CN104653240B - 带有内部冷却辅助元件的改良涡轮机部件和用于其的方法 - Google Patents

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Abstract

改良涡轮机部件包括：原始涡轮机部件，其包括封闭有内部腔室的外壁，其中，该外壁具有从该外壁上移除的原始部分以使该内部腔室暴露；和连结至该外壁的内部冷却辅助元件，该内部冷却辅助元件替代从外壁上移除的原始部分并再次封闭该内部腔室。该内部冷却辅助元件包括一个或多个冷却通道，这一个或多个冷却通道使来自内部腔室的空气通过内部冷却辅助元件的至少一部分循环。

Description

带有内部冷却辅助元件的改良涡轮机部件和用于其的方法
背景技术
本说明书中公开的主题涉及涡轮机部件，并且更为具体地涉及带有内部冷却辅助元件的改良涡轮机部件。
在诸如航空发动机或重型燃气轮机之类的燃气涡轮发动机中，例如，空气被吸入到发动机的前部中，由轴装的旋转型压缩机进行压缩，并与燃料混合。使该混合物燃烧，并且使热的排出气体通过安装在轴上的涡轮机。气体的流动使该涡轮机转动，这使轴转动并且驱动压缩机和风扇。对于飞机而言，热的排出气体可从发动机的后部进一步流动，从而向前驱动它和飞机。
在燃气涡轮发动机的运转期间，燃烧气体的温度可超过3,000℉，其显著高于与这些气体相接触的发动机的金属部件的熔化温度。这些发动机在高于该金属部件熔化温度的气体温度下的运转可部分依赖于通过多种方法将冷却空气供给至金属部件的外表面。这些发动机的特别易于受到高温影响并由此在冷却方面需要特别注意的金属部件是形成燃烧室的金属部件和设置在该燃烧室之后、设置在所谓的“热气路径”中的部件。例如，运转温度可通过利用结合到诸如动叶(bucket)之类的一些发动机部件中的诸如冷却孔之类的通道来部分地调节。
诸如可沉淀硬化的镍基超级合金或钴基超级合金之类的超级合金可用于涡轮机部件以有助于承受较高的运转温度。然而，并不是所有的涡轮机部件均被原始设计成带有冷却孔，因此，在运转温度持续升高时，可利用另外的冷却特征。
因此，替代的带有内部冷却辅助元件的改良涡轮机部件及用于利用内部冷却辅助元件来对涡轮机部件进行改良的方法在本领域中会是受欢迎的。
发明内容
在一种实施方式中，公开了一种改良涡轮机部件。该改良涡轮机部件包括：原始涡轮机部件，该原始涡轮机部件包括封闭有内部腔室的外壁，其中，该外壁具有从该外壁上移除的原始部分以使该内部腔室暴露出来；和连结至该外壁的内部冷却辅助元件，该内部冷却辅助元件替代从外壁上移除的原始部分并重新封闭该内部腔室。该内部冷却辅助元件包括一个或多个冷却通道，这一个或多个冷却通道使空气从所述内部腔室通过该内部冷却辅助元件的至少一部分循环。
在另一实施方式中，公开了一种用于对涡轮机部件进行改良的方法。该涡轮机部件包括封闭有内部腔室的外壁。该方法包括：将原始部分从该外壁上移除以使内部腔室暴露出来；以及将内部冷却辅助元件连结至外壁以便替代从该外壁上移除的原始部分并重新封闭该内部腔室。该内部冷却辅助元件包括一个或多个冷却通道，这一个或多个冷却腔室使得空气从所述内部腔室通过该内部冷却辅助元件的至少一部分循环。
鉴于结合附图进行的下列详细说明，由本说明书中所讨论的实施方式提供的这些和附加的特征将得到更为充分的理解。
附图说明
附图中所阐述的实施方式在本质上是说明性的且是示例性的且并不意欲限制由权利要求所限定的本发明。对说明性实施方式进行的下列详细描述可在结合下列附图进行阅读时得到理解，其中，相似的结构以相似的附图标记指代，并且附图中：
图1是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的具有内部冷却辅助元件的改良涡轮机部件的透视图；
图2是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的移除了其外壁的原始部分的原始涡轮机部件的分解视图；
图3是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的内部冷却辅助元件的侧视图；
图4是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的图3的内部冷却辅助元件的后视图；
图5是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的用于对涡轮机部件进行改良的方法。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体实施方式。在试图提供对于这些实施方式作出的简明描述的过程中，可能在说明书中没有对实际实施方案的所有特征进行描述。应该了解的是，在任一这种实际实施方案的研发过程中，如在任一工程或设计方案中，必须作出多种为实施方案所特有的决定以实现研发者的具体目的，例如服从与系统相关并与商业相关的约束条件，这在实施方案之间可能是不同的。此外，应该了解的是，这种研发努力可能是复杂而耗时的，尽管如此，它对于受益于本公开的本领域技术人员而言会是一种设计、加工、和制造的常规任务。
当介绍本发明的多种实施方式的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意欲意指存在元件中的一种或多种。术语“包括”、“包含”和“具有”意图在于是包括性的并且意指可能存在除所列元件之外的附加元件。
本公开主要应用于在以相对高的温度为特征的环境内运转的涡轮机部件。这种涡轮机部件的显著示例包括诸如工业或航空燃气涡轮发动机之类的涡轮机的高压和低压涡轮机动叶(轮叶)、喷嘴(翼片)、护罩、和其它热气路径部件。
现在参照图1进行说明，示出了示例性的改良涡轮机部件10，该改良涡轮机部件10包括原始涡轮机部件11和内部冷却辅助元件20。如在本说明书中所使用的那样，“原始涡轮机部件”指的是通过添加该内部冷却辅助元件而改良的涡轮机部件的主体。“原始”仅指的是涡轮机部件在本说明书中所讨论的改良之前的相对状态，并且无需必然限定新制成的部件。例如，“原始涡轮机部件”可指的是经历了若干小时的运转并且为改良(例如，维修或维护)做好准备的涡轮机喷嘴(如所示)。
原始涡轮机部件11可包括在升高的温度下运转的多种涡轮机部件。例如，在一些实施方式(例如图1-2中所示的实施方式)中，原始涡轮机部件11可包括喷嘴。然而，在其它实施方式中，原始涡轮机部件可包括诸如动叶、护罩等之类的任何其它涡轮机部件。
仍旧参照图1和图2进行说明，改良涡轮机部件10(和原始涡轮机部件11)主要包括封闭有内部腔室14的外壁12。外壁12可完全封闭该内部腔室14，或者可以仅仅是全部组合以封闭该内部腔室14的多个物理边界中的一个。内部腔室14自身可包括可用于在涡轮机的运转期间对一个或多个部件进行冷却的空气。例如，内部腔室14可包括可用于对热气路径涡轮机部件进行下游冷却的压缩机排放空气。
原始涡轮机部件11可包括诸如一种或多种超级合金之类的多种材料。在一些实施方式中，原始涡轮机部件11可包括镍基超级合金、钴基超级合金、或铁基超级合金。例如，原始涡轮机部件11可包括诸如RenéN4、RenéN5、René108、GTD-GTD-GTD-IN-738和MarM 247之类的镍基超级合金或诸如FSX-414之类的钴基超级合金。原始涡轮机部件11可被形成为等轴定向凝固的(DS)或单晶的(SX)铸件，以承受它例如在燃气涡轮发动机内遭受到的高温和高应力。
如在图2中最佳所示，移除了原始涡轮机部件11的外壁12的原始部分16。该原始部分16可包括外壁12的任何部分和任何位置，它的移除使内部腔室14暴露出来(使得替代的内部冷却辅助元件20将形成用于内部腔室14的边界，如将在本说明书中变得明白的那样)。例如，在一些实施方式中，原始部分16可包括改良(例如，维修)所针对的区域，例如呈现出故障、氧化、裂纹等的区域。在原始涡轮机部件11包括喷嘴的实施方式(如在图1-2中所示)中，从外壁12上移除的原始部分16可包括前缘18的至少一部分。喷嘴(或任何相似的涡轮机部件)的前缘18会由于它们所必须承受的较高温度而最受改良影响。同样，从这种区域上移除该原始部分16会补救(remedy)任何潜在的故障征兆，和/或利用改良涡轮机部件10来提供新的或改进的局部内部冷却。
原始部分16可以任何可容许的方法来移除。例如，原始部分16可根据原始涡轮机部件11的材料通过经由激光、锯、水流喷射、刀片等进行切割来移除。
参照图1和图3-4进行说明，改良涡轮机部件10还包括内部冷却辅助元件20。该内部冷却辅助元件20被大致成形为通过填充窗口17而基本上重新封闭该内部腔室14，其中所述窗口17是通过移除外壁12的原始部分16造成的在原始涡轮机部件11中形成的。例如，内部冷却辅助元件20与从外壁12上移除的原始部分16可包括相同的形状。通过包括相同的(即，共用的)形状，内部冷却辅助元件20可基本填充形成在外壁12中的窗口17。如在本说明书中所使用的那样，“基本填充”指的是内部冷却辅助元件20的尺寸、形状和整个轮廓与窗口17的尺寸、形状和轮廓基本上匹配。由此，在原始部分16从原始涡轮机部件11的外壁12上负向移除材料的情况下，内部冷却辅助元件20可正向提供作为替换的材料，使得改良涡轮机部件10的外部轮廓与将外壁12的原始部分16移除之前的原始涡轮机部件11的外部轮廓基本上类似。
如在图3和图4中最佳所示，内部冷却辅助元件20包括可使得来自改良涡轮机部件10的内部腔室14的空气15循环的一个或多个冷却通道22。通过使得空气15在内部冷却辅助元件20内部循环，内部冷却辅助元件20(以及潜在地整个改良涡轮机部件10)的运转温度可通过金属/合金材料与空气15之间的热力学相互作用而得到更好地调节。
一个或多个冷却通道22可大体上包括流体地连接至一个或多个冷却孔24的至少一个内部流体导管23，该一个或多个冷却孔24以面对内部腔室14的方式设置在内部冷却辅助元件20的内壁26上。通过将一个或多个冷却孔24设置在内部冷却辅助元件20的内壁26(即，重新封闭该内部腔室14的壁)上，来自内部腔室14的空气15(例如，用于下游冷却的压缩机排放空气)可进入一个或多个冷却孔24，用于对内部冷却辅助元件20进行冷却。
内部冷却辅助元件的一个或多个冷却通道22可包括多种构造并且可基于具体的原始涡轮机部件11和从其外壁12移除的原始部分16的位置。例如，在一些实施方式中，单个内部流体导管23可流体地连接至两个冷却孔24。在这种实施方式中，空气15可进入冷却孔24中的一个，流过内部流体导管23，并且随后离开第二冷却孔24。在一些实施方式中，单个内部流体导管23可流体地连接至诸如多于两个冷却孔的多个冷却孔24。在甚至一些实施方式中，内部冷却辅助元件20可包括多个冷却流体导管23，多个冷却流体导管23中的每一个都流体地连接至它们自己的多个冷却孔24(例如在图3和图4中示例性地所示)。此外，一个或多个冷却通道22中的每一个均可包括多种路径设计，该多种路径设计中的每一个均彼此相似或彼此不同。例如，在一些实施方式中，一个或多个冷却通道22中的至少一个可包括蛇形构造(即，与直线相反，流动路径来回行进)。尽管本说明书中已经公开了具体的冷却通道设计，但应该了解到的是，这些设计非意图在于是限制性的并且其它设计(例如，流体导管23和冷却孔24的数量、位置和构造)可附加地或作为选择地进行结合。
内部冷却辅助元件20可包括多种材料。例如，在一些实施方式中，内部冷却辅助元件20可包括如上所讨论的超级合金之类的镍基超级合金、钴基超级合金、或铁基超级合金。在这些实施方式中的甚至一些中，例如当原始涡轮机部件11包括喷嘴或其它热气路径涡轮机部件时，内部冷却辅助元件20和原始涡轮机部件11可包括相同的材料(即，分享共用的材料成分。)
在一些实施方式中，原始涡轮机部件11可在其外壁12上具有至少一个涂层。该涂层可包括可适用于处于运转中时的涡轮机部件的任何类型的涂层，例如有利于热性能、机械性能、或其它性能的那些类型的涂层。例如，在一些实施方式中，例如当原始涡轮机部件11包括用于涡轮机的热气路径部件时，该涂层可包括热障涂层和/或环境屏蔽涂层。示例性的但非限制性的涂层包括一个或多个粘合涂层、过渡或中间层、和/或顶部涂层。用于涂层的非限制性材料包括陶瓷材料以及可选的其它氧化物以降低导热性，所述陶瓷材料的著名示例是部分地或全部通过氧化钇(YSZ)或诸如氧化镁、氧化铈、氧化钪和/或氧化钙之类的其它氧化物来稳定的氧化锆。在热障涂层系统中使用的粘合涂层材料包括抗氧化的覆盖涂层以及抗氧化的扩散涂层，所述抗氧化的覆盖涂层为诸如MCrAlX(其中，M是铁、钴和/或镍，并且X是钇、稀土金属、和/或其它反应金属)之类。
同样，内部冷却辅助元件20可包括位于其外壁27上的至少一个涂层，例如上文中相对于原始涡轮机部件11讨论的涂层中的任一个或任意多个。在一些实施方式中，当原始涡轮机部件11包括涂层时，内部冷却辅助元件20也包括与原始涡轮机部件11上的涂层相同或不同的涂层。在甚至一些实施方式中，甚至当原始涡轮机部件11不具有涂层时，内部冷却辅助元件20也可包括至少一个涂层。
在将内部冷却辅助元件20放置在窗口17中之前，一个或多个冷却通道22可存在于该内部冷却辅助元件20中。例如，在一些实施方式中，在该内部冷却辅助元件20的制造期间形成一个或多个冷却通道22。在一些实施方式中，在形成该内部冷却辅助元件20之后但在将它放置在窗口17中之前，将一个或多个冷却通道22机加工(例如，钻)到该内部冷却辅助元件20中。在一些实施方式中，可在内部冷却辅助元件20的铸造过程期间形成一个或多个冷却通道22。甚至在一些实施方式中，该内部冷却辅助元件20可通过诸如选择性的激光熔化(SLM)、选择性的激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔化(DMLM)等之类的额外的制造来生产。在这种实施方式中，一个或多个冷却通道22可在整个部件组装时形成在内部冷却辅助元件20内。甚至在一些实施方式中，内部冷却辅助元件20及其一个或多个冷却通道22可包括例如通过扩散结合或钎接而结合在一起的多个子组件。
内部冷却辅助元件20可由此被连结至外壁12，以便替换从外壁12上移除的原始部分16，并再次封闭该内部腔室14。连结可通过任何一种或多种适用的技术基于原始涡轮机部件11和内部冷却辅助元件20的材料而发生。例如，连结可被通过焊接(例如，电子束焊接、电弧焊接、摩擦焊接等)和/或钎接而得到促进。在一些实施方式中，例如当内部冷却辅助元件20包括与原始涡轮机部件11相同的金属或合金时，连结可另外包括焊接材料、钎接材料等。还应该了解到的是，可利用任一种类的加热，例如但不限于感应加热、喷灯、烤炉或任何其它源以将材料充分地结合在一起。甚至在一些实施方式中，根据材料，可通过摩擦焊接实现加热，使得加热过程更为局限于表面区域。
所获得的改良涡轮机部件10可由此包括基本上整体的部件，其包括原始涡轮机部件11(具有从其外壁12移除了的原始部分16)和替代所移除的原始部分16以再次封闭有内部腔室14的内部冷却辅助元件20。内部冷却辅助元件20包括一个或多个冷却通道22，所述一个或多个冷却通道22可在涡轮机处于运转中时使来自内部腔室14的空气15通过该内部冷却辅助元件20的至少一部分循环。这可允许对涡轮机部件的一个或多个部分进行模块化改良(例如，更换、维修等)以便减少潜在的故障区域和/或对改良涡轮机部件10提供额外的热控制。
现在另外参照图5进行说明，示出了用于对涡轮机部件11进行改良的方法100，该涡轮机部件11包括封闭有内部腔室14的外壁12。该方法100首先包括在步骤110中将原始部分16从外壁12上移除以使得内部腔室14暴露。该移除可通过任何适用的技术来实现，并且其位置可大致为涡轮机部件11的任何适当的区域，如本说明书中所讨论的那样。
该方法100还包括将内部冷却辅助元件20连结至外壁12以替换从该处移除的原始部分16并再次封闭该内部腔室14。如本说明书中所讨论的那样，内部冷却辅助元件20包括一个或多个冷却通道22，所述一个或多个冷却通道22可由此使得来自内部腔室14的空气15通过该内部冷却辅助元件20的至少一部分循环。连结可通过任何适用的技术来实现，并且内部冷却辅助元件20(及其一个或多个冷却通道22)的尺寸、形状和构造可包括如本说明书中所讨论的各种实施方式中的任一种。
现在应该了解的是，改良涡轮机部件可包括内部冷却辅助元件以便将新的和/或替代的冷却通道提供至原始涡轮机部件的一个或多个部分。具体来说，处于改良涡轮机部件的内部腔室中的空气(例如，压缩机排放空气)现在也可以循环通过内部冷却辅助元件的一个或多个冷却通道以便促进从改良涡轮机部件10的强制热传递。此外，该内部冷却辅助元件还可以替代关于原始涡轮机部件的外壁的一个或多个故障区域和/或氧化区域。这种实施方式可避免必须经由焊接和/或钎接来组装附加材料或否则必须回收整个部件。本说明书中公开的这些改良还大体上适用于工业和航空燃气涡轮发动机的其它热气路径部件以及受到极端温度的影响的多种其它部件。
尽管已经仅结合有限数量的实施方式详细描述了本发明，但应该容易地明白的是，本发明并不限于这种公开的实施方式。相反，可对本发明进行改良以结合任何数量的迄今为止并未描述但与本发明的精神和范围相当的变型、改变、替代或等效结构。此外，尽管已经描述了本发明的多种实施方式，但将会了解到的是，本发明的多个方面可仅包括所述实施方式中的一些实施方式。因此，本发明并不被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (18)

1.一种改良涡轮机部件，包括：
原始涡轮机部件，所述原始涡轮机部件包括封闭有内部腔室的外壁，其中，所述外壁具有从所述外壁上移除的原始部分以使所述内部腔室暴露；和
连结至所述外壁的内部冷却辅助元件，所述内部冷却辅助元件替代从所述外壁上移除的所述原始部分并再次封闭所述内部腔室；
其中，所述内部冷却辅助元件包括一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道使来自所述内部腔室的空气通过所述内部冷却辅助元件的至少一部分循环，所述一个或多个冷却通道中的至少一个包括流体地连接到至少两个冷却孔的内部流体导管，所述至少两个冷却孔以面对所述内部腔室的方式设置在所述内部冷却辅助元件的内壁上。
2.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述原始涡轮机部件包括喷嘴。
3.根据权利要求2所述的改良涡轮机部件，其特征在于，从所述外壁上移除的所述原始部分包括所述喷嘴的前缘的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述内部流体导管包括蛇形构造。
5.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述内部冷却辅助元件包括以面对所述内部腔室的方式设置在所述内部冷却辅助元件的内壁上的多个冷却孔，并且所述多个冷却孔中的每一个都流体地连接至单个内部流体导管。
6.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述内部冷却辅助元件和从所述外壁上移除的所述原始部分包括共用的形状。
7.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，来自所述内部腔室的所述空气是压缩机排放空气。
8.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述原始涡轮机部件和所述内部冷却辅助元件包括相同的材料。
9.根据权利要求1所述的改良涡轮机部件，其特征在于，所述内部冷却辅助元件通过至少焊接或钎接连结至所述原始涡轮机部件。
10.一种用于对涡轮机部件进行改良的方法，所述涡轮机部件包括封闭有内部腔室的外壁，所述方法包括：
将原始部分从所述外壁上移除以使所述内部腔室暴露；以及
将内部冷却辅助元件连结至所述外壁以便替换从所述外壁移除的所述原始部分并再次封闭所述内部腔室，其中，所述内部冷却辅助元件包括一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道使得来自所述内部腔室的空气通过所述内部冷却辅助元件的至少一部分循环，所述一个或多个冷却通道中的至少一个包括流体地连接到至少两个冷却孔的内部流体导管，所述至少两个冷却孔以面对所述内部腔室的方式设置在所述内部冷却辅助元件的内壁上。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述涡轮机部件包括喷嘴。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从所述外壁上移除的所述原始部分包括所述喷嘴的前缘的至少一部分。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内部流体导管包括蛇形构造。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内部冷却辅助元件包括以面对所述内部腔室的方式设置在所述内部冷却辅助元件的内壁上的多个冷却孔，并且所述多个冷却孔中的每一个都流体地连接至单个内部流体导管。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内部冷却辅助元件和从所述外壁上移除的所述原始部分包括共用的形状。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，来自所述内部腔室的所述空气是压缩机排放空气。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述涡轮机部件和所述内部冷却辅助元件包括相同的材料。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述内部冷却辅助元件通过至少焊接或钎接连结至所述涡轮机部件。
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