具有带有复合角、不对称表面面积密度脊和槽样式的耐磨层的涡轮环形节段制造技术

涡轮壳体耐磨部件，具有耐磨表面（1300），所述耐磨表面（1300）带有由一对前线性节段部分和后线性节段部分（1302A、1302B）限定的槽和脊（1302）构成的复合角平面形态图案，所述前线性节段部分和后线性节段部分（1302A、1302B）由过渡部分（1302T）连结。所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度，以补偿在发动机操作期间前区中的更大脊腐蚀并且减小后区中的叶片尖端磨损。一些耐磨部件实施例通过结合比后区中的脊更宽的脊来增加前区脊的表面面积密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的优先权声明和交叉引用本申请主张以下美国专利申请案的优先权，所有这些申请案均于2014年2月25日提交，并且其中的每一个的全部内容均通过引用并入本文：指定的序列号为14/189,081的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN”；指定的序列号为14/189,035的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES”；以及指定的序列号为14/188,992的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE TERRACED RIDGES”。同时提交的案卷编号为2015P01174WO的名称为“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH INCLINED ANGLE SURFACE RIDGE OR GROOVE PATTERN”的国际专利申请案，且其指定的序列号（未知）被识别为相关的申请并且通过引用并入本文。以下美国专利申请案于2014年2月25日同时提交并且出于对目前提交的申请案进行审查的目的被识别为相关申请案，以下申请案中的每一个的全部内容通过引用并入本文：指定的序列号为14/188,813的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES”；指定的序列号为14/188,941的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；指定的序列号为14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”；以及指定的序列号为14/189,011的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN”。
技术介绍
1. 专利
本专利技术涉及用于涡轮发动机（包括燃气或者蒸汽涡轮发动机）的耐磨表面、含有这种耐磨表面的发动机，以及用于减小发动机叶片尖端磨损和叶片尖端泄漏的方法。更具体地，本专利技术的各种实施例涉及具有不对称的首尾向脊表面面积密度的耐磨表面，并且前脊具有比后脊更大的表面面积密度以补偿发动机操作期间前区中的更大的脊腐蚀和在后区中减小叶片尖端磨损。2. 现有技术的描述已知涡轮发动机（包括燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机）含有轴装式涡轮叶片，涡轮叶片由涡轮壳体或者外壳周向地围绕。流过涡轮叶片的热气体引起叶片旋转，叶片旋转将热气体内的热能转换为机械功，其可用于向诸如发电机等旋转机械提供动力。参照图1至图6，诸如燃气涡轮发动机80的已知涡轮发动机包括：多级压缩机部段82、燃烧器部段84、多级涡轮部段86和排气系统88。大气压力进气空气通常沿涡轮发动机80的轴向长度的流动箭头F的方向被抽入压缩机部段82中。进气空气通过多排旋转压缩机叶片在压缩机部段82中被逐步地加压，并且由相配的压缩机导叶引导至燃烧器部段84，在该处其与燃料混合并且被点燃。点燃的燃料/空气混合物现在处于比原始进气空气更大的压力和速度下，且被引导至涡轮部段86中的相继排R1、R2等。发动机的转子和轴90具有多排翼型横截面形涡轮叶片92，其在压缩机部段82和涡轮部段86中终止于叶片尖端94远端。为了方便和简洁，关于发动机中的涡轮叶片和耐磨层的进一步讨论将集中于涡轮部段86的实施例和应用，尽管类似的结构也可适用于压缩机部段82。每个叶片92均具有凹形轮廓高压侧96和凸形低压侧98。沿燃烧流动方向F流动的高速和高压燃烧气体使得叶片92旋转运动，从而使转子转动。如众所周知的，施加在转子轴上的一些机械功率可用于执行有用功。燃烧气体在转子远端由涡轮壳体100径向地约束，且在转子近端由空气密封件102径向地约束。参照图2中示出的第1排部段，相应的上游导叶104和下游导叶106引导上游燃烧气体使其大体上平行于涡轮叶片92的前缘的入射角并且重新引导下游燃烧气体离开叶片的后缘。接近叶片尖端94的涡轮发动机80的涡轮壳体100布有多个扇形耐磨部件110，每个扇形耐磨部件110均具有支撑表面112和耐磨基底120，支撑表面112固持在壳体内并且联接至壳体，耐磨基底120由叶片尖端间隙G与叶片尖端成相对的间隔开的关系。耐磨基底通常由金属/陶瓷材料构造，该金属/陶瓷材料具有高耐热性和耐热腐蚀性，并且在高燃烧温度下维持结构完整性。由于耐磨表面120的金属陶瓷材料通常比涡轮叶片尖端94的材料更加粗糙，因此维持叶片尖端间隙G以避免两个相对的部件之间的接触，该接触可能最好地引起过早的叶片尖端磨损，并且在更糟的情况下情形可能引起发动机损坏。一些已知的耐磨部件110是用整块金属/陶瓷耐磨基底120构造。其它已知的耐磨部件110用复合材料基体复合材料（CMC）结构构造，该复合材料基体复合材料（CMC）结构包括陶瓷支撑表面112，由更小的颗粒陶瓷填料包围的多层密堆积中空陶瓷球形颗粒构成的脆性分段绝缘（FGI）粘接至该陶瓷支撑表面112，如在美国专利No. 6,641,907中所描述的那样。具有不同性质的球形颗粒在基底120中分层，并且大体上更易耐磨的球形成上层以减小叶片尖端94的磨损。美国专利公开No. 2008/0274336中描述了另一种CMC结构，其中，该表面包括在中空陶瓷球之间的切槽样式。该槽旨在减小耐磨表面材料的横截面面积以减小潜在的叶片尖端94的磨损（如果它们与耐磨表面接触）。其它众所周知的耐磨部件110由金属基部层支撑表面112构造，形成耐磨基底层120的热喷涂的陶瓷/金属层被施加于该金属基部层支撑表面112。如将更加详细地描述的，该热喷涂的金属层可以包括槽、凹陷或者脊，以减小耐磨表面材料横截面以便减小潜在的叶片尖端94的磨损。除了期望防止叶片尖端94过早磨损或者与耐磨基底120接触（如图3中所示）之外，为了理想的气流和功率效率，每个相应叶片尖端94均期望地具有相对于耐磨部件110的均匀的叶片尖端间隙G，该叶片尖端间隙G尽可能地小（理想地为零空隙）以使高压叶片侧96与低压叶片侧98之间的（以及轴向地沿燃烧流动方向F）叶片尖端气流泄漏L最小化。然而，制造和操作权衡需要叶片尖端间隙G大于零。这种权衡包括相互作用的部件的容差叠加，使得以可接受径向长度容差的更高端构造的叶片与以可接受径向容差的更低端构造的耐磨部件耐磨基底120在操作期间不过度地彼此影响。类似地，在发动机组装期间出现的小机械调准差异能够引起叶片尖端间隙的局部变化。例如，在轴向长度为数米且具有几米的涡轮壳体耐磨基底120内径的涡轮发动机中，非常小的机械调准差异就能够导致数毫米的局部叶片尖端间隙G变化。在涡轮发动机80的操作期间，涡轮发动机壳体100可经历如图4和图6中示出的失圆（例如，卵形）热变形。当发动机被点燃以生成功率并且随后被冷却以便在数千小时的发电之后进行维护时，壳体10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮发动机环形节段耐磨部件，其适应于以与旋转涡轮叶片尖端周向扫掠路径相对的取向联接至涡轮壳体的内部周边，所述叶片尖端具有旋转方向、前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线处的所述叶片尖端的压力侧凹入表面上的弦线中心截点以及后缘，所述部件包括：支撑表面，所述支撑表面适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮壳体内周边，所述支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与对应涡轮叶片旋转轴线平行地取向的支撑表面轴线；联接至所述支撑表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面带有通过由过渡部分连结的一对前线性节段部分和后线性节段部分限定的槽和竖直突出的脊的复合角平面形态样式；每个前线性节段部分源于所述支撑表面上游端部附近，在相对于所述支撑表面轴线正或者负10度的角度范围内取向，并且终止于预期涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置的上游的所述支撑表面端部之间；每个后线性节段部分源于所述预期涡轮叶片弦线中心截点的下游，在角度上取向为与对应涡轮叶片旋转方向相对，并且终止于所述支撑表面下游端部附近；以及所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.25 US 14/189081;2014.02.25 US 14/189035;201.一种涡轮发动机环形节段耐磨部件，其适应于以与旋转涡轮叶片尖端周向扫掠路径相对的取向联接至涡轮壳体的内部周边，所述叶片尖端具有旋转方向、前缘、在表面切线大体上平行于对应涡轮叶片旋转轴线处的所述叶片尖端的压力侧凹入表面上的弦线中心截点以及后缘，所述部件包括：支撑表面，所述支撑表面适应于联接至围绕涡轮叶片旋转轴线的涡轮壳体内周边，所述支撑表面具有上游端部和下游端部，以及适应于与对应涡轮叶片旋转轴线平行地取向的支撑表面轴线；联接至所述支撑表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面带有通过由过渡部分连结的一对前线性节段部分和后线性节段部分限定的槽和竖直突出的脊的复合角平面形态样式；每个前线性节段部分源于所述支撑表面上游端部附近，在相对于所述支撑表面轴线正或者负10度的角度范围内取向，并且终止于预期涡轮叶片弦线中心截点的扫掠路径的径向和轴向突出位置的上游的所述支撑表面端部之间；每个后线性节段部分源于所述预期涡轮叶片弦线中心截点的下游，在角度上取向为与对应涡轮叶片旋转方向相对，并且终止于所述支撑表面下游端部附近；以及所述前线性节段部分中的前脊具有比所述后线性节段部分中的后脊更大的表面面积密度。2.根据权利要求1所述的部件，还包括比后脊更宽的前脊，以便形成所述前脊的更大的表面密度。3.根据权利要求2所述的部件，还包括在过渡部段中从前至后缩窄的脊宽度，以便使对应的连结起来的前脊和后脊的宽度的相应宽度相匹配。4.根据权利要求2所述的部件，还包括在所述过渡部段中限定弯曲的平面形态的脊和槽。5.根据权利要求2所述的部件，至少部分脊具有相对于所述支撑表面倾斜的远端突出尖端。6.根据权利要求2所述的部件，所述脊和槽包括连续的之字形槽样式。7.根据权利要求2所述的部件，所述脊和槽具有恒定的间隔节距。8.根据权利要求1所述的部件，所述脊和槽具有恒定的间隔节距。9.根据权利要求1所述的部件，所述脊和槽包括连续的之字形槽样式。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李经邦，谭国汶，GS阿扎德，高志宏，E约翰逊，E施勒德，NF小马丁，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE