專利名稱：用于燃?xì)鉁u輪機(jī)組件的渦輪機(jī)護(hù)罩和形成該護(hù)罩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)護(hù)罩，且更具體地涉及多金屬材料的燃?xì)?渦輪機(jī)護(hù)罩，其具有應(yīng)用到護(hù)罩內(nèi)徑(即熱氣路側(cè))上的第二金屬材料 和形成護(hù)罩余下部分的第一金屬材料。選擇第二金屬來提供相對于第 一金屬材料的高溫性能。還公開了用于形成該護(hù)罩的方法。
背景技術(shù)：
典型地在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，多個固定的護(hù)罩分段被組裝成周向 地圍繞軸流式發(fā)動機(jī)軸線且徑向向外地圍繞旋轉(zhuǎn)葉片部件如渦輪葉 片，以限定葉片之上的徑向外部流路界限的一部分。另外，護(hù)罩分段
和/或發(fā)動機(jī)機(jī)架之間。固定的護(hù)罩將燃燒氣體限制在氣體流路中，以 便最高效率地利用燃燒氣體來轉(zhuǎn)動燃?xì)鉁u輪機(jī)。此流路的工作溫度可
高于50(TC。包括限定著內(nèi)徑的表面的護(hù)罩暴露在熱氣流路中。
現(xiàn)行慣例是由單一的金屬材料來制造整個護(hù)罩，例如有高溫能力 的超級合金或有高溫能力的不銹鋼。盡管通常認(rèn)為這是最實用的且較 簡單的解決方案，但因為整個護(hù)罩均由有高溫能力的材料形成，所以 使用該材料不具成本效率。其它的解決方案包括在護(hù)罩的表面上涂敷 熱障層，這也給護(hù)罩增添了顯著的成本。更復(fù)雜的設(shè)計包括增加護(hù)罩 的冷卻。然而，冷卻護(hù)罩直接且負(fù)面地影響了渦輪機(jī)效率。還有其它 所提出的解決方案包括使用彼此機(jī)械地附連的兩片式護(hù)罩。然而，如 人們將預(yù)想的那樣，使用兩片會在降低成本的同時降低渦輪機(jī)效率， 因為護(hù)罩將使用更多的冷卻空氣并增加部件的數(shù)量。
因此，本領(lǐng)域保持有對護(hù)罩改進(jìn)的需求，該護(hù)罩將具有成本效率、 提供最高的渦輪機(jī)效率并且能與當(dāng)前設(shè)計容易地結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
文中公開的是用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的護(hù)罩組件和用于制造該護(hù)罩組 件的方法。在一個實施例中，燃?xì)鉁u輪^L包括護(hù)罩，該護(hù)罩包括多個 互連的護(hù)罩分段，其中，各護(hù)罩分段均包括弧狀基部，該弧狀基部由 第一金屬材料形成，并由具有軸向構(gòu)件的環(huán)形部件和一對直立肋構(gòu)成 且具有凸緣，其中，該弧狀基部還包括結(jié)合到該弧狀基部的第一金屬 材料上的第二金屬材料，以便限定該護(hù)罩分段的內(nèi)徑。
在另一個實施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)包括護(hù)罩，該護(hù)罩包括多個互連 的護(hù)罩分段，其中，各護(hù)罩分段均包括弧狀基部，該弧狀基部由在低于800。C的溫度是穩(wěn)定的第一金屬材料形成，并由具有軸向構(gòu)件的環(huán) 形部件和一對直立肋構(gòu)成且具有凸緣；而第二金屬材料結(jié)合到第一金 屬材料上以便限定該護(hù)罩分段的內(nèi)徑，其中，第二金屬材料在高于600 'C溫度是穩(wěn)定的。
一種用于制造用于渦輪發(fā)動機(jī)的護(hù)罩的方法，包括形成具有一對 直立肋并具有凸緣的環(huán)，其中，該環(huán)由第一金屬材料形成；以及將第 二金屬材料結(jié)合到限定內(nèi)徑的該環(huán)的表面上。
通過下列詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求，例證了以上所述及其它的特征。


現(xiàn)在參看附圖，其中，相似的元件被相似地編號 慰1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的示范性護(hù)罩分段的截面視圖；和 '圖2為該護(hù)罩分段的透視圖。
零件清單
10 護(hù)罩分段
12 弧狀基部(第一金屬材料)
14 環(huán)形平^反狀部件
16直立肋
18直立肋
20凸緣
22凸緣
24腔
26冷卻通道
28冷卻通道
30第二金屬材料
具體實施例方式
現(xiàn)在參看圖1和圖2，示出了用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的護(hù)罩的護(hù)單分段 10。多個分段10限定了護(hù)罩，這些分段10周向地設(shè)置且與在其上安 裝渦輪葉片的轉(zhuǎn)子同心。通常，將護(hù)罩制造成環(huán)，分成段，然后成套 地提供給終端應(yīng)用。本發(fā)明不意圖局限于所示具體的護(hù)罩分段。
各護(hù)罩分段IO通常包括弧狀基部12，該弧狀基部12由具有軸向 構(gòu)件的環(huán)形平板狀部件14以及分別具有凸緣20和凸緣22的一對直 立肋16和18構(gòu)成。弧狀基部12由第一金屬材料形成。肋16，18和相 應(yīng)的凸緣20,22用于支承護(hù)罩基部12并限定冷卻通道和冷卻腔如腔 24。凸緣20，22還用來將護(hù)罩分段安裝在發(fā)動機(jī)外殼和安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)。 如圖2中所更清楚示出的那樣，在肋16,18中可布置附加的冷卻通道 26而且可包括用于支承的凹口 28。
限定護(hù)罩分段10的內(nèi)徑的第二金屬材料30 —體地附連(即結(jié)合) 到環(huán)形平板狀部件14的表面上，且在一個實施例中由有高溫能力即 在高于600。C的溫度是穩(wěn)定的材神+形成。相比之下，弧狀基部12由有 較低溫度能力即在高于大約800。C的溫度是不穩(wěn)定的材料形成。以這 種方式，由于第二金屬材料30的存在，雖然減少了用來制造護(hù)罩的 有高溫能力的材料數(shù)量，但在燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間，典型地暴露于熱 氣流路中的護(hù)罩分段仍能經(jīng)受住渦輪機(jī)運行時所用的溫度。第一金屬
材料即有較低溫度能力的材料通常比有更高溫度能力的村料更便宜， 可以使用此材料而不必犧牲護(hù)罩的實用性和運行壽命。這表現(xiàn)出顯著 的商業(yè)優(yōu)勢。
在一個實施例中，第一金屬材料選擇成在高于600。C的溫度是穩(wěn) 定的，而第二金屬材料選擇成在低于800。C的溫度是穩(wěn)定的。在其它 的實施例中，第二金屬材料選4奪成具有比第一金屬材料更高的熔化溫 度。通常，已發(fā)現(xiàn)較高穩(wěn)定性的材料比較低溫度穩(wěn)定性的材料更加昂 貴。
適當(dāng)?shù)牡诙饘俨牧鲜悄切┯懈邷啬芰Φ牟牧?，這些材料能經(jīng)受 由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的運行熱氣流路所提供的高溫。示范性的材料包 括但不限于超級合金。適當(dāng)?shù)某壓蟼涞湫偷貫殒嚮辖?、鐵基合金 或鈷基合金，其中，鎳、鐵或鈷在超級合金中的量按重量為羊一的最 多元素。說明性的鎳基超級合金至少包括鎳(Ni)，以及來自以下組中 的至少一種成分，該組包括鈷(Co)、鉻(Cr)、鋁(A1)、鎢(W)、鉬(Mo)、 鈦(Ti)、鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、錸(Re)、碳(C)、硼(B)、鉿(Hf)和鐵 (Fe)。鎳基超級合金的實例由商標(biāo)Haynes 、 Hasteloy 、 Incoloy 、 Inconel 、 Nimonic 、 Rene⑧(例如Rene 80合金、Rene 95合金、Rene 142 合金和Rene N5合金)和Udimet⑧所指定，并且包括定向凝固和單晶超 級合金。說明性的鈷基超級合金包括Co，以及來自以下組中的至少一 種成分，該組包括Ni、 Cr、 Al、 W、 Mo、 Ti和Fe。鈷基超級合金的 實例由商標(biāo)1^7加8@、 Nozzaloy 、 Stellite⑧和1;1"11^@的材料所指定。 說明性的4失基超級合金包括Fe和來自以下組中的至少一種成分，該 組包括Ni、 Co、 Cr、 Al、 W、 Mo、 Ti和錳(Mn)。 4失基超級合金的實 例由商標(biāo)Haynes⑧、1110)1(^@和Ni加nk^所指定。用于形成第二金屬材 料的其它適當(dāng)材料包括Haynes HR-120頂合金、Haynes 556頂合金、 Haynes⑧23(f合金、Haynes 188@合金、Hastelloy X合金或Inconel 738 合金。
用于形成弧狀基部12的適當(dāng)材料包括不銹鋼如AISI 304不銹鋼、310不銹鋼、AISI347不銹鋼、AISI410不銹鋼或超級合金如Haynes HR-120 合金。用于形成高溫層即外界側(cè)的其它適當(dāng)材料包括 Haynes HR-120 合金、Haynes 556 合金、Haynes 230⑧合金、 Haynes 188⑧合金、HastellQ, X合金或Inconel 738 合金。
基部12的適當(dāng)厚度將取決于具體的應(yīng)用和級而變化。例如，第 一金屬材料取決于在何處測量厚度而可以為大約1英寸至大約12英 寸厚，而形成在熱氣路側(cè)(即外界側(cè))上的第二金屬材料在一些實施例 中可以不到大約2英寸厚、在另外的實施例中大約l英寸厚以及在還 有的其它實施例中大約0.75英寸厚。
在制造護(hù)罩分段時，首先通過鍛造第一金屬材料的環(huán)或單獨的環(huán) 分段來形成護(hù)罩環(huán)，例如通過封閉式鍛造、無縫環(huán)鍛造及其變體等。 備選的是，護(hù)罩環(huán)或護(hù)罩分段可以由砂型鑄造、熔模鑄造、離心鑄造、 預(yù)制等形成。不意圖限制用于形成護(hù)罩環(huán)的具體方法。 一旦形成環(huán)， 便將第二金屬材料固定地附連到該環(huán)的內(nèi)徑上。有高溫能力的材料的 附連可以用任何方法并且包括這類技術(shù)如堆焊(weldbuildup)、帶極堆 焊(strip cladding)、銅焊、固態(tài)粘合等。第二金屬與第一金屬材料形成 一體。 一旦附接后，便將環(huán)切成分段并成套地提供給最終用戶。
下列實例用來進(jìn)一步地說明本工藝方法而非意圖限制其范圍。
實例
在此實例中，環(huán)由AISI 310不銹鋼(即第一金屬材料)鍛成，對于 AISI 310不銹鋼，通過堆焊方法將一層1^71^8@556@(第二金屬材料) 沉積在該鍛成環(huán)的內(nèi)徑上。最終使環(huán)直徑成圓形，并用帶鋸將環(huán)切成 分段。
文中所公開的范圍是包括性的和可結(jié)合的(例如，"高達(dá)大約25 的重量百分比，或更具體而言，大約5的重量百分比至大約20的重 量百分比"的范圍包括端點以及"大約5的重量百分比至大約25的 重量百分比"的范圍的全部中間值等)。"組合物"包括摻合物、混合
物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。此外，用語"第一"、"第二"等在文中不 表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用來將一個元件與另一個元件區(qū) 分開，且用語"一，，和"一個，，在文中不表示數(shù)量的限制，而是表示 存在所提及物件中的至少一個。結(jié)合數(shù)量使用的修飾詞"大約"包括 所述的值，并具有由上下文所指示的意思(例如，包括與具體數(shù)量的測 量有關(guān)的誤差度)。貫穿說明書提及"一個實施例"、"另一個實施例"、 "一實施例"等，結(jié)合該實施例描述具體要素(如特征、結(jié)構(gòu)和/或特 性)的方法包括在文中所述的至少一個實施例中，并且可以存在或不必 存在于其它的實施例中。另外，應(yīng)理解的是，所述元素可以任何適當(dāng) 的方式結(jié)合到各種實施例中。
所有引證的專利、專利申請及其它參考資料通過《I用完全地結(jié)合 在本文中。然而，如果本申請中的用語與所結(jié)合的參考資料中的用語 有矛盾或抵觸，出自本申請中的用語優(yōu)先于出自所結(jié)合的參考資料中 的4氐觸用語。
盡管已參考了優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解不脫離本發(fā)明的范圍便可做出各種變化并且可以用等同物來代替 其中的元件。另外，為使得具體的情形或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)，可 不脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍而做出多種修改。因此，其意閨是本發(fā)明不 限于被公開為設(shè)想用來實施本發(fā)明的最佳模式的具體實施例，而是本 發(fā)明將包括所有落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，包括:包括多個互連的護(hù)罩分段(10)的護(hù)罩，其中，所述護(hù)罩分段的每一個護(hù)罩分段均包括弧狀基部(12)，所述弧狀基部(12)由第一金屬材料形成，并且由具有軸向構(gòu)件的環(huán)形部件(14)和一對直立肋(16，18)構(gòu)成且具有凸緣(20，22)，其中，所述弧狀基部(12)還包括結(jié)合到所述弧狀基部(12)的第一金屬材料上的第二金屬材料(30)，以便限定所述護(hù)罩分段(10)的內(nèi)徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述第二 金屬材料(30)選擇成在高于60(TC的溫度是穩(wěn)定的，而所述第一金屬材 料選擇成在低于80(TC的溫度是穩(wěn)定的。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在 于，所述第二金屬材料(30)為超級合金。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在 于，所述第一金屬材料由不銹鋼形成。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在 于，所述第二金屬材料(30)具有比所述第 一金屬材料更高的熔點。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在 于，所述第二金屬材料(30)的厚度不到大約2英寸，并且所述第一金 屬材料的厚度為大約l英寸至大約12英寸。
7. —種用來制造用于渦輪發(fā)動機(jī)的護(hù)罩的方法，包括 形成具有一對直立肋(16,18)并具有凸緣(20,22)的環(huán)，其中，所述環(huán)由第 一金屬材料形成；以及將第二金屬材料(30)結(jié)合到限定內(nèi)徑的 所述環(huán)的表面上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二金屬材 料(30)選擇成在高于600。C的溫度是穩(wěn)定的，而所述第一金屬材料選擇 成在低于800。C的溫度是穩(wěn)定的。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，將 所述第二金屬材料(30)結(jié)合到所述第一金屬材料上包括堆焊法、帶極 堆焊法、銅焊法或固態(tài)粘合法。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所 述第二金屬材料(30)選擇成具有比所迷第 一金屬材料更高的熔點。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪機(jī)組件的渦輪機(jī)護(hù)罩和形成該護(hù)罩的方法，具體而言，涉及一種包括護(hù)罩的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，該護(hù)罩包括多個互連的護(hù)罩分段(10)，其中，該護(hù)罩分段的每一個護(hù)罩分段均包括由第一金屬材料形成的弧狀基部(12)。該弧狀基部(12)由具有軸向構(gòu)件的環(huán)形部件(14)和具有凸緣(16，18)的一對直立肋構(gòu)成，其中，該弧狀基部(12)還包括布置在該弧狀基部(12)表面上的有高溫能力的材料層(30)，以便限定該護(hù)罩分段(10)的內(nèi)徑(即熱氣路側(cè)或外界側(cè))。
文檔編號F01D25/24GK101372901SQ20081021368
公開日2009年2月25日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日
發(fā)明者C·H·特蘭斯格魯?shù)? D·諾沃克, M·J·邁爾斯, P·克里什納庫馬, R·L·趙 申請人:通用電氣公司