CN108798802A - 提供用于部件的冷却结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提供用于部件的冷却结构的方法。所述方法包括在所述部件中形成第一腔；在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通。所述方法包括形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面、第二表面，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口。第二通道与所述入口和所述出口流体连通。所述方法包括在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通路流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。

Description

提供用于部件的冷却结构的方法
技术领域
本发明涉及提供用于部件的冷却结构的方法。更具体地，本发明涉及提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法。
背景技术
燃气涡轮机被持续改进以提供效率和性能的提升。这些改进包括在更高温度和更严苛条件下运行的能力，这常常需要材料改进和/或涂层(coatings)或冷却核心(coolingcores)以保护部件不受这些温度和条件的影响。
提高性能和效率的一种改进涉及形成特别能经受高温的热气体路径部件(hotgas path components)或燃气涡轮部件，因此需要特别关注冷却，例如但不限于翼型件(airfoils)、斗叶(buckets)(叶片(blades))、喷嘴(nozzles)(轮叶(vanes))、护罩(shrouds)、燃烧器衬套(combustor liners)和隔热板(heat shields)。尽管这些部件中有许多可以使用常规的冷却核心，但这些核心费用很高。
发明内容
在示例性实施例中，一种提供用于部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件中形成第一腔(cavity)；在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道(passageway)，所述第二腔与冷却空气源流体连通。所述方法还包括形成整体插入件(unitary insert)，所述整体插入件包括第一表面、第二表面；所述整体插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口；所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通。所述方法包括在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通路流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
在另一示例性实施例中，一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；以及在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通。所述方法还包括形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面、第二表面；所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口。与所述入口和所述出口流体连通地提供第二通道。所述方法还包括在所述第一腔中以与所述第一通路流体连通地定位所述插入件，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
在另一示例性实施例中，一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；以及在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通。所述方法还包括通过增材制造过程形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面、第二表面；所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口；所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通。所述方法还包括在所述第一腔中以与所述第一通路流体连通地定位所述插入件，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
本公开还提供技术方案1：一种提供用于部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件中形成第一腔；在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面和第二表面；其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口、形成于所述第二表面中的出口以及第二通道，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；以及在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
本公开还提供技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，所述插入件由增材制造过程形成。
本公开还提供技术方案3：根据技术方案2所述的方法，其中，所述增材制造过程从包括以下项的组中选择：直接金属激光熔化、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、激光工程化净成形、选择性激光熔化、电子束焊接、熔融沉积成型或其组合。
本公开还提供技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中，所述插入件通过铸造方法形成。
本公开还提供技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中，所述部件是热气体路径部件，并且所述第二通道包括流动修改特征。
本公开还提供技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其还包括附加步骤：在所述插入件的第二表面上施加涂层(applying a coating)。
本公开还提供技术方案7：根据技术方案6所述的方法，其中，在所述插入件的第二表面上施加涂层包括在所述插入件的第二表面上施加粘合涂层和热障涂层。
本公开还提供技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中，所述第二通道的表面的至少一部分与所述入口和所述出口不在一条视线上。
本公开还提供技术方案9.一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面、第二表面以及第二通道，其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；以及在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
本公开还提供技术方案10：根据技术方案9所述的方法，其中，所述插入件由增材制造过程形成。
本公开还提供技术方案11：根据技术方案10所述的方法，其中，所述增材制造过程从包括以下的组中选择：直接金属激光熔化、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、激光工程化净成形、选择性激光熔化、电子束焊接、熔融沉积成型或其组合。
本公开还提供技术方案12：根据技术方案9所述的方法，其中，所述第二通道包括流动修改特征。
本公开还提供技术方案13：根据技术方案9所述的方法，其还包括附加步骤：在所述插入件的第二表面上施加涂层。
本公开还提供技术方案14：根据技术方案9所述的方法，其中，所述第二通道的表面的至少一部分与所述入口和所述出口不在一条视线上。
本公开还提供技术方案15：一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；通过增材制造过程形成整体插入件，所述整体插入件包括第一表面、第二表面以及第二通道，其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；以及在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
本公开还提供技术方案16：根据技术方案15所述的方法，其中，所述增材制造过程从包括以下项的组中选择：直接金属激光熔化、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、激光工程化净成形、选择性激光熔化、电子束焊接、熔融沉积成型或其组合。
本公开还提供技术方案17：根据技术方案15所述的方法，其中，所述第二通道包括流动修改特征。
本公开还提供技术方案18：根据技术方案15所述的方法，其还包括附加步骤：在所述插入件的第二表面上施加涂层。
本公开还提供技术方案19：根据技术方案18所述的方法，其中，在所述插入件的第二表面上施加涂层包括在所述插入件的第二表面上施加粘合涂层和热障涂层。
本公开还提供技术方案20：根据技术方案17所述的方法，其中，所述第二通道的表面的至少一部分与所述入口和所述出口不在一条视线上。
本发明的其它特征和优点将因结合附图获得的优选实施例的以下更详细描述而变得明显，所述附图通过实例说明本发明的原理。
附图说明
图1是包括本公开的示例性插入件的示例性燃气涡轮部件的局部透视图。
图2是根据本公开的实施例为示例性燃气涡轮部件提供冷却的方法的流程图。
图3是根据本公开的实施例插入件被移除的图1的燃气涡轮部件的放大图。
图4是根据本公开的实施例安装有插入件的图3的燃气涡轮部件的放大图。
图5是根据本公开的实施例的插入件的放大上部透视图(upper perspectiveview)。
图6是根据本公开的实施例的图5的插入件围绕垂直轴线旋转90度后的放大上部透视图。
在可能的情况下，将在所有附图中使用相同参考标号来表示相同部分。
具体实施方式
提供了插入件(insert)或“微型核心(mini-core)”，其用于提供部件的至少一部分(例如热气体路径部件或燃气涡轮部件的热气体路径表面)的冷却。本公开的实施例与不使用本公开中公开的一个或多个特征相比，降低了成本，提高了过程效率，提高了冷却流，提高了运行温度极限，提高了运行寿命或其组合。
在图1中示出了示例性热气体部件10，例如护罩12和喷嘴14。护罩12包括位于气体路径表面18和相对表面19之间的内腔16。在燃气涡轮机(未示出)运行期间，高温气体沿气体路径表面18流动。内腔16与冷却空气源(未示出)流体连通，以提供对部件的冷却。如图1中还示出的，插入件20插入到在护罩12形成的腔中，以对其提供冷却。如下面将更详细讨论的，插入件有助于以成本有效方式(cost-effective manner)提供对热气体路径部件的多部分的冷却，有助于延长在燃气涡轮机运行期间经受“热点(hot spots)”的这些部件的使用寿命(service life)。在一个实施例中，此插入件可以是将冷却提供至部件的期望部分的唯一比较合理可行的方式(不用常规的极其昂贵的方法)。
为部件10例如护罩12(图1)提供冷却的方法50示于图2中，出于更容易地理解本公开的目的由图3-6进行补充。方法50包括如方法50的步骤52中所示的，在部件10中形成腔22，其中，腔22形成于气体路径表面18中，并具有如图3所示的表面24。方法50包括如步骤54所示的，在部件腔22中形成通道26，其中，通道26形成于表面24中，并与图3所示的腔16流体连通。方法50包括如步骤56所示的，形成整体插入件(unitary insert)20，其中，将在下面另外详细地讨论图5、图6中所示的插入件20。可选地，方法50包括如步骤58所示的，在插入件20的表面上施加涂层，涂层例如为热障涂层和粘合涂层，所述表面对应于如图4所示围绕插入件20的护罩12的气体路径表面18。方法50包括如步骤60所示的，在腔22中定位插入件20。方法50包括如图2的步骤62所示的，在腔22中刚性地附接(rigidly attaching)插入件20。刚性地附接包括完全或至少部分地焊接、烧结或其它适合方法以将插入件20固定在腔22中。在一个实施例中，可以在步骤60、62中任一个之前或之后执行步骤58。
如图5-6所示，现在讨论插入件20。插入件20包括表面30和相对表面32。尽管在图5-6中将插入件20显示为具有大致矩形的形状，但要理解，插入件可以具有适合应用的其它形状。在一个实施例中，插入件20是整体或一件式构造(unitary or one piececonstruction)。表面30对应于并面向与气体路径表面18(图4)相同的方向，当插入件20位于腔22(图3)时被气体路径表面18围绕。当插入件20位于腔22中(图3)，插入件20的表面32对应于并面向部件10的腔22的表面24。出口34形成于表面30中，入口36形成于表面32中。通道38在出口34和入口36之间流体连通地延伸。入口36与通道26(图3)流体连通，使得当插入件20位于腔22时，入口36与腔16(图3、图4)流体连通，因此，出口34也与腔16流体连通。结果，来自冷却空气源(未示出)的冷却空气可以从腔16通过通道26然后通过出口34传送，以用于将冷却提供至部件。
如图5-6还示出的，通道38包括一个或多个流动修改特征(flow modificationfeatures)40。流动修改特征40可以修改冷却空气通过通道38的流动，以优化部件的冷却量。如图5-6还示出的，流动修改特征40包括突起(protrusions)42，例如至少部分地延伸到通道38中的柱，突起42增大了表面面积而用于优化部件冷却。在一个实施例中，流动修改特征可以包括突起、凹陷(indentions)和/或其组合以优化部件冷却。要认识到，取决于冷却要求、结构要求或其它原因，插入件20、出口34、入口36、通道38和流动修改特征40的几何形状可以变化。
如图5所示，插入件20是整体或一件式构造。在一个实施例中，通道38和流动修改特征40的表面与出口34和入口36中的至少一个在一条视线上(within a line of sight)。在一个实施例中，通道38和流动修改特征40的表面的至少一部分与出口34和入口36中的至少一个不在一条视线上。
在一个实施例中，插入件20构造成多件式(multiple pieces)，例如插入部分44、46，其可以彼此接合以形成整体或一件式构造，或者可以至少部分地分别刚性附接在插入件22中(图5)。插入部分44、46的几何形状可以使得通道38和流动修改特征40的表面的对应区段或部分形成在一条视线上。
术语“视线(line of sight)”旨在表示插入件(或插入部分)的通道表面的任何部分或区段或流动修改特征的任何部分或区段都能够沿着从插入件(或插入部分)外部定向的直线到达。
由于各种原因，包括当通道38和流动修改特征40的表面与出口34和入口36中的至少一个不在一条视线上时(图5)，这些表面的几何形状相当复杂，或者由于其它原因，插入件20可以由增材制造过程形成。本领域技术人员众所周知的增材制造过程包括但不限于直接金属激光熔化(direct metal laser melting)、直接金属激光烧结(direct metallaser sintering)、选择性激光烧结(selective laser sintering)、激光工程化净成形(laser engineered net shaping)、选择性激光熔化(selective laser melting)、电子束焊接(electron beam welding)、熔融沉积成型(fused deposition modeling)或其组合或其他已知或常用的工艺。
在提高的温度下运行的制品包括但不限于燃气涡轮部件，例如斗叶、喷嘴、翼型件或需要冷却孔的任何其它部件。在又一实施例中，所述制品或者是新制品或者是现有制品，例如但不限于用于修理或升级的制品。
制品和/或插入件的适当组分(composition)包括但不限于合金，例如γ'相超级合金(gamma prime superalloy)或不锈钢(stainless steel)。在一个实施例中，γ'相超级合金按重量包括例如以下组分：大约9.75％的铬(chromium)、大约7.5％的钴(cobalt)、大约4.2％的铝、大约3.5％的钛(titanium)、大约1.5％的钼(molybdenum)、大约6.0％的钨(tungsten)、大约4.8％的钽(tantalum)、大约0.5％的铌(niobium)、大约0.15％的铪(hafnium)、大约0.05％的碳、大约0.004％的硼以及其余为镍和附带杂质。在另一实例中，γ'相超级合金按重量包括以下组分：大约7.5％的钴、大约7.0％的铬、大约6.5％的钽、大约6.2％的铝、大约5.0％的钨、大约3.0％的铼(rhenium)、大约1.5％的钼、大约0.15％的铪、大约0.05％的碳、大约0.004％的硼、大约0.01％的钇(yttrium)以及其余为镍和附带杂质。在另一实例中，γ'相超级合金按重量包括以下组分：大约8.0％到大约8.7％之间的铬、大约9％到大约10％之间的钴、大约5.25％到大约5.75％之间的铝、多达大约0.9％的钛(例如大约0.6％到大约0.9％之间)、大约9.3％到大约9.7％之间的钨、多达大约0.6％的钼(例如大约0.4％到大约0.6％之间)、大约2.8％到大约3.3％之间的钽、大约1.3％到大约1.7％之间的铪、多达大约0.1％的碳(例如大约0.07％到大约0.1％之间)、多达大约0.02％的锆Zr(例如大约0.005％到大约0.02％之间)、多达大约0.02％的硼(例如大约0.01％到大约0.02％之间)、多达大约0.2％的铁、多达大约0.12％的硅、多达大约0.1％的锰Mn、多达大约0.1％的铜、多达大约0.01％的磷、多达大约0.004％的硫、多达大约0.1％的铌Nb以及其余为镍和附带杂质。
由增材方法形成的制品和/或插入件的适合组分包括但不限于合金(例如不锈钢)、超级合金或钴基合金。在一个实施例中，制品和/或插入件20附接到腔22或气体路径表面18，这降低了制品和/或插入件20所暴露到的温度。在另一个实施例中，钴基合金包括例如70Co-27Cr-3Mo。在又一实施例中，超级合金包括但不限于铁基超级合金，镍基超级合金或其组合。
适合的铁基超级合金包括但不限于按重量包括以下的组分：大约50％到大约55％之间的镍+钴、大约17％到大约21％之间的铬、大约4.75％到大约5.50％之间的铌+钽、大约0.08％的碳、大约0.35％的锰、大约0.35％的硅、大约0.015％的磷、大约0.015％的硫、大约1.0％的钴、大约0.35％到大约0.80％之间的铝、大约2.80％到大约3.30％之间的钼、大约0.65％到大约1.15％之间的钛、大约0.001％到大约0.006％之间的硼、0.15％的铜以及其余为铁和附带杂质。
虽然已参考优选实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变并且其多种元素可以由多种等效物代替。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可进行许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教示。因此，不希望本发明限于作为预期用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种提供用于部件的冷却结构的方法，所述方法包括：
在所述部件中形成第一腔；
在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；
形成整体插入件，所述整体插入件包括：
第一表面；
第二表面；
其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口；以及
第二通道，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；
在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及
在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件由增材制造过程形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述增材制造过程从包括以下项的组中选择：直接金属激光熔化、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、激光工程化净成形、选择性激光熔化、电子束焊接、熔融沉积成型或其组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件通过铸造方法形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件是热气体路径部件，并且所述第二通道包括流动修改特征。
6.根据权利要求1所述的方法，其还包括附加步骤：在所述插入件的第二表面上施加涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述插入件的第二表面上施加涂层包括在所述插入件的第二表面上施加粘合涂层和热障涂层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二通道的表面的至少一部分与所述入口和所述出口不在一条视线上。
9.一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：
在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；
在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；
形成整体插入件，所述整体插入件包括：
第一表面；
第二表面；
其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口；以及
第二通道，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；
在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及
在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
10.一种提供用于热气体路径部件的冷却结构的方法，所述方法包括：
在所述部件的气体路径表面中形成第一腔；
在所述第一腔中形成与位于所述部件内部的第二腔流体连通的第一通道，所述第二腔与冷却空气源流体连通；
通过增材制造过程形成整体插入件，所述整体插入件包括：
第一表面；
第二表面；
其中，所述插入件具有形成于所述第一表面中的入口和形成于所述第二表面中的出口；以及
第二通道，所述第二通道与所述入口和所述出口流体连通；
在所述第一腔中将所述插入件定位为与所述第一通道流体连通，所述第一表面面向所述第一腔；以及
在所述第一腔中刚性地附接所述插入件。
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