專利名稱：可磨損動葉圍帶的制作方法
技術領域：
本申請大體涉及燃氣渦輪發動機，并且更特別地涉及用于可磨損模式的最佳形狀，可磨損模式在用于燃氣渦輪發動機等中的動葉圍帶(bucket shroud)上。
背景技術：
一般而言，燃氣渦輪發動機的效率傾向于隨增加的燃燒溫度而增加。然而，更高的燃燒溫度可造成涉及在熱燃燒氣體路徑內和其它位置處的構件的完整性、冶金和壽命預期的各種問題。這些問題是難點，特別對于諸如定位在渦輪的前級中的旋轉動葉和靜止渦輪圍帶的構件。高渦輪效率還要求，動葉在渦輪外殼或圍帶中以最小干擾旋轉以便防止在動葉的尖端上熱燃燒氣體的不受歡迎的“泄漏”。維持足夠的間隔而沒有顯著的效率損失的需要由于離心力使動葉隨渦輪旋轉以朝外方向朝向圍帶膨脹的事實而變得更加困難。然而，如果動葉尖端對圍帶摩擦，則動葉尖端可磨蝕。該磨蝕可導致在其間的增加的間隔以及降低的構件壽命。泄漏的其它原因包括熱膨脹和甚至在例如軍事應用等中的發動機的過分機動。可磨損涂層已應用到渦輪圍帶的表面以幫助建立在圍帶和動葉尖端之間的最小或最佳間隔，即動葉尖端間隙。這種材料可由動葉的尖端容易地磨損，而對尖端幾乎沒有或沒有損傷。因此，通過確保可磨損涂層而不是動葉尖端材料將被犧牲，動葉尖端間隙間隔可減小。除允許尖端_圍帶接觸外，利用可磨損表面作為在其上的脊形部模式等已被發現在進一步降低通過其中的泄漏流方面提供額外的空氣動力學益處。尤其地，脊形部可對從尖端間隔間隙流走的主流提供導引。已知的可磨損模式因而已被發現在降低最小尖端間隔高度等方面提供空氣動力學益處。因而期望改進可磨損動葉圍帶模式以便減小通過動葉尖端間隙以及其它位置處的泄漏流。這種可磨損動葉圍帶模式可對特定的動葉設計在通過其中的泄漏流和在其上的熱負荷方面優化。尤其地，這種動葉圍帶設計可在用于改進性能的流動降低模式方面提供足夠的可磨損圍帶表面。
發明內容
本申請因而提供可磨損動葉圍帶，其與動葉尖端一起利用以便限制通過其中的泄漏流并且降低在其上的熱負荷。可磨損動葉圍帶可包括基底和定位在其上的若干脊形部。 脊形部可由可磨損材料制成。脊形部可形成模式。脊形部可具有若干曲面，其帶有至少第一曲面和第二曲面并且第二曲面具有反拱(reverse camber)形狀。本申請還提供減小通過在動葉尖端與圍帶之間的動葉尖端間隙的泄漏流的方法。 該方法可包括如下步驟確定穿過動葉尖端間隙的泄漏流在沿動葉尖端的若干參考點處的方向；將若干可磨損材料脊形部定位在圍帶上；并且將可磨損材料脊形部形成為至少第一曲面和第二曲面。第一曲面可具有在參考點處垂直于泄漏流的堵塞位置。
本申請還提供可磨損動葉圍帶，其與動葉尖端一起利用以便限制通過其中的泄漏流并且降低在其上的熱負荷。可磨損動葉圍帶可包括基底和定位在其中的若干平行脊形部。脊形部可由可磨損材料制成。脊形部可包括模式，其帶有具有至少第一曲面和第二曲面的正弦形狀。第一曲面可具有對于通過其間的泄漏流的垂直位置。當結合多個附圖和所附權利要求閱讀以下詳細的說明書時，本申請的這些和其它特征和改進對本領域技術人員將變得顯而易見。
圖1為燃氣渦輪發動機的示意圖。圖2為渦輪級的部分的已知動葉和圍帶的側平面視圖。圖3為可磨損圍帶的側平面視圖，該可磨損圍帶可在本文中描述為鄰近動葉尖端。圖4為在圍帶上的可磨損模式的平面視圖，該可磨損模式可在本文中與渦輪動葉尖端的外部表面的輪廓一起進行描述，該輪廓以穿過模式脊形部的假想線示出。圖5為帶有在其上示出的泄漏流的動葉尖端的示意圖。部件列表
10燃氣渦輪發動機
15壓縮器
20空氣流
25燃燒器
30燃料流
35燃燒氣體流
40渦輪
45負荷
50渦輪級
55動葉
60柄部
65平臺
70翼型件
75動葉尖端
80齒部
85圍帶
90密封件
95動葉尖端間隙
100可磨損圍帶
110脊形部
120基底面
130可磨損材料
140可磨損模式
145壓力脈動
150接觸塊(patch)
160目丨J頭
170箭頭
180正弦形狀
190第一曲面
200第二曲面
210反拱形狀
220前部
230后部
240泄漏流
245參考點
250故々1 目丨J頭
260箭頭
265垂直或堵塞位置
270再循環流
具體實施例方式現在參考附圖，其中貫穿多個視圖相同數字參考相同元件，圖1示出如可在本文中描述的燃氣渦輪發動機10的示意圖。燃氣渦輪發動機10可包括壓縮器15。壓縮器15 壓縮引入的空氣流20。壓縮器15輸送壓縮空氣流20到燃燒器25。燃燒器25將壓縮空氣流20與壓縮燃料流30混合并且點燃混合物以生成燃燒氣體流35。雖然僅僅示出單個燃燒器25，但是燃氣渦輪發動機10可包括任何數目的燃燒器25。燃燒氣體流35又輸送到渦輪 40。燃燒氣體流35驅動渦輪40以便產生機械功。渦輪40中產生的機械功驅動壓縮器15 和諸如發電機等的外部負荷45。燃氣渦輪發電機10可利用天然氣、各種類型的合成氣和/或其它類型的燃料。燃氣渦輪發動機10可為由NewYork，Schenectady的通用電氣公司提供的任何數目的不同燃氣渦輪發動機中的一個，諸如重型7FA燃氣渦輪發動機等。燃氣渦輪發動機10可具有其它構型并且可利用其它類型的構件。其它類型的燃氣渦輪發動機還可在本文中利用。多個燃氣渦輪發動機10、其它類型的渦輪和其它類型的功率發生裝備還可一起在本文中利用。圖2示出渦輪級50的部分的實例。每個渦輪級50包括旋轉渦輪葉片或動葉55。 如已知，每個渦輪動葉55可包括柄部60、平臺65、延伸翼型件70和動葉尖端75。動葉尖端 75可具有在其上的一個或多個切削齒80。其它構型和其它類型的動葉55也可在本文中利用。每個旋轉動葉55可鄰近靜止圍帶85定位。圍帶85可具有在其上的若干密封件 90，其與每個動葉55的動葉尖端85協作。可選地，在可磨損圍帶等的情形中，圍帶85可如下文將更詳細描述地包括若干可磨損脊形部。其它構型和其它類型的圍帶85和密封件90 可在本文中利用。如已知，翼型件70將膨脹的燃燒氣體流35的能量轉成機械能。動葉尖端75可提供表面，其大致垂直于翼型件70的表面延伸。動葉尖端75因而還可幫助將燃燒氣體流35 約束在翼型件70上使得更高比例的燃燒氣體流35可轉換成機械能。同樣地，靜止圍帶85 通過導引燃燒氣體流35到翼型件70上，與燃燒氣體流35通過在動葉尖端75與圍帶85之間的動葉尖端間隙95相反，增加了整體效率。如上文描述的，最小化動葉尖端間隙95因而幫助最小化通過其中的泄漏流。其它構型還可在本文中利用。圖3示出如可在本文中描述的可磨損圍帶100。可磨損圍帶100可包括定位在基底面120上的若干脊形部110。脊形部110可由可磨損材料130制造。該可磨損材料通常可由金屬的和/或陶瓷的合金制造。任何類型的可磨損材料可在本文中利用。可磨損材料 130還可定位在基底面120上和其它位置處。如圖4所示，可磨損圍帶100的脊形部110可形成在其上的可磨損模式140。帶有動葉尖端75的輪廓的接觸塊150以假想線示出。箭頭160示出關于可磨損模式140的渦輪動葉55的旋轉方向。箭頭170指示關于可磨損模式140的燃燒氣體流35的方向。如所示，脊形部110可大致彼此平行并且還可大致等距。然而，脊形部110的間距和形狀可隨位置變化。脊形部110可具有任何期望的深度和/或截面形狀。其它構型可在本文中利用。在該實例中，脊形部110可具有從前部220到后部230延伸的大致正弦形狀 180，其至少帶有由凸面或第二曲面200跟隨的凹面或第一曲面190。可磨損模式140因而具有雙弧形狀，其帶有相比于第一曲面190具有反拱210的第二曲面。其它類型的模式可在本文中利用。其它類型和數目的曲面可在本文中利用。可磨損模式140可關于相關動葉尖端75的形狀進行優化。可磨損圍帶100和動葉55的相對定位在圖3中示出，其中動葉尖端間隙95定位在其間。可磨損圍帶100靜止而動葉55旋轉。在動葉尖端75與可磨損圍帶100之間的相對運動可由于經過脊形部110 的模式140而引起時間周期壓力脈動145，其作用在通過其中延伸的泄漏流240上。相比于帶有通過其中的同樣或類似間隙95的軸向對稱圍帶，這種不穩定的壓力可導致通過尖端間隙95的泄漏流240的凈降低。尤其地，可磨損圍帶110的脊形部110結合以限制通過其中的泄漏流240。脊形部110的特定的正弦形狀180或其它形狀可相對于泄漏流方向最大化。例如，圖5示出通過動葉尖端間隙95的泄漏流240。泄漏速率矢量在相對于動葉尖端75的參考系中示出。在中部弦段參考點245處的泄漏流240的方向以偏離旋轉軸線大約二十度 (20° )的箭頭250示出。當轉換到靜止參考系，泄漏流240在大約五十五度(55° )的角度的箭頭260可見。在大約負三十五度(-35° )定向的靜止脊形部110因而將在對泄漏流路徑95的垂直或堵塞位置265上。這種堵塞位置265因而可隨脊形部110相對于尖端間隙95運動而提供最大堵塞角度。該過程然后可在沿動葉尖端75的長度的幾個參考點245 重復以生成模式140的至少第一曲面190的形狀。許多不同模式140因而可依據該過程形成，該過程依據動葉的類型、渦輪的類型、特定的運行狀況和其它變量。例如，泄漏流240的角度隨在尖端間隙95內的軸向位置而變化。因此，最佳堵塞角度也可沿動葉尖端75的長度變化。給定特定動葉尖端75沿其長度的形狀，圖4的正弦形狀180因而最大化最佳堵塞角度。可磨損模式140因而具有在其前部220的凹面或第一曲面190和在后部230的反拱210的凸面或第二曲面200。再次，許多不同模式140因而可在本文中形成。
大體上模式140的整個形狀，尤其在后部230附近的雙弧形狀或反拱210，還作用以降低在整個圍帶100上的熱負荷。尤其地，所有脊形部110增加傳熱，因為它們具有更多濕表面區域。模式140可優化使得在前部320附近的第一曲面190提供改進的堵塞而在后部230附近的第二曲面200或反拱210防止過熱。除堵塞通過其中的泄漏流240外，脊形部110還可建立在鄰近脊形部110之間的最佳再循環流270。該脊形部間再循環流270可由可保留在鄰近動葉55之間的冷空氣構成。模式140因而以降低的傳熱來平衡泄漏的降低。帶有可磨損模式140的可磨損圍帶100因而限制通過其中的泄漏流240以及與其相關的問題，諸如空氣動力學性能降級和增加的圍帶熱負荷。尤其地，可磨損模式140可關于經過動葉尖端75上的泄漏流240和整個傳熱進行優化。其它類型的可磨損模式140可以與其它類型和形狀的動葉尖端一起利用。相比于不具有在其上的模式的圍帶，本文描述的可磨損圍帶100顯著地更冷且提供更少的在其前部320附近通過其中的泄漏流240。后部230可稍微更熱，但比它可原本帶有通過其中的類似泄漏流時較冷。泄漏流240的減少因而降低在動葉55和圍帶100附近的空氣動力學損失以便提供更高的效率。同樣地，在圍帶100上的熱負荷可降低以便改進整體耐久性和構件壽命。顯然，前述僅僅涉及本申請的某些實施例，并且本領域技術人員可在本文中做出諸多改變和修改，而不脫離由權利要求及其等價物限定的本發明的總體精神和范圍。
8
權利要求
1.一種可磨損動葉圍帶(100)，其與動葉尖端(75) —起利用以便限制通過其中的泄漏流(240)并且降低其上的熱負荷，包括基底(120)；和多個脊形部(110)，其定位在所述基底(120)上；其中，所述多個脊形部(110)包括可磨損材料(130)；其中，所述多個脊形部(110)包括模式(140)；其中，所述多個脊形部(110)中的每個包括多個曲面(190，200)；其中，所述多個曲面(190，200)至少包括第一曲面(190)和第二曲面(200)；并且其中，所述第二曲面(200)包括反拱形狀(210)。
2.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)和所述第二曲面(200)包括正弦形狀(180)。
3.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)包括凹面形狀。
4.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述第二曲面(200)包括凸面形狀。
5.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述動葉尖端(75)包括前部(220)和后部(230)，并且其中，所述第一曲面(190)定位在所述前部(220)附近且所述第二曲面(200)定位在所述后部(230)附近。
6.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述多個脊形部(110)大致平行。
7.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述多個脊形部(110)大致等距。
8.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)包括對通過其中的所述泄漏流(240)的堵塞位置(265)。
9.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)包括多個參考點(245)，并且其中，所述第一曲面(190)包括在所述多個參考點(245)中的每個處的最大堵塞位置(265)。
10.根據權利要求1所述的可磨損動葉圍帶(100)，其特征在于，所述多個脊形部(110) 包括在其間的再循環流(270)。
11.一種減小通過在動葉尖端(75)與圍帶(100)之間的動葉尖端間隙(95)的泄漏流 (240)的方法，包括確定穿過所述動葉尖端間隙(95)的所述泄漏流(240)在沿所述動葉尖端(75)的多個參考點(245)處的方向；將多個可磨損材料脊形部(110)定位在所述圍帶(100)上；并且將所述多個可磨損材料脊形部(110)形成為至少第一曲面(190)和第二曲面(200)； 其中，所述第一曲面(190)包括在所述多個參考點(245)處垂直于所述泄漏流的堵塞位置(265)。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟旋轉所述動葉尖端 (75)并且在所述多個可磨損材料脊形部(110)附近形成壓力脈動(145)。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟旋轉所述動葉尖端 (75)并且在所述多個可磨損材料脊形部(110)中的每個之間形成再循環流(270)。
全文摘要
本申請提供可磨損動葉圍帶(100)，其與動葉尖端(75)一起利用以便限制通過其中的泄漏流(240)并且降低在其上的熱負荷。該可磨損動葉圍帶(100)可包括基底(120)和定位在其上的若干脊形部(110)。脊形部(110)可由可磨損材料(130)制成。脊形部(110)可形成模式(140)。脊形部(110)可具有若干曲面(190，200)，其帶有至少第一曲面(190)和第二曲面(200)并且第二曲面(200)具有反拱形狀(210)。
文檔編號F01D5/14GK102434220SQ201110283399
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者J·A·塔爾曼 申請人:通用電氣公司