CN101128649B - 具有嵌入式通道的部件，尤其是涡轮机的热气部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种部件，尤其是涡轮机的热气部件，该部件具有至少一条嵌入所述涡轮机的部件(1)的外壁(5)中的并且基本上平行于所述部件(1)的表面(6)延伸的通道(7、7’)尤其是冷却通道，其中所述部件(1)具有一个基体(8)以及至少一层在外侧涂到该基体(8)上的涂层(9)，并且其中所述通道(7、7’)一方面由加入到所述基体(8)中的凹处所形成，并且另一方面通过所述涂层(9)朝所述部件(1)的表面(6)封闭。

Description

具有嵌入式通道的部件，尤其是涡轮机的热气部件

技术领域

本发明涉及一种部件，尤其是涡轮机的热气部件，所述部件具有至少一条嵌入该部件的外壁中并且基本上平行于且靠近所述部件的表面延伸的通道，该通道尤其用于接纳冷却剂。

除此以外，本发明还涉及一种用于在部件中制造至少一条这样的通道的方法。

背景技术

现代的涡轮机例如燃气轮机在运行过程中经受很高的负荷。这样的涡轮机经常用高于800℃的热的气体来运行并且同时经受高的机械负荷。在过去数十年里涡轮机功率的不断增加归根到底基于两方面的改进。一方面不断开发出新型的效率高的材料如单晶合金，由此可以提高处于热气体的流动横截面中的部件的负荷能力，并且另一方面开发不断得到改进的冷却系统和温度保护层，所述冷却系统和温度保护层提高了涡轮机入口温度并且由此提高了涡轮机功率。尤其所述单晶合金如CMSX2、CMSX4或MK4已经导致温度敏感性的显著降低并且由此导致在高温下机械性能的显著改善。因为燃气轮机的效率直接与热气的入口温度有关，所以多年以来热气温度不断上升，从而尤其在前几个涡轮级中就已经达到了超过在那里使用的合金的熔化温度的气体温度。为了防止热气部件或所使用的合金遭到损坏，开发了复杂的内部冷却系统，所述冷却系统如此对处于流动横截面中的部件进行冷却，使得这些部件处于一个临界温度极限以下，在该温度极限时所述部件会遭到损坏。在这种情况下对所有冷却系统来说共同点是必须在所期望的冷却效果、存在的冷却空气量以及成本之间形成折衷。

为冷却所需要的冷却空气一般由压缩机来提供，并且通过内部的冷却系统分配到有待冷却的部件上。

通常将不同的冷却方法进行组合，比如将这样的基于对流的热传导的方法与薄膜式冷却或蒸腾式冷却相组合。在这种情况下，所述部件比如具有内部的、蛇形曲线状延伸的冷却通道，所述冷却通道与许多处于所述部件的表面上的排出口相互连通地共同作用，由此产生薄膜式冷却或蒸腾式冷却。在此，如果有待冷却的壁体具有尽可能小的壁厚，则可实现特别有效的冷却效果(EP 0 964 981)。

计算表明，如此设计热气部件的冷却方法，从而提供一个靠近表面的冷却通道系统，所述冷却通道至少在其一个端部上与所述内部的多数以蛇形曲线从叶片内部穿过的冷却剂通道相连同，而至少另一个端部则与冷却路径相连接，所述冷却路径导向表面并且在那里实现薄膜式冷却或蒸腾式冷却，在没有消耗额外的冷却空气的情况下导致涡轮机入口温度上升50K到125K并且由此导致机器功率的显著改进。

但是因为通过所述部件尤其涡轮机叶片的冷却所述发电站设备的总效率下降，所以在这里也必须在涡轮机功率和涡轮机冷却之间进行折衷。

借助于可冷却的、就象比如在EP 1 462 611，～612，～613中所介绍的壁体结构来实现另一种效率高的对流的冷却系统。在此，所述热气部件的壁体设有冷却通道网。为有利于有效的冷却，优选将这些壁体构造得很薄并且将所述冷却通道敷设在经受热负荷的表面的附近。通过这种方式，成功地提供一种效率高的冷却方法。但是，在加工技术上所述内部的冷却通道的制造极其复杂，并且因此极为昂贵。

为减少这种缺点，已经公开一种用于制造或维修在燃气轮机的热气部件中靠近表面的冷却通道的方法，该方法基本上建立在以下基础上，即在这些部件的基体上加上型材，该型材与所述冷却通道的后来的结构相应。这要么通过将一种热稳定的填充材料以相应的结构加到所述基体的表面上这种方法实现，要么首先以机械方式从所述基体表面上加工出这种结构并且随后用所述热稳定的填充材料来填满如此产生的凹处实现。在接下来的步骤中，借助于涂覆方法至少在冷却结构的区域中涂上一种涂层材料。后来再去除填充材料，由此露出所述冷却通道。

在EP 1 065 026以及在后来的公开文献如EP 1 462 611和～12中都公开了这种类型的建议。

通过这些解决方案一方面可以在涡轮机的部件中提供冷却通道网络，该冷却通道网络一方面通过其紧挨着布置在外壁的表面下方的位置对所述部件进行有效冷却，并且另一方面可以放弃开销很大的铸模并且产生更低的废品率。一般说来，所述嵌入部件的外壁中的冷却通道也可以与其它的冷却方式比如上述蒸腾式冷却相组合，由此可以实现高的灵活性和更宽的使用范围。

但是加工开销较高尤其定期要求后处理以便以后去除填充材料，这一切还总是这种方法的缺点。

发明内容

现在开始讲述本发明。如在权利要求中所表明的一样，本发明的任务是提供一种开头所述类型的涡轮机部件，所述部件尤其具有一种得到改进的冷却系统，该冷却系统的加工开销大为降低。除此以外，本发明的任务是提供一种方法，该方法用于制造至少一条嵌入所述部件的外壁中的通道。

按本发明，这些任务通过独立权利要求的主题得到解决。优选的实施方式是从属权利要求的主题。

本发明基于这样的基本构思，即在开头所述类型的涡轮机的部件上在第一步骤中首先在所述基体的表面上产生冷却剂通道的结构，并且在另一个步骤中在直接跨接所产生的冷却剂通道并且没有用填充材料遮盖这些冷却剂通道的情况下涂上涂层材料。

由此通过按本发明的解决方案可以在涡轮机的部件中提供多个冷却通道，并且一方面可以简单地制造该部件并且另一方面可以通过其紧挨着布置在所述外壁的表面下方的位置对该部件进行有效冷却，其中可以省去开销很大的对该部件进行的后处理作业，所述后处理作业用于去除填充材料并且用于露出制造好的冷却剂通道。制造开销以及由此制造成本也明显降低。所述加入到基体中的凹处就象所述涂层一样可以完全自动化地制造或者说施加，由此使所述部件具有特别高的质量以及由此很长的使用寿命。

一般来说，所述嵌入部件的外壁中的冷却通道也可以与其它的冷却策略如上述蒸腾式冷却进行组合，由此可以实现特别高的灵活性及更宽的使用范围。

优选所述基体具有方向相同的晶粒结构和/或单晶结构。如果晶体的晶胞也就是说离子、原子或分子形成统一均匀的晶格，那我们就将其称为单晶结构。通过一种所述的单晶体，可以避免晶粒比如由于在涡轮机中产生的离心力而沿晶界滑移，因为在单晶体上只有一个唯一的晶粒，该晶粒同时也是晶体。

在本发明的另一种优选的实施方式中，至少一条通道与至少一个通到所述部件的表面上的排出口连通。由此这个特别有效的密封地在所述表面下方延伸的冷却系统与一种公开的薄膜式冷却相组合，所述薄膜式冷却通过冷却空气不断通过所述排出口的流出来产生一层分布在所述部件的表面上的冷却剂薄膜。在此涉及一种所谓的敞开式冷却系统，在该冷却系统上从一个具有较高压力的、比如从燃气轮机设备的压缩机分支出来的冷却剂源开始，不断地将冷却剂通常是空气通过所述有待冷却的部件的内部冷却通道导入该部件中直到所述外壁中的排出口。

在另一种优选的实施方式中，通道纵轴线与所述部件的表面相隔少于3毫米。由此可以直接而快速地将冷却作用传递给所述表面，由此可以产生特别高的冷却效果。除此以外在这种情况下可以设想，多条通道形成一个连通的通道网络并且由此对所述部件的表面进行均匀的表面冷却。除此以外，通过在所述冷却通道网络内部的不同的横截面可以向冷却空气在部件内部的精确分布施加影响，从而比如为有待强烈冷却的区域配设具有较大横截面的冷却通道，与此相反需要冷却的程度较小的区域则具有配设较小横截面的冷却通道。

优选所述凹处的宽度至少在表面的区域中小于1毫米。优选所述宽度甚至仅仅大约为0.2毫米，由此通过所涂上的涂层简化该凹处宽度的跨接。在凹处宽度很小时，也避免所涂上的涂层过度地进入所述凹处中，因为两条边缘或者说凹处壁体与进入的涂层量相比具有很大的表面并且由此使所述涂层快速硬化。除此以外，所述凹处的很小的宽度具有这样的优点，即与具有较大的宽度的凹处相比，可以在所述部件也就是涡轮机叶片的表面上拉出网目更密的冷却通道网络，并且由此可以获得更加均匀的或者说可以个别地更好匹配的冷却功率。

按本发明的涡轮机的其它重要特征和优点由从属权利要求、附图及所属的借助于附图进行的附图说明获得。

附图说明

本发明优选的实施例在附图中示出，并且在下面的说明中进行更详细地解释，其中相同的附图标记涉及相同的或者类似的或者功能相同的部件。其中：

图1是按本发明的涡轮机的部件，该部件具有部分看得出的并且嵌入所述部件的外壁中的通道，

图2是所述部件沿截面II-II的横截面；

图3是嵌入所述部件的外壁中的冷却通道的详细视图，

图4是在将通道封闭的涂层的区域中的横截面的显著放大的截取部分，

图5是如图4的视图，但是具有事先加热的基体，

图6是如图3的视图，但在另一种实施方式中。

具体实施方式

按照图1，在其余方面没有示出的涡轮机的部件1具有一个区域2，该区域2在所述涡轮机运行时被热气所环流。所述部件1可以如在图1中示范性地示出的一样是燃气轮机的叶片3、导向叶片或工作轮叶片。在其夹持端上，所述叶片3汇入叶根4中，利用该叶根4将这个叶片3比如固定在定子或转子上。为了提高涡轮机的效率，期望尽可能高的涡轮机入口温度。但是很高的涡轮机入口温度会影响到所述用热气体加载的部件1的使用寿命，如果所述部件1没有得到足够的保护。为防止所述部件1经受很高的热气体温度，在原理上采取两种不同的路径。一方面试图通过相应的材料选择比如通过使用镍基合金和/或绝热层来正面地影响所述与热气体直接接触的部件1的温度稳定性，并且另一方面主动地对所述部件1进行冷却。

反映材料科学的进步的较佳实例是所谓的单晶合金，如CMSX2、CMSX4或MK4，所述单晶合金经常在现代机械制造中应用。晶胞形成统一均匀的晶格的晶体被称为单晶体。

除了所提及的材料选择，除此以外所述叶片3可以通过冷却防止因所述热气而遭到损坏。

按照图2，所述叶片3为此具有至少嵌入外壁5的区域中的并且基本上平行于所述部件1或者说叶片3的表面6延伸的通道7、7’，尤其是冷却通道。所述部件1具有一个基体8，该基体8比如具有方向相同的粒度以及至少一层在外侧施加在所述基体8上的涂层9比如一层连接层。所述通道7、7’在此一方面由加入到所述基体8中的凹处所形成并且另一方面朝所述部件1的表面6由所述涂层9所封闭。除此以外所述涂层9在外面承载着绝热层10。所述涂层9在此比如可以是金属涂层，该金属涂层防止所述基体8经受很热的温度氧化和温度腐蚀。在此，所述涂层9可以由和所述基体8相同的材料制成并且/或者比如是MCRALY-合金，其中M代表镍、钴、铁或这些元素的组合。所述优选为金属的涂层9在此可以具有100微米到600微米的层厚。除了保护功能以外，所述涂层9还履行另一项功能，也就是为在外面布置在涂层9上的温度保护层/绝热层10提供一层附着层。所述绝热层10在此可以由陶瓷材料比如ZrO₂制成并且由于其绝热作用减少了对位于下面的部件的热负荷。可以比如借助于等离子喷射工艺(Plasmaspray-Prozess)或电子射线-蒸发-工艺(Elektronenstrahl-Verdampfungs-Prozess)来施加所述绝热层10。

图3示出了在所述部件1或者说叶片3的表面6的区域中的详细的横截面，其中示范性地示出了两条通道7和7’，这两条通道的横截面有所不同。所述冷却通道7、7’在此嵌入所述基体8中并且具有一个通向所述基体8的首先未被涂覆的表面的开口。如在图3中所示，所述通道7和7’的开口被相应地布置在开口区域中的涂层9所搭接和封闭。在此，所述涂层9如在图3中所示仅仅布置在所述通道7和7’的开口的区域中，或者如在图6中所示它可以沿所述基体8的整个表面将基体覆盖。也可以设想，至少一条通道7和7’与至少一个未示出的、通到所述部件1的表面上的排出口连通，并且由此沿所述表面6产生薄膜式冷却效果。

为了完全发挥所述通道7、7’的冷却作用，这些通道必须纳入涡轮机的冷却循环中，从而可以使冷却剂从所述通道7、7’中流过。也可以设想，多条通道7、7’形成一个连通的通道网络，这一点按照图3用虚线绘出的连接通道11表示。此外，为有效地对所述叶片3或者说部件1进行冷却，有必要使所述通道7、7’尽可能密封地处于所述部件1的表面6处。因此，按照图3基本上正交于图平面延伸的通道纵轴线12优选与所述部件1或者说叶片3的表面6相隔不足3毫米。

此外，优选至少一条通道7、7’的长度/直径比大于五。此外为了保证所述通道7、7’朝所述部件1的表面6可靠封闭，所述凹处或者说通道7、7’的宽度小于1毫米，优选处于大约0.2毫米的范围内。在此，按照图3示出了所述通道7和7’的不同的横截面形状，其中所述通道7朝所述部件的表面6在其宽度上变细，而通道7’则具有恒定的宽度。

在图4中示出了一条被直接搭接的通道7，其中所述涂层9在所述通道7的区域中具有由细小的枝状晶构成的柱状结构。所述枝状晶的定向在此平行于所述基体8的基底的定向，并且同时取向附生地与所述基底硬化在一起。这一点尤其当所述部件1或者说叶片3遭受周期性热负荷和机械负荷时是有利的，比如在燃气轮机上就是这种情况。在图4中示范性地表明，所述通道7的朝涂层9的方向定向的侧面边缘在加上涂层9时可以熔断或者说熔化，并且随后会大大偏离原有的造型，在此通过一条断续绘出的线条示出原有造型。

按照图5示出了根据相同的方法制成的通道7，其中这里紧接在施加涂层9之后比如借助于激光熔化以优选的方式对该结构进行了改动。此外在金属变形之前尤其可以借助于激光对所述基体8进行预热。作为预热温度比如考虑1100℃，由此可以减少在相互作用区内部、也就是在处于涂层9和基体8之间的连接区内部的高的温度梯度。与此同时，通过基材的加热使该基材具有更高的延展性，这种更高的延展性以及较低的温度梯度有助于在涂层9的硬化过程中降低裂缝危险。

以下简短地对一种方法进行描述，该方法用于通过对外表面6的涂覆来制造至少一条嵌入涡轮机的部件1的外壁5中的通道7。

在第一方法步骤中，首先将一个通道状的凹处、也就是通道7、7’加入到所述部件1的基体8中。这比如可以用机械方法和/或电化学方法和/或光化学方法和/或借助于激光尤其借助于短脉冲激光进行。

然后至少在所述通道7、7’的两侧对基体8进行局部表面熔化，其中这里也可以再度使用激光来熔化所述基体8。

在一个兼有基体8的熔化的工序中，至少在所述通道7、7’的区域中涂上涂层9并使其熔化，其中所述涂层9、过程温度以及通道7、7’的宽度彼此如此协调，使得熔化的涂层材料由于其表面张力不会进入所述所述通道7、7’中。由此就不需要任何填充材料用于封闭所述通道7、7’，就象在按现有技术的制造过程中就是这种情况一样。更确切地说，比如使用金属粉末，所述金属粉末在熔化状态中由于其表面张力形成跨越通道7、7’的桥，并且由此使所述通道7、7’朝所述部件1的表面6封闭。对一种优选的实施方式来说重要的是，所述涂覆粉末的材料性能如此适应相应的涂覆过程，使得有利于形成单晶结构。比如可以借助于等离子喷射和/或借助于电子射线-蒸发-工艺和/或借助于激光将涂层9施加到所述基体8上。优选一种LMF-方法(激光金属成形)尤其一种E-LMF-方法(取向附生-LMF)用于在优选同样单晶的基体8上产生取向附生的、也就是单晶的涂层9。

最后，可以有控制地使熔化的涂层材料冷却和硬化，从而实现在所述通道7、7’的两侧与所述基体8的治金连接并且所述通道7、7’朝向表面6被凝固的涂层材料所搭接。随后可以借助于激光对所述表面6进行加工和/或平整，由此可以获得得到调质改进的表面6。这种“调质改进”优选在于在所述涂层9的内部提供一种单晶结构。

所述通道7、7’的横截面形状以及尺寸在此可以精确控制，由此比较精确地形成所述通道7、7’的所期望的横截面形状，并且也可以在很大程度上精确地确定所述通道7、7’的走向。

借助于LMF-方法，可以同时熔化所述基体8并且涂覆及熔化所述涂层材料，这就简化了涂层9的施加。E-LMF-方法的使用通过工艺参数的合适选择提供了使所述涂层9硬化成单晶结构的可能性，其中同时提供了这样的可能性，即为所述涂层9并且为所述基体8产生基本上相同的结晶取向。通过所述涂层9以及基体8的这种在冷却之后相同的结晶取向，通过展开的枝状晶系及柱状的生长，所述涂层材料的热物理性能可以与所述基体8的热物理性能相同，由此可以提高使用寿命。

如上文早已表明的一样，所述涂层9的施加以及表面调质改进可以设置为二阶段过程，在该过程中在第一阶段中可以借助于一种合适的方法(参见上文)将所述涂层9施加到所述基体8上，并且在该过程中在第二阶段中可以借助于一种合适的再熔法比如借助于合适的激光在所述涂层9的内部实现单晶结构。

通过所述冷却通道7、7’的按本发明的布置或者说制造，可以对所述部件1进行有效冷却，并且由此将可以承受的涡轮机入口温度增加50K到125K。当然，所述按照本发明制造的通道7、7’也可以与其它冷却法如蒸腾冷却法进行组合。

按照图6，所述涂层9在另外一种实施方式中也可以如此施加到所述基体8上，使得其在多条通道7上延伸或者说将所述基体8的包括多条通道7的区段盖住。尤其可以给相应的部件1的所有经受热负荷的表面6首先配设涂层9并且随后配设绝热层10。

此外，在施加涂层9的时候要注意，所述涂层材料的硬化的第一阶段为γ-类型。作为附加方案或替代方案，通过工艺参数的调节可以注意到，避免了所谓的CET(柱状晶向等轴晶转变)，也就是避免从一种定向的晶体结构到一种球雏晶的晶体结构的过渡。作为附加方案或替代方案，为此优选如此选择所述工艺参数及涂层材料，从而尽可能在施加涂层9时避免新的晶核的形成。通过这种方式，尤其可以实现所述涂层9在基体8上的取向附生的结构。

原则上也会出现这种情况，即对基体8来说优选的单晶结构通过涂层9的施加而改变。优选借助于附加的熔化过程来重建所述基体8的单晶结构。这个附加的熔化过程比如可以与所述涂层9的熔化同时进行，用于在所述涂层9中将一种多晶结构转换为一种单晶结构。

附图标记列表

1      部件

2      载热气的区域

3      叶片

4      叶根

5      外壁

6      表面

7、7’ 通道/凹处

8      基体

9      涂层

10     温度保护层/绝热层

11     连接通道

12     通道纵轴线

Claims (10)

1.用于制造部件(1)的方法，该部件(1)具有至少一个嵌入所述部件(1)的外壁(5)中的凹处(7、7’)，在该方法中所述至少一个凹处(7、7’)构造成通道状的并加入所述部件(1)的基体(8)中，并且这个凹处(7、7’)随后通过涂层材料(9)在所述基体(8)上的涂覆被覆盖，其特征在于，至少在所述凹处(7、7’)的区域中所述涂层材料(9)同时涂覆及熔化的情况下，所述基体(8)至少在所述凹处(7、7’)的两侧局部地表面熔化，其中涂层材料(9)、工艺参数以及所述凹处(7、7’)的宽度彼此协调，使得所述熔化的涂层材料(9)由于其表面张力没有进入所述凹处(7、7’)中，并且使所述熔化的涂层材料(9)有控制地冷却和硬化，使得所述涂层材料(9)取向附生地构造在所述基体(8)上，从而在所述凹处的两侧实现与所述基体(8)之间的冶金连接。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于等离子喷射法或电子射线-蒸发法或借助于激光法来同时熔化所述基体(8)并且涂上所述涂层材料(9)。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，输送粉末或线材形式的所述涂层材料。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于精密铸造或以机械方式或电化学方式或光化学方式或借助于激光将所述凹处加到所述基体中。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，

-所述涂层材料(9)的硬化的第一阶段为γ类型，并且/或者

-在所述涂层材料(9)中避免从单晶结构到同轴结构的过渡，并且/或者

-在所述涂层材料(9)中避免新的晶核的形成。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述基体(8)在涂覆之前和/或涂覆过程中加热，用于减少因所述涂层材料(9)的硬化和/或冷却而产生的应力。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，涂上所述涂层材料(9)并对所述涂层材料(9)进行后处理，从而使所述涂层材料(9)得到一种单晶结构和/或取向附生地连接到所述基体(8)上。

8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，执行附加的熔化过程，从而重建所述基体(8)的单晶结构并且/或者将所述涂层材料(9)的多晶结构转换为单晶结构。

9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件(1)是涡轮机的热气部件。

10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于取向附生-激光-金属-涂覆法来同时熔化所述基体(8)并且涂上所述涂层材料(9)。

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