耐用渦輪葉片的制作方法
【專利說明】耐用渦輪葉片
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
根據(jù)35 U.S.C.§ 119(e)，本申請要求2012年11月17日以本申請的發(fā)明人的名義提交的美國臨時專利申請N0.61/738，118的優(yōu)先權(quán)，該申請的名稱為“Robust TurbineBlades (耐用渦輪葉片)”，該臨時申請通過引用而結(jié)合在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體涉及渦輪。更特別地，本發(fā)明涉及能經(jīng)受住葉片末梢和護(hù)罩之間的摩擦而不損害機(jī)械完整性或性能的耐用渦輪葉片。
【背景技術(shù)】
[0003]渦輪組件典型地通過使由于燃料燃燒而產(chǎn)生的熱壓縮氣體膨脹來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)軸功率。燃?xì)鉁u輪輪葉或葉片大體具有翼型件形狀，其設(shè)計成將流徑氣體的熱能和動量轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。
[0004]可通過以下方式來提高渦輪性能和效率:減小旋轉(zhuǎn)葉片的末梢和固定護(hù)罩之間的空間，以限制在葉片的頂部上或其周圍的空氣流，否則空氣流會繞過葉片。例如，葉片可構(gòu)造成使得其末梢在發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間緊密地配合護(hù)罩。
[0005]渦輪葉片可由多種材料制成，包括鎳基超合金和陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)。CMC是用于渦輪應(yīng)用的鎳基超合金的有吸引力的替代品，因為它們能夠耐高溫且重量輕。
[0006]當(dāng)設(shè)計CMC渦輪葉片時，產(chǎn)生和保持高效末梢間隙是至關(guān)重要的。當(dāng)與金屬超合金相比時，CMC的應(yīng)變造成的失效固有地低且損傷容限降低，這引起了關(guān)于葉片在渦輪葉片末梢摩擦事件期間的耐用性的擔(dān)憂。當(dāng)努力保持緊密的末梢間隙時，CMC凹陷或氣體燃燒環(huán)境中形成的二氧化硅揮發(fā)也可提出挑戰(zhàn)。
[0007]在末梢摩擦事件期間，徑向間隙達(dá)到干涉狀態(tài)，而且翼型件末梢會撞擊靜止護(hù)罩硬件，從而對葉片施加較大的切向力。這個力會對翼型件和柄部產(chǎn)生相當(dāng)大的彎矩，然后彎矩可使部件的負(fù)荷過大，并且造成永久的結(jié)構(gòu)損傷。由于發(fā)動機(jī)構(gòu)建間隙和護(hù)罩間隙控制系統(tǒng)中的不確定性的原因，設(shè)計穩(wěn)健性最佳實踐要求渦輪葉片經(jīng)受住葉片末梢和護(hù)罩之間的摩擦，而不損害機(jī)械完整性或性能。
[0008]征服以上挑戰(zhàn)的CMC葉片在本領(lǐng)域中是合乎需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種耐用渦輪葉片設(shè)計，其最大程度地減小渦輪葉片在末梢摩擦事件期間的損傷，防止進(jìn)一步的末梢凹陷，并且提高渦輪葉片的彈性。這可通過各種葉片末梢設(shè)計實現(xiàn)，諸如凹陷末梢或突起末梢。這還可通過對葉片末梢、護(hù)罩或它們兩者提供具有可磨蝕層或磨蝕層的環(huán)境阻隔涂層(EBC)實現(xiàn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，葉片可包括具有凹陷構(gòu)造或突起構(gòu)造的末梢。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施例，葉片可由CMC制成，而且包括EBC。護(hù)罩可由CMC制成，而且包括EBC，或者護(hù)罩可由金屬制成，而且包括隔熱涂層(TBC)或其它類似的陶瓷涂層。在本發(fā)明的各種實施例中，葉片末梢、護(hù)罩或者葉片末梢和護(hù)罩兩者的EBC可包括可磨蝕層或磨蝕層。
[0012]根據(jù)結(jié)合附圖得到的優(yōu)選實施例的以下更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將是顯而易見的，附圖以示例的方式示出本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的葉片末梢的視圖。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有凹陷構(gòu)造的葉片末梢的透視圖。
[0015]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0017]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0018]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0019]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0020]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0021]圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有突起構(gòu)造的葉片末梢的透視圖。
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0023]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施例的葉片末梢的橫截面圖。
[0024]圖12是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有凹陷構(gòu)造和圖案化可磨蝕層或磨蝕層的葉片末梢的透視圖。
[0025]圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有突起構(gòu)造和圖案化可磨蝕層或磨蝕層的葉片末梢的透視圖。
[0026]在可行的時候，相同參考標(biāo)號將在圖中用來表不相同部件。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提供耐用渦輪葉片設(shè)計，其最大程度地減小渦輪葉片在末梢摩擦事件期間的損傷，防止進(jìn)一步的末梢凹陷，并且提高渦輪葉片的彈性。這可通過各種葉片末梢設(shè)計實現(xiàn)，諸如凹陷末梢或突起末梢。這還可通過對葉片末梢、護(hù)罩或它們兩者提供具有可磨蝕層或磨蝕層的EBC實現(xiàn)。
[0028]葉片末梢可由CMC材料制成，而且可包括具有可磨蝕層或磨蝕層的EBC。包括凹陷末梢和突起末梢和可磨蝕涂層或磨料涂層的各種末梢?guī)缀螛?gòu)造幫助減小葉片在末梢摩擦事件期間的接觸負(fù)載，并且通過減小可刮擦護(hù)罩的末梢的面積來最大程度地減小對渦輪葉片的其它關(guān)鍵區(qū)域的潛在損傷。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，葉片具有前緣和后緣和葉片末梢和相對的根部端，葉片可進(jìn)一步包括例如凹陷末梢或突起末梢。圖1是根據(jù)本發(fā)明的葉片末梢10的視圖。葉片末梢10可具有凹口或凸起12。
[0030]當(dāng)葉片末梢具有凹陷構(gòu)造時，末梢的側(cè)壁可在末梢中形成凹部。根據(jù)本發(fā)明的實施例，凹部可沿著葉片末梢的長度形成開放通道。凹口可具有任何半徑或深度。例如，凹口可具有大約0.018英寸至大約0.040英寸的半徑和大約0.040英寸至大約0.050英寸的深度。
[0031]當(dāng)葉片末梢具有突起構(gòu)造時，末梢的邊緣沿貫穿厚度的方向朝末梢的中心形成隆起部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，凸起可沿著葉片末梢的寬度形成凸脊。凸起可具有任何半徑或深度。例如，凸起可具有大約0.60英寸至大約0.80英寸的半徑和大約0.20英寸至大約0.60英寸的深度。
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有凹陷構(gòu)造的葉片末梢的透視圖。葉片末梢20包括EBC 22和在其之下的CMC襯底24，EBC 22可包括可磨蝕層或磨蝕層。如圖2中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24的邊緣26可具有彎曲形狀，并且形成彎曲或圓形的凹口 28。
[0033]圖3-8是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的具有凹陷末梢的葉片末梢的橫截面圖。如圖3中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24的邊緣26可具有彎曲形狀，并且形成具有平基部和彎曲或圓形的邊緣的凹口 28。另外，如圖4中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24的邊緣26可具有彎曲形狀，并且形成具有平基部和筆直邊緣的凹口 28。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，如圖5中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24的邊緣26可具有筆直形狀，并且形成彎曲或圓形的凹口 28。在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖6中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24可具有筆直形狀的邊緣26，并且形成具有平基部和彎曲邊緣的凹口 28。在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖7中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24的邊緣26可具有筆直形狀，并且形成具有平基部和筆直邊緣的凹口 28。在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖8中顯示的那樣，EBC 22和CMC襯底24可具有一個帶有筆直形狀的邊緣26，并且形成具有平基部和筆直邊緣的凹口 28。
[0034]除了 EBC結(jié)合之外，凹陷構(gòu)造可形成機(jī)械保持作用，以幫助固持可磨蝕材料，以及防止涂層在摩擦事件期間完全釋放。另外，凹口在高的末梢摩擦力下可變形或者部分地斷裂，以減小對CMC葉片的其余的負(fù)載非常高的區(qū)域的撞擊。突起構(gòu)造可允許減小末梢處的面積，這可通過在葉片上產(chǎn)生較少壓力來減小末梢摩擦力，而且由于半徑較大的原因，可允許有較好的EBC化學(xué)粘結(jié)性。
[0035]圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的具有突起構(gòu)造的葉片末梢的透視圖。葉片末梢90包括EBC 92，EBC 92可包括可磨蝕層或磨蝕層和在它們之下的CMC襯底94。如圖9中顯示的那樣，EBC 92和CMC襯底94的邊緣96可具有彎曲形狀，并且形成具有彎曲或圓形的凸脊的凸起98。
[0036]圖10和11是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的具有突起末梢的葉片末梢的橫截面圖。如圖8中顯示的那樣，EBC 92和CMC襯底94的邊緣96可具有彎曲形狀，并且形成具有平頂部的凸起98。在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖11中顯示的那樣，EBC 92和CMC襯底94的邊緣96可具有筆直形狀，并且形成具有平頂部的凸起98。
[0037]EBC和CMC襯底可具有與圖2_11中顯示的相似的橫截面輪廓，或者它們可具有不同的橫截面輪廓。例如，EBC可具有帶有彎曲形狀的邊緣，并且形成具有平基部和彎曲或圓形的邊緣的凹口，而CMC襯底可具有帶有彎曲形狀的邊緣和彎曲或圓形的凹口。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的實施例，葉片末梢可涂有具有圖案化可磨蝕層或磨蝕層的EBC。例如，圖案可包括(但不限于)凸脊，凸脊可為遵從護(hù)罩流徑的成形凸脊，諸如平凸脊、圓形凸脊、單點或多點末梢。
[0039]圖12是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有凹陷構(gòu)造和圖案化可磨蝕層或磨蝕層21的葉片末梢20的透視圖。例如，圖案化可磨蝕或磨蝕層21可為EBC 22的頂層。圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有突起構(gòu)造和圖案化可磨蝕層或磨蝕層91的葉片末梢90的透視圖。例如，圖案化可磨蝕或磨蝕層91可為EBC 92的頂層。
[0040]為了形成凹陷或突起的CMC末梢，核心翼型件結(jié)構(gòu)SiC層片可延伸通