[发明专利]带有冷却通道的构件及制造方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气轮机发动机，并且更具体而言，涉及其中的微通道冷却。

背景技术

在燃气轮机发动机中，空气在压缩机中加压，并在燃烧器中与燃料混合以产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中提取能量，高压涡轮(HPT)向压缩机提供动力，而低压涡轮(LPT)在涡轮风扇航空发动机应用中向风扇提供动力，或者向用于船舶和工业应用的外部轴提供动力。

发动机效率随着燃烧气体的温度的升高而上升。然而，燃烧气体沿着其流径加热多种构件，这些构件继而需要对它们进行的冷却以获得长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机放出空气来冷却热气路径构件。该冷却过程降低了发动机效率，因为放出的空气没有用于燃烧过程中。

燃气轮机发动机冷却技术是成熟的，并且针对多种热气路径构件中的冷却回路和特征的多种方面包括许多专利。例如，燃烧器包括在运行期间需要冷却的径向外部衬套和径向内部衬套。涡轮喷嘴包括支承在外部带(band)和内部带之间的也需要冷却的中空导叶。涡轮转子叶片是中空的，并且典型地在其中包括冷却回路，叶片被也需要冷却的涡轮护罩包围。热的燃烧气体通过排气装置排出，该排气装置可能也是加了衬套的并被适当地冷却。

在所有这些示例性的燃气轮机发动机构件中，典型地使用了高强度超合金制成的薄金属壁，以增强耐久性同时最大程度地减小其冷却需要。针对在其在发动机中的对应的环境中的这些单独的构件定制了多种冷却回路和特征。例如，一系列内部冷却通路或盘管可形成于热气路径构件中。冷却流体可从气室提供至盘管，并且冷却流体可流过通路，从而冷却热气路径构件的衬底和涂覆物。然而，这种冷却策略典型地导致有相当低的传热速率和不均匀的构件温度分布。

微通道冷却具有潜力来通过将冷却布置成尽可能靠近受热区域而显著地降低冷却需求，从而针对给定的传热速率减小主承载衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。当前，借助于通过整个衬底壁而钻到翼型件内部的膜孔来提供冷却。然而，用于形成膜孔的过程可能是劳动密集型的、耗时的，并且因此相对昂贵。另外，因为尺寸限制的原因，可能难以使膜孔适用于微通道冷却。

因此，提供一种克服了这些及其它问题的用于形成膜孔以允许冷却剂离开冷却通道的方法将是合乎需要的。

发明内容

本发明的一个方面在于一种制造构件的方法。该方法包括在衬底的外表面中形成一个或多个凹槽。各个凹槽至少部分地沿着衬底的表面延伸，并具有基底、顶部以及至少一个排出点。该方法进一步包括形成邻近各个凹槽的相应的排出点的流出区域，以及在衬底的表面的至少一部分上面设置涂覆物。凹槽(一个或多个)和涂覆物限定用于冷却构件的一个或多个通道。

本发明的另一方面在于一种构件，该构件包括衬底，衬底包括外表面和内表面。外表面限定一个或多个凹槽和一个或多个流出区域。各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并具有基部和至少一个排出点。各个流出区域邻近相应的凹槽的相应的排出点。该构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂覆物，使得凹槽(一个或多个)和涂覆物共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些及其它的特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中代表相同部件，其中：

图1为燃气轮机系统的示意图；

图2为根据本发明的各方面的带有冷却微通道的示例翼型件构造的示意性横截面；

图3在透视图中示意性地描绘了部分地沿着衬底的外表面延伸且将冷却剂引导至形成于衬底的外表面中的相应的流出区域的三个示例冷却通道；

图4为图3的示例冷却通道中的一个的横截面图，并且显示了将冷却剂输送至形成于冷却通道的排出点处的斜的流出区域的通道；

图5显示应用有涂覆物的图4的示例冷却通道；

图6显示带有膜孔的图5的示例冷却通道，该膜孔通过移除流出区域中的涂覆物的一部分而形成于流出区域中；

图7为比相应的凹槽更宽的示例流出区域的俯视图；

图8为比相应的凹槽更宽的示例扩散器形流出区域的俯视图；

图9示意性地描绘了在衬底的外表面中使用磨蚀性液体射流形成三个示例凹槽或流出区域；

图10示意性地描绘了用于形成凹槽和凹槽的排出端处的斜的流出区域的示例加工路径；

图11-图16示意性地示出了使用短效涂覆物和牺牲填料形成凹槽和流出区域的方法；