具有帶切削尖端的翼型頂端的渦輪葉片的制作方法
【專利說明】具有帶切削尖端的翼型頂端的渦輪葉片
[0001]關于聯邦贊助研究或開發的聲明
本發明的開發部分得到美國能源部、先進氫禍輪發展項目(Advanced HydrogenTurbine Development Program)、合同號DE-FC26-05NT42644的支持。因此，美國政府可以擁有本發明中的某些權利。
技術領域
[0002]本發明一般涉及渦輪葉片，并且更具體而言，涉及燃氣渦輪發動機中的渦輪葉片的頂端構造。
【背景技術】
[0003]通常，燃氣渦輪發動機包括用于壓縮空氣的壓縮機、用于使壓縮空氣與燃料混合并且點燃混合物的燃燒室以及用于產生功率的渦輪葉片組件。燃燒室常常在可超過華氏2，500度的高溫下操作。典型的渦輪機燃燒室構造使渦輪葉片組件暴露于這些高溫。結果，渦輪葉片必須由能夠承受這樣的高溫的材料制成。此外，渦輪葉片通常包含用于延長葉片的壽命并且降低由于過高的溫度而導致故障的可能性的冷卻系統。
[0004]通常，渦輪葉片由處于一端處的根部部分和形成從在渦輪葉片的相對端處耦接到根部部分的平臺向外延伸的葉片的細長部分形成。所述葉片通常包括與根部部分相對的頂端、前緣和后緣。渦輪葉片的頂端經常具有頂端密封件，以減小渦輪機的氣體路徑中的環段與葉片之間的間隙。所述頂端密封件經常被稱為凹槽狀頂端(squealer tip)，并且經常被結合到葉片的頂端上，以幫助減少渦輪級之間的壓力損失。這些特征被設計成最小化葉片頂端和環段之間的間隙。盡管如此，在啟動期間，葉片頂端經常接觸到環段并且造成葉片頂端上的磨損，這會損壞葉片。因此，需要在不損壞渦輪葉片的情況下適應啟動狀態。
【發明內容】
[0005]公開了一種渦輪葉片，其在渦輪葉片的徑向外端處具有凹槽狀頂端，所述凹槽狀頂端具有從所述凹槽狀頂端朝向環段徑向延伸的多個可磨損涂層切削尖端(cuttingtip)。在操作期間，所述可磨損涂層切削尖端可以切入到渦輪發動機的從渦輪葉片徑向向外定位的環段上的可磨損涂層中。所述多個可磨損涂層切削尖端可以包括從凹槽狀頂端延伸到可磨損涂層切削尖端的最外部尖端的一個或多個切削棱。通過切入到相鄰的可磨損涂層中，所述可磨損涂層切削尖端使渦輪發動機能夠在不損失效率的情況下繼續操作。
[0006]渦輪葉片可以由大致細長的葉片形成，所述大致細長的葉片具有前緣、后緣、處于第一端處的頂端、在大致與第一端相對的第二端處耦接到葉片的根部，所述根部用于支撐葉片，并且用于將葉片耦接到輪盤。所述葉片還可以包括在第一端處耦接到頂端的凹槽狀頂端。所述凹槽狀頂端可以包括多個可磨損涂層切削尖端，其從凹槽狀頂端朝向從所述大致細長的葉片徑向向外定位的環段徑向延伸。所述多個可磨損涂層切削尖端可以形成至少兩行的大致正交于凹槽狀頂端和環段之間的燃燒排放氣體流延伸的可磨損涂層切削尖端。可磨損涂層切削尖端的第二行可以位于可磨損涂層切削尖端的第一行的下游，并且可以相對于可磨損涂層切削尖端的第一行與燃燒排放氣體流正交地偏置。
[0007]在至少一個實施例中，可磨損涂層切削尖端中的一個或多個可以具有至少一個切削棱，其從凹槽狀頂端延伸到可磨損涂層切削尖端的最外部尖端。在另一實施例中，可磨損涂層切削尖端中的一個或多個具有至少三個切削棱，其從凹槽狀頂端延伸到可磨損涂層切削尖端中的所述至少一個的最外部尖端。第一切削棱可以位于可磨損涂層切削尖端的上游側上。第二切削棱可以在可磨損涂層切削尖端的上游側和下游側之間的第一交會部處從凹槽狀頂端延伸到可磨損涂層切削尖端的最外部尖端。第三切削棱可以在可磨損涂層切削尖端的上游側和下游側之間的第二交會部處從凹槽狀頂端延伸到可磨損涂層切削尖端的最外部尖端。第二交會部可以處于所述尖端的與第一側相對的一側上。
[0008]在至少一個實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端中的一個或多個可以具有金字塔的形狀。在另一實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端中的每一個都可以具有金字塔的形狀。所述多個可磨損涂層切削尖端中的至少一個可以從凹槽狀頂端延伸至少125微米的距離。在另一實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端中的至少一個可以從凹槽狀頂端延伸至少250微米的距離。在又一實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端中的至少一個可以從凹槽狀頂端延伸1000微米、S卩I毫米的距離。在再一實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端可以從凹槽狀頂端延伸至少125微米并且小于I，025微米的距離。所述多個可磨損涂層切削尖端可以由凹槽狀頂端的徑向外端上的滾花表面形成。
[0009]在另一實施例中，所述多個可磨損涂層切削尖端中的至少一個由多個平面表面形成，其中，相鄰的平面表面相交以形成切削棱。所述多個可磨損涂層切削尖端中的至少一個可以由至少四個平面表面形成。相鄰的可磨損涂層切削尖端可以在凹槽狀頂端的外表面處通過直線來分隔。所述多個可磨損涂層切削尖端可以在凹槽狀頂端的外表面處通過沿第一取向定位的多條直線和沿第二取向定位的多條直線分隔成行。所述第二取向可以與所述第一取向正交。第一取向和第二取向也可以相對于燃燒排放氣體流的方向是非平行和非正交的。
[0010]本發明的一個優點在于，改進的間隙控制通過提高葉片頂端雕刻或切削靜止部件上的可磨損材料的能力而提高了發動機的效率和功率。
[0011]本發明的另一個優點在于，可磨損涂層切削尖端切入到環段的徑向內表面上的可磨損涂層中，從而產生了與從渦輪葉片延伸的可磨損涂層切削尖端相對應的輪廓。
[0012]本發明的又一個優點在于，渦輪葉片的輪廓精確地對應于環段中的掃掠輪廓，從而改進了間隙控制。
[0013]下面更詳細地描述這些和其他實施例。
【附圖說明】
[0014]結合在本說明書中并形成其一部分的附圖圖示了目前公開的本發明的實施例，并且連同說明一起公開了本發明的原理。
[0015]圖1是具有根據本發明的特征的渦輪葉片的透視圖。
[0016]圖2是與徑向向外定位的環段相鄰的渦輪葉片頂端的詳細剖面圖，其中，可磨損涂層切削尖端的比例被放大，使得它們能夠被看到。
[0017]圖3是渦輪葉片的頂端的具有可磨損涂層切削尖端的部分的詳細頂視圖。
[0018]圖4是圖3中所示的渦輪葉片的頂端的具有可磨損涂層切削尖端的所述部分的詳細側視圖。
[0019]圖5是渦輪葉片的頂端的另一實施例的具有可磨損涂層切削尖端的部分的詳細頂視圖。
[0020]圖6是圖5中所示的渦輪葉片的頂端的具有可磨損涂層切削尖端的所述部分的詳細側視圖。
[0021]圖7是渦輪葉片接觸材料條的測試結果的圖片，其中，頂部的材料條通過平的金屬渦輪葉片頂端撞擊，中間的材料條通過具有可磨損涂層切削尖端的渦輪葉片頂端撞擊，該可磨損涂層切削尖端具有大約125微米的高度，并且底部的材料條通過具有可磨損涂層切削尖端的渦輪葉片頂端撞擊，該可磨損涂層切削尖端具有大約250微米的高度。
[0022]圖8是渦輪葉片的頂端的具有可磨損涂層切削尖端的部分的透視圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1-8中所示，公開了渦輪葉片10，其在渦輪葉片16的徑向外端14處具有凹槽狀頂端12，所述凹槽狀頂端12具有從所述凹槽狀頂端12朝向環段20徑向延伸的多個可磨損涂層切削尖端18。在操作期間，可磨損涂層切削尖端18可以切入到從渦輪葉片10徑向向外定位的渦輪發動機的環段20上的可磨損涂層22中，如圖2中所示。所述多個可磨損涂層切削尖端18可以包括從凹槽狀頂端12延伸到可磨損涂層切削尖端18的最外部尖端30的一個或多個切削棱28。通過切入到相鄰的可磨損涂層22中，可磨損涂層切削尖端18使渦輪發動機能夠在損失效率的情況下繼續操作。
[0024]渦輪葉片10可以由任何適當的構造形成。例如，在至少一個實施例中，渦輪葉片10可以由大致細長的葉片32形成，所述葉片32具有前緣34、后緣36、處于第一端14處的頂端38、在大致與第一端14相對的第二端44處耦接到葉片32的根部42，所述根部42用于支撐葉片32，并且用于將葉片32耦接到輪盤(disc)。渦輪葉片10可以包括在第一端40處耦接到頂端38的凹槽狀頂端12。凹槽狀頂端12可以包括多個可磨損涂層切削尖端18，其從凹槽狀頂端12朝向從大致細長的葉片32徑向向外定位的一個或多個環段20徑向延伸。
[0025]在至少一個實施例中，可磨損涂層切削尖端18可以形成至少兩行46、48的可磨損涂層切削尖端18，其大致正交于凹槽狀頂端12和環段20之間的燃燒排放氣體流50延伸。可磨損涂層切削尖端18的第二行48可以位于可磨損涂層切削尖端18的第一行46的下游，并且可以相對于可磨損涂層切削尖端的第一行46與燃燒排放氣體流50正交地偏置。
[0026]可磨損涂層切削尖端18中的一個或多個可以具有從凹槽狀頂端12延伸到可磨損涂層切削尖端18的最外部尖端30的一個或多個切削棱28，如圖1-6和圖8中所示。在至少一個實施例中，如圖5和圖8中所示，可磨損涂層切削尖端18中的一個或多個可以具有從凹槽狀頂端12延伸到可磨損涂層切削尖端18的最外部尖端30的至少三個切削棱28。第一切削棱54可以位于可