CN110899624A - 铸入式气膜冷却孔结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的精密型芯的型芯元件，包括：精密型芯主体；延伸部，所述延伸部连接到所述精密型芯主体并从所述精密型芯主体伸出；以及连接部分，所述连接部分连接到所述精密型芯主体并连接到所述延伸部。所述精密型芯主体包含陶瓷材料。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述精密型芯主体。
Description
背景技术
本公开大体涉及精密铸造。特别地，本公开涉及用于燃气涡轮发动机的铸入式气膜冷却孔结构。
燃气涡轮发动机广泛用于飞机推进、发电和船舶推进。在所有燃气涡轮发动机应用中，效率是首要目的。通过在较高温度下操作可使得燃气涡轮发动机效率提高，但是当前的操作温度处于此类水平，即在涡轮区段中，所使用的超合金材料具有有限的机械性能。因此，通常的做法是为在燃气涡轮发动机的最热部分中(通常在涡轮区段中)的部件提供空气冷却。通过使来自发动机的压缩机区段的相对冷的空气流动穿过待冷却的涡轮部件中的通路来提供冷却。
精密铸造是用于形成具有复杂几何形状的金属部件(尤其是中空部件)的常用技术，并且用于制造超合金燃气涡轮发动机部件。现有的铸造型芯由陶瓷材料制成。此类型芯是易碎的，尤其是用于在先进硬件中制造小型复杂冷却通路的先进型芯。现有的型芯涉及用于模拟加工圆柱形孔的长、细杆。这些杆是易碎的并且在制造和金属铸造期间易于翘曲和断裂。
发明内容
一种用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的精密型芯的型芯元件，包括：精密型芯主体；延伸部，所述延伸部连接到所述精密型芯主体并从所述精密型芯主体伸出；以及连接部分，所述连接部分连接到所述精密型芯主体并连接到所述延伸部。所述精密型芯主体包含陶瓷材料。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述精密型芯主体。
翼型件包括：主体、翼型件壁、冷却回路和冷却孔。所述翼型件壁形成所述主体的外表面。所述冷却回路设置在所述主体内。所述冷却孔设置在所述主体的一部分中。所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面。所述冷却孔包括腔体、出口和固体材料杆。所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中。所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状。沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形。所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面，并设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中。所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
一种用于与精密铸造过程一起使用的型芯组件包括型芯元件和蜡模型。所述型芯元件包括：主体；延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出；穿过所述延伸部设置的通道；以及连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴。沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形。
一种使翼型件冷却的方法包括：将冷却空气提供到设置在所述翼型件中的冷却孔的腔体中。所述翼型件包括：主体、形成所述主体的外表面的翼型件壁、设置在所述主体内的冷却回路和所述冷却孔。所述冷却孔设置在所述主体的一部分中并将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面。所述冷却孔包括：所述腔体、出口和固体材料杆。所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中。所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状。沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形。所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面，并设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中。所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
一种制造翼型件的方法包括：形成型芯组件并利用所述型芯组件通过精密铸造形成翼型件。所述型芯组件包括型芯元件和蜡模型。所述型芯元件包括：主体；延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出；穿过所述延伸部设置的通道；以及连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴。沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形。所述翼型件包括：主体、翼型件壁、冷却回路和冷却孔。所述翼型件壁形成所述主体的外表面。所述冷却回路设置在所述主体内。所述冷却孔设置在所述主体的一部分中。所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面。所述冷却孔包括腔体、出口和固体材料杆。所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中。所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状。沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形。所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面，并设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中。所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
附图说明
图1是具有四个延伸部的型芯元件的一小部分的透视图。
图2A是沿图1所示的2-2截取的第一型芯元件和第一蜡模型的侧面剖视图。
图2B是第二型芯元件和第二蜡模型的侧面剖视图。
图2C是第三型芯元件和第三蜡模型的侧面剖视图。
图3A是具有冷却孔的翼型件的透视图。
图3B是具有另一个冷却孔的翼型件的另一个透视图。
图4A是具有第一冷却孔的第一翼型件的侧面剖视图。
图4B是具有第二冷却孔的第二翼型件的侧面剖视图。
图4C是具有第三冷却孔的第三翼型件的侧面剖视图。
图4D是具有第四冷却孔的第四翼型件的侧面剖视图。
图4E是具有第五冷却孔的第五翼型件的侧面剖视图。
图5是截取自图4A所示的5-5的具有两个冷却孔出口的翼型件的外表面的一部分的顶视图。
具体实施方式
现有的陶瓷型芯可使用陶瓷浆料和成型模具通过模塑过程生产；可采用注塑技术和传递模塑技术两者。尽管也已采用塑料、低熔点金属和有机化合物(诸如尿素)，但是模型材料最常见的是蜡。使用胶态二氧化硅粘结剂将陶瓷颗粒粘结在一起而形成壳模，所述陶瓷颗粒可以是氧化铝、二氧化硅、氧化锆和硅酸铝。
本文将简要解释使用陶瓷型芯生产涡轮叶片的精密铸造过程(尽管未在任何图中描绘)。将具有内部冷却通路所期望几何形状的陶瓷型芯放置在金属模具中，所述金属模具的壁围绕所述型芯但通常与其间隔开。所述模具填充有一次性模型材料，诸如蜡。移除模具，从而使陶瓷型芯嵌入蜡模型中。然后通过将模型浸渍在陶瓷浆料中，然后将较大的、干燥的陶瓷颗粒施涂到浆料来在蜡模型周围形成外部壳模。此过程被称为撒砂。然后干燥含有型芯的经撒砂的蜡模型，并重复撒砂过程以提供所期望的壳模壁厚。此时，将铸模彻底干燥并加热至升高的温度以移除蜡材料并强化陶瓷材料。
结果是：含有陶瓷型芯的陶瓷铸模，其组合限定铸模腔体。应当理解，型芯的外部限定要在铸件中形成的通路，并且壳模的内部限定待制造的超合金铸件的外部尺寸。型芯和壳还可限定铸造部分(诸如浇口和冒口)，这些铸造部分是铸造过程所必需的，但不是成品铸造部件的一部分。在移除蜡并对耐火陶瓷壳模进行热烧结之后，将熔融的超合金材料倾注到由壳模和型芯组件限定的腔体中并使其固化。然后通过机械和化学方法的组合将铸模和型芯从超合金铸件中移除。
铸入式圆形冷却孔作为型芯特征将提供更大的稳定性，并使冷却调谐性能成为可能，而不会使结构过于易碎。结构(诸如具有孔的轮)、伸长度或其他特征以及铸造圆形结构的取向和放置的变化可用于引导和调谐空气流动，并在本文中公开。
图1是型芯元件10的一部分的透视图，并且示出主体12、连接部分14、延伸部16、延伸部16的中线轴CLE和通道18。
芯元件10是用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的较大精密型芯的子部分的一小部分。型芯元件10可包含陶瓷和/或耐火金属材料。例如，型芯元件10的材料可包括：二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、莫来石和二氧化铪或其他合适的陶瓷材料，以及钼、钽、铌、钨及其合金。也可采用分别形成保护性二氧化硅(SiO2)层的耐火金属合金和金属间化合物，诸如钼合金、钨合金、钽合金、铌合金和二硅化钼(MoSi2)。
主体12是型芯元件10的主要部分，其包括大致平坦的平面形状。连接部分14是型芯元件10的被定位在主体12与延伸部16之间的中间区段。延伸部16是铸造型芯材料的管。延伸部16可包括椭圆形的剖面形状，并且在此非限制性实例中为圆形。可存在多于或少于在实施方案中示出的四个延伸部16。通道18是圆柱形状的通路或开口。延伸部16的中线轴CLE是延伸穿过如图1所示的延伸部16的中心的假想长轴。
主体12连接到具有连接部分14并具有延伸部16的单件材料并被制成单件材料。连接部分14被定位在主体12与延伸部16之间并连接到它们。延伸部16连接到连接部分14并形成有连接部分14。通道18形成在每个延伸部16的中心并穿过每个延伸部16的中心。
型芯元件10被构造为用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的精密型芯。铸造方法可以是精密铸造法或失蜡铸造法。主体12、连接部分14和延伸部16在铸造过程中用作铸模，以在成品铸件中形成空隙或腔体。通道18提供空隙，蜡块定位在所述空隙中。在铸造过程期间，定位在通道18中的蜡块被熔化掉，从而允许铸造金属填充由在通道18中的蜡留下的空隙并形成为其。以这种方式，通道18表示成品部件的铸造材料为实心圆柱体。
现有冷却孔铸造型芯的构型包括模拟加工圆柱形孔的长细杆。然而，这些杆是易碎的并且在制造和金属铸造期间易于断裂。相比之下，主体10的延伸部16作为型芯特征提供更大的稳定性，以防止型芯元件10在铸造过程的设置和执行期间破损。
图2A是沿图1所示的2-2截取的型芯组件22A的侧面剖视图，其示出型芯元件10A(具有主体12A、连接部分14A、延伸部16A、延伸部16A的中线轴CLE、通道18A和通道18A的中线轴CLC)以及蜡模型24A(具有第一蜡块26A、第二蜡块28A和滑动区域30A)。图2A还示出延伸部16A的高度HE、延伸部16A的宽度WE和连接部分14A的宽度WCP。
如在图2A中可看到的，延伸部16A的剖面形状可包括椭圆形，并且在此非限制性实例中为圆形。如这里所提供的，延伸部16A的剖面形状是沿垂直于延伸部16A的中线轴CLE的平面截取的。高度HE是在主体12A的连接到连接部分14A的主面与延伸部16A的在延伸部16A的与连接部分14A相反的端部或远侧端部上的端部之间测量的。宽度WE是延伸部16A的宽度，其是在与延伸部16A的高度HE的测量垂直的方向上测量的。宽度WCP是连接部分14A的宽度，其是垂直于穿过延伸部16A的中心的中线轴测量的。
如在图2A中可看到的，通道18A的剖面形状可包括椭圆形，并且在此非限制性实例中为圆形。如这里所提供的，通道18A的剖面形状是沿垂直于通道18A的中线轴CLC的平面截取的。通道18A的中线轴CLC是延伸穿过通道18A的中心的假想长轴。在此视图中，中线轴CLC直接延伸到页面中并延伸出页面。而且在此视图中，延伸部16A的中线轴CLE直接延伸到页面中并延伸出页面。蜡模型24A在此实施方案中是包括第一蜡块26A和第二蜡块28A的蜡块组件。第一蜡块26A和第二蜡块28A是可溶性蜡型芯块。滑动区域30A是延伸部16A的一部分，其表示将从成品部件加工掉(例如，移除)的成品部件的一部分。
在此非限制性实施方案中，通道18A的中线轴CLC与延伸部16A的中线轴CLE同轴且与其平行。如图2A所示，连接部分14A的宽度WCP大于延伸部16A的高度HE的一半。而且在此实施方案中，延伸部16A的宽度WE等于或大于延伸部16A的高度HE。第一蜡块26A设置在通道18A中。第二蜡块28A设置在延伸部16A的外部并且与延伸部16A和主体12A两者接触。滑动区域30A设置在延伸部16A远离主体12A的远侧端部上。在图2中示出的视图中，滑动区域30A被定位在延伸部16A的顶部部分处。
在铸造过程期间使用具有第一蜡块26A和第二蜡块28A的蜡模型24A通过熔融来产生将金属铸造材料倾注到其中的空隙。这样，蜡模型24A表示成品铸件的成形部分。滑动区域30A表示延伸部16A的在铸造过程中要加工掉的一部分。以这种方式，滑动区域30A在所形成的成品部件中(例如，在翼型件的表面中)产生开口。
如上文所提及的，主体10的延伸部16A的圆形形状作为型芯特征提供更大的稳定性，以防止型芯元件10A在铸造过程的设置和执行期间破损。这里，由于连接部分14A的宽度WCP大于延伸部16A的高度HE的一半，所以延伸部16A和连接部分14A对主体12A提供非常坚固和耐用的附接，使得延伸部16A在准备铸造过程期间或在铸造过程期间不容易断裂或损坏。
图2B是型芯组件22B的侧面剖视图，其示出型芯元件10B(具有主体12B、连接部分14B、延伸部16B、延伸部16B的中线轴CLE、通道18B和通道18B的中线轴CLC)以及蜡模型24B(具有第一蜡块26B、第二蜡块28B和滑动区域30B)。
如图2B所示，通道18B的中线轴CLC与延伸部16B的中线轴CLE水平偏离。在其他非限制性实施方案中，通道18B的中线轴CLC可以是竖直的、或水平和竖直的组合，其与延伸部16B的中线轴CLE偏离。如将关于图4B所讨论的，通道18B的偏离定位如图2B所示，其提供从由延伸部16B产生的冷却孔排出的冷却流体的替代排放模式和排放速率。
图2C是型芯组件22C的侧面剖视图，其示出型芯元件10C(具有主体12C、连接部分14C、延伸部16C、延伸部16C的中线轴CLE、通道18C和通道18C的中线轴CLC)以及蜡模型24C(具有第一蜡块26C、第二蜡块28C和滑动区域30C)。示出第二蜡块28C，其包括第二蜡块28C的上游部分28CU和下游部分28CD。如图2C所示，图的左侧表示上游方向，并且右侧表示下游方向，其中上游/下游术语与成品铸件(例如，翼型件)的最终使用中的方向相关。
这里，第二蜡块28C的上游部分28CU的上表面示出为与第二蜡块28C的下游部分28CD的上面处在不同的水平，比其更高。第二蜡块28C的上游部分28CU与下游部分28CD之间的高度差允许从成品铸件中的延伸部16C要形成的冷却孔的流体流动排出的变化(参见例如图4C和相关讨论)。通过改变第二蜡块28C的上游部分28CU与下游部分28CD之间的高度差，可根据操作参数按需引导并调谐冷却空气的流动。
图3A是翼型件32的透视图，并且其示出主体34、外表面36、前缘38、后缘40、吸力面42、冷却孔46、出口48、叶顶50、平台52和叶根54。图3B是翼型件32的另一个透视图，并且其示出主体34、外表面36、前缘38、后缘40、压力面44、冷却孔46、出口48、叶顶50、平台52和叶根54。
翼型件32是用于喷气涡轮发动机的定子或转子轮叶或叶片。主体34是翼型件32的主要部分。外表面36是主体34的外部部分或最外层。前缘38是翼型件32的边缘，其在翼型件32的使用期间指向大致上游方向。后缘40是翼型件32的边缘，其在翼型件32的使用期间指向大致下游方向。吸力面42是翼型件32的弯曲面，其与压力面44相对地定位。压力面44是翼型件32的弯曲面，其与吸力面42相对地定位。冷却孔46是设置在翼型件32的外表面36中的狭槽或孔。在图3A和图3B中呈现的非限制性实施方案中，翼型件32包括三个冷却孔46。出口48是开口或孔。叶顶50是翼型件32的远侧端部。平台52是大致为平面的固体材料块。叶根54是翼型件32的底部基座部分。
翼型件32通过翼型件32的底部叶根部分连接到喷气涡轮发动机的环或轮毂(未示出)。主体34包括前缘38、吸力面42和压力面44。外表面36围绕主体34的外部设置。前缘38连接到吸力面42和压力面44并在吸力面42与压力面44之间延伸。后缘40连接到吸力面42和压力面44并在吸力面42与压力面44之间延伸，其在主体34的与前缘38的相反端部上。吸力面42围绕翼型件32的一面缠绕并在翼型件32的上游部分处连接到前缘38并且在前缘32的下游部分处连接到压力面44。压力面44围绕翼型件32的相对面缠绕并在翼型件32的上游部分处连接到前缘38并且在前缘32的下游部分处连接到吸入面42。冷却孔46设置在主体34中并且产生穿过外表面36的流体通路。如将关于图4A至图4C所讨论的，冷却孔46流体地连接到被定位在主体34内部的冷却回路。出口48设置在外表面36中并且流体地连接到冷却孔46。叶顶50连接到翼型件32的主体34的远侧端部。平台52设置在主体34与叶根54之间。叶根54连接到平台52。
翼型件32产生由空气通过翼型件32所产生的气动力。主体34将前缘38、吸力面42和压力面44连接在一起。外表面36提供主体34的固体阻隔件，所述固体阻隔件在翼型件32的使用期间使来自外表面36的空气偏转。在翼型件32的使用期间，前缘38与翼型件32的吸力面40A和压力面40B接触并重新引导围绕它们的空气。吸力面42和压力面44的凸形和凹形轮廓在流动跨过吸力面40A和压力面40B的空气之间产生压力梯度。冷却孔46将冷却空气从主体34输送到外表面36，使得当冷却空气流动跨过翼型件32的外表面36时，冷却空气吸收来自主体34的热能。
图4A是翼型件32A的侧面剖视图，并且其示出主体34A、外表面36A、冷却孔46A、壁58A、冷却回路60A、腔体56A、腔体56A的中线轴CLC、出口48A、杆62A、杆62A的中线轴CLR、入口64A、第一尖端66A、第二尖端68A、第一侧壁70A和第二侧壁72A。
图4A的冷却孔46A已经由图2A的型芯元件10A通过精密铸造形成，其中金属替代蜡，并且随后移除陶瓷以形成冷却孔46A和冷却回路60A。冷却孔46A对应于图2A中示出的延伸部16A并且包括腔体56A、出口48A和杆62A。翼型件32A可包括多于一个的冷却孔46A。壁58A对应于图2中示出的第二蜡块28A，并且包括大致平坦的平面固体材料块。冷却电路60A对应于图2A中示出的主体12A并且包括流体通道和腔体的组件。腔体56A对应于图2A中示出的延伸部16A并且包括腔室。如图2A所示，腔体56A的剖面形状通常包括椭圆形，并且特别地是圆形。腔体56A的形状通常包括管。
中线轴CLC是延伸穿过腔体56A的中心的假想长轴。在此视图中，中线轴CLC直接延伸到页面中并延伸出页面。出口48A对应于图2A中示出的延伸部16A与滑动区域30A之间的界面并且包括开口或孔。杆62A对应于图2A中示出的通道18A并且包括圆柱形状的固体材料块。如图2A所示，杆62A的剖面形状通常包括椭圆形，并且特别地是圆形。中线轴CLR是延伸穿过杆62A的中心的假想长轴。在此视图中，杆62A的中线轴CLR直接延伸到页面中并延伸出页面。
入口64A是在第一尖端66A与第二尖端68A之间延伸的流体开口。第一尖端66A和第二尖端68A是弯曲的拐角。第一尖端66A在第一侧壁70A与冷却回路60A相遇的位置处形成。第二尖端68A在第二侧壁72A与冷却回路60A相遇的位置处形成。第一侧壁70A和第二侧壁72A是腔体56A的弓形或弯曲侧壁。冷却孔46A设置在外表面36A的一部分中并且流体地连接到冷却回路60A。冷却孔46A可设置在翼型件32的前缘38、吸力面42和/或压力面44中的任一个上或在其中(如图3A和图3B所示)。壁58A被定位在冷却孔46A的两侧上，并在外表面36A与冷却回路60A之间延伸。冷却回路60A被定位在翼型件32A的内部部分中并且流体地连接到腔体56A。腔体56A设置在主体34A中并且流体地连接到冷却回路60A并连接到出口48A。在此非限制性实施方案中，腔体56A的中线轴CLC平行于杆62A的中线轴CLR且与其同轴。出口48A设置在壁58A的外表面36A的一部分中。出口48A将腔体56A流体地连接到主体34A的外表面36A。杆62A设置在腔体56A的一部分中并穿过腔体56A的一部分。
入口64A在第一尖端66A与第二尖端68A之间延伸，并在冷却回路60A与腔体56A之间形成流体连接点。第一尖端66A位于入口64A的上游(图4A中的左侧)端部，并且第二尖端位于入口64A的下游(图4A中的右侧)侧。第一侧壁70A和第二侧壁72A的曲率产生球状、大致圆形形状的腔体56A。
使用型芯元件10A生产或形成翼型件32A的精密铸造过程可如下：将具有冷却通路60A所期望几何形状的型芯元件10A放置在金属模具中，所述金属模具的壁围绕型芯元件10A但通常与其间隔开。所述模具填充有一次性模型材料，诸如蜡模型24A。移除模具，从而使型芯元件10A嵌入蜡模型24A中。通过将蜡模型24A浸渍在陶瓷浆料中，并且之后将较大的、干燥的陶瓷颗粒施涂到浆料，则在蜡模型24A周围形成外部壳模。此过程被称为撒砂。然后干燥包括型芯元件10A的经撒砂的蜡模型24A，并重复撒砂过程以提供所期望的壳模壁厚。此时，将铸模彻底干燥并加热至升高的温度以移除蜡模型24A并强化型芯元件10A的陶瓷材料。
结果是：包括型芯元件10A的陶瓷铸模，其组合限定铸模腔体。应当理解，型芯元件10A的外部限定要在铸件中形成的通路，并且壳模的内部限定待制造的铸件或翼型件32的外部尺寸。型芯元件10A和壳还可限定铸造部分(诸如浇口和冒口)，这些铸造部分是铸造过程所必需的，但不是成品铸造部件的一部分。在移除蜡模型24A并对耐火陶瓷壳模进行热烧结之后，将熔融的材料(例如，超合金)倾注到由壳模和型芯元件10A限定的腔体中并使其固化。然后通过机械和化学方法的组合将铸模和型芯元件10A从铸件移除。
在接下来的此铸造过程中，在铸造过程期间移除第一蜡块26A，并由翼型件32的壁58A替代，同时移除第二蜡块28A并用杆62A替代。而且在铸造过程期间，移除主体12A并用冷却回路60A替代，并且移除延伸部16A并用腔体56A替代。关于示出的实施方案，发生类似的移除和替代并且关于图2B和图4B以及图2C和图4C进行讨论。
冷却回路60A向冷却孔46A提供冷却空气源并将冷却空气源输送到冷却孔46A。冷却空气行进穿过冷却回路60A、穿过入口64A被输送到腔体56A、沿第一侧壁70A和第二侧壁72A围绕杆62A的两侧行进、被推出出口48A、然后被输送到翼型件32A的外表面36A。在此实例中，其中腔体56A的中线轴CLC与杆62A的中线轴CLR同轴，围绕杆62A流动的冷却空气流围绕杆62A的两侧均匀地分布并提供流出出口48A且沿外表面36A的第一冷却空气流动分布模式。
具有冷却孔46A的翼型件32A的构型在根本上不同于加工孔的现有构型，因为冷却空气可从两个方向(例如，围绕杆62A的两侧)而不是仅从单一方向接近出口48A。在伴随有翼型件32A旋转的实例中，翼型件32A的旋转能量将引导冷却空气沿预期方向离开冷却孔46A。冷却孔46A的构型在翼型件32A的前缘38上也是有用的，诸如由于冷却空气如何被引导出冷却孔46A的变化和调谐，在现有设计中当前使用气膜冷却孔的“喷头”的地方。在图4A(以及图4B和图4C)中示出的构型另外限制冷却空气在相反方向上的回流而不是在狭窄的开口中阻塞(诸如可能发生在现有的单一通路钻孔冷却孔设计中)。
图4B是翼型件32B的侧面剖视图，并且其示出主体34B、外表面36B、冷却孔46B、壁58B、冷却回路60B、腔体56B、腔体56B的中线轴CLC、出口48B、杆62B和杆62B的中线轴CLR。
图4B的冷却孔46B已经由图2B的型芯元件10B通过精密铸造形成，其中金属替代蜡，并且随后移除陶瓷以形成冷却孔46B和冷却回路60B。在此实施方案中，冷却孔46B对应于延伸部16B，壁58B对应于第二蜡块28B，冷却回路60B对应于主体12B，腔体56B对应于延伸部16B，出口48B对应于在延伸部16B与滑动区域30B之间的界面，并且杆62B对应于通道18B，它们中的每一个在图2B中示出。如图4B所示，杆62B的中线轴CLR与腔体56B的中线轴CLC偏离。此外，杆62B的中线轴CLR平行于腔体56B的中线轴CLC。在此非限制性实施方案中，杆62B的中线轴CLR与腔体56B的中线轴CLC水平偏离。在其他非限制性实施方案中，杆62B的中线轴CLR可以是竖直的、或水平和竖直的组合，其与腔体56B的中线轴CLC偏离。
其中杆62B的中心轴线CLR与腔体56B的中心轴线CLC偏离，围绕杆62B流动的冷却空气流可围绕杆62B的两侧不均匀地分布，以提供流出出口48B且沿外表面36B的第二冷却空气流动分布模式。根据操作参数，可通过杆62B的放置来控制和调谐杆62B两侧上的流动量，以控制流出出口48B的冷却空气的净流动和第二冷却空气流动分配模式。例如，杆62B的偏离中线轴CLR可用于翼型件32B在未旋转或在静止的情况下(例如，在翼型件32B是定子叶片或轮叶的情况下)。
图4C是翼型件32C的侧面剖视图，并且其示出主体34C、外表面36C、冷却孔46C、壁58C(具有上游厚度T上和下游厚度T下)、冷却回路60C、腔体56C、腔体56C的中线轴CLC、出口48C、杆62C和杆62C的中线轴CLR。
图4C的冷却孔46C已经由图2C的型芯元件10C通过精密铸造形成，其中金属替代蜡，并且随后移除陶瓷以形成冷却孔46C和冷却回路60C。在此实施方案中，冷却孔46C对应于延伸部16B，壁58C对应于第二蜡块28C，冷却回路60C对应于主体12C，腔体56C对应于延伸部16C，出口48C对应于在延伸部16C与滑动区域30C之间的界面，并且杆62C对应于通道18C，它们中的每一个在图2C中示出。上游厚度T上是位于出口48C上游(图4C中的左侧)的壁58C的一部分的厚度，如竖直测量的并且如图4C所示。下游厚度T下是位于出口48C下游(图4C中的右侧)的壁58C的一部分的厚度，如所竖直测量的并且如图4C所示。
如图4C所示，外表面36C在冷却孔46C的位置处在从冷却孔46C的上游(图4C中的左侧)到冷却孔46C的下游(图4C中的右侧)的方向上起伏，使得壁58C的厚度在出口48C的位置处从上游厚度T上改变到下游厚度T下。在此实例中，上游厚度T上相对于跨过翼型件32C的空气流的下游方向大于下游厚度T下。在其他非限制性实施方案中，上游厚度T上可等于或大于下游方向上的下游厚度T下，或在另一方向上不平行于下游方向。如图4C所示的冷却孔46C的构型提供使冷却空气流从出口48C流出到外表面36C上的进一步调谐和方向控制。
图4D是翼型件32D的侧面剖视图，并且其示出主体34D、外表面36D、冷却孔46D、壁58D、冷却回路60D、腔体56D、腔体56D的中线轴CLC、出口48D、杆62D和杆62D的中线轴CLR。
在此实施方案中，沿垂直于腔体56D的中线轴CLC的平面截取的腔体56D的剖面形状包括椭圆形。而且在此实施方案中，沿垂直于杆62D的中线轴CLR的平面截取的杆62E的剖面形状包括椭圆形。例如，杆62D的细长部分在竖直方向上延伸，其中杆62D的水平宽度小于杆62D的竖直高度。同样，腔体56D的细长部分在竖直方向上延伸，其中腔体56D的水平宽度小于腔体56D的竖直高度。在其他非限制性实施方案中，腔体56D和/或杆62的剖面形状可包括非椭圆形状。
这里，腔体56D的中线轴CLC示出为平行于杆62D的中线轴CLR且与其同轴。在其他非限制性实施方案中，杆62D的中线轴CLR可与腔体56D的中线轴CLC竖直地和/或水平地偏离。具有细长腔体56D和杆62D的冷却孔46D的构型允许进一步变化和调谐穿过腔体56D、流出出口48D并在外表面36D上的冷却空气的流动。
图4E是翼型件32E的侧面剖视图，并且其示出主体34E、外表面36E、冷却孔46E、壁58E、冷却回路60E、腔体56E、腔体56E的中线轴CLC、出口48E、杆62E和杆62E的中线轴CLR。
类似于图4D中示出的实施方案，沿垂直于腔体56E的中线轴CLC的平面截取的腔体56E的剖面形状包括椭圆形。而且在此实施方案中，沿垂直于杆62E的中线轴CLR的平面截取的杆62E的剖面形状包括椭圆形。然而，与图4D中示出的冷却孔46D相比，图4E示出在水平方向上延伸的杆62E的细长部分，其中杆62E的水平宽度大于杆62E的竖直高度。同样，腔体56E的细长部分在竖直方向上延伸，其中腔体56E的水平宽度大于腔体56E的竖直高度。
腔体48D和48E的细长构型以及杆52D和52E允许进一步分别调谐和控制来自冷却孔46D和冷却孔42E的冷却空气输出。
图5是截取自图4A所示的5-5的翼型件32A的外表面36A的一部分的顶视图，其具有第一出口48A、杆62A和第二出口74。在图5中示出的视图中，上游方向位于图的左侧，并且下游方向位于图的右侧。第一出口48A是延伸到翼型件32A的外表面36A中的矩形形状的孔或通路。第二出口74是延伸到翼型件32A的外表面36A中的张开的孔或通路。在此实例中，第二出口74的形状包括等腰梯形。在其他非限制性实施方案中，第二出口74的形状可包括其他类型的不规则四边形(诸如锐角、直角、钝角)、平行四边形、菱形或正方形。第二出口74还可包括椭圆形、圆形、半圆形、三角形、菱形、多边形或其他几何形状。
张开的第二出口74的形状变化提供来自第二出口74的冷却空气的扩散离开模式。离开模式的这种变化还可包括当冷却空气离开第二出口74时减慢或加速冷却空气的速度，以便基于操作参数按需调整冷却流动的冷却效果。
可行实施方案的讨论
以下是对本发明的可行实施方案的非排他性描述。
型芯元件包括：主体；延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出；以及连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体。所述型芯元件被构造为用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的精密型芯。
另外和/或可替代地，前述段落的所述型芯元件可任选地包括以下特征、构型和/或另外部件中的任何一者或多者：
所述延伸部的所述剖面的形状可包括圆形。
通道可穿过所述延伸部设置，其中所述通道可包括穿过所述通道的中心的中线轴，其中沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状可包括椭圆形。
所述通道的所述剖面的形状可包括圆形。
所述通道的所述中线轴可与所述延伸部的所述中线轴同轴。
所述通道的所述中线轴可与所述延伸部的所述中线轴偏离。
所述通道的所述中线轴可平行于所述延伸部的所述中线轴。
所述连接部分的宽度可大于所述延伸部的高度的一半，其中所述连接部分的所述宽度可垂直于穿过所述延伸部的中心的所述中线轴测量，并且/或者其中所述延伸部的所述高度可在所述主体的可连接到所述连接部分的主面与所述延伸部的可在所述延伸部的与所述连接部分相反的端部上的端部之间测量。
所述延伸部的宽度可等于或大于所述延伸部的所述高度，其中所述延伸部的所述宽度可在与所述延伸部高度的所述测量平行的方向上测量。
翼型件包括：主体、翼型件壁、冷却回路和冷却孔。所述翼型件壁形成所述主体的外表面。所述冷却回路设置在所述主体内。所述冷却孔设置在所述主体的一部分中。所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面。所述冷却孔包括腔体、入口、出口和固体材料杆。所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中。所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状。沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形。所述入口将所述冷却回路流体地连接到所述腔体。所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面，并设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中。所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
另外和/或可替代地，前述段落的所述翼型件可任选地包括以下特征、构型和/或另外部件中的任何一者或多者：
所述外表面可在所述冷却孔的位置处在从所述冷却孔的上游到所述冷却孔的下游的方向上起伏，使得所述翼型件壁的厚度可在所述冷却孔的所述出口的位置处改变。
所述出口的形状可包括张开部分。
所述腔体的所述剖面的形状可包括圆形。
所述杆的中线轴可平行于所述腔体的所述中线轴。
所述杆的所述中线轴可与所述腔体的所述中线轴同轴。
所述杆的剖面的形状可包括椭圆形。
一种用于与精密铸造过程一起使用的型芯组件包括型芯元件和蜡模型。所述型芯元件包括：主体；延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出；穿过所述延伸部设置的通道；以及连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴。沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形。
所述蜡模型第一块可包括蜡杆。
一种制造翼型件的方法包括：形成型芯组件并利用所述型芯组件通过精密铸造形成翼型件。所述型芯组件包括型芯元件和蜡模型。所述型芯元件包括：主体；延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出；穿过所述延伸部设置的通道；以及连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部。所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体。所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管。沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形。所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴。沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形。所述翼型件包括：主体、翼型件壁、冷却回路和冷却孔。所述翼型件壁形成所述主体的外表面。所述冷却回路设置在所述主体内。所述冷却孔设置在所述主体的一部分中。所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面。所述冷却孔包括腔体、出口和固体材料杆。所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中。所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状。沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形。所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面，并设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中。所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
另外和/或可替代地，前述段落的所述方法可任选地包括以下步骤、特征、构型和/或另外部件中的任何一者或多者：
所述蜡模型的所述第一块可从所述型芯元件的所述通道移除和/或所述蜡模型的所述第一块可用所述杆替代，可移除所述蜡模型的所述第二块和/或所述蜡模型的所述第二块可用所述翼型件的所述主体替代，可移除所述型芯元件的所述延伸部以形成所述冷却孔的所述腔体，和/或可移除所述型芯元件的所述主体以形成所述翼型件冷却回路。
虽然已经参考一个或多个示例性实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并可使用等效物来取代示例性实施方案的要素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可做出许多修改来使特定情况或材料适应本发明的教义。因此，本发明不意图局限于所公开的一个或多个具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。
Claims (20)
1.一种用于在用于生产翼型件的铸造过程中使用的精密型芯的型芯元件，所述型芯元件包括：
精密型芯主体，所述精密型芯主体包含陶瓷材料；
延伸部，所述延伸部包含陶瓷材料，其中所述延伸部连接到所述精密型芯主体并从所述精密型芯主体伸出，其中所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管，其中沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形；以及
连接部分，所述连接部分包含陶瓷材料，其中所述连接部分连接到所述精密型芯主体并连接到所述延伸部，其中所述延伸部通过所述连接部分连接到所述精密型芯主体。
2.如权利要求1所述的型芯元件，其中所述延伸部的所述剖面的形状包括圆形。
3.如权利要求1所述的型芯元件，其还包括穿过所述延伸部设置的通道，其中所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴，其中沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形。
4.如权利要求3所述的型芯元件，其中所述通道的所述剖面的形状包括圆形。
5.如权利要求1所述的型芯元件，其中所述通道的所述中线轴与所述延伸部的所述中线轴同轴。
6.如权利要求1所述的型芯元件，其中所述通道的所述中线轴与所述延伸部的所述中线轴偏离。
7.如权利要求1所述的型芯元件，其中所述通道的所述中线轴平行于所述延伸部的所述中线轴。
8.如权利要求1所述的型芯元件，其中所述连接部分的宽度大于所述延伸部的高度的一半，其中所述连接部分的所述宽度是垂直于穿过所述延伸部的中心的所述中线轴测量的，并且其中所述延伸部的所述高度是在所述精密型芯主体的连接到所述连接部分的主面与所述延伸部的在所述延伸部的与所述连接部分相反的端部上的端部之间测量的。
9.如权利要求8所述的型芯元件，其中所述延伸部的宽度等于或大于所述延伸部的所述高度，其中所述延伸部的所述宽度是在与所述延伸部高度的所述测量平行的方向上测量的。
10.一种用于与精密铸造过程一起使用的型芯组件，所述型芯组件包括：
权利要求1所述的型芯组件；以及
蜡模型，所述蜡模型包括：
第一块，所述第一块设置在所述通道中；以及
第二块，所述第二块设置在所述延伸部的外部，所述蜡模型的所述第二块与所述延伸部接触并与所述主体接触。
11.如权利要求10所述的型芯组件，其中所述蜡模型的第一块包括蜡杆。
12.一种翼型件，其包括：
主体；
翼型件壁，所述翼型件壁形成所述主体的外表面；
冷却回路，所述冷却回路设置在所述主体内；以及
冷却孔，所述冷却孔设置在所述翼型件壁中，其中所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面，所述冷却孔包括：
环形腔体，所述环形腔体设置在所述翼型件壁的一部分中，其中所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状，其中沿垂直于所述腔体中线的平面截取的所述腔体的剖面形状包括椭圆形；
入口，所述入口将所述冷却回路流体地连接到所述腔体；
出口，所述出口设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中，其中所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面；以及
固体材料杆，所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分。
13.如权利要求12所述的翼型件，其中所述外表面在所述冷却孔的位置处在从所述冷却孔的上游到所述冷却孔的下游的方向上起伏，使得所述翼型件壁的厚度在所述冷却孔的所述出口的位置处改变。
14.如权利要求12所述的翼型件，其中所述出口的形状包括张开部分。
15.如权利要求12所述的翼型件，其中所述腔体的所述剖面的形状包括圆形。
16.如权利要求12所述的翼型件，其中所述杆的中线轴平行于所述腔体的所述中线轴。
17.如权利要求12所述的翼型件，其中所述杆的所述中线轴与所述腔体的所述中线轴同轴。
18.如权利要求12所述的翼型件，其中所述杆的剖面的形状包括椭圆形。
19.一种制造翼型件的方法，所述方法包括：
形成型芯组件，其中所述型芯组件包括：
型芯元件，所述型芯元件包括：
主体；
延伸部，所述延伸部连接到所述主体并从所述主体伸出，其中所述延伸部的形状包括具有穿过所述延伸部的中心的中线轴的管，其中沿垂直于所述延伸部中线轴的平面截取的所述延伸部的剖面的形状包括椭圆形；
通道，所述通道穿过所述延伸部设置，其中所述通道包括穿过所述通道的中心的中线轴，其中沿垂直于所述通道中线轴的平面截取的所述通道的剖面的形状包括椭圆形；以及
连接部分，所述连接部分连接到所述主体并连接到所述延伸部，其中所述延伸部通过所述连接部分连接到所述主体；以及
蜡模型，所述蜡模型包括：
第一块，所述第一块设置在所述通道中；以及
第二块，所述第二块设置在所述延伸部的外部，所述蜡模型的所述第二块与所述延伸部接触并与所述主体接触；
利用所述型芯组件通过精密铸造过程产生翼型件，其中所述翼型件包括：
主体；
翼型件壁，所述翼型件壁形成所述主体的外表面；
冷却回路，所述冷却回路设置在所述主体内；以及
冷却孔，所述冷却孔设置在所述主体的一部分中，其中所述冷却孔将所述冷却回路流体地连接到所述翼型件壁的所述外表面，所述冷却孔包括：
腔体，所述腔体设置在所述翼型件壁的一部分中，其中所述腔体包括具有穿过所述腔体的中心的中线轴的管状形状；
出口，所述出口设置在所述翼型件壁的所述外表面的一部分中，其中所述出口将所述腔体流体地连接到所述主体的所述外表面；以及
固体材料杆，所述固体材料杆设置在所述腔体中并穿过所述腔体的一部分，其中所述型芯组件在所述精密铸造过程中从所述翼型件移除。
20.如权利要求19所述的方法，所述铸造过程包括：
从所述型芯元件的所述通道移除所述蜡模型的所述第一块并用所述杆替代所述蜡模型的所述第一块；
移除所述蜡模型的所述第二块并用所述翼型件的所述主体替代所述蜡模型的所述第二块；
移除所述型芯元件的所述延伸部以形成所述冷却孔的所述腔体；以及
移除所述型芯元件的所述主体以形成所述翼型件冷却回路。
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Address after: Connecticut, USA Applicant after: Raytheon technology Co. Address before: Connecticut, USA Applicant before: UNITED TECHNOLOGIES Corp. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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