CN113272521A - 用于流式发动机的可冷却部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于流式发动机的可冷却部件，该可冷却部件提供改进的冷却。此外，本发明涉及一种包含这种可冷却部件的流式发动机。此外，本发明涉及一种生产这种可冷却部件的方法。另外，本发明涉及这种可冷却部件用于替换现有可冷却部件的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于流式发动机(streaming engine)的可冷却部件，从而对可冷却部件的外表面提供更具体和有益的冷却。此外，本发明涉及包含这种可冷却部件的流式发动机。另外，本发明涉及一种生产这种可冷却部件的方法。此外，本发明涉及可冷却部件用于流式发动机、优选地用于燃气轮机和蒸汽轮机的用途。
背景技术
用于流式发动机的可冷却部件(如叶片)是本领域技术人员已知的。此外，生产这种可冷却部件的方法(如增材制造)是已知的。这种可冷却部件可以用于例如燃气轮机、蒸汽轮机和飞行器涡轮机。
从DE 10 2009 048 665 A1已知使用增材制造技术制造提供冷却系统的涡轮叶片。在此，生产提供3维网格的涡轮叶片，其中所述网格填充涡轮叶片的内部。所述内部被外壁包围，外壁提供将内部与涡轮叶片的外部连接的孔。以这种方式，来自涡轮叶片内部的冷却空气可以另外在外部提供膜冷却效果。
US 2008290215 A1公开了使用增材制造技术生产的叶片的内部设置有由加强件制成的稳定结构。调适它们的布局允许使用尽可能少的材料提供叶片的最大加强。
WO 2008/046386 A1公开了使用增材制造技术生产叶片，叶片在其内部整体包括加强结构。在此，叶片的外壁以及内部结构使用叶片的CAD模型例如使用选择性激光熔化来逐层构建。
发明内容
本发明的目的是提供一种尤其是用于燃气轮机和飞行器涡轮机的改进的可冷却部件。另外，本发明的目的是提供一种用于生产这种可冷却部件的方法。此外，本发明的目的是提供本发明的可冷却部件的用途。这些目的和上文未明确陈述的其他目的由本文公开的本发明以及下文公开的其具体实施例解决。
根据一方面，本发明涉及一种用于涡轮装置的可冷却部件，其中，可冷却部件包括提供外表面的外壁，该外表面适于与在流式发动机中使用的热流体(如热气流)接触或适于涂覆有涂层(如TBC层)，涂层适于与热流体接触，其中，外表面至少部分地弯曲，其中，可冷却部件包括位于外壁内的至少一个冷却通道，该冷却通道适于在流式发动机操作期间引导冷却流体穿过所述至少一个冷却通道以冷却外壁，其中，至少一个冷却通道适于提供外表面的对流冷却，其中，外表面的至少13％位于至少一个冷却通道的上方并在外表面和至少一个冷却通道之间提供距离，所述距离是沿着垂直于外表面的直线测量的外壁的总厚度的至少7％并且为至少0.2mm、更优选地至少0.3mm、更加优选地至少0.33mm，并且其中，外表面的至少60％提供到至少一个冷却通道的距离为至多3mm、更优选地至多2.3mm、更加优选地至多2mm。通常，优选的是，外表面的至少24％、更优选地至少29％、更加优选地至少32％位于所述冷却通道的上方。
这种可冷却部件提供了柔性冷却系统，其能够适用于对应部件的特定用途。使用外壁的限定在外壁内的通道系统提供了非常可靠的系统，以使可冷却部件的冷却适应特定用途的特定要求，尤其是在燃气轮机或飞行器涡轮机中、优选地在燃气轮机中。在本文中，可以根据规划使用来计算涡轮机的限定部分中特定用途所需的冷却。然而，注意到，实现这种冷却系统带来特定的挑战。例如，注意到，这种冷却的长期使用的可靠性成为重大挑战。令人惊讶地，通过调整冷却通道的布局以提供到与例如燃气轮机内部的热气流接触的外表面的一定距离来解决所述可靠性问题。令人惊讶地，注意到，距外表面的距离的下限可以在不涉及用于这种可冷却部件的特定材料的情况下被指定。虽然不应理解为限制本发明，但理论上，用于这种部件的耐性较差的材料需要较厚的外壁，同时外壁应尽可能保持薄，从而使得一定比率可转用并且允许本领域技术人员容易地调整特定设计以满足要求。然而，一定的最小绝对厚度也被证明是有益的。看起来，结合单个弱点的破坏性影响所要求的高可靠性产生这种绝对下限的明显益处。同时，为了提供高效和可靠的冷却，还需要确保外表面区域内通道的限定分布。注意到，这些特征的组合协同地提供了极大改进的冷却而不影响可冷却部件基于例如机械应力和/或氧化过程的耐用性。事实上，基于可以根据对应部件的特定要求及其使用而定制的高度可靠的冷却，长期稳定性似乎也被改进。
根据另一方面，本发明涉及一种包含本发明的可冷却部件的流式发动机，优选地为燃气轮机。
根据另一方面，本发明涉及一种生产本发明的可冷却部件的方法，该方法包括提供外壁的步骤，该外壁在其内部至少包括冷却通道。
根据另一方面，本发明涉及本发明的可冷却部件在流式发动机、更优选地燃气轮机中的用途。这种系统通常极大地受益于本发明的可冷却部件。
根据另一方面，本发明涉及本发明的可冷却部件在流式发动机中作为不同的可冷却部件或使用过的可冷却部件的替换物的用途。
附图说明
图1：作为涡轮叶片的本发明的可冷却部件的半透明示意性侧视图。
图2：如图1所示的本发明的涡轮叶片的示意性截面的切口。
图3a、图3b和图3c：本发明的不同可冷却部件的半透明示意性侧视图。
图4：本发明的替代可冷却部件的示意性截面的切口。
图5：本发明的另一替代可冷却部件的示意性截面的切口。
具体实施方式
根据一方面，本发明涉及上述可冷却部件。
如本文所用，术语“TBC层”是指优选地至少基本上由陶瓷材料组成的热障涂层。这种层在流式发动机的使用期间增加了对可冷却部件外部的热流体的耐性，并且允许使用更高的温度和/或提供可冷却部件的更高寿命。本发明的可冷却部件尤其适用于与这种TBC层一起使用。令人惊讶地，呈现出的是，放置在本发明的可冷却部件上的TBC层提供了特别高的寿命。认为的是，本发明的可冷却部件提供更均匀的冷却，使得TBC层的热应力减小。
在本文中，这种TBC层可以直接施加到外表面上。然而，对于某些应用，还可以优选的是在TBC层和外表面之间引入中间层以例如增加TBC层与外表面的结合。对于典型应用，这种简单的涂层结构提供了非常有益的结果。
本文涉及的部件可以特别地涉及蒸汽轮机或燃气轮机部件，诸如叶片、轮叶、护罩、隔热罩、末端、部段、插入件、喷射器、密封件、过渡件、燃烧器、喷嘴、过滤器、孔口、衬里、分配器、圆顶、增压器、锥体、喷枪、板、谐振器、活塞或任何对应的改装套件。
本发明的对流冷却可以与其他类型的冷却(如膜冷却或冲击冷却)相组合，以进一步使可冷却部件适应包含所述可冷却部件的装置的特定需要。在本文中，增材制造被证明是特别有用的，因为每个可冷却部件的冷却可以特定适应对应的要求。优化每个特定类型的可冷却部件的冷却允许在更高的温度下使用该装置，从而在包含所述部件的装置没有停机时间的情况下提供例如更高的效率或更长的使用。
此外，注意到，通常优选的是使用更多数量的较小冷却通道来提供所需的冷却。在本发明的其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道在垂直于所述至少一个冷却通道的方向的截面中提供表面积，该表面积是t2的至多120％、更优选地至多90％、更加优选地至多70％、更加优选地至多65％，其中t是垂直于外表面测量的外壁的平均厚度。在本文中，术语“外壁的平均厚度”是指沿着垂直于外表面的截面中的穿过至少一个冷却通道的线测量的外壁的厚度的算术平均值。
如本文所用，短语“至少一个冷却通道的方向”是指至少一个冷却通道适于被冷却流体流过的总体方向。例如，在这种背景下，湍流自然不是这种总体方向的一部分。
另外，注意到，通常优选的是，冷却通道提供最小厚度。尤其注意的是，太细的冷却通道有增加堵塞的风险。在其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道在垂直于所述至少一个冷却通道的方向的截面中提供表面积，该表面积是t2的至少20％、更优选地至少30％、更加优选地至少35％，其中t是垂直于外表面测量的外壁的平均厚度。
尽管使用生产工艺(如增材制造)允许实现非常复杂的结构，但注意到，冷却流体流通常有益地以距外表面相当规则的距离而被引导穿过外壁的内部。在其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道适于提供基本平行于外表面的冷却流体流动。优选地，外表面与至少一个冷却通道的至少70％、更优选地至少80％、更加优选地至少85％之间的最短距离与垂直于外表面测量的在外表面和冷却通道之间的平均距离的偏差小于10％、更优选地小于8％。
此外，注意到，通常有益的是冷却通道提供至少一定长度。认为的是，由此获得的有益结果例如来自于与短通道(例如与膜冷却孔一样非常快地结束)相比更规则的冷却流体流动。在其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道中的每个冷却通道提供垂直于外表面测量的外壁的平均厚度的至少5倍、更优选地至少7倍的长度。优选地，冷却通道的上述长度提供基本平行于外表面的冷却流体流动。
还注意到，本发明的冷却通道有益地位于外表面的更大百分比的下方。在其他实施例中，优选的是，外表面的至少17％、更优选地至少22％、更加优选地至少27％位于至少一个冷却通道的上方。在本文中，本文所用的短语“外表面位于至少一个冷却通道的上方”的意思是，对应外表面和至少一个冷却通道的内部可以被垂直于对应外表面的直线连接。
为了提供所需的防破损保护，通常有益的是，在至少一个冷却通道和外表面之间至少在外表面的很大百分比上提供通常的最小距离。在其他实施例中，特别优选的是，外表面的至少19％、更优选地至少17％、更加优选地至少22％、最优选地至多27％位于至少一个冷却通道的上方，并且在外表面和至少一个冷却通道之间提供的距离是沿着垂直于外表面的直线测量的外壁的总厚度的至少10％、更优选地至少12％、更加优选地至少14％。此外，通常优选的是，上述距离为至少0.3mm、更优选地至少0.33mm、更加优选地至少0.35mm。
为了进一步降低外表面破裂开口的风险，通常优选的是，位于至少一个冷却通道的上方的外表面的至多5％、更优选地至多2％、更加优选地1％在外表面和至少一个冷却通道之间提供的距离是沿着垂直于外表面的直线测量的外壁的总厚度的至多3％。通常，优选的是，外表面的上述百分比参照至少一个冷却通道，其中上述距离为至多5％，更加优选地至多7％。
此外，注意到，通常有益的是，将冷却液体的冷却对流流动保持在距待冷却的外表面一定距离内。在其他实施例中，外表面的至少13％、更优选地至少17％、更加优选地至少22％、最优选地至少27％位于至少一个冷却通道的上方，并且在外表面和至少一个冷却通道之间提供的距离为至多3mm并且是沿着垂直于外表面的直线测量的外壁的总厚度的至多35％、更优选地至多29％、更加优选地至多25％。通常，优选的是，上述固定上限为至多2.3mm、更优选地至多1.9mm、更加优选地至多1.6mm。
可以如上所述进行有益修改的可冷却部件的示例选自涡轮叶片(如导向叶片或转子叶片)或在例如流式发动机的涡轮叶片区域或燃烧室中使用的隔热罩。这种涡轮叶片可以例如在流式发动机的涡轮部分或压缩机部分中使用。这种隔热罩可以例如在流式发动机的压缩机部分或涡轮部分或燃烧室中使用。
本发明的冷却系统被证明对于提供外表面的较大部分的曲率的可冷却部件特别有用。优选地，外表面的至少50％、更优选地至少70％、更加优选地至少80％是弯曲的。本发明的系统沿着这种弯曲的外表面提供了非常明确且可计算的冷却流体流动，从而允许可冷却部件的改进的冷却和更高的可靠性。
此外，注意到，大部分外表面到至少一个冷却通道的距离的指定上限对于许多应用有益地进一步减小。因此，在其他实施例中，优选的是，外表面的至少60％提供到至少一个冷却通道的至多1.8mm、更优选地至多1.55mm、更加优选地至多1.35mm的距离。对于可冷却部件(如叶片)，通常优选的是，上述距离为至多1.05mm、更优选地至多0.9mm。尤其是，对于在使用期间提供高热应变的可冷却部件，通常优选的是，对于外表面的至少70％、更优选地至少85％、更加优选地至少95％，满足关于距离的上述要求。
另外，注意到，冷却通道可以有益地适于提供外表面的非均匀冷却。在其他实施例中，优选的是，例如使用变化的间距、在垂直于冷却液体流动方向的截面中的变化形式、冷却通道的不同长度或它们的组合对冷却通道进行调适以提供可冷却部件的外表面的非均匀冷却。例如，在冷却通道之间提供变化的间距提供了非常简单和可靠的方式来提供这种非均匀冷却，这也可以与其他设计(如前面提到的设计)进一步组合。优选地，可冷却部件提供至少3个、更优选地至少5个、更加优选地至少7个冷却通道，这些冷却通道提供变化的间距。包括这种基于规划冷却效果的冷却结构允许例如以单一限定的压力和温度在一个点引入冷却液体，并且仍然实现适于基于可冷却部件的规划使用的所需冷却的外表面的非均匀冷却。注意到，在规划特定冷却时所需的工作很容易被例如在使用期间简化地提供冷却介质所抵消。
本发明的可冷却部件的冷却通道可以提供垂直于冷却通道方向的截面的不同形状。例如，它们沿着冷却通道方向的不同截面可以是基本圆形、半圆形、矩形、三角形、椭圆形、菱形、不规则形或它们的组合。
冷却通道的入口侧优选地提供适于保持污染物(如颗粒)的保护结构。例如，这种保护结构可以是遮盖冷却通道的入口侧的筛子，以防止这种污染物进入冷却通道而导致冷却通道的可能堵塞。
通常，进一步优选的是，可冷却部件提供壳状结构，该壳状结构提供外壁和由外壁界定的内部腔室。使用这种壳状结构减小了可冷却部件的重量，这对于某些应用是有益的。在本文中，通常优选的是，内部腔室提供至少一个支撑结构以增加可冷却部件的稳定性。例如，这种支撑结构可以是一个或多个支撑杆，这些支撑杆从外壁的内部延伸穿过内部腔室到达外壁的内部的位于涡轮叶片内的另一部分，涡轮叶片提供被外壁包围的内部腔室。此外，支撑结构可以是填充从外壁延伸的内部腔室的网格结构。
通常，优选的是，可冷却部件提供某个尺寸下限以能够引入更复杂和高效的冷却结构。在其他实施例中，优选的是，可冷却部件具有至少7cm的深度、至少11cm的宽度和至少13cm的高度，更优选地具有至少10cm的深度、至少15cm的宽度和至少20cm的高度。
此外，注意到，对于许多应用有益的是，相同的冷却空气首先用于冷却通道内部的对流冷却，然后至少部分地、优选地完全用于膜冷却。尽管这种布局需要对布局进行更详细的规划，但它通常极大地简化了提供两种冷却类型的可冷却部件的冷空气供给，因为它只需要单个入口。在本发明的其他实施例中，因此优选的是，可冷却部件适于提供冷却液体流动，首先流过冷却通道以提供对流冷却，然后流过膜孔提供膜冷却。
然而，也可以优选的是，将膜冷却与内部对流冷却分开以提供可以根据具体需要进行控制的冷却。因此，在本发明的其他实施例中，优选的是，膜孔的至少一部分(如至少50％、更加优选地至少70％)未连接到本发明的冷却通道。
根据另一方面，本发明涉及一种制造本发明的可冷却部件的方法，该方法包括提供外壁的步骤，该外壁在其内部至少包括冷却通道。
尤其有益的是使用柔性制造方法，从而提供实现可冷却部件外部和内部的非常复杂的形状的可能性。因此，根据本发明的其他实施例，优选的是，制造本发明的可冷却部件的方法包括增材制造。注意到，尤其是3D打印方法对实现本发明非常有益。通常，尤其优选的是使用增材制造来生产完整的可冷却部件。在本文中，自然不包括后续处理步骤(如应用热障涂层)。这种增材制造方法的示例包括选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)和粘结剂喷射。自然地，可以采用其他增材制造方法或前述方法的具体变型。
在本文中，使用基于激光的增材制造方法通常提供特别有用的结果，因为此类方法被很好地建立并允许加工具有耐高温性的材料(如镍超合金)。注意到，通过利用本发明对于耐高温合金(如尤其是镍超合金)获得的益处是令人惊讶地大。认为的是，这来自于这种材料的高可靠性和耐性。这允许利用这种改进的设计并且尤其是优选实施例，尽管在将这种设计转移到工业制造过程中时观察到典型偏差。这再次允许基于如本文公开的本发明针对具体应用最佳地定制细节以提供非常明显的益处。尤其是镍超合金非常适合实现本发明的设计，从而产生容易优化的可冷却部件而可靠地提供所述益处。
此外，注意到，先进的冷却设计通常可以通过包括冷却流体的特定流动方向来进一步改进。因此，在其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道适于在流式发动机的操作期间提供冷却流体穿过至少一个冷却通道的相邻部分的逆向流动。
此外，注意到，这种逆向流动可以有益地用于使冷却流体的温度梯度正常化以提供外表面的更均匀冷却。因此，根据其他实施例，优选的是，至少一个冷却通道提供多个层，这些层提供到外表面的不同距离，其中，至少一个冷却通道的提供冷却流体的逆向流动的相邻部分的至少一部分位于不同的层中。例如，它可以是首先在一个方向上进入更深的层、然后改变上述方向来冷却外表面的一个冷却通道。因此，已经失去其部分冷却的冷却流体被下文的逆向流动进一步冷却，使冷却效果正常化。
然而，还有益的是，在至少一个冷却通道的位于外表面中的相邻部分之间提供冷却流体的这种逆向流动。在其他实施例中，优选的是，至少一个冷却通道的相邻部分至少部分地位于外表面附近。通常，优选的是，至少一个冷却通道的提供冷却流体的逆向流动的相邻部分的至少60％、更优选地至少75％、更加优选地至少85％位于外表面附近。如本文所用的术语“外表面附近的冷却通道”的意思是，在这种冷却通道和外表面之间不存在其他冷却通道。
根据其他实施例，优选的是，至少一个冷却通道提供多个层，这些层提供到外表面的不同距离，其中，至少一个冷却通道的提供冷却流体的逆向流动的相邻部分的至少一部分位于不同层中，并且至少一个冷却通道的相邻部分至少部分位于外表面附近。包括这种混合结构允许非常简单的设计以提供限定区域的非常均匀的冷却。令人惊讶地注意到，提供这种更均匀的冷却尤其是在启动期间和尤其易产生应力的使用阶段大大减小了部件上的应力。
对于某些部件和应用，注意到，有益的是基于对大部分外表面的本发明的逆向流动提供外表面的非常均匀的冷却。例如，在许多情况下，有益的是至少在流式发动机的某些位置为隔热罩提供这种冷却。在其他实施例中，优选的是，位于至少一个冷却通道的适于提供冷却流体的逆向流动的相邻部分的上方的外表面的至少90％、更优选地至少92％、更加优选地至少95％提供外表面到至少一个冷却通道的垂直于外表面测量的距离为至多2.7mm、更优选地至多2.5mm、更加优选地至多2.2mm。
对于典型应用，有益的是提供从特定范围选择的间距以及距外表面的距离以提供针对高应力应用(例如流式发动机中使用的叶片等部件)的优化结果。在其他实施例中，优选的是，基于至少一个冷却通道的相邻部分的长度，至少一个冷却通道的适于提供冷却流体的逆向流动并且在外表面附近的相邻部分的至少85％提供选自1.0mm至5.0mm、更优选地1.4mm至3.4mm、更加优选地1.5mm至3.0mm的范围的间距以及至少一个冷却通道和外表面之间的选自0.35mm至2.3mm、更优选地0.45mm至1.9mm、更加优选地0.5mm至1.5mm的范围的距离。通常，优选的是，上述范围适用于至少一个冷却通道的适于提供冷却流体的逆向流动并且在外表面附近的相邻部分的至少90％、更优选地93％、更加优选地95％。
根据另一方面，本发明涉及一种包含本发明的可冷却部件的流式发动机。可以包含本发明的可冷却部件的优选流式发动机是燃气轮机。在本文中，尤其优选的是，所述装置包含作为本发明的可冷却部件的在燃烧室或涡轮区段中使用的至少一个隔热罩和/或至少一个叶片(如导向叶片或转子叶片)。通常，尤其优选的是，流式发动机的至少一个叶片级的转子叶片或导向叶片的至少80％是本发明的可冷却部件。通常，尤其优选的是，转子叶片和/或导向叶片的至少30％、更优选地至少50％是本发明的可冷却部件。
根据另一方面，本发明涉及一种升级或维修流式发动机的方法，该方法包括将至少一个本发明的可冷却部件引入到流式发动机中的步骤，优选地，其中不同的或使用过的可冷却部件被至少一个本发明的可冷却部件替换。这种不同的可冷却部件与本发明的可冷却部件的不同之处通常在于其冷却方法。例如，可以仅使用冲击冷却和膜冷却的组合或更简单类型的对流冷却。这也可能产生不同的外表面，但是通常优选的是，本发明的可冷却部件的外表面和被替换的不同部件的外表面基本相同。通过这种方式，可以实现现有系统的升级，而不会影响例如穿过燃气轮机的热流体(如热气体)流。本发明的可冷却部件自然也可以用于在维修或大检修期间替换用过的可冷却部件。本发明的可冷却部件显示出非常可靠的结果并且有益地用于操作方案中，该操作方案基于估计的寿命提供规划维修间隔，以提供最大化的操作时间而没有在使用期间部件损坏的风险。本发明还涉及一种在流式发动机中更换可冷却部件(如使用过的可冷却部件)的方法，其中，可冷却部件通过被本发明的可冷却部件替换而升级或维修。
本发明的可冷却部件也可以是翻新(refurbish)部件。例如，本发明的可冷却部件可以是被检查、可选地去涂层、修复、可选地再次涂覆并引入到相同或另一个流式发动机中的使用过的部件。尽管在本发明的可冷却部件的外壁内有大量的空腔，但特定的设计允许减少甚至避免了使得不可修复部件需要被新部件替换的重大损坏。因此，明显更易碎的结构仍提供所需的稳定性和耐用性，以实现部件的长期使用，仅需要典型的翻新步骤以允许进一步使用。
根据另一方面，本发明涉及本发明的可冷却部件在流式发动机、更优选地燃气轮机中的用途。
根据另一方面，本发明涉及本发明的可冷却部件在流式发动机中作为不同的或使用过的可冷却部件的替换物的用途。注意到，改进的冷却与本发明的可冷却部件的高可靠性相结合的益处使得它们特别适合于这种目的。
为了说明本发明，在下文中描述了进一步的细节。在本文中，所公开的具体实施例仅代表优选实施例，这些优选实施例并不限制仅由所附权利要求所指定的保护范围。
图1示出了本发明的可冷却部件1的半透明示意性侧视图，该可冷却部件是涡轮叶片、更具体地是提供至少部分地弯曲的外表面的转子叶片。叶片部分5附接到叶片根部4，叶片部分5和叶片根部4二者提供适于直接或间接接触流式发动机内使用的热流体的外表面2。
在本文中，至少一个冷却通道3的一部分穿过外表面2和施加在外表面2上的涂层是可见的。所述外表面2限制了可冷却部件的外壁。所述涂层适于与热流体接触，热流体是在流式发动机中使用的热气流。
所述冷却通道适于在外表面2附近的外壁内引导冷却流体以提供对流冷却。外表面2的至少13％位于至少一个冷却通道3的上方并且在外表面2和至少一个冷却通道3之间提供距离，该距离是沿着垂直于外表面2的直线测量的外壁的总厚度8的至少7％并且至少为0.2mm。此外，外表面2的至少60％提供到至少一个冷却通道3的距离，该距离为至多3mm。
至少一个冷却通道3在垂直于至少一个冷却通道3的方向的截面中提供表面积，该表面积是t2的至多120％，其中t是垂直于外表面测量的外壁的平均厚度。在本文中，至少一个冷却通道3基本上平行于外表面2定向，从而提供基本上平行于外表面2的冷却流体流动。此外，在如图1所示的本发明示例中，位于至少一个冷却通道3的上方的外表面2的至多5％在外表面2和至少一个冷却通道3之间提供距离，该距离是沿着垂直于外表面2的直线测量的外壁的总厚度的至多3％。
如图1所示的涡轮叶片是使用3D打印制造的。在本文中，包含冷却通道的外壁6构建在基础结构上，其中所述基础结构使用常规铸造工艺生产。
在制造和分析后，如图1所示的涡轮叶片适于替换流式发动机中使用的现有涡轮叶片，从而提供对现有系统的升级。改进的冷却提供了增加流式发动机内使用的温度以进一步提高效率的可能性。
图2示出了如图1所示的本发明的涡轮叶片的外壁6的示意性截面的切口。出于简化的原因，表面被示出为没有曲率的直线。切口基本上垂直于外表面2并且基本上垂直于冷却流体的流动方向。冷却通道3布置为具有基本相同的间距11以及到外表面2的基本相同的距离7。在本文中，与外表面2到内表面10的距离8相比，冷却通道3到外表面2的所述距离7较小。所述外表面2涂覆有由陶瓷材料制成的热障涂层9。
图3a、图3b和图3c示出了本发明的不同可冷却部件的半透明示意性侧视图。在本文中，可冷却部件在外表面2'、2”、2”'下方提供至少一个冷却通道3'、3”、3”'的不同布局。必须注意的是，例如，图3c中的至少一个冷却通道3”'以基本直线的形式示出，但是外壁的曲率自然产生微小偏差。此外，所示通道通常仅是基本平行的，因为弯曲的外壁也使得设计中包括小的改动，从而产生与实际平行布置的小偏差。
在图3a中，所示的至少一个冷却通道3'的一部分以基本平行的曲线的形式布置。所示的至少一个冷却通道的一部分在冷却通道3'之间提供相同的间距11'。与纯直线相比，这种布置通常提供更强烈的热交换。
在图3b中，所示的至少一个冷却通道3”的一部分以提供尖锐弯折的基本平行的直线的形式布置。所述冷却通道3”在所示区域中提供基本相同的间距11”。本发明的此实施例中所示的尖锐弯折提供80°和100°之间的角度。令人惊讶地，这种提供较少层流的布置提供了非常高效的热交换。例如，这种布置被证明对需要被特别良好冷却的可冷却部件的区域是有益的。
在图3c中，所示的至少一个冷却通道3”'的一部分以基本直线的形式布置。对于所示的至少一个冷却通道3”'的一部分，直线被布置为具有基本相同的间距11”'。基于冷却流体穿过至少一个冷却通道的所述部分的均匀层流，至少一个冷却通道3”'被堵塞的可能性很小，这提供了可很好地计算的冷却。
图4示出了本发明的替代可冷却部件的示意性截面的切口。在本文中，所述切口基本上垂直于外表面2””并且基本上垂直于冷却流体穿过至少一个冷却通道3””的流动方向。所述外表面2””提供了热障涂层9””，从而增加了可冷却部件的热稳定性。
在本文中，示出了包含至少一个冷却通道3””的外壁6””的替代布局。更详细地，侧壁相对较薄并且在至少一个冷却通道3””的位置处提供加厚区域。外壁6””的所述加厚部分仅延伸到可冷却部件的内侧，而部件的外侧保持平坦。这在外表面2””和内表面10””之间产生变化的距离8””。同时，间距11””对于图4中所示的冷却通道3””是相同的。
这种布局提供了用更少材料实现本发明的可冷却部件的可能性，从而减小可冷却部件的总重量。例如对于装置(如流式发动机)的可动部件来说，这种减小的重量尤其被关注。例如，提供具有这种布局的转子叶片允许大大减小所述转子叶片的重量，从而减小惯性，并且因此允许包含这种转子叶片的转子的转速更快地改变。
图5另外示出了本发明的替代可冷却部件的示意性截面的切口。在本文中，外壁6””'的外表面2””'不提供涂层。在弯曲的外表面下方，至少一个冷却通道3””'被放置为与外表面具有基本相等的距离7””'。所示的至少一个冷却通道3””'的一部分提供基本相同的间距11””'。
与图2相比，外表面2””'与至少一个冷却通道3””'之间的距离7””'明显小于外表面2””'和外壁6””'的内表面10””'之间的距离8””'。
Claims (15)
1.一种用于流式发动机的可冷却部件(1)，
其中，可冷却部件(1)包括提供外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的外壁(6、6””、6””')，外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')适于与在流式发动机中使用的例如热气流的热流体接触或适于涂覆有涂层(9、9””)，涂层(9、9””)适于与热流体接触，
其中，外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')至少部分地弯曲，
其中，可冷却部件(1)包括位于外壁(6、6””、6””')内部的至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')，所述至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')适于在流式发动机操作期间引导冷却流体穿过所述至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')以冷却外壁(6、6””、6””')，
其中，至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')适于提供外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的对流冷却，
其中，外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的至少13％位于至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')的上方并在外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')和至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')之间提供距离(7、7””、7””')，所述距离是沿着垂直于外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的直线测量的外壁(6、6””、6””')的总厚度(8、8””、8””')的至少7％并且为至少0.2mm，并且
其中，外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的至少60％提供到至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')的至多为3mm的距离。
2.根据权利要求1所述的可冷却部件(1)，其中，所述至少一个冷却通道在垂直于所述至少一个冷却通道的方向的截面中提供表面积，所述表面积是t2的至少20％，其中，t是垂直于外表面测量的外壁的平均厚度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，所述外表面的至少60％提供到所述至少一个冷却通道的至多为0.9mm的距离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，所述至少一个冷却通道提供变化的间距、在垂直于冷却液体流动方向的截面中的变化形式、冷却通道的不同长度、或它们的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，膜孔的至少一部分、如至少50％不连接到本发明的冷却通道。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')在垂直于所述至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')的方向的截面中提供表面积，所述表面积是t2的至多120％，其中，t是垂直于外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')测量的外壁(6、6””、6””')的平均厚度(8、8””、8””')。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')适于提供基本上平行于外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的冷却流体流。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，位于至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')上方的外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的至多5％在外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')和至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')之间提供距离(7、7””、7””')，所述距离(7、7””、7””')为沿着垂直于外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的直线测量的外壁(6、6””、6””')的总厚度(8、8””、8””')的至多3％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的至少13％位于至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')的上方并在外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')和至少一个冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')之间提供距离(7、7””、7””')，所述距离为至多3mm并且是沿着垂直于外表面(2、2'、2”、2”'、2””、2””')的直线测量的外壁(6、6””、6””')的总厚度(8、8””、8””')的至多35％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的可冷却部件(1)，其中，可冷却部件(1)选自涡轮叶片、或用于流式发动机的隔热罩，所述涡轮叶片例如导向叶片或转子叶片。
11.一种流式发动机，包含根据权利要求1至10中任一项所述的可冷却部件(1)。
12.一种制造根据权利要求1至10中任一项所述的可冷却部件(1)的方法，包括提供外壁(6、6””、6””')的步骤，所述外壁(6、6””、6””')在其内部至少包括冷却通道(3、3'、3”、3”'、3””、3””')。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用增材制造来执行提供外壁(6、6””、6””')的步骤。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，在现有基础结构上制造包含冷却通道的外壁(6、6””、6””')，所述现有基础结构是使用优选的常规制造方式单独生产的。
15.根据权利要求1至10中任一项所述的可冷却部件(1)在流式发动机中作为不同的可冷却部件或使用过的可冷却部件的替换物的用途。
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| GR01 | Patent grant | ||
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