專利名稱：渦輪機(jī)翼面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠用在燃?xì)鉁u輪機(jī)導(dǎo)流片或葉片中的渦輪機(jī)翼面(或稱翼型，airfoil)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)的翼面典型地由鎳基或鈷基超合金制成，鎳基或鈷基超合金顯示出對存在于燃?xì)鉁u輪機(jī)中的熱和腐蝕燃燒氣體的較高抵抗性。然而，盡管這種超合金具有相當(dāng)高的抗腐蝕性和抗氧化性，燃?xì)鉁u輪機(jī)中燃燒氣體的高溫仍然需要采取措施來進(jìn)一步改進(jìn)抗腐蝕性和/或抗氧化性。因此，燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片和導(dǎo)流片的翼面典型地至少部分地涂覆有熱障涂層系統(tǒng)，以增強(qiáng)對熱和腐蝕性環(huán)境的抵抗性。另外，翼面主體典型地是中空的，從而允許冷卻流體(典型地為來自壓縮機(jī)的排氣)流過翼面。存在于翼面主體的壁中的冷卻孔允許確定量的冷卻空氣離開內(nèi)部通路，從而在翼面表面上形成冷卻膜，這進(jìn)一步保護(hù)超合 金材料和施加于其上的涂層不受熱和腐蝕性環(huán)境的影響。特別地，冷卻孔存在于翼面的尾緣處，例如在 US 6，077，036,US 6, 126，400、US 2009/0194356 Al 和 WO 98/10174 中所
/Jn o尾緣損失是渦輪機(jī)械葉片裝置總損失的一大部分。特別地，厚的尾緣導(dǎo)致較高的損失。為此，已研發(fā)出在尾緣處具有裁切設(shè)計(jì)的冷卻翼面。該設(shè)計(jì)通過在翼面的壓力側(cè)上從尾緣朝向前緣去除若干毫米的材料實(shí)現(xiàn)。該措施提供了非常薄的尾緣，其能夠?qū)θ~片效率提供較大改進(jìn)。具有裁切設(shè)計(jì)和熱障涂層的翼面例如在WO 98/10174 Al和EP I 245 786A2中公開。然而，只有尾緣的厚度相當(dāng)小時(shí)才能實(shí)現(xiàn)效率的有益效果。另一方面，對于具有熱障涂層的葉片，鑄造翼面主體壁和所施加的熱障涂層系統(tǒng)的組合厚度超過設(shè)計(jì)的最佳厚度。例外，由于氣體的流動速度在翼面的尾緣處最高，則施加到尾緣的熱障涂層易于受到高水平的腐蝕。對翼面選擇性地提供熱障涂層系統(tǒng)是已知的，特別地，這使得翼面的尾緣和翼面的相鄰區(qū)域保持未涂覆。選擇性涂層例如在US 6，126，400、US 6，077，036、WO2005/108746A1中描述，有關(guān)涂覆方法在US 2009/0104356 Al中描述。然而，在US 6，077，036中，翼面的壓力側(cè)完全未涂覆，這意味著，未受鑄造翼面主體和施加于其上的涂層的較高組合厚度影響的那些區(qū)域?qū)囟群蜔崛紵龤怏w仍然不受保護(hù)。WO 2008/043340 Al描述了一種具有熱障涂層的渦輪機(jī)翼面，熱障涂層的厚度在翼面表面上變化。然而，類似于WO 98/101741中的情況，尾緣被充分涂覆，從而使得不能獲得葉片裝置效率的有益效果。EP I 544 414 Al示出了一種具有熱障涂層的渦輪機(jī)翼面，熱障涂層的厚度在翼面表面上變化，其中尾緣并未被充分涂覆。在US 6，126，400中，熱障涂層僅覆蓋大約一半的翼面，如從前緣朝尾緣觀察所看到的。在US 2009/0104356 Al中，掩蔽尾緣的方法將在涂層中產(chǎn)生不利影響葉片空氣動力學(xué)的步驟。

發(fā)明內(nèi)容
針對提到的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是要提供一種改進(jìn)的翼面和一種改進(jìn)的渦輪機(jī)葉片或?qū)Я髌＿@些目的通過權(quán)利要求I所述的渦輪機(jī)翼面和權(quán)利要求9所述的渦輪機(jī)導(dǎo)流片或葉片而得以實(shí)現(xiàn)。各從屬權(quán)利要求包含本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)。本發(fā)明的渦輪機(jī)翼面包括翼面主體，其具有前緣、尾緣和外表面。外表面包括從前緣延伸到尾緣的吸入側(cè)和從前緣延伸到尾緣且在翼面主體上被定位成與吸入側(cè)相對的壓力側(cè)。渦輪機(jī)翼面進(jìn)一步包括存在于涂覆表面區(qū)域中的熱障涂層系統(tǒng)，以及不存在熱障涂層系統(tǒng)的未涂覆表面區(qū)域。該未涂覆表面區(qū)域在吸入側(cè)上從尾緣朝向前緣延伸到分界線，該分界線位于吸入側(cè)上且在前緣與尾緣之間，特別地，其比靠近前緣更靠近尾緣。該分界線例如可主要沿著翼面主體的徑向方向延伸。翼面主體包括位于外表面中的臺階。該臺階沿著分界線延伸。特別地，該臺階可被形成為使得未涂覆表面區(qū)域中的表面高于典型地鑄造 而成的翼面主體在涂覆表面區(qū)域中的表面，即，當(dāng)沿著未涂覆翼面主體的吸入側(cè)表面從前緣朝尾緣看時(shí)，與不帶這種臺階的吸入側(cè)表面相比，臺階導(dǎo)致距翼面主體剖面的弦線的距離增大。臺階的高度優(yōu)選等于熱障涂層系統(tǒng)的厚度?！案摺笔窍鄬τ谖挥谝砻鎯?nèi)的點(diǎn)或平面而言的，“更高”的外表面比第二外表面距該點(diǎn)或平面具有更大的距離。因此不更高的表面與“更高”的表面相比可被視為凹陷部。本發(fā)明允許制造其上沒有施加熱障涂層系統(tǒng)的非常薄的尾緣，與此同時(shí)最小化或甚至避免了涂覆表面區(qū)域與未涂覆表面區(qū)域之間分界處的臺階。該臺階通過位于翼面主體的表面中的臺階而被最小化或者避免掉。通過選擇臺階的高度以使其匹配待施加的熱障涂層系統(tǒng)的厚度從而形成涂覆表面區(qū)域，在涂覆區(qū)域中施加涂層的表面能夠被制成為匹配未涂覆表面區(qū)域的表面。這允許制造局部涂覆的翼面的最終表面，其與涂覆表面區(qū)域中以及未涂覆表面區(qū)域中的設(shè)計(jì)界定匹配。而且，由于在尾緣處沒有熱障涂層，不會發(fā)生因尾緣處的熱障涂層的高水平腐蝕引起的對翼面壽命的不利影響。熱障涂層系統(tǒng)特別地可包括熱障涂層和結(jié)合層，該結(jié)合層位于熱障涂層與翼面主體的外表面之間。典型的結(jié)合層為鋁氧化物成形材料，特別地其被稱為MCrAlY涂層，其中M代表鈷和/或鎳，Cr代表鉻，Al代表鋁，Y代表釔和/或一種或多種稀有土族元素。在涂層系統(tǒng)包括結(jié)合層的情況下，臺階的高度優(yōu)選地對應(yīng)于結(jié)合層和熱障涂層的組合厚度。此外，本發(fā)明的渦輪機(jī)翼面優(yōu)選是中空的，并在尾緣處包括至少一個(gè)冷卻開口，冷卻開口特別地可由裁切(cutback)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。通過這種方式,如果中空的翼面主體包括厚度在未涂覆表面區(qū)域中比在涂覆表面區(qū)域中小的壁，則尾緣能夠被制得特別薄。壁區(qū)域的厚度特別地能夠在分界線的一側(cè)或兩側(cè)上的小過渡區(qū)域范圍內(nèi)減小。這避免了在翼面主體的內(nèi)表面處且在外表面的臺階的位置處或靠近外表面的臺階的位置具有臺階。本發(fā)明的渦輪機(jī)葉片，特別是燃?xì)鉁u輪機(jī)導(dǎo)流片或葉片，包括本發(fā)明的渦輪機(jī)翼面。使用本發(fā)明的翼面允許制造高效的渦輪機(jī)葉片裝置。


根據(jù)下文結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述，本發(fā)明進(jìn)一步的特征、性能和優(yōu)點(diǎn)將變得清/E. o圖I示意性地示出了本發(fā)明的翼面的結(jié)構(gòu)。圖2示出了圖I中所示的翼面的后緣。圖3示出了圖2的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的渦輪機(jī)翼面可以是渦輪機(jī)葉片或渦輪機(jī)導(dǎo)流片的一部分。渦輪機(jī)葉片被固定到渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子并與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。它們適于接收來自由燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的流動燃燒氣 體的動量。渦輪機(jī)導(dǎo)流片被固定到渦輪機(jī)殼體，并形成用于在燃燒氣體上進(jìn)行引導(dǎo)的噴嘴， 以便優(yōu)化對轉(zhuǎn)子葉片的動量傳遞。本發(fā)明的渦輪機(jī)翼面通常能夠用在渦輪機(jī)葉片中以及用 在潤輪機(jī)導(dǎo)流片中。圖I示出了本發(fā)明的翼面I。其包括鑄造翼面主體13、前緣3和尾緣5，流動的燃燒氣體在前緣3到達(dá)翼面I (前緣3為上游邊緣)，然后氣體在尾緣5離開翼面I (尾緣5為下游邊緣)。翼面I的外表面由凸出的吸入側(cè)7和不太凸出且典型為凹入的壓力側(cè)9形成，壓力側(cè)9與吸入側(cè)7相對形成。吸入側(cè)7和壓力側(cè)9從前緣3延伸到尾緣5，并由翼面主體壁的外表面形成，即由示為遠(yuǎn)離翼面主體的內(nèi)部的壁的表面形成。翼面主體13是中空的，并在本實(shí)施例中包括多個(gè)內(nèi)腔IlA至11E，以允許來自渦輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)的冷卻流體,典型地為排氣,從中流過并冷卻翼面主體13。而且，確定量的冷卻流體被允許通過存在于翼面主體13的壁中的冷卻孔朝向其外表面離開內(nèi)腔IlA至11E，從而在表面上形成冷卻流體膜。注意，連接內(nèi)腔IlA至IlE和翼面主體13的外部的冷卻孔未在附圖中示出。最靠近尾緣5的內(nèi)腔IlE包括狹縫15，其允許冷卻流體離開靠近尾緣5的該腔。狹縫15由翼面I的壓力側(cè)9中的裁切形成。這可用作減少由于尾緣5處的阻塞引起的損失，因而增大渦輪機(jī)械葉片裝置的效率。損失減少效應(yīng)由尾緣因裁切設(shè)計(jì)引起的減小厚度而造成。為了進(jìn)一步減少尾緣5的厚度，翼面主體13的壁17的厚度在翼面的吸入側(cè)7鄰接尾緣5的區(qū)域中被減少，如圖2中可見。圖2示出了翼面I的尾緣5和相鄰的翼面區(qū)域。由此可知，吸入側(cè)7包括薄的翼面區(qū)域19，其從尾緣5朝向前緣3延伸遍布翼面剖面的確定長度。翼面主體13由抗高溫的鎳基或鈷基超合金形成，并涂覆有減少翼面主體13的腐蝕的熱障涂層系統(tǒng)，該腐蝕總是因在燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作中沿著翼面I流動的熱、腐蝕性燃燒氣體而發(fā)生。熱障涂層系統(tǒng)21最佳在圖3中可見，圖3示出了圖2中在常規(guī)翼面主體壁17與薄翼面區(qū)域19之間的過渡區(qū)域中的細(xì)節(jié)。熱障涂層系統(tǒng)21包括例如氧化鋯的實(shí)際熱障涂層23和結(jié)合層25，實(shí)際熱障涂層23通過氧化釔至少部分地穩(wěn)定，結(jié)合層25位于制成翼面主體13的超合金材料的表面與熱障涂層23之間。結(jié)合層典型地為氧化鋁成形材料，特別為MCrAH涂層。翼面主體壁17的確定最小壁厚對于將這種熱障涂層系統(tǒng)21施加到翼面主體13是必須的，從而涂覆壁的特征在于最小壁厚。然而，該最小壁厚比薄翼面區(qū)域19的所需厚度更厚。因此，沒有熱障涂層系統(tǒng)21施加到薄翼面區(qū)域19，從而，薄翼面區(qū)域19與未涂覆翼面區(qū)域29重合，其從尾緣5延伸到位于尾緣5與前緣3之間的分界線，特別地相對靠近前緣3更靠近尾緣5。典型地，未涂覆表面區(qū)域不會延伸超過尾緣5與前緣3之間距離的10至30%。然而，未涂覆表面區(qū)域29延伸遍布的精確距離取決于實(shí)際的翼面設(shè)計(jì)。邊界線主要沿著翼面主體13的徑向方向延伸，即沿著從葉片或?qū)Я髌母砍蛉~片或?qū)Я髌募舛说姆较蜓由?。該方向垂直于附圖中所示的空氣動力學(xué)剖面的平面。然而，分界線無需為直線，而且能夠略微彎曲，從而，分界線距尾緣5的距離隨著吸入側(cè)表面上的徑向位置而變化。根據(jù)圖2的實(shí)施例，未涂覆表面區(qū)域僅存在于吸入側(cè)7上并靠近尾緣5。分界線由鑄造翼面主體13的外表面中的臺階27限定。在本實(shí)施例中，臺階27的高度h對應(yīng)于熱障涂層系統(tǒng)21的厚度，并被設(shè)計(jì)為使得薄翼面區(qū)域19的表面33高于翼面主體13在待涂覆表面區(qū)域中的表面28。在熱障涂層系統(tǒng)21施加到鑄造翼面主體13的表面之前，吸入側(cè)7在臺階27與尾緣5之間被掩蔽，以防止涂料粘附到薄翼面區(qū)域19，其將變成未涂覆翼面區(qū)域29。在熱障 涂層系統(tǒng)21已被施加到鑄造翼面主體13的外表面并且掩蔽體已從未涂覆區(qū)域的表面31去除之后，熱障涂層系統(tǒng)21的表面與未涂覆表面區(qū)域29的表面33平滑地對齊。因而，在翼面吸入側(cè)7的涂覆表面區(qū)域30與未涂覆表面區(qū)域29之間不會存在將導(dǎo)致?lián)p失的臺階。另外，由于分界線與尾緣5之間的薄翼面區(qū)域19沒有熱障涂層，因而不僅實(shí)現(xiàn)非常薄的尾緣5，而且避免了由于燃燒氣體在尾緣5處的高速而引起的涂層腐蝕。為了避免翼面主體13的壁17中的薄弱區(qū)，常規(guī)翼面主體壁17與薄翼面區(qū)域19之間的過渡并非實(shí)現(xiàn)為臺階形式，而是實(shí)現(xiàn)為下述區(qū)域形式，常規(guī)壁17的厚度從正常厚度逐漸減小到薄翼面區(qū)域19的厚度。在此情形下，請注意，熱障涂層系統(tǒng)21的厚度以及臺階27的高度h在附圖中被夸大，以便增加其可見性。出于例示目的，已參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明。然而，來自所示實(shí)施例的變化也是可以的。例如，額外的未涂覆表面區(qū)域可存在于翼面的吸入側(cè)和/或壓力側(cè)上。另外，熱障涂層系統(tǒng)可偏離于所述實(shí)施例中所使用的熱障涂層系統(tǒng)。而且，盡管所述翼面具有五個(gè)用于允許冷卻流體從中流過的內(nèi)腔，但內(nèi)腔的數(shù)量可大于五或者小于五。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)翼面(I)，包括 翼面主體(13)，其具有前緣(3)、尾緣(5)和外表面，所述外表面包括從所述前緣(3)延伸到所述尾緣(5)的吸入側(cè)(7)和從所述前緣(3)延伸到所述尾緣(5)且在所述翼面主體(13)上被定位成與所述吸入側(cè)(7)相對的壓力側(cè)(9)， 熱障涂層系統(tǒng)(21)，其存在于涂覆表面區(qū)域(30)中，以及 未涂覆表面區(qū)域(29)，其中不存在熱障涂層系統(tǒng)(21)，所述未涂覆表面區(qū)域(29)在所述翼面主體(13)的所述外表面的所述吸入側(cè)(7)上從所述尾緣(5)朝向所述前緣(3)延伸到分界線，所述分界線位于所述吸入側(cè)(7)上且在所述前緣(3)與所述尾緣(5)之間，其特征在于， 所述翼面主體(13 )包括沿所述分界線延伸的位于所述外表面中臺階(27 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述臺階(27)被形成為使得所述未涂覆表面區(qū)域(29)的表面(33)高于所述涂覆表面區(qū)域(30)中所述翼面主體(13)的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述臺階(27)的高度等于所述熱障涂層系統(tǒng)(21)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述熱障涂層系統(tǒng)(21)包括熱障涂層(23)和結(jié)合層(25)，該結(jié)合層(25)位于所述熱障涂層(23 )與所述翼面主體(13 )的外表面(28 )之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述分界線比靠近所述前緣(3 )更靠近所述尾緣(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述翼面主體(13)是中空的，并且在所述尾緣(5)處存在至少一個(gè)冷卻開口(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述中空的翼面主體(13)包括壁(17，19)，該壁的厚度在所述未涂覆表面區(qū)域(29)中比在涂覆表面區(qū)域(30)中小。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述壁(17，19)的厚度在所述分界線的一側(cè)或兩側(cè)上的小區(qū)域范圍上逐漸減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)翼面(I)，其特征在于， 所述分界線主要沿所述翼面主體(13)的徑向方向延伸。
10.一種渦輪機(jī)導(dǎo)流片或葉片，其包括權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)翼面(I)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠用在燃?xì)鉁u輪機(jī)導(dǎo)流片或葉片中的渦輪機(jī)翼面。提供的渦輪機(jī)翼面(1)包括鑄造的翼面主體(13)，其具有前緣(3)、尾緣(5)和外表面，該外表面包括從前緣(3)延伸到尾緣(5)的吸入側(cè)(7)和從前緣(3)延伸到尾緣(5)且在翼面主體(13)上被定位成與吸入側(cè)(7)相對的壓力側(cè)(9)；存在于涂覆表面區(qū)域(30)中的熱障涂層系統(tǒng)(21)；以及不存在熱障涂層系統(tǒng)(21)的未涂覆表面區(qū)域(29)，未涂覆表面區(qū)域(29)在吸入側(cè)(7)上從尾緣(5)朝所述前緣(3)延伸到分界線，該分界線位于吸入側(cè)(7)上且在前緣(3)與尾緣(5)之間。鑄造的翼面主體(13)包括外表面中沿所述分界線延伸的臺階(27)。
文檔編號F01D5/28GK102762817SQ201180010047
公開日2012年10月31日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者J.穆格萊斯通, S.巴特, 王理申 申請人:西門子公司