CN1746338A - 用于制造燃气涡轮发动机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本文提供了制造燃气涡轮发动机的部件(118)的方法和装置。本方法(200)包括将非自耗性护罩(206)设置在部件的边缘(136)的附近，从而在护罩和部件之间形成了间隙(210)，其中护罩和间隙形成了边缘附近的流体流动限制，并通过电解槽将电流从阳极(202)引导至部件上，从而对部件施加涂层。

Description

用于制造燃气涡轮发动机的方法和装置
技术领域
本发明大体上涉及涡轮发动机，更具体地涉及用于涡轮发动机部件中的环境涂层。
背景技术
至少某些已知的燃气涡轮发动机包括正向风扇、核心发动机以及动力涡轮。核心发动机包括至少一个为燃烧室提供加压空气的压缩机，空气在燃烧室中与燃料混合并点燃，以便产生热燃气。燃气向下游流向一个或多个涡轮，这些涡轮从中抽取能量，以便为压缩机供能且提供有用功，例如驱动飞机。涡轮节可包括设于燃烧室出口处的固定涡轮喷嘴，其用于将燃气引导至设在其下游的涡轮转子中。
涡轮喷嘴可包括多个周向间隔开的叶片。这些叶片受到离开燃烧室的热燃气的冲击，并且至少部分地涂覆有涂层，以便于保护叶片不受环境的影响且便于降低磨损。尤其是至少在某些发动机中，对包括叶片在内的涡轮部件施加铝化铂涂层，以便促进对部件的环境保护。铝化铂涂层的施加通常是一种三个步骤的工艺，包括电镀过程、扩散热处理以及铝化过程。在电镀期间，将铂电镀到待涂覆部件的表面上。这种基本上均匀厚度的电镀涂层施加在部件的整个表面上。然而，由待涂覆部件与在涂覆中所用的阳极之间的电流所产生的磁场可能不是均匀地分布在整个部件上，更具体地说，这种磁通线在部件上的锐边附近更加密集，例如在喷嘴叶片的后缘附近。结果，相对于叶片翼型部分的凸面和凹面而言，这种边缘被涂覆了更厚的电镀涂层。随着时间的过去，涂层的这种不均匀分布可能会导致开裂。至少一种控制后缘附近的电镀厚度的已知方法需要将用即弃的金属“附加阴极”设置在后缘的附近，从而在涂层施加期间从边缘处窃取电流。然而在这种方法中，附加阴极的效率会随时间而减弱，并且可能需要频繁更换。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种制造燃气涡轮发动机部件的方法。该方法包括将非自耗性护罩设置在部件的边缘附近，使得在护罩和部件之间形成了间隙，其中护罩和间隙形成了边缘附近的流体流动限制，并且通过电解槽将电流从阳极引导至部件上，从而对部件施加涂层。
在另一实施例中，提供了一种电镀装置。该电镀装置包括含有电解液的电镀槽、电源、与电源相连的阳极、与电源相连并浸渍在电解液中且包括由边缘来界定的电镀表面的部件，以及设置在部件边缘附近的非自耗性护罩，使得在边缘和护罩之间形成了间隙，并且护罩和间隙形成了边缘附近的流体流动限制。
在又一实施例中，提供了一种电镀装置。该电镀装置包括具有含有铂的电解液的电镀槽、电源、与电源相连的阳极、与电源相连并浸渍在电解液中且包括电镀表面和边缘的待电镀部件，以及设置在该边缘附近的非自耗性护罩，使得在边缘和护罩之间形成了间隙，并且护罩和间隙形成了边缘附近的流体流动限制。护罩构造成可将电场从边缘处移开，从而便于减少沉淀在边缘上的电镀量。
附图说明
图1是示例性的高函道比的涡轮风扇发动机的纵向截面图；
图2是可用于燃气涡轮发动机(图1所示)中的示例性的第一级高压涡轮喷嘴弧段的透视图；
图3是用于将电镀涂层施加到图2所示叶片上的示例性电镀工艺的透视图；
图4是可在图3所示的电镀工艺中使用的高压涡轮喷嘴叶片118的截面图；和
图5是从图4所示的多个检测位置中的每一位置处获得的电镀涂层厚度读数的图表。
各幅图中的标号含义如下：10发动机；12轴线；14风扇；16增压器；18高压压缩机；20燃烧室；22高压涡轮；24低压涡轮；26轴；28轴；114弧段；118叶片；120带；122带；124冷却空气流；126侧壁；128侧壁；130叶根；132叶尖；134前缘；136后缘；200工艺；202栅极；204涂层；206护罩；208轴线；210间隙；212距离；218直径；220厚度；401-410位置；500图表；502x轴；504y轴；506轨迹线；508轨迹线。
具体实施方式
这里所用的用语“部件”可包括任何构造成与燃气涡轮发动机相连并且可涂覆金属薄膜涂层的部件，例如高压涡轮喷嘴叶片。高压涡轮喷嘴叶片只是示例性的，因此并不意味着以任何方式限制了用语“部件”的定义和/或意思。另外，虽然本发明在这里是结合燃气涡轮发动机来进行介绍，更具体地说是用于燃气涡轮发动机的高压涡轮喷嘴叶片中，然而应当理解，本发明也可应用于其它的燃气涡轮发动机的固定部件和可旋转部件中。因此，本发明的实践并不局限于燃气涡轮发动机的高压涡轮喷嘴叶片。另外，虽然本发明在这里是结合电解槽工艺来进行介绍，然而应当理解，本发明可应用于任何电镀工艺，例如电刷电镀。因此，本发明的实践并不局限于利用电解槽的电镀工艺。
图1是示例性的高函道比的涡轮风扇发动机10的纵向截面图。发动机10包括围绕着纵向中心轴线12且连续轴流式连通的风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧室20、高压涡轮22以及低压涡轮24。高压涡轮22通过第一转子轴26与高压压缩机18驱动式相连，低压涡轮24通过第二转子轴28与增压器16及风扇14驱动式相连。
在发动机10的工作期间，周围空气穿过风扇14、增压器16和压缩机18，高压气流进入到燃烧室20中，其在此处与燃料混合并燃烧，以提供热燃气的高能量流。该高能量的气流穿过高压涡轮22以驱动第一转子轴26。该气流穿过低压涡轮24以驱动第二转子轴28、风扇14和增压器16。用过的燃气经由排气管道(未示出)而离开发动机10。
应当注意，虽然本说明是针对涡轮风扇飞机发动机来给出的，但是本发明的实施例可应用于任何燃气涡轮发动机的发电厂，例如用于海运和工业应用的那些发动机。图1所示发动机的说明只是针对可应用本发明实施例的发动机类型的示例性说明。
图2是可用于燃气涡轮发动机10(图1所示)中的示例性的第一级高压涡轮喷嘴弧段114的透视图。高压涡轮喷嘴弧段114可轴向地定位在燃烧室20和高压涡轮22之间，从而使一排第一级涡轮转子叶片(未示出)定位在高压涡轮喷嘴弧段114的下游。多个高压涡轮喷嘴114可围绕轴线12周向地间隔开，从而形成高压涡轮喷嘴(未示出)。高压涡轮喷嘴弧段114包括至少一个在相对的径向端处连接到相应的径向内带120和相应的径向外带122上的喷嘴叶片118。高压涡轮喷嘴弧段114通常形成为弧形的段，各弧段114具有两个或多个叶片118。在工作期间可利用冷却空气流124来克服热燃气流116来对叶片118进行冷却，冷却空气124可通过外带122而从压缩机18的排气中分流到各个叶片118上。
各叶片118都包括通常凹入的压力侧壁126和周向相对的通常凸出的吸力侧壁128。侧壁126和128可纵向地沿着喷嘴的径向轴线而在带120和122之间延伸，其中叶根130与内带120相连，叶尖132与外带122相连。侧壁126和128在前缘134和相对的后缘136之间弦向地或轴向地延伸。
图3是用于将电镀涂层施加到叶片118(图2所示)中的示例性电镀工艺200的透视图。在该示例性实施例中，叶片118可相对于栅极202而被激励到预定的负电压，使得在含有金属离子如铂离子的电解液覆盖到叶片118的表面如侧壁126上时，电解液中的金属离子被优先吸引且粘附到侧壁126上，从而形成了电镀涂层204。在该示例性实施例中，将不导电的非自耗性护罩206设置在后缘136的附近，使护罩206的纵向轴线208基本上与后缘136平行，并间隔开具有预定距离212的间隙210。在该示例性实施例中，距离212约为30密耳。在一个备选实施例中，距离212是大于或小于30密耳的距离。在该示例性实施例中，护罩206由不导电的材料如塑料制成，并具有例如为四分之三英寸的外径218，其比叶片118在后缘136处的厚度220大得多。相对于后缘136的厚度大得多的护罩206的直径明显地钝化了后缘136的几何形状，并且促进了阻止至少一部分电流流过后缘136。另外，距离212至后缘136的紧密间隙便于降低后缘136附近的电解液流量。护罩206可形成为顺应着不规则形状或弯曲后缘的轮廓，同时保持间隙距离212。另外，护罩206可包括不规则的横截面，例如，护罩206可以是空心的或实心的，并可包括构造成与后缘136对准的沟槽或狭缝，从而优化流动限制性间隙距离212和/或间隙距离212附近的电场的电特征。
图4是可用于电镀工艺200(图3所示)的高压涡轮喷嘴叶片118的横截面。叶片118包括凹入的压力侧壁126和凸出的吸力侧壁128，各侧壁都在前缘134和后缘136之间轴向地延伸。在围绕着叶片118的周边的预定位置处设有多个厚度检测位置，标为401-410。
图5是从多个检测位置401-410中的每一位置(图4所示)处获得的电镀涂层厚度读数的图表500。图表500包括x轴502，其单位与各相应检测位置401-410(图4所示)相关联。例如，电镀涂层厚度读数401是在前缘134的附近获得的，电镀涂层厚度读数406是在后缘的附近获得的，而电镀涂层厚度读数404和409分别是在凸面128的附近和凹面126的附近获得的。y轴以密耳为单位来划分刻度，其显示了对应于相应位置401-410的电镀涂层的厚度。
在该示例性实施例中，轨迹线506将图表500上的对应于用来为喷嘴叶片118涂覆金属薄膜涂层的示例性电镀工艺的点连接起来。轨迹线506显示了在没有使用护罩206来在边缘136的附近形成流动限制性间隙距离212的情况下使用电镀工艺所获得的读数。轨迹线506显示了位置406处的金属薄膜涂层厚度大约比位置401-405和407-410处的金属薄膜涂层厚度大100％。
轨迹线508显示了在使用护罩206来在边缘136的附近形成流动限制性间隙距离212以及使边缘136附近的电场移走的情况下使用电镀工艺之后在位置401-410处所获得的读数。护罩206可促进在位置401-410处电镀均匀的金属薄膜涂层厚度。轨迹线508显示了位置406处的金属薄膜涂层厚度大约比位置401-405和407-410处的金属薄膜涂层厚度仅大25％。使用护罩206可导致在叶片118周边的周围具有更均匀的金属薄膜涂层厚度。
厚度比可定义为翼型周边的周围的位置上的最大厚度(tmax)与最小厚度(tmin)的比值，
轨迹线508显示了利用上述公式得出的约1.94的厚度比，而轨迹线506显示了约3.03的厚度比，这表明在叶片118周边的周围的金属薄膜涂层厚度的均匀性提高了约40％
对于在燃气涡轮发动机部件如高压涡轮的第一级喷嘴上提供基本上均匀的金属薄膜涂层厚度而言，上述方法和装置是成本效率合算且可靠性很高的。尤其是，设于待涂覆喷嘴叶片的边缘附近的护罩限定了电解液流动的限制性间隙，并移走了边缘附近的一部分电场。限制边缘附近的电解液流动可使电解液排到间隙中，并减少可用于电镀边缘的金属离子浓度。移走边缘附近的一部分电场促进了电镀原动力的下降，从而降低了边缘上的电镀速率。本方法和装置能够以成本效率合算且可靠的方式来促进机器的制造，尤其是燃气涡轮发动机。
在上文中详细地介绍了电镀方法和装置部件的示例性实施例。这些部件并不局限于这里所介绍的特定实施例，相反，各装置的部件均可单独地和独立于这里所述的其它部件地来使用。各电镀方法和装置部件也可结合其它的电镀方法和装置部件来使用。
虽然已经针对各种特定的实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当理解，可在权利要求的精神和范围内通过改进来实施本发明。

Claims (9)

1.一种制造燃气涡轮发动机部件(118)的方法(200)，所述方法包括：
将非自耗性护罩(206)设置在所述部件的边缘附近，从而在所述护罩和部件之间形成了间隙(210)，其中所述护罩和间隙形成了所述边缘附近的流体流动限制；和
通过电解槽将电流从阳极(202)引导至所述部件上，从而对所述部件施加涂层(204)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括电镀所述部件，使得所述部件边缘(136)上的电镀涂层的厚度(220)基本上等于所述部件的表面(126，128)上的电镀涂层的厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将电流从阳极引导至所述部件上包括将所述部件作为电路中的阴极来进行连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括在所述边缘的附近设置不导电的护罩，使得所产生的电场的至少一部分从所述边缘中移走。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括选择所述护罩的尺寸以便于从所述边缘中移走电场，从而使沉积在所述边缘上的涂层相对于沉积在所述部件上的涂层而言是基本上均匀的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括将不导电的护罩设置在所述部件的边缘附近。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括在所述部件的边缘附近设置护罩，使得所述间隙的宽度等于约0.254毫米到约1.27毫米之间的宽度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括在所述部件的边缘附近设置护罩，使得所述间隙的宽度等于约0.762毫米
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将非自耗性护罩设置在所述部件的边缘附近包括在所述边缘的附近设置护罩，使得所述护罩具有与所述边缘的轮廓基本上匹配的轮廓。
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