可减少顶部泄漏损失的蒸汽冷却燃气轮机叶片

摘要

蒸汽涡轮机的叶片(10)包括翼片部分(12)，其具有径向外顶部(18)，径向外顶部施加有隔热涂层(22)，其中隔热涂层重新施加面层，沿径向外顶部形成至少一个脊部(26)。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及蒸汽涡轮机叶片，具体涉及结合减少顶部泄漏损失特征到叶片顶部施加的隔热涂层中。

背景技术

燃气涡轮机叶片的径向外顶部位于非常恶劣的具有高温和转动导致高应力的环境中。承受这样一种恶劣状态的部件的寿命受到低循环疲劳(LCF)和蠕变的限制。根据传统的技术方法，顶盖焊接到叶片是常用的制造工艺的一部分，以达到热气路径密封的目的。传统的金属密封添加到现有的顶盖增加了顶部的热梯度，因此降低了LCF和蠕变寿命。对于现有技术的叶片，是通过应用膜冷却技术于叶片顶部区来解决这个问题。在闭环蒸汽冷却涡轮机叶片的场合，翼片膜冷却难以实际应用，因为只有一个封闭的冷却回路。覆盖顶部间隙和悬臂于叶片与叶片间间隙的罩盖一般应用于2级和3级叶片，因为LCF和蠕变的原因，同样难以应用在1级叶片。

空气冷却的叶片一般具有金属的“声响顶部(squealer tip)”特征件，但是，将这个方法用于叶片，对于蒸汽冷却的叶片是不行的。因此，目前的闭环蒸汽冷却的1级叶片没有任何特征件来阻挡流体流入顶部间隙。结果是，泄漏的流体形成涡流，通过两种方式使涡轮机的效率降低。第一种，顶部流体不产生升力，使涡轮机转子没有能量产生扭矩。第二种，顶部涡流在叶片的下游混合周围的流体，产生混合损失。

发明内容

本发明通过一个示例性实施例寻求提供各种形状的特征件于顶盖处，阻挡顶部泄漏损失，不降低闭环蒸汽冷却叶片的LCF和蠕变寿命。

在示例性实施例中，施加到叶片顶部(除非特别指出，顶部包括焊上的顶盖)的隔热涂层(TBC)材料厚度增加到足够大，以允许在叶片顶部中心部分隔热涂层TBC沿顶部主弧线加工或磨削出凹部。因此，凹部还可沿吸力侧和压力侧形成绕叶片周边的脊部(位于边缘或从边缘偏移)，类似于传统的声响顶部。只沿翼片的压力侧，或只沿吸力侧，形成脊部也是可以想到的。在另外一个变化中，可沿TBC涂复的叶片顶部的中弧线形成一个脊部，目的是为了在旋转的未覆盖的叶片上有效地减少顶部间隙。

通过在施加到叶片顶部的隔热涂层加工或磨削(或通过任何适当的方式重新施加面层)这样或类似的几何特征，阻挡了流体从压力表面通过旋转叶片和叶片上方静止罩盖之间的顶部间隙流到吸力表面的气体路径的流动。隔热涂层还减少了进入叶片顶部基体金属的热通量。热通量的减少可减少顶部基体金属上的热梯度。热梯度减少大大增强了叶片顶部的LCF和蠕变寿命。

因此，本发明涉及到蒸汽涡轮机的叶片，其包括翼片部分，具有径向外顶部，径向外顶部施加有隔热涂层，其中所述隔热涂层重新施加面层，沿径向外顶部形成至少一个脊部。

在另一方面，本发明涉及一种蒸汽涡轮机的叶片，包括翼片部分，其具有径向外顶部，径向外顶部施加有隔热涂层，其中沿径向外顶部在隔热涂层的中心部分形成凹部。

在另外一个方面，本发明涉及一种减少涡轮机叶片径向外顶部的顶部泄漏损失的方法，包括：(a)用隔热涂层涂复叶片的径向外顶部；(b)隔热涂层重新施加面层，使所述涂层包括至少一个减少顶部泄漏损失特征，基本上在顶部的整个长度延伸。

现在参考下面的附图对本发明进行详细介绍。

附图说明

图1是已知封闭回路蒸汽冷却涡轮机叶片的部分透视图；

图2是带有在叶片顶盖涂层形成的减少顶部泄漏损失特征的叶片沿图1的剖面2-2的截面图；

图3是类似于图2的截面图，显示了本发明的第二示例性实施例；

图4是类似于图2的截面图，显示了本发明的第三示例性实施例；和

图5是类似于图2的截面图，显示了本发明的第四示例性实施例。

标记

肋部     4

叶片     10

翼片部分 12

压力表面 14

吸力表面 16

外顶部   18

顶盖     20

隔热涂层 22

涂层材料 30

弯曲表面 34

脊部     41

吸力侧   44

脊部     26，28

凹部     24，32

吸力侧   36，50

压力侧   38，52

翼片     40，46，54

具体实施方式

图1显示了传统的封闭回路的蒸汽冷却叶片，叶片可用于蒸汽涡轮机第1级。叶片10形成翼片部分12，其包括压力表面(或侧面)14和吸力表面(或侧面)16。叶片的径向外顶部18被顶盖20封闭，顶盖是焊接到适当位置，然后喷涂了另外的普通隔热涂层(TBC)22(见图2)。叶片的平台和安装(如燕尾)部分(未显示)是常用的，无需进行介绍。

在图2所示的示例中，隔热涂层22的厚度增加到T₁，以便设置足够的涂层材料，容纳减少顶部泄漏损失特征，如下面所作介绍。更具体地，在图2的示例，涂层22进行加工，以减少涂层的整体厚度，在顶盖的中心部分形成凹部24，沿着叶片顶部的中弧线延伸，基本上在顶部的整个长度上延伸。带剖面线的涂层代表抛光的，机械加工的或磨削的结构部分，剖面线部分上面的涂复材料30被清除。凹部24因此形成脊部26，28，其分别沿压力表面和吸力表面14，16并围绕叶片顶部的周边延伸，但从90°顶盖边向内偏移。在示例性实施例中，凹部24中心部分的最小TBC涂层厚度可以达到30mil。而脊部26，28的厚度可以达到大约60mil，凹部24的深度可在大约30到60mils之间。T1的范围可从大约60到大约110mils。应当理解顶盖上各个位置的准确涂层厚度根据叶片大小，顶部误差要求和类似条件是变化的。这样的叶片顶部表面特征可阻止顶部泄漏损失降低叶片的LCF和蠕变寿命。

应当理解，其他叶片顶部表面特征属于本发明的范围。例如，在图3，凹部32由平滑的曲面34形成，其从吸力侧36连续延伸到翼片40的压力侧38，形成绕顶部边缘的脊部41。或者，如图4所示，通过简单地消除凹部的一侧，加工出的脊部42在TBC涂层只沿翼片的吸力侧44形成，或只沿翼片的压力侧形成(未显示)。

图5显示了另一表面特征，其通过在涂层上沿中弧线机械加工或磨削出，距翼片54的吸力侧50和压力侧52等距离，具有脊部或肋部48的形式。实际上，为有效地减少顶部间隙而在旋转无盖叶片的TBC涂复的叶片顶部加工出的任何表面特征都可以采用。还应当理解，在顶盖涂层结合各种几何特征不必限于叶片采用闭环蒸汽冷却回路，尽管这种措施是最可能采用的。还可以应用到传统的空气冷却叶片。

减少顶部损失提高了部件的效率，从而改进了燃气涡轮机的效率和能量输出。对于给定数量的能量生产，这样又减少了散发到环境中的污染物的数量，并提高了燃气涡轮机电厂的生产经济性。

尽管本发明已经通过最实际和优选的实施例进行了介绍，应当知道，本发明不限于所附的实施例，相反，应包括各种改进和等效设置，这些都属于所附权利要求的精神和范围。