CN106536861A - 制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件以及涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机的构件，包括：构件的本体(406)，覆盖本体(406)的基面的结合层(404)，以及覆盖结合层(404)且由可磨损陶瓷材料制成的顶层(402)；构件的基面具有图案化突出部(414)，且通过用于形成结合层(404)和顶层(402)的两个覆盖步骤，构件的顶面也具有图案化突出部(410)。基面的图案化突出部可以以不同的方式获得，例如铸造，铣削，磨削，放电加工或添加制造。图案化突出部属于涡轮机的可磨损密封件，且可最佳地成形和确定大小。

Description

制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件以及涡轮机
技术领域
本文公开的主题的实施例涉及制造涡轮机构件的方法，涡轮机构件，以及涡轮机。
更具体地，本发明的应用为用于涡轮机的密封***的领域。
背景技术
存在许多种类型的已知的用于涡轮机的密封***；这些类型中的一种通常称为“可磨损密封”，且包括可磨损部分和刮擦部分；大体上，可磨损部分设置于涡轮机的固定构件(例如，涡轮壳体的内表面，即护罩表面)上，而刮擦部分设置于涡轮机的可旋转的构件(例如涡轮的轮叶组件的叶片的翼型件末梢)上。在涡轮机起动期间，当涡轮机转子开始旋转，且随后可旋转的构件旋转时，刮擦部分摩擦(轻微地)可磨损部分；随后，刮擦部分和可磨损部分在它们之间限定空隙。有利地，可磨损部分具有由陶瓷材料制成的图案化突出部；用于可磨损部分的材料非常硬，典型地高于90HR15Y，但是不如用于刮擦部分的材料硬。
为了实现这样的陶瓷的图案化突出部，首先，构件的本体的平坦的表面和光滑处在它们所期望的地方覆盖有陶瓷层，且然后陶瓷层被机械加工以便形成突出部。
机械加工陶瓷层漫长且昂贵；此外，机械加工工具尺寸限制了层的机械加工的大小(例如，相邻的突出部之间的距离不小于若干毫米)。
发明内容
因此，存在对于实现图案化突出部(特别是在涡轮机构件上，特别是用于可磨损密封件)的改进方案的需要。
发明人也考虑到了由于目前为止用于实现这样的图案化突出部的过程的复杂性，这样的图案化突出部的形状(横向形状以及纵向形状两者)以及大小(横向大小和纵向大小两者)在实践中是受限制的，即可能不能根据它们的最佳的性能来选择。
发明人已经想到直接在构件的本体中形成突出部，且之后通过陶瓷材料或多种陶瓷材料的一个或者更多个层来涂覆本体。构件的本体由金属材料制成，且因此可相对容易地被机械加工；上覆的陶瓷层或多个陶瓷层不需要被机械加工。
此外，由于以上的改进的突出部制造，发明人考虑最好地对它们成形和确定大小。
本发明的第一方面是制造涡轮机构件的方法。该方法包括如下步骤：
A)提供构件的具有基面的本体，
B)利用结合层覆盖基面，
C)利用由可磨损陶瓷材料制成的顶层覆盖结合层，产生构件的顶面；
基面具有图案化突出部，且通过两个覆盖步骤，构件的顶面也具有图案化突出部。
这样，顶面的图案化突出部的形状类似于基面的图案化突出部的形状。
本发明的第二方面是涡轮机的构件。构件包括：
构件的本体，
覆盖本体的基面的结合层，
覆盖结合层且由可磨损陶瓷材料制成的顶层；
构件的基面和顶面两者具有图案化突出部。
本发明的第三方面是涡轮机。
该涡轮机包括至少一个以上所阐述的构件。
附图说明
结合在本文中且构成说明书一部分的附图显示了本发明的示例性实施例，且与详细描述一起，阐述了这些实施例。在图中：
图1示意性地显示了根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮发动机的涡轮区段的涡轮级，
图2示意性地显示了图1的涡轮区段的涡轮壳体的内表面的示例性部分，
图3显示了图2的示例性实施例的凸脊的部分截面(横向视图)，
图4示意性地显示了图案化的可磨损部分的“凸脊”和“低地”的部分截面(横向视图)，该视图用于解释本发明的若干示例性实施例，
图5示意性地显示了图案化的可磨损部分的部分纵向视图(包括“凸脊”和“低地”)，该视图用于解释本发明的若干示例性实施例，且
图6示意性地显示了根据本发明的示例性实施例的三个图案化的可磨损部分的凸脊的三种可行的纵向形状。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照附图。
以下描述并不限制本发明，本发明特别地不限于燃气涡轮发动机，而是可应用于其它类型的涡轮机。作为替代，本发明的范围由所附的权利要求限定。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用表示结合实施例所描述的特定的特征，结构，或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中在多个地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定指代同一实施例。此外，在一个或者更多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
图1指的是燃气涡轮发动机100；燃气涡轮发动机的基本区段是压缩机区段，燃烧器区段和涡轮区段；图1示意性地显示了涡轮区段108的涡轮级140。涡轮区段108被包围在涡轮壳体109内。涡轮区段包括转子组件和定子组件；转子组件包括涡轮轴115以及联接到涡轮轴115的一个或更多个轮叶组件，各个轮叶组件包括多个涡轮叶片(或轮叶)160；定子组件包括涡轮壳体109和联接到涡轮壳体109的一个或更多个喷嘴组件，各个喷嘴组件包括多个涡轮导叶(或喷嘴)125。涡轮轮叶组件和相邻的喷嘴组件的各个组合限定了涡轮级140。
在图1中，显示了可与燃气涡轮发动机100一起使用(特别是与它的涡轮区段108一起使用)的示例性密封***200的示意图。各个涡轮叶片160包括翼型件末梢184，叶片160从涡轮轴115向外突出。涡轮壳体109包括内表面188，导叶125从涡轮壳体109向内突出。在该示例性实施例中，密封***200包括位于内表面188(即“护罩表面”)上的可磨损部分202，以及位于翼型件末梢184上的刮擦部分204。可磨损部分202具有第一硬度值，而刮擦部分204具有大于第一硬度值的第二硬度值。在燃气涡轮发动机100的运行中(在起动时)，在涡轮轴115中引起旋转运动206，使得刮擦部分204摩擦可磨损部分202，且空隙间隙208限定于位于翼型件末梢184处的刮擦部分204与形成于涡轮壳体109处的可磨损部分202之间；该空隙间隙208具有预定的值范围，其有助于减少涡轮叶片160与涡轮壳体109之间的工作流体(图1中未显示)的流动，由此提高燃气涡轮发动机的效率，同时还减小涡轮叶片与涡轮壳体的摩擦，从而增加涡轮叶片的使用寿命预期。
图2示意性地显示了图1中的内表面188(即，“护罩表面”)的示例性部分，其部分地由可磨损部分202覆盖。可磨损部分202具有带图案化突出部的顶面，其为多个平行的(或基本平行的)成形的“凸脊”210的形式；各对相邻的“凸脊”210被“低地”212分割开。在该实施例中，各个成形的凸脊包括：第一初始直区段(在密封件的“开始”侧开始)，与第一直区段毗邻的第二中间弯曲区段，与第二弯曲区段毗邻的第三最终直区段(比第一区段更长)(在密封件的“终止”侧处终止)。
图3显示了图2的示例性实施例的凸脊210的部分截面；图3显示了“***部(mound)”的“顶点”；该“顶点”是尖的，但是备选的，其可对应于例如“台地(plateau)”。在图3中，可以看到：涡轮壳体109的本体的部分306，覆盖本体的基面(即，涡轮壳体109的内表面188的一部分)的结合层304，以及覆盖结合层304且由可磨损陶瓷材料制成的顶层302。
图3的结构通过以下步骤获得：
A)提供具有并不平坦的基面的本体306，之后
B)利用结合层(304)覆盖该基面，之后
C)利用可磨损陶瓷材料的顶层302覆盖该结合层304，从而产生所述构件的顶面(见图2)。
如图2中部分地显示的，将要被覆盖的基面是内表面188的一部分，且在被涂覆之前预先准备好，即图案化突出部设在本体306中(见图2和图3)；在两个覆盖步骤之后，构件的顶面也具有图案化突出部(在该示例性实施例中，突出部对应于“凸脊”210)。
图4还在截面中显示了“凸脊”和“低地”。基面的突出部标号为414，而顶面的突出部标号为410；更具体地，基面的“凸脊”标号为414，而基面的“低地”标号为416(在制造结束之后，这些元件不可见，因为它们被隐藏在结合层和顶层后面了)，而顶面的“凸脊”标号为410(类似于图2中的“凸脊”210)，而顶面的“低地”标号为412(类似于图2中的“低地”212)。
本体(图4中的406)的基面的图案化突出部(图4中的414)可例如通过铸造，铣削，磨削，放电加工或添加制造来获得。
本体(图4中的406)由金属材料制成，且可由例如AISI300系列的不锈钢，镍基超合金，“因科镍合金738”，“哈斯特合金x”，“雷内(rene)108”或“雷内(rene)125”制成。金属材料可容易地和迅速地成形，例如机械加工。
结合层(图4中的404)可由例如MCrAlY(其中M=Co，Ni或Co/Ni–d)制成；备选地，它可由Ni3Al(铝化镍)制成。该层可通过喷射(例如物理气相沉积(PVD)，低压等离子体喷射(LPPS)，真空等离子喷涂(VPS)，空气等离子体喷射(APS)，或高速氧燃料(HVOF)喷射)来获得；备选地，它可通过扩散来获得，例如固态扩散，液态扩散或化学蒸气扩散；MCrAlY更典型地通过喷射而获得，且Ni3Al更典型地通过扩散而获得。
结合层(图4中的404)的厚度tk(见图4)基本均匀；厚度tk可在0.01-1.0mm的范围中，更优选地在0.05-0.3mm的范围中。
顶层(图4中的402)由陶瓷材料制成，且可由例如DVC YSZ(致密竖直裂纹化的氧化钇稳定的氧化锆)或DVC DySZ(致密竖直裂纹化的氧化镝稳定的氧化锆)制成，而且可通过喷射获得，例如物理气相沉积(PVD)，低压等离子体喷射(LPPS)，真空等离子喷涂(VPS)空气等离子体喷射(APS)，或高速氧燃料(HVOF)喷射。
顶层的厚度可为均匀的或可变的。根据典型的实施例，在基面的“低地”处存在第一厚度h1(见图4)，而在基面的“凸脊”的“顶点”处存在第二厚度h2(见图4)，第一厚度h1大于第二厚度h2；厚度h1和h2可在0.6-6.0mm的范围中；厚度h2优选在0.6-3.0mm的范围中。
图2和图4的结构(其对应于一大个组的类似结构)可通过以上所阐述的方法获得，并且可在定子护罩上实现。
根据典型的实施例，“凸脊”彼此平行，并且布置成均匀的距离或节距P(见图4)；节距P可在2.5-15.0mm的范围中；要注意的是，顶面(图4中的410)的突出部的节距等于基面(图4中的414)的突出部的节距。
根据本发明的“凸脊”可具有不同的形状和大小(横向地以及纵向地两者)；参照图4，要注意的是，对可磨损密封件的密封功能至关重要的形状和大小是突出部410的形状和大小；总之，突出部410的形状和大小通过两个覆盖步骤而源自于突出部414的形状和大小；因此，所有这些形状和大小都联系在一起。
由“低地”512分开的图5的示例性实施例中的“凸脊”510包括：
第一初始直区段514(在密封件的“开始”侧处开始)，
第二中间弯曲区段516，其与区段514毗邻，
第三最终直区段518，其与区段516毗邻(在密封件的“终止”侧处终止)；
在该示例性实施例中，区段514和518具有不同的长度，特别地，区段514比区段518更长。
区段514和周向线(特别地位于横向于涡轮机的旋转轴线且对应于密封件的“开始”的平面中)之间的角度λ(图5中的522)可在25°-85°的范围中。区段518与周向线(特别地位于横向于涡轮机的旋转轴线且对应于密封件的“终止”的平面中)之间的角度μ(图5中的524)可在25°-85°的范围中。角度λ和μ可相等或者不同；在图5的示例性实施例中，它们是不同的。
与图5不同，图6的示例性实施例中的“凸脊”602，604和606分别包括一个、两个和三个弯曲区段而没有直区段。
图4可用于理解突出部(特别是“凸脊”)的许多可行的横向形状；如已经阐述过的，基面的突出部(图4中的414)的形状和大小与顶面的突出部(图4中的410)的形状和大小相似，即便并不相同。
基面的突出部(图4中的414)的截面形状可为三角形，例如具有圆角(更具体而言，具有例如0.5mm半径的圆形“顶点”)，或梯形(即，具有一对平行的边的四边形)。顶面的突出部的截面形状(图4中的410)可为三角形，例如具有圆角(更具体而言，具有例如0.5mm半径的圆形“顶点”)，或梯形(即，具有一对平行的边的四边形)。一种可能性是元件414是三角形，而元件410是梯形。要注意的是，元件410的初始形状可为三角形，且在摩擦之后，元件410的最终形状是梯形。
基面的梯形的一侧上的角度α(见图4)可在25°-90°的范围中，优选在30-75°的范围中，更优选大约45°。基面的梯形的另一侧上的角度β(见图4)可在25°-90°的范围中，优选在30-75°的范围中，更优选大约45°。角度α和β可相等或不同；在图4的示例性实施例中，它们是相等的；可行的示例性组合为：45°和45°，30°和30°，60°和60°，30°和60°，60°和30°。
顶面的梯形的一侧上的角度γ(见图4)可在25°-90°的范围中，优选在30-75°的范围中，更优选大约45°。顶面的梯形的另一侧上的角度δ(见图4)可在25°-90°的范围中，优选在30-75°的范围中，更优选大约45°。角度γ和δ可相等或不同；在图4的示例性实施例中，它们是相等的；可行的示例性组合为：45°和45°，30°和30°，60°和60°，30°和60°，60°和30°。
期待的是，角度γ典型地小于角度α(仅小一点，例如5°到10°)，且角度δ典型地小于角度β(仅小一点)。
就基面的梯形而言，它的高度H1(见图4)可在0.5-5.0mm的范围中，而它的上底L1(见图4)可在0.0-5.0mm的范围中；如果上底在0.0-0.5mm的范围中，可将梯形视为三角形。就顶面的梯形而言，它的高度H2(见图4)可在0.5-5.0mm的范围中，而它的上底L2(见图4)可在0.0-5.0mm的范围中；如果上底在0.0-0.5mm的范围中，可将该梯形视为三角形。
期待的是，高度H2典型地小于高度H1(仅小一点)，且上底L2典型地大于角度L1(仅大一点)。

Claims (14)

1.一种制造涡轮机构件的方法，包括如下步骤：
A)提供所述构件的具有基面的本体(406)，
B)利用结合层(404)覆盖所述基面，
C)利用由可磨损陶瓷材料制成的顶层(402)覆盖所述结合层(404)，从而产生所述构件的顶面；
其中所述基面具有图案化突出部(414)；且
借此，所述构件的所述顶面具有图案化突出部(410)，所述顶面的所述图案化突出部(410)的形状类似于所述基面的图案化突出部(414)的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述本体(406)的所述基面的所述图案化突出部(414)通过铸造，铣削，磨削，放电加工或添加制造而获得。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，
所述结合层(404)由MCrAlY制成且通过喷射获得，或者由Ni3Al制成且通过扩散获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述顶层(402)由DVC YSZ或DVC DySZ制成，且通过喷射而获得。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述本体由镍基超合金制成。
6.一种涡轮机(100)的构件(109)，包括：
所述构件(109)的本体(406)，
覆盖所述本体(406)的基面的结合层(404)，
覆盖所述结合层(404)且由可磨损陶瓷材料制成的顶层(402)；
其中，所述基面具有图案化突出部(414)；且
其中，所述构件(109)的所述顶面具有图案化突出部(410)，所述顶面的所述图案化突出部(410)的形状类似于所述基面的图案化突出部(414)的形状。
7.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述基面和所述顶面的所述突出部(410，414)是一组平行于彼此的成形的凸脊(50)。
8.根据权利要求7所述的构件，其特征在于，所述成形的凸脊(510)中的各个包括：
第一直区段(514)，
与所述第一直区段(514)毗邻的第二弯曲区段(516)，
与所述第二弯曲区段(516)毗邻的第三直区段(518)。
9.根据权利要求7或8所述的构件，其特征在于，所述成形的凸脊(604，606)中的各个包括两个或更多个弯曲区段。
10.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述基面和所述顶面的所述突出部(410，414)是凸脊。
11.根据权利要求10所述的构件，其特征在于，所述基面的所述凸脊的截面是三角形或梯形。
12.根据权利要求10或11所述的构件，其特征在于，所述顶面的所述凸脊的截面是三角形或梯形。
13.根据权利要求6至12中的任一项所述的构件，其特征在于，所述本体由镍基超合金制成。
14.一种涡轮机(100)，包括至少一个根据权利要求6至13中的任一项所述的构件(109)。
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