带有MCrAlY涂层和隔热涂层补片的燃气轮机导叶组件

摘要

本发明涉及一种燃气轮机的导叶装置(100)。该导叶装置(100)包括第一叶片(101)、第二叶片(115)、内围带(110)和外围带(120)，第一叶片(101)包括第一吸力面(107)和第一压力面(108)，第二叶片(115)包括第二吸力面(118)和第二压力面(119)。第一叶片(101)和第二叶片(115)布置在内围带(110)和外围带(120)之间，其中，第一叶片(101)和第二叶片(115)至少局部涂有MCrAlY涂层。至少第一吸力面(107)包括第一涂覆表面段(104)，第一涂覆表面段(104)涂有隔热涂层，并代表第一吸力面(107)的总表面的至少一部分。至少内围带(110)或外围带(120)包括另一涂覆表面段(106)，涂覆表面段(106)涂有另一隔热涂层。本发明还提供一种相应的制造方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有MCrAlY涂层和TBC(隔热涂层)的燃气轮机导叶组 件，并涉及一种制造燃气轮机的叶片构造的方法。

背景技术

燃气轮机的定子导叶和转子轮叶承受流过导叶和轮叶的工作流体的高 温。由于这种高温，在定子导叶或转子轮叶的叶片前缘可能发生基体合金的 严重氧化。而且，定子导叶或转子轮叶的内围带和/或外围带的内平台处也可 能发生氧化。这种劣化目前是影响此部件的寿命的机制。

EP 0 980 960 A2公开了一种具有选择性的隔热涂层的弓形导向器叶 片。涡轮导向器包括外环带和内环带，在它们之间延伸有多个导叶。导叶包 括各自的前缘和后缘。而且，各个导叶的一面是压力面，而相对面是吸力面， 它们在前缘和后缘之间延伸。

EP 2 362 068 A1公开了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括叶片本体，该 叶片本体具有前缘、后缘和外表面，外表面包括从前缘延伸至后缘的吸力面 和从前缘延伸至后缘的压力面。而且，在涂覆表面段上有隔热涂层系统，而 没有隔热涂层系统的无涂层表层区是露出的。隔热涂层系统位于涡轮叶片的 吸力面上。

US 6,126,400A1公开了一种用于涡轮叶片的隔热涂层包层。叶片本体 包括前缘和后缘。而且，叶片本体包括在前缘和后缘之间延伸的凸面。叶片 本体在径向外环带和包括基部的径向内环带之间延伸。隔热涂层涂装在叶片 本体的两面上。

DE 10 2006 048 685公开了一种具有隔热涂层的涡轮导叶。吸力面上的 隔热涂层的厚度在朝向涡轮导叶内的流道的窄点方向上连续减小，在经过该 点后重新不断增大。

US 6,106,231A公开了一种局部涂装的叶片，该叶片包括前缘和后缘。 凹面、凸面、前缘和后缘的表面限定叶片的外表面。

US 2009/0074961A1包括一种为发动机的一个或多个部件或部分(例 如涡轮发动机的轮叶、导叶和围带)赋予一种或多种不同的功能特性的陶瓷 涂层。部件的表面可局部涂有陶瓷涂层。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种造价更低、重量更轻、更耐热的燃气轮机 导叶组件。

此目的是通过一种燃气轮机导叶组件和一种制造燃气轮机的导叶组件 构造的方法来实现的。

根据本发明的第一方面，提供一种燃气轮机的导叶装置(组件)。该导叶 装置包括第一叶片、第二叶片、内围带和外围带，第一叶片包括第一吸力面 和第一压力面，第二叶片包括第二吸力面和第二压力面。第一叶片和第二叶 片布置在内围带和外围带之间。第一叶片和第二叶片(以及例如内围带和/ 或外围带)至少局部涂有MCrAlY涂层。至少第一吸力面包括第一涂覆表面 段(例如，涂覆的“补片”)，第一涂覆表面段涂有隔热涂层，并代表第一吸力 面的总表面的至少一部分。至少内围带或外围带包括涂有另一隔热涂层的另 一涂覆表面段(例如，另一块涂覆的“补片”)。所述的另一涂覆表面段代表相 应的内围带或相应的外围带的总表面的至少一部分。

根据本发明的另一个方面，提供一种制造上述导叶组件的方法。该导叶 组件例如固定至燃气轮机的壳体上。

相应的第一或第二叶片包括前缘和后缘。例如，叶片在前缘处具有最大 曲率。一般来说，正对相应的叶片流动的流体首先与前缘接触，并且该流体 被分为沿叶片的吸力面流动的第一部分和沿叶片的压力面流动的第二部分。 吸力面通常与较高速度和较低静压相关。与吸力面相比，压力面具有较高的 静压。后缘限定沿吸力面流动的流体与沿压力面流动的流体在该处重新汇流 为一体的叶片边缘。

导叶组件可包括第一和第二叶片或多个相对于燃气轮机的转动轴沿圆 周方向彼此相隔布置的更多叶片。

导叶组件还包括内围带和外围带。各个叶片布置在内围带和外围带之 间。特别是，各个前缘和各个后缘在内围带和外围带之间延伸。

内围带比外围带更靠近燃气轮机的转动轴。内围带包括具有内表面的内 平台，外围带包括具有另一个内表面的另一个内平台，其中，内平台的相应 内表面朝向燃气轮机的内腔体，高温工作气流流过该内腔体。因此，内平台 的相应内表面被燃气轮机的高温工作气体冲刷。

在以优选的层流方式沿吸力面或压力面流至后缘段之前，高温工作气体 首先与叶片的前缘段接触。因此，由于工作气体的高温，叶片可能受到严重 氧化。

根据现有方式，至少导叶组件的某些部分(例如第一和第二叶片或内围 带和外围带的部分)涂有MCrAlY涂层。在MCrAlY涂层或粘结涂层上直接 贴装就地确定的涂有隔热涂层(TBC)的涂覆表面段，即，TBC补片。具体 而言，涂覆表面段贴装在各个第一和第二叶片的最热区域中。为此，涂有 TBC涂层的涂覆表面段布置在第一和/或第二叶片的吸力面上。涂覆表面段 可覆盖整个吸力面，也可仅部分地覆盖相应叶片的吸力面。特别是，隔热涂 层布置在相对于前缘来说更靠近后缘的吸力面上。涂覆表面可包括多块TBC 补片，它们彼此相隔布置，并且在涂覆表面段内以所需的模式涂覆。

而且，在内围带和外围带的表面上(例如相应围带的内平台的内表面上) 至少局部地直接涂装MCrAlY涂层。而且，还贴装就地确定的另一涂有隔热 涂层(TBC)的涂覆表面段，即，所谓的另一块TBC补片。具体而言，所 述的另一涂覆表面段贴装在内平台的最热区域中。为此，所述的涂有另一 TBC涂层的另一涂覆表面段可在内平台的相应内表面上相对于叶片的后缘 布置在下游位置。所述的另一涂覆表面段在内平台和/或外平台上布置在处于 第一后缘和第二后缘下游的一段处。

因此，根据本发明，在导叶组件的表面的最热处涂装隔热涂层，尤其是 在围带的内平台和叶片的吸力面上涂装。导叶的吸力面处的和内平台处的所 谓的TBC补片的组合实现了适当的耐热性，并且使导叶装置的总重量较轻， 材料成本较低。具体而言，叶片的压力面可没有TBC涂层。

隔热涂层可包括陶瓷成分。TBC涂层可通过电子束物理汽相淀积 (EBPVD)或空气等离子体喷涂(APS)等方法来沉积，但不局限于这种技 术。TBC涂层能够降低叶片和相应的内平台上的温度，从而延长叶片的寿命。

在叶片上可能需要TBC。(陶瓷)TBC能降低叶片的温度。但是，(陶瓷) TBC可能需要粘合层，以便它能够附着到导叶装置的基体上，即，附着到叶 片和/或内围带或外围带上。在此情况中，例如可使用PtAl涂层或MCrAlY 涂层作为粘合层。粘结涂层能防止TBC(陶瓷)涂层从叶片的基体上剥落，因 为它能减轻叶片的金属材料与隔热涂层的陶瓷材料之间的热膨胀差异。另 外，叶片还可具有内涂层，以防止氧化和腐蚀。

导叶装置的基体(即，叶片和/或内围带或外围带)例如可包括 MAR-M-247合金。

MCrAlY成分具体包括由“M”所指的镍(Ni)、钴(Co)或它们的混合材 料。MCrAlY涂层可通过电镀、热喷涂技术或电子束汽相沉积(EBPVD)等 涂装技术涂装在涂覆表面段上。但是，也可使用其它涂装方法和其它工艺。

而且，为了提供适当的防氧化能力，MCrAlY涂层的厚度可在(约)0.025 毫米至(约)0.3毫米之间，更精确地说在(约)0.05毫米至(约)0.25毫米之间。

根据另一个示例性实施例，所述的隔热涂层和/或所述的另一隔热涂层 包括变薄段，其中，在变薄段中，隔热涂层的厚度在朝相应涂覆表面段和/ 或另一涂覆表面段的边缘的方向上平滑地减小。变薄段(渐变段)在叶片的表 面上形成在涂覆表面段与一侧的内围带之间和/或涂覆表面段与另一侧的外 围带之间。在变薄段中，TBC涂层(即，陶瓷涂层)的厚度从涂覆表面段的 边缘分别至内围带和外围带平滑地减小。换言之，隔热涂层的厚度从涂覆表 面段的边缘分别至内围带和外围带逐渐变薄(更准确地说，直到零厚度)， 从而受涡轮机的工作流体冲刷的第一内平台和/或第二内平台大部分没有 TBC。因此，从涂覆表面段的一端分别至内围带和外围带，涂层厚度可平滑 地减小。

在渐变段(变薄段)处，TBC涂层逐渐变薄为零厚度，例如在圆角半径 (即，叶片表面的涂覆段与围带(平台)表面之间的弯曲部分)处变为零厚度。 这是因为围带表面可大部分没有TBC涂层。在TBC涂层从全厚变为零的渐 变段中，TBC涂层自然地逐渐变薄，而不是厚度陡变。

第一叶片和第二叶片部分地限定喉口区域或平面，其中，第一压力面和 第二压力面在喉口区域或平面上可没有隔热涂层。

涂覆表面段从后缘开始朝向前缘的延伸可位于叶片的后缘与前缘之间 的该方向的尺寸的50％至80％的区域中。

隔热涂层补片可与内围带和外围带相距第一距离，在TBC的末端处距 相应平台的第一距离可在内围带与外围带之间的叶片的总长度(100％)的大 约0％和大约45％之间。

第一距离可在内围带与外围带之间的叶片的总长度的大约5％和大约 25％之间。

所述另一涂覆表面段从平台后缘延伸的宽度所延伸的距离可在从平台 后缘至叶片后缘的尺寸的大约50％至大约80％之间。

根据另一个示例性实施例，涂覆表面段是与内围带和/或外围带分开的。 在渐变段中，TBC涂层的厚度从完整厚度逐渐变为无厚度。因此，TBC涂 层可覆盖叶片表面和/或相应叶片与内围带或外围带之间的渐变段(例如，在 与叶片/围带邻接的半径部分中)。

而且，根据本发明的另一个示例性实施例，叶片的基体上的涂覆表面段 (即，隔热涂层补片)例如与内围带和外围带相距第一距离。在TBC的末 端处，至相应平台的第一距离可在内围带与外围带之间的叶片的总长度 (100％)的(大约)0％和(大约)45％之间，更精确地说，在(大约)5％和(大约)25％ 之间。在涂覆表面段和内围带或外围带之间仍可有涂层变薄段。在变薄段中， 涂层的厚度沿朝向内围带或外围带的方向持续地减小，在内围带或外围带处 不再有涂层。

尤其是，在另一个示例性实施例中，所述距离可在(大约)0.5厘米和(大 约)5.0厘米之间，更精确地说，在(大约)1.5厘米和(大约)2.5厘米之间。在涂 覆表面段与内围带或外围带之间仍可有变薄段。

在另一个示例性实施例中，隔热涂层的厚度在(大约)0.05毫米至(大 约)0.75毫米之间，更精确地说，在(大约)0.15毫米至(大约)0.50毫米之间。

MCrAlY涂覆表面段可通过包渗法或VPA等方法覆铝来提供附加的抗 氧化和防腐蚀能力，但不局限于这些工艺。

在所述涂覆表面段和另一涂覆表面段处对叶片进行涂覆的过程中或涂 覆后，可对导叶装置进行热处理，以便在涂层之间(尤其是铝层)发生扩散。 另外，可对部件的基体材料进行最终时效热处理。

最后，如果需要，可对所述的涂覆表面段和/或另一涂覆表面段进行涂 覆前表面抛光，以达到大约Ra＝1.0微米至Ra＝8微米的光洁度，以便进行涂 覆，但这不是必须的。

应说明的是，通过把TBC的应用限制在特定区域，尤其是包括叶片的 吸力面和部件的平台的两个特定区域，导叶装置不会受到未涂覆区域(例如 直接位于叶片之间的内围带或叶片的压力面)的意外影响。通过向非常具体 的局部区域增加TBC补片，可防止因这些区域产生过高使用温度而缩短部 件寿命，能够实现高温防护的优点，并且同时不会过多影响部件的性能。

增加TBC“补片”可防止由于导叶装置承受过高温度而导致的过早高 温氧化，从而延长导叶装置的使用寿命。对于本发明，在实现此目标的同时， 不会过多影响导叶装置的“喉口区域”和/或压力面的表面光洁度和空气动 力特性，因而不会影响涡轮级和发动机的性能。喉口区域通常定义为相邻叶 片之间的最小区域，TBC补片不应用在喉口区域中，换言之，喉口区域没有 TBC。在整个部件上涂装TBC涂层会因减小面积而减小喉口区域，因而会 影响性能。

虽然本发明是作为对现有的或使用中的部件的翻新来实施的，但是在所 有表面上或导叶装置的一个或多个元件(例如叶片或平台)上涂装TBC可 能对部件有害。TBC要求涂层厚度中有温度梯度，才能最好地发挥效能。若 没有温度梯度或温度梯度很小，则部件的下层基体可能“吸热”，导致很高 的热变形，因而使TBC过早剥落。

而且，TBC可能耗尽其底层的防护构成元素MCrAlY，并且部件的寿命 可能缩短，因为根据降解机理，此时的MCrAlY可能无法提供足够的防氧化 和/或防腐蚀保护。这意味着底层MCrAlY会劣化，导致部件的基材或基体 开始攻击。

而且，TBC涂层从TBC补片之外的“其它”区域过早和/或局部剥落 可能影响空气动力特性，例如，由于残余TBC的台阶边的影响。另外，TBC 剥落可能导致被气体冲刷的表面变粗糙，这可能提高涂层或基体的氧化速 度，因为较粗糙的表面会增加传热量。与未涂装TBC、仅有形成平滑的气体 冲刷表面的MCrAlY层的部件相比，这种变粗糙的情况可能导致加速氧化更 剧烈，部件的寿命更短。

从本质上说，本发明仅在某些位置涂装TBC补片，以实现延长寿命， 并同时避免上述的不利情况。

优选的MCrAlY涂装方法是电镀，电镀没有其它涂装方法中所存在的需 要“视线”的缺点。电镀特别适合于多叶片型涡轮导向器导叶，例如本文中 所述的导叶。另外，通过电镀来涂装MCrAlY涂层的有利之处是，可按较高 的公差控制涂层的厚度和范围。

应说明的是，本发明的实施例是基于不同的主题说明的。尤其是，某些 实施例是基于设备类的权利要求说明的，而另一些实施例是基于方法类的权 利要求说明的。但是，本领域的专业人员从上述的及下文的说明能够理解， 除另有所示外，除了属于某类主题的特征的任何组合，与不同主题相关的特 征的任何组合(更精确地说是设备类权利要求的特征和方法类权利要求的特 征之间的组合)也应视为属于本申请的公开范围。

附图说明

通过下述实施例的说明，能够更清晰地了解本发明的上述特征和其它特 征。下面将参照具体实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于这些实施 例。

图1是本发明的一个示例性实施例的包括两个叶片的导叶组件的示意 图；

图2是如图1所示的本发明的一个示例性实施例的叶片的涂覆表面段的 放大截面图；

图3是本发明的一个示例性实施例的包括涂覆表面段的叶片的示意图；

图4是本发明的一个示例性实施例的包括另一涂覆表面段的导叶组件 的内平台的示意图；

图5是本发明的一个示例性实施例的导叶装置的透视图。

具体实施方式

附图中的所示内容仅是示意性的。应说明的是，相同或相同的元素以相 同的标号表示。

图1示出了用于燃气轮机的导叶装置(组件)100。该导叶装置100包括 第一叶片101、第二叶片115、内围带110和外围带120，第一叶片101包括 第一吸力面107和第一压力面108，第二叶片115包括第二吸力面118和第 二压力面119。

第一叶片101和第二叶片115布置在内围带110和外围带120之间。第 一叶片101和第二叶片115至少局部涂有MCrAlY涂层202(在图2中示出)。 至少第一吸力面107包括第一涂覆表面段104，第一涂覆表面段104涂有隔 热涂层(TBC)，并且第一涂覆表面段104代表第一吸力面107的总表面的至 少一部分。

而且，至少内围带110或外围带120包括另一涂覆表面段106，该另一 涂覆表面段106涂有另一隔热涂层。

具体而言，内围带110包括内平台111，外围带120包括另一个内平台 121。根据图1所示的视图，所示的内平台111、121可为内围带110或外围 带120的相应内平台111、121。第一叶片110和第二叶片115附接至相应的 内平台111、121。在燃气轮机的运转过程中，内平台111、121被燃气轮机 的工作流体冲刷。在如图1所示的示例性实施例中，内平台111和/或另一个 内平台121包括所述另一涂覆表面段106。

而且，工作流体在燃气轮机中的流向F由图1中所示的箭头示出。工作 流体首先正对各个叶片101、115的相应前缘102、116流动。在各个叶片101、 115的相应后缘103、117处，工作流体从各个叶片101、115流走。

据发现，在沿叶片101、115的后缘103、117下游的内平台111、121 的区域中，存在由工作流体导致的最热点。因此，根据本发明，在后缘103、 117与内平台111、121的相应后缘112、122之间的内平台111、121的下游 段，所述涂装另一涂覆表面段106。

另外，对各个叶片101、115的表面的最热部分进行了测量，特别是在 各个叶片101、115的吸力面107、118处。因此，如图1所示，涂覆表面段 104涂在第一叶片101的第一吸力面107上，以提高耐热性。而且，在第二 叶片115的第二吸力面118也可涂装相应的涂覆表面段104。

图2示出了如图1所示的第一叶片101处的涂覆表面段104的更详细视 图。

可在第一叶片101的基体203上涂装MCrAlY涂层202，以提高抗氧化 能力。在MCrAlY涂层202的上面涂装涂覆表面段104的隔热涂层。

如图2所示，涂覆表面段104包括变薄段201。在变薄段201中，涂覆 表面段104中的隔热层的厚度逐渐减小，直到在涂覆表面段104的末端边缘 处减小为零厚度。

图3示出了第一叶片101。第一叶片101包括前缘102和后缘103。而 且，第一叶片101包括压力面109和吸力面108。

如图3所示，涂覆表面段104的隔热层位于第一叶片101的吸力面108 上。在涂覆表面段104的更靠近前缘102的边缘，涂装有隔热层的变薄段201， 以便使隔热层的厚度均匀地减小，直到零厚度。

具体而言，涂覆表面段104在叶片101的最大叶片厚度位置(例如，沿 垂直于各个叶片101、115的弦线的线测量)与第一叶片101的后缘103之 间涂装到第一叶片101上。涂覆表面段104的边缘与前缘102之间的部分保 持无任何隔热层的状态。

而且，如图3所示，压力面109可保持无隔热涂层状态。而且，在各个 前缘102、116之间的相应内平台111、121的上游段，内平台111、121的 相应上游前缘112、112的表面可保持无隔热涂层状态。因此，隔热涂层仅 应用在叶片101的最热区域中，以便有效地应用隔热涂层，从而最大限度地 减少重量和成本。

涂覆表面段104从后缘103开始朝向前缘102延伸的长度例如可为45 毫米至大约50毫米，更精确地说，大约为48毫米。从后缘103开始朝向叶 片的前缘102延伸的尺寸在50％中跨处大约为60毫米。因此，对于其它叶 片，涂覆表面段104从后缘103开始朝向前缘102延伸的长度例如可为75％ 至大约83％，更精确地说，大约为80％。在其它应用中，涂覆表面段可伸入 50％和80％之间的区域中。虽然涂覆表面段优选从后缘103延伸，但是涂覆 表面段也可从距后缘的距离在叶片后缘与前缘之间尺寸的10％范围内的位 置延伸，更优选从5％范围内的位置延伸。

变薄段201沿朝向前缘102的方向的长度可在大约1毫米和大约10毫 米之间。对于此例子和其它例子，变薄段的长度可在沿朝向前缘102方向的 尺寸的1％和20％之间。

特别是，在涂装TBC以进行翻新的位置，优选避免在喉口平面的区域 中涂装TBC，以避免使咽口的设计面积被显著更改。喉口平面周围没有隔热 涂层的区域优选在叶片的前缘和后缘之间尺寸的10％之内，更优选为5％。

图4是内围带110的放大图。外围带120可按类似的设计形成。

在第一叶片101的后缘103与内围带110的内平台111的后缘112之间， 涂装有包括TBC涂层的另一涂覆表面段106。在另一涂覆表面段106的相应 上游和下游边缘，形成有变薄段201、201'，在该处，隔热涂层的厚度逐渐 减小至零厚度。如图4所示，在基体203上涂覆MCrAlY涂层202。MCrAlY 涂层202可沿内平台111的内表面和在内平台111的后缘112的周围涂覆。 所述的另一涂覆表面段106在内平台111的内表面处仅涂装在工作流体冲刷 并接触内平台111的表面的位置。

所述另一涂覆表面段106的上游端和下游端之间的宽度可包括大约8毫 米至大约12毫米，优选为8毫米。在此例子中，从平台后缘至叶片后缘的 尺寸大约为15毫米。在其它应用中，所述另一涂覆表面段106从平台或围 带后缘延伸的宽度所延伸的距离为在从平台后缘至叶片后缘的尺寸的大约 50％至大约80％之间，优选为53％。但是，在本发明的其它应用中，所述另 一涂覆表面段106可在上游端和下游端之间延伸并包括上游端和下游端，或 者从平台后缘向叶片后缘延伸。所述另一涂覆表面段106的延伸长度可在从 平台后缘至两个叶片后缘之中的任何一个或两个的长度的5％之内。

对于本发明的其它应用，尤其是平台或围带包含冷却孔的翻新TBC， 隔热涂层从平台或围带的后缘开始涂装，并且在冷却孔附近缩减，以防止孔 被TBC堵住。

所述另一涂覆表面段106的变薄段201的长度可为大约2毫米至大约4 毫米，优选为大约3毫米。在本发明的其它应用中，变薄段的延伸长度可在 从平台后缘至叶片后缘的长度的5％至40％范围内。

在此示例性实施例中，所述另一涂覆表面段106的延伸长度为平台表面 的整个外周长度。所述另一涂覆表面段106的上游边可为直线的周线，也可 为非直线形或弓形，以适应平台或围带中的温度或空气动力学曲线或冷却孔 布置模式的局部变动。

图5是导叶装置100透视图，其中，导叶装置100包括内围带110、外 围带120、第一叶片101和第二叶片115。如图5所示的导叶装置100也可 具有与图1的截面图所示的相同的特性。另外，图5示出了涂覆表面段104， 其中，涂覆表面段104与第一叶片101的前缘102间隔开，例如如图3所示。 而且，涂覆表面段104例如与内平台111和另一个内平台121相距距离x。

特别是，内平台和涂覆表面段104的边缘之间的部分(即，所谓的倒角 部分)可无隔热涂层。倒角部分例如可涂有MCrAlY涂层。

应注意，“包括”一词不排除其它元素或步骤，“a”或“an”也不排 除复数。而且，与不同实施例相结合说明的元素可以组合。还应注意，权利 要求中的标号不应视为对权利要求范围的限制。