CN1457384A - 内燃机、燃气轮机和研磨层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃气轮机，其中，在转子叶片和护罩之间从运行起动开始长时间地保持了适当的间隔，这样，对转子叶片的损害极少发生。在根据本发明的燃气轮机的透平中，转子叶片和护罩互相面对。在转子叶片的顶端，形成了一个研磨层，在护罩的内周边表面上形成了一个热绝缘层。研磨层是由基体和许多在基体中分散的研磨颗粒形成的。研磨颗粒包括从基体凸出的凸出颗粒和嵌入基体中的嵌入颗粒。在运行的早期阶段，在转子叶片和护罩的初始滑动中，护罩的的内周边表面被凸出颗粒磨削。在凸出颗粒消失之后，护罩的内周边表面被嵌入颗粒磨削。

Description

内燃机、燃气轮机和研磨层
技术领域
本发明涉及在互相面对的可移动部分和不可移动部分之一的表面上，诸如设置于喷气发动机和燃气轮机等中的在透平转子叶片顶端处或围绕转子叶片形成的护罩，形成有研磨层的内燃机和燃气轮机以及一研磨层。
背景技术
在燃气轮机转子叶片的顶端和面对转子叶片顶端的护罩之间，提供了一个预定尺寸的间隙，以防止转子叶片顶端在运行期间与护罩接触。如果间隙太大，燃烧气体从压力表面侧向转子叶片的负压表面侧泄露，以致压力损失增加了，燃气轮机的运行效率因此下降。为了防止这种现象并因此改善燃气轮机的性能，已经提出了一些建议，将间隙设置到最小限度。
如果间隙太小，在燃气轮机运行起动的早期阶段，由于转子叶片的热膨胀、透平转子的偏心、整个燃气轮机中发生的振动等原因，转子叶片的顶端和护罩在彼此上滑动(被称为初始滑动)。此外，如果燃气轮机运行了较长一段时间，暴露于高温气体的护罩会逐渐发生热变形，它有时导致转子叶片的顶端和护罩的滑动(被称为二次滑动)。转子叶片的顶端和护罩的猛烈滑动发生在初始滑动时。相反，二次滑动相对缓和。
通常，护罩在其内周面上配有一个涂层，它的形成旨在排除热或防止氧化。例如，为了热绝缘的目的，提供了TBC(热绝缘层)，或设置由M-Cr-Al-Y形成的抗氧化涂层(下文称为MCrAly)。在许多情况下，这些涂层具有较高的硬度。因此，如果转子叶片的顶端在护罩的内周面上滑动，转子叶片会大受损坏。
日本专利刊物No.4-218698(No.218698/1992)，国际专利申请国家公开物No.9-504340(No.504340/1997)，日本专利刊物No.10-30403(No.30403/1998)，以及美国专利No.5702574公开了一种具有研磨层的转子叶片，其中研磨颗粒分散在由身为抗氧化材料的MCrALY构成的基体中。对于这种转子叶片，作为研磨颗粒，比如，使用了立方一氮化硼(CBN)。立方一氮化硼是一种硬材料。因此，如果转子叶片的顶端在护罩的内周面上滑动，由立方一氮化硼构成的研磨颗粒磨削护罩的内周面。因此，在转子叶片和护罩之间保持了适当的间隙。
然而，由于立方一氮化硼具有不充分的热阻，经过在氧化环境中长期运行，其转化为氧化硼并被升华，以致研磨颗粒有时消失了。此外，由于MCrAlY由于氧化而消耗时，研磨颗粒有时逐渐脱落。因此，在初始滑动时，护罩被研磨颗粒磨削。然而，在研磨层已经消耗后的二次滑动中，磨削是不充分的，以致转子叶片可能大受损坏。特别是，在最近几年，发现了一种趋势，即从改善能量效率的角度，燃气轮机中的燃烧温度增加，这使得研磨层中热消耗问题变得明显。在象喷气发动机那样的内燃机中，可以发现同样的问题。
发明内容
本发明是着眼于上述问题提出的，因此其目的就是，提供一种内燃机(如燃气轮机)，其中在可移动部分(如转子叶片)和不可移动部分(如护罩)之间从运行起动开始长时间保持适当的间隙；具有适合上述内燃机的研磨层的内燃机和燃气轮机，及用于这些机器的研磨层。
为达到以上目的，本发明提供了一种内燃机，包括一个压缩器，一个燃烧室和一个透平部分，所述透平具有转子叶片和面对所述转子叶片顶端的护罩，其特征在于：在所述转子叶片的顶端形成的具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒的研磨层，以及一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
内燃机的研磨层具有一部分从一开始就从基体表面凸出的颗粒(也被称为“凸出颗粒”)和在开始时被嵌入基体的颗粒(也被称为“嵌入颗粒”)。因此，在初始滑动时，凸出颗粒磨削护罩的内周面。此外，在凸出颗粒已经消失或脱落之后，基体由于氧化等原因而消失并由在匹配的护罩的涂层上的滑动而磨损，因此，嵌入颗粒部分地出现在研磨层的表面上，护罩的内周面由此被磨削。因此，在转子叶片和护罩之间自运行起动开始长时间保持适当间隙，因此阻止了对转子叶片的损坏。
凸出颗粒数量(Np)对嵌入颗粒数量(Nb)的比率(Np/Nb)，最好不低于30/70，不高于80/20。由此，高磨削性能长时间持续显现。
通过使用两种或更多种具有不同颗粒尺寸分布的研磨颗粒，很容易实现凸出颗粒和嵌入颗粒的混合。特别是，超过80号但不超过100号的研磨颗粒和超过100号但不超过120号的研磨颗粒被混合使用。此外，从另一个角度看，只需对颗粒尺寸分布进行调整，就可使凸出颗粒的平均颗粒直径不小于150μm，不大于200μm，嵌入颗粒的平均颗粒直径不小于80μm，不大于150μm。
设从基体凸出的研磨颗粒的平均颗粒直径为D，设其凸出尺寸为P，平均颗粒直径D对凸出尺寸P的比率最好不低于25％，不高于70％。因此，即使转子叶片的顶端在初始滑时在护罩上猛烈滑动，护罩的内周面也被有效地磨削。
研磨颗粒具有的硬度高于形成护罩的内周面的材料的硬度。因此，护罩的内周面被可靠地磨削。特别是，在护罩的内周面是主要由氧化锆(ZrO2)形成的的涂层的情况下，立方一氮化硼颗粒、氧化铝颗粒、碳化硅颗粒以及烧结金刚石颗粒是很适用的。对这些颗粒来说，一种或两种或多种可以联合使用。然而，对氧化铝颗粒来说，具有接近1的纵横比(aspect ratio)的块状是所希望的，虽然它们通常是平状的。
基体的孔隙率最好不高于1％。因此，由于氧化而导致的基体中的消耗更可靠地防止了，研磨颗粒的脱落因此受到抑制。基体最好主要由MCrAlY形成。MCrAlY中的“M”指一种或两种或多种选自铁、镍、钴的金属元素。特别是，MCrAlY是主要由铁、镍或钴、铬(CR)、铝(AL)和钇(Y)构成的合金。
还有一种内燃机，其中转子叶片带有一个隆起部，它在其顶端径向地向外凸出。在这种类型的内燃机中，隆起部和护罩的内周面的滑动产生了一个问题。因此，研磨层只需在隆起的顶端形成。
以上所述研磨层应用于其中透平部分带有互相面对的可移动部分和不可移动部分的所有类型的内燃机。特别是，研磨层在可移动部分的面向不可移动部分的表面和不可移动部分的面向可移动部分的表面之一上形成。例如，研磨层可以在护罩的内周面上形成。在这种情况下，转子叶片的顶端通过滑动被磨削。
此外，以上所述的研磨层非常适用于具有以下趋势的燃气轮机，即在内燃机中燃烧气体的温度很高。特别是，在其中燃烧室中产生的燃烧气体的温度(在透平入口处的温度)不低于1200℃的燃气轮机中，可以明显地达到保持间隙的有效性。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的燃气轮机的透平部分的局部剖面视图，其中，透平部分沿轴线切开；
图2是图1所示透平部分的局部放大剖面视图；
图3是图1所示转子叶片顶端部分的局部放大剖面视图；
图4是图3所示的研磨层的进一步放大的剖面视图；
图5(a)是表明在研磨层形成过程中基底在基体材料上形成的状态的示意剖面视图，图5(b)是表明基底涂敷用以暂时将凸出颗粒固定在基底上的镍涂层的状态的示意剖面视图；
图6根据本发明另一实施例的燃气轮机的转子叶片的局部剖面透视图。
具体实施方式
以下将参考附图，对根据本发明的内燃机(combustion engine)、燃气轮机和研磨层进行描述。
图1是根据本发明一实施例的燃气轮机的透平部分1的局部剖面视图，其中，透平部分1沿轴线切开。
该透平部分1包括一个护罩3，一个转子5，多个定子叶片7，和多个设置在转子5上的转子叶片9。定子叶片7和转子叶片9沿轴线方向(图1中的右-和-左方向)交替设置。虽然在图中没有表明，燃气轮机在透平部分1的上游侧(即左侧)设置有一个压缩器和燃烧室。
气体在压缩器compressor)中被压缩，被压缩的气体被送入燃烧室(combuster)。在燃烧室中，燃油与被压缩的气体混合，燃油-气体混合物连续燃烧。燃烧产生高温和高压燃烧气体，被供到透平部分1。燃烧气体在图1中从左向右流动，由此转子叶片9和转子5被旋转进行发电。在透平部分1入口处的燃烧气体的温度到目前为止一直是约1000℃。然而，从改善能量效率的角度看，有提高所述温度的趋势。在最近几年，已经开发了燃烧气体温度达到1300℃的燃气轮机，而且还提出了燃烧气体温度达到1500℃的燃气轮机。
图2是图1所示的透平部分1的局部放大剖面视图，其中表明了转子叶片9和护罩3。转子叶片9在其顶端配有一个研磨层11。护罩3在其内周面上配有主要由氧化锆形成的热绝缘层或MCrALY层13。研磨层11和热绝缘层13之间的距离(在图1中由箭头标志C所示)为间隙C。
图3是图2所示的转子叶片9的顶端部分的局部放大剖面视图，其中，表明了转子叶片9的基体材料15和研磨层11。虽然在图中没有表明，护罩3位于该图的上部，形成有间隔C。
研磨层11是由基体17和分散在基体17中的研磨颗粒19构成的。研磨颗粒19包括其上端从基体17凸出的凸出颗粒19a和整个嵌入基体17中的嵌入颗粒19b。在操作早期阶段转子叶片9的初始滑动时，凸出颗粒19a与护罩3的内周面接触。通过这一接触，护罩3的内周面被磨削，由此在转子叶片9的顶端和护罩3的内周面之间保持一适当的间隙C。在长时间持续运转后，由于升华等原因，凸出颗粒19a会消失。而且，由于护罩3的内部处于氧化环境，基体17消耗并消失，因此凸出颗粒19a会逐渐脱落。即使在这种情况下，由于受到基体17的保护，嵌入颗粒19b很少消耗并得以保持。
不久，由于与匹配的护罩接触并在上面滑动，基体17氧化或消失，由此，嵌入颗粒19b的上端从基体17凸出。即使当凸出颗粒19a在二次滑动中已经消失了，护罩3的内周面也被嵌入颗粒19b磨削。嵌入颗粒19b的凸出尺寸不那么大。然而，由于二次滑动相对缓和，护罩3的内周面也被嵌入颗粒19b充分磨削。这样，从操作伊始适当的间隙C长时间得以保持，因此防止了转子叶片9的损坏。在如上所述的研磨层11中，由于CBN的氧化等原因，消失容易地进行着。因此，上述研磨层11对于在燃烧室中产生的燃烧气体温度(在透平部分1入口处的温度)为1200℃或更高的燃气轮机来说特别有效。
在研磨层11中，凸出颗粒19a的数量(Np)对嵌入颗粒19b的数量(Nb)的比率(Np/Nb)最好不低于30/70且不高于80/20。如果比率(Np/Nb)低于30/70，初始滑动时的磨削能力就会不充分。从这个角度看，大约50/50的比率(Np/Nb)最好。相反，如果比率(Np/Nb)超过80/20，二次滑动时的磨削能力就会不充分。从有效磨削的角度看，研磨颗粒19的密度最好不低于10颗粒/mm2且不高于50颗粒/mm2。
凸出颗粒19a的平均颗粒直径最好不小于150μm且不大于200μm，嵌入颗粒19b的平均颗粒直径最好不小于80μm且不大于150μm。如果凸出颗粒19a的平均颗粒直径超过了200μm，颗粒密度下降，这不仅影响切割能力，还增加了暴露于燃烧气体的面积，导致抗氧化能力下降。
当具有小于50μm的平均颗粒直径的凸出颗粒19a的数量较大，或几乎所有嵌入颗粒19b具有超过100μm的平均颗粒直径时，有时会难以控制基体17的厚度。如果几乎所有嵌入颗粒19b具有于小80μm的平均颗粒直径，二次滑动中的磨削能力会不充分。
为了容易地将凸出颗粒19a和嵌入颗粒19b混合在基体17中，只要通过混合使用两或多种具有不同颗粒尺寸分布的研磨层11就可以。特别是，优选地，将超过80(#80 mesh)号但不超过100号的研磨颗粒19和超过100号但不超过120号的研磨颗粒19混合。所使用的颗粒号应符合ANSI B74.16或FEPA标准(欧洲标准)。
由于在护罩3的内周面上，主要由氧化锆形成的热绝缘层或MCrAlY层13如以上所述那样形成，作为研磨颗粒19，最好使用其硬度大于涂层13的硬度的研磨颗粒。由此，护罩3的内周面被可靠地磨削。
特别是，最好使用在1000或更高的常规温度下，特别是在5000或更高的温度下具有维氏硬度(Hv)的研磨颗粒19。作为优选的研磨颗粒19，可以使用立方一氮化硼颗粒(cubic boron nitride Particles)、氧化铝颗粒、碳化硅颗粒以及烧结金刚石颗粒。可以联合使用这些颗粒中的两种或多种。特别优选的研磨颗粒19是在常规温度下具有5000至6000的非常高的维氏硬度的立方一氮化硼颗粒。
基体17用作将研磨颗粒19保持在一起的粘结剂。作为基体17，使用了抗氧化材料。因此，由于基体17的氧化或消耗(deterioration)导致的研磨颗粒19的脱落受到抑制。作为优选的抗氧化材料，可以采用MCrAlY(主要包括铁、镍或钴、铬、铝和钇的合金)。从抗氧化的角度看，基体17的孔隙率(porosity)最好不高于1％。
基体17的厚度应该通常不小于50μm且不高于200μm。如果基体17的厚度小于50μm，不仅难以形成嵌入颗粒19b，而且凸出颗粒19a的结合力也下降了，以致研磨层11的耐久性变得就不充分。相反，如果基体17的厚度超过了200μm，凸出颗粒19a和嵌入颗粒19b都被嵌入，以致切割能力大大受损。
图4是图3所示的研磨层11的进一步放大的剖面视图。如上所述，凸出颗粒19a的上端从基体17凸出。该图中由箭头标志d所示的尺寸就是凸出颗粒19a的凸出尺寸。当设凸出颗粒19a的平均颗粒直径为D，设所有凸出颗粒19a的凸出尺寸d(即，平均凸出尺寸)的平均值为P时，平均颗粒直径D对平均凸出尺寸P的比率(d/D)最好不低于25％且不高于70％。如果这一比率低于25％，由于初始滑动时研磨颗粒的嵌入，磨削力会不充分。从这个角度看，比率最好为约50％。相反，如果比率超过了55％，凸出颗粒19a可能会从基体17脱落。
接下来，将参考图5对图3中所示的形成研磨层11的方法进行说明。为了形成研磨层11，首先，转子叶片9基体材料15的、研磨层11有待在其中形成的各部分以外的各部分被遮蔽，且各暴露部分用MCrALY等进行电镀。因此，基底21如图5(a)所示那样形成。接下来，基体材料15被电镀镍。因此，如图5(b)所示，镍镀层23在基底21的表面上形成，在电解槽中析出的研磨颗粒19暂时被固定。镍镀层23的厚度被调整到这样的程度使得只有研磨颗粒19的下部嵌入在镍电镀层23中。代替镍镀层23，除镍以外的金属(如铬)的电镀层可以用来暂时固定研磨颗粒19。
接下来，在镍电镀层23上，由MCrAlY等构成的表面层(在图5(a)和5(b)中没有表示)通过电镀进一步形成。表面层的厚度进行调整，以便具有小颗粒直径的研磨颗粒19被嵌入，而具有大颗粒直径的研磨颗粒19不被嵌入。这样，凸出颗粒19a和嵌入颗粒19b在其中混合的研磨层11形成了。此后，研磨层11进行热处理。由于这一热处理，在基底21、镍电镀层23和表面层之间发生了扩散，由此，各层之间的附着强度提高了，各层之间的成分也均质化了。这样，凸出颗粒19a和嵌入颗粒19b在其中混合的研磨层11形成了(见图3)。通过这一方法，虽然研磨颗粒19的固定处理仅进行一次，凸出颗粒19a和嵌入颗粒19b在其中混合的研磨层11形成了，致使这种方法提供了更高的工作效率。
形成基底21和表面层的方法可以是热喷涂或钎焊(thermal spraying orbrazing)，但最好是电镀，因为层的厚度可以容易调整。
图6是根据本发明另一实施例的燃气轮机的转子叶片25的局部剖面透视图。该转子叶片25设置有一个脊部27，它在其顶端沿叶片轮廓径向向外凸出。虽然在图中没有显示，护罩3(见图2)位于图6的上部。在脊部27的面向护罩3的部分，形成了一个研磨层29。图6中的虚线部分是研磨层29。该研磨层29的结构与图2中所示的转子叶片9的研磨层11的结构大致相同。特别是，研磨层29包括从基体凸出的凸出颗粒和嵌入基体的嵌入颗粒。
在该转子叶片25中，脊部27首先在护罩3上滑动。由于研磨层29在脊部27上形成，护罩3的内周面从运行伊始被长时间磨削。
虽然在以上所述中，以在转子叶片的顶端处配有研磨层的情况为例对本发明进行了详细说明，但类似的研磨层可以在护罩的内周侧上形成。
在这种情况下，至少转子叶片的顶端部分是由低硬度的材料形成的，因此转子叶片通过滑动被磨削。
此外，虽然在以上所述中将工业燃气轮机的透平部分作为实例，本发明可以应用于转子叶片在护罩上滑动的所有燃烧室，诸如燃气轮机压缩器一侧上的喷气发动机。
此外，本发明的研磨层实现了在其中设置有彼此面对的可移动部分和非移动部分的所有应用场合中保持一适当间隔的效果，而可移动部分可以在非移动部分上滑动。
如上所述，通过根据本发明形成研磨层，一适当间隔在可移动部分和非移动部分之间长时间维持。如果该研磨层在内燃机中形成，特别是在燃气轮机中形成，对转子叶片的损害很少发生，这样，内燃机的可靠性得到改善。

Claims (15)

1、一种内燃机，包括一个压缩器，一个燃烧室和一个透平部分，所述透平部分具有转子叶片和面对所述转子叶片顶端的护罩，其特征在于：
在所述转子叶片的顶端形成有具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒的研磨层，以及
一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
2、如权利要求1所述的内燃机，其中，从所述基体凸出的颗粒的数量(Np)与嵌入在所述基体中的颗粒的数量(Nb)的比率(Np/Nb)不低于30/70且不高于80/20。
3、如权利要求1或2所述的内燃机，其中，两种或多种具有不同颗粒尺寸分布的研磨颗粒散布在所述研磨层中。
4、如权利要求3所述的内燃机，其中，超过80号但不超过100号的研磨颗粒和超过100号但不超过120号的研磨颗粒在所述研磨层中被混合使用。
5、如权利要求1至4中任何一项所述的内燃机，其中，从所述基体凸出的研磨颗粒的平均颗粒直径不小于150μm且不大于200μm，嵌在所述基体中的研磨颗粒的平均颗粒的直径不小于80μm且不大于150μm。
6、如权利要求1到5中任何一项所述的内燃机，其中，当设从所述基体凸出的研磨颗粒的平均颗粒直径为D，而设其平均凸出直径为P时，平均颗粒直径D对平均凸出尺寸P的比率不低于25％且不高于70％。
7、如权利要求1到6中任何一项所述的内燃机，其中，所述研磨颗粒具有的硬度高于形成所述护罩的内周面的材料的硬度。
8、如权利要求7所述的内燃机，其中，所述护罩的内周面是一主要由氧化锆形成的涂层或由M-Cr-Al-Y组成的涂层，选自立方一氮化硼颗粒、氧化铝颗粒、碳化硅颗粒以及烧结金刚石颗粒的一种或两种或多种颗粒用作研磨颗粒。
9、如权利要求1到8中任何一项所述的内燃机，其中，所述基体的孔隙率不高于1％。
10、如权利要求1到9中任何一项所述的内燃机，其中，所述基体主要由M-Cr-Al-Y形成。
11、一种内燃机，包括一个压缩器，一个燃烧室和一个透平部分，所述透平部分具有转子叶片和面对所述转子叶片顶端的护罩，其特征在于：
所述转子叶片设置有一个脊部，其在转子叶片顶端径向地向外凸出，
所述脊部形成有一具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒的研磨层，以及
一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
12、一种内燃机，包括一个压缩器，一个燃烧室和一个透平部分，所述透平部分具有彼此面对的可移动部分和不可移动部分，其特征在于
在所述可移动部分的面对所述不可移动部分的表面以及在所述不可移动部分的面对所述移动部分的表面之一上，形成有具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒的研磨层，以及
一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
13、一种燃气轮机，包括一个压缩器，一个燃烧室和一个透平部分，所述透平部分具有转子叶片和面对所述转子叶片顶端的护罩，其特征在于：
在所述转子叶片的顶端部分处形成有具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒的研磨层，以及
一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
14、如权利要求13所述的燃气轮机，其中，在所述燃烧室中产生的燃烧气体的在所述透平部分入口处的温度不低于1200℃。
15、一种研磨层，具有一基体和许多散布在所述基体中的研磨颗粒，并形成在彼此面对的诸如转子叶片和护罩等可移动部分和不可移动部分之一的表面上，其特征在于：
一些所述研磨颗粒散布成从所述基体凸出，而剩余的研磨颗粒散布成嵌入在所述基体中。
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