CN103658991A - 用于制造翼型件的系统及方法 - Google Patents

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CN103658991A CN201310417220.XA CN201310417220A CN103658991A CN 103658991 A CN103658991 A CN 103658991A CN 201310417220 A CN201310417220 A CN 201310417220A CN 103658991 A CN103658991 A CN 103658991A
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Abstract

本发明涉及一种用于制造翼型件的系统及方法。具体而言，一种用于制造翼型件的系统包括翼型件的外表面、翼型件内侧的腔、以及翼型件外侧的校准仪。系统还包括从校准仪朝翼型件的外表面流动的流体柱，且流体柱内侧的激光束产生指向翼型件的外表面的限定的激光束。一种用于制造翼型件的方法包括，将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束、使限定的激光束指向翼型件的外表面、以及利用限定的激光束产生穿过翼型件的外表面的通路。

Description

用于制造翼型件的系统及方法
技术领域
本发明大体上涉及用于制造翼型件的系统及方法。
背景技术
涡轮广泛地用于工业和商业操作。用于生成电功率的典型的商业蒸汽涡轮或燃气涡轮包括交替成级的静止翼型件和旋转翼型件。例如，静止导叶可附接到静止构件，如包绕涡轮的壳体，且旋转叶片可附接到沿涡轮的轴向中心线定位的转子。压缩的工作流体如但不限于蒸汽、燃烧气体或空气，流经涡轮，且静止导叶将压缩的工作流体加速并引导到随后的旋转叶片级，以将运动给予旋转叶片，因此使转子转动且执行工作。
涡轮的效率大体上随压缩的工作流体的温度的提高而提高。然而，涡轮内的过高的温度可缩短涡轮中的翼型件的寿命，且因此增加与涡轮相关联的修理、维护和停机。结果，已经开发出了各种设计和方法以向翼型件提供冷却。例如，冷却介质可供应至翼型件的内侧的腔，以对流地和/或传导地从翼型件移除热。在特定的实施例中，冷却介质可经过翼型件中的冷却通路而流出腔，以在翼型件的外表面上提供膜冷却。
随着温度和/或性能标准继续提高，用于翼型件的材料变得日益更薄，从而使翼型件的可靠制造日益困难。例如，翼型件可由高合金金属铸成，且热障涂层可施加到翼型件的外表面来提高热保护。水射流或放电机(EDM)可用于产生穿过热障涂层和外表面的冷却通路，但水射流或EDM可引起热障涂层的部分被削去。作为备选，热障涂层可在冷却通路已经由水射流或EDM产生之后施加到翼型件的外表面，但这需要附加处理来移除覆盖新形成的冷却通路的任何热障涂层。
聚焦的激光束可还用于产生穿过翼型件的冷却通路，其中减小了剥去热障涂层的风险。然而，聚焦的激光束需要精确定位，以便激光束的焦点与翼型件的外表面重合，且与翼型件的外表面相关联的法曲率和制造公差使得焦点相对于外表面的精确定位难以实现。结果，聚焦的激光束可能不完全穿过外表面，导致必须更换或弃置受损的翼型件。此外，常规的聚焦激光束具有可实现的有限纵横比。具体而言，由常规的聚焦激光束产生的冷却通路的深度与宽度的比通常小于三(即，冷却通路的深度必须是冷却通路的宽度的至少三倍)。小于三的纵横比可需要穿过翼型件的较厚部分的过宽的冷却通路。因此，用于制造不需要翼型件的精确定位和/或允许冷却通路的更大纵横比的改进的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来了解。
本发明的一个实施例为一种用于制造翼型件的系统。该系统包括翼型件的外表面、翼型件内侧的腔、以及翼型件外侧的校准仪。系统还包括从校准仪朝翼型件的外表面流动的流体柱，且流体柱内侧的激光束产生指向翼型件的外表面的限定的激光束。
本发明的另一个实施例为一种用于制造翼型件的方法，其包括形成翼型件的外表面、形成翼型件内侧的腔、以及将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束。该方法还包括使限定的激光束指向翼型件的外表面，以及利用限定的激光束产生穿过翼型件的外表面的通路。
在本发明的另一个实施例中，一种用于制造翼型件的方法包括，将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束、使限定的激光束指向翼型件的外表面、以及利用限定的激光束产生穿过翼型件的外表面的通路。
一种用于制造翼型件的系统，包括：
a. 翼型件的外表面；
b. 翼型件内侧的腔；
c. 翼型件外侧的校准仪；
d. 从校准仪朝翼型件的外表面流动的流体柱；以及
e. 流体柱内侧的激光束，用于产生指向翼型件的外表面的限定的激光束。
优选地，系统还包括传感器，传感器与翼型件可操作地连接且构造成在限定的激光束穿过翼型件的外表面之后生成信号。
优选地，传感器包括光电二极管或流体传感器中的至少一者。
优选地，系统还包括控制器，其与传感器连通，使得控制器接收信号，其中控制器构造成执行储存在存储器中的逻辑，逻辑在预定条件存在时停用激光束。
优选地，预定条件包括限定的激光束穿过翼型件的外表面的时间。
一种用于制造翼型件的方法，包括：
a. 形成翼型件的外表面；
b. 形成翼型件内侧的腔；
c. 将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束；
d. 使限定的激光束指向翼型件的外表面；以及
e. 利用限定的激光束产生穿过翼型件的外表面的通路。
优选地，产生穿过翼型件的外表面的通路包括产生具有宽度的至少三倍那样大的深度的通路。
优选地，方法还包括在使限定的激光束指向翼型件的外表面之前将热障涂层施加到翼型件的外表面。
优选地，方法还包括探测限定的激光束何时已经完全穿过翼型件的外表面。
优选地，探测包括感测腔内侧的光或流体中的至少一者。
优选地，方法还包括测量将限定的激光束指向翼型件的外表面与探测限定的激光束何时已完全穿过翼型件的外表面之间的时间间隔。
优选地，方法还包括如果时间间隔超过预定极限则使翼型件的外表面相对于激光束移动。
优选地，方法还包括如果时间间隔超过预定极限则停用激光束。
一种用于制造翼型件的方法，包括：
a. 将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束；
b. 使限定的激光束指向翼型件的外表面；以及
c. 利用限定的激光束产生穿过翼型件的外表面的通路。
优选地，产生穿过翼型件的外表面的通路包括产生具有宽度的至少三倍那样大的深度的通路。
优选地，方法还包括在使限定的激光束指向翼型件的外表面之前将热障涂层施加到翼型件的外表面。
优选地，方法还包括探测限定的激光束何时已经完全穿过翼型件的外表面。
优选地，方法还包括测量将限定的激光束指向翼型件的外表面与探测限定的激光束何时已完全穿过翼型件的外表面之间的时间间隔。
优选地，方法还包括如果时间间隔超过预定极限则使翼型件的外表面相对于激光束移动。
优选地，方法还包括如果时间间隔超过预定极限则停用激光束。
本领域的普通技术人员在查阅说明书时将更好认识到此类及其他实施例的特征和方面。
附图说明
包括本发明的最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容更具体地在包括参照附图的说明书的余下部分中对本领域的技术人员阐明：
图1为根据本发明的实施例的示例性翼型件的透视图；
图2为可用于铸造图1中所示的翼型件的核芯的平面视图；
图3为根据本发明的一个实施例的用于制造图1中所示的翼型件的系统的透视图；以及
图4为根据本发明的一个实施例的用于制造图1中所示的翼型件的方法的流程图。
零件清单
10 翼型件
12 外表面
14 压力侧
16 吸力侧
18 腔
20 前缘
22 后缘
24 冷却通路
30 核芯
32 蜿蜒部分
34 凸起
36 热障涂层
40 系统
42 激光器
44 校准仪
46 控制器
48 未聚焦的激光束
50 透镜
52 室
54 流体
56 嘴
58 流体柱
60 限定的激光束
62 处理器
64 存储器
66 传感器
68 信号
70 逻辑
80 形成翼型件的外表面
82 形成翼型件内侧的腔
84 施加热障涂层
86 生成并限定激光束
88 使限定的激光束指向外表面
90 探测穿过外表面的激光束
92 测量时间
94 停用激光束
96 调整外表面的位置。
具体实施方式
现在将对本发明的当前实施例进行详细参照，其中的一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来表示图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标记的已经用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文使用的术语"第一"、"第二"和"第三"可互换使用来将一个构件与另一个区分开，且并非旨在表示独立构件的位置或重要性。此外，术语"上游"和"下游"表示流体通路中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流至构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B在构件A的下游。
各个示例通过阐述本发明的方式提供，而未限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一个实施例上使用来产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖纳入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
本发明的各种实施例包括用于制造翼型件的系统及方法。系统大体上包括由流体柱限定的激光束，且限定的激光束可用于穿过翼型件的外表面以特定的角产生精确的孔。在特定实施例中，系统可还包括传感器，传感器与翼型件可操作地连接，且构造成在限定的激光束穿过翼型件的外表面之后生成信号。与传感器连通的控制器可接收信号，且执行储存在存储器中的逻辑，其指示针对使外表面相对于激光束移动和/或在预定条件存在时停用激光束的需要。例如，预定条件可包括激光束穿过翼型件的外表面至翼型件内侧的腔的时间。尽管大体上以并入涡轮中的翼型件为背景描述本发明的示例性实施例，但本领域的普通技术人员将容易从本文的教导内容中认识到本发明的实施例不限于涡轮，除非权利要求中明确叙述。
现在参看附图，其中相同的数字指示了附图各处的相同元件，图1提供了示例性翼型件10的透视图，如，可并入涡轮或其它空气动力装置中。如图1中所示，翼型件10大体上包括具有压力侧14和吸力侧16的外表面12。压力侧14具有凹曲率，且吸力侧16具有与压力侧14相反的凸曲率。压力侧14和吸力侧16与彼此分开以限定翼型件10内侧的腔18。腔18可提供蜿蜒路径或曲折路径来用于冷却介质在翼型件10内侧流动，以从翼型件10传导地且/或对流地移除热。此外，压力侧14和吸力侧16还连结来形成翼型件10的上游部分处的前缘20以及翼型件10的下游部分处的腔18的下游的后缘22。压力侧14、吸力侧16、前缘20和/或后缘22中的多个冷却通路24可提供从腔18穿过翼型件10的流体连通来在翼型件10的外表面12上提供冷却介质。例如，如图1中所示，冷却通路24可位于前缘20和后缘22处，且/或沿压力侧14和吸力侧16中的一者或两者定位。本领域的普通技术人员将容易从本文的教导内容中认识到冷却通路24的数目和/或位置可根据特定实施例变化，且本发明不限于冷却通路24的任何特定数目或位置，除非权利要求中明确地叙述。
图1中所示的示例性翼型件10可通过使用本领域中所知的任何工艺来制造。例如，翼型件10可通过本领域中容易知道的锻造、加工、焊接、挤出和/或铸造的方法制造。图2提供了核芯30的平面视图，核芯30可用于通过熔模铸造来制造图1中所示的翼型件10。如图2中所示，核芯30可包括带有一定数目的长而细的分支的蜿蜒部分32或从蜿蜒部分32延伸的凸起34。蜿蜒部分32大体上对应于翼型件10中的腔18的尺寸和位置，且凸起34大体上对应于穿过翼型件10的后缘22的更大的冷却通路24的尺寸和位置。核芯30可由具有足够强度的任何材料制造，以经受与铸造材料(例如，高合金金属)相关联的高温，同时保持铸造期间核芯30所需的紧密定位。例如，核芯30可由陶瓷材料、陶瓷复合材料或其它适合的材料铸造成。一旦铸造或以其它方式制造，则激光器、放电机、钻机、水射流或其它适合的装置可用于改善或形成图2中所示的蜿蜒部分32和/或凸起34。
核芯30然后可在失蜡工艺或本领域中已知的其它铸造工艺中使用。例如，核芯30可涂布有容易地定形为翼型件10期望的厚度和曲率的蜡或其它适合的材料。蜡覆盖的核芯30然后可重复地浸入液体陶瓷溶液中来在蜡表面上产生陶瓷外壳。然后，蜡可加热来从核芯30与陶瓷外壳之间移除蜡，从而在核芯30与用作翼型件10的模具的陶瓷外壳之间产生空隙。
熔融的高合金金属可然后倒入模具来形成翼型件10。例如，高合金金属可包括镍、钴和/或铁超级合金，如GTD-111、GED-222、Rene 80、Rene 41、Rene 125、Rene 77、Rene N5、Rene N6、PWA 1484、PWA 1480、第四代单晶超级合金、MX-4、镍基合金(Hastelloy) X、钴基HS-188以及类似的合金。在高合金金属冷却且凝固之后，可破坏并移除陶瓷外壳，使高合金金属露出，高合金金属采用通过移除蜡而产生的空隙的形状。可使用本领域已知的方法来从翼型件10内侧移除核芯30。例如，核芯30可通过淋溶(leaching)过程溶解来移除核芯30，在翼型件10中留下腔18和冷却通路24。
图3提供了用于产生穿过翼型件10的附加冷却通路24的系统40的透视图。如图3中所示，热障涂层36可施加到翼型件10的外表面12的至少一部分。热障涂层36可包括低发射率或高反射率，以用于加热、光滑抛光和/或良好附着到下方的外表面12。例如，本领域中已知的热障涂层包括部分地或完全地由氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)或其它贵金属氧化物稳定的金属氧化物，如氧化锆(ZrO2)。所选的热障涂层36可通过使用空气等离子喷雾(APS)、低压等离子喷雾(LPPS)或物理汽相沉积(PVD)技术如电子束物理汽相沉积(EBPVD)的常规方法来沉积，这产生耐应变的柱状晶粒结构。例如，如转让给本发明的同一受让人的美国专利6,165,600中所述，所选的热障涂层36可还使用任何前述方法的组合来施加，以形成带，随后带被转移来施加到下方的基底。
系统40的各种实施例大体上可包括激光器42、校准仪44和控制器46。激光器42可包括能够生成未聚焦的激光束48的任何装置。例如，激光器42可为光抽运Nd：YAG激光器，其能够产生大约10kHz至50kHz的脉冲频率、大约500nm至550nm的波长和大约10W至100W的平均功率的未聚焦的激光束。
在图3中所示的特定实施例中，激光器42经过透镜50而将未聚焦的激光束48引导至校准仪44。如本文使用的校准仪44包括使颗粒或波的束变窄和/或对准来引起束的空间截面变得更小的任何装置。例如，如图3中所示，校准仪44可包括将未聚焦的激光束48与流体54如去离子水或过滤水一起接收的室52。具有大约20微米至150微米的直径的孔口或嘴56将流体柱58内侧的未聚焦的激光束48朝翼型件10引导。流体柱58可具有大约700至1,500磅每平方英寸的压力，但本发明不限于流体柱58的任何特定的压力，除非在权利要求中明确地叙述。如图3中的放大视图中所示，流体柱58由空气包绕，且用作未聚焦的激光束48的光导，以产生指向翼型件10的聚焦的或限定的激光束60。
限定的激光束60使翼型件10的外表面12变扁，最后产生穿过翼型件10的期望的冷却通路24。流体柱58的圆筒几何形状和所得的限定的激光束60在冷却通路24中产生粗略平行侧。结果，由系统40产生的冷却通路24的纵横比可大于以前使用常规聚焦的激光束所实现的。例如，取决于翼型件10的特定成分，图3中所示的系统40可产生穿过具有高达十或更大的纵横比的翼型件的外表面12的冷却通路24。
控制器46可为任何适合的基于处理器的计算装置。例如，适合的控制器46可包括个人计算机、移动电话(包括智能电话)、个人数字助理、平板电脑、笔记本电脑、桌面计算机、工作站、游戏控制台、服务器、其它计算机和/或任何其它适合的计算装置。如图3中所示，控制器46可包括一个或多个处理器62和相关联的存储器64。处理器62大体上可为本领域中已知的任何适合的处理装置。同样，存储器64大体上可为任何适合的计算机可读介质或媒介，包括但不限于RAM、ROM、硬盘、闪存盘或其它存储装置。如大体上理解的那样，存储器64可构造成储存可由处理器62访问的信息，包括可由处理器62执行的指令或逻辑。指令或逻辑可为任何指令集，其在被处理器62执行时，引起处理器62提供期望的功能。例如，指令或逻辑可为以计算机可读形式呈递的软件指令。当使用软件时，任何适合的编程、脚本或其它类型的语言或语言组合可用于实施本文包含的教导内容。作为备选，指令可由硬接线逻辑或其它电路实施，包括但不限于应用特定的电路。
如图3中所示，传感器66与翼型件10可操作地连接，且构造成在限定的激光束60穿过翼型件10的外表面12之后生成信号68。传感器66可为光电二极管、流体传感器或能够探测限定的激光束60何时已经完全穿过翼型件10的外表面12的任何其它适合的传感器。控制器46与传感器66连通，使得控制器46接收信号68。控制器46可执行储存在存储器64中的逻辑70来基于存在或不存在或预定条件来引导激光束42的操作。例如，预定条件可为限定的激光束60穿过翼型件10的外表面12的预定的时间间隔。如果控制器46未接收到指示限定的激光束60已经在超过预定时间间隔之前穿过翼型件10的外表面12的信号68，则这可指示系统40相对于外表面12的问题或失准。结果，由控制器46执行的逻辑70可引导控制器46来停用激光束42，直到可检查或查看系统40。作为备选或此外，控制器46可向使用者提供指示来使翼型件10的外表面12相对于激光束42移动来加强系统40的操作。
本领域的普通技术人员将容易从本文的教导内容中认识到，参照图3描述和示出的系统40可提供用于制造翼型件10的方法，且图4提供了用于根据本发明的一个实施例制造图1中所示的翼型件10的方法的流程图。在框80和82处，例如，如前文参照图1和图2中所示的翼型件10和核芯30所述，该方法可包括形成翼型件10的外表面12并形成翼型件10内侧的腔18。如图3中所示，在框84处，该方法可选择性地包括将热障涂层36施加到翼型件10的外表面12。作为备选，如图3中所示且由框86代表的那样，该方法可通过生成激光束48且将激光束48限定在流体柱58内侧来进行，以产生限定的激光束60。在框88处，该方法将限定的激光束60指向翼型件10的外表面12，以利用限定的激光束60产生穿过翼型件10的外表面12的冷却通路24。在特定的实施例中，该方法可产生具有大于三且有时大于十的纵横比(即，深度与宽度之比)的冷却通路24。
该方法可还包括由框90代表的探测限定的激光束60何时已经完全穿过翼型件10的外表面12。探测可包括感测翼型件10的腔18内侧的光或流体中的至少一者。此外，该方法可测量限定的激光束60指向外表面12和限定的激光束何时穿过外表面12之间的时间间隔，由菱形92指示。如果时间间隔超过预定的时间间隔，则该方法可使激光束42停用，由线94指示。作为替代或此外，该方法可包括如果时间间隔超过预定时间间隔则使翼型件10的外表面12相对于激光束42移动来加强操作，由框96指示。
本文所述的系统40及方法可提供优于常规聚焦激光的一个或多个好处或优点。例如，流体柱58向外表面12提供冷却来减少或避免可能在常规聚焦激光中出现的热损伤。此外，流体柱58的圆筒形形状和限定的激光束60允许外表面12在离激光束42的各种距离处的有效烧蚀。结果，系统40产生穿过翼型件10的外表面12的冷却通路24所需的时间不再取决于外表面12相对于激光束42的精确定位。此外，流体柱58的圆筒形状和限定的激光束60产生平行的切口壁，允许了大于以前常规聚焦激光可用的纵横比。
所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构要素，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于制造翼型件的系统，包括：
a. 所述翼型件的外表面；
b. 所述翼型件内侧的腔；
c. 所述翼型件外侧的校准仪；
d. 从所述校准仪朝所述翼型件的所述外表面流动的流体柱；以及
e. 所述流体柱内侧的激光束，用于产生指向所述翼型件的所述外表面的限定的激光束。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括传感器，所述传感器与所述翼型件可操作地连接且构造成在所述限定的激光束穿过所述翼型件的所述外表面之后生成信号。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述传感器包括光电二极管或流体传感器中的至少一者。
4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制器，其与所述传感器连通，使得所述控制器接收所述信号，其中所述控制器构造成执行储存在存储器中的逻辑，所述逻辑在预定条件存在时停用所述激光束。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预定条件包括所述限定的激光束穿过所述翼型件的所述外表面的时间。
6. 一种用于制造翼型件的方法，包括：
a. 形成所述翼型件的外表面；
b. 形成所述翼型件内侧的腔；
c. 将激光束限定于流体柱内侧来产生限定的激光束；
d. 使所述限定的激光束指向所述翼型件的所述外表面；以及
e. 利用所述限定的激光束产生穿过所述翼型件的所述外表面的通路。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，产生穿过所述翼型件的所述外表面的所述通路包括产生具有宽度的至少三倍那样大的深度的所述通路。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在使所述限定的激光束指向所述翼型件的所述外表面之前将热障涂层施加到所述翼型件的所述外表面。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括探测所述限定的激光束何时已经完全穿过所述翼型件的所述外表面。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述探测包括感测所述腔内侧的光或流体中的至少一者。
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