CN103806961A - 微通道冷却涡轮构件和形成微通道冷却涡轮构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微通道冷却涡轮构件和形成微通道冷却涡轮构件的方法。更具体而言，一种微通道冷却涡轮构件包括具有基底表面的微通道冷却涡轮构件的第一部分。还包括微通道冷却涡轮构件的第二部分，其激光熔合在基底表面上的物质。还包括沿第一部分和第二部分中的至少一个延伸的至少一个微通道，该至少一个微通道在第二部分形成时即形成和封闭。

Description

微通道冷却涡轮构件和形成微通道冷却涡轮构件的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮构件，并且更特别地涉及微通道冷却涡轮构件以及形成微通道冷却涡轮构件的方法。
背景技术
在燃气涡轮系统中，燃烧器将燃料或空气燃料混合物的化学能转换为热能。热能被流体(常常为来自压缩机的压缩空气)传递到涡轮，在这里热能被转换为机械能。作为转换过程的一部分，热气流经并穿过作为热气路径的涡轮的部分。沿热气路径的高温可加热涡轮构件，造成构件的劣化。
冷却或维持涡轮构件的合适温度的努力已包括提供用以在涡轮构件内分配冷却流的各种尺寸的通道。在形成具有这样的通道(特别是小通道)的涡轮构件时，存在困难。现有方法已包括例如槽式埋件和填充沟槽，然后用热障涂层(TBC)涂布带槽构件，然后浸出填充材料。上述工艺中的每一个包括特有的缺点，例如，高成本、制造偏差、时间密集型劳动和耐久性问题，等等。
发明内容
根据本发明的一个方面，微通道冷却涡轮构件包括具有基底表面的微通道冷却涡轮构件的第一部分。还包括微通道冷却涡轮构件的第二部分，其包括激光熔合在基底表面上的物质。还包括沿第一部分和第二部分中的至少一个延伸的至少一个微通道，该至少一个微通道在第二部分形成时即形成和封闭。
根据本发明的另一方面，提供了一种形成微通道冷却涡轮构件的方法。该方法包括形成具有基底表面的第一部分。还包括通过用激光熔融物质而将多个层沉积到第一部分上，该多个层形成的微通道冷却涡轮构件的第二部分。还包括在将多个层沉积到第一部分上期间形成和封闭沿第一部分和第二部分中的至少一个延伸的至少一个微通道。
在一方面，一种微通道冷却涡轮构件包括：微通道冷却涡轮构件的第一部分，其具有基底表面；微通道冷却涡轮构件的第二部分，其包括激光熔合在基底表面上的物质；以及至少一个微通道，其沿第一部分和第二部分中的至少一个延伸，至少一个微通道在第二部分形成时即形成和封闭。
优选地，物质包括粉末。
优选地，粉末被构造成在用激光熔融时即形成金属。
优选地，第二部分包括多个层。
优选地，多个层中的每一个包括约0.005mm至约0.100mm的厚度。
优选地，至少一个微通道部分地在第一部分中且部分地在第二部分中形成。
优选地，至少一个微通道完全形成于第一部分中。
优选地，至少一个微通道完全形成于第二部分中。
优选地，该微通道冷却涡轮构件还包括在第二部分的形成期间形成的微通道进料孔和出口孔中的至少一个。
优选地，第一部分和第二部分形成涡轮护罩的至少一部分。
优选地，第一部分和第二部分形成涡轮喷嘴和涡轮动叶中的至少一个的至少一部分。
优选地，第二部分包括多种不同的材料。
在另一方面，一种形成微通道冷却涡轮构件的方法包括：形成具有基底表面的第一部分；通过用激光熔融物质而将多个层沉积到第一部分上，多个层形成微通道冷却涡轮构件的第二部分；以及在将多个层沉积到第一部分上期间，形成和封闭沿第一部分和第二部分中的至少一个延伸的至少一个微通道。
优选地，第二部分包括第一材料，该方法还包括将不同于第一材料的第二材料的多个层沉积到第二部分上，从而形成带有多种不同材料的第二部分。
优选地，沉积多个层中的每一个包括沉积具有约0.005mm至约0.100mm的厚度的层。
优选地，该方法还包括：在将多个层沉积到第一部分上期间，形成微通道进料孔和出口孔中的至少一个。
优选地，至少一个微通道完全形成于第一部分中且用第二部分封闭。
优选地，在将多个层沉积到第一部分上期间，至少一个微通道完全形成于第二部分中。
优选地，至少一个微通道部分地形成于第一部分中且部分地形成于第二部分中。
优选地，第一部分和第二部分的形成包括形成涡轮护罩、涡轮喷嘴和涡轮动叶中的至少一个的至少一部分。
根据结合附图做出的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的结论部分处的权利要求中特别地指明和清楚地要求保护被视为本发明的主题。根据结合附图做出的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点是显而易见的，在附图中：
图1是涡轮系统的示意图；
图2是微通道冷却涡轮构件的第一部分的透视图；
图3是第一部分的侧视图；
图4是具有第一部分和第二部分的微通道冷却涡轮构件的透视图；
图5是微通道冷却涡轮构件的侧视图；以及
图6是示出形成微通道冷却涡轮构件的方法的流程图。
详细的描述参照附图以示例方式解释本发明的实施例以及优点和特征。
附图标记：
10  燃气涡轮系统
12  压缩机
14  燃烧器
16  涡轮
18  轴
20  燃料喷嘴
22  燃料源
24  涡轮壳体
32  微通道冷却涡轮构件
34  第一部分
36  第二部分
37  物质
38  基底表面
40  微通道
42  微通道进料孔
44  出气孔
100  形成微通道冷却涡轮构件的方法
102  形成具有基底表面的第一部分
104  通过用激光熔融物质而将多个层沉积到第一部分上
106  在将多个层沉积到第一部分上期间形成和封闭至少一个微通道。
具体实施方式
参看图1，诸如燃气涡轮系统的涡轮系统用标号10示意性地示出和大体表示。燃气涡轮系统10包括压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。应当理解，燃气涡轮系统10的一个实施例可包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16通过轴18联接。轴18可以是单个轴或联接到一起形成轴18的多个轴段。
燃烧器14使用可燃的液体和/或气体燃料，例如天然气或富氢合成气，来运行燃气涡轮系统10。例如，燃料喷嘴20与空气源和燃料源22流体连通。燃料喷嘴20形成空气燃料混合物，并且将空气燃料混合物排入燃烧器14中，从而造成形成热加压排气的燃烧。燃烧器14将热加压气体通过过渡件引导至涡轮喷嘴(或“一级喷嘴”)中以及其它级的动叶和喷嘴中，造成涡轮16在涡轮壳体24内的旋转。涡轮16的旋转造成轴18旋转，从而在空气流入压缩机12时压缩空气。在一实施例中，热气路径构件位于涡轮16中，在这里跨这些构件的热气流造成涡轮构件的蠕变、氧化、磨损和热疲劳。控制热气路径构件的温度可减少构件中的事故模式。燃气涡轮系统10的效率随点火温度的增加而增加，并且热气路径构件可能需要附加或增加的冷却来满足使用寿命和有效地执行预期功能。
参看图2至图5，如上所述，各种热气构件位于燃气涡轮系统10中各处，例如在涡轮16中。热气路径构件的示例包括涡轮护罩、涡轮喷嘴和涡轮动叶，然而，前面的示例仅仅是说明性的，而并非意图限制。一种这样的构件大体示出为微通道冷却涡轮构件32，其包括第一部分34和第二部分36。第一部分34是由诸如金属的各种材料形成的机加工构件。第二部分36包括沉积在第一部分34上以形成作为一体结构的微通道冷却涡轮构件32的物质37的多个层。具体而言，第一部分34包括基底表面38，其与沉积在第一部分34上的多个层中的第一个相互作用。随后，许多附加的层在下面将详细描述的添加过程中沉积在每个前层上。
微通道冷却涡轮构件32包括沿微通道冷却涡轮构件32的内部区域设置的至少一个微通道40。虽然示出为单个微通道，但应当理解，可包括多个微通道。在多个微通道的情况下，至少一个微通道40可在尺寸或形状上彼此相同或不同。根据某些实施例，至少一个微通道40可具有在约100微米(μm)与约3毫米(mm)之间的宽度、以及在约100μm与约3mm之间的深度，如下面将讨论的。例如，至少一个微通道40可具有在约150μm与约1.5mm之间、在约250μm与约1.25mm之间、或在约300μm与约1mm之间的宽度和/或深度。在某些实施例中，至少一个微通道40可具有小于约50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700或750μm的宽度和/或深度。虽然示出为相对椭圆形的横截面，但至少一个微通道40可以是许多合适形状。实际上，除了或代替图示的椭圆形横截面，至少一个微通道40可具有圆形、半圆形、弯曲、矩形、三角形或长斜方形横截面。宽度和深度可在其整个长度上变化。另外，在某些实施例中，至少一个微通道40可具有变化的横截面区域。诸如扰流器或凹坑的热传递增强件也可安装在至少一个微通道40中。
至少一个微通道40在形成第二部分36的物质37的沉积期间形成。物质37通常为涂布在基底表面38上且随后由激光熔融的粉末。激光功率可根据应用而变化，并且在一个实施例中，功率在约100W至约10,000W的范围内。细丝或薄板可用作粉末的替代物。在第一层的情况下，物质37的熔融导致了熔合连结到基底表面38的金属。激光粉末熔合可被称为直接金属激光熔融(DMLM)。可以使用的类似方法可被称为直接金属激光烧结(DMLS)、激光粉末熔合或直接金属沉积。这些方法可包括使用软件，该软件被构造成接收三维CAD数据以通过相对高效和省时的方式精确地沉积形成第二部分36的多个层。多个层中的每一个可在厚度上变化，然而，在一个实施例中，每个层的厚度在从约0.005mm至约0.100mm的范围内。在一个实施例中，厚度为约0.020mm。
应当理解，微通道冷却涡轮构件32的第二部分36包括多种不同的材料，而不是在物质37的分配期间形成的单种材料。通过熔融物质37以形成第一材料，然后热处理、机加工且检查第二部分36和因此微通道冷却涡轮构件32，可形成多材料第二部分。不同的材料然后可形成并添加到第一材料，以用不同的第二材料覆盖在现有的第二部分上，从而形成多材料第二部分。
上述激光粉末熔合法提供了针对至少一个微通道40的许多几何形状、尺寸和位置的制造能力。这样，上述软件可接收与对应于至少一个微通道40的形成的第二部分36的形成有关的数据。在一个实施例中，至少一个微通道40完全设置在(即，100%)第一部分34内靠近基底表面38处，并且第二部分36的形成封闭至少一个微通道40。在另一实施例中，至少一个微通道40完全设置在第二部分36内，使得第一部分34的基底表面38为相对平坦的齐平表面。在又一实施例中，至少一个微通道40部分地设置在第一部分34内且部分地设置在第二部分36内，使得少于100%的至少一个微通道40由第一部分34或第二部分36限定。前述实施例可通过对将要沉积和熔融物质37的地方的期望标绘来实现。
除了形成至少一个微通道40之外，可以设想，一个或多个微通道进料孔42可在第二部分36的沉积期间形成，或者备选地可通过第二部分36的一部分的激光去除过程来形成。备选地，微通道进料孔42也可以预钻出或机加工到第一部分34中。微通道进料孔42将冷却流或空气流从源导引至至少一个微通道40以用于在其中冷却。另外，至少一个出气孔44可作为该成形过程的一部分形成于第二部分36上或内部。备选地，至少一个出气孔44可通过第二部分36的一部分的激光去除过程来形成。
如图6的流程图中所示且参照图1至图5，还提供了一种形成微通道冷却涡轮构件的方法100。此前已描述了燃气涡轮系统10和更具体而言微通道冷却涡轮构件32，不需要更详细地描述具体的结构构件。形成微通道冷却涡轮构件的方法100包括形成具有基底表面的第一部分102。多个层通过用激光熔融物质而沉积到第一部分上104。多个层联合形成如上所述的第二部分36。至少一个微通道在多个层沉积到第一部分上期间被形成和封闭106。
虽然已结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该容易理解，本发明不限于此类公开的实施例。而是，可修改本发明以并入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的许多变型、改动、替换或等同布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但应当理解，本发明的方面可包括所描述实施例中的仅仅一些。因此，本发明不应视为由先前的描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1. 一种微通道冷却涡轮构件，包括：
所述微通道冷却涡轮构件的第一部分，其具有基底表面；
所述微通道冷却涡轮构件的第二部分，其包括激光熔合在所述基底表面上的物质；以及
至少一个微通道，其沿所述第一部分和所述第二部分中的至少一个延伸，所述至少一个微通道在所述第二部分形成时即形成和封闭。
2. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述物质包括粉末。
3. 根据权利要求2所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述粉末被构造成在用激光熔融时即形成金属。
4. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述第二部分包括多个层。
5. 根据权利要求4所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述多个层中的每一个包括约0.005mm至约0.100mm的厚度。
6. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述至少一个微通道部分地在所述第一部分中且部分地在所述第二部分中形成。
7. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述至少一个微通道完全形成于所述第一部分中。
8. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述至少一个微通道完全形成于所述第二部分中。
9. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，还包括在所述第二部分的形成期间形成的微通道进料孔和出口孔中的至少一个。
10. 根据权利要求1所述的微通道冷却涡轮构件，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分形成涡轮护罩的至少一部分。
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