[发明专利]用于防止涡轮机叶片尖端护罩磨损的系统

说明书

技术领域

本发明大致涉及一种用于防止涡轮发动机中涡轮机叶片尖端护罩(tip shroud)上的磨损的系统。更具体而言，但不限于此的是，本发明涉及一种把耐用外表面一体式地结合在相邻尖端护罩之间的接触面上的系统。

背景技术

涡轮机叶片大致包括翼型和附接于其上的尖端护罩。附接到翼型外边缘的尖端护罩，提供基本上垂直于翼型表面延伸的表面区域。尖端护罩的表面区域有助于把涡轮机废气保持在翼型上(也即，不允许废气从翼型叶片端部漏去)，使得较大比例的涡轮机废气能量可以转化成涡轮机的机械能量。因此，尖端护罩改进了燃气涡轮发动机的性能。优选的尖端护罩设计需要较大尖端护罩表面区域，使得涡轮机叶片翼型的整个外表面都被覆盖。

在涡轮机工作期间，尖端护罩一般与相邻涡轮机叶片的尖端护罩相互作用。因为已安装的涡轮机叶片和优选的尖端护罩设计的对准，尖端护罩一般会接触其各侧的尖端护罩、也即其前缘和后缘的相邻尖端护罩。相邻涡轮机叶片尖端护罩之间的接触还可以有助于把涡轮机废气保持在翼型上(也即，防止尖端护罩之间大规模的泄露)，使得涡轮机性能得以加强。然而，由于涡轮机在工作的旋转速度及振动和相邻尖端护罩之间接合部的非永久性的性质，与相邻尖端护罩之间的接触相关的物理的和机械的应力会变得很大。

此外，工业用燃气涡轮机和航空发动机的涡轮机叶片工作在很高的环境温度中。一般地，涡轮机内涡轮机叶片工作点的温度处于600℃和1500℃之间。另外，涡轮机工作温度迅速而频繁的变化使施加到热通路部件上的热应力剧增。因此，涡轮机叶片和附接于其上的尖端护罩上的热应力相当大。

涡轮机叶片和附接于其上的尖端护罩大致由镍基超合金、钴基超合金、铁基合金或相似材料制成。尽管这些材料已经被证明是物美价廉的，并且对于大多数必需的功能来说是十分有效的，但是如果在极大的机械应力和热应力下，相邻尖端护罩之间的连接区域(也即尖端护罩与各相邻尖端护罩的接触处)将会过早地磨损。其它的更硬的/更耐用的材料对于抵抗这种相邻尖端护罩之间接触区域的磨损来说更有效。

传统的方法和系统在有效防止这种磨损方面并不成功。例如，已经试验过火焰喷雾附层。然而，这样的附层已经被证明太薄而不能提供任何长时间的保护。还已经试过特殊焊接，其在接触区域内大致形成“焊接结构”。然而，特殊焊接还也只能提供少许保护。另外，在该区域内的工作应力已经很大时，焊接结构仍然把其它热相关的应力引入到接触区域。

因此，相邻尖端护罩之间的接触点处的过早磨损持续导致系统的效率下降。例如，过早的磨损可能导致：1)涡轮机单元增加的维修停工期；2)由于接触区域内的过早磨损而更换其它完好的尖端护罩；和3)劳动力和零件支出的相关增长。因此，需要改进的系统，以防止相邻尖端护罩之间的过早磨损。

发明内容

本发明介绍了一种在涡轮发动机中用于防止磨损涡轮机叶片尖端护罩的系统。系统可以包括形成在尖端护罩接触面内的腔穴(pocket)和配合在腔穴内并具有耐用(durable)外表面的插塞件(plug)。在一些实施例中，耐用外表面可以包括钴基硬质敷层粉末(hardfacingpowder)。

腔穴可以形成于接触面中，而插塞件可以是具有预定尺寸的密合地(snugly)配合到腔穴内的插塞件。在一些实施例中，在插塞件配合到腔穴内之后，耐用外表面可以基本上对齐接触面。在其它的实施例中，在插塞件配合到腔穴内之后，耐用外表面也可以保持稍稍高出接触面。

在一些实施例中，尖端护罩在涡轮机工作期间可以在接触面处与相邻尖端护罩接触。接触面可以包括Z形界面，Z形界面具有近似“Z”形的轮廓。尖端护罩还可以包括切削齿，其形成了沿着尖端护罩上表面的中间的凸脊。Z形界面可以包括中间接触面，该中间接触面对应于大致“Z”形轮廓的中间那一划(middle leg)，中间接触面具有大致矩形的形状，其基本上对应于切削齿的截面形状。不管是在上部接触面或下部接触面，腔穴的高度都可接近尖端护罩的厚度。

在一些实施例中，腔穴可以穿过下部内部面而敞开。插塞件可以钎焊(braze)到腔穴内。在其它实施例中，插塞件的耐用外表面可以与相邻尖端护罩的第二插塞件的第二耐用外表面相对。

本发明还介绍了一种在涡轮发动机中用于防止涡轮机叶片尖端护罩的磨损的系统，其可以包括附接于尖端护罩接触面的板(plate)。该板可以包括耐用外表面。在一些实施例中，耐用外表面包括钴基硬质敷层粉末。