СОПЛОВОЙ СЕГМЕНТ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, ПОКРЫТЫЙ ПОКРЫТИЕМ MCrAlY И НАКЛАДКАМИ ТБП Российский патент 2017 года по МПК F01D5/28 F01D9/04 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к сопловому сегменту для газовой турбины с покрытием MCrAlY и термобарьерным покрытием (ТБП, от англ. Thermal Barrier Coating) и к способу изготовления соплового аппарата для газовой турбины.

Предпосылки создания изобретения

Направляющие лопатки статора и рабочие лопатки ротора в газовой турбине подвержены воздействию высокой температуры рабочего тела, проходящего через направляющие и рабочие лопатки. Из-за высокой температуры может возникать значительное окисление основного сплава на входной кромке пера направляющей лопатки статора или рабочей лопатки ротора. Кроме того, также может возникать окисление на внутренней полке внутреннего бандажа и/или наружного бандажа направляющей лопатки статора или рабочей лопатки ротора. Такая деградация в настоящее время является механизмом, ограничивающим срок службы этой детали.

В EP 0980960 A2 раскрыта согнутая сопловая лопатка с выборочным термобарьерным покрытием. Сопло турбины содержит внешний бандаж и внутренний бандаж, между которыми проходит множество лопаток. Лопатки содержат соответствующие входные и выходные кромки. Кроме того, одна сторона соответствующих лопаток представляет собой корыто, а противоположная сторона представляет собой спинку, проходящую между входной кромкой и выходной кромкой.

В EP 2362068 A1 раскрыт аэродинамический профиль турбины, который содержит тело пера с входной кромкой, выходной кромкой, наружной поверхностью, включающей в себя спинку, проходящую от входной кромки к выходной кромке, и корыто, проходящее от входной кромки к выходной кромке. Кроме того, описана система термобарьерного покрытия, которая имеется на участке покрытой поверхности, и область непокрытой поверхности, в которой отсутствует система термобарьерного покрытия. Система термобарьерного покрытия расположена на спинке пера турбины.

В US 6126400 A1 раскрыта оболочка из термобарьерного покрытия пера лопатки турбины. Тело пера содержит входную кромку и выходную кромку. Кроме того, тело пера содержит выпуклую сторону (спинку), проходящую между входной кромкой и выходной кромкой. Тело пера проходит между радиально наружным бандажом и радиально внутренним бандажом, содержащим основание. Термобарьерное покрытие наносится, например, на обе стороны тела пера.

В DE 102006048685 раскрыта лопатка турбины с термобарьерным покрытием. Толщина слоя термобарьерного покрытия на спинке непрерывно уменьшается сначала до узкой точки проточного канала внутри лопатки турбины и затем снова непрерывно увеличивается.

В US 6106231 A раскрыто частично покрытое перо, содержащее входную кромку и выходную кромку. Поверхности вогнутой стороны (корыта), выпуклой стороны (спинки), входной кромки и выходной кромки образуют наружную поверхность пера.

В US 2009/0074961 A1 описано керамическое покрытие для придания одной или более из множества функциональных характеристик одной или более деталям или частям двигателя, таким как рабочие лопатки, направляющие лопатки и бандажи газотурбинного двигателя. Поверхности деталей могут быть частично покрыты керамическим покрытием.

Краткое изложение сущности изобретения

Задача настоящего изобретения может заключаться в разработке более термостойкого соплового сегмента для газовой турбины с уменьшенными затратами на изготовление и весом.

Эта задача может быть решена посредством соплового сегмента для газовой турбины и посредством способа изготовления сегмента соплового аппарата для газовой турбины.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения представлен сопловой аппарат (его сегмент) для газовой турбины. Сопловой аппарат содержит первое перо, содержащее первую спинку и первое корыто, второе перо, содержащее вторую спинку и второе корыто, внутренний бандаж и наружный бандаж. Первое перо и второе перо расположены между внутренним бандажом и наружным бандажом. Первое перо и второе перо (и, например, внутренний и/или наружный бандаж) по меньшей мере частично покрыты покрытием MCrAlY. По меньшей мере первая спинка содержит первый участок покрытой поверхности (например, покрытую "накладку"), который(ая) покрыт(а) термобарьерным покрытием и которая представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности первой спинки. По меньшей мере внутренний бандаж или наружный бандаж содержит дополнительный участок покрытой поверхности, который покрыт дополнительным термобарьерным покрытием (например, покрытую дополнительную "накладку"). Дополнительный участок покрытой поверхности представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности соответствующего внутреннего бандажа или соответствующего наружного бандажа.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения представлен способ изготовления описанного выше соплового сегмента. Сопловой сегмент, например, прикреплен к кожуху газовой турбины.

Соответствующее первое или второе перо содержит входную кромку и выходную кромку. У входной кромки, например, перо имеет максимальную кривизну. В целом, текучая среда (рабочее тело), которая(ое) обтекает соответствующее перо, соприкасается сначала с входной кромкой, и рабочее тело разделяется на первую часть, которая течет по спинке пера, и вторую часть, которая течет по корыту пера. Спинка, как правило, связана с более высокой скоростью, а значит с более низким статическим давлением. Корыто имеет сравнительно более высокое статическое давление, чем спинка. Выходная кромка образует ту кромку пера, где текущее по спинке рабочее тело и текущее по корыту рабочее тело снова сливаются в один поток.

Сопловой сегмент может содержать первое и второе перо или множество дополнительных перьев, которые разнесены друг от друга вдоль окружного направления по отношению к оси вращения газовой турбины.

Сопловой сегмент дополнительно содержит внутренний бандаж и наружный бандаж. Соответствующие перья расположены между внутренним бандажом и наружным бандажом. В частности, соответствующие входные кромки и соответствующие выходные кромки простираются между внутренним бандажом и наружным бандажом.

Внутренний бандаж находится ближе к оси вращения газовой турбины, чем наружный (внешний) бандаж. Внутренний бандаж содержит внутреннюю полку с внутренней поверхностью, а наружный бандаж содержит дополнительную внутреннюю полку с дополнительной внутренней поверхностью, причем соответствующие внутренние поверхности внутренних полок обращены к внутреннему объему газовой турбины, через который струится горячий рабочий газ. Следовательно, соответствующие внутренние поверхности внутренних полок обтекаются горячим рабочим газом газовой турбины.

Горячий рабочий газ соприкасается прежде всего с участком входной кромки пера перед течением предпочтительно ламинарным образом по спинке или по корыту к участку выходной кромки. Следовательно, по причине высокой температуры рабочего газа может возникать сильное окисление перьев.

Согласно предложенному подходу по меньшей мере некоторые участки соплового сегмента, такие как первое и второе перья или части внутреннего и наружного бандажей, покрыты покрытием MCrAlY. Непосредственно на покрытие MCrAlY или непосредственно на связующее покрытие нанесена накладка ТБП, т.е. местно определенный участок покрытой поверхности, покрытый термобарьерным покрытием (ТБП). В частности, участок покрытой поверхности нанесен в тех областях соответствующих первого и второго перьев, где существуют наиболее горячие зоны пера. По этой причине покрытый ТБП-покрытием участок покрытой поверхности находится на спинке первого и/или второго пера. Участок покрытой поверхности может покрывать полностью всю спинку или может покрывать только часть спинки соответствующего пера. В частности, термобарьерное покрытие расположено на спинке ближе к выходной кромке, чем к входной кромке. Покрытая поверхность может содержать множество ТБП-накладок, которые разнесены друг от друга и которые нанесены с требуемым узором в пределах участка покрытой поверхности.

Кроме того, непосредственно на поверхность внутреннего или наружного бандажа, например на внутреннюю поверхность внутренней полки соответствующего бандажа, по меньшей мере частично нанесено покрытие MCrAlY. Кроме того, нанесена так называемая дополнительная ТБП-накладка, т.е. местно определенный дополнительный участок покрытой поверхности, покрытый термобарьерным покрытием (ТБП). В частности, дополнительный участок покрытой поверхности нанесен на те области внутренней полки, где существуют наиболее горячие зоны. По этой причине дополнительный участок покрытой поверхности, покрытый дополнительным ТБП-покрытием, может быть расположен в положении, находящемся ниже по потоку по отношению к выходной кромке пера на соответствующей внутренней поверхности внутренней полки. Дополнительный участок покрытой поверхности расположен на внутренней полке и/или на наружной полке на участке, который расположен ниже по потоку от первой выходной кромки и второй выходной кромки.

Следовательно, согласно настоящему изобретению термобарьерное покрытие нанесено на наиболее горячие точки на поверхностях соплового сегмента, в частности на внутренней полке бандажа и на спинке пера. Сочетание так называемых ТБП-накладок на спинке направляющей лопатки и на внутренней полке приводит к надлежащей теплостойкости и, к тому же к уменьшению общего веса и затрат на материалы соплового аппарата. В частности, корыта перьев могут быть свободными от ТБП-покрытия.

Термобарьерное покрытие может содержать керамический компонент. ТБП-покрытие может быть нанесено таким способом, как электронно-лучевое физическое осаждения из газовой фазы (Electron Beam Physical Vapour Deposition (EBPVD)) или воздушно-плазменное напыление (Air Plasma Spray (APS)), но не ограничивается этими методами. ТБП-покрытие снижает температуру пера и соответствующей внутренней полки и, следовательно, увеличивает срок службы пера.

ТБП может требоваться на пере. ТБП (керамическое) снижает температуру пера. Тем не менее (керамическое) ТБП может требовать связующего подслоя для обеспечения возможности его адгезии к подложке соплового аппарата, т.е. перу и/или внутреннему или наружному бандажу. В этом случае, например, в качестве связующего подслоя используется покрытие PtAl или покрытие MCrAlY. Такое связующее покрытие предотвращает отслоение (керамического) ТБП-покрытия от подложки пера, так как оно понижает разности коэффициентов теплового расширения между металлом пера и керамикой термобарьерного покрытия. К тому же может быть предусмотрено внутреннее покрытие пера для обеспечения защиты от окисления и коррозии.

Подложка соплового аппарата, т.е. перо и/или внутренний или наружный бандаж, может содержать, например, сплав MAR-M-247.

В состав MCrAlY под обозначением "M" входит, в частности, никель (Ni), кобальт (Co) или их смесь. Покрытие MCrAlY может быть нанесено на участок покрытой поверхности такими способами нанесения, как гальваническое осаждение, методы термического напыления или электронно-лучевого физического осаждения из газовой фазы (EBPVD). Тем не менее эти способы нанесения приведены для примера и могут быть использованы другие процессы.

Кроме того, для обеспечения должной защиты от окисления толщина покрытия MCrAlY может составлять от (приблизительно) 0,025 мм до (приблизительно) 0,3 мм, в частности от (приблизительно) 0,05 мм до (приблизительно) 0,25 мм.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления термобарьерное покрытие и/или дополнительное термобарьерное покрытие содержит истончающийся участок, причем на истончающемся участке толщина термобарьерного покрытия плавно уменьшается в направлении к краю соответствующего участка покрытой поверхности и/или дополнительного участка покрытой поверхности. Истончающийся участок (переходный участок) образован на поверхности пера между участком покрытой поверхности и внутренним бандажом на одной стороне и/или между участком покрытой поверхности и наружным бандажом на другой стороне. На истончающемся участке толщина ТБП-покрытия, т.е. керамического покрытия, плавно уменьшается от края участка покрытой поверхности до внутреннего и наружного бандажа соответственно. Иначе говоря, толщина термобарьерного покрытия утончается (в частности, до нулевой толщины) от края участка покрытой поверхности до внутреннего и наружного бандажа соответственно, так что первая внутренняя полка и/или вторая внутренняя полка, которая(ые) обтекается(ются) рабочим телом турбины, в основном свободна(ы) от ТБП. Таким образом, от конца участка покрытой поверхности до внутреннего и наружного бандажа, соответственно, может присутствовать плавное уменьшение толщины покрытия.

На переходном участке (истончающемся участке) ТБП-покрытие сходит до нулевой толщины, например, по радиусу галтели (т.е. кривизне между покрытым участком поверхности пера и поверхностью бандажа (полки)). Причина этого заключается в том, что поверхность бандажа может быть в основном свободна от ТБП-покрытия. Вместо наличия резкой ступеньки по толщине на переходном участке, где ТБП-покрытие сходит от полной толщины до нуля, ТБП-покрытие естественным образом сходит на нет («расплывается»).

Первое перо и второе перо частично образуют область или плоскость критического сечения, и причем в области или плоскости критического сечения первое корыто и второе корыто могут быть свободными от термобарьерного покрытия.

Протяженность участка покрытой поверхности от выходной кромки в направлении к входной кромке может составлять в диапазоне между 50% и 80% от размера между выходной кромкой и входной кромкой пера.

Накладка термобарьерного покрытия может быть отделена от внутреннего бандажа и наружного бандажа первым расстоянием, причем это первое расстояние от крайней точки ТБП до соответствующей полки может составлять между приблизительно 0% и приблизительно 45% от всей длины (100%) пера между внутренним бандажом и наружным бандажом.

Первое расстояние может составлять между приблизительно 5% и приблизительно 25% от всей длины пера между внутренним бандажом и наружным бандажом.

Дополнительный участок покрытой поверхности имеет ширину, простирающуюся от выходной кромки полки на расстояние от приблизительно 50% до приблизительно 80% размера от выходной кромки полки до выходной кромки пера.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления участок покрытой поверхности отделен от внутреннего бандажа и/или наружного бандажа. На переходном участке толщина ТБП-покрытия переходит от «покрыто» к «непокрыто». Таким образом, ТБП-покрытие может покрывать поверхности пера и/или переходный участок между соответствующим пером и внутренним бандажом или наружным бандажом (например, по радиусам, соединяющим перья/бандажи).

Кроме того, согласно дополнительному примерному варианту осуществления настоящего изобретения участок покрытой поверхности, т.е. накладка термобарьерного покрытия, на подложке пера отделена, например, от внутреннего бандажа и наружного бандажа первым расстоянием. Первое расстояние от крайней точки ТБП до соответствующей полки может составлять между (приблизительно) 0% и (приблизительно) 45%, в частности между (приблизительно) 5% и (приблизительно) 25% от всей длины (100%) пера между внутренним бандажом и наружным бандажом. Истончающийся участок покрытия все еще может быть расположен между участком покрытой поверхности и внутренним бандажом или наружным бандажом. На истончающемся участке толщина покрытия постоянно уменьшается по ходу к внутреннему или наружному бандажу до тех пор, пока на внутреннем или наружном бандаже не останется никакого покрытия.

В частности, в еще одном примерном варианте осуществления это расстояние может составлять между (приблизительно) 0,5 см и (приблизительно) 5,0 см, в частности между (приблизительно) 1,5 см и (приблизительно) 2,5 см. Истончающийся участок все еще может быть расположен между участком покрытой поверхности и внутренним бандажом или наружным бандажом.

В другом примерном варианте осуществления термобарьерное покрытие имеет толщину от (приблизительно) 0,05 мм до (приблизительно) 0,75 мм, в частности от (приблизительно) 0,15 мм до (приблизительно) 0,50 мм.

Участок покрытой MCrAlY поверхности может быть алитирован поверх для придания покрытию дополнительной защиты от окисления и коррозии посредством таких способов, как пакетная цементация или алитирование из паровой фазы (VPA), но не ограничен этими процессами.

Во время и после покрывания пера на участке покрытой поверхности и дополнительном участке покрытой поверхности сопловой аппарат может быть подвергнут термообработке с тем, чтобы произошла диффузия между покрытыми слоями, в частности, алюминия. К тому же к материалу подложки детали может быть применена конечная термообработка старением.

Наконец, при необходимости, к участку покрытой поверхности и/или к дополнительному участку покрытой поверхности может быть применена отделка поверхности после нанесения для достижения шероховатости покрытия от приблизительно Ra=1,0 мкм до приблизительно 8 мкм, однако это не является существенным.

Следует заметить, что при ограничении нанесения ТБП конкретными областями и, в частности, двумя конкретными областями, включая спинку пера и полку на детали, сопловой аппарат не испытывает непреднамеренного отрицательного влияния в непокрытых областях, таких как внутренний бандаж непосредственно между перьями или корыто пера. Посредством добавления накладки ТБП в очень конкретных местных областях, которые в противном случае ограничивали бы срок службы детали, поскольку они подвержены воздействию избыточных температур эксплуатации, реализуется преимущество высокой или более высокой защиты от воздействия температуры без неблагоприятного влияния на эксплуатационные характеристики детали.

Введение «накладок» ТБП позволяет достичь более длительного срока службы соплового аппарата за счет предотвращения преждевременного высокотемпературного окисления, вызванного испытываемым воздействием избыточных температур. В случае настоящего изобретения это будет достигаться без неблагоприятного влияния на отделку поверхности и аэродинамику области критического сечения и/или поверхности корыта соплового аппарата, которое могло бы повлиять на эксплуатационные характеристики ступени и двигателя. Область критического сечения обычно определяется как минимальная площадь между смежными перьями, и в области критического сечения накладки ТБП не наносятся, иначе говоря, область критического сечения свободна от ТБП. Нанесение ТБП-покрытия по всей детали уменьшило бы область критического сечения из-за уменьшения его площади и, следовательно, могло бы неблагоприятно повлиять на эксплуатационные характеристики.

В случае, если настоящее изобретение осуществляется в качестве модернизации существующей или находящейся в эксплуатации детали, то нанесение ТБП на все поверхности или даже на один или более элементов соплового аппарата, например перо или полку, могло бы быть вредным для этой детали. ТБП требуют градиента температуры по толщине покрытия или через него для того, чтобы они функционировали наиболее эффективно. Если температурный градиент мал или отсутствует, нижележащая подложка детали может служить «теплоотводом», приводя к сильным термическим деформациям и, следовательно, вызывая преждевременное отслаивание ТБП.

Кроме того, ТБП может обеднять нижележащий слой MCrAlY его защитными составляющими элементами, и срок службы детали может снизиться, поскольку в этом случае MCrAlY не обеспечивает достаточной защиты от окисления и/или коррозии в зависимости от механизма деградации. Это значит, что нижележащий слой MCrAlY ухудшался бы, приводя к началу агрессивного воздействия на основной материал или подложку детали.

Кроме того, преждевременное и/или местное отслоение ТБП-покрытия от «других» областей, не являющихся предложенными ТБП-накладками, могло бы также повлиять, например, на аэродинамику из-за ступенчатых краев остающегося ТБП. К тому же отслоение ТБП могло бы привести к образованию более шероховатых обтекаемых газом поверхностей, которые могут увеличить скорость окисления покрытия или подложки, так как более шероховатые поверхности увеличивают теплопередачу. Это увеличение шероховатости может привести к ускоренному окислению и более короткому сроку службы по сравнению с тем, если бы деталь не имела нанесенного ТБП, т.е. имелся бы только слой MCrAlY, образующий гладкую обтекаемую газом поверхность.

В сущности, в настоящем изобретении в конкретных местах применяются накладки ТБП для достижения увеличенной долговечности при исключении обсужденных выше недостатков.

Предпочтительным способом нанесения MCrAlY является гальваническое осаждение, которое не имеет недостатков, связанных с требованием «прямой видимости», которым подвержены другие способы нанесения покрытий. Гальваническое осаждение является особенно подходящим для направляющих лопаток многоперьевого соплового аппарата, таких как описанные в этом документе. К тому же гальваническое осаждение покрытия MCrAlY является преимущественным, поскольку толщиной и протяженностью покрытия возможно управлять с относительно высоким допуском.

Следует заметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на разные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на характеризующие устройство пункты формулы изобретения, тогда как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на характеризующие способ пункты формулы изобретения. Тем не менее специалисту в данной области техники из предшествующего и последующего описания будет понятно, что, если не указано иное, в дополнение к любой совокупности признаков, относящихся к одному типу объекта, также и любую совокупность признаков, относящихся к разным объектам, в частности признаков характеризующих устройство пунктов формулы изобретения и признаков характеризующих способ пунктов формулы изобретения, следует понимать как включенную в объем данной заявки.

Краткое описание чертежей

Описанные выше аспекты и дополнительные аспекты настоящего изобретения станут понятны из описываемых далее примеров осуществления и пояснены со ссылкой на примеры осуществления. Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на примеры осуществления, которыми изобретение не ограничено.

На Фиг. 1 показан схематичный вид соплового сегмента, содержащего два пера согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 2 показан увеличенный вид в разрезе участка покрытой поверхности пера, показанного на Фиг. 1, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 3 показан схематичный вид пера, содержащего участок покрытой поверхности согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 4 показан схематичный вид внутренней полки соплового сегмента, содержащей дополнительный участок покрытой поверхности согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 5 показан вид в перспективе соплового аппарата согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Иллюстрации на чертежах являются схематичными. Следует заметить, что на разных фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми или аналогичными ссылочными позициями.

На Фиг. 1 показан сопловой аппарат (сегмент) 100 для газовой турбины. Сопловой аппарат 100 содержит первое перо 101, содержащее первую спинку 107 и первое корыто 108, второе перо 115, содержащее вторую спинку 118 и второе корыто 119, внутренний бандаж 110 и наружный бандаж 120.

Первое перо 101 и второе перо 115 расположены между внутренним бандажом 110 и наружным бандажом 120. Первое перо 101 и второе перо 115 по меньшей мере частично покрыты покрытием 202 MCrAlY (показанным на Фиг. 2). По меньшей мере первая спинка 107 содержит участок 104 покрытой поверхности, который покрыт термобарьерным покрытием (ТБП) и который представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности первой спинки 107.

Кроме того, по меньшей мере внутренний бандаж 110 или наружный бандаж 120 содержит дополнительный участок 106 покрытой поверхности, который покрыт дополнительным термобарьерным покрытием.

В частности, внутренний бандаж 110 содержит внутреннюю полку 111, а наружный бандаж 120 содержит дополнительную внутреннюю полку 121. Согласно виду, показанному на Фиг. 1, показанная внутренняя полка 111, 121 может быть соответствующей внутренней полкой 111, 121 внутреннего бандажа 110 или наружного бандажа 120. К соответствующей внутренней полке 111, 121 прикреплены первое перо 110 и второе перо 115. Внутренняя полка 111, 121 «омывается» (обтекается) во время работы газовой турбины рабочим телом газовой турбины. Внутренняя полка 111 и/или дополнительная внутренняя полка 121 содержит(ат) дополнительный участок 106 покрытой поверхности в примерном варианте осуществления, как показано на Фиг. 1.

Кроме того, направление F потока рабочего тела в газовой турбине обозначено показанной на Фиг. 1 стрелкой. Рабочее тело обтекает сначала соответствующие входные кромки 102, 116 соответствующих перьев 101, 115. На соответствующих выходных кромках 103, 117 соответствующих перьев 101, 115 рабочее тело стекает с соответствующего пера 101, 115.

Обнаружено, что в области вдоль внутренней полки 111, 121 ниже по потоку от выходных кромок 103, 117 перьев 101, 115 существуют наиболее горячие точки, вызванные рабочим телом. Следовательно, по настоящему изобретению, на находящемся ниже по потоку участке соответствующих внутренних полок 111, 121 между соответствующими выходными кромками 103, 117 и соответствующими выходными кромками 112, 122 соответствующих внутренних полок 111, 121 применяется дополнительный участок 106 покрытой поверхности.

Дополнительно, наиболее горячие участки поверхности соответствующих перьев 101, 115 измерены, в частности, на спинке 107, 118 соответствующих перьев 101, 115. Следовательно, как показано на Фиг. 1, участок 104 покрытой поверхности нанесен на первую спинку 107 первого пера 101 для увеличения теплостойкости. Кроме того, соответствующий участок 104 покрытой поверхности также может быть нанесен на вторую спинку 118 второго пера 115.

На Фиг. 2 показан более подробный вид участка 104 покрытой поверхности на первом пере 101, как показано на Фиг. 1.

На подложку 203 первого пера 101 может быть нанесено покрытие 202 MCrAlY для улучшения сопротивления окислению. Сверху покрытия 202 MCrAlY нанесено термобарьерное покрытие участка 104 покрытой поверхности.

Как показано на Фиг. 2, участок 104 покрытой поверхности содержит истончающийся участок 201. На истончающемся участке 201 толщина термобарьерного слоя на участке 104 покрытой поверхности уменьшается до нулевой толщины на концевом краю участка 104 покрытой поверхности.

На Фиг. 3 показано первое перо 101. Первое перо 101 содержит входную кромку 102 и выходную кромку 103. Кроме того, первое перо 101 содержит корыто 109 и спинку 108.

Как показано на Фиг. 3, термобарьерный слой участка 104 покрытой поверхности расположен на спинке 108 первого пера 101. На том краю участка 104 покрытой поверхности, который находится ближе к входной кромке 102, нанесен истончающийся участок 201 термобарьерного слоя для плавного уменьшения толщины термобарьерного слоя до нулевой толщины.

В частности, участок 104 покрытой поверхности нанесен на первое перо 101 между максимальной толщиной (измеренной, например, вдоль линии, перпендикулярной хорде соответствующего пера 101, 115) пера 101 и выходной кромкой 103 первого пера 101. Участок между краем участка 104 покрытой поверхности и входной кромкой 102 сохраняется свободным от какого-либо термобарьерного слоя.

Кроме того, как показано на Фиг. 3, корыто 109 может сохраняться свободным от термобарьерного покрытия. Кроме того, на находящемся выше по потоку участке соответствующих внутренних полок 111, 121 между соответствующими входными кромками 102, 116 и соответствующими входными кромками 112, 122 соответствующих внутренних полок 111, 121 поверхности могут сохраняться свободными от термобарьерного покрытия. Следовательно, термобарьерное покрытие наносится только в наиболее горячей области пера 101 для того, чтобы наносить термобарьерное покрытие эффективно, а значит уменьшить или свести к минимуму вес и затраты.

Протяженность участка 104 покрытой поверхности от выходной кромки 103 в направлении к входной кромке 102 может составлять, например, от 45 мм до приблизительно 50 мм, в частности приблизительно 48 мм. Размер от выходной кромки 103 в направлении к входной кромке 102 пера на 50% средней протяженности составляет приблизительно 60 мм. Таким образом, для других перьев протяженность участка 104 покрытой поверхности от выходной кромки 103 в направлении к входной кромке 102 может составлять, например, от 75% до приблизительно 83%, в частности приблизительно 80%. В других применениях участок покрытой поверхности может простираться в диапазоне между 50% и 80%. Хотя предпочтительно, чтобы участок покрытой поверхности простирался от выходной кромки 103, участок покрытой поверхности может простираться от в пределах 10% размера между выходной и входной кромками пера выходной кромки, более предпочтительно в пределах 5%.

Длина истончающегося участка 201 вдоль направления 103 к входной кромке 102 может составлять между приблизительно 1 мм и приблизительно 10 мм. Для этого и других примеров, длина истончающегося участка может лежать в пределах между 1% и 20% размера вдоль направления 103 к входной кромке 102.

В частности, если ТБП наносят для модернизации, предпочтительно исключить нанесение ТБП в области плоскости критического сечения с тем, чтобы проектная площадь критического сечения не претерпевала значительных изменений. Предпочтительная область вокруг плоскости критического сечения, которую требуется сохранять свободной от термобарьерного покрытия, может лежать в пределах 10% от размера между входной и выходной кромками пера, а более предпочтительно 5%.

На Фиг. 4 показан увеличенный вид внутреннего бандажа 110. Наружный бандаж 120 может быть выполнен с аналогичной конструкцией.

Между выходной кромкой 103 первого пера 101 и выходной кромкой 112 внутренней полки 111 внутреннего бандажа 110 нанесен дополнительный участок 106 покрытой поверхности, содержащий ТБП-покрытие. На соответствующих краях выше по потоку и ниже по потоку дополнительного участка 106 покрытой поверхности образован соответствующий истончающийся участок 201, 201', на котором термобарьерное покрытие уменьшается до нулевой толщины. Как показано на Фиг. 4, на подложку 203 нанесено покрытие 202 MCrAlY. Покрытие 202 MCrAlY может быть нанесено вдоль внутренней поверхности внутренней полки 111 и вокруг выходной кромки 112 внутренней полки 111. Дополнительный участок 106 покрытой поверхности нанесен только на внутреннюю поверхность внутренней полки 111, где рабочее тело обтекает поверхность внутренней полки 111 и соприкасается с ней.

Ширина дополнительного участка 106 покрытой поверхности между находящимся выше по потоку концом и находящимся ниже по потоку концом может составлять от приблизительно 8 мм до приблизительно 12 мм, предпочтительно 8 мм. В этом примере размер от выходной кромки полки до выходной кромки пера составляет приблизительно 15 мм. В других применениях дополнительный участок 106 покрытой поверхности имеет ширину, простирающуюся от выходной кромки полки или бандажа на расстояние, от приблизительно 50% до приблизительно 80%, предпочтительно 53%, размера от выходной кромки полки до выходной кромки пера. Тем не менее в других применениях настоящего изобретения дополнительный участок 106 покрытой поверхности может простираться между находящимся выше по потоку концом и находящимся ниже по потоку концом или от выходной кромки полки до выходной кромки пера, включая их. Дополнительный участок 106 покрытой поверхности может простираться в пределах 5% от длины от выходной кромки полки до выходной кромки пера любой или обеих из выходных кромок.

При других применениях настоящего изобретения и, в частности, при модернизируемом ТБП, когда полка или бандаж включают в себя охлаждающие отверстия, термобарьерное покрытие наносится от выходной кромки полки или бандажа и прерывается вблизи от охлаждающих отверстий для предотвращения блокирования этих отверстий ТБП-покрытием.

Длина истончающегося участка 201 дополнительного участка 106 покрытой поверхности может составлять от приблизительно 2 мм до приблизительно 4 мм, предпочтительно приблизительно 3 мм. В других применениях настоящего изобретения истончающийся участок может проходить на длину в диапазоне от 5% до 40% длины от выходной кромки полки до выходной кромки пера.

В этом примерном варианте осуществления дополнительный участок 106 покрытой поверхности простирается по всей окружной длине поверхности полки. Находящийся выше по потоку край дополнительного участка 106 покрытой поверхности может представлять собой прямую периферийную линию или может быть нелинейным или дугообразным для компенсации местных колебаний температуры или соответствия аэродинамическим профилям или рисункам охлаждающих отверстий в полке или бандаже.

На Фиг. 5 показан вид в перспективе соплового аппарата 100, причем этот сопловой аппарат 100 содержит внутренний бандаж 110, наружный бандаж 120, первое перо 101 и второе перо 115. Показанный на Фиг. 5 сопловой аппарат может иметь такие же признаки, как и показанный на виде в разрезе на Фиг. 1. К тому же на Фиг. 5 показан участок 104 покрытой поверхности, причем этот участок 104 покрытой поверхности отстоит от первой входной кромки 102 первого пера 101, как показано, например, на Фиг. 3. Кроме того, участок 104 покрытой поверхности отделен, например, расстоянием x от внутренней полки 111 и дополнительной внутренней полки 121.

В частности, участки между внутренней полкой и краями участка 104 покрытой поверхности (т.е. так называемые галтели) могут быть свободными от термобарьерного покрытия. Галтели могут быть покрыты, например, покрытием MCrAlY.

Следует заметить, что термин "содержащий" не исключает наличия других элементов и этапов, а единственное число не исключает множественного. Также элементы, описанные в связи с разными вариантами осуществления, могут быть скомбинированы. Также следует заметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не следует понимать как ограничивающие объем формулы изобретения.

Изобретение относится к сопловому аппарату для газовой турбины. Сопловой аппарат содержит первое перо, содержащее первую спинку и первое корыто, второе перо, содержащее вторую спинку и второе корыто, внутренний бандаж и наружный бандаж. Первое перо и второе перо расположены между внутренним бандажом и наружным бандажом, при этом первое перо и второе перо по меньшей мере частично покрыты покрытием MCrAlY, и части внутреннего и наружного бандажей покрыты покрытием MCrAlY. По меньшей мере первая спинка содержит первый участок покрытой поверхности, который покрыт термобарьерным покрытием и который представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности первой спинки. По меньшей мере внутренний бандаж или наружный бандаж содержит дополнительный участок покрытой поверхности, который покрыт дополнительным термобарьерным покрытием. Другое изобретение группы относится к способу изготовления соплового аппарата, в котором наносят покрытие MCrAlY на части соплового аппарата и затем покрывают участки покрытой поверхности термобарьерным покрытием. Группа изобретений позволяет повысить термостойкость соплового аппарата газовой турбины без существенного повышения трудоемкости его изготовления и веса. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сопловой аппарат (100) для газовой турбины, содержащий

первое перо (101), содержащее первую спинку (107) и первое корыто (108),

второе перо (115), содержащее вторую спинку (118) и второе корыто (119),

внутренний бандаж (110) и

наружный бандаж (120),

причем первое перо (101) и второе перо (115) расположены между внутренним бандажом (110) и наружным бандажом (120),

причем первое перо (101) и второе перо (115) по меньшей мере частично покрыты покрытием MCrAlY,

причем по меньшей мере первая спинка (107) содержит участок (104) покрытой поверхности, который покрыт термобарьерным покрытием и который представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности первой спинки (107), и

причем части внутреннего и наружного бандажей покрыты покрытием MCrAlY и по меньшей мере внутренний бандаж (110) или наружный бандаж (120) содержит дополнительный участок (106) покрытой поверхности, который покрыт дополнительным термобарьерным покрытием,

причем внутренний бандаж (110) содержит внутреннюю полку (111), и

причем наружный бандаж (120) содержит дополнительную внутреннюю полку (121),

причем внутренняя поверхность внутренней полки (111) и дополнительная внутренняя поверхность дополнительной внутренней полки (121) обтекаются во время работы газовой турбины рабочим телом газовой турбины,

причем внутренняя поверхность внутренней полки (111) и/или дополнительная внутренняя поверхность дополнительной внутренней полки (121) содержит(ат) дополнительный участок (106) покрытой поверхности,

причем первое перо (101) дополнительно содержит первую входную кромку (102) и первую выходную кромку (103),

причем второе перо (115) дополнительно содержит вторую входную кромку (116) и вторую выходную кромку (117),

причем дополнительный участок (106) покрытой поверхности находится на внутренней полке (111) и/или дополнительной внутренней полке (121) на участке, который расположен ниже по потоку от первой выходной кромки (103) и второй выходной кромки (117),

причем первое корыто (108) и второе корыто (119) свободны от термобарьерного покрытия, и

причем дополнительный участок (106) покрытой поверхности имеет ширину, простирающуюся от выходной кромки (112, 122) полки на расстояние от приблизительно 50% до приблизительно 80% размера от выходной кромки (112, 122) полки до выходной кромки (103, 117) пера,

причем термобарьерное покрытие и/или дополнительное термобарьерное покрытие содержит истончающийся участок (201),

причем на истончающемся участке (201) толщина термобарьерного покрытия плавно уменьшается в направлении к краю соответствующего участка (104) покрытой поверхности и/или дополнительного участка (106) покрытой поверхности,

причем поверх покрытия MCrAlY (202) нанесено термобарьерное покрытие участка (104) покрытой поверхности.

2. Сопловой аппарат (100) по п. 1, при этом термобарьерное покрытие имеет толщину от 0,10 до 0,75 мм, в частности от 0,15 до 0,5 мм.

3. Сопловой аппарат (100) по п. 1, причем первое перо (101) и второе перо (115) частично образуют область критического сечения, и при этом первое корыто (108) и второе корыто (119) свободны от термобарьерного покрытия в области критического сечения.

4. Сопловой аппарат (100) по п. 2, причем первое перо (101) и второе перо (115) частично образуют область критического сечения, и при этом первое корыто (108) и второе корыто (119) свободны от термобарьерного покрытия в области критического сечения.

5. Сопловой аппарат (100) по любому из пп. 1-4, при этом протяженность участка (104) покрытой поверхности от выходной кромки (103, 117) в направлении к входной кромке (102, 116) составляет в диапазоне между 50 и 80% от размера в направлении между выходной кромкой (103, 117) и входной кромкой (102, 116) пера (101, 115).

6. Сопловой аппарат (100) по любому из пп. 1-4, при этом первое перо (101) и второе перо (115) покрыты покрытием MCrAlY, и при этом внутренний и наружный бандажи покрыты покрытием MCrAlY.

7. Способ изготовления соплового аппарата (100) для газовой турбины, причем сопловой аппарат (100) содержит первое перо (101) с первой спинкой (107) и первым корытом (108), второе перо (115) со второй спинкой (118) и вторым корытом (119), внутренний бандаж (110) и наружный бандаж (120), причем первое перо (101) и второе перо (115) расположены между внутренним бандажом (110) и наружным бандажом (120),

при этом способ содержит

по меньшей мере частичное покрывание первого пера (101) и второго пера (115) покрытием MCrAlY,

покрывание участка (104) покрытой поверхности термобарьерным покрытием,

причем первый участок (104) покрытой поверхности образуют по меньшей мере на первой спинке (107), и

причем первый участок (104) покрытой поверхности представляет собой по меньшей мере часть всей поверхности первой спинки (107),

покрывание дополнительного участка (106) покрытой поверхности дополнительным термобарьерным покрытием,

причем части внутреннего и наружного бандажей покрыты покрытием MCrAlY, и по меньшей мере внутренний бандаж (110) или наружный бандаж (120) содержит дополнительный участок (106) покрытой поверхности,

причем внутренний бандаж (110) содержит внутреннюю полку (111), и

причем наружный бандаж (120) содержит дополнительную внутреннюю полку (121),

причем внутренняя поверхность внутренней полки (111) и дополнительная внутренняя поверхность дополнительной внутренней полки (121) обтекаются во время работы газовой турбины рабочим телом газовой турбины,

причем внутренняя поверхность внутренней полки (111) и/или дополнительная внутренняя поверхность дополнительной внутренней полки (121) содержит(ат) дополнительный участок (106) покрытой поверхности,

причем первое перо (101) дополнительно содержит первую входную кромку (102) и первую выходную кромку (103),

причем второе перо (115) дополнительно содержит вторую входную кромку (116) и вторую выходную кромку (117),

причем дополнительный участок (106) покрытой поверхности находится на внутренней полке (111) и/или дополнительной внутренней полке (121) на участке, который расположен ниже по потоку от первой выходной кромки (103) и второй выходной кромки (117), и

причем первое корыто (108) и второе корыто (119) свободны от термобарьерного покрытия, и

причем дополнительный участок (106) покрытой поверхности имеет ширину, простирающуюся от выходной кромки (112, 122) полки на расстояние от приблизительно 50% до приблизительно 80% размера от выходной кромки (112, 122) полки до выходной кромки (103, 117) пера,

причем термобарьерное покрытие и/или дополнительное термобарьерное покрытие содержит истончающийся участок (201),

причем на истончающемся участке (201) толщина термобарьерного покрытия плавно уменьшается в направлении к краю соответствующего участка (104) покрытой поверхности и/или дополнительного участка (106) покрытой поверхности,

причем поверх покрытия MCrAlY (202) нанесено термобарьерное покрытие участка (104) покрытой поверхности.

8. Способ по п. 7, причем термобарьерное покрытие наносят посредством процесса электронно-лучевого физического осаждения из газовой фазы или воздушно-плазменного напыления (APS).

9. Способ по п. 7, причем покрытие MCrAlY наносят посредством гальванического осаждения.