專利名稱：用于可磨損天使翼的蜂窩結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及潤輪，并且更具體地涉及將可磨損蜂窩(abradable honeycomb)建造為噴嘴密封凸緣的集成部分，該噴嘴密封凸緣通過在燃氣渦輪中的旋轉動葉的天使翼(angel wing)而接合，以限制冷卻空氣泄漏到燃氣渦輪的高溫燃燒氣體通道內。本發明在由能源部授予的合同號DE-FC26-05NT42643下利用政府的支持而做成。政府在本發明中擁有某些權利。
背景技術：
燃氣渦輪為從通過渦輪的燃燒氣體流抽取能量的旋轉式發動機。它具有上游空氣吸入口或入口、聯接到燃燒器的壓縮機、接收來自燃燒器的燃燒氣體的下游渦輪、和氣體出口或排氣噴嘴。壓縮機和渦輪區段包括旋轉的轉子葉片或動葉的至少一個周向排。動葉的自由端部或尖端由定子殼體環繞。轉子葉片的基部的側面靠著位于旋轉動葉的上游和下游的定子葉片或噴嘴的內部圍帶(shroud)。密封組件典型地用于阻止或限制冷卻空氣從移動動葉和靜止噴嘴之間泄漏到燃氣渦輪的高溫燃燒氣體通道內。這些密封組件典型地包括稱為“天使翼”的密封板，其從移動動葉的柄部的上游或下游表面軸向延伸，并且該密封板終止于徑向向外延伸的尖端或齒。密封組件還包括從靜止噴嘴組件的上游和下游軸向凸出的密封結構或凸緣，以與移動動葉柄部的天使翼限定密封件。然而，這些密封組件的密封性能不總為良好的，使得超過期望量的冷卻空氣傾向于泄漏到高溫燃燒氣體通道內，使得冷卻空氣量增加，從而引起燃氣渦輪的性能的降低。渦輪的效率部分地取決于天使翼和鄰近密封結構之間的徑向間隙或間隔。如果間隙太小，則天使翼將在某些渦輪操作條件期間撞擊鄰近密封結構。如果間隙太大，則過多的有價值的冷卻空氣將從轉子葉輪空間(wheelspace)泄漏到熱氣體路徑內，從而降低渦輪的效率。可磨損密封件可用來通過物理地減少噴嘴的密封凸緣和動葉的相對的天使翼密封板之間的間隙而改善渦輪性能。可磨損密封材料有時定位在靜止噴嘴的密封件的徑向內部表面上，以便定位在噴嘴密封件的內部表面和旋轉動葉的天使翼的端部尖端之間的環形間隔內。用于密封組件中的一種類型的密封材料為可磨損蜂窩。盡管可磨損蜂窩具有顯著地減少冷卻空氣到高溫燃燒氣體通道內的泄漏的能力，但是，傳統制造的可磨損蜂窩件在動葉/噴嘴界面處的牢固附連難以確保。利用在噴嘴上的蜂窩的天使翼可磨損密封件已證明提供顯著的密封改善。然而，將蜂窩件可靠地附連到天使翼為困難的，這是因為硬焊(braze)金屬帶的薄件意味著很小的附連區域。目前，蜂窩有時直接硬焊到局部，希望它將繼續停留。對這的一個替代方案為將蜂窩硬焊到板，并且然后將板硬焊或焊接到天使翼上。

發明內容
本發明利用沉降(sinker)放電加工(“EDM”)，以將蜂窩直接地插入/燒制到渦輪噴嘴密封凸緣內，所以它變成噴嘴密封凸緣的集成部分，使得當在渦輪的密封組件中的渦輪動葉天使翼擦損噴嘴密封凸緣時，在噴嘴密封凸緣和動葉天使翼之間存在帶有較小的蜂窩失效風險的改善的密封。可選地，通過利用沉降放電加工裝置將電極插入到材料塊中而所獲得的蜂窩可覆蓋有適合于抗腐蝕性和/或改善的可磨損性的覆層。另外，蜂窩形成在其中的材料塊可為渦輪噴嘴的集成部分或者與渦輪噴嘴分離。在后面的情況下，材料塊在蜂窩形成于這種塊中之后焊接或者硬焊到渦輪噴嘴。在本發明的示范性實施例中，制造具有形成于密封凸緣中的多個可磨損空腔的渦輪噴嘴密封凸緣的方法包括如下步驟:提供適合于用作噴嘴密封凸緣的材料塊；提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到材料塊內；提供電極用于與沉降放電加工裝置一起使用，以執行將特征部加工到材料塊中，電極成形為在材料塊中形成多個空腔；并且利用沉降放電加工裝置使用電極，以將電極直接地插入到材料塊內，以由此形成具有多個可磨損空腔的噴嘴密封凸緣。在本發明的另一個示范性實施例中，限制冷卻空氣泄漏到燃氣渦輪的高溫燃燒氣體通道內的方法包括如下步驟:提供適合于形成一個或多個相應渦輪噴嘴密封凸緣的一個或多個材料塊；提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到(多個)材料塊內；并且提供電極用于與沉降放電加工裝置一起使用，以執行將特征部加工到(多個)材料塊內，電極具有一系列交叉陰性溝槽，該一系列交叉陰性溝槽形成陽性蜂窩樣式，其通過當電極按壓到材料塊內時陽性電極將蜂窩樣式燒制到一個或多個材料塊中的各個內而可直接地形成到(多個)材料塊內。在本發明的又一示范性實施例中，制造具有預定的集成可磨損形狀的部件的方法包括如下步驟:提供適合于制造部件的材料塊；提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到材料塊內；提供電極用于與沉降放電加工裝置一起使用，以執行將特征部加工到材料塊中，電極成形為在材料塊中形成預定的形狀；利用沉降放電加工裝置使用電極，以將預定的集成可磨損形狀直接地燒制到材料塊中；并且利用適合于抗腐蝕性和/或改善的磨損性的覆層可選地覆蓋燒制到所述材料塊中的所獲得的預定的集成可磨損形狀。


圖1示出將可磨損蜂窩密封件附連到天使翼以將路徑從葉輪空間密封到渦輪熱氣體路徑內的原理。圖2A和2B為可磨損天使翼密封件的兩個實施例的透視圖，可磨損蜂窩在該可磨損天使翼密封件中直接地形成，以便為天使翼密封件的集成部分。圖3為形成于根據本發明的天使翼密封件中的可磨損蜂窩的一部分的放大的透視圖。圖4為描繪多個層的示意圖，該多個層由于蜂窩覆蓋有用于抗腐蝕性/改善磨損性的材料而獲得。圖5為描繪六方形(hexagonal)單元中的各個的優選菱形形狀的簡圖的放大透視圖，該六方形單元包括形成于根據本發明的天使翼密封件中的可磨損蜂窩。圖6為在制造蜂窩壓印(impression)的工藝中使用的沉降EDM(放電加工)機器的簡化的示意圖，該蜂窩壓印在根據本發明的天使翼密封件中形成。圖7為用于制造蜂窩壓印的沉降EDM機器的電極的放大透視圖，該蜂窩壓印在根據本發明的天使翼密封件中形成。部件列表:
10密封組件
11靜止噴嘴
14天使翼
15移動動葉
16密封凸緣
17切齒
18蜂窩
19蜂窩的前緣
20單元
21蜂窩的后緣
30單一蜂窩單元的部分
32襯底材料
34擴散區
36覆層
40沉降EDM(放電加工)機器
42電極
44交叉“陰性”溝槽。
具體實施例方式圖1為示出密封組件10的局部的簡易截面圖，該密封組件10用于限制冷卻空氣從燃氣渦輪(未示出)的移動動葉15和靜止噴嘴11之間泄漏到渦輪的高溫燃燒氣體通道。渦輪具有圍繞中心縱向軸線旋轉的轉子(未示出)和安裝在該轉子的外部表面上的多個動葉15。動葉圍繞轉子周向地彼此隔開。動葉15還從轉子徑向向外延伸。環繞動葉并且與動葉徑向向外隔開的靜止外部殼體(未示出)限定通過渦輪的高溫氣體通道。典型地稱為“天使翼”14的密封板從旋轉動葉15的柄部的上游和下游表面軸向延伸。天使翼14中的各個終結于徑向向外延伸的尖端或切齒17。密封結構或凸緣16從靜止噴嘴組件11的上游和下游軸向凸出，用于與旋轉動葉15的天使翼14限定密封件。密封組件12和14意圖限制冷卻氣體量泄漏到高溫燃燒氣體通道。圖1示出密封凸緣16的原理，該密封凸緣16具有可磨損蜂窩，其附連到噴嘴11并且通過在天使翼14上的切齒17接合，以由此將路徑密封到熱氣體路徑內。在密封凸緣16中的蜂窩和在天使翼14上的切齒17之間的密封減少泄漏。然而，因為密封凸緣16的位置為高重力和高溫位置并且變形可獲得變化的數量的擦損，所以確保傳統的薄蜂窩箔片到板16的可靠的附連為困難的。
圖2A和2B為密封凸緣16的透視圖，該密封凸緣16具有可磨損蜂窩18，其直接插入到噴嘴密封凸緣本身內，使得蜂窩18為噴嘴密封凸緣的集成部分。為密封凸緣16的集成部分的蜂窩18為有利的，這是因為此構造允許更快更好地修復損壞的可磨損蜂窩密封件。蜂窩18可集成地形成于集成到天使翼14的密封凸緣中、或者與天使翼14分離的新的或替代密封凸緣16中。在具有集成地形成的蜂窩18的密封凸緣16與天使翼14分離的情形下，該密封凸緣16可然后焊接、硬焊或機械地附連到天使翼14。蜂窩18可延伸到噴嘴密封凸緣的所有側面，或可延伸到噴嘴密封凸緣的側面中的僅僅某些(例如兩個)，如在圖2A和2B中所示。在蜂窩18形成之后，它可以可選地覆蓋有適合于抗氧化性和抗腐蝕性和/或改善的磨損性的覆層。這種覆層的實例將為招化物金屬間化合物(aluminide intermetal lie)覆層。應當注意到，盡管圖2優選地示出具有形成于噴嘴密封凸緣16中的多個單元20的蜂窩18，但是包括通過多個側壁互連的多個空腔的其它可磨損樣式可在密封凸緣16中形成。這些空腔可例如在形狀和/或構造方面類似于或不同于蜂窩18的單元20。圖3為形成于根據本發明的密封凸緣16中的可磨損蜂窩18的一部分的放大的透視圖。圖4描繪單一蜂窩單元20的一部分30，該單一蜂窩單元20覆蓋有可能用于抗腐蝕性和/或改善的磨損性的覆層36，使得結果為襯底材料32具有它本身和覆層36之間的擴散區34，密封凸緣16并且因此蜂窩18由該襯底材料32形成。襯底材料的一個實例為因科鎳合金(inconel)。“因科鎳合金”為用于奧氏體鎳鉻基超級合金的族系的注冊商標，該超級合金典型地用于高溫應用。如從圖3可看到，盡管應當注意到其它合適的幾何形狀可被使用，但是優選地，形成蜂窩18的單個單元20中的各個為菱形形狀的六方形。圖5為描繪六方形的單元20中的各個的優選菱形形狀的示意圖的放大透視圖，該六方形的單元20構成形成于密封凸緣16中的可磨損蜂窩18。單元20的尺寸可具有任何大小和任何壁厚。優選地，用于菱形形狀的單元20的目標尺寸為0.05英寸和0.2英寸之間的長度、0.05英寸和0.1英寸之間的寬度、大約0.1英寸到0.6英寸的深度、和大約0.004英寸到0.015英寸的壁厚。圖6為沉降EDM (放電加工)機器40的簡化的示意圖，該機器40用于制造蜂窩壓印18的工藝中，該蜂窩壓印18在根據本發明的密封凸緣16中集成地形成。圖7為電極42的放大的透視圖，該電極42用于沉降EDM機器40，以將蜂窩壓印18按壓入根據本發明的密封凸緣16中。電極42包括一系列交叉“陰性”溝槽44，在該電極42中該交叉“陰性”溝槽44形成“陽性”菱形形狀的樣式，其用來將菱形形狀的蜂窩18按壓入密封凸緣16中。沉降EDM機器40然后包括電極42安裝在其上的按壓組件，以將蜂窩18直接地按壓到密封凸緣16內，如在圖6中所示。利用沉降EDM機器40以將菱形蜂窩18直接地沉降到密封凸緣16內，允許蜂窩成為密封凸緣16的集成部分。在這點上，用于密封凸緣16的鑄件可增厚以允許在任何期望位置處將蜂窩18直接地按壓到凸緣內，在這之后覆層可被添加。為了修復或作為用于新構造的替代物，整個密封凸緣16可具有沉降到它內的蜂窩18，其可然后焊接、硬焊或機械地附連到噴嘴11。因而，圖6示出用于制造密封凸緣16的工藝，該密封凸緣16具有帶有合適尺寸和大小的集成蜂窩18。類似于圖7所示，沉降電極42首先形成并且然后插入到該蜂窩待進入的密封凸緣內。一種可能性將為因科鎳合金塊將用作密封凸緣16。菱形或方形形狀為最容易制造，但是利用例如電極42的電極的更復雜加工，更多復雜形狀可被制造。尺寸可容易地變化。沉降EDM(放電加工)為當傳統加工不合適時適用于特征部的精密加工的工藝。例如，復雜特征部、小的精密特征部和緊密公差特征部為良好適合于沉降EDM的操作的所有實例，其中“陽性”成形的電極可被加工并且然后“沉降”(燒制)成期望的部件。利用EDM，因為特征部燒制而不是磨損成它們的形狀，所以沒有壓力施加到被加工的材料。相比于在圖7中示出的電極42的菱形形狀的蜂窩，更復雜的電極形狀可制造更復雜的蜂窩樣式或其它更復雜的樣式。在一個可選實施例中，沿著前緣19和/或后緣21的更厚的側壁(其中無擦損出現)可被保持以改善強度。額外實施例可包括形成變化的形狀和大小。EDM技術使某些壁能夠在一個軸線或位置中厚于另一個，這可允許改善的密封，同時不影響磨損性(例如，相比于在擦損方向上，在流動方向上更厚)。EDM技術還可使蜂窩能夠在優選方向上成角度，又改善密封。蜂窩的厚度可在一個方向與另一優選方向上變化。諸如蜂窩的該沉降形狀還可具有另一非常規的定向，其不可容易地以其它任何方式制造。使用沉降放電加工(“EDM”)以將蜂窩18直接地插入到噴嘴密封凸緣16本身內，使得蜂窩成為噴嘴密封凸緣的集成部分，這通過提供可靠的方法用于將蜂窩放置在噴嘴密封凸緣上，使可磨損天使翼密封件成為可能。它還獲得如下密封凸緣，即其在天使翼和密封凸緣之間提供改善的密封。使用沉降放電加工使新的密封技術成為可能，該新的密封技術可應用于其它渦輪位置以及其它應用領域。盡管本發明結合現在被認為是最實際和優選的實施例而描述，但是應當理解，本發明不限于這些公開的實施例，而是相反地，意圖覆蓋包括在附屬權利要求的精神和范圍內的各種更改和等同布置。
權利要求
1.一種制造具有多個可磨損空腔的渦輪噴嘴密封凸緣的方法，所述多個可磨損空腔通過形成于所述密封凸緣中的多個側壁而互連，所述方法包括如下步驟: 提供適合于用作噴嘴密封凸緣的材料塊， 提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到所述材料塊內， 提供電極用于與所述沉降放電加工裝置一起使用，以執行將所述特征部加工到所述材料塊中，所述電極成形為在所述材料塊中形成多個互連空腔，并且 利用所述沉降放電加工裝置使用所述電極，以將所述電極直接地插入到所述材料塊內，以由此形成具有所述多個互連空腔的所述噴嘴密封凸緣。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟:利用適合于抗氧化性和抗腐蝕性和/或改善的可磨損性的覆層覆蓋所述多個互連空腔。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成在其中的所述材料塊與所述渦輪噴嘴分離，并且其中，所述方法還包括如下步驟:在所述多個互連空腔形成于這種塊之后，將所述材料塊焊接或者硬焊到所述渦輪噴嘴。
4.根據權利要求1所述的方法 ，其特征在于，所述多個互連空腔形成在其中的所述材料塊為所述渦輪噴嘴的集成部分。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成蜂窩形狀，并且其中，所述蜂窩的各單元具有導致所述單元具有菱形形狀的長度和寬度。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成蜂窩形狀，并且其中，所述蜂窩的各單元具有導致所述單元具有與菱形形狀不同的形狀的尺寸。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料塊由奧氏體鎳鉻基合金形成。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電極陽性地成形，使得所述多個互連空腔可沉降到所述材料塊內，并且其中，通過所述陽性電極將所述多個互連空腔的形狀燒制到所述材料塊內，所述多個互連空腔沉降到所述材料塊內。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個空腔形成蜂窩形狀，并且其中，所述蜂窩的各單元具有0.05英寸和0.2英寸之間的長度、0.05英寸和0.1英寸之間的寬度、大約0.1英寸到0.6英寸的深度、和大約0.004英寸到0.015英寸的壁厚。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電極具有一系列交叉陰性溝槽，所述一系列交叉陰性溝槽形成陽性菱形形狀的蜂窩樣式，其當所述電極按壓到所述材料塊內時燒制到所述材料塊內。
11.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉降放電加工裝置包括所述電極安裝在其上的按壓組件，以將所述電極按壓到所述材料塊內，以由此將所述多個互連空腔直接地燒制到材料塊內。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成有沿著所述多個互連空腔的前緣和/或后緣的側壁，以在所述密封凸緣中改善強度。
13.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成有壁，其在第一方向上比在第二方向上更厚，以由此當所述噴嘴密封凸緣在所述密封組件中時改善所述噴嘴密封凸緣和在渦輪的密封組件中的渦輪動葉天使翼之間的密封。
14.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔形成有壁，其在冷卻空氣流動到渦輪的高溫燃燒氣體通道的方向上、而不是在渦輪的密封組件中的渦輪噴嘴天使翼擦損所述噴嘴密封凸緣的方向上更厚，當所述噴嘴密封凸緣在所述密封組件中時，以由此改善所述噴嘴密封凸緣和所述動葉天使翼之間的密封。
15.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個互連空腔在所述密封凸緣中形成，以便在預定方向上成角度，以由此改善所述噴嘴密封凸緣和所述動葉天使翼之間的密封。
16.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，形成于所述材料塊中的多個互連空腔延伸到所述材料塊的所有側面，或者延伸到所述材料塊的所述側面中的僅僅某些。
17.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述覆層為鋁化物金屬間化合物覆層。
18.—種限制冷卻氣體泄漏到燃氣渦輪的高溫燃燒氣體通道內的方法，所述方法包括如下步驟: 提供適合于形成一個或多個相應渦輪噴嘴密封凸緣的一個或多個材料塊， 提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到所述材料塊內， 提供電極用于與所述沉降放電加工裝置一起使用，以執行將所述特征部加工到所述材料塊內，所述電極具有一系列交叉陰性溝槽，所述一系列交叉陰性溝槽形成陽性蜂窩樣式，其通過當所述電極按壓到所述材料塊內時所述陽性電極將所述蜂窩樣式燒制到所述一個或多個材料塊中的各個內而可直接地形成到所述材料塊內； 利用所述沉降放電加工裝置使用所述電極，以將所述蜂窩直接形成到所述一個或多個材料塊中的各個內， 利用適合于抗氧化性和抗腐蝕性和/或改善磨損性的覆層可選地覆蓋直接地形成于所述一個或多個材料塊中的各個內的所獲得的蜂窩，以由此形成具有集成地形成于所述噴嘴密封凸緣中的可磨損蜂窩的一個或多個相應的噴嘴密封凸緣，并且 提供一個或多個渦輪密封組件，其中具有集成可磨損蜂窩的所述一個或多個相應的噴嘴密封凸緣通過相應的動葉天使翼接合， 由此限制泄漏到所述燃氣渦輪的高溫燃燒氣體通道內的冷卻空氣。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述蜂窩形成在其中的所述材料塊中的至少一個與所述渦輪噴嘴分離，并且其中，所述方法還包括如下步驟:在所述蜂窩形成在這種塊中之后，將所述材料塊焊接或者硬焊到所述噴嘴。
20.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述蜂窩形成在其中的所述材料塊中的至少一個為所述渦輪噴嘴的集成部分。
21.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述電極具有一系列交叉陰性溝槽，所述一系列交叉陰性溝槽形成陽性菱形形狀的蜂窩樣式，其通過當所述電極按壓到所述材料塊內時所述陽性電極將所述菱形形狀的蜂窩樣式燒制到所述材料塊中而可直接地形成到所述材料塊內。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述沉降放電加工裝置包括所述電極安裝在其上的按壓組件，以將所述電極按壓到所述材料塊內，以由此將所述蜂窩直接地燒制到所述材料塊內。
23.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述覆層為鋁化物金屬間化合物覆層。
24.一種制造具有預定的集成可磨損形狀的部件的方法，所述方法包括如下步驟: 提供適合于制造所述部件的材料塊，提供沉降放電加工裝置用于將特征部加工到所述材料塊內， 提供電極用于與所述沉降放電加工裝置一起使用，以執行將所述特征部加工到所述材料塊中，所述電極成形為使所述預定的形狀形成在所述材料塊中， 利用所述沉降放電加工裝置使用所述電極，以將所述預定的集成可磨損形狀直接地燒制到所述材料塊內，并且 利用適合于抗氧化性和抗腐蝕性和/或改善的磨損性的覆層可選地覆蓋燒制到所述材料塊中的所獲得 的預定的集成可磨損形狀。
全文摘要
提供用于可磨損天使翼的蜂窩結構。可磨損蜂窩在用于與動葉天使翼接合的渦輪噴嘴密封凸緣中集成地形成，以減少空氣泄漏到渦輪的熱氣體路徑。蜂窩利用沉降EDM方法在渦輪噴嘴密封凸緣中集成地形成，以將蜂窩直接地沉降到密封凸緣本身內，使得蜂窩為凸緣的集成部分。為了修復，完全新的蜂窩凸緣可被制造并且焊接或者硬焊到渦輪噴嘴上。
文檔編號F01D9/02GK103143796SQ20121036831
公開日2013年6月12日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年12月6日
發明者B.P.萊西, R.邱普, 盛諾 申請人:通用電氣公司