[發(fā)明專利]帶有柔性頂端元件的壓縮機(jī)葉片和其過程

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110404686.7
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102536889A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: R·R·凱羅;W·A·內(nèi)爾森
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F04D29/26
• 分類號: F04D29/26
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強(qiáng);譚祐祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體而言涉及用于渦輪機(jī)，諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)。更特定而言，本發(fā)明涉及壓縮機(jī)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(jī)的殼體的摩擦碰撞而發(fā)生的損壞葉片頂端的風(fēng)險(xiǎn)。

背景技術(shù)

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)大體根據(jù)如下原理來操作：在發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)部段內(nèi)壓縮空氣，且然后將壓縮空氣遞送到發(fā)動機(jī)的燃燒部段，在燃燒部段中，燃料添加到空氣并點(diǎn)燃。之后，將所得到的燃燒混合物遞送到發(fā)動機(jī)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(jī)壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)包括呈一個(gè)或多個(gè)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(jī)的氣流路徑。在壓縮機(jī)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(jìn)來的空氣通過壓縮機(jī)以確保進(jìn)入該發(fā)動機(jī)的大量空氣將由壓縮機(jī)壓縮。但是，小部分空氣能通過在壓縮機(jī)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(jī)葉片。由于在壓縮機(jī)部段內(nèi)壓縮的空氣用于供應(yīng)發(fā)動機(jī)的渦輪部段，可通過限制能夠通過此間隙繞開壓縮機(jī)葉片的空氣的量而提高發(fā)動機(jī)效率。因此，將壓縮機(jī)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(shí)例，殼體的內(nèi)徑從未真正地為圓形并與壓縮機(jī)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(yán)重性方面不同。對葉片頂端的損壞可為一個(gè)或多個(gè)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(yán)重頂端毛邊(應(yīng)力集中部)14。如果頂端毛邊14足夠嚴(yán)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(jī)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(jī)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(shí)施起來都較昂貴。作為實(shí)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(yán)重磨擦碰撞下幸存。在另一方面，在壓縮機(jī)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(jī)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(diǎn)。相反，太軟的可磨耗涂層可由于在壓縮機(jī)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(jī)的外部氣流路徑處的空氣泄漏的改進(jìn)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(jī)的壓縮機(jī)部段內(nèi)的旋轉(zhuǎn)硬件的構(gòu)件的壓縮機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(gè)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(jī)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。