CN110268195A - 壁轮廓冷却通道中使用的基于特征的冷却 - Google Patents

Abstract

通过使用增材制造技术生产的一种燃烧器衬里或部件。燃烧器衬里或其他部件可以形成为具有基于特征的优化冷却回路，该冷却回路至少部分地嵌入材料的厚度中。可以使用内部冷却回路以及其他优点来控制部件的温度并防止部件的表面上的热点和不均匀的热分布。

Description

壁轮廓冷却通道中使用的基于特征的冷却

技术领域

本公开涉及用于发动机部件的改进的冷却设计，其包括在发动机内的固体材料或基底中形成的至少一个内孔通道。本公开提供了冷却通道，该冷却通道被优化以提供以下特征中的一个或多个：热机械承载能力，冷却和/或温度控制，改进的温度梯度，以及提高的部件寿命。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括至少一个压缩机，以对将被导通到燃烧器中的空气加压，发动机可包括至少一个燃烧器，其中被导通的加压空气的至少一部分与燃料混合并被点燃，来自压缩机的热气向下游流动通过至少一个涡轮区段。每个涡轮区段具有围绕轴线旋转并容纳在发动机壳体内的旋转叶片。一个或多个涡轮区段可以为压缩机，风扇，轴中的任何一个提供动力，和/或可以通过例如喷嘴的膨胀提供推力。

通常，燃烧器可包括燃烧器衬里。燃烧器和燃烧器衬里必须在压缩机提供的高流速下提供稳定的燃烧。燃烧器可以包括多个圆筒形燃烧室，或者可以形成为围绕涡轮的轴线的环形结构。燃烧器衬里可以容纳具有空气旋流器的喷射器和燃料喷射器或燃料喷嘴中的至少一个。燃烧器衬里可以形成为单层，基底，或者形成为在多层之间具有环形空腔的多层结构。

燃烧器衬里可包括一系列稀释孔，用于控制供应到燃烧室的空气和/或提供更均匀的燃烧。衬里还可包括穿孔或孔，用于通过提供薄膜，冲击或孔冷却来冷却。在美国专利6,513,331B1中公开了一种具有用于冲击冷却的孔的燃烧器衬里的一个例子，该专利的内容通过引用结合于此。在多数情况下，来自压缩机的一部分空气被导通到外部以移除热量并冷却燃烧器衬里的外侧或向上述稀释孔提供空气；此外，空气也可以被导通到双层燃烧器衬里内以提供稀释空气和/或冷却衬里。美国专利4,109,459A中公开了双壁燃烧器的一个例子，其内容在此引入作为参考。

涡轮的燃烧器衬里必须能够承受由燃烧室中的燃烧引起的压力差所产生的力。此外，燃烧器衬里必须能够承受由于高温和大的温度波动引起的热应力。随着涡轮的压力比和效率的增加，涡轮的燃烧器衬里和其他热区段暴露的热应力也增加。因此，与由耐高温材料制造衬里相结合，燃烧器衬里壁和其他部件的有效冷却变得越来越重要和具有挑战性。为了抵消燃烧过程中热量对衬里的辐射和对流，过去采用了几种除热技术；通常采用流体冷却来延长衬里的寿命。最近，已经在衬里上以一定角度钻出了小孔，该角度被优化以便去除热量并为衬里壁提供热障。通常，随着上述流体冷却，保护涂层被涂覆到燃烧器衬里的壁上以进一步改善衬里对热应力的抵抗。

涡轮中的燃烧器衬里和其他部件可能在部件的表面中的各种特征，中断，和/或不连续的下游部件的区域中经历高温区域或热点。例如，点火器塔，稀释孔，焊接接头，和/或管道镜孔，可以破坏冷却流体在燃烧器衬里表面上的流动。热点通常是由于部件的表面上的特征或中断破坏部件的表面上形成的冷却流体膜而引起的，这种特征或中断的示例如上所述。因此，需要有效地冷却经受冷却空气流中断的部件的区域。

发明内容

通过使用增材制造技术，可以形成燃烧器衬里或其他部件，其具有基于优化冷却回路的特征。可以使用内部冷却回路以及其他优点来控制部件的温度并防止跨越部件的表面的热点和不均匀的热分布。因此，可以增加部件的寿命。这些方面的其他优点和新颖特征将在下面的描述中部分地阐述，并且部分对于本领域技术人员在检查以下内容或通过实践本公开而学习时将变得更加明显。

附图说明

附图并入并构成本说明书的一部分，其示出了本公开的一个或多个示例方面，并且与具体实施方式一起用于解释它们的原理和实施方式。

图1是表示常规涡轮发动机的横截面图。

图2是描绘根据本公开的一个方面的示例性燃烧器的横截面图；

图3是表示用于增材制造的常规装置的示例的示意图。

图4A是描绘根据本公开的一个方面的冷却通道的横截面图；

图4B是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道和分叉入口的部件的第一侧的视图；

图4C是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道的部件的第二侧的视图；

图5A是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道的部件的第二侧的视图；

图5B是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道的部件的第二侧的视图；

图6是描绘根据本公开的一个方面的具有刷新孔的冷却通道的横截面图；

图7是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道的部件的第二侧的视图，该冷却通道与图4B的通道类似并增加了刷新孔。

图8是根据本公开的一个方面的具有基于特征的冷却通道的部件的第二侧的视图，该冷却通道与图5的通道类似并增加了刷新孔。

图9是描绘根据本发明的一个方面的具有堆积槽的冷却通道的横截面图；

图10是描绘根据本发明的一个方面的具有涂层的图9的冷却通道的横截面图。

具体实施方式

如图1所示，涡轮燃气发动机的示例可以是关于轴线5对称的涡轮风扇发动机。发动机可以包括具有入口8的壳体1，机舱2，风扇6，低压压缩机部分14L和高压压缩机部分14H。发动机还可包括燃烧器10，其具有燃料入口3和出口4。流过压缩机并已经经过燃烧器10的压缩空气F通过高压涡轮部分36H和低压涡轮部分36L膨胀。至少一个涡轮部分通过至少一个轴9驱动风扇6和压缩机部分。经过发动机的流F可以在风扇出口，机舱出口2b和/或排气出口13处流出，并经过尾部11。

虽然以上大部分描述描述了涡轮风扇型涡轮中的部件，但是上述公开内容旨在作为示例而不是作为排他性描述。以下公开内容适用于所有类型的部件(例如挡板，圆顶，燃料喷嘴)。以下具体描述集合将允许一个普通技术人员将内部冷却通道应用于各种各样的部件，并且因此普遍应用于广泛的系统和/或各种商业，工业和/或消费者应用中。

图2中示出了可能的燃烧器布置的示例。燃烧器布置10可包括入口，压缩机14通过该入口提供加压流体16。燃烧器还可包括燃料入口28，用于向至少一个燃料喷嘴26提供燃料。一个示例性喷嘴可包括至少一个喷射器和/或可包括旋流器26a和/或燃料喷射器26b。例如，燃料喷射器可以是压力雾化，鼓风，汽化和预混合/预汽化喷射器中的任何一种或组合。当加压空气16和来自燃料入口28的燃料混合时，形成可燃混合物，该可燃混合物由点火器30点燃。可由壁22,20和24组成的燃烧器衬里限定燃烧室18。燃烧室可以安装在环形壳体38或外衬内。燃烧室18容纳并控制由点火器30点燃的燃料和空气的上述燃烧。燃烧器衬里22可以是单壁，基底，或者可以包括内壁和外壁(例如，扩散器和衬里)，其具有内壁和外壁之间的环形空腔。燃烧室18可以围绕涡轮5的轴线限定完整的环形空腔，可以包括多个环形空腔，或者可由围绕涡轮的轴线的多个分开或分离的燃烧室组成，作为一系列罐式结构或作为管状结构。燃烧器衬里的内表面和/或外表面可涂覆有热障涂层。燃烧器衬里可包括点火器孔46b，并可包括多个稀释孔(未示出)和一个或多个管道镜孔(未示出)。燃烧室包括出口34，出口34可以提供加热和压缩的空气到涡轮区段36。

涡轮部件(例如，燃烧器衬里)还可包括一系列冷却孔，其可小于上述稀释孔和管道镜孔。如图4A所示，部件材料可包括冲击冷却孔，该冲击冷却孔在部件200的第一侧和第二侧之间形成流体连通路径，该第一侧可以是径向外表面并且可以是相对于第二侧100冷的一侧，第二侧可以是部件100的径向内侧，其可以是相对于部件200的第一侧热的表面。此外，冷却孔可以包括冷却入口201，冷却通道主体104和冷却通道出口斜坡104，其可以以一定角度106形成，该角度106被优化以在第二侧100上形成薄膜层。

可以使用增材制造技术(AM)在部件中形成冷却通道50，其可以包括选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)和三维打印(3DP)。任何上述增材制造技术可用于由不锈钢，铝，钛，铬镍铁合金625，铬镍铁合金718，铬镍铁合金188，钴铬合金，以及其他金属材料或任何合金形成燃烧器衬里或任何上述组件。例如，188，或铬镍铁合金188可以用来使用上述技术形成燃烧器衬里。AM工艺通常涉及一种或多种材料的堆积以制造净形或近净形(NNS)的物体，与减材制造方法相反。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTMF2792)，AM涵盖各种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包括自由形式制造，3D打印，快速原型制作/工具等。AM技术能够由各种材料制造复杂的组件。一般来说，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM工艺使用能量束，例如电子束或电磁辐射(例如激光束)，来烧结或熔化粉末材料，产生固体三维物体，其中粉末材料的颗粒被结合在一起。

选择性激光烧结，直接激光烧结，选择性激光熔化和直接激光熔化是用于指通过使用激光束烧结或熔化细粉末来产生三维(3D)物体的常用工业术语。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了常规的激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下熔化(凝聚)粉末颗粒，而熔化需要使粉末颗粒完全熔化以形成固态均匀物质。与激光烧结或激光熔化相关的物理过程包括向粉末材料的热传递，然后烧结或熔化粉末材料。

图3是示出了用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统215横截面图的示意图。装置215通过使用由诸如激光器220的源产生的能量束236烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层方式构建物体，例如部件222。由能量束熔化的粉末由贮存器226供应，并使用沿方向234移动的重涂覆机臂216均匀地分布在构建板214上，以将粉末保持在水平218上并且将粉末水平218以上延伸的多余粉末材料移除到废物容器228。能量束236在振镜扫描仪232的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。构建板214下降，另一层粉末分布在构建板和正在构建的物体上，接着通过激光器220连续熔化/烧结粉末。重复该过程，直到部件222完全由熔化/烧结的粉末材料构建起来。激光器220可以由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可以确定每层的扫描图案，并且控制激光器220根据扫描图案照射粉末材料。在完成部件222的制造之后，可以对部件222应用各种后处理程序。后处理程序包括通过例如吹扫或抽真空来移除入口粉末。其他后处理程序包括压力释放过程。另外，可以使用热处理和化学后处理程序来完成部件222。

装置215由执行控制程序的计算机控制。例如，装置215包括执行固件的处理器(例如，微处理器)，操作系统或提供装置210与操作员之间的接口的其他软件。计算机接收要形成的对象的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析模型并为模型中的每个对象提出工具路径。操作员可以定义或调整扫描图案的各种参数，例如功率，速度和间距，但通常不直接编程工具路径。

使用上述制造技术，可在使用减材制造或模制工艺可能无法实现的在部件材料内形成复杂图案。使用上述增材制造工艺，例如，可以形成冷却通道，其提供特定的冲击和/或孔冷却，并提供对保护材料的表面的空气膜的特定控制。此外，孔冷却在本说明书中可以互换地称为蒸发冷却，可用于在材料内提供特定的冷却通道，以冷却材料的内部结构。上述冷却方法可以单独使用或组合使用，以基于部件衬里上或部件衬里中的特征冷却部件材料。例如，图4B示出了冷却特征(例如，不连续物或开口)90，其可以存在于燃烧器衬里上或发动机内的任何其他部件中。冷却特征的一些示例可以是点火器塔和/或点火器和/或点火器孔，管道镜孔，喷射器孔，柱，安装点或从部件的表面突出的螺栓，稀释孔或任何其他孔或通道。例如，冷却特征90可以破坏部件表面上的流体膜流动，尤其是在流体流下游的位置。流入口201可以位于表面200的径向外侧，其可以是如图4A所示的表面(例如，参考标号200)的冷侧。从入口201到出口210的通道可以具有如图4A所示的横截面图，例如，参考标号104。此外，例如，如图4B所示，入口可以在特征90的两侧分叉成入口206和208。入口206和208可以在部件的冷侧位于流体流动方向的上游。此外，分叉的入口可以在部件的第二侧与通道207和流体出口部分210流体连通，该第二侧可以位于部件的热侧。与分叉入口206和208连通的每个通道207可以跟随衬里内的特征90的边界并且连结以在特征90的第二侧上形成单个出口210，该第二侧可以是热侧。此外，如图4C所示，入口201和通道207可以跟随部件材料内的特征90的边界并在对应于每个入口的单个出口204处离开。

如图5所示，上述冷却特征还可以是例如焊接接头300。焊接接头301可以是连结多个部件以形成较大部件的焊件。焊接接头可以包括表面焊接或部分焊接，或者可以完全穿透材料。焊接接头300可包括冷却通道，用于接头和接头边缘材料的孔冷却和/或为接头提供薄膜冷却。冷却通道入口301可以通过冷却通道307与冷却通道出口104流体连通。冷却通道307可以进一步弯曲以跟随材料内焊接接头的边界。例如，焊接接头300不限于并且可包括如图5B所示的弯曲焊接接头和/或可以是如图5A所示的齿/齿轮轮廓形状的焊接接头。例如，如图5A和5B所示，冷却通道307可以跟随焊接接头300的任何期望形状。

在本公开的一个方面，每个冷却孔，其示例如图3-6所示，可以包括至少一个刷新孔，刷新孔可以具有刷新孔入口400和刷新孔出口402，如图6所示。刷新孔可提供额外的流体流，以刷新流体沿部件材料内的延伸通道流动的动量。例如，在图6中，刷新孔出口402可以提供额外的流并刷新在冷却入口201和冷却出口104之间的流体流。刷新孔可以从冷侧延伸到材料内的冷却通道。例如，如图6所示，刷新孔可以延伸到出口104附近的通道204中并与其流体连通。

如图7-8所示，任何上述冷却通道可包括刷新孔。例如，在图7中，通道204可包括刷新孔400。作为另一个例子，如图8所示，靠近焊接接头或接缝300的冷却通道204还可包括刷新孔402。

通常，在发动机内部的部件上可能需要热障涂层(TBC)。例如，可以在燃烧器衬里的表面上使用TBC以改善材料的性能。示例性TBC涂层可包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，锆酸钆，稀土锆酸盐(例如LZ)，其可包括的附加层，该附加层包含氧化铝或莫来石(mullite)，二氧化铈，YSZ，稀土氧化物，“高y”涂层和金属玻璃复合材料。TBC涂层还可以是进一步包括粘合涂层和/或热生长氧化物层的基底。此外，可以在材料上使用任何其他类型的涂层。例如，可以使用腐蚀抑制剂。可以使用例如气相沉积和/或应用等离子体喷涂方法的方法来涂覆这些涂层。在部件上形成任何涂层可能引起涂层堵塞上述冷却入口，出口和通道的问题。

如图9所示，在一个方面，可以在材料中形成堆积槽504，以提供在涂覆过程中使用的涂层或热障涂层(TBC)的容纳物。堆积槽504可以设置成这样的深度和几何结构：其可使当向表面100提供涂层时，涂层的堆积产生如图10所示的所需的完成的表面几何结构。作为另一个例子，槽504的深度可以被优化为当涂层被添加到第二侧100的表面时，表面100的轮廓基本上匹配图3中所示的横截面图。此外，为了保持最小壁厚，第一侧200可以包括偏移部501。如图10所示，可以涂覆涂层502或多个涂层以便堆积在沟槽504中，以高度503提供并填充堆积槽，以在冷却孔的出口斜坡505处提供所需的流动角度106。

虽然已经结合上面概述的示例方面描述了本文描述的方面，但是各种替代，修改，变更，改进和/或实质等同物，无论是已知的还是现在无法预见的，对那些至少是本领域普通技术人员来说显而易见。因此，如上所述的示例方面旨在是说明性的而非限制性的。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知或以后开发的替代，修改，变更，改进和/或实质等同物。

Claims (21)

1.一种具有冷却特征的部件，其特征在于，所述部件包括：

具有厚度的材料，所述部件进一步包括第一侧和第二侧；

所述冷却特征具有至少一个第一开口，所述至少一个第一开口从所述第一侧通向所述第二侧；并且

所述部件包括至少一个第二开口，所述至少一个第二开口从所述第一侧通向所述第二侧，形成冷却通道，所述第二开口具有比所述第一开口小的表面积；

其中，所述冷却通道被弯曲成至少部分地跟随所述冷却特征的周边而不与所述第一开口直接流体连通。

2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述第二开口包括彼此间隔开的多个开口。

3.根据权利要求2所述的部件，其特征在于，其中所述第二开口包括多个冷却通道，并且其中所述多个通道连结以形成单个通道并且与在所述第二侧开口的单个冷却出口流体连通。

4.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述部件进一步包括刷新部分，其中所述刷新部分包括：

刷新入口，所述刷新入口在所述部件的所述第一侧具有开口；

刷新出口，所述刷新出口在所述冷却通道中具有开口；

刷新通道，所述刷新通道与所述冷却通道流体连通。

5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述第一侧与所述第二侧相对，并且所述第二开口包括出口斜坡，其中所述出口斜坡与所述部件的所述第二侧的表面形成倾斜角。

6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述第二开口包括堆积槽，其中所述堆积槽突出到所述材料的所述厚度中并形成用于堆积涂层的空腔。

7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述冷却通道的至少一部分垂直于所述部件的所述第一侧的表面。

8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述冷却特征是点火器塔孔，点火器孔，管道镜孔和安装孔中的一个。

9.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述部件是燃烧器衬里，燃料喷嘴，涡轮叶片，压缩机叶片，定子叶脉，防溅板和挡板中的至少一个的一部分。

10.一种由具有厚度的材料形成的部件，其特征在于，包括：

第一侧和第二侧；

所述材料，所述材料包括至少一个焊接接头，所述至少一个焊接接头至少部分地从所述第一侧通向所述第二侧；

位于所述材料厚度内的边界，所述边界限定所述焊接接头的周边；

至少一个开口，所述至少一个开口从第一侧通向所述第二侧，形成冷却通道，其中所述冷却通道被弯曲以至少部分地跟随所述焊接接头的周边。

11.根据权利要求10所述的部件，其特征在于，其中所述部件进一步包括刷新部分，其中所述刷新部分包括：

刷新入口，所述刷新入口在所述部件的所述第一侧具有开口；

刷新出口，所述刷新出口在所述冷却通道中具有开口；

刷新通道，所述刷新通道与所述冷却通道流体连通。

12.根据权利要求10所述的部件，其特征在于，其中所述第一侧与所述第二侧相对，并且其中所述冷却通道包括出口斜坡，其中所述出口斜坡与所述部件的所述第二侧的表面形成倾斜角。

13.根据权利要求10所述的部件，其特征在于，其中所述冷却通道进一步包括堆积槽，其中所述堆积槽突出到所述材料的厚度中并形成用于堆积涂层的空腔。

14.根据权利要求9所述的部件，其特征在于，所述第一侧与所述第二侧相对，并且所述冷却通道的至少一部分垂直于所述部件的所述第一侧的表面。

15.一种用于冷却部件的方法，其特征在于，所述方法包括：

由具有厚度的材料形成部件，所述部件具有至少第一侧和第二侧；

在所述材料中形成至少一个冷却特征，所述至少一个冷却特征从至少所述第一侧通向所述第二侧，所述冷却特征在所述材料的厚度内具有边界，限定了所述冷却特征的周边；

形成至少一个第一开口，所述至少一个第一开口与所述第一侧流体连通并且从所述第一侧通向所述第二侧，形成冷却通道，其中所述冷却通道形成有弯曲部分，使得所述冷却通道的所述弯曲部分至少部分地跟随所述冷却特征的周边。

16.根据权利要求15所述的冷却部件的方法，其特征在于，其中所述第一开口形成为彼此间隔开的多个开口。

17.根据权利要求15所述的冷却部件的方法，其特征在于，进一步为所述多个通道提供连接部，其中所述多个通道连结以在所述连接部处形成单个通道。

18.根据权利要求15所述的冷却部件的方法，其特征在于，进一步包括提供刷新部分，其中，提供刷新部分的方法包括：

提供刷新入口，所述刷新入口在所述部件的所述第一侧具有开口；

提供刷新出口，所述刷新出口在所述冷却通道中具有开口；

提供刷新通道，所述刷新通道与所述冷却通道流体连通。

19.根据权利要求15所述的冷却部件的方法，其特征在于，进一步包括为所述冷却通道提供出口斜坡，其中所述出口斜坡与所述部件的表面形成倾斜角。

20.根据权利要求15所述的冷却部件的方法，其特征在于，进一步为所述冷却通道提供堆积槽，其中所述堆积槽在从所述材料的所述第二侧朝向所述材料的所述第一侧的方向上突出到所述材料的所述厚度中，并形成用于堆积涂层的空腔。

21.根据权利要求15所述的冷却方法，其特征在于，其中所述不连续部是点火器塔，点火器孔，管道镜孔，安装孔，螺栓，柱，安装点，焊接接头和燃料喷嘴中的一个。