專利名稱：用于渦輪系統(tǒng)的動葉組件的制作方法
用于渦輪系統(tǒng)的動葉組件技術領域
本文所公開的主題大體上涉及渦輪系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及用于渦輪系統(tǒng)的 動葉組件。
背景技術：
渦輪系統(tǒng)在諸如發(fā)電的領域中廣泛使用。例如，常規(guī)燃氣渦輪系統(tǒng)包括壓縮機、燃 燒器和渦輪。在燃氣渦輪系統(tǒng)的操作期間，系統(tǒng)中的各種部件經(jīng)受高溫流，這可能導致部件 失效。由于較高溫度的流通常導致燃氣渦輪系統(tǒng)的增加的性能、效率和功率輸出，所以經(jīng)受 高溫流的部件必須冷卻以允許燃氣渦輪系統(tǒng)在增加的溫度下操作。
本領域已知用于冷卻各種燃氣渦輪系統(tǒng)部件的各種策略。例如，冷卻介質可從壓 縮機被路由并提供至各種部件。在系統(tǒng)的壓縮機段和渦輪段中，冷卻介質可用于冷卻各種 壓縮機部件和渦輪部件。
動葉是必須冷卻的熱氣體路徑部件的一個示例。例如，諸如翼型件、平臺、柄部和 燕尾件的動葉的各個部分設置在熱氣體路徑中且暴露于相對高的溫度，并且因此需要冷 卻。各種冷卻通道和冷卻管路可限定在動葉的各個部分中，并且冷卻介質可流過各種冷卻 通道和冷卻管路以冷卻動葉。
需要冷卻的動葉的一個具體部分為尖端圍帶。尖端圍帶位于動葉翼型件的尖端 上，并且接合相鄰的圍帶塊(block)以便為熱氣體路徑提供密封。典型的尖端圍帶包括與 圍帶塊的配合部分相交的一個或多個軌道(rail)。然而，尖端圍帶的已知設計不包括用于 冷卻這些軌道的足夠的冷卻設備。例如，典型的尖端圍帶不在軌道中提供用于冷卻它們的 冷卻通道。
因此，用于渦輪系統(tǒng)的改進的動葉組件將是本領域所需要的。特別地，包括用于冷 卻尖端圍帶的改進的冷卻設備的動葉組件將是有利的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將部分地在下面的描述中提出，或者可從該描述顯而易見， 或者可通過實施本發(fā)明來了解。
在一個實施例中，公開了一種動葉組件。動葉組件包括翼型件，該翼型件具有大 體空氣動力學的輪廓且限定尖端；和從翼型件大體徑向向內(nèi)延伸的下本體部分。動葉組件 還包括尖端圍帶，該尖端圍帶設置在翼型件的尖端上且包括主體和軌道。軌道包括外表面。 外表面限定微溝槽。動葉組件還包括構造在外表面上的覆蓋層。
參考下面的描述和所附權利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得 更好理解。被合并到該說明書中并組成其一部分的附圖展示了本發(fā)明的實施例，并且與該 描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。


針對本領域普通技術人員的本發(fā)明的完全和充分的公開，包括其最佳模式，在參 考附圖的說明書中闡述，在附圖中圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的燃氣渦輪系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本公開的一個實施例的動葉組件的透視圖；圖3是根據(jù)本公開的一個實施例的動葉組件的尖端圍帶的近距離透視圖；圖4是根據(jù)本公開的另一實施例的動葉組件的尖端圍帶的近距離透視圖；圖5是根據(jù)本公開的另一實施例的動葉組件的尖端圍帶的近距離透視圖；圖6是根據(jù)本公開的一個實施例的尖端圍帶軌道的剖視圖；圖7是根據(jù)本公開的另一實施例的尖端圍帶軌道的剖視圖；以及 圖8是根據(jù)本公開的另一實施例的尖端圍帶軌道的剖視圖。]部件列表10燃氣渦輪系統(tǒng)12壓縮機14燃燒器16渦輪18軸20熱氣體路徑30動葉組件32翼型件34下本體部分36平臺38柄部42壓力側44吸力側46前緣48后緣50根部52尖端60尖端圍帶62主體64軌道66外表面68內(nèi)表面70冷卻通道80微溝槽82覆蓋層84深度86覽度88長度90壓室92排出口110尖端圍帶基底112金屬覆層114粘結覆層116熱障覆層(第118熱障覆層(第具體實施方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明的實施例進行詳細參考，在附圖中顯示了其中一個或多個示例。 每個示例通過對本發(fā)明進行解釋而不是對本發(fā)明進行限制的方式提供。實際上，對本領域 技術人員而言，顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中作出 許多修改與變型。例如，作為一個實施例的部分而顯示或描述的特征可與另一實施例一起 使用，以得到又一實施例。因此，本發(fā)明意圖包括落入所附權利要求及其等同物的范圍內(nèi)的 這種修改與變型。
圖1是燃氣渦輪系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng)10可包括壓縮機12、燃燒器14和渦輪 16。壓縮機12和渦輪16可由軸18聯(lián)接。軸18可以是單個軸或聯(lián)接到一起以形成軸18 的多個軸段。
渦輪16可包括多個渦輪級。例如,在一個實施例中，渦輪16可具有三個級。渦輪 16的第一級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。噴嘴可圍繞軸18周向設置和固定。動葉 可圍繞軸周向設置且聯(lián)接到軸18。渦輪16的第二級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。 噴嘴可圍繞軸18周向設置和固定。動葉可圍繞軸18周向設置且聯(lián)接到軸18。渦輪16的 第三級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。噴嘴可圍繞軸18周向設置和固定。動葉可圍 繞軸18周向設置且聯(lián)接到軸18。渦輪16的各個級可至少部分地設置在渦輪16中，并且可 以至少部分地限定熱氣體路徑20。應當理解，渦輪16不限于三個級，而是相反，任何級數(shù)均 在本公開的范圍和精神內(nèi)。
類似地，壓縮機12可包括多個壓縮機級(未示出)。壓縮機12的級中的每一個可 包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。
渦輪16和/或壓縮機12中的動葉中的一個或多個可包括動葉組件30，如在圖2 至圖5中所示。動葉組件30可包括翼型件32和下本體部分34，下本體部分34可包括平臺 36和柄部38。翼型件32可具有大體空氣動力學的輪廓。例如，翼型件32可具有外表面， 其限定各在前緣46與后緣48之間延伸的壓力側42和吸力側44。
下本體部分34可從翼型件32大體徑向向內(nèi)延伸。平臺36可定位成鄰近翼型件 32，并且柄部38可定位成從平臺36徑向向內(nèi)。
動葉組件30的下本體部分34可限定根部50。根部50可大體上為動葉組件30的 基部。而且，翼型件32可限定動葉組件30的尖端52。尖端52可大體上為翼型件32和/ 或動葉組件30的徑向最外部分。
根據(jù)本公開的動葉組件30還可包括尖端圍帶60。尖端圍帶60可大體設置在尖 端52上。例如，尖端圍帶60可與翼型件32為一體且位于翼型件32的尖端52處，或者尖端圍帶60可以是在尖端52處安裝到翼型件的單獨部件。
根據(jù)本公開的尖端圍帶60可接合相鄰的圍帶塊(未示出)以便為熱氣體路徑20 提供密封。例如，根據(jù)本公開的尖端圍帶60可包括主體62。主體62可在尖端52處接觸翼 型件32。尖端圍帶60還可包括一個或多個軌道64，例如，如圖所示的前緣軌道64和后緣 軌道64。軌道64可從主體62大體徑向向外延伸，以與圍帶塊的匹配部分相交。每個軌道 64還可包括向外朝向熱氣體路徑20的外表面66和相對的內(nèi)表面68,如圖所不。
冷卻通道可大體上限定在動葉組件30中。例如，冷卻通道可限定在翼型件32和 下本體部分34中。冷卻介質可從例如在動葉組件30的根部50處的入口流入這些冷卻通 道中。冷卻介質可接著流過冷卻通道以冷卻動葉組件30的各種部件。而且，如例如圖3至 圖5所示，冷卻通道70可限定在尖端圍帶60的主體62中。這些冷卻通道70可與動葉組 件30中的其它冷卻通道流體連通，使得冷卻介質可流過這些冷卻通道以冷卻主體62。
根據(jù)本公開的尖端圍帶60的一個或多個軌道64還可限定一個或多個微溝槽80。 例如，軌道64的外表面66或內(nèi)表面68可限定一個或多個微溝槽80。微溝槽80可構造成 使冷卻介質流過其中以冷卻軌道64，如下文所討論的。應當理解，雖然如圖所示的微溝槽 80限定在前緣軌道64中，但這種微溝槽80也可限定在后緣軌道64和/或任何其它合適的 軌道64中。使用微溝槽80冷卻尖端圍帶60的軌道64由于微溝槽80的小尺寸以及微溝 槽80的有益冷卻特性而尤其有利，微溝槽80的小尺寸允許將它們設置在相對薄的軌道64 上。
根據(jù)本公開的動葉組件30還可包括覆蓋層82，如圖6至圖8所示(為說明起見， 在圖3至圖5中未示出)。如下文所討論的，覆蓋層82可構造在外表面66或內(nèi)表面68上 以覆蓋微溝槽80。
微溝槽80可構造成使冷卻介質64流過其中，從而大體上冷卻軌道64和尖端圍帶 60。例如,微溝槽80可大體上為形成于且限定在軌道64的外表面66和/或內(nèi)表面68上 的開放溝槽。另外，覆蓋層82可覆蓋并且在示例性實施例還可限定微溝槽80。如下文所 討論的，流至微溝槽80的冷卻介質可流過在外表面66和/或內(nèi)表面68與覆蓋層82之間 的微溝槽80，從而大體上冷卻軌道64和尖端圍帶60，并且可然后從微溝槽80排出，如下文 所討論的。微溝槽80可通過例如激光加工、水射流加工、電化學加工(“ECM”)、電火花加 工(“EDM”)、光刻或任何其它工藝而形成，這些工藝能夠提供具有適當尺寸和公差的合適 的微溝槽80。
微溝槽80可具有在從大約O. 2毫米(“mm”)至大約3mm、例如從大約O. 5mm至大 約Imm的范圍內(nèi)的深度84。而且，微溝槽80可具有在從大約O. 2mm至大約3mm、例如從大 約O. 5mm至大約Imm的范圍內(nèi)的寬度86。還應當理解，微溝槽80的深度84和寬度86對于 每個微溝槽80不需要相同，而是可以在微溝槽80之間變化。
每個微溝槽80還可限定長度88。在示例性實施例中，多個微溝槽80中的每一個 的深度84可貫穿微溝槽80的長度88大致恒定。然而，在另一示例性實施例中，多個微溝 槽80中的每一個的深度84可以是逐漸減小的。例如，多個微溝槽80中的每一個的深度84 可以通過微溝槽80的長度88沿冷卻介質流過微溝槽80的方向減小。然而,備選地,多個 微溝槽80中的每一個的深度84可通過微溝槽80的長度88沿冷卻介質流過微溝槽80的 方向增大。應當理解，多個微溝槽80中的每一個的深度84可貫穿微溝槽80的長度88以任何方式變化，從而根據(jù)需要減小和增大。而且，應當理解，各種微溝槽80可具有大致恒定 的深度84，同時其它微溝槽80可具有逐漸減小的深度84。
在示例性實施例中，多個微溝槽80中的每一個的寬度86可貫穿微溝槽80的長度 88大致恒定。然而，在另一示例性實施例中，多個微溝槽80中的每一個的寬度86可以是逐 漸減小的。例如，多個微溝槽80中的每一個的寬度86可以通過微溝槽80的長度88沿冷 卻介質流過微溝槽80的方向減小。備選地,多個微溝槽80中的每一個的寬度86可通過微 溝槽80的長度88沿冷卻介質流過微溝槽80的方向增大。應當理解，多個微溝槽80中的 每一個的寬度86可貫穿微溝槽80的長度88以任何方式變化，從而根據(jù)需要減小和增大。 而且，應當理解，各種微溝槽80可具有大致恒定的寬度86，同時其它微溝槽80可具有逐漸 減小的寬度86。
微溝槽80可具有帶有任何幾何形狀的截面，例如，矩形、橢圓形、三角形，或者具 有適于方便冷卻介質流過微溝槽80的任何其它幾何形狀。應當理解，各種微溝槽80可具 有帶有特定幾何形狀的截面，同時其它微溝槽80可具有帶有其它各種幾何形狀的截面。微 溝槽80的截面形狀和尺寸可以是恒定的，或者可以沿長度88變化。
每個微溝槽80或其各個部分可以是線性的或曲線的。例如，在一些實施例中，如 圖3和圖4所示，微溝槽80可以是大體線性的。在其它實施例中，微溝槽80可以是如圖5 所示正弦的，或者蛇形或其它曲線的。
在示例性實施例中，多個微溝槽80中的每一個可具有大致平滑的表面。例如，微 溝槽80的表面可大致或完全無突起、凹部或表面紋理。然而，在備選實施例中，多個微溝槽 80中的每一個可具有包括一個或多個表面特征的表面。表面特征可以是從微溝槽80的表 面延伸的離散突起。例如，表面特征可包括肋片形突起、柱形突起、環(huán)形突起、山形突起、在 形成于微溝槽80內(nèi)的交叉開口(hatch)凹槽之間的凸起部分、或它們的任何組合，以及任 何其它合適的幾何形狀。應當理解，表面特征的尺寸可選擇以大體上優(yōu)化軌道64和尖端圍 帶60的冷卻，同時滿足微溝槽80的幾何約束。
在一些實施例中，微溝槽80中的每一個可以是單個離散的微溝槽80。然而，在其 它實施例中，微溝槽80中的每一個或微溝槽80的任何部分可從單個微溝槽80中分出以形 成多個微溝槽分支。而且，在如圖4和圖5所示的一些實施例中，微溝槽80的至少一部分 可彼此流體連通，使得冷卻介質在軌道64中從一個微溝槽80流至另一個。
為了獲得用于流過其中的冷卻介質，一個或多個微溝槽80可與限定在動葉組件 30中的冷卻通道流體連通。例如,在如圖3至圖5所示的示例性實施例中，一個或多個微溝 槽80可與限定在尖端圍帶60的主體62中的冷卻通道70流體連通。在其它實施例中，一 個或多個微溝槽80可與任何其它合適的冷卻通道流體連通，諸如例如限定在翼型件32中 的冷卻通道。
而且，在如圖3至圖5所示的一些實施例中，壓室90可限定在尖端圍帶60中在諸 如冷卻通道70的冷卻通道與微溝槽80之間。壓室90可接納來自冷卻通道的冷卻介質并 將冷卻介質供應至微溝槽80。壓室可限定在例如主體62或軌道64中。
在流過微溝槽80之后，冷卻介質可從微溝槽80排出。例如，在一些實施例中，冷 卻介質通過排出口 92排出，排出口 92如圖所示可位于軌道64的頂部和/或側面上。
軌道64和覆蓋層82可各包括單一材料，例如基底或覆層，或者可各包含多種材料，例如多個基底和覆層。例如，在如圖6所示的一個示例性實施例中，軌道64可包括尖端 圍帶基底110。例如，基底110可以是鎮(zhèn)基、鉆基或鐵基超級合金。合金可以是鑄造或鍛造 的超級合金。應當理解，本公開的尖端圍帶基底110不限于以上材料，而可以是大體上用于 尖端圍帶60或動葉組件30的任何部分的任何合適材料。
而且，如圖6所示，覆蓋層82可包括金屬覆層112。覆層112可以是覆蓋層或其它 合適的覆層。在實施例的一個示例性方面，金屬覆層112可以是任何金屬或金屬合金基覆 層，例如，鎳基、鈷基、鐵基、鋅基或銅基覆層。金屬覆層112可包括一個或多個薄片、條帶或 線材。金屬覆層112可通過焊接、硬焊或任何其它合適的涂覆或粘結技術或設備來附連。
備選地，覆蓋層82可包括粘結覆層114。粘結覆層114可以是任何合適的粘結材 料。例如，粘結覆層114可具有化學組成MCrAl (X)，其中，M為選自由Fe、Co和Ni以及它們 的組合組成的組的元素，并且(X)為選自由以下組成的組的元素Y’形成元素；固溶強化 元素，其由例如Ta、Re和諸如Y、Zr、Hf、Si的活性元素組成；以及晶界強化元素，其由B、C 和它們的組合組成。粘結覆層114可通過例如諸如電子束蒸鍍、離子-等離子弧蒸鍍或濺 射的物理氣相沉積工藝或諸如空氣等離子噴涂、高速火焰噴涂或低壓等離子噴涂的熱噴涂 工藝而施加到軌道64。備選地，粘結覆層114可以是擴散鋁化物粘結覆層，例如，具有化學 組成NiAl或PtAl的覆層，并且粘結覆層114可通過例如蒸汽相生成鋁化物或化學氣相沉 積施加到軌道64。
備選地，覆蓋層82可包括熱障覆層(“TBC”)116。TBC 116可以是任何合適的熱 障材料。例如，TBC 116可以是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，并且可通過物理氣相沉積工藝或熱噴 涂工藝施加到軌道64。備選地，TBC 116可以是陶瓷，例如，通過諸如由IV、V和VI族元素 形成的氧化物或由諸如La、Nd、Gd、Yb等的鑭系元素改性的氧化物的其它耐火氧化物而改性的氧化鋯薄層。
如以上所討論的，在其它示例性實施例中，軌道64和覆蓋層82可各包括多種材 料，諸如多個基底和覆層。例如，在如圖7所示的一個實施例中，軌道64可包括尖端圍帶基 底110和粘結覆層114。粘結覆層114可限定外表面66或內(nèi)表面68。因此，多個微溝槽80 可限定在粘結覆層114中。而且，如圖7所示，覆蓋層82可包括TBC 116。
在如圖8所示的另一實施例中，軌道64可包括尖端圍帶基底110、粘結覆層114和 第一 TBC 116。第一 TBC 116可限定外表面66或內(nèi)表面68。因此，多個微溝槽80可限定 在第一 TBC 116中。而且，如圖8所示，覆蓋層82可包括第二 TBC 118。
另外，如圖6所示，動葉組件30可包括鄰近覆蓋層82設置的TBC 116。而且，如圖 6所示，動葉組件30可包括設置在TBC 116與覆蓋層82之間的粘結覆層114。備選地，覆 蓋層82可包括金屬覆層112、粘結覆層114和TBC 116。
該書面描述用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且還使本領域技術人員能實 施本發(fā)明，包括制造和使用任何設備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并在內(nèi)的方法。本發(fā)明的可專 利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果這種其它示 例包括與所附權利要求的字面語言沒有不同的結構元件，或者如果它們包括與所附權利 要求的字面語言無實質差別的等同結構元件，則這種其它示例預期在所附權利要求的范圍 內(nèi)。
權利要求
1.一種動葉組件,包括 翼型件，所述翼型件具有大體空氣動力學的輪廓且限定尖端； 下本體部分，所述下本體部分從所述翼型件大體徑向向內(nèi)延伸； 尖端圍帶，所述尖端圍帶設置在所述翼型件的尖端上且包括主體和軌道，所述軌道包括外表面，所述外表面限定微溝槽；以及 覆蓋層，所述覆蓋層構造在所述外表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述外表面限定多個微溝槽。
3.根據(jù)權利要求2所述的動葉組件，其特征在于，所述多個微溝槽的至少一部分彼此流體連通。
4.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述微溝槽與限定在所述尖端圍帶的主體中的冷卻通道流體連通。
5.根據(jù)權利要求4所述的動葉組件，其特征在于，壓室限定在所述尖端圍帶中在所述冷卻通道與所述微溝槽之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述覆蓋層為金屬覆層、粘結覆層或熱障覆層中的一種。
7.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，還包括鄰近所述覆蓋層設置的熱障覆層。
8.根據(jù)權利要求7所述的動葉組件，其特征在于，還包括設置在所述熱障覆層與所述覆蓋層之間的粘結覆層。
9.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述軌道包括尖端圍帶基底。
10.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述軌道包括尖端圍帶基底和粘結覆層，并且其中，所述微溝槽限定在所述粘結覆層中。
11.根據(jù)權利要求10所述的動葉組件，其特征在于，所述覆蓋層包括熱障覆層。
12.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，下游端部包括燃燒器襯里基底、粘結覆層和第一熱障覆層，并且其中，所述微溝槽限定在所述第一熱障覆層中。
13.根據(jù)權利要求12所述的動葉組件，其特征在于，所述覆蓋層包括第二熱障覆層。
14.一種潤輪系統(tǒng),包括 壓縮機； 渦輪，所述渦輪聯(lián)接到所述壓縮機；以及 多個動葉組件，所述多個動葉組件設置在所述壓縮機或所述渦輪中的至少一個中，所述動葉組件中的至少一個包括 翼型件，所述翼型件具有大體空氣動力學的輪廓且限定尖端； 下本體部分，所述下本體部分從所述翼型件大體徑向向內(nèi)延伸； 尖端圍帶，所述尖端圍帶設置在所述翼型件的尖端上且包括主體和軌道，所述軌道包括外表面，所述外表面限定微溝槽；以及 覆蓋層，所述覆蓋層構造在所述外表面上。
15.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述微溝槽與限定在所述尖端圍帶的主體中的冷卻通道流體連通。
16.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述覆蓋層為金屬覆層、粘結覆層或熱障覆層中的一種。
17.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，還包括鄰近所述覆蓋層設置的熱障覆層。
18.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述軌道包括尖端圍帶基底。
19.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，所述軌道包括尖端圍帶基底和粘結覆層，并且其中，所述微溝槽限定在所述粘結覆層中。
20.根據(jù)權利要求1所述的動葉組件，其特征在于，下游端部包括燃燒器襯里基底、粘結覆層和第一熱障覆層，并且其中，所述微溝槽限定在所述第一熱障覆層中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪系統(tǒng)的動葉組件。更具體而言，本發(fā)明公開了一種動葉組件。動葉組件包括翼型件，該翼型件具有大體空氣動力學的輪廓且限定尖端；和從翼型件大體徑向向內(nèi)延伸的下本體部分。動葉組件還包括尖端圍帶，該尖端圍帶設置在翼型件的尖端上且包括主體和軌道。軌道包括外表面。外表面限定微溝槽。動葉組件還包括構造在外表面上的覆蓋層。
文檔編號F01D5/12GK103046970SQ20121038529
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者B.P.萊西, A.L.吉格利奧 申請人:通用電氣公司