CN101120156A - 带有气膜冷却孔的构件 - Google Patents

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Abstract

由先有技术已知带有气膜冷却孔的涂层构件，该气膜冷却孔有一个通过所述涂层延伸到基质内的扩张段。按本发明将构件设计为，将整个扩张段(13)大部分设在该涂层(7、10)内。

Description

带有气膜冷却孔的构件
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述带有气膜冷却孔的构件。
应用于高温的构件由具有附加的防氧化、腐蚀和高温的保护层的超级高温合金组成。为此，构件的基质有一个防腐层，在防腐层上例如再施加一个外部陶瓷隔热层。为了附加地冷却，在基质和这些层中还加工一些通孔，冷却剂从这些通孔在外表面流出并有助于气膜冷却。在这里，气膜冷却孔在外表面附近扩展成所谓扩张段。由此在新制带有气膜冷却孔的构件时产生困难，因为扩张段不仅通过这些层而且大部分加工在基质内。在构件整修时，亦即在构件再加工时存在的问题是，此时通孔已经存在以及基质必须重新施加涂层，从而在此以后还必须在通孔内从扩张段的区域去除涂层材料。
US-PS4743462公开了一种封闭气膜冷却孔的方法，其中将由插针和锥形头组成的塞子插入气膜冷却孔中。由此在涂层内部获得一种钟形的凹陷。然而这种凹陷不能用作扩张段，因为它构成对称的。此外，头部的作用方式在于，在涂层时头部材料蒸发。由此对于多个气膜冷却孔不能制成准确的可再现的凹陷。
US6573474的图3公开了气膜冷却孔的一种类似的对称扩展。
EP1350860A1公开了一种遮蔽气膜冷却孔的方法。遮蔽剂的材料选择为，使在随后的涂层期间不使涂层材料离析。在这种情况下不能在涂层内部制成准确的能再现的凹陷形状。此外在这里没有说明扩张段。
EP1091090A2公开了一种气膜冷却孔，其中，在涂层内加工一个槽，并使该槽沿多个气膜冷却孔延伸。气膜冷却孔和槽都没有扩张区。
US-PS5941686公开了一种其中基质被加工的分层系统。但没有公开扩张区。
EP1076107A1公开了一种遮蔽气膜冷却孔的方法，其中，分别在气膜冷却孔内造成一个从孔伸出的塞子。为此，在第一步通过气膜冷却孔鼓风并施加一个涂层，然后将要制成塞子的前体装入气膜冷却孔内和涂层内。塞子处于临时涂层内部的那一部分的形状，取决于通过气膜冷却孔鼓吹介质的强度以及临时涂层如何进行涂覆。因此塞子从孔伸出部分的形状不能再现。
因此本发明的目的是克服这些疑难问题。
此目的通过按权利要求1的构件达到。
在从属权利要求中列举其他有利的措施，它们可按有利的方式互相任意组合。
其中：
图1至6表示按本发明带有气膜冷却孔的构件实施例；
图7、8表示按本发明的气膜冷却孔俯视图；
图9至13表示气膜冷却孔的设计；
图14说明先有技术的缺点；
图15表示涡轮叶片；
图16表示燃烧窒；以及
图17表示燃气轮机。
图1表示由基质4和唯一的外层7组成的构件1、120、130、138、155。基质4尤其在燃气轮机的构件120、130、138、155中是一种铁基、镍基和/或钴基的超级高温合金。外层7优选地是以MCrAlX合金为基的抗腐蚀和/或抗氧化层(图15)。但它也可以是陶瓷的。
基质4和层7有至少一个气膜冷却孔28，它在运行时使用条件下的高温侧22有一个扩张段13，它与靠近冷却源31的气膜冷却孔28下部24的例如圆柱形、长方形或通常所谓对称的轮廓49不同以及横截面增大。
因此气膜冷却孔28由下部24和外部扩张段13组成。扩张段13有出口58，它被热燃气沿溢流方向37流过。扩张段13由轮廓49假想的直至表面25的延续部分12和附属部分14构成(图2)，后者与延续部分12的一个或多个侧面连接。在图1的横截面图中，附属部分14优选地有楔形。也就是说，扩张段13在外表面的平面内没有旋转对称性，其中，非对称形状的重心从轮廓49对称形状的重心朝溢流方向37移动。沿垂直线27朝外表面25的方向，气膜冷却孔28垂直于垂直线的横截面积较大，也就是说，扩张段13全部或优选地部分设计为漏斗状。
按本发明，扩张段13大部分处于唯一的层7内部，也就是说，当扩张段13沿构件1垂直于外表面25或垂直于溢流方向37的垂直线27在深度上以总长度19延伸时，造成扩张段13的一个基质长度16，它说明扩张段13在基质4内的部分。基质长度16设计为明显小于总长度19。总层厚26(在这里是层7)构成扩张段13总长度19的其余部分。层厚26是总长度19的至少50％，优选地至少60％或至少70％，尤其80％或90％。
与之不同，扩张段13也可以完全设在唯一的层7中(图3，层厚26＝总长度19)。
图4中在基质4上存在两层。这仍是一个防腐和防氧化层7，在层7上还施加一个外部陶瓷隔热层10。与图1中一样有扩张段13的长度16、19，其中，层厚26仍为总长度19的至少50％、60％或尤其70％，尤其80％或90％。同样，扩张段13可以完全设在两层7、10中(图5)。与按图4、5的两层相应，这也适用于三层或更多层。
通过将扩张段13大部分或完全设在层7、10内得到一些优点，也就是说，由此在构件1再加工时，例如在激光清除或去除下部24上方在构件1重新涂层后覆盖了出口58的材料方面，激光器或其他加工器具只须针对层7、10的材料调整，而无须顾及对其他材料亦即基质4的加工。
图6表示通过带有气膜冷却孔28的构件1横截面。基质4有一个外表面43，其上施加所述至少一层7、10。扩张段13例如大部分(按图1、3、4、5)设在层7、10内，但也可以全部存在于基质4内或大部分存在于基质4内。
气膜冷却孔28的下部24在纵剖面内例如有对称线46。对称线46例如也意味是冷却剂流过气膜冷却孔28的流出方向46。在气膜冷却孔28内侧平行于对称线46延伸或是对称线46在气膜冷却孔28下部24的内侧上投影的轮廓线47，与外表面43构成一个锐角α1，它尤其为30°+/-10％。因此，气膜冷却孔28朝溢流方向37倾斜。气膜冷却孔28的边长a28(图8)或直径φ28例如在工作叶片中约为0.62mm或0.7mm和在导向叶片中约为0.71mm或0.8mm。
沿下部24的轮廓49优选地平行于流出方向46延伸的轮廓线47，与扩张线48构成一个锐角α2，扩张线在扩张段13附属部分14内表面50上延伸并意味是溢流方向37在扩张段13附属部分14内表面50上的投影。此角度α2尤其等于10°+/-10％。下部24沿对称线46有恒定的横截面，它尤其有一种n重旋转对称性(长方形、矩形、圆形、椭圆形、...)。
扩张段13通过扩展气膜冷却孔28的横截面积形成，亦即在纵剖面内设计为漏斗状。轮廓49的附属部分14没有必要完全绕气膜冷却孔28的出口58延伸，而是仅部分地，尤其绕出口58圆周的一半或少于一半延伸。优选地，扩张段13沿热燃气22的溢流方向37看仅设在出口58的后部区内(图7)。扩张段13或附属部分14的侧线38在俯视图内例如平行于溢流方向37延伸(图7)。
所述至少一层7、10的整个层厚约为400μm至700μm，尤其600μm。
图8表示气膜冷却孔28另一种设计以及表示在分层系统或构件1外表面25平面内的扩张段13俯视图。附属部分14在此外表面25的平面内例如有一种梯形。在外表面25平面内，扩张段13的附属部分14沿溢流方向37有纵向长度l1，优选地约为3mm。扩张段13在表面内，亦即垂直于溢流方向测量的最大宽度，亦即最大横向长度l2，优选地，在工作叶片中尺寸为2+/-0.2mm和在导向叶片中的尺寸为4+/-0.2mm，最多等于8mm。在图8的实施例中，扩张段13的扩展在扩展的前缘62，亦即在附属部分14开始，以及沿溢流方向37扩展。在外表面25平面内，溢流方向37与附属部分14的侧边界线38构成一个锐角α3，尤其10°+/-10％。
优选地与下部24例如相对于两根互相垂直的轴线对称的轮廓49不同，扩张段13横向于溢流方向37分别扩展一个尤其10°+/-10％的角α3，在这里，所述的扩展在气膜冷却孔28(沿溢流方向37看)的前缘61已经开始并一直延伸到后缘64。因此，扩张段13在表面25的平面内有梯形横截面(图9)。
扩张段13通过材料切除法例如借助电子束或激光束造成。只有这样才能准确和以能再现的方式制成多个冷却孔。
图10、11、12和13表示不同轮廓形状的气膜冷却孔28。在这里气膜冷却孔28的下部24仅举例设计为长方六面体状，但也可以有圆形或椭圆形的横截面形状。
图10中扩张段13例如只朝溢流方向37加长，所以出口58的横截面大于下部24的横截面。也就是说此气膜冷却孔28与按图2、6或7的气膜冷却孔相应。
由图10出发，在图11中表示了一种气膜冷却孔28，它还沿溢流方向37横向于溢流方向37扩展，因此相应于图8。
在图12中扩张段13例如仅横向于溢流方向37扩展，所以在这里出口58的横截面也大于下部24的横截面。气膜冷却孔28例如由长方六面体状的下部24组成，形状上为一个带平行的梯形侧面的六方体的扩张段13与之连接。
在图13中，扩张段13不仅沿溢流方向37而且沿横向于溢流方向37的两个方向扩展。
由图6、7、8、9、10、11和13可以分别看出，沿溢流方向看扩张段13大部分设在出口58后面。也就是说，这意味着扩张段13沿溢流方向37看设计为非对称扩展。在外表面25的高度上不希望气膜冷却孔28下部24横截面均匀扩展。图6可以清楚看出并说明，附属部分14意味是横截面沿溢流方向37的扩展，由此构成扩张段13。按图7的对于图6的俯视图也表示了这一情况。在图8中气膜冷却孔沿溢流方向37横截面口的扩展从线62起开始。在图9中扩张段13的扩张在沿溢流方向37看的前缘61处已经开始。在外表面25的高度上，气膜冷却孔28横截面逆溢流方向37，亦即在前缘61前不存在扩展，或与横截面沿溢流方向37的扩展相比只有很小的程度。
图15表示涡轮机工作叶片120或导向叶片130的透视图，它沿纵轴线121延伸。
涡轮机可以是飞机或发电用的电站的燃气轮机、汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地有固定区400、与之邻接的叶片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，叶片130在其叶片顶端415可以有另一个平台(图中没有表示)。
在固定区400内构成叶根183，它用于将工作叶片120、130(？)固定在轴或盘上(图中没有表示)。叶根183例如设计为锤头状。也可以不同地设计为枞树形或燕尾形叶根。叶片120、130有用于一种在叶身406上流过的介质的进口边409和出口边412。
在传统的叶片120、130中叶片120、130所有的区域400、403、406例如均使用实心的金属材料，尤其超级高温合金。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这些超级高温合金；这些文件在合金的化学成分方面的公开内容是本申请公开内容的一部分。在这里，叶片120、130可通过还借助定向凝固的铸造法、通过锻造法、通过铣削法或组合这些方法制成。
有单晶结构或多结构的工件用作一些机器的构件，这些机器在运行时遭受高的机械、热和/或化学负荷。这种单晶工件的制造例如通过熔体的定向凝固完成。在这里涉及铸造方法，按此方法液态的金属合金定向凝固为单晶结构，亦即单晶工件。其中树枝状晶体沿热流定向，以及，或构成一种条状晶体结构(柱状的，亦即沿工件的全长延伸的晶粒，以及在这里按一般的习惯用语称为定向凝固的晶粒)，或构成一种单晶结构，亦即整个工件由(单个)晶体组成。在此方法中必须避免转变为球状(多晶的)凝固，因为通过不定向生长必然构成横向和纵向的晶界，它们使定向凝固或单晶构件的良好特性消失。因此，若笼统地谈论定向凝固组织，则既指没有晶界或最多有小角度晶界的单晶体，也指条状晶体结构，它们虽然有纵向延伸的晶界，但没有横向晶界。对于上述第二种晶体结构人们还称其为定向凝固组织(directionallysolidified structures)。这些方法由US-PS6024792和EP0892090A1已知；这些文件也是本申请公开内容的一部分。
叶片120、130同样可以有防腐或防氧化的镀层(MCrAlX；其中M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素，亦即铪(Hf))。这些合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它们在合金的化学成分方面的公开内容也应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个隔热层，以及例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。
再加工(整修)的意思是，构件120、130在它们使用后必要时必须除去防护层(例如通过喷砂处理)。然后进行腐蚀和/或氧化层亦即腐蚀和/或氧化产物的去除。必要时也还应修理构件120、130中的裂纹。在这之后进行构件120、130的再加工和重新使用构件120、130。
叶片120、130可以设计为空心或实心。若叶片120、130应冷却，则它们是空心的和必要时还有气膜冷却孔418(图中用虚线表示)。
图16表示燃气轮机100的燃烧室110。此燃烧室110例如设计为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向绕旋转轴线102排列的燃烧器107汇入一个公共的产生火焰156的燃烧室腔154内。为此，燃烧室110总体上设计为环形结构，它围绕着旋转轴线102定位。
为了达到比较高的效率，燃烧室110针对工质M比较高的约1000℃至1600℃温度设计。为了即使在这种对于材料不利的运行参数下仍能有比较长的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M那一侧设置一种由热屏元件155构成的内衬。每个由合金制成的热屏元件155在工质侧设计有一种特别耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷层)或用耐高温的材料(实心陶瓷片)制成。这些保护层可类似于涡轮叶片，也就是说这意味着例如是MCrAlX材料；其中M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素，亦即铪(Hf)。这些合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它们在合金的化学成分方面的公开内容应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个例如陶瓷隔热层以及例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。
再加工(整修)的意思是，热屏元件155在它们使用后必要时必须除去防护层(例如通过喷砂处理)。然后进行腐蚀和/或氧化层亦即腐蚀和/或氧化产物的去除。必要时也还应修理热屏元件155中的裂纹。在这之后进行热屏元件155的再加工和重新使用热屏元件155。
此外，基于燃烧室110内部高的温度，可为热屏元件155或为其固定件设置冷却系统。因此热屏元件155例如是空心的并在必要时还有汇入燃烧室腔154内的气膜冷却孔(未表示)。
图17举例表示燃气轮机100的局部纵剖面。燃气轮机100在内部有一个绕旋转轴线102旋转地支承的带轴101的转子103，它也称为涡轮转子。沿转子103彼此相继地有进气机匣104、压气机105、例如花托状有多个同轴排列的燃烧器107的燃烧室110，尤其环形燃烧室、涡轮108和排气机匣109。环形燃烧室110与一个例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个串联的涡轮级112构成涡轮108。每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流向看，在热燃气通道111内随导向叶片环115之后的是一个由工作叶片120组成的叶片环125。
在这里，导向叶片130固定在定子143的一个内机匣138上，反之，叶片环125的工作叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。在转子103上连接发电机或加工机械(图中未表示)。
在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过进气机匣104吸入并压缩空气135。压气机105在涡轮一侧的端部制备好的压缩空气供入燃烧器107，并在那里与燃料混合。然后此混合物为了形成工质113在燃烧室110内燃烧。工质113从那里流出，沿热燃气通通111经过导向叶片130和工作叶片120。工质113在工作叶片120处膨胀，传递冲量，因此工作叶片120推动转子103，以及转子驱动与它连接的加工机械。
遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间受到热负荷。除了作为环形燃烧室106衬垫的热屏片外，沿工质113流向看第一级涡轮112的导向叶片130和工作叶片120热负荷最大。为了承受住那里存在的温度，它们可借助一种冷却剂冷却。构件的基质同样可以有一种定向结构，也就是说，它们是单晶体(SX结构)或只有纵向晶粒(DS结构)。作为构件的材料，尤其用于涡轮叶片120、130及燃烧室110构件的材料，例如采用铁基、镍基或钴基的超级高温合金。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这些超级高温合金；这些文件在合金的化学成分方面的公开内容是本申请公开内容的一部分。
叶片120、130同样可以有防腐蚀的镀层(MCrAlX；其中M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素，亦即铪)。这些合金由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它们在化学成分方面的公开内容应是本申请公开内容的一部分。
在MCrAlX上还可以存在一个例如陶瓷隔热层以及例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束喷雾(EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。
导向叶片130有一个面朝涡轮108内机匣138的导向叶片叶根(图中未表示)和一个与导向叶片叶根对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部面朝转子103并固定在定子143的固定环140上。

Claims (15)

1.一种带有至少一个气膜冷却孔(28)的构件，其中，该构件(1)由一基质(4)和至少一涂层(7、10)组成，以及，所述气膜冷却孔(28)在外部区有一扩张段(13)，其特征为：整个扩张段(13)大部分设在所述至少一层(7、10)内；整个层厚(26)是所述扩张段(13)沿垂直于所述至少一层(7、10)的外表面(25)的垂直线(27)测得的总长度(19)的至少60％，尤其是70％。
2.按照权利要求1所述的构件，其特征为，所述层厚(26)至少是所述扩张段(13)总长度(19)的至少80％，尤其是90％。
3.按照权利要求1所述的构件，其特征为，所述层厚(26)等于所述扩张段(13)的总长度(19)。
4.按照权利要求1、2或3所述的构件，其特征为，所述基质(4)有一个外表面(43)；以及，所述气膜冷却孔(28)相对于该外表面(43)形成一个不为0°，尤其是30°-45°的锐角(α1)并在所述至少一层(7、10)内延伸。
5.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的构件，其特征为，热燃气沿溢流方向(37)流过气膜冷却孔(28)；一种介质沿流出方向(46)流过气膜冷却孔(28)；气膜冷却孔(28)有一个下部(24)；作为气膜冷却孔(28)一部分的所述扩张段(13)与该下部(24)连接以及沿流出方向(46)有一种垂直于该流出方向(46)扩展的横截面，其中，所述扩张段(13)的横截面尤其只沿所述溢流方向(37)扩展。
6.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的构件，其特征为，热燃气沿溢流方向(37)流过气膜冷却孔(28)；一种介质沿流出方向(46)流过气膜冷却孔(28)；气膜冷却孔(28)有一个下部(24)；作为气膜冷却孔(28)一部分的所述扩张段(13)与该下部(24)连接；该下部(24)轮廓(49)的轮廓线(47)平行于流出方向(46)延伸；一扩张线(48)在所述扩张段(13)内侧延伸，它(48)是溢流方向(37)在该扩张段(13)的一附属部分(14)内表面上的投影；以及，该扩张线(48)与所述轮廓线(47)之间形成一个尤其为10°的锐角(α2)。
7.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的构件，其特征为，热燃气沿溢流方向(37)流过气膜冷却孔(28)；气膜冷却孔(28)有一个下部(24)；作为气膜冷却孔(28)一部分的所述扩张段(13)与该下部(24)连接；以及，所述扩张段(13)在层(7、10)外表面(25)的平面内，沿溢流方向(37)与该溢流方向(37)形成一个尤其约10°的锐角(α3)，并横向于溢流方向(37)扩展。
8.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的构件，其特征为，热燃气沿溢流方向(37)流过气膜冷却孔(28)；一种介质沿流出方向(46)流过气膜冷却孔(28)；气膜冷却孔(28)有一个下部(24)；作为气膜冷却孔(28)一部分的所述扩张段(13)与该下部(24)连接以及沿流出方向(46)有一种垂直于流出方向(46)扩展的横截面，其中，所述扩张段(13)的表面沿溢流方向(37)看在表面(25)的高度上大部分设在所述气膜冷却孔(28)后面。
9.按照权利要求7所述的构件，其特征为，所述气膜冷却孔(28)的出口(58)沿溢流方向(37)有一个前缘(61)和一个后缘(64)；以及，所述扩张段(13)在出口平面内从前缘(61)起扩展，使得所述扩张段(13)在外表面(25)的平面内设计成梯形。
10.按照权利要求7所述的构件，其特征为，所述扩张段(13)由下部(24)轮廓(49)的延续部分与一附属部分(14)组成；以及，仅扩张段(13)的该附属部分(14)朝外表面(25)方向扩展为，使它(14)在外表面(25)平面内成梯形。
11.按照权利要求9所述的构件，其特征为，在所述表面(25)的平面内，在溢流方向(37)与所述扩张段(13)附属部分(14)的侧向边界线(38)之间形成一个尤其为10°的锐角(α3)。
12.按照权利要求5或7所述的构件，其特征为，所述扩张段(13)在外表面(25)的平面内沿溢流方向(37)有一个尤其为3mm的纵向长度(l1)；以及，垂直于纵向长度(l1)最宽的横向长度(l2)最多为10mm，尤其为2至4mm。
13.按照权利要求1、2或3所述的构件，其特征为，一外层(10)施加在一中间层(7)上。
14.按照权利要求12所述的构件，其特征为，所述中间层由MCrAlX类型的合金组成；以及，所述外层(10)尤其是一个陶瓷隔热层。
15.按照权利要求1、12或13所述的构件，其特征为，所述构件(1)是汽轮机或燃气轮机(100)的构件(1)，尤其是涡轮叶片(120、130)、热屏元件(155)。
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