CN110312845B - 涡轮机部件和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于燃气涡轮机的至少一个涡轮机部件，该涡轮机部件包括制品和通过铸造形成的基部部件。基部部件包括平台。平台的上表面上的制品是通过增材制造形成的。制品具有近侧面和与近侧面相对的成型远侧面，该近侧面的尺寸和形状设计成覆盖涡轮机部件的平台的上表面的至少一部分。成型远侧面具有用作涡轮机部件的热气路径表面的至少一部分的轮廓表面。轮廓表面被布置和设置成基于涡轮机部件在涡轮机中的安装位置提供跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。本发明还公开了制造制品和涡轮机部件的方法。

Description

涡轮机部件和制造方法
技术领域
本实施方案涉及涡轮机部件以及制造制品和涡轮机部件的方法。更具体地，本实施方案涉及具有可定制热气路径表面和表面冷却特征的涡轮机部件以及制造此类涡轮机部件的方法。
背景技术
在操作期间，高温燃烧气体流过许多燃气涡轮发动机的不同部分。这些高温燃烧气体在燃气涡轮发动机内的各种热气路径部件上方和/或附近流动，从而在正常操作期间将部件暴露于升高的温度。随着燃气涡轮机被修改以提高效率并降低成本，热气路径内的温度正在增加，而部件的几何形状变得更加复杂。为了继续增加热气路径内的温度，该区域中的涡轮机部件必须由可承受此类温度的材料构成。
安装在区段之间的离散时钟位置的常规离散过渡件改变通过在其它情况下基本上环形的通道，特别是沿着环形通道的外壁的热气流。每个常规非旋转涡轮机部件也安装在固定时钟位置处，但过渡件间距与涡轮机部件间距不同。
然而，燃气涡轮发动机中的特定列中的涡轮机部件通常被设计成全部具有基本相同的结构。涡轮机部件中的冷却通道受制造技术的限制。对于非旋转喷嘴，喷嘴平台的轮廓和喷嘴平台中的冷却通道的位置影响热气流过喷嘴的效率、燃气涡轮机的效率、喷嘴平台冷却的效率和均匀性、以及喷嘴平台的有效寿命。
发明内容
在一个实施方案中，一种制造方法包括增材制造具有近侧面和与近侧面相对的成型远侧面的制品，该近侧面的尺寸和形状被设计成覆盖基部部件的平台的上表面的至少一部分。基部部件和制品一起形成涡轮机部件。制品的成型远侧面具有用作涡轮机部件的热气路径表面的至少一部分的轮廓表面。轮廓表面被布置和设置成基于涡轮机部件在涡轮机中的安装位置提供跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。
在另一个实施方案中，制造方法包括增材制造用于一组基部部件的一组制品。每个制品具有近侧面和与近侧面相对的成型远侧面，该近侧面的尺寸和形状设计成覆盖一组基部部件中的一个基部部件的平台的上表面的至少一部分。基部部件和制品一起形成涡轮机部件。每个成型远侧面具有用作涡轮机部件的热气路径表面的至少一部分的轮廓表面。每个轮廓表面被布置和设置成基于涡轮机部件在涡轮机中的安装位置提供跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。
在另一个实施方案中，用于燃气涡轮机的至少一个涡轮机部件包括制品和通过铸造形成的基部部件。基部部件包括平台。平台的上表面上的制品是通过增材制造形成的。制品具有近侧面和与近侧面相对的成型远侧面，该近侧面的尺寸和形状设计成覆盖涡轮机部件的平台的上表面的至少一部分。成型远侧面具有用作涡轮机部件的热气路径表面的至少一部分的轮廓表面。轮廓表面被布置和设置成基于涡轮机部件在涡轮机中的安装位置提供跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。
结合附图，根据以下更详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
图1是具有铸造端壁芯的涡轮机部件的示意性透视图，该铸造端壁芯包括壁冷却特征和翼型件膜冷却孔。
图2是本公开的实施方案中的基部部件的示意性透视图。
图3是本公开的实施方案中的制品的示意性透视图。
图4是放置在图2的基部部件上的图3的制品的示意性透视图。
图5是具有位于图2的基部部件上的图3的制品的涡轮机部件的示意性透视图。
图6是本公开的实施方案中的具有前壁的基部部件的示意性透视图。
图7是本公开的实施方案中的另一个制品的示意性透视图。
图8是具有位于图7的基部部件上的图6的制品的涡轮机部件的示意性透视图。
图9是本公开的实施方案中的具有前壁和侧壁的基部部件的侧示意性透视图。
图10是具有位于图9的涡轮机部件上的制品的涡轮机部件的侧示意性透视图。
只要有可能，在整个附图中将使用相同的参考标号来表示相同的部分。
具体实施方式
本发明提供了制品、基部部件、涡轮机部件，以及制造制品、基部部件和涡轮机部件的方法。
例如，与不包括本文公开的一个或多个特征的概念相比，本公开的实施方案允许减小可补充冷却剂流量，增加涡轮发动机效率，增加经过喷嘴的热气流的整体效率，允许在多个涡轮发动机上使用相同的铸件，允许基于涡轮机部件的安装的时钟位置定制涡轮机部件，提供增强的冷却技术，提供针对涡轮机部件的特定时钟位置微调的表面曲率，增加燃气涡轮机的效率，增加热气路径表面冷却的效率和均匀性，增加热气路径表面的有效寿命并从而增加涡轮机部件的有效寿命，或其组合。
参考图1，涡轮机部件200包括具有多列膜冷却孔204的翼型件202。涡轮机部件200是涡轮喷嘴。翼型件202从包括表面冷却特征208的平台206延伸。翼型件202与平台206成一体。在图1中，壁冷却特征208是膜冷却孔。通过铸造来形成涡轮机部件200减少了制造成本，但限制了壁冷却特征208的轮廓，并且不允许平台206的热气路径表面210的轮廓变化。热气路径表面210是端壁。
参考图2，基部部件100包括具有多列膜冷却孔204的翼型件202。翼型件202从平台206延伸，该平台包括平台206的上表面104中的凹陷部102。供应通道106将凹陷部102与冷却流体供应管线流体连接。翼型件202与平台206成一体。基部部件100优选地通过铸造来形成，这减少了制造成本。
参考图3，制品110的尺寸和形状被设计成装配在凹陷部102中。制品110包括近侧面112，其尺寸和形状被设计成覆盖基部部件100的上表面104的至少一部分。该制品还包括与近侧面112相对的成型远侧面114。成型远侧面114具有轮廓表面，该轮廓表面被布置和设置成基于基部部件100在涡轮机中的安装位置提供横跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。制品110还包括壁冷却特征208。在图3中，壁冷却特征208是膜冷却孔。在一些实施方案中，制品110包含可包含如图3所示的膜孔的高级冷却回路。制品110还可以包含要用以预烧结预制件(PSP)形式的另一个制品110覆盖的微通道表面。图4示出了制品110被放置在基部部件100的凹陷部102中。
参考图5，涡轮机部件200包括基部部件100和制品110，制品110放置并附连在基部部件100的上表面104上的凹陷部102中。制品110的壁冷却特征208与基部部件100的供应通道106流体连通。涡轮机部件200的热气路径表面210包括基部部件100的上表面104的一部分和制品110的成型远侧面114。
参考图6，基部部件100包括具有多列膜冷却孔204的翼型件202。翼型件202从平台206延伸，平台206包括在平台206的上表面104中的凹陷部102。凹陷部102覆盖平台206的所有或基本上所有的上表面104。图6中的基部部件100包括将凹陷部102与冷却流体供应管线流体连接的供应通道106，但在其他实施方案中，基部部件100可以替代地不包括这样的供应通道106。翼型件202与平台206成一体。基部部件100优选地通过铸造来形成，这减少了制造成本。基部部件100包括翼型件唇缘120和前唇缘122以帮助将制品110定位在平台206上。
参考图7，制品110的尺寸和形状被设计成装配在凹陷部102中。制品110包括近侧面112，其尺寸和形状被设计成覆盖基部部件100的全部或基本上全部的上表面104。该制品还包括与近侧面112相对的成型远侧面114。成型远侧面114具有轮廓表面，该轮廓表面被布置和设置成基于基部部件100在涡轮机中的安装位置提供横跨轮廓表面的工作流体的受控流动模式。该制品还包括中心翼型件开口116，翼型件202在涡轮机部件200中延伸通过该中心翼型件开口。
制品110可以具有一个或多个壁冷却特征208，其可以是冷却通道、冷却孔或膜冷却孔，如图7所示。壁冷却特征208可以包括但不限于销组、简单通道、湍流通道、蛇形通道、冲击通道及其组合。图8示出了图7的制品110放置并附连在图6的基部部件100的上表面104上的凹陷部102中以形成涡轮机部件200。制品110的前边缘与前唇缘122相交，并且制品110的翼型件开口116的边缘与翼型件唇缘120相交。制品110的成型远侧面114形成涡轮机部件200的基本上全部的热气路径表面210。
参考图9，基部部件100包括具有多列膜冷却孔204的翼型件202。翼型件202从平台206延伸，平台206包括在平台206的上表面104中的凹陷部102。凹陷部102覆盖平台206的所有或基本上所有的上表面104。图8中的基部部件100不包括将凹陷部102与冷却流体供应管线流体连接的供应通道106，但在其他实施方案中，基部部件100可以包括这样的供应通道106。翼型件202与平台206成一体。基部部件100优选地通过铸造来形成，这减少了制造成本。基部部件100包括翼型件唇缘120、前唇缘122和侧唇缘124以帮助将制品110定位在平台206上。侧唇缘124的添加允许与缺少这样的侧唇缘124的图6基部部件100相比，将制品110更好地定位在图9的基部部件100上。
图10示出了图7的制品110放置并附连在图9的基部部件100的上表面104上的凹陷部102中以形成涡轮机部件200。制品110的前边缘与前唇缘122相交，制品110的侧边缘与侧唇缘124相交，并且制品110的翼型件开口116的边缘与翼型件唇缘120相交。制品110的成型远侧面114形成涡轮机部件200的基本上全部的热气路径表面210。
对于非旋转涡轮机部件200，经过一列涡轮机部件200的热气的流动模式对于该列中的每个涡轮机部件200可以不同，特别是由于上游过渡件相对于每个涡轮机部件200的相对位置。换句话讲，每个涡轮机部件200的热气流分布取决于其时钟安装位置而不同。然而，对于特定的布置，热气流和温度分布至少在一定程度上是可预测的和可再现的，并且可以凭经验或通过建模来确定，使得可以提供定制的成型远侧面114和/或定制的壁冷却特征208(其可以是冷却通道和/或膜冷却孔)以基于预定的热气流和温度分布增加热气路径表面210或涡轮机部件200处的流动效率和冷却均匀性，由此增加涡轮机的整体效率和部件寿命。
涡轮机部件200可以是基于其时钟安装位置而经历通过其表面的不同热气流的任何部件。这样，涡轮机部件200优选地是非旋转部件。基于其时钟安装位置而经历通过其表面的不同热气流的涡轮机部件200可以包括但不限于涡轮机喷嘴、涡轮机护罩和涡轮机叶片。
在一些实施方案中，基于热气流的计算机建模来开发定制成型远侧面114和/或定制壁冷却特征208的形状和位置。由于为相同类型的基部部件100维护不同铸件是昂贵的，因此优选地从单个铸件在一组基部部件100的顶部上制造定制成型远侧面114和/或定制壁冷却特征208，其中定制成型远侧面114和/或定制壁冷却特征208的形状基于发动机中的涡轮机部件200相对于时钟安装位置和其他部件的位置。
制品110可以通过任何增材制造方法或技术来制造，包括熔化或烧结粉末材料层。在一些实施方案中，增材制造或三维(3D)打印包括选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)、电子束熔化(EBM)、粉末床处理或其组合。在一些实施方案中，增材制造或3D打印包括通过粉末床的SLS。可替代地，制品110可以通过钎焊PSP的薄金属片来制造。
在一些实施方案中，制品110的增材制造是构建制品110的直接金属激光熔化(DMLM)过程，该制品基于燃气涡轮机中的基部部件100的时钟安装位置在其成型远侧面114和/或其壁冷却特征208中进行定制以用于基部部件100。在一些实施方案中，DMLM过程通过包括一种或多种粉末材料进料器的粉末递送组件来执行。在DMLM过程期间，粉末材料进料器选择性地递送粉末材料和/或任何其他材料直接作为打印平台上方的粉末床上的新层或者作为表面的替代，其中至少一个涂布器将粉末材料导向打印平台。
在一些实施方案中，制品110的定制壁冷却特征208和定制成型远侧面114基于在基部部件100的时钟安装位置处的预期或预定的热气流模式。在一些实施方案中，制品110例如通过增材制造直接构建在基部部件100的顶部上。在其他实施方案中，制品110单独构建并通过接合技术附接到基部部件100。在一些实施方案中，接合技术可以包括但不限于铸造基部部件100上钎焊、烧结、焊接、直接增材制造或其组合。
在一些实施方案中，基部部件100具有凹陷部102以接收制品110和用于供应制品110的壁冷却部件208的一个或多个冷却剂供应通道106，由此使制造更容易且更便宜。制品110的近侧面112和/或成型远侧面114的表面轮廓优选地与基部部件100的平台206的其上放置有制品110的凹陷部102和/或上表面104的表面轮廓不匹配。制品110优选地包括一个或多个壁冷却特征208，其中基部部件100仅具有用于将冷却流体供应到壁冷却特征208的供应通道106。制品110的壁冷却特征208可以包括如果不是通过增材制造形成则实施起来太昂贵的复杂形状。壁冷却特征208优选地解决涡轮机部件200的热气路径表面210处的局部热负荷。
在一些实施方案中，涡轮机部件200可包括具有以下两者的基部部件100：诸如图3所示的在基部部件100的平台206的上表面104上的凹陷部102中的第一制品110，以及诸如图7所示的覆盖基部部件100的平台206的上表面104的其余部分和第一制品110的成型远侧面114的第二制品110。壁冷却特征208可以位于第一制品110中，位于第一制品110和第二制品110中，或者既不位于第一制品110中也不位于第二制品110中。
在一些实施方案中，基部部件100可以包括在平台206的上表面104上的多于一个凹陷部102，其中每个凹陷部102接收诸如图3所示的制品110。
在一些实施方案中，壁冷却特征208延伸通过热气路径表面210的表面作为膜冷却孔，如图3所示，以释放冷却流体通过热气路径表面210的表面并进入热气流动流中。在一些实施方案中，壁冷却特征208是近表面通道，其使冷却剂在热气路径表面210的表面附近但在其下方循环，如图7所示。
虽然已经参考一个或多个实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。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特定情形或材料适应本发明的教导内容。因此，本发明旨在不限于所公开的作为实施本发明设想的最佳模式的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。此外，在详细描述中识别的所有数值应被解释为仿佛精确值和近似值都被明确地识别。

Claims (10)

1.一种制造涡轮机部件(200)的方法，所述方法包括：
增材制造具有近侧面(112)和与所述近侧面(112)相对的成型远侧面(114)的制品(110)，所述近侧面(112)的尺寸和形状设计成覆盖基部部件(100)的平台(206)的上表面(104)的至少一部分，所述基部部件(100)和所述制品(110)一起形成所述涡轮机部件(200)，所述制品(110)的所述成型远侧面(114)具有用作所述涡轮机部件(200)的热气路径表面(210)的至少一部分的轮廓表面，所述轮廓表面被布置和设置成提供跨所述轮廓表面的工作流体的受控流动模式，所述轮廓表面是基于所述涡轮机部件(200)在涡轮机中的时钟安装位置以及凭经验或通过建模确定的在所述时钟安装位置处的热气流而定制的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述制品(110)钎焊到所述基部部件(100)的所述平台(206)上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基部部件(100)通过铸造形成，并且所述制品(110)的增材制造直接发生在所述基部部件(100)的所述平台(206)上。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括铸造所述基部部件(100)。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述制品(110)插入所述基部部件(100)的所述平台(206)的所述上表面(104)上的凹陷部(102)中。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括用所述制品(110)覆盖所述基部部件(100)的所述上表面(104)。
7.一种制造涡轮机部件(200)的方法，所述方法包括：
增材制造用于一组基部部件(100)的一组制品(110)，所述一组制品(110)中的每个制品(110)具有近侧面(112)和与所述近侧面(112)相对的成型远侧面(114)，所述近侧面(112)的尺寸和形状设计成覆盖所述一组基部部件(100)中的一个基部部件(100)的平台(206)的上表面(104)的至少一部分，所述基部部件(100)和所述制品(110)一起形成所述涡轮机部件(200)，每个成型远侧面(114)具有用作所述涡轮机部件(200)的热气路径表面(210)的至少一部分的轮廓表面，每个轮廓表面被布置和设置成提供跨所述轮廓表面的工作流体的受控流动模式，每个轮廓表面是基于所述涡轮机部件(200)在涡轮机中的时钟安装位置以及凭经验或通过建模确定的在所述时钟安装位置处的热气流而定制的。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括从单个模具铸造所述一组基部部件(100)。
9.用于燃气涡轮机的至少一个涡轮机部件(200)，所述至少一个涡轮机部件(200)中的每个涡轮机部件(200)包括：
基部部件(100)，所述基部部件(100)通过铸造形成，所述基部部件(100)包括平台(206)；和
制品(110)，所述制品(110)在所述平台(206)的上表面(104)上，所述制品(110)通过增材制造形成并具有近侧面(112)和与所述近侧面(112)相对的成型远侧面(114)，所述近侧面(112)的尺寸和形状设计成覆盖所述涡轮机部件(200)的所述平台(206)的所述上表面(104)的至少一部分，所述成型远侧面(114)具有用作所述涡轮机部件(200)的热气路径表面(210)的至少一部分的轮廓表面，所述轮廓表面被布置和设置成提供跨所述轮廓表面的工作流体的受控流动模式，所述轮廓表面是基于所述涡轮机部件(200)在涡轮机中的时钟安装位置以及凭经验或通过建模确定的在所述时钟安装位置处的热气流而定制的。
10.根据权利要求9所述的至少一个涡轮机部件(200)，其中所述至少一个涡轮机部件(200)包括用于所述燃气涡轮机的多个涡轮机部件(200)，所有的所述基部部件(100)都是从单个模具铸造的，并且每个制品(110)的所述成型远侧面(114)是基于所述涡轮机部件(200)在所述燃气涡轮机中的所述时钟安装位置处的工作流体的流动模式而定制的。
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