[发明专利]带有柔性顶端元件的压缩机叶片和其过程

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及用于涡轮机，诸如燃气涡轮发动机的压缩机。更特定而言，本发明涉及压缩机叶片，其顶端结合了柔性切割元件，以用于降低可能由于与包围压缩机的壳体的摩擦碰撞而发生的损坏叶片顶端的风险。

背景技术

燃气涡轮发动机大体根据如下原理来操作：在发动机的压缩机部段内压缩空气，且然后将压缩空气递送到发动机的燃烧部段，在燃烧部段中，燃料添加到空气并点燃。之后，将所得到的燃烧混合物递送到发动机的涡轮部段，其中，由燃烧过程生成的能量的一部分由涡轮提取以驱动发动机压缩机。

压缩机包括呈一个或多个盘或转子形式的旋转硬件，翼型件(叶片)从那里沿径向延伸跨过通过该发动机的气流路径。在压缩机部段内的气流路径的径向外部界限由包围旋转硬件的壳体限定。该壳体用于导送进来的空气通过压缩机以确保进入该发动机的大量空气将由压缩机压缩。但是，小部分空气能通过在压缩机部段内的外部气流路径处、在叶片顶端与壳体之间存在的径向间隙而绕开压缩机叶片。由于在压缩机部段内压缩的空气用于供应发动机的涡轮部段，可通过限制能够通过此间隙绕开压缩机叶片的空气的量而提高发动机效率。因此，将压缩机部段的旋转硬件和壳体制造成紧公差，以便最小化该间隙。

制造公差、不同的热膨胀率和动力学效应限制了可减小此间隙的程度。作为实例，壳体的内径从未真正地为圆形并与压缩机的旋转轴线同心。因此，存在突破翼型件至壳体的空隙且叶片顶端摩擦壳体的情形。叶片顶端摩擦损坏可在形式和严重性方面不同。对叶片顶端的损坏可为一个或多个开裂或毛边的形式，其可在叶片顶端区域中通过局部振动模式传播。举例而言，图4示意性地表示由于在叶片10的顶端12处的塑性变形所造成的严重顶端毛边(应力集中部)14。如果顶端毛边14足够严重，所形成的应力集中可放大由于顶端模态振动所致的振动应力，且造成叶片10的高周疲劳(HCF)寿命退化。还会由于叶片摩擦而发生局部摩擦加热，且局部摩擦加热可导致在叶片顶端12处形成脆性热影响区(HAZ)16。

提出了几种方案来解决叶片顶端损坏和在外部气流路径处的空气泄漏的问题。一种方案涉及向压缩机壳体的内径应用可磨耗材料，使得可磨耗材料在由叶片顶端摩擦时将牺牲性地磨耗掉。另一方案是在叶片顶端处结合切割边缘(“凹槽状(squealer)顶端”)。在各种情况下，在初始发动机操作期间，叶片顶端在壳体内径中切割出凹槽，在外部气流路径处、壳体与叶片顶端之间产生更曲折的路径。尽管有效，但两种技术实施起来都较昂贵。作为实例，叶片顶端的切割边缘典型地由涂层形成，涂层可能难以沉积到足够厚度，以在现场硬件中常见的严重磨擦碰撞下幸存。在另一方面，在压缩机壳体内径上的可磨耗涂层的沉积需要密切的品质控制以产生合适的组成，包括粒子/空隙比例和分布，其将呈现能在磨损事件期间避免叶片顶端损坏的适当硬度。与过于硬的可磨耗涂层的磨擦碰撞将在叶片顶端处造成刮擦或开裂，且发动机的继续操作可使得刮擦充当由于振动应力而引起的随后的开裂的起始位点。相反，太软的可磨耗涂层可由于在压缩机部段中的高速气体流动而侵蚀掉。

鉴于上文所述，需要用于减小叶片顶端损坏和压缩机的外部气流路径处的空气泄漏的改进的技术。

发明内容

本发明提供了一种适于用作涡轮机的压缩机部段内的旋转硬件的构件的压缩机叶片和用于抑制在叶片的叶片顶端与包围该旋转硬件的壳体的内表面之间的磨擦碰撞的过程。

根据本发明的第一方面，该压缩机叶片包括帽，帽限定在叶片的径向最外端处的叶片顶端和从限定叶片顶端的帽的表面延伸的多个柔性元件。柔性元件在叶片的翼展方向上从表面延伸，且可通过操作而由于在压缩机操作速度下的离心刚化而变得刚性。柔性元件可选地能够通过操作而在压缩机操作速度下在壳体的内表面中切割出凹槽，或者可由光滑的非切割材料形成。

本发明的另一方面为一种过程，其包括将压缩机叶片制成在其径向最外端处具有第一接头交接部；将帽制成具有这样的第二接头交接部：该第二接头交接部具有与叶片的第一接头交接部互补的形状；以及提供从与帽的第二接头交接部相对地设置的帽表面延伸的多个柔性元件。然后将帽接合到叶片，使得第一接头交接部和第二接头交接部形成冶金接头；帽的表面限定叶片的叶片顶端，且柔性元件在叶片的翼展方向上从叶片延伸。柔性元件可选地能够通过操作在包围叶片和压缩机部段的其它旋转硬件的壳体的内表面中切割出凹槽，或者可由光滑的非切割材料形成。