[发明专利]罩部段和转子叶片尖端之间的密封系统及这种部段的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括涡轮机叶片和周向壳体部段的设置，其中所述涡轮机叶片包括至少根部、翼面和尖端且借助于其根部被安装于转子，该转子沿机器轴线延伸，所述周向壳体部段包括面向叶片的尖端的表面，其中所述表面被结构化。此外，本发明涉及生产壳体部段的方法，该壳体部段包括面向涡轮机叶片的叶片尖端的表面，所述涡轮机叶片被安装于转子，该转子可旋转地沿机器轴线延伸。

背景技术

现代燃气轮机领域中最重要的研究目标在于提高效率。其他重要方面是操作灵活性、低维修成本、高可用性以及低排放。后一目标与效率的提高直接相关，其中次要特征是操作稳定性。 

基础热力学表明较高的气体温度是增加燃气轮机效率的一种可能。温度限制因素在第一情况下是与热气体直接接触的部件所使用的材料。为了超过例如现代燃气轮机中的叶片或面向叶片尖端的壳体部段的材料所设定的气体温度限制，例如通过叶片内冷却空气的通道来提供复杂冷却。在一些应用中，薄的冷却空气膜被构建在面向热气体的表面的顶部上。

通过附加热屏障涂层来隔绝这些具有低导热率的部件的基础材料可以甚至产生更高温度。一种示例可以参见WO2007/115839A2。

除用于增加效率的与温度相关的方法之外，还采用流体动力学措施来增加燃气轮机的相对功率输出。一种可能性在于降低通过旋转叶片尖端与壳体部段的相对表面之间的间隙的次级流动的量。这可以通过减小静止部分和旋转部分之间的空隙来实现。

另一方面，这些空隙必须被不能缩减至小于由于非稳态操作条件下特别是启动期间特别的热膨胀而导致被桥接跨过的间隙，以便避免旋转部分和静止部分之间的接触。这种磨损情况会导致灾难性的失效。

具有最大相对速度的叶片尖端和面向尖端的相应相对表面承受剧烈热冲击，这是由于高的操作温度与空气动力学摩擦的结合。穿过叶片尖端和热屏蔽叶片之间的间隙的热气体的湍流会导致对于叶片尖端和壳体部段的相对表面的最大热冲击。 

发明内容

因此，本发明的一个目标在于提供一种上述类型的设置，其能够使得在旋转叶片和相对壳体部段之间的间隙区域内具有最大操作温度及最佳流体动力学性能且不会降低燃气轮机的操作安全性或操作范围。此外，本发明的目标是提供生产这种设置的壳体部段的方法。

这些目标通过根据权利要求1的设置及相应地通过根据权利要求2的生产壳体部段的方法来实现。从属权利要求分别涉及优选实施例。

根据本发明的机器轴线是承载叶片（特别是燃气轮机的叶片）的转子的旋转轴线。

本发明具体涉及燃气轮机不过对于配合旋转叶片的其他旋转机器（例如蒸汽轮机或压缩机）也同样重要。根据本发明的周向表面是承载该表面的元件，其面向旋转机器的旋转叶片的尖端。这里，叶片的尖端指代叶片翼面的常规最外边缘。这个边缘通常沿翼面的横截面轮廓的弦长延伸。

因为在发动机操作期间旋转叶片沿轴向的热膨胀的原因，表面元件的构造摩擦到叶片尖端中，从而在面向壳体部段的叶片尖端上形成对应构造。这种结构化与平坦表面相比更有效地限制了不理想的次级流动。这种构造由多个凹槽或突起或沟槽构成，或者可以是蜂窝状。沟槽优选地沿周向方向延伸。

在表面上提供陶瓷涂层使得能够以有利方式定制表面性质且不改变壳体部段的基础材料，而这需要适合于表面结构的机加工。根据本发明所提供的方法，结构被机加工到表面中，且之后表面配备有陶瓷涂层。有利地，被具体选择以呈现更好操作行为的具有有益材料性质的表面与改进空气动力学的表面几何形状相结合。

可以通过车削、铣、研磨、电火花加工或其他任意适当方法来实现根据本发明的机加工。

根据本发明的方法的优选实施例提供：在应用至少部分陶瓷涂层之后通过将表面的突起机加工至特定最小直径的进一步生产步骤。因为涂层方法不一定导致最高的几何形状准确性，所以后续机加工步骤保证在旋转叶片和壳体部段的相对表面之间具有足够操作空隙。

根据本发明的优选实施例，表面的结构包括周向沟槽。这些沟槽可以被周向突起彼此隔开，所述周向突起例如具有三角形横截面。此外，沟槽本身可以具有三角形横截面。这种结构几何形状导致改进的密封效果。

通过作为面向叶片尖端的表面的涂层的热屏障涂层来提供一种特别有益的实施例。优选地，这种涂层具有在0.3至3W/mK之间的热导率。此外，本发明的优选实施例提供作为可磨损涂层的涂层，其优选地可被叶片尖端磨损。在本文中的可磨损性意味着磨擦元件和被磨损元件均不被毁坏，且被磨损元件被磨擦元件减缩，相应地叶片尖端机加工根据本发明的壳体部段的表面。