專利名稱：帶有柔性頂端元件的壓縮機葉片和其過程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及用于渦輪機，諸如燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機。更特定而言，本發(fā)明涉及壓縮機葉片，其頂端結(jié)合了柔性切割元件，以用于降低可能由于與包圍壓縮機的殼體的摩擦碰撞而發(fā)生的損壞葉片頂端的風(fēng)險。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪發(fā)動機大體根據(jù)如下原理來操作在發(fā)動機的壓縮機部段內(nèi)壓縮空氣， 且然后將壓縮空氣遞送到發(fā)動機的燃燒部段，在燃燒部段中，燃料添加到空氣并點燃。之后，將所得到的燃燒混合物遞送到發(fā)動機的渦輪部段，其中，由燃燒過程生成的能量的一部分由渦輪提取以驅(qū)動發(fā)動機壓縮機。壓縮機包括呈一個或多個盤或轉(zhuǎn)子形式的旋轉(zhuǎn)硬件，翼型件(葉片)從那里沿徑向延伸跨過通過該發(fā)動機的氣流路徑。在壓縮機部段內(nèi)的氣流路徑的徑向外部界限由包圍旋轉(zhuǎn)硬件的殼體限定。該殼體用于導(dǎo)送進來的空氣通過壓縮機以確保進入該發(fā)動機的大量空氣將由壓縮機壓縮。但是，小部分空氣能通過在壓縮機部段內(nèi)的外部氣流路徑處、在葉片頂端與殼體之間存在的徑向間隙而繞開壓縮機葉片。由于在壓縮機部段內(nèi)壓縮的空氣用于供應(yīng)發(fā)動機的渦輪部段，可通過限制能夠通過此間隙繞開壓縮機葉片的空氣的量而提高發(fā)動機效率。因此，將壓縮機部段的旋轉(zhuǎn)硬件和殼體制造成緊公差，以便最小化該間隙。制造公差、不同的熱膨脹率和動力學(xué)效應(yīng)限制了可減小此間隙的程度。作為實例， 殼體的內(nèi)徑從未真正地為圓形并與壓縮機的旋轉(zhuǎn)軸線同心。因此，存在突破翼型件至殼體的空隙且葉片頂端摩擦殼體的情形。葉片頂端摩擦損壞可在形式和嚴重性方面不同。對葉片頂端的損壞可為一個或多個開裂或毛邊的形式，其可在葉片頂端區(qū)域中通過局部振動模式傳播。舉例而言，圖4示意性地表示由于在葉片10的頂端12處的塑性變形所造成的嚴重頂端毛邊(應(yīng)力集中部)14。如果頂端毛邊14足夠嚴重，所形成的應(yīng)力集中可放大由于頂端模態(tài)振動所致的振動應(yīng)力，且造成葉片10的高周疲勞(HCF)壽命退化。還會由于葉片摩擦而發(fā)生局部摩擦加熱，且局部摩擦加熱可導(dǎo)致在葉片頂端12處形成脆性熱影響區(qū) (HAZ)16。提出了幾種方案來解決葉片頂端損壞和在外部氣流路徑處的空氣泄漏的問題。一種方案涉及向壓縮機殼體的內(nèi)徑應(yīng)用可磨耗材料，使得可磨耗材料在由葉片頂端摩擦?xí)r將犧牲性地磨耗掉。另一方案是在葉片頂端處結(jié)合切割邊緣(“凹槽狀(squealer)頂端”)。 在各種情況下，在初始發(fā)動機操作期間，葉片頂端在殼體內(nèi)徑中切割出凹槽，在外部氣流路徑處、殼體與葉片頂端之間產(chǎn)生更曲折的路徑。盡管有效，但兩種技術(shù)實施起來都較昂貴。 作為實例，葉片頂端的切割邊緣典型地由涂層形成，涂層可能難以沉積到足夠厚度，以在現(xiàn)場硬件中常見的嚴重磨擦碰撞下幸存。在另一方面，在壓縮機殼體內(nèi)徑上的可磨耗涂層的沉積需要密切的品質(zhì)控制以產(chǎn)生合適的組成，包括粒子/空隙比例和分布，其將呈現(xiàn)能在磨損事件期間避免葉片頂端損壞的適當(dāng)硬度。與過于硬的可磨耗涂層的磨擦碰撞將在葉片頂端處造成刮擦或開裂，且發(fā)動機的繼續(xù)操作可使得刮擦充當(dāng)由于振動應(yīng)力而引起的隨后的開裂的起始位點。相反，太軟的可磨耗涂層可由于在壓縮機部段中的高速氣體流動而侵蝕掉。鑒于上文所述，需要用于減小葉片頂端損壞和壓縮機的外部氣流路徑處的空氣泄漏的改進的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種適于用作渦輪機的壓縮機部段內(nèi)的旋轉(zhuǎn)硬件的構(gòu)件的壓縮機葉片和用于抑制在葉片的葉片頂端與包圍該旋轉(zhuǎn)硬件的殼體的內(nèi)表面之間的磨擦碰撞的過程。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該壓縮機葉片包括帽，帽限定在葉片的徑向最外端處的葉片頂端和從限定葉片頂端的帽的表面延伸的多個柔性元件。柔性元件在葉片的翼展方向上從表面延伸，且可通過操作而由于在壓縮機操作速度下的離心剛化而變得剛性。柔性元件可選地能夠通過操作而在壓縮機操作速度下在殼體的內(nèi)表面中切割出凹槽，或者可由光滑的非切割材料形成。本發(fā)明的另一方面為一種過程，其包括將壓縮機葉片制成在其徑向最外端處具有第一接頭交接部；將帽制成具有這樣的第二接頭交接部該第二接頭交接部具有與葉片的第一接頭交接部互補的形狀；以及提供從與帽的第二接頭交接部相對地設(shè)置的帽表面延伸的多個柔性元件。然后將帽接合到葉片，使得第一接頭交接部和第二接頭交接部形成冶金接頭；帽的表面限定葉片的葉片頂端，且柔性元件在葉片的翼展方向上從葉片延伸。柔性元件可選地能夠通過操作在包圍葉片和壓縮機部段的其它旋轉(zhuǎn)硬件的殼體的內(nèi)表面中切割出凹槽，或者可由光滑的非切割材料形成。本發(fā)明的技術(shù)效果在于柔性元件的如下能力消除或至少急劇地減輕葉片頂端由于與包圍葉片和壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的其余部分的壓縮機殼體的磨擦碰撞而受損的風(fēng)險。舉例而言，柔性元件可適于在殼體的內(nèi)表面中切割出凹槽。由于被柔性元件切割的結(jié)果，凹槽基本上與旋轉(zhuǎn)硬件的旋轉(zhuǎn)軸線同軸，且與葉片的葉片頂端在徑向上間隔開。凹槽進一步能通過改進葉片頂端與殼體內(nèi)表面之間的外部流動路徑密封來減少通過壓縮機的外部氣流路徑的空氣泄漏。備選地，柔性元件可限于與殼體的內(nèi)表面形成密封。通過下文的詳細描述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將會得到更好地了解。


圖I表示具有根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造的葉片頂端的壓縮機葉片和包圍壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的壓縮機殼體的相鄰部分的正視圖，葉片為壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的構(gòu)件。圖2是在將帽附連到葉片上以形成圖I的葉片頂端之前圖I的葉片頂端帽和葉片的相鄰部分的詳圖。圖3為圖2的葉片頂端帽的詳細透視圖，且表示用于在帽中固持元件的技術(shù)。圖4表示現(xiàn)有技術(shù)壓縮機葉片的葉片頂端區(qū)域，且描繪了可由于與壓縮機殼體的磨擦碰撞而對葉片頂端發(fā)生的若干種類型的損壞。部件列表10 葉片 110


具體實施例方式圖I示意性地表示渦輪機(例如，工業(yè)或飛行器燃氣渦輪發(fā)動機)的壓縮機部段 20的一部分。示出壓縮機部段20的單個壓縮機葉片22，但應(yīng)了解葉片22為多個葉片22 中的一個。葉片和它們所附連的盤(未圖示)形成壓縮機部段20內(nèi)的旋轉(zhuǎn)硬件的一部分。 在圖I中還示出壓縮機部段20的旋轉(zhuǎn)硬件由殼體24圍繞，殼體24的一部分表示為緊靠葉片22的徑向最外頂端26。殼體24用于導(dǎo)送通過壓縮機流動的空氣以便確保進入發(fā)動機 10的大量空氣將在壓縮機部段20內(nèi)壓縮。小的徑向間隙存在于葉片頂端26與殼體24之間。最小化此間隙會促進壓縮機部段20和發(fā)動機作為整體的效率。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，葉片22設(shè)有將被稱作葉片頂端帽28的構(gòu)件，其形成葉片 22的外部徑向末端(頂端26)。帽28結(jié)合了切割元件30，切割元件30預(yù)期防止或至少最小化在葉片頂端26與壓縮機殼體24之間的摩擦，這種摩擦可能會導(dǎo)致葉片22的HCF壽命退化。切割元件30也可用于通過在葉片頂端26與殼體24之間形成更曲折的流動路徑而促進與殼體24的外部流動路徑密封。在圖I和圖2中，切割元件30表示為在葉片頂端26的弦向方向上彼此間隔開且在基本上平行于葉片22的展向軸線的方向上從葉片頂端26延伸的多個絲或纖維。元件30 適于切割包圍葉片22的殼體24的內(nèi)表面42，但優(yōu)選地重量輕，以便對葉片22貢獻最小的寄生載荷。如在圖2中以虛線所表示，元件30優(yōu)選地為柔性的，但然后由于“離心剛化”的物理現(xiàn)象而在壓縮機操作速度下變得剛性。元件30當(dāng)在壓縮機操作速度下剛化時能充當(dāng)?shù)挚繗んw24的內(nèi)表面42的切割元件，且這樣做時在殼體內(nèi)表面42中切割出比內(nèi)表面42 更接近與壓縮機的旋轉(zhuǎn)硬件的旋轉(zhuǎn)軸線同軸的凹槽44。實際上，元件30用于使得否則不圓的殼體24的內(nèi)表面42與壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的旋轉(zhuǎn)軸線同心。如從圖I顯然可見，凹槽44與
12
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頂端
頂端毛邊
區(qū)
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6
20部段 22葉片 24殼體 26頂端 28帽 30元件 31材料 32接頭 34端部 36交接部 38交接部 40擾動件 42表面 44凹槽葉片22的葉片頂端26在徑向上間隔開，大致對應(yīng)于元件30的長度，從而消除了或至少急劇地減輕了由于與殼體24的磨擦碰撞而造成的葉片頂端損壞的風(fēng)險。雖然圖I和圖2描繪了存在五個元件30，但可采用更少量或更大量的元件30。一般而言，認為每平方英寸至少一百個元件30 (每平方厘米至少大約十五個元件30)應(yīng)存在于葉片頂端26處，以便實現(xiàn)充分的切割效率。優(yōu)選地限制元件30的數(shù)量，使得相鄰元件30在其附連到帽28的相應(yīng)點處彼此間隔開，使得元件30保持其撓曲能力。作為實例，可能需要限制元件30的數(shù)量為每平方英寸大約六百個元件30 (每平方厘米大約一百個元件30)。元件30可由多種材料形成，其明顯實例包括不銹鋼絲、碳鋼絲、碳纖維、芳族聚酰胺(例如，Kevlar )纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維。為了增強其切割能力，元件30可被涂覆由例如立方氮化硼、氧化鋁、金剛石、碳化鎢或另外的硬磨耗材料形成的磨耗涂層。目前，認為帶有立方氮化硼涂層的氧化鋁纖維和碳纖維是優(yōu)選的。用于產(chǎn)生元件30的合適過程包括諸如碳鋼和不銹鋼拉絲和旋制熔膠凝膠或其它化學(xué)前體來產(chǎn)生陶瓷纖維的常規(guī)方法。磨耗涂層或粒子可通過各種技術(shù)來涂覆，例如鍍層、釬焊或樹脂結(jié)合。元件30的合適長度和直徑將部分地取決于特定應(yīng)用。但是，元件30的長度和直徑影響元件30的柔性和切割能力，且因此認為存在某些限制。舉例而言，認為元件30應(yīng)具有至少2. 5毫米的長度且可長達大約8. 5毫米，優(yōu)選范圍為大約4毫米至大約6毫米。而且，認為元件30應(yīng)具有至少17微米的直徑且可大到大約500微米，優(yōu)選范圍為大約125微米至大約300微米。圖2示出嵌入于帽28中且通過帽28形成的葉片頂端26而突伸的元件30的內(nèi)端。 圖3表示帽28已被制成在限定葉片頂端26的表面中包含表面腔或槽，且表示了利用將元件30錨固到帽28上的材料31填充槽的結(jié)果。舉例而言，槽可被填充樹脂、釬焊合金或能在葉片10的操作條件下固定和固持元件30的其它材料。用于產(chǎn)生帽28的合適過程包括諸如放電加工(EDM)、研磨、銑削等常規(guī)方法。帽28優(yōu)選地由與用于形成葉片22的合金兼容的合金形成。在用于工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的壓縮機葉片應(yīng)用中，葉片合金的明顯實例包括含鉻的鐵基合金，諸如GTD-450、AISI 403和AISI 403+Cb?；瘜W(xué)兼容性在使用諸如釬焊和焊接(包括使用在正被焊接的部件之間的摩擦來生成焊接溫度的焊接技術(shù))的過程將帽 28冶金接合到葉片22上的能力方面特別重要。鑒于這些考慮，被認為特別適合于帽28且隨后接合到由鐵基合金形成的葉片的合金包括GTD-450和AISI 403+Cb。如上文所提到的那樣，用于接合帽28和葉片端部34的合適過程包括釬焊、焊接和摩擦焊接，其中釬焊目前被視作優(yōu)選方法。帽28還在圖I和圖2中表示為制成與該帽28所附連的葉片22的端部34形成雙嵌接接頭32。該雙嵌接接頭32分別在葉片端部34和帽28中的各個上限定接頭交接部36 和38。接頭交接部36和38具有彼此互補的形狀，且每個接頭交接部36和38包括一對搭接面，這對搭接面朝向彼此傾斜且既不平行于葉片22的展向軸線也不垂直于葉片22的展向軸線。圖2還示出葉片端部34的接頭交接部36結(jié)合了擾動件(perturbation)40來促進在接頭32處的冶金和機械聯(lián)鎖，從而提供結(jié)構(gòu)負荷路徑冗余來對抗在壓縮機操作速度下存在于葉片22內(nèi)的典型高離心應(yīng)力場。作為備選或作為補充，帽28的接頭交接部38可形成為包括類似于擾動件40或與擾動件40互補的擾動件。其它已知的接頭構(gòu)造也是可能的，包括將接頭交接部36和38之一形成為燕尾榫且將另一個形成為互補的燕尾槽。由于兀件30在殼體24的內(nèi)表面42中切割出凹槽44,將由于與殼體24磨擦碰撞而損壞葉片頂端26的可能性會大幅減小(如果沒有消除的話)。因此，可避免或減輕典型的損壞形式，包括脆性HAZ 16和圖4所表示的微小和嚴重頂端毛邊18，其可能會引發(fā)開裂， 且通過隨后的傳播，可使得葉片22的HCF壽命退化并導(dǎo)致由翼型件模態(tài)振動所驅(qū)動的頂端斷裂。認為元件30的柔性是特別有利的，因為其柔性使得元件30能夠不太傾向于在發(fā)生嚴重磨擦碰撞(在諸如燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪機中常見)時被完全移除。此外，與大多數(shù)元件30相反，個別元件30更可能會丟失，使得帽28能繼續(xù)提供對殼體24的一定程度的切割作用，由于隨后的磨擦碰撞，這種切割作用可能是必要的。在某些情形下可預(yù)見到元件30的在殼體24的內(nèi)表面42中切割出凹槽44的能力可能并不必要。因此，本發(fā)明的備選方面是將柔性元件30形成為光滑且非切割的，且因此僅在接觸殼體24時撓曲。認為光滑非切割元件30能減小損壞頂端26的風(fēng)險，以及密封在葉片頂端26與壓縮機殼體24之間的徑向空隙間隙。在大部分情況下，用于非切割元件30 的合適光滑材料將被局限于工業(yè)燃氣渦輪壓縮機的較早級。這些材料的明顯但非限制性實例包括諸如碳纖維或聚合纖維-例如Kevlar 纖維-的纖維材料。雖然關(guān)于優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但顯然本領(lǐng)域技術(shù)人員也可采用其它形式。 舉例而言，葉片頂端帽28和元件30的物理構(gòu)造可與圖示構(gòu)造不同。還可預(yù)見到本發(fā)明可與結(jié)合到直接圍繞壓縮機葉片頂端的殼體24區(qū)域內(nèi)的可磨耗材料組合使用。因此，本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種壓縮機葉片(22)，構(gòu)造成抑制在該葉片的葉片頂端(26)與包圍壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的殼體(24)的內(nèi)表面(42)之間的磨擦碰撞，該壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件包括所述葉片(22)，所述葉片(22)包括帽(28)，限定在所述葉片(22)的徑向最外端處的所述葉片頂端(26)；多個柔性元件(30)，從限定所述葉片頂端(26)的所述帽(28)的表面(26)延伸，所述柔性元件(30)在所述葉片(22)的翼展方向上從所述表面(26)延伸，所述柔性元件(30) 可通過操作由于在壓縮機操作速度處的離心剛化而變得剛性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述柔性元件(30)以每平方厘米至少十五的量存在于所述帽(28)的表面(26)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述柔性元件(30)包括柔性切割元件(30)，所述柔性切割元件(30)可在壓縮機操作速度下通過操作在所述殼體(24)的所述內(nèi)表面(42)中切割出凹槽(44)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述柔性元件 (30)由選自不銹鋼絲、碳鋼絲、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維組成的組的材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述柔性元件(30)包括磨耗材料涂層，所述磨耗材料涂層促進所述柔性元件(30)相對于所述殼體(24) 的所述內(nèi)表面(42)的磨耗性。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述柔性元件(30)由選自碳纖維和聚合纖維組成的組的光滑非切割材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓縮機葉片(22)，其特征在于，所述葉片(22)作為渦輪機的壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的一部分安裝于所述渦輪機的壓縮機部段(20)中，所述殼體(24)的內(nèi)表面(42)包圍所述壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件，且所述柔性元件(30)在所述殼體(24)的內(nèi)表面(42) 中切割出凹槽(44)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機，其特征在于，所述渦輪機是燃氣渦輪發(fā)動機。
9.一種抑制在壓縮機葉片(22)的葉片頂端(26)與包圍壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的殼體(24) 的內(nèi)表面(42)之間的磨擦碰撞的過程，所述壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件包括所述葉片(22)，所述過程包括將所述葉片(22)制成在該葉片的徑向最外端處具有第一接頭交接部(36)；將帽(28)制成具有第二接頭交接部(38)，所述第二接頭交接部(38)具有與所述葉片(22)的所述第一接頭交接部(36)互補的形狀；提供從與所述帽(28)的第二接頭交接部(38)相對地設(shè)置的所述帽(28)的表面(26) 延伸的多個柔性元件(30)；將所述帽(28)接合到所述葉片(22)，使得所述第一接頭交接部和第二接頭交接部 (36,38)形成冶金接頭(32)，所述帽(28)的所述表面(26)限定所述葉片(22)的葉片頂端(26)，且所述柔性元件(30)在所述葉片(22)的翼展方向上從所述葉片(22)延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過程，其特征在于，還包括將所述葉片(22)作為渦輪機的壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的一部分安裝于所述渦輪機的壓縮機部段(20)中;以及操作所述渦輪機，使得所述柔性元件(30)由于離心剛化而變成剛性，且在包圍壓縮機旋轉(zhuǎn)硬件的所述殼體(24)的所述內(nèi)表面(42)中切割出凹槽(44)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有柔性頂端元件的壓縮機葉片和其過程。一種用于抑制在渦輪機的壓縮機部段(20)內(nèi)葉片(22)的葉片頂端(26)與包圍旋轉(zhuǎn)硬件的殼體(24)的內(nèi)表面(42)之間的磨擦碰撞的壓縮機葉片(22)和過程。該壓縮機葉片(22)包括帽(28)，帽(28)限定在葉片(22)的徑向最外端處的葉片頂端(26)和從限定葉片頂端(26)的帽(28)表面(26)延伸的多個柔性元件(30)。柔性元件(30)在葉片(22)的翼展方向上從表面(26)延伸，且可通過操作而由于在壓縮機操作速度下的離心剛化而變得剛性，且可選地在殼體(24)的內(nèi)表面(42)中切割出凹槽(44)。
文檔編號F04D29/26GK102536889SQ20111040468
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者R·R·凱羅, W·A·內(nèi)爾森 申請人:通用電氣公司