涡轮机，如图5(a)所示，在活动叶片本体111的前端，形成磨削层112，使作为磨削粒子的例如CBN(立方晶氮化硼)颗粒113分散在由上述MCrAlY构成的基体中，上述CBN颗粒113从磨削层112突出。
当活动叶片本体111在前端具有磨削层112时，由于CBN颗粒113的硬度比护罩120的保护膜122(例如氧化锆系列陶瓷材料)的高，所以即使当活动叶片本体111旋转时，活动叶片本体111的前端和护罩120的内壁123产生滑动，如图5(b)所示，从磨削层112突出的CBN颗粒113的前端磨削护罩的内壁123，形成槽124，由此可以保持合适的间隙。此外，在特开2000-345809号公报中公开了这样一种燃气涡轮发动机，在护罩的内壁埋入CBN等的颗粒，形成突出的磨削层，另一方面，在活动叶片的前端面上，形成被上述颗粒磨削的被磨削层。在这种情况下，当活动叶片旋转时，护罩内壁的颗粒磨削活动叶片前端面的被磨削层，确保留有间隙。
如上所述，在利用活动叶片的旋转进行磨削来确保间隙的现有技术中，在活动叶片的前端或护罩内壁其中之一上埋入CBN等的硬质颗粒，形成磨削面(abrasive surface)，在另一个上形成被磨削面(abradable surface)，通过磨削面的颗粒磨削该被磨削面，从而确保间隙。但在上述技术中，由于涡轮机运转中上述初期滑动或二次滑动，被磨削面被磨削得很深，当取出涡轮机检修时，需要维修或更新被磨削面。为了进行维修，一般需要喷射(blast)、喷镀装置、高温加热炉等大型设备，所以难以在涡轮机设置的现场进行维修·更新，这样就需要维修·更新容易的涡轮机。
此外，如果实际运转在磨削面上使用CBN颗粒的涡轮机，在超过900℃的高温下，由于CBN颗粒的氧化性能等恶化，磨削能力急速下降，如果继续运转，则CBN颗粒会全部消失，磨削面和被磨削面直接相对滑动。在这种情况下可以看到，由陶瓷材料构成的被磨削面由于比由MCrAlY构成的磨削面的基体层硬，所以被磨削面反而会磨削磨削面，有时活动叶片本体可能会露出，附着在被磨削面一侧。在高温下CBN颗粒的磨削能力急速下降的原因，可以认为是CBN在高温下反复氧化和升华。因此，燃气涡轮机或喷气发动机在高温氛围下长时间运转的情况下，作为间隙形成技术，使用CBN颗粒的现有涡轮机存在耐用性的问题，所以认为仅在初期滑动时是有作用的。
此外，如图5(b)所示，在被磨削面123一侧一旦形成槽124，当涡轮机停止运转之后再运转时，由于在运转初期间隙过大而使流体泄漏，由此造成的压力损失也不可忽视。此外，在填平槽124，进行维修或更新的情况下，例如作为被磨削面的保护膜122由氧化锆系列陶瓷构成的情况下，在基体材料上通过喷镀法形成中间层，然后在其上形成厚度均匀的氧化锆系列陶瓷层等，这需要大型设备和高度的维修技术，在涡轮机的设置现场无法进行简单的维修。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的是提供一种在运转期间总是能确保活动叶片和护罩之间的合适间隙，并且在高温下耐用期长的涡轮机，以及制造、维修、更新容易、不需要大型设备的涡轮机的制造方法。
为了解决上述问题，本发明提供一种涡轮机，旋转运动的活动叶片的前端或作为上述活动叶片的外套的护罩的内壁其中之一作为磨削面，另一个作为被磨削面，其特征在于，磨损性粒子的一部分从上述被磨削面突出，当旋转的上述活动叶片的前端与上述护罩内壁接触时，上述磨损性粒子的突出部与上述磨削面相对滑动而磨损。
本发明的涡轮机与利用从磨削面突出的颗粒磨削被磨削面的现有的间隙保持技术不同，当从被磨削面突出的磨损性粒子的突出部与磨削面相对滑动时被磨损，由此保持间隙。本发明的涡轮机由于不是利用从磨削面突出的颗粒来磨削被磨削面，所以在被磨削面上不会产生槽等缺陷。因此，本发明的涡轮机在运转期间总是能保持所希望的最小间隙，且耐用期长，并且由于仅更新磨损性粒子粒体的一部分突出的被磨削面即可，所以维修、更新容易。
上述磨损性粒子优选氧化铝(Al2O3)粒子或碳化硅(SiC)粒子。
氧化铝粒子或碳化硅粒子一般比作为相对表面的TBC(ThermalBarrier Coating)的氧化锆系列陶瓷和作为防氧化膜的MCrAlY的威氏硬度高。但氧化铝粒子或碳化硅粒子当与上述相对表面相对滑动时也会磨损。其原因还不十分清楚，但可以认为是上述粒子脆性较大。即，由于在与相对表面相对滑动时产生的较强的应力，磨损性粒子的前端被磨损。残余的磨损性粒子的突出部形成活动叶片前端和护罩内壁之间的间隙。由于磨损性粒子的磨损，在使用通常的CBN的磨削层上进行切削时的滑动阻力变小，从而具有不会产生切屑的附着、堆积、咬入等诸多优点。
上述磨损性粒子的粒径优选在500μm～1500μm范围内。
由于与相对表面相对滑动，前端有一定程度的磨损，残余的磨损性粒子的突出部为了在活动叶片前端和护罩内壁之间形成所希望的最小间隙，上述磨损性粒子的粒径优选在500μm～1500μm范围内。如果磨损性粒子的粒径小于500μm，特别是在二次滑动时，可能会使在初期滑动中磨损而残余的突出部在形成所希望的最小间隙中无法保持足够的高度，这是所不希望的。如果超过1500μm，滑动磨损后的突出部的高度形成过剩的间隙，并且被磨削面的磨损性粒子的分布密度必然变小，所以通过间隙的粒体的流动阻力下降，流体泄漏造成的压力损失变大，运转效率降低，这也是所不希望的。因此，磨损性粒子的粒径最好在800μm～1000μm的范围内。
上述磨损性粒子的突出部离开上述被磨削面的高度优选在该磨损性粒子的粒径的30％～70％的范围内。
磨损性粒子由于粒体的一部分被埋入被磨削面，从而被固定在该被磨削面上。因此，当与磨削面相对滑动时，为了牢固地保持磨损性粒子，防止脱落，需要埋入被磨削面一定深度。因此，突出部离开上述被磨削面的高度优选在该磨损性粒子的粒径的30％～70％的范围内，最好在40％～50％范围内，残余部分埋入被磨削面。
本发明在上述基础上，提供一种涡轮机，通过与上述磨削面相对滑动，磨损的上述突出部的残余部分形成上述活动叶片前端和上述护罩内壁之间的间隙。
即，本发明的涡轮机，从被磨削面突出的磨损性粒子前端与磨削面相对滑动时，产生一定程度的磨损，磨损性粒子突出部的残余部分在此时形成间隙。磨损性粒子的前端磨损，突出部的残余部分形成间隙状态的涡轮机也包含在本发明中。磨损性粒子的突出部在初期滑动和二次滑动时均可能被磨损，在各个阶段，间隙都发生变化。但是，只要磨损性粒子的突出部没有完全消失，就总是能保持所希望的最小间隙。
本发明提供一种涡轮机的制造方法，其特征在于，上述涡轮机是旋转运动的活动叶片的前端或作为上述活动叶片的外套的护罩的内壁其中之一作为磨削面，另一个作为被磨削面，并且磨损性粒子的粒体的一部分从上述被磨削面突出，在制造该涡轮机的过程中，在形成上述被磨削面的基体的表面，形成含有上述磨损性粒子以及固定该磨损性粒子的基体材料的被磨削层，然后对上述被磨削层进行喷射处理，形成上述磨损性粒子的粒体的一部分突出的被磨削面。
采用本发明的制造方法，对从被磨削面突出的磨损性粒子进行喷射处理，所以可以通过其他方法，例如化学腐蚀等，用小型设备就可以实现，从而在涡轮机设置现场就可以较容易地进行被磨削面的维修、更新。磨损性粒子在被磨削层中被散乱配置(鲨鱼齿状)，所以在运转之后，只要再使其突出，就可以使粒子露出来，从而使更新变得容易。
此外，在进行化学腐蚀等处理的情况下，由于磨损性粒子和基体材料之间的界面结合力不受到影响，所以防止了磨损性粒子的脱落。
上述磨损性粒子优选氧化铝(Al2O3)粒子或碳化硅(SiC)粒子，并且上述磨损性粒子的粒径优选在500μm～1500μm的范围内。
在形成上述被磨削层的过程中，优选在上述基体的表面形成淀积膜，上述淀积膜由以焊料为主要成分的焊料层以及含有至少一部分与上述焊料融合的基体材料粒子、上述磨损性粒子和挥发性粘结剂(bind)的基体层构成。然后，在上述基体上加热，使上述挥发性粘结剂从上述淀积膜上挥发，同时使上述焊料溶融，浸透上述基体层，从而形成被磨削层。
当在基体的表面形成由焊料层和基体层两层构成的淀积膜并加热时，挥发性粘结剂挥发，焊料层溶融，溶融的焊料浸透基体层，与基体材料粒子融合，当其冷却时，形成基体与磨损性粒子牢固地结合在一起的被磨削层。上述挥发性粘结剂，在通过加热而溶融的焊料浸透基体层之前，暂时固定磨损性粒子和基体材料粒子，然后由于加热而挥发消失。该方法仅通过贴附并加热上述淀积膜，就可以在基体表面形成被磨削层。此外，可以通过电镀固定磨损性粒子，然后通过喷镀法等在其上形成以MCrAlY为主要成分的膜。
上述喷射处理优选使用氧化锆(ZrO2)粒子等作为喷射材料。
作为喷射材料，要求对磨损性粒子不造成损伤，并且高效地磨削基体材料的材料。对包括氧化铝粒子、玻璃碎片和NiCr粒子的各种喷射材料进行了试验，其结果表明，氧化锆粒子是合适的，但也可以根据条件的不同，使用上述粒子进行喷射。氧化锆粒子的粒径优选在40μm～60μm范围内。
上述喷射处理优选进行得使上述磨损性粒子的粒径的30～70％从上述被磨削面突出。
由此，可以牢固地保持磨损性粒子和基体层之间的结合，并且可以防止在喷射处理或涡轮机运转中磨损性粒子的脱落。
本发明的涡轮机由于活动叶片前端或护罩内壁其中之一作为磨削面，另一个作为被磨削面，被磨削的磨损性粒子的粒体一部分从上述磨削面突出，所以当活动叶片旋转，其前端与护罩内壁相对滑动时，通过磨损性粒子的突出部被磨损，来保持间隙。因此，可以获得不会损伤护罩内壁和活动叶片本体，在初期滑动和二次滑动中，均可以绝对保持所希望的最小间隙，即使在高温下其耐用期也很长，并且维修、更新容易的涡轮机。
附图说明
图1是表示作为本发明一个实施方式的涡轮机的局部剖视图。
图2是表示上述涡轮机在运转中的状态的剖视图。
图3A和图3B是表示上述涡轮机的活动叶片的制造工艺的流程图。
图4是表示现有的涡轮机的局部剖视图。
图5A是表示现有的涡轮机的局部剖视图，图5B是表示其在运转中的状态的剖视图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明，但此处所举的具体实施例不限定本发明。此外，图示的形状、尺寸是为了说明本发明的思想，不是具体的实物。
图1是作为本发明一个实施方式的涡轮机的局部剖视图。在图1中，该涡轮机1具有转子10和护罩20。
转子10具有：轴15，沿旋转轴X-X延伸；活动叶片本体11，从该轴开始在放射方向上延伸；被磨削层12，在该活动叶片本体11的前端形成。在被磨削层12上固着有很多磨损性粒子13，磨损性粒子13的粒体的一部分从作为被磨削层12的表面的被磨削面14突出，形成突出部13a。活动叶片本体11沿旋转轴X-X方向扭转(未图示)。
护罩20是包围轴15和同轴的转子10的外壳，在其内壁上，通过中间层21形成绝热膜(TCB，Thermal Barrier Coating)22，该绝热膜22的表面作为磨削面23。在该磨削面23和活动叶片的被磨削面14之间，形成间隙C-0。
磨损性粒子13由氧化铝(Al2O3)构成，其粒径D在800μm～1000μm的范围内。此外，该磨损性粒子13的突出部13a的高度H大部分在各个粒径D的30～70％范围内。
被磨削层12在后面详细说明，它是以MCrAlY合金为主体的耐氧化膜，与活动叶片本体11和磨损性粒子13牢固地结合在一起。
在护罩20上形成的绝热膜22由在ZrO2上附加MgO或Y2O3等稳定材料，使其稳定化的陶瓷构成，膜厚为300～1000μm左右。中间层21是在护罩本体上等离子喷镀MCrAlY(M是Co和/或Ni)而形成的。
该涡轮机1当从护罩20的一个开口喷入高温高压的流体时，由于在活动叶片本体11上形成扭矩，所以转子10以X-X为旋转轴，在一个方向上开始旋转。当开始旋转时，由于活动叶片本体11的热膨胀、转子10的偏心、涡轮机1整体发生的振动等，磨削面23和被磨削面14之间的间隙产生变化。例如，由于热膨胀，活动叶片本体11的长度增加，间隙比初始值C-0变窄，磨损性粒子的突出部13a的高度H变小。在旋转初期，如果达到这种状态，则突出部13a的顶部与磨削面23相对滑动，如图2所示，被研磨直到滑动阻力变为零。其结果是，间隙变为比初始值C-0小的C-1。只要不发生温度继续上升等状态变化，该间隙C-1可以通过磨损性粒子13的残余的突出部13b得到确保，所以活动叶片和护罩不会直接接触，因此活动叶片的前端和护罩内壁均不会被磨削或者发生附着。
当涡轮机1长时间运转，例如超过1000小时时，暴露在高温高压的流体中的活动叶片本体11和护罩20逐渐产生热变形，可能会产生向部分间隙C-1变得更窄的方向的应力。此时，磨损性粒子13的残余的突出部13b的顶部与护罩的磨削面23发生二次滑动，再次被研磨，其结果是间隙变得比C-1更窄。但是，由于磨损性粒子13的突出部被设定得不会变为零，所以活动叶片和护罩不会直接接触，因此活动叶片的前端和护罩内壁均不会被磨削或者发生附着。此外，假设在突出部变为零的情况下，由于接触面的磨损性粒子所占的比例大，所以难以发生附着。
磨损性粒子13的粒径D在800μm～1000μm的范围内，其粒径D的30％～70％是突出部13a，所以最初的间隙C-0足够大，因此除了上升初期滑动和二次滑动所造成的磨损之外，残余的突出部也可以确保间隙。此外，即使最初的间隙C-0很大，但由于大直径的磨损性粒子13突出到该间隙内，妨碍了流体的流动，所以流体泄漏造成的压力损失很小，不会降低运转效率。
本实施方式的活动叶片可以通过以下方法制造。
图3是表示活动叶片的制造工艺的简要流程图。根据图3(a)的流程图，作为预备作业(1)，首先制造被磨削层薄片。然后，(2)将该被磨削层薄片固着在活动叶片本体上，(3)与活动叶片本体共同加热，在活动叶片本体上形成被磨削层，然后，(4)对该被磨削层进行喷射处理，使磨损性粒子突出，制成活动叶片。
此外还有这样的方法，根据图3(b)流程，首先，(1)通过镀镍，对磨损性粒子进行固着，(2)在其上形成以MCrAlY为主要成分的喷镀膜，(3)对其进行加热处理，(4)通过喷射处理的喷镀法，制造活动叶片。
在图1中，构成护罩20的内壁的绝热膜22，由在ZrO2上附加MgO或Y2O3等稳定材料，使其稳定化的陶瓷构成，该稳定陶瓷材料，作为中间层21，在等离子喷镀有MCrAlY(M是Co和/或Ni)合金的护罩本体内壁上等离子喷镀而形成，膜厚为300～1000μm。
在本实施方式中，将护罩内壁作为磨削面23，并且在活动叶片前端形成被磨削面14，但也可以根据需要，将护罩内壁作为被磨削面，将活动叶片前端作为磨削面。此外，本实施方式的涡轮机是以燃气涡轮机为例进行说明的，但只要是具有活动叶片和护罩，存在其间的间隙变化的问题的涡轮机构，本发明均适用。

Claims (10)

1.一种涡轮机，旋转运动的活动叶片的前端或作为上述活动叶片的外套的护罩的内壁其中之一作为磨削面，另一个作为被磨削面，其特征在于，
磨损性粒子的一部分从上述被磨削面突出，当旋转的上述活动叶片的前端与上述护罩内壁接触时，上述磨损性粒子的突出部与上述磨削面相对滑动而磨损。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，
上述磨损性粒子是氧化铝(Al2O3)粒子或碳化硅(SiC)粒子。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，
上述磨损性粒子的粒径在500μm～1500μm范围内。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，
上述磨损性粒子的突出部离开上述被磨削面的高度在该磨损性粒子的粒径的30％～70％的范围内。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，
通过与上述磨削面相对滑动，磨损的上述突出部的残余部分形成上述活动叶片前端和上述护罩内壁之间的间隙。
6.一种涡轮机的制造方法，其特征在于，
上述涡轮机是旋转运动的活动叶片的前端或作为上述活动叶片的外套的护罩的内壁其中之一作为磨削面，另一个作为被磨削面，并且磨损性粒子的粒体的一部分从上述被磨削面突出，在制造该涡轮机的过程中，
在形成上述被磨削面的基体的表面，形成含有上述磨损性粒子以及固定该磨损性粒子的基体材料的被磨削层，然后对上述被磨削层进行喷射处理，形成上述磨损性粒子的粒体的一部分突出的被磨削面。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，
在形成上述被磨削层的过程中，在上述基体的表面形成淀积膜，上述淀积膜由以焊料为主要成分的焊料层以及含有至少一部分与上述焊料融合的基体材料粒子、上述磨损性粒子和挥发性粘结剂的基体层构成，
然后，在上述基体上加热，使上述挥发性粘结剂从上述淀积膜上挥发，同时使上述焊料溶融，浸透上述基体层，从而形成被磨削层。
8.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，
在形成上述被磨削层的过程中，通过镀镍，将上述磨损性粒子固定在上述基体的表面，在其上形成以MCrAlY(M是Fe、Ni、Co其中一种以上元素)为主要成分的喷镀膜，从而形成被磨削层。
9.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，
上述喷射处理使用氧化锆(ZrO2)粒子等作为喷射材料。
10.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，
上述喷射处理进行得使上述磨损性粒子的粒径的30～70％从上述被磨削面突出。
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