CN103375199B - 使用微通道进行冷却的部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种部件。所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面限定至少一个中空内部空间。所述基底的所述外表面限定压力侧壁和吸入侧壁。所述压力侧壁和所述吸入侧壁在所述部件的前缘处和后缘处接合在一起。所述外表面限定一个或多个槽，所述槽在所述部件的所述后缘附近至少部分地沿着所述压力侧壁或所述吸入侧壁延伸。每个槽与相应中空内部空间流体连通。所述部件进一步包括设置在所述基底的所述外表面的至少一部分上的涂层。所述涂层包括至少一个结构涂层，其中所述结构涂层在所述槽上延伸，以使所述槽与所述结构涂层共同限定用于对所述部件的所述后缘进行冷却的一个或多个通道。

Description

使用微通道进行冷却的部件

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及燃气涡轮发动机中的微通道冷却。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中得到加压并在燃烧室中与燃料混合，从而生成热燃烧气体。从高压涡轮机（HPT）中的气体中提取的能量能够为压缩机提供动力，并且从低压涡轮机（LPT）中的气体中提取的能量能够为涡轮风扇式飞机发动机应用中的风扇提供动力，或者为船舶和工业应用中的外轴提供动力。

发动机效率随燃烧气体温度的升高而提高。但是，燃烧气体会沿其流路对多个部件进行加热，因此又需要对这些部件进行冷却以延长发动机的寿命。通常情况下，用从压缩机放出的空气来冷却热气路径部件。由于放出的空气并未用于燃烧过程，因此，该冷却过程降低了发动机效率。

燃气涡轮发动机冷却技术已较为成熟，且包括与各种热气路径部件中冷却回路和特征的各方面相关的多项专利。例如，燃烧室包括径向外部衬里（liner）和径向内部衬里，所述径向外部衬里和径向内部衬里在操作过程中需要得到冷却。涡轮喷嘴包括支撑在外带与内带之间的中空轮叶，所述中空轮叶也需要冷却。涡轮转子叶片是中空的，并且叶片中通常包括冷却回路，而且叶片被涡轮防护罩环绕，所述叶片同样需要冷却。热燃烧气体通过排气装置排出，所述排气装置也可以设有衬里，并且可以得到适当的冷却。

在所有此类示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用由高强度超级合金金属构成的薄壁来降低部件重量，并使此类部件的冷却需求最小化。各种冷却回路和特征是针对这些独立部件来调整的，这些独立部件处于发动机中的对应环境中。例如，可以在热气路径部件中形成一系列内部冷却通路，即蛇形通路（serpentine）。冷却流体可以从一个腔室提供到蛇形通路，且所述冷却流体可以流过所述通路，从而对热气路径部件的基底以及任何相关联的涂层进行冷却。但是，这种冷却策略通常会导致传热速率相对较低，且部件温度分布不均。

具体而言，虽然翼型后缘区域通常难以获得充分的冷却，但还是能满足薄型空气动力学后缘轮廓的需求。用于冷却后缘区域的传统方法包括：通过铸造金属中心线直接钻穿后缘底部，从而钻出冷却孔。然而，这种方法需要通常所不期望的较厚后缘。另一种方法是铸造压力侧放气狭槽配置。然而，所述第二种方法可能引发陶瓷芯问题，并且可能使铸成率低于期望值。

因此，需要改进后缘区域的冷却，而不是依赖于不理想的厚型后缘，并且不能对铸成率造成负面影响。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种部件，所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面限定至少一个中空内部空间，而其中所述基底的外表面限定压力侧壁和吸入侧壁。所述压力侧壁和所述吸入侧壁在所述部件的前缘处和后缘处接合在一起。所述外表面限定一个或多个槽，所述槽在所述部件的所述后缘附近至少部分地沿着所述压力侧壁或所述吸入侧壁延伸。每个槽与相应中空内部空间流体连通。所述部件进一步包括设置在所述基底的所述外表面的至少一部分上的涂层。所述涂层包括至少一个结构涂层，其中所述结构涂层在所述槽上延伸，因此所述槽与所述结构涂层一起限定用于对所述部件的所述后缘进行冷却的一个或多个通道。

优选的，其中所述部件包括涡轮翼型，并且其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，其中相应出入通道与相应冷却通道的底部相交。

优选的，其中所述通道中的至少一者至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，并且其中所述通道中的至少一者至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸。

优选的，其中至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述通道与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述通道是对齐的。

优选的，其中至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述通道与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述通道之间存在偏移。

优选的，其中所述基底进一步限定多个出入通道，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与相应冷却通道的底部相交。

优选的，其中至少一个所述通道包括：入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，出口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与所述冷却通道的所述入口部分之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中所述出入通道与所述冷却通道的所述入口部分的底部相交。

优选的，其中所述部件包括用于对所述部件的所述后缘进行冷却的至少两个通道，其中至少一个所述通道包括：入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，出口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中至少另一个所述冷却通道包括：入口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，出口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，以及中间部分，其在所述冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中所述基底进一步限定至少两个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与所述冷却通道的相应入口部分之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与相应冷却通道的所述入口部分的底部相交。

优选的，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述通道与所述入口部分部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述通道之间存在偏移。

优选的，其中至少一个所述通道包括：入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，出口部分，其至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中至少另一个所述通道至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，其中所述基底进一步限定至少两个出入通道，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道的相应入口部分之间延伸，并使二者流体连通，且与所述相应入口部分的底部相交，并且其中至少另一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述冷却通道之间延伸，并使二者流体连通，且与相应冷却通道的底部相交。

优选的，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述通道与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的另一通道之间存在偏移。

优选的，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述通道与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的另一通道是对齐的，以使所述出口部分是至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述另一通道的一部分。

优选的，其中至少一个冷却通道至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸，并且包括在所述部件的所述后缘附近与所述压力侧壁相交的出口部分，其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与相应冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与所述相应冷却通道的底部相交。

优选的，其中每个槽具有开口，并且其中每个槽在所述槽的所述开口处变窄，并且因此包括凹形槽，以使每个冷却通道包括凹形冷却通道。

优选的，其中所述结构涂层限定一个或多个渗透槽，使得所述结构涂层不完全跨接每个槽。

优选的，其中所述结构涂层密封每个槽。

本发明的另一个方面涉及一种用于在部件的后缘附近形成冷却通道的方法，所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面限定至少一个中空内部空间，其中所述基底的外表面限定压力侧壁和吸入侧壁。所述压力侧壁和所述吸入侧壁在所述部件的前缘处和后缘处接合在一起。所述方法包括：在所述基底的外表面中形成至少一个槽，所述槽在所述部件的后缘附近至少部分地沿着压力侧壁或吸入侧壁延伸；以及在基底上形成至少一个出入孔，其中每个出入孔穿过所述槽中相应槽的底部，以使所述槽与相应中空内部空间流体连通。所述方法进一步包括：在基底的外表面的至少一部分上设置涂层，其中所述涂层包括至少一个结构涂层，其中所述结构涂层在所述槽上延伸，因此所述槽与结构涂层一起限定用于对部件的后缘进行冷却的一个或多个通道。

优选的，其进一步包括：先铸造所述基底，然后在所述基底的所述外表面中形成所述槽。

优选的，其中每个槽具有开口，并且其中每个槽在所述槽的所述开口处变窄，并且因此包括凹形槽，以使每个冷却通道包括凹形冷却通道。

优选的，其中所述凹形槽的形成方式为，在所述基底的所述表面上引导磨蚀性液体射流。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势，在附图中，相同的附图标记代表所有附图中相同的部分，其中：

图1为燃气涡轮机系统的示意图；

图2为示例性翼型配置的截面示意图；

图3以截面图的形式示意性地描绘了用于对翼型后缘进行冷却的一种布置，该布置具有位于压力侧壁和吸入侧壁上的冷却通道；

图4以截面图的形式示意性地描绘了用于对翼型后缘进行冷却的另一种布置，该布置具有最初位于吸入侧壁上且横穿（crossingover）以冷却压力侧壁的冷却通道；

图5以截面图的形式示意性地描绘了用于对翼型后缘进行冷却的第三种布置，该布置具有从吸入侧壁横穿到压力侧壁的一个冷却通道以及从压力侧壁横穿到吸入侧壁的另一个冷却通道；

图6以截面图的形式示意性地描绘了用于对翼型后缘进行冷却的第四种布置，该布置具有沿着压力侧壁和吸入侧壁延伸的冷却通道，其中沿着吸入侧壁延伸的冷却通道横穿到压力侧壁；

图7以透视图的形式示意性地描绘了三个示例性微通道，所述微通道部分地沿着基底表面延伸并将冷却剂引到翼型的后缘；

图8为三个凹形通道的截面图，其中多孔狭槽延伸穿过结构涂层；

图9以截面图的形式示意性地描绘了用于对翼型后缘进行冷却的另一种示例性布置，该布置具有沿着吸入侧壁延伸且横穿到压力侧壁的冷却通道；

图10图示了磨蚀性液体射流以某个角进行的用于形成凹槽的第一次通过；

图11图示了磨蚀性液体射流以对角进行的用于形成凹槽的第二次通过；以及

图12图示了磨蚀性液体射流垂直于槽进行的用于形成凹槽的可选的第三次通过。

具体实施方式

本说明书中所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区别不同的元件。本说明书中所用的术语“一”和“一个”并不表示数量限制，而是表示存在参考项中的至少一项。与数量有关的修饰语“约”包括设定值，并具有上下文所指示的意义（例如，包括与特定数量的测量相关联的误差度）。此外，术语“组合物”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。

另外，在本说明书中，后缀“（s）”通常意图包括所修饰术语的单数和复数，因此，包括该术语的一个或多个（例如，除非另有说明，否则“通路孔”可以包括一个或多个通路孔）。说明书全文中提及的“一项实施例”、“另一项实施例”、“一实施例”等是指本说明书中所述的至少一项实施例中包括结合所述实施例描述的特定元素（例如，特征、结构和/或特性），并且所述特定元素可以存在或可以不存在于其他实施例中。类似地，说明书中所提及的“特定配置”是指本说明书中所述的至少一种配置中包括结合所述配置描述的特定元素（例如，特征、结构和/或特性），并且所述特定元素可以存在或可以不存在于其他配置中。此外，应了解，所述发明特征可以在多项实施例和多种配置中以任意合适的方式进行组合。

图1为燃气涡轮机系统10的示意图。系统10可以包括一个或多个压缩机12、燃烧室14、涡轮16以及燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可以通过一根或多根轴18连接起来。轴18可以是单根轴或连接在一起形成轴18的多个轴段。

燃气涡轮机系统10可以包括多个热气路径部件100。热气路径部件是系统10的任意部件，其至少部分地暴露于流经系统10的高温气流中。例如，桨叶组件（也称为叶片或叶片组件）、喷嘴组件（也称为轮叶或轮叶组件）、防护罩组件、过渡连接件、固定环以及压缩机排气部件均为热气路径部件。但应了解，本发明的热气路径部件100并不限于上述实例，它可以是至少部分地暴露于高温气流中的任意部件。此外，应了解，本发明的热气路径部件100并不限于燃气涡轮机系统10中的部件，它可以是可能暴露于高温流中的任意机械或其部件。

当热气路径部件100暴露于热气流中时，热气路径部件100被热气流加热，且可以达到使热气路径部件100显著老化或损坏的温度。因此，为了让系统10在高温热气流下进行操作，以提高系统10的效率、性能和/或寿命，需要一种用于热气路径部件100的冷却系统。

通过使冷却尽可能接近受热区域，微通道冷却有可能显著降低冷却要求，从而能在给定传热速率的情况下降低主承载基底材料的热侧与冷测之间的温差。

一般而言，本发明的冷却系统包括一系列小通道或微通道，这些小通道或微通道形成于热气路径部件100的表面中。对于工业级别的发电涡轮机部件而言，“小”或“微”通道尺寸所包括的深度和宽度大约在0.25mm到1.5mm范围内，而对于航空级别的涡轮机部件而言，通道尺寸所包括的深度和宽度大约在0.1mm到0.5mm范围内。热气路径部件可以具有保护涂层。冷却流体可以从一个腔室提供到所述通道，且所述冷却流体可以流过所述通道，从而冷却热气路径部件。

部件100将参考图2至图9来描述。如图所示，例如在图2和图3中，部件100包括具有外表面112和内表面116的基底110。如图所示，例如在图2和图3中，内表面116限定至少一个中空内部空间114。如图所示，例如在图2和图3中，基底110的外表面112限定压力侧壁24和吸入侧壁26，其中压力侧壁24和吸入侧壁26在部件（100）的前缘28和后缘30处接合在一起。如图1所示，吸入侧26为凸面形，而压力侧24为凹面形。

如图所示，例如在图2和图3中，外表面112限定一个或多个槽132，其中每个槽132在部件100的后缘30附近至少部分地沿着压力侧壁24或吸入侧壁26延伸。本说明书中所使用的“后缘30附近”应理解为，从后缘开始在基底表面长度的30%以内，所述范围的测量在前缘与后缘之间且在基底的任一侧上进行。应注意，虽然图3所示的冷却通道的出口位于所述部件的后缘30处，但是所述出口只需要在后缘附近即可。如图3所示，例如，每个槽132都与相应中空内部空间114流体连通。

通常，基底110在形成槽132之前进行铸造。如梅尔文·R·杰克逊（MelvinR.Jackson）等人的标题为“双壁翼型（Double-wallairfoil）”的第5,626,462号美国专利所述，该专利的全文被并入本说明书中，基底110可以用任意合适的材料制成。根据部件100的预期应用，所述材料可以包括镍基、钴基和铁基超级合金。镍基超级合金可以是含有γ和γ'相的那些超级合金，特别是那些含有γ和γ'相的镍基超级合金，其中γ'相至少占据超级合金体积的40%。由于此类合金同时具有各种理想性质，包括高温强度和高温抗蠕变性，因此非常具有优势。基底材料还可以包括镍铝金属间化合物合金，因为公认这些合金也同时具有多种优良性质，包括高温强度和高温抗蠕变性，这些优良性质使此类合金在用于飞机的涡轮发动机应用中极具优势。在使用铌基合金的情况下，将会优选抗氧化性优良的有涂层的铌基合金，尤其是那些包括Nb-(27-40)Ti-(4.5-10.5)Al-(4.5-7.9)Cr-(1.5-5.5)Hf-(0-6)V的合金，其中成分范围以原子百分比表示。基底材料还可包括铌基合金，所述铌基合金含有至少一个次生相，例如，包括硅化物、碳化物或硼化物的含铌金属间化合物。此类合金是具有延性相（ductilephase）（即，铌基合金）和强化相（strengtheningphase）（即，含铌金属间化合物）的复合材料。对于其他布置而言，基底材料包括钼基合金，例如，具有Mo₅SiB₂和Mo₃Si次相的钼基合金（固溶体）。对于其他配置而言，基底材料包括陶瓷基复合材料，例如，使用SiC纤维进行强化的碳化硅（SiC）基材。对于其他配置，基底材料包括钛铝基金属间化合物。

槽132可使用多种技术来形成。用于形成槽132的示例性技术包括磨蚀性液体射流、倾入式电解加工（ECM）、具有旋式电极的电火花加工（EDM）（铣削式EDM），以及激光加工。在2010年1月29日申请的标题为“用于形成定形气孔的工艺和系统（Processandsystemforformingshapedairholes）”的共同转让的第12/697,005号美国专利申请案中描述了示例性激光加工技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。在2010年5月28日申请的标题为“包括锯齿形薄膜冷却孔的部件和相关工艺（Articleswhichincludechevronfilmcoolingholes,andrelatedprocesses）”的共同转让的第12/790,675号美国专利申请案中描述了示例性EDM技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。

对于特定工艺，使用磨蚀性液体射流来形成所述槽（未图示）。在2010年5月28日申请的标题为“包括锯齿形薄膜冷却孔的部件和相关工艺”的共同转让的第12/790,675号美国专利申请案中揭示了示例性水射流钻孔工艺和系统，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。如第12/790,675号美国专利申请案所述，水射流工艺通常使用高速磨蚀颗粒（例如，磨蚀“沙粒”）流，其中所述磨蚀颗粒悬浮于高压水流中。水压可以发生较大变化，但通常在约35至620MPa的范围内变化。可以使用多种磨蚀材料，例如，石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。有利的是，磨蚀性液体射流加工技术的能力有助于分阶段移除材料，以使深度变化，从而控制形状。例如，这使得供给通道的内部出入孔140（下文中参考图3至图6进行描述）被钻成截面不变的直孔、有形状的孔（椭圆形等），或者收敛孔或发散孔。

此外，如第12/790,675号美国专利申请案所述，水射流系统可以包括多轴计算机数控（CNC）单元（未图示）。所述CNC系统为所属领域已知，并在（例如）美国专利公开案1005/0013926（S·鲁科斯基（S.Rutkowski）等人）中进行了描述，所述专利公开案以引用的方式并入本说明书中。CNC系统可使切削工具沿着多个X、Y和Z轴以及旋转轴移动。

具体而言，如图10至图12所示，每个槽132的形成方式可以是，在磨蚀性液体射流160第一次通过时（图10），以相对于基底110的表面112的侧角引导磨蚀性液体射流160，且随后以大体与所述侧角相对的角进行后续的通过（图11），这样，每个槽在槽的开口136处较窄，且因此包括凹形槽（如下文中参考图6所述）。通常，将执行多次通过，以达到槽所需的深度和宽度。在邦克（Bunker）等人的标题为“具有凹形冷却通道的部件和制造方法（Componentswithre-entrantshapedcoolingchannelsandmethodsofmanufacture）”的共同转让的第12/943,624号美国专利申请案中介绍了这种技术，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。此外，形成凹形槽132的步骤可以进一步包括执行至少一次额外的通过，其中朝向槽132的底部134以介于侧角与大体上的对角之间的一种或多种角度引导磨蚀性液体射流，从而将材料从槽132的底部134移除。

现在参考图2、图3、图7和图8，部件100进一步包括涂层150，涂层150设置在基底110的外表面112的至少一部分上。如图所示，例如在图8中，涂层150包括至少一个结构涂层54。涂层150包括合适的材料，且与所述部件粘结。对于图7中所示的示例性布置，结构涂层54在槽132上延伸，使得槽132与结构涂层54一起限定一个或多个通道130，通道130用于对部件100的后缘30进行冷却。

对于特定配置而言，针对工业部件，涂层150的厚度在0.1至2.0毫米的范围内，具体而言，在0.2至1毫米的范围内，更具体而言，在0.2至0.5毫米的范围内。针对飞机部件，此范围通常是0.1至0.25毫米。但根据特定部件100的要求，也可以采用其他厚度。

涂层150包括结构涂层，且可以进一步包括可选的额外涂层。所述涂层可以使用多种技术来沉积。对于特定工艺而言，结构涂层的沉积方式为，执行等离子体沉积（阴极电弧）。在维弗尔（Weaver）等人的标题为“用于阴极电弧等离子体沉积的方法和设备（Methodandapparatusforcathodicarcionplasmadeposition）”的共同转让的第10080138529号美国公开专利申请案中提供了示例性阴极电弧等离子体沉积设备和方法，所述申请案以全文引用方式并入本说明书中。简而言之，等离子体沉积包括：将由涂层材料制成的消耗阴极放置到真空室内的真空环境中；在真空环境中提供基底110；向阴极供应电流以在阴极表面形成阴极电弧，从而通过电弧使涂层材料在阴极表面腐蚀；以及将阴极的涂层材料沉积在基底表面112上。

使用等离子体沉积进行沉积的涂层的非限制性实例包括结构涂层，以及粘结涂层和抗氧化涂层，下文将参考杰克逊（Jackson）等人的标题为“双壁翼型”的第5,626,462号美国专利进行更详细的论述。对于某些热气路径部件100而言，结构涂层包括镍基或钴基合金，具体而言，包括超级合金或(Ni,Co)CrAlY合金。例如，如果基底材料是含有γ和γ'相的镍基超级合金，则结构涂层可以包括类似的材料成分，下文将参考第5,626,462号美国专利进行更详细的论述。

对于其他工艺配置而言，结构涂层通过热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一种工艺来进行沉积。例如，热喷涂工艺可以包括燃烧喷涂或等离子体喷涂，燃烧喷涂可以包括高速氧燃料喷涂（HVOF）或高速空气燃料喷涂（HVAF），且等离子体喷涂可以包括大气压（例如，空气或惰性气体）等离子体喷涂，或低压等离子体喷涂（LPPS，也称为真空等离子体喷涂或VPS）。在一项非限制性实例中，(Ni,Co)CrAlY涂层可以通过HVOF或HVAF来沉积。用于沉积结构涂层的其他示例性技术包括（但不限于）溅射、电子束物理气相沉积、化学沉积，以及电镀。

对于某些配置而言，需要采用多种沉积技术来沉积结构涂层和可选的额外涂层。例如，第一结构涂层可以使用等离子体沉积进行沉积，且随后沉积的层和可选的额外层（未图示）可以使用其他技术（例如，燃烧喷涂工艺或等离子体喷涂工艺）进行沉积。根据所使用的材料，针对涂层使用不同的沉积技术可以有利于某些性质，例如（但不限于），应变容差（straintolerance）、强度、粘附力和/或延性（ductility）。

在图3和图7所示的配置中，所述部件包括涡轮翼型100（例如，用于涡轮叶片或轮叶中），并且基底110进一步限定至少一个出入通道140，该通道在相应中空内部空间114（图3）与至少一个冷却通道130之间延伸，并且使二者流体连通。如图7所示，例如，相应出入通道140与相应冷却通道130的底部134相交。提供相应冷却通道的内部出入孔140可以钻成截面不变的直孔、有形状的孔（椭圆形等），或者收敛孔或发散孔。在罗纳德·S·邦克（RonaldS.Bunker）等人的标题为“具有冷却通道的部件和制造方法（Componentswithcoolingchannelsandmethodsofmanufacture）”的共同转让的第13/210,697号美国专利申请案中介绍了用于形成出入孔的方法，所述申请案以全文引用的方式并入本说明书中。

除了上文所述的冷却通道130之外，还可以穿过涂层150形成薄膜孔70，例如图3所示。在邦克等人的标题为“具有冷却通道的部件和制造方法”的共同转让的第12/965,083号美国专利申请案中揭示了使用直接在冷却通道区域上切入的沟槽来形成薄膜孔的技术，该技术消除了对各薄膜孔进行精确定位的必要性。有利的是，除了微通道冷却之外，薄膜孔的添加提供了薄膜冷却，从而能进一步冷却所述部件。尽管未明确示出，但也可以并入传统的薄膜冷却孔，其中薄膜冷却孔从中空内部区域114直接延伸穿过基底110（部件壁）。

冷却通道130有多种可行的布置。对于图3所示的示例性配置而言，至少一个冷却通道130至少部分地沿着压力侧壁24延伸，并且其中至少一个冷却通道130至少部分地沿着吸入侧壁26延伸。有利的是，在后缘附近的相对较薄部分，这种配置能对所述部件的一部分吸入侧以及一部分压力侧进行冷却。应注意，虽然图3所描绘的截面示出了仅一个沿着压力侧延伸的冷却通道以及仅一个沿着吸入侧延伸的冷却通道，但是可以有多个冷却通道沿着相应侧24、26中的每一者延伸，其中冷却通道位于沿部件高度截取的不同截面上。本说明书中所使用的部件的“高度”是沿着翼型的径向进行测量的。对于特定布置而言（例如，如图3所示），至少部分地沿着压力侧壁24延伸的冷却通道130与至少部分地沿着吸入侧壁（26）延伸的冷却通道130是对齐的。也就是说，这对冷却通道位于沿所述部件的高度（即，在径向上）截取的同一截面中。然而，对于其他配置（未图示），其中至少部分地沿着压力侧壁24延伸的通道130与至少部分地沿着吸入侧壁26延伸的通道130之间是存在偏移的。也就是说，这对冷却通道不会位于沿所述部件的径向（或高度）截取的同一截面中。相反，所述冷却通道会位于沿部件的径向截取的不同截面中。仍然针对其他布置，压力侧冷却通道和吸入侧冷却通道相对于后缘可以具有不同且非正交的定向，使得所述通道不会位于平行的截面中。换言之，在若干图示配置中的任意一种配置中，任一侧上的冷却通道可以横贯不止一个翼型部分，其中，“一个部分”定义为恒定径向高度上的翼型部分。

具体而言，对于图3所示的示例性布置而言，基底110进一步限定多个出入通道140。如图3所示，至少一个出入通道140在相应中空内部空间114与至少部分地沿着压力侧壁24延伸的冷却通道130之间延伸，并且使二者流体连通，并且至少一个出入通道140在相应中空内部空间114与至少部分地沿着吸入侧壁26延伸的冷却通道130之间延伸，并且使二者流体连通。如图7所示，例如，每个出入通道140与相应冷却通道130的底部134相交。

对于图4所示的示例性配置而言，至少一个冷却通道130包括部分地沿着吸入侧壁26延伸的入口部分32、部分地沿着压力侧壁24延伸的出口部分36，以及在冷却通道130的入口部分32与出口部分36之间延伸的中间部分34。应注意，虽然图4所示的冷却通道的出口位于所述部件的后缘30处，但是所述出口只需要在后缘附近即可，如上文所述。如图4所示，对于这种配置而言，基底110进一步限定至少一个出入通道140，出入通道140在相应中空内部空间114与冷却通道130的入口部分32之间延伸，并且使二者流体连通。图7示意性地描述出，例如，出入通道140与冷却通道130的入口部分32的底部134相交。有利的是，这种配置冷却了一部分吸入侧并且行进到压力侧，以便在具有较低空气混合损耗（aeromixingloss）的情况下进行排放，所述空气混合损耗低于冷却剂在翼型后缘的吸入侧进行排放所引起的空气混合损耗，当在吸入侧进行排放时，热气具有最大局部速度。此外，微通道从吸入侧开始，横穿实心区域，到达压力侧，因而能对后缘附近的实心区域进行冷却。

对于图5所示的示例性配置而言，部件100包括用于对部件100的后缘30进行冷却的至少两个通道130。如图5所示，至少一个通道130包括部分地沿着吸入侧壁26延伸的入口部分32、部分地沿着压力侧壁24延伸的出口部分36，以及在冷却通道130的入口部分32与出口部分36之间延伸的中间部分34。如图5所示，另外的至少一个冷却通道130包括部分地沿着压力侧壁24延伸的入口部分32、部分地沿着吸入侧壁26延伸的出口部分36，以及在冷却通道130的入口部分32与出口部分36之间延伸的中间部分34。应注意，虽然图5所示的冷却通道的出口位于所述部件的后缘30处，但是所述出口只需要在后缘附近即可，如上文所述。如图5所示，基底110进一步限定至少两个出入通道140，出入通道140在相应中空内部空间114与冷却通道130的相应入口部分32之间延伸，并且使二者流体连通。每个出入通道140与相应冷却通道130的入口部分32的底座134相交。虽然图5并未明确示出，但是通道130可以包括多个中间部分，这些中间部分至少部分地延伸穿过基底的后缘部分，以将入口部分与出口部分连接起来。例如，中间部分可以形成半个“M”形或半个“W”形（未图示）。对于特定配置而言，入口部分32部分地沿着吸入侧壁26延伸的通道130与入口部分32部分地沿着压力侧壁24延伸的通道130之间存在偏移。也就是说，这两个通道设置在沿部件的径向（高度）截取的不同截面中。

对于图6所示的示例性配置而言，至少一个通道130包括部分地沿着吸入侧壁26延伸的入口部分32、至少部分地沿着压力侧壁24延伸的出口部分36，以及在冷却通道130的入口部分32与出口部分36之间延伸的中间部分34。如图6所示，另外的至少一个通道130至少部分地沿着压力侧壁24延伸。应注意，虽然图6所示的冷却通道的出口位于所述部件的后缘30处，但是所述出口只需要在后缘附近即可，如上文所述。如图6所示，基底110进一步限定至少两个出入通道140，其中至少一个出入通道140在相应中空内部空间114与部分地沿着吸入侧壁26延伸的冷却通道130的相应入口部分32之间延伸，并使二者流体连通，且与相应入口部分32的底部134相交，并且其中另外的至少一个出入通道140在相应中空内部空间114与至少部分地沿着压力侧壁24延伸的冷却通道130之间延伸，并使二者流体连通，且与相应冷却通道130的底部134相交。有利的是，冷却通道横穿实心区域到达另一侧，因而能在后缘附近的基底实心区域内提供额外的冷却，并且能产生较少的空气混合损耗。

对于图6所示通道配置的某些布置而言，入口部分32部分地沿着吸入侧壁26延伸的通道130与至少部分地沿着压力侧壁24延伸的另一通道130之间存在偏移。也就是说，这两个通道设置在沿部件的径向（高度）截取的不同截面中。

对于图6所示通道配置的其他布置而言，入口部分32部分地沿着吸入侧26延伸的通道130与至少部分地沿着压力侧24延伸的另一通道130是对齐的，因此出口部分36是至少部分地沿着压力侧24延伸的另一通道130的一部分。也就是说，中间部分34与另一（压力侧）通道130相交，如图6所示。

对于图9所示的示例性配置而言，至少一个冷却通道130至少部分地沿着吸入侧壁26延伸，并且包括在部件100的后缘30附近与压力侧壁24相交的出口部分38。应注意，虽然图9所示的出口38位于所述部件的后缘30处，但是出口38只需要在后缘附近即可，如上文所述。如图9所示，基底110进一步限定至少一个出入通道140，出入通道140在相应中空内部空间114与相应冷却通道130之间延伸，并且使二者流体连通。如图9所示，每个出入通道140与相应冷却通道130的底部134相交。

如上文所述，槽132可以具有多种不同的几何构型。对于图7和图8所示的布置而言，每个槽132具有开口136，而每个槽132在槽132的开口136处较窄，并因此包括凹形132，因此每个冷却通道130包括凹形冷却通道130。在第12/943,624号美国专利申请案中描述了凹形槽。对于特定配置而言，凹形槽132的底部134的宽度至少是相应槽132的顶部136的2倍。例如，如果槽132的底部134是0.75毫米，那么对于这种配置而言，顶部136的宽度将会小于0.375毫米。对于更多特定配置而言，凹形槽132的底部134的宽度至少是相应槽132的顶部136的3倍，更具体而言，凹形槽132的底部134的宽度约为相应槽132的顶部136的3至4倍。有利的是，较大的底部-顶部比会增加微通道130的总冷却体积，同时促进涂层150沉积于槽132上方（无需使用牺牲型填料），而不让涂层150填充槽132。

对于某些配置而言，结构涂层54完全跨接了相应的槽132，因此涂层150能密封相应的微通道130。然而，对于其他配置而言，结构涂层54限定一个或多个渗透狭槽144（例如，涂层中的孔隙或涂层中的缝隙），使得结构涂层不完全跨接一个或多个槽132中的每个槽，如图8所示。虽然图8示意性地将狭槽144描绘为具有均一且呈直线形的几何构型，但是每个狭槽144通常具有不规则的几何构型，其中狭槽144的宽度可以随涂层150的涂覆和堆积厚度而改变。最初，当把涂层150的第一部分涂覆到基底110上，狭槽144的宽度几乎可以达到微通道130的顶部136的宽度的50%。随后，随着涂层150的堆积，狭槽144可以变窄为顶部136的宽度的5%或者更窄。对于特定实例而言，狭槽144的最窄宽度为相应微通道顶部136的宽度的5%到20%。此外，狭槽144可为多孔状，在此情况下，“多孔状”狭槽144可以具有一些连接，即，在一些点或位置处无缝隙。有利的是，狭槽144可以消除涂层150的应力。

有利的是，通过将冷却通道设置在后缘附近，可以提供微通道冷却以在操作过程中冷却后缘区域，这有助于相对较薄的后缘的使用，并且能提供相对较高的冷却效率。根据特定配置，可以采用厚度减小了高达50%的后缘。本说明书中所使用的后缘的“厚度”定义为在存在后缘曲率半径的各点之间从压力侧测量到吸入侧的物理厚度。通过较薄后缘所改进的空气动力学以及更高的冷却效率，可以降低飞机发动机的比燃料消耗率（SFC），并改进固定式（陆基型）燃气涡轮机的联合循环效率。

此外，使用微通道冷却而非上述传统技术来冷却后缘，有助于保持后缘末端部分的较高坚固性。相比于通过传统方法进行冷却的相对部件，这样继而增大了得到微通道冷却的部件的使用寿命。

一种用于在部件100的后缘30附近形成冷却通道130的方法将参考图2至图9来描述。如上文参考图2和图3所述，部件100包括具有外表面112和内表面116的基底110，其中内表面116限定至少一个中空内部空间114，而基底110的外表面112限定压力侧壁24和吸入侧壁26。压力侧壁24与吸入侧壁26在部件100的前缘28和后缘30处接合在一起。如图3至图6所示，所述方法包括：在基底110的外表面112上形成至少一个槽，所述槽在部件100的后缘30附近至少部分地沿着压力侧壁24或吸入侧壁26延伸。通常，并且如上文所述，所述方法进一步包括：先铸造基底110，然后在基底110的外表面112中形成槽132。

如图3至图6所示，所述方法进一步包括：在基底110中形成至少一个出入孔140，其中每个出入孔140穿过相应槽132的底部134，以使槽132与相应中空内部空间114流体连通。如上文所述，在罗纳德·S·邦克等人的共同转让的第13/210,697号美国专利申请案中介绍了用于形成出入孔的技术。例如，可以通过磨蚀性液体射流加工来形成出入孔。此外，内部出入孔140可以钻成截面不变的直孔、有形状的孔（椭圆形等），或者收敛孔或发散孔。

如图2、图3、图7和图8所示，例如，所述方法进一步包括：将涂层150设置在基底110的外表面112的至少一部分上。上文中描述了涂层150以及用于设置涂层150的示例性沉积技术。然而，对于特定工艺而言，将涂层150设置在基底110的外表面112的所述至少一部分上这一步骤包括执行等离子体沉积。对于特定配置而言，涂层150包括超级合金。对于特定工艺而言，将涂层150设置在基底110的外表面112的所述至少一部分上这一步骤包括执行热喷涂工艺。示例性热喷涂工艺包括高速氧燃料喷涂和高速空气燃料喷涂。对于特定工艺而言，将涂层150设置在基底110的外表面112的所述至少一部分上这一步骤包括执行低压等离子体喷涂工艺。如上文所述，涂层150包括在槽132上延伸的至少一个结构涂层54，因此槽132与结构涂层54一起限定用于对部件100的后缘30进行冷却的一个或多个通道130。

如上文所述，对于特定配置而言，所述槽是凹形的。对于特定工艺而言，凹形槽132的形成方式为，在基底110的表面112上引导磨蚀性液体射流160，如邦克等人的第12/943,624号美国专利申请案中所述，并且例如图10至图12中所示。例如，可以通过引导磨蚀性液体射流160来形成凹形槽132，其中所述磨蚀性液体射流160相对于基底110的表面112呈侧角进行第一次流动（图10），并且随后以实质上与侧角相对的角进行后续流动（图11）。对于特定工艺而言，形成凹形槽132的步骤可以进一步包括：执行至少一次额外的通过（图12），其中朝向槽132的底部134以介于侧角与大体上的对角之间的一种或多种角度引导磨蚀性液体射流160，从而将材料从槽132的底部134移除。一般而言，凹形槽132可以使用以下技术中的一种或多种技术来形成：磨蚀性液体射流、倾入式电解加工（ECM）、具有旋式电极的电火花加工（铣削式EDM）以及激光加工。

如上文所述，针对翼型的后缘区域使用微通道冷却有助于相对较薄的后缘的使用，这样能改进翼型的空气动力学效率。此外，相比于冷却后缘区域的传统方法，对后缘区域进行微通道冷却增大了冷却效力。将较薄后缘与更高的冷却效率结合起来能降低飞机发动机的SFC，并且能改进固定式（陆基型）燃气涡轮机的联合循环效率。此外，使用微通道来冷却后缘区域有助于保持后缘末端部分的较高坚固性，这将改进所冷却部件的使用寿命。

尽管本说明书仅说明并描述了本发明的某些特征，但是所属领域的技术人员会想到许多修改和变化。因此，应理解，所附权利要求书意图涵盖符合本发明真实精神的所有此类修改和变化。

Claims (20)

1.一种使用微通道进行冷却的部件，其包括：

基底，所述基底包括外表面和内表面，其中所述内表面限定至少一个中空内部空间，其中所述基底的所述外表面限定压力侧壁和吸入侧壁，其中所述压力侧壁和所述吸入侧壁在所述部件的前缘处和后缘处接合在一起，其中所述外表面限定一个或多个槽，所述槽在所述部件的所述后缘附近至少部分地沿着所述压力侧壁或所述吸入侧壁延伸，并且其中每个槽都与相应中空内部空间流体连通；以及

涂层，所述涂层设置在所述基底的所述外表面的至少一部分上，其中所述涂层包括至少一个结构涂层，其中所述结构涂层在所述一个或多个槽上延伸，以使所述一个或多个槽与所述结构涂层共同限定用于对所述部件的所述后缘进行冷却的一个或多个冷却通道；

其中，所述一个或多个冷却通道包括出口部分，所述出口部分在所述部件的所述后缘附近与所述压力侧壁或所述吸入侧壁相交。

2.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件包括涡轮翼型，并且其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，其中相应出入通道与相应冷却通道的底部相交。

3.根据权利要求1所述的部件，其中所述冷却通道中的至少一者至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，并且其中所述冷却通道中的至少一者至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸。

4.根据权利要求3所述的部件，其中至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述冷却通道与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道是对齐的。

5.根据权利要求3所述的部件，其中至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述冷却通道与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道之间存在偏移。

6.根据权利要求3所述的部件，其中所述基底进一步限定多个出入通道，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸的至少一个冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与相应冷却通道的底部相交。

7.根据权利要求1所述的部件，其中至少一个所述冷却通道包括：

入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，

出口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及

中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与所述冷却通道的所述入口部分之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中所述出入通道与所述冷却通道的所述入口部分的底部相交。

8.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件包括用于对所述部件的所述后缘进行冷却的至少两个冷却通道，其中至少一个所述冷却通道包括：

入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，

出口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及

中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中至少另一个所述冷却通道包括：

入口部分，其部分地沿着所述压力侧壁延伸，

出口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，以及

中间部分，其在所述冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，其中所述基底进一步限定至少两个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与所述冷却通道的相应入口部分之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与相应冷却通道的所述入口部分的底部相交。

9.根据权利要求8所述的部件，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道与所述入口部分部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述冷却通道之间存在偏移。

10.根据权利要求1所述的部件，其中至少一个所述冷却通道包括：

入口部分，其部分地沿着所述吸入侧壁延伸，

出口部分，其至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，以及

中间部分，其在冷却通道的所述入口部分与所述出口部分之间延伸，

其中至少另一个所述冷却通道至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，

其中所述基底进一步限定至少两个出入通道，其中至少一个所述出入通道在相应中空内部空间与部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道的相应入口部分之间延伸，并使二者流体连通，且与所述相应入口部分的底部相交，并且其中至少另一个所述出入通道在相应中空内部空间与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述冷却通道之间延伸，并使二者流体连通，且与相应冷却通道的底部相交。

11.根据权利要求10所述的部件，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的另一冷却通道之间存在偏移。

12.根据权利要求10所述的部件，其中所述入口部分部分地沿着所述吸入侧壁延伸的所述冷却通道与至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的另一冷却通道是对齐的，以使所述出口部分是至少部分地沿着所述压力侧壁延伸的所述另一冷却通道的一部分。

13.根据权利要求1所述的部件，其中至少一个冷却通道至少部分地沿着所述吸入侧壁延伸，其中所述基底进一步限定至少一个出入通道，所述出入通道在相应中空内部空间与相应冷却通道之间延伸，并且使二者流体连通，并且其中每个出入通道与所述相应冷却通道的底部相交。

14.根据权利要求1所述的部件，其中每个槽具有开口，并且其中每个槽在所述槽的所述开口处变窄，并且因此包括凹形槽，以使每个冷却通道包括凹形冷却通道。

15.根据权利要求1所述的部件，其中所述结构涂层限定一个或多个渗透槽，使得所述结构涂层不完全跨接由所述外表面限定的每个槽。

16.根据权利要求1所述的部件，其中所述结构涂层密封每个槽。

17.一种用于在部件的后缘附近形成冷却通道的方法，所述部件包括具有外表面和内表面的基底，其中所述内表面限定至少一个中空内部空间，其中所述基底的所述外表面限定压力侧壁和吸入侧壁，其中所述压力侧壁和所述吸入侧壁在所述部件的前缘处和所述后缘处接合在一起，所述方法包括：

在所述基底的所述外表面中形成至少一个槽，所述槽在所述部件的所述后缘附近至少部分地沿着所述压力侧壁或所述吸入侧壁延伸；

在所述基底中形成至少一个出入孔，其中每个出入孔穿过一个或多个槽中相应槽的底部，以使所述槽与相应中空内部空间流体连通；以及

在所述基底的所述外表面的至少一部分上设置涂层，其中所述涂层包括至少一个结构涂层，其中所述结构涂层在所述一个或多个槽上延伸，以使所述一个或多个槽与所述结构涂层共同限定用于对所述部件的所述后缘进行冷却的一个或多个冷却通道；

其中，所述一个或多个冷却通道包括出口部分，所述出口部分在所述部件的所述后缘附近与所述压力侧壁或所述吸入侧壁相交。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：先铸造所述基底，然后在所述基底的所述外表面中形成所述槽。

19.根据权利要求17所述的方法，其中每个槽具有开口，并且其中每个槽在所述槽的所述开口处变窄，并且因此包括凹形槽，以使每个冷却通道包括凹形冷却通道。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述凹形槽的形成方式为，在所述基底的所述外表面上引导磨蚀性液体射流。