CN108979731B - 自适应地打开的冷却路径 - Google Patents

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Abstract

一种工业机器的热气路径部件包括冷却路径。所述部件包括：包括外部表面的主体；所述外部表面之上的热屏障涂层(TBC)，所述TBC暴露于具有高温的工作流体；和所述主体中携载冷却介质的内部冷却回路。冷却路径处于所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通。所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸并通过第一间距而与所述外部表面内部地间隔开的长度。响应于所述TBC中在所述冷却路径之上的位置处出现散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在穿过所述第一间距的所述位置处打开以允许所述冷却介质流过。

Description

自适应地打开的冷却路径
技术领域
本申请大体上涉及部件的冷却，且更确切地说涉及热气路径部件的外部表面附近和热屏障涂层内的冷却路径。
背景技术
工业机器中广泛地使用暴露于高温下的工作流体的热气路径部件。举例来说，燃气涡轮系统包括具有数个级的涡轮，所述级具有从支撑转子盘向外延伸的叶片(blade)。每一叶片包括热燃烧气体在其上方流动的翼型件。所述翼型件必须冷却以承受由燃烧气体产生的高温。不充分冷却可引起翼型件上的应力和氧化失效且可导致疲乏和/或损坏。所述翼型件因此一般是中空的，其中一个或多个内部冷却流动回路产生数个冷却孔等等。冷却空气通过冷却孔排出以将薄膜冷却提供到翼型件的外部表面。其它类型的热气路径部件和其它类型的涡轮部件可以以类似方式冷却。
尽管许多模型和模拟可在给定部件在现场投入运行之前执行，但部件或其任何区域可达到的准确温度归因于部件特定热和冷位置而极大地不同。确切地说，部件可具有可受过热不利影响的温度相关属性。因此，许多热气路径部件可过冷却以补偿可在部件上产生的局部化热点。然而，此类过度过冷却可对总体工业机器输出和效率具有负面影响。
尽管存在冷却通道，但许多部件也依赖于施加到其外部表面以保护部件的热屏障涂层(TBC)。如果热气路径部件的TBC中出现被称作散裂的断裂或破裂，那么部件在散裂处的局部温度可升高到危害性温度。尽管内部冷却回路存在于部件内的散裂位置处，但此情形也可能出现。解决TBC散裂的一种途径将塞提供到TBC之下的冷却孔中。当散裂出现时，通常通过暴露于足以熔融所述塞的热来移除所述塞，冷却孔打开且冷却介质可从流体连接到冷却孔的内部冷却回路流动。所述塞可为多孔的以辅助其移除。这个工艺会减少过冷却。然而，形成塞是复杂的，需要对材料进行精确机械加工和/或精确热或化学处理以产生塞。
发明内容
本申请的第一方面提供一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：包括外部表面的主体；在所述外部表面之上的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体；所述主体中携载冷却介质的内部冷却回路；和在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通的冷却路径，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸且通过第一间距而与所述外部表面内部地间隔开的长度，其中响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径之上的位置处出现散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在穿过所述第一间距的位置处打开以允许所述冷却介质流过。
本申请的第二方面提供一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：包括外部表面的主体；在所述外部表面之上的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体；所述主体中携载冷却介质的内部冷却回路；和在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通的冷却路径，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸且通过第一间距而与所述外部表面内部地间隔开的长度，其中所述终止端通过第二间距而与所述外部表面内部地间隔开，所述第二间距小于所述第一间距，其中响应于所述热屏障涂层中在所述终止端之上的位置处出现散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在所述终止端之上并穿过所述第二间距的所述位置处打开以允许所述冷却介质流过。
本申请的第三方面提供一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：包括外部表面的主体；所述主体中携载冷却介质的内部冷却回路；在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通的冷却路径，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和穿过所述外部表面开放的外部细长开口；和在所述外部表面之上并封闭所述冷却路径的所述外部细长开口的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体，其中响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径的所述外部细长开口之上的位置处出现散裂，所述冷却路径的所述外部细长开口允许所述冷却介质在所述位置处流过。
本申请还提供以下技术方案：
技术方案1.一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：
主体，所述主体包括外部表面；
在所述外部表面之上的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体；
所述主体中的内部冷却回路，所述内部冷却回路携载冷却介质；和
冷却路径，所述冷却路径在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸且通过第一间距而与所述外部表面内部地间隔开的长度，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径之上的位置处出现散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在穿过所述第一间距的位置处打开以允许所述冷却介质流过。
技术方案2.根据技术方案1所述的部件，所述第一间距沿着所述长度基本上一致，使得所述冷却路径沿着所述外部表面平行延伸且从所述外部表面内部地延伸。
技术方案3.根据技术方案1所述的部件，进一步包括在所述冷却路径的所述长度的至少一部分之上的区域中的所述外部表面中的打开的促进表面。
技术方案4.根据技术方案3所述的部件，所述打开的促进表面包括热转移增强表面。
技术方案5.根据技术方案3所述的部件，所述打开的促进表面包括所述主体中的重要缺陷。
技术方案6.根据技术方案1所述的部件，所述冷却路径具有环形横截面。
技术方案7.根据技术方案1所述的部件，所述散裂的程度确定所述冷却路径中的开口的大小。
技术方案8.根据技术方案1所述的部件，所述终止端通过第二间距而与所述外部表面内部地间隔开，所述第二间距小于所述第一间距，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述终止端之上的位置处出现所述散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在所述终止端之上并穿过所述第二间距的所述位置处打开以允许所述冷却介质流过。
技术方案9.一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：
主体，所述主体包括外部表面；
在所述外部表面之上的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体；
所述主体中的内部冷却回路，所述内部冷却回路携载冷却介质；和
冷却路径，所述冷却路径在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸且通过第一间距而与所述外部表面内部地间隔开的长度，其中所述终止端通过第二间距而与所述外部表面内部地间隔开，所述第二间距小于所述第一间距，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述终止端之上的位置处出现散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在所述终止端之上并穿过所述第二间距的所述位置处打开以允许所述冷却介质流过。
技术方案10.根据技术方案9所述的部件，所述第一间距沿着所述长度基本上一致，使得所述冷却路径沿着所述外部表面平行延伸且从所述外部表面内部地延伸。
技术方案11.根据技术方案9所述的部件，进一步包括在所述冷却路径的所述终止端之上的区域中的所述外部表面中的打开的促进表面。
技术方案12.根据技术方案11所述的部件，所述打开的促进表面包括热转移增强表面。
技术方案13.根据技术方案11所述的部件，所述打开的促进表面包括所述主体中的重要缺陷。
技术方案14.根据技术方案9所述的部件，所述冷却路径具有环形横截面。
技术方案15.根据技术方案9所述的部件，响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径之上的位置处出现所述散裂和所述高温到达或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在穿过所述第一间距的所述位置处打开以允许所述冷却介质流过。
技术方案16.一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：
主体，所述主体包括外部表面；
所述主体中的内部冷却回路，所述内部冷却回路携载冷却介质；
冷却路径，所述冷却路径在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和穿过所述外部表面开放的外部细长开口；和
热屏障涂层，所述热屏障涂层在所述外部表面之上并封闭所述冷却路径的所述外部细长开口，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径的所述外部细长开口之上的位置处出现散裂，所述冷却路径的所述外部细长开口允许所述冷却介质在所述部位处流过。
技术方案17.根据技术方案16所述的部件，所述冷却路径具有泪滴形横截面。
技术方案18.根据技术方案16所述的部件，所述冷却路径具有环形横截面。
技术方案19.根据技术方案16所述的部件，所述外部细长开口具有不超过大致2.5微米的宽度。
技术方案20.根据技术方案16所述的部件，所述散裂的程度确定所述位置处的开口的大小。
本公开的说明性方面被设计成解决本文中所描述的问题和/或未经论述的其它问题。
附图说明
根据结合附图进行的本申请的各个方面的以下详细描述，本申请的这些和其它特征将更容易被了解，附图描绘了本申请的各种实施例，其中：
图1是具有以燃气涡轮系统形式的热气路径部件的说明性工业机器的示意图。
图2是以涡轮叶片形式的已知热气路径部件的透视图。
图3是根据本申请的实施例的热气路径部件的其上不具有热屏障涂层(TBC)的一部分的透视图。
图4是图3的HGP部件的包括根据本申请的实施例的热屏障涂层的一部分的透视图。
图5是HGP部件的包括根据本申请的实施例的冷却路径的一部分的横截面视图。
图6是HGP部件的包括根据本申请的实施例的冷却路径之上的散裂的一部分的横截面视图。
图7是HGP部件的具有根据本申请的实施例的冷却路径和打开的促进表面的一部分的经放大横截面视图。
图8是HGP部件的具有根据本申请的另一实施例的冷却路径和打开的促进表面的一部分的经放大横截面视图。
图9是HGP部件的包括根据本申请的实施例的冷却路径的一部分的横截面视图。
图10是HGP部件的包括根据本申请的实施例的图9的冷却路径之上的数个散裂的一部分的横截面视图。
图11是HGP部件的包括根据本申请的其它实施例的冷却路径的一部分的纵向横截面视图。
图12是图11的HGP部件的包括根据本申请的实施例的冷却路径之上的散裂的一部分的侧向横截面视图。
图13是HGP部件的具有根据本申请的实施例的外部细长开口的一部分的经放大横截面视图。
图14是HGP部件的具有根据本申请的另一实施例的外部细长开口的一部分的经放大横截面视图。
图15是HGP部件的具有根据本申请的又一实施例的外部细长开口的一部分的经放大横截面视图。
图16是根据本申请的实施例的包括存储表示HGP部件的代码的非暂时性计算机可读存储介质的增材制造工艺的框图。
应注意，本申请的图式不按比例绘制。图式旨在仅描绘本申请的典型方面，且因此不应视为是对本申请范围的限制。在图式中，相同的数字表示各图之间的相同元件。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述本申请，有必要在引用和描述例如燃气涡轮系统的工业机器内的相关机器部件时选择某些术语。此时，如有可能，将通过与其公认的含义一致的方式使用和采用通用的工业术语。除非另有说明，否则此类术语应获得与本申请案的语境和所附权利要求书的范围一致的广义的解释。所属领域的技术人员应了解，特定的部件常常可能使用若干不同或重叠的术语来引用。在本文中可能描述为单件的对象在另一语境下可以包括多个部件和被引用为由多个部件组成。替代地，在本文中可能描述为包括多个部件的对象可能在其它地方被引用为单件。
另外，若干描述性术语可以在本文中经常使用，并且在此部分开始处定义这些术语可能证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语及其定义如下所述。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。在这样的情况下，如果第一部件位于比第二部件更接近于轴线的位置处，那么在本文中将表述为第一部件在第二部件的“径向向内”处或“内侧”处。另一方面，如果第一部件位于比第二部件更远离轴线的位置处，那么在本文中可以表述为第一部件在第二部件的“径向向外”处或“外侧”处。应了解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线而应用。
如上文所指示，本申请提供一种热气路径(HGP)部件，其于其中包括自适应性地打开的冷却路径。将冷却路径定位成使得当其上的热屏障涂层(TBC)中出现散裂时，冷却路径打开以允许冷却介质穿过。在一个实施例中，在出现散裂之前，冷却路径与TBC之下的HGP部件的主体的外部表面间隔开。在另一实施例中，冷却路径的终止端可以比冷却路径的其余部分更接近于外部表面，使得当终止端之上出现散裂时，终止端会打开。在另一实施例中，冷却路径可以具有到主体的外部表面的外部细长开口，使得TBC会封闭细长开口，但在其上的位置处出现散裂后，冷却路径即刻打开以允许冷却介质穿过。在任何情况下，散裂程度确定开口大小和冷却量。HGP部件可通过增材制造或常规制造制成。
现参看图式，其中相同数字贯穿若干视图指代相同元件，图1展示以燃气涡轮系统10形式的说明性工业机器的示意图。虽然将相对于燃气涡轮系统10描述本申请，但应强调本申请的教示适用于具有需要冷却的热气路径部件的任何工业机器。燃气涡轮系统10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入空气流20，且将压缩的空气流20递送到燃烧室25。燃烧室25将压缩的空气流20与加压的燃料流30混合并点燃混合物，以产生燃烧气体流35。尽管仅展示单个燃烧室25，但燃气涡轮系统10可以包括任何数目个燃烧室25。又将燃烧气体流35递送到涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15以及例如发电机等等的外部负载50。
燃气涡轮系统10可以使用天然气、液态燃料、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料和其掺合物。燃气涡轮系统10可以是美国纽约州斯克内克塔迪通用电气公司等等提供的数个不同燃气涡轮发动机中的任何一个。燃气涡轮系统10可以具有不同配置，并且可以使用其它类型的部件。本申请的教示可适用于其它类型的燃气涡轮系统和/或使用热气路径的工业机器。也在本文中共同使用多个燃气涡轮系统或多种类型的涡轮和或多种类型的发电设备。
图2展示可用于涡轮40的热气路径(HGP)56等等中的以涡轮叶片55形式的热气路径(HGP)部件52的实例。虽然将相对于以涡轮叶片55形式的HGP部件52且更确切地说其翼型件60或壁来描述本申请，但应强调本申请的教示适用于需要冷却的任何HGP部件。一般来说，涡轮叶片55可包括翼型件60、柄部分65和安置在翼型件60与柄部分65之间的平台70。翼型件60一般从平台70径向向上延伸且包括前边缘72和后边缘74。翼型件60也可包括界定压力侧76的凹表面和界定吸力侧78的相对凸表面。平台70可基本上水平且平坦。柄部分65可从平台70径向向下延伸，使得平台70一般界定翼型件60与柄部分65之间的界面。柄部分65可包括柄腔80。柄部分65也可包括一个或多个天使翼形部82和例如燕尾等等的根部结构84。根部结构84可被配置成用其它结构将涡轮叶片55紧固到轴45(图1)。任何数目个涡轮叶片55可围绕轴45周向性布置。本文中也可以使用其它部件和/或配置。
涡轮叶片55可包括延伸通过其的一个或多个冷却回路86以用于使来自压缩机15(图1)或来自另一源的例如空气的冷却介质88流动。本文中也可使用蒸汽和其它类型的冷却介质88。冷却回路86和冷却介质88可以任何次序、方向或路线至少循环通过翼型件60的部分、柄部分65和平台70。本文中可以任何定向使用许多不同类型的冷却回路和冷却介质。冷却回路86可产生数个冷却孔90或其它类型的冷却路径以用于围绕翼型件60或其它处进行薄膜冷却。可使用其它类型的冷却方法。本文中也可以使用其它部件和/或配置。
图3到5展示可如本文中所描述的HGP部件100的一部分的实例。图3是其上不具有热屏障涂层(TBC)102的HGP部件100的透视图，图4是其上具有TBC 102的HGP部件100的透视图，且图5是具有TBC 102的HGP部件的一部分的横截面视图。在这个实例中，HGP部件100可以是翼型件110且更具体地说是其侧壁。HGP部件100可以是叶片或轮叶(vane)等等的一部分。HGP部件100还可以是包括柄、平台的任何类型的气冷式部件，或任何类型的热气路径部件。如所提及，本文中可使用其它类型的HGP部件和其它配置。类似于上文所描述，翼型件110可包括前边缘120和后边缘130。同样地，翼型件110可包括压力侧140和吸力侧150。翼型件110也可在其中包括一个或多个内部冷却回路160(图3和5)。如图3中的虚线所展示且如图5中的横截面所展示，内部冷却回路160可产生数个打开的冷却路径170，例如数个冷却孔175。可使用多种内部冷却回路160，并非展示了所有内部冷却回路。冷却回路160可以在翼型件110中径向地和/或轴向地延行。冷却孔175可以延伸穿过翼型件110的外部表面180或其它处。外部表面180暴露于具有高温的工作流体。如本文中所使用，“高温”取决于例如用于燃气涡轮系统10的工业机器的形式，高温可以是大于100℃的任何温度。内部冷却回路160和冷却孔175用于使用在其中的冷却介质190(图5)来冷却翼型件110和其部件。本文中可使用来自任何源的任何类型的冷却介质190，例如空气、蒸汽等等。冷却孔175可具有任何大小、形状或配置。本文中可使用任何数目个冷却孔175。冷却孔175可以正交或非正交方式(non-orthogonal manner)延伸到外部表面180。本文中可使用其它类型的冷却路径170。本文中可以使用其它部件和/或配置。
如图3到5中所展示，例如翼型件110的HGP部件100还可以包括根据本申请的实施例的数个其它自适应性地打开的冷却路径200(在下文中为“冷却路径200”)。更确切地说，HGP部件100可以包括主体112，例如，翼型件110的侧壁，主体112包括外部表面180。内部冷却回路160可以在主体112中，携载冷却介质190。冷却路径200可具有任何大小、形状(例如，环形、圆形、多边形等等)或配置。在一个实施例中，冷却路径200可具有大致0.25毫米(mm)到2.5mm且标称地大致0.76mm到1.27mm的尺寸。在一个实施例中，冷却路径200具有环形横截面。本文中可以使用任何数目个冷却路径200，且所述冷却路径200可以在任何方向上延伸并在HGP部件100内具有任何定向。如图5中最佳地展示，冷却路径200并未以类似于冷却孔175的方式朝向外部表面180延伸，但被定位在与外部表面180相隔第一间距D1的位置处。在一个实施例中，第一间距D1可以大致为0.12mm到1.27mm，且标称地大致0.51mm到0.76mm。更确切地说，冷却路径200可以包括主体112中的终止端210和沿着外部表面180延伸并通过第一间距D1而与外部表面180内部地间隔开的长度212。额外连接的冷却路径214还可流体连接冷却路径200，即，长度212，到内部冷却回路160，这取决于内部冷却回路160的位置(参见，例如图10)，但这可能不是必要的。冷却路径200在建构时不贯穿外部表面180开放。因此，可辨别冷却路径200与对外部表面180永久性开放的冷却路径170和冷却孔175。长度212可以是任何所要距离。
在一个实施例中，第一间距D1沿着长度212基本上一致，使得冷却路径200沿着外部表面180平行延伸且从外部表面180内部地延伸。在其它实施例中，第一间距D1的某变化可能适应结构变化，例如但不限于：外部表面180的变化形状、外部表面180的表面粗糙度、冷却路径200前进穿过主体112时冷却路径200的变化。因此，第一间距D1可以变化，只要第一间距D1足够薄以允许当出现散裂222时在位置224处打开主体112即可，如将在本文中所描述。
冷却路径200，如图4和5中所展示，可以包括在其上的热屏障涂层(TBC)102。如图4和5中所展示，相比于冷却孔175(图3)，TBC 102在HGP部件100的至少一部分中定位于外部表面180之上以覆盖冷却路径200。TBC 102在外部表面180之上延伸，且暴露于HGP 56，HGP56包括具有高温的工作流体，如前文所述。TBC 102可包括任何现在已知或稍后开发的配置成保护外部表面180免于热损坏(例如蠕变、热疲乏开裂和/或氧化)的材料层，例如但不限于：氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、例如铂铝化物的贵金属铝化物、其中M可以是钴、镍或钴镍合金的MCrAlY合金。TBC 102可包括多个层，例如但不限于热屏障层之下的粘结涂层。
如图6中所展示，响应于TBC 102中在冷却路径200之上的位置224处出现散裂222和高温到达或超过主体112的预定温度，冷却路径200在穿过第一间距D1的位置224处打开以允许冷却介质190流过。散裂222可包括TBC 102中的产生先前不存在的来自HGP 56的外部表面180的热路径的任何改变，例如，断裂或破裂或位移。虽然散裂大小可以大幅变化，但在一个实例中，散裂222可以具有大致2.54mm到25.4mm且标称地大致0.64mm的尺寸。在出现散裂222时，外部表面180通常将暴露于高温和HGP 56的其它极端环境，其中在出现散裂222之前，外部表面180是受TBC 102保护。如本文中所使用，“主体112的预定温度”是主体112将改变状态使得允许将其移除以产生开口226的温度。在许多状况下，如图6中所展示，具有第一间距D1(图5)的主体112仅暴露于HGP 56环境将提供足以移除主体112的预定温度，例如，通过氧化、升华、灰化或其熔融。即，HGP 56的高温造成劣化，或在位置224处移除第一间距D1，从而在位置224处产生冷却路径200的开口226。在出现散裂222之后，冷却介质190穿过开口226而到外部表面180。即，因为内部冷却回路160流体连接到冷却路径200，所以冷却介质190穿过开口226且用以冷却翼型件110和主体112以及其部件，而不管散裂222。如所提及，本文中可使用来自任何源的任何类型的冷却介质190，例如空气、蒸汽等等。位置224可以是沿着冷却路径200的长度212的任何地方。以此方式，尽管无法准确地预测散裂222的准确定位，但冷却路径200可遍及长度212提供充足冷却。另外，散裂222的程度确定冷却路径200中的开口226的大小，从而自动提供针对较大散裂222(较大开口)226的增加的冷却和针对较小散裂222(较小开口226)的较少冷却。
如图7到8中所展示，在一些实施例中，可在冷却路径200的长度212的至少一部分之上的区域中的外部表面180中提供打开的促进表面228。打开的促进表面228可以包括能够增大产生开口226的可能性或速度的任何结构。在图7中所展示的一个实施例中，打开的促进表面228可以包括热转移增强表面230。将热转移增强表面230建置到HGP部件100中，即，热转移增强表面230对于HGP部件100是原始的且不会通过散裂222经由暴露而存在。热转移增强表面230可以在位置224处呈现增大热从HGP 56转移到主体112的任何形式。举例来说，热转移增强表面230可以包括不比外部表面180平滑的任何表面，即，具有比外部表面180高的表面粗糙度。表面230可以任何方式产生，例如，在常规制造或增材制造期间(例如，在后一状况下，通过使用产生比外部表面180粗糙的表面的构建参数)。在未展示的其它实施例中，热转移增强表面230可以包括凸出表面、凹陷表面或条纹表面。还可以使用这些实施例中的任一个的组合。不同于外部表面180的其它热转移增强表面也可以是可能的。在另一实施例中，打开的促进表面228可以包括主体112中的重要缺陷(material weakness)232，例如但不限于沟槽、凹槽、气孔等等。尽管外部表面180上已展示，但还可以内部地提供重要缺陷234，即，在冷却路径200中的主体112的内部表面上。
参看图9，在一个实施例中，终止端210可以通过第二间距D2而与外部表面180内部地间隔开，第二间距D2小于冷却路径200的其余部分的第一间距D1。在一个实施例中，第二间距D2可以大致为0.12mm到0.76mm，且标称地大致0.25mm到0.51mm。在此状况下，终止端210比冷却路径200的长度212更接近于外部表面180。此处，响应于TBC 102中在终止端210之上的位置240处出现散裂222(以虚线形式)和高温到达或超过主体112的预定温度，冷却路径200在终止端210之上并穿过第二间距D2的位置240处打开以允许冷却介质190流过。以此方式，在散裂222在终止端210之上(直接在终止端210之上或接近于终止端210)的情况下，开口226(虚线)将在终止端210处打开，因此在冷却介质190退出开口226之前沿着长度212传递时，冷却沿着长度212继续进行。前述替代实施例中的任一个可以与图9实施例一起使用。
图10展示散裂222A可如何在终止端210处产生穿过第二间距D2的开口226A，且另一散裂222B可产生穿过第一间距D1的开口226B。即，可通过数个散裂222产生多于一个开口，从而产生冷却路径200的众多冷却选择方案。
图11到15展示根据本申请的实施例的自适应性地打开的冷却路径400(在下文中为“冷却路径400”)的另一实施例。在这个实施例中，HGP部件300，例如，翼型件110，还可以包括根据本申请的实施例的数个冷却路径400。更确切地说，HGP部件300可以包括主体112，例如，翼型件110的侧壁，主体112包括外部表面180。内部冷却回路160可以在主体112中，携载冷却介质190。本文中可以使用任何数目个冷却路径400，且所述冷却路径400可以在任何方向上延伸并在HGP部件300内具有任何定向。如图11中最佳地展示，冷却路径400并不以类似于冷却孔175(图3)的方式朝向外部表面180延伸。更确切地说，冷却路径400可以包括主体112中的终止端410和长度412。额外连接的冷却路径414还可流体连接冷却路径400，即，长度412，到内部冷却回路160，这取决于内部冷却回路160的位置(类似于图10)，但这可能不是必要的。
图11到12展示其上具有TBC 102的冷却路径400，且图13到15展示其上不具有TBC102的外部细长开口420的各种实施例。图11展示纵向横截面视图，且图12到15展示侧向横截面图。相比于冷却路径200(图5到10)，且如图12到15中最佳地展示，冷却路径400包括外部细长开口420。外部细长开口420具有被配置成穿过外部表面180打开以允许冷却介质190穿过的宽度W(仅图12)，但足够小以通过TBC 102关闭或桥接。如图11和12中最佳地展示，TBC 102在外部表面180之上延伸且封闭冷却路径420的外部细长开口420。当涂覆时，TBC102具有防止TBC 102进入长度412或极大地禁止TBC 102进入长度412的程度的粘度。在一个实施例中，宽度W不超过大致2.5微米。然而，可以基于当被涂覆时TBC 102的粘度来配置宽度W，且其它尺寸可为可能的。
TBC 102暴露于HGP 56，即，具有高温的工作流体。外部细长开口420可以沿着冷却路径400的整个长度412延伸，或冷却路径400可以在外部表面180内后退某长度。可辨别冷却路径400与对外部表面180永久性开放的冷却路径170和冷却孔175，这是因为TBC 102封闭冷却路径400。长度412可以是任何所要距离。冷却路径400可以具有任何大小、形状(例如，环形、圆形、多边形等等)，可以提供细长开口420。在一个实施例中，如图12和13中所展示，冷却路径400具有环形横截面。在此情况下，在一个实例中，冷却路径400可以具有大致0.51mm到1.27mm，且标称地大致0.76mm到1.02mm的直径。在其它实施例中，冷却路径400可以具有泪滴形横截面(图14)或多边形横截面(图15)。其它形状也是可能的。
返回到图11和12，响应于TBC 102中在冷却路径420的外部细长开口420之上的位置424处出现散裂222，冷却路径400的外部细长开口420允许冷却介质190在所述位置处流过。如所提及，散裂222可包括TBC 102中的任何变化，所述变化从HGP 56到外部表面180产生先前不存在的热路径，所述变化例如是，断裂或破裂或位移。相比于图5到10的实施例，外部细长开口420打开以允许冷却介质190紧接在出现散裂222后流动，这是因为不存在移除主体112的一部分，例如，第一距离D1(图10)所需的时间。在出现散裂222之后，冷却介质190穿过外部细长开口420而到外部表面180。即，因为内部冷却回路160流体连接到冷却路径400，所以冷却介质190穿过外部细长开口400且用于冷却翼型件110和主体112以及其部件。如所提及，本文中可使用来自任何源的任何类型的冷却介质190，例如空气、蒸汽等等。位置424可以是沿着冷却路径400的长度412的任何地方。以此方式，尽管无法准确地预测散裂222的准确定位，但冷却路径400可遍及长度412提供充足冷却。另外，散裂222的程度确定未被TBC 102覆盖的外部细长开口420的大小，从而自动提供针对较大散裂的增加冷却和针对较小散裂的较少冷却。
可以完全使用常规技术，例如，浇注、机械加工等等来建构HGP部件100、300和冷却路径200、400。参看图16，根据本申请的实施例，可以增材制造HGP部件100、300和冷却路径200、400。增材制造也允许简单地形成本文中所描述的许多结构，即，无需极复杂的机械加工。如本文中所使用，增材制造(AM)可以包括通过材料的连续成层而不是像在常规工艺中那样移除材料来生产物体的任何工艺。增材制造可产生复杂的几何形状，而不使用任何种类的工具、模具或夹具，并且很少或没有废料。代替从塑料或金属的实心坯机械加工部件(许多材料被切除并丢弃)，在增材制造中使用的唯一材料是使零件成形所需的材料。增材制造工艺可以包括但不限于：3D打印、快速成型(RP，rapid prototyping)、直接数字化制造(DDM，direct digital manufacturing)、粘合剂喷射、选择性激光熔融(SLM，selectivelaser melting)和直接金属激光熔融(DMLM，direct metal laser melting)。
为了说明增材制造工艺的实例，图16展示用于生成物体502，即，HGP部件100、300的说明性计算机化增材制造系统500的示意图/框图。在这个实例中，系统500被布置以用于DMLM。应理解，本申请的一般教示同等地适用于其它形式的增材制造。AM系统500通常包括计算机化增材制造(AM)控制系统504和AM打印机506。如将描述，AM系统500执行包括界定HGP部件100、300(图5到15)和冷却路径200、400的一组计算机可执行指令的代码520，以使用AM打印机506物理地生成部件。每种AM工艺可以使用以例如细粒粉末、液体(例如，聚合物)、片材等等形式的不同原材料，其坯料可以保持在AM打印机506的室510中。在本状况下，HGP部件100、300(图5到15)可由金属粉末或类似材料制成。如所说明，施用器512可以产生扩展为空白画布的原材料514的薄层，最终物体的每个连续的切片将从空白画布产生。在其它状况下，施用器512可以将下一层直接施加或打印到前一层上，如由代码520所界定的，例如，在材料为聚合物的情况下，或者在使用金属粘合剂喷射工艺的情况下。在所示示例中，激光或电子束516使每个切片的颗粒熔合，如由代码520所界定，但在使用快速定型的液体塑料/聚合物的情况下这可能不是必要的。AM打印机506的各种零件可以移动以适应每个新层的添加，例如，在每个层之后，构建平台518可以下降和/或室510和/或施用器512可以升高。
AM控制系统504被展示为在计算机530上实施为计算机程序代码。在这种情况下，计算机530被展示为包括存储器532、处理器534、输入/输出(I/O)接口536和总线538。此外，计算机530被展示为与外部I/O装置/资源540和存储系统542通信。大体来说，处理器534执行例如AM控制系统504的计算机程序代码，所述计算机程序代码在来自表示本文中所描述的HGP部件100、300(图5到15)的代码520的指令下存储在存储器532和/或存储系统542中。在执行计算机程序代码的同时，处理器534可从存储器532、存储系统542、I/O装置540和/或AM打印机506读取数据和/或将数据写入到存储器532、存储系统542、I/O装置540和/或AM打印机506。总线538提供在计算机530中的每一个部件之间的通信链路，并且I/O装置540可包括能够使用户与计算机540交互的任何装置(例如，键盘、定点装置、显示器等等)。计算机530仅表示硬件和软件的各种可能的组合。举例来说，处理器534可包括单个处理单元，或者可以跨越在一个或多个位置中的一个或多个处理单元分布，例如，在客户端和服务器上。类似地，存储器532和/或存储系统542可以驻留在一个或多个物理位置处。存储器532和/或存储系统542可包括各种类型的非暂时性计算机可读存储媒体的任何组合，包括磁性媒体、光学媒体、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等。计算机530可包括任何类型的计算装置，例如，网络服务器、台式计算机、膝上型计算机、手持型装置、移动电话、传呼机、个人数据助理等等。
增材制造工艺始于存储表示HGP部件100、300(图5到15)的代码520的非暂时性计算机可读存储媒体(例如，存储器532、存储系统542等等)。如所提及，代码520包括界定物体502的一组计算机可执行指令，在由系统500执行代码时，所述计算机可执行指令可用于物理地生成物体。举例来说，代码520可包括HGP部件100、300(图5到15)的精确界定的3D模型且可从例如
Figure BDA0001680589910000191
Figure BDA0001680589910000192
DesignCAD 3D Max等等的多种熟知计算机辅助设计(CAD)软件系统中的任一个生成。就这一点而言，代码520可采用任何现在已知或以后开发的文件格式。举例来说，代码520可以为以下格式：标准镶嵌语言(STL)，所述语言开发用于3D系统的立体光刻CAD程序；或增材制造文件(AMF)，其为美国机械工程师协会(ASME)标准，并且是一种基于可扩展标记语言(XML)的格式，其被设计用于允许任何CAD软件来描述将在任何AM打印机上制造的任何三维物体的形状和组成。代码520可以在不同的格式之间转化，转换成一组数据信号并作为一组数据信号发射、接收，并且根据需要转换成代码、存储等等。代码520可以是系统500的输入，并且可以来自零件设计者、知识产权(IP)提供方、设计公司、系统500的操作员或所有者，或来自其它来源。在任何情况下，AM控制系统504执行代码520，从而将HGP部件100、300(图5到15)划分成一系列薄切片，所述AM控制系统504使用AM打印机506将所述一系列薄切片组装在液体、粉末、片材或其它材料的连续层中。在DMLM实例中，每个层熔融至由代码520界定的严格几何形状并且熔合至前层。
在增材制造之后，HGP部件100、300(图5到15)可暴露于任何多种表面处理工艺，例如，少量机械加工、密封、抛光、组装成另一零件等等。
根据本申请，不管使用何种制造技术，TBC 102都可涂覆到HGP部件100的且在冷却路径200、400之上的外部表面180。可以使用任何现在已知或稍后开发的涂布技术来涂覆TBC 102。
根据本申请的实施例的HGP部件100、300提供仅在散裂222的区域中打开以冷却所述区域并防止对底层金属造成损坏的冷却路径200、400，这可以明显地减少标称冷却流。散裂222的大小可以规定所产生的开口的大小，且因此规定冷却量。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不意图限制本申请。如本文中所使用，除非上下文另作明确指示，否则单数形式“一”和“所述”也意图包括复数形式。应进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括(comprises和/或comprising)”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。“任选(optional)”或“任选地(optionally)”意味着随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文中在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大致”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书以及权利要求书中，范围限制可以是组合的和/或互换的；除非内容或语言另外指示，否则此类范围得以识别并且包括其中所含有的所有子范围。应用于一范围的特定值的“大致”适用于两个值，并且除非另外取决于测量所述值的仪器的精度，否则可指示所陈述的值的+/-10％。
以下权利要求书中的的所有方法或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作及等效物旨在包括用于结合如特别主张的其它所主张的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。已出于说明和描述的目的呈现本发明的描述,但本发明的描述不希望是详尽的或限于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对所属领域的技术人员而言许多修改和变化将是显而易见的。选择并描述实施例以便最好地阐释本发明的原理及其实际应用，并且使得所属领域的其它一般技术人员能够理解本发明以用于具有各种修改的各种实施例中，这些修改适合于所预期的特定用途。

Claims (8)

1.一种用于工业机器的热气路径中的部件，所述部件包括：
主体，所述主体包括外部表面；
在所述外部表面之上的热屏障涂层，所述热屏障涂层暴露于具有高温的工作流体；
所述主体中的内部冷却回路，所述内部冷却回路承载冷却介质；和
冷却路径，所述冷却路径在所述主体中并与所述内部冷却回路流体连通，所述冷却路径包括所述主体中的终止端和沿着所述外部表面延伸且通过第一间距而相对于所述外部表面在内部与之间隔开的长度，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述冷却路径的除了所述终止端之外的表面的第一部分之上的位置处出现散裂和所述高温达到或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径的表面的所述第一部分在所述位置处打开穿过所述第一间距以允许所述冷却介质流过。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述第一间距沿着所述长度基本上一致，使得所述冷却路径沿着所述外部表面平行延伸且相对于所述外部表面在内部延伸。
3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：进一步包括在所述冷却路径的所述长度的至少一部分之上的区域中的所述外部表面中的打开的促进表面。
4.根据权利要求3所述的部件，其特征在于：所述打开的促进表面包括热转移增强表面。
5.根据权利要求3所述的部件，其特征在于：所述打开的促进表面包括所述主体中的重要缺陷。
6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述冷却路径具有环形横截面。
7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：散裂的程度确定所述冷却路径的表面的所述第一部分打开的大小。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述终止端通过第二间距而相对于所述外部表面在内部与之间隔开，所述第二间距小于所述第一间距，
其中响应于所述热屏障涂层中在所述终止端之上的第二位置处出现所述散裂和所述高温达到或超过所述主体的预定温度，所述冷却路径在所述终止端之上的所述第二位置处打开并打开穿过所述第二间距以允许所述冷却介质流过。
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