CN111406146A - 用于冷却的涡轮机部件的钎焊入的传热特征件 - Google Patents

Abstract

提供了一种在涡轮发动机中的冷却的涡轮机部件。冷却的涡轮机部件包括钎焊入的传热特征件，该钎焊入的传热特征件包括薄膜，该薄膜被包括被包含到膜的表面中的传热特征件。薄膜能够顺应冷却的涡轮机部件的表面，并且经由钎焊材料被附接到冷却的涡轮机部件的表面。还提供了用于冷却在涡轮发动机中的涡轮机部件的方法。

Description

用于冷却的涡轮机部件的钎焊入的传热特征件

技术领域

本申请大体上涉及燃气涡轮机，并且更具体地涉及用于冷却的涡轮机部件的钎焊入的传热特征件（brazed in heat transfer feature）。

背景技术

在燃气涡轮机操作期间，诸如燃气涡轮发动机的叶片（blade）和导叶（vane）的热气路径部件通常暴露于高热负荷。当压缩空气和燃料的混合物在燃气涡轮机的燃烧室区段中被点燃时产生热气流。热气流入包括叶片和导叶的涡轮机区段中。叶片和导叶所暴露于的温度由于热气流的原因在流路径中可以高达450 ℃并且可能甚至高达1400-1600 ℃。

在燃气涡轮发动机中的冷却流体和热气路径部件之间的传热速率和冷却效果与燃气涡轮机的总效率直接相关。从部件移除热的效率越高，则能够实现的总效率越高。

各种常规方法被用于冷却热气路径部件。铸入的传热特征件、背侧热气路径表面的冲击冷却以及多回路冷却通路是用于改善热部件冷却的在使用中的一些方法。

由于发动机的高操作温度，燃气涡轮机部件的从其自身传递走热的能力是特别重要的。提高冷却能力的一种方式是通过包含传热特征件来增加部件的表面面积。将传热特征件包含在热气路径部件内通常受到可用的铸造技术的限制。另外，能够被铸造到部件中的特征显著增加铸造工艺的成本和复杂性。

因此，期望一种比当前铸造工艺更加通用且廉价的传热特征件和将传热特征件包含到燃气涡轮机热气部件上的方法。

发明内容

简而言之，本公开的方面涉及一种在涡轮发动机中的冷却的涡轮机部件。

提供了一种在涡轮发动机中的冷却的涡轮机部件。涡轮机部件是至少在涡轮发动机的操作期间需要冷却的部件。冷却的涡轮机部件包括钎焊入的传热特征件，该传热特征件包括薄膜，该薄膜被包括被包含到薄膜的表面中的传热特征件。薄膜能够顺应冷却的涡轮机部件的表面。膜经由钎焊材料被附接到冷却的涡轮机部件的表面。

提供了一种冷却的涡轮机导叶组件。冷却的涡轮机导叶组件包括：在涡轮发动机中的涡轮机导叶，所述涡轮机导叶包括细长中空翼型，翼型包括外壁和内壁，所述涡轮机导叶至少在涡轮发动机的操作期间需要冷却；以及被插入到翼型的中空凹穴（pocket）中并被固定到内壁的导叶插入件。包括被包含到膜的表面中的传热特征件的薄膜经由钎焊材料被附接到涡轮机导叶的表面，薄膜顺应涡轮机导叶的表面。传热特征件将空气流引导到涡轮机导叶的外部以便改善从涡轮机导叶的传热。

提供了用于冷却在涡轮发动机中的涡轮机部件的方法。该方法包括提供具有部件表面的涡轮机部件且之后将包括传热特征件的薄膜经由钎焊材料钎焊在部件表面上。当涡轮机部件暴露于热气流时，传热特征件捕获在涡轮机操作期间产生的热，由此冷却涡轮机部件。

附图说明

图1图示了包括传热特征件的薄膜的实施例，

图2图示了包括导叶插入件的导叶组件的立体图，以及

图3图示了包括薄膜的实施例的导叶的横截面，该薄膜包括传热特征件。

具体实施方式

为了促进对本公开的实施例、原理和特征的理解，在下文参考说明性实施例中的实施方式来解释它们。不过，本公开的实施例不限于在所述系统或者方法中使用。

在下文被描述为构成各种实施例的部件和材料旨在是说明性的而非限制性的。可以执行与文本中描述的材料相同或类似功能的许多合适的部件和材料旨在被包含在本公开的实施例的范围内。

钎焊可以被定义为通过在存在填料材料的情况下将两种或更多种材料加热到一定温度而产生其联合的工艺，该填料材料具有比要连结的材料更低的熔点。因此，与要连结的材料相比，填料在更低的温度下液化，从而充分地覆盖所述材料的配合表面以便形成永久结合。相比于熔接，钎焊允许在不熔化基底金属的情况下与另一材料的表面结合。钎焊到高温部件上的能力在近些年来已经显著提高，从而使得钎焊成为将传热特征件包含到冷却的涡轮机部件上的更理想方式。例如，能够钎焊的材料增加了，诸如具有填料材料的改善的粉末组成物。对于高温部件，钎焊表现良好，这是因为填料材料的熔点可以远低于高温部件的熔点，在诸如超合金材料的高温部件的情况下，不熔化部件可以是有益的，以便维持高温部件的基底金属的完整性。

现在参考附图，其中所示仅出于图示本文中的主题的实施例的目的并且不是为了限制本文中的主题，图1图示了薄膜10或片的实施例，多个传热特征件20被包含在该薄膜10或片中。包括传热特征件20的薄膜10可以被利用于冷却部件。部件可以是燃气涡轮机部件，例如，该部件在涡轮机操作期间暴露于热气流。在实施例中，膜10可以能够顺应部件的表面。将薄膜10附接到部件的表面可以经由钎焊工艺来实现。

将膜区分为薄膜的膜的厚度（t）是允许薄膜具有足够柔性以顺应其要被附接的表面的厚度。膜厚度（t）将随着部件的表面材料的刚性、结合所需要的最小钎焊厚度以及膜要被结合到的表面的几何形状而变化。从传热特征件的基底到部件的表面测量的膜厚度（t）可以处于0.1-5毫米的范围中。这些厚度仅出于示例性目的并且不旨在为限制性的。

在所图示实施例中，所述多个传热特征件20包括销形状并且在膜10的表面上被形成为阵列。不过，根据膜10可以被附接到其上的部件的冷却要求，传热特征件20可以是各种形状。例如，传热特征件的形状可以包括销、波浪、V形（chevron）、尖状物、肋和翅片。这些列出的形状仅出于示例性目的并且不旨在为限制性的。

因为包括传热特征件20的膜10是单独部件并且（与铸造到部件中不同地）被附接到部件，所以可以针对其将附接到的具体部件和部件的冷却要求来定制传热特征件20。另外，替换具有传热特征件的钎焊膜是相对容易的，例如通过从涡轮机部件简单地移除薄膜10。具有这种能力，则传热特征件20可以针对涡轮机部件的设计和涡轮机部件所暴露于的操作环境被优化。

传热特征件20的优化可以使用各种手段来实现，这里仅讨论其中一些。在实施例中，优化可以采取改变传热特征件20的形状和/或大小的形式。例如，单个传热特征件20或多个传热特征件20可以被包含到薄膜10上。传热特征件20的形状可以选自各种形状。除了上面讨论的形状之外，本领域技术人员将理解，多种其它形状和大小可用于传热特征件的优化。在另一实施例中，在多个传热特征件之间的间距可以变化。在另一实施例中，根据薄膜10将被附接到的部件的设计要求，薄膜10的材料可以变化。在另一实施例中，传热特征件在薄膜10上的位置可以变化以优化涡轮机部件的传热。

在实施例中，冷却的涡轮机部件可以是诸如叶片、导叶或导叶插入件的涡轮机部件。然而，冷却的涡轮机部件也可以是其它涡轮机部件，诸如环部段、燃烧篮、燃烧过渡部等等。导叶插入件可以被固定到中空导叶翼型的内表面以便促进导叶的冷却。

参考图2，以静止涡轮机导叶30的形式示出了燃气涡轮发动机的涡轮机部件。导叶30包括具有主体35的细长翼型，该主体35具有外壁34和内壁33（图3）。导叶30也可以包括在导叶30的第一端部处的外护罩39和在导叶30的第二端部处的内护罩38（也被称为平台）。导叶30可以被构造成在燃气涡轮发动机中使用。导叶的主体35可以限定一个或更多个中空凹穴37以允许冷却流体在其中流动通过来冷却导叶30。根据实施例，所图示的导叶30包括导叶插入件40。为了便于描述，可以意识到，虽然在此使用单数的术语“插入件”，但是术语“插入件”可以指代一个或更多个插入件。如所图示，插入件40可以被插入到在导叶30的内部的中空凹穴37中。在图2中所图示的实施例中，薄膜10将被附接到导叶30的内壁33。在替代性实施例中，薄片10可以横跨导叶的内壁33经由钎焊被附接到导叶插入件40的外表面。

图3示出了图2中所示的导叶的翼型35的横截面。如所示，翼型35的主体包括外壁34和内壁33。两个中空凹穴37被示出为在导叶的内部中由肋41隔开。导叶插入件40可以如所示地被插入到这些中空凹穴37中。图3也描绘了薄膜10在导叶30和插入件40之间被附接到导叶30的内壁33的表面。薄膜10可以经由钎焊材料被附接到内壁33。在所示实施例中，薄膜10顺应导叶的弯曲内壁33的表面。被包含到薄膜10上的传热特征件20被描绘为从薄膜10的表面延伸到中空凹穴37的内部中的各种高度的尖状物。在涡轮机操作期间，流动通过中空凹穴37的空气被传热特征件20引导到导叶30的外部以便改善导叶30的传热。

在实施例中，薄膜10可以是可以被形成为片的任何材料。在另一实施例中，薄膜10可以是与冷却的涡轮机部件（诸如涡轮机叶片或者导叶）的材料相同的材料或类似的材料。冷却的涡轮机部件可以由超合金或镍基合金形成，诸如CM 247、IN939、IN617、IN735、IN718、IN625、Haynes282、Haynes230、Hast-X和Hast-W。更一般地，能够被钎焊的任何材料可以被用于冷却的涡轮机部件。因此，通过将传热特征件20钎焊到要被冷却的涡轮机部件30、40上，用于传热特征件20的材料的类型可以根据传热特征件20的热传导性而变化。

在实施例中，包括要被连结的母材和填料材料二者的钎焊混合物可以包括高熔点母材与低熔点成分的比率。可以使用的一些低熔点成分是Amdry™775、Co22、Co33、Bf4B和BRB。高熔点母材比低熔点成分的值可以从10/90（wt.%）混合物变化到且包括90/10（wt.%）混合物。高熔点母材比低熔点成分的值可以从10/90（wt.%）混合物变化到且包括90/10（wt.%）混合物。

在实施例中，薄膜10可以通过各种工艺形成，包括将传热特征件20熔接在材料片上、增材制造、轧制、冲压、机加工、水喷射、激光加工、常规机加工和非常规机加工（EDM、ECM）以及铸造具有包含特征的薄膜10。

参考图1至图3，还提供了用于冷却涡轮机部件30、40的方法。方法包括提供具有如上所述的部件表面的涡轮机部件30、40的步骤。包括传热特征件20的薄膜10经由钎焊工艺被钎焊到涡轮机部件表面上。当涡轮机部件30、40暴露于热气流时，传热特征件20捕获在燃气涡轮机操作期间产生的热，由此冷却涡轮机部件30、40。

除了提出的如上所述优化包括传热特征件20的薄膜10的手段之外，传热特征件20可以根据热气流的速度和在涡轮机部件30、40周围的热气流的温度被优化。

在实施例中，提出的方法可以被利用于加装现有的已安装的涡轮机部件30、40。例如，为了将传热特征件20添加到已经被安装在燃气涡轮机中的涡轮机部件30、40，部件30、40可以仅需要被移除并且在涡轮机部件上执行所述方法以便通过添加针对具体涡轮机部件和在涡轮机操作期间涡轮机部件将暴露于的特定操作条件被优化的传热特征件来增强涡轮机部件。

在另一实施例中，提出的方法可以被用于使用具有不同于当前薄片的传热特征件20的另一薄片来替换涡轮机部件30、40上的当前的钎焊薄片10。这种替换可以通过首先移除当前的钎焊薄片10来实现。移除当前的钎焊薄片10可以需要热处理钎焊薄片10，其中钎料熔化而薄片材料不熔化。所选择的热处理将基于所使用的具体填料材料和部件材料。热处理的温度将高于原始钎焊温度。薄片10然后可以从涡轮机部件30、40被移除。然后具有不同传热特征件20的另一钎焊薄片10可以根据提出的方法被钎焊到涡轮机部件30、40上。

通过针对具体涡轮机部件的冷却要求来优化传热特征件的能力，提出的部件和方法提供了部件的改善的传热能力的优点。因为传热特征件不被永久地铸造到部件中，所以传热特征件可以例如随着冷却要求的改变而改变。另外，在维修期间，现有的部件可以使用钎焊膜来加装。此外，代替铸造，将传热特征件钎焊到涡轮机部件上对于将传热特征件包含到涡轮机部件上是更加廉价的选择。

虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将明显的是，能够在不脱离如在所附权利要求中陈述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，在所述实施例中做出许多修改、添加和删除。

Claims (20)

1.一种在涡轮发动机中的冷却的涡轮机部件，包括：

涡轮机部件30、40，所述涡轮机部件30、40至少在所述涡轮发动机的操作期间需要冷却；

钎焊入的传热特征件20，包括：

薄膜10，所述薄膜10包括被包含到所述膜10的表面中的传热特征件20，所述膜10能够顺应所述冷却的涡轮机部件的表面，

其中，所述膜10经由钎焊材料被附接到所述冷却的涡轮机部件的所述表面。

2.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述传热特征件20针对所述冷却的涡轮机部件的设计及其具体冷却要求被优化。

3.根据权利要求2所述的冷却的涡轮机部件，还包括多个传热特征件20。

4.根据权利要求3所述的冷却的涡轮机部件，其中，传热特征件通过选自由如下各者构成的组的方法被优化：

改变所述传热特征件20的形状，

改变所述传热特征件20的大小，

改变所述多个传热特征件20之间的间距，

改变用于所述传热特征件20的材料的类型，

改变所述传热特征件20在所述冷却的涡轮机部件的表面上的位置，以及

其组合。

5.根据权利要求4所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述传热特征件的形状选自由销、波浪、V形、尖状物、肋和翅片构成的组。

6.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述冷却的涡轮机部件选自由涡轮机叶片、涡轮机导叶30和导叶插入件40构成的组。

7.根据权利要求6所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述冷却的涡轮机部件是导叶插入件40，并且所述膜10经由钎焊材料被附接到所述导叶插入件40的外表面。

8.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机部件，其中，包括所述传热特征件20的所述薄膜10通过选自由如下各者构成的组的工艺而形成：增材制造、熔接、铸造、轧制、冲压、机加工、水喷射和常规机加工、非常规机加工以及激光加工。

9.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述薄膜10的厚度在1毫米至5毫米的范围内。

10.根据权利要求3所述的冷却的涡轮机部件，其中，所述多个传热特征件20在所述膜10的表面上被形成为阵列。

11.一种冷却的涡轮机导叶组件，包括：

在涡轮发动机中的涡轮机导叶30，所述涡轮机导叶30包括细长中空翼型35，所述翼型35包括外壁34和内壁33，所述涡轮机导叶30至少在所述涡轮发动机的操作期间需要冷却；

导叶插入件，所述导叶插入件被插入到所述翼型的中空凹穴中并且被固定到所述内壁，

薄膜10，所述薄膜10包括被包含到所述膜10的表面中的传热特征件20，所述膜10顺应所述涡轮机导叶30的表面，

其中，所述膜10经由钎焊材料被附接到所述冷却的涡轮机导叶的所述表面，并且

其中，所述传热特征件20将空气流引导到所述涡轮机导叶30的外部以便改善从所述涡轮机导叶30的传热。

12.根据权利要求11所述的冷却的涡轮机导叶组件，其中，所述传热特征件20针对所述涡轮机导叶30的设计及其具体冷却要求被优化。

13.根据权利要求11所述的冷却的涡轮机导叶组件，还包括被插入到所述翼型35的中空凹穴37中并且被附接到所述涡轮机导叶30的平台的导叶插入件40，其中，所述膜10经由所述钎焊材料在所述涡轮机导叶30和所述导叶插入件40之间被附接到所述内壁的表面。

14.根据权利要求13所述的冷却的涡轮机导叶组件，其中，所述导叶插入件包括多个孔，所述多个孔引导空气流跨过所述薄膜的所述传热特征件。

15. 一种用于冷却在涡轮发动机中的涡轮机部件30、40的方法，包括：

提供具有部件表面的涡轮机部件30、40；以及

经由钎焊材料将包括传热特征件20的薄膜10钎焊在所述部件表面上，

其中，当所述涡轮机部件30、40暴露于热气流时，所述传热特征件20捕获在涡轮机操作期间产生的热，由此冷却所述涡轮机部件30、40。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括针对所述涡轮机部件30、40的设计及其具体设计要求来优化所述传热特征件20。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，根据热气流的速度和所述涡轮机部件30、40周围的所述热气流的温度来优化所述传热特征件20。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法被执行以将所述薄膜10加装到已安装的涡轮机部件30、40上。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括通过热处理现有的钎焊膜10从所述涡轮机部件30、40移除钎焊膜10，并且经由钎焊使用另一薄膜替换移除的钎焊膜10。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述冷却的涡轮机部件选自由涡轮机叶片、涡轮机导叶30和导叶插入件40构成的组。

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