DE60305100T2 - Verbundene, nichtverstopfende Kühlkreisläufe - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • (1) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein gekoppeltes Mikroleitungsgebilde (linked microcircuit) zur Schaffung von Wärmeableitung und Filmschutz bei sich bewegenden Teilen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikroleitungsgebilde, das dazu konstruiert ist, eine Geometrie zu bilden, die widerstandsfähig ist gegen Verstopfen und das sowohl einfache als auch überlegene Herstellung ermöglicht.
  • (2) Beschreibung des Stands der Technik
  • Als Ergebnis einer Bewegung durch Gas bei hohen Geschwindigkeiten setzen bewegliche Teile, wie z.B. Turbinen, verschiedene Techniken ein, um interne Wärme abzuleiten sowie um einen schützenden Kühlfilm über die Oberfläche des Teils bereitzustellen. Eine solche Technik umfasst die Integration von Kühlkanälen in die Teile, durch die Kühlgas strömen kann, Wärmeenergie absorbiert und austritt, um so einen schützenden Film zu bilden.
  • Mit Bezug auf 1a und 1b ist ein im Stand der Technik bekannter Kühlkanal veranschaulicht. Kühlmittelgas 27 wird durch das Innere eines Teils zirkuliert und tritt als Austrittsgas 28 durch ein Loch 22, das die Teiloberfläche 12 durchdringt, aus. Eine Gasströmung 24 wird über die Teiloberfläche 12 gesogen und ist hierin als sich von links nach rechts über die Teiloberfläche 12 bewegend dargestellt. Die Gasströmung 24 wird im Allgemeinen als Ergebnis der Teilbewegung, häufig in rotierender Weise, durch ein Gas erzeugt. Austrittsgas 28 tritt durch das Loch 22 in einer Richtung aus, die im Wesentlichen normal zu der Teiloberfläche 12 ist. Wenn Austrittsgas 28 aus dem Loch 22 austritt, reagiert es auf die Gasströmung 24 und fährt fort, sich im Allgemeinen in der Richtung zu bewegen, die der Richtung, in der sich die Gasströmung 24 bewegt, entspricht. Als Ergebnis wird Austrittsgas 28 über die Teiloberfläche 12 gesogen und neigt dazu, an dieser eng anzuliegen und einen Film 26 zu bilden.
  • Es ist daher vorteilhaft, die Anordnung von Löchern 22 durch eine Teiloberfläche 12 derart auszulegen, dass der resultierende Film 26, der aus Kühlluft besteht, eine schützende Schicht über dem Teil bildet. Eine im Stand der Technik bekannte Konfiguration ist in 1c veranschaulicht. Eine Mehrzahl von Löchern 22 ist entlang einer Achse 20 angeordnet, wobei sich die Achse 20 im Allgemeinen rechtwinklig zu der Richtung des Gasflusses 24 erstreckt. Jedes Loch hat eine Breite, die gleich einer Ausbruchhöhe 16 ist. Der Zwischenabstand 18 ist als die Distanz entlang der Achse 20 berechnet, die für eine einzelne Wiederholung eines Lochs 22 nötig ist. Daher ist die lineare Abdeckung, die durch ein solches Muster von Löchern möglich ist, gleich der Ausbruchhöhe 16 dividiert durch den Zwischenabstand 18. So, wie sie definiert ist, wächst die Abdeckung an, wenn die Löcher enger zueinander beabstandet sind (der Zwischenabstand abnimmt) oder, wenn ein konstanter Zwischenabstand aufrecht erhalten wird, wenn die Breite der Löcher 22 vergrößert wird (die Ausbruchhöhe 16 vergrößert wird). Es ist daher zu bevorzugen, die Löcher 22 in einem Muster derart zu konfigurieren, dass die Abdeckung maximiert wird. Eine solche Konfiguration sorgt für die größte Abdeckung der Teiloberfläche 12 durch den Film 26.
  • EP-A-1 091 092 offenbart einen Kühlkreislauf 22, der zwischen einem ersten Wandbereich 36 und einem zweiten Wandbereich 38 einer Wand 24 zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine angeordnet ist, aufweisend eine oder mehrere Einlassöffnungen 40, eine oder mehrere Auslassöffnungen 44 und eine Mehrzahl von ersten Sockeln 34, zweiten Sockeln 66 und dritten Sockeln 68, die sich zwischen dem ersten Wandbereich 36 und dem zweiten Wandbereich 38 erstrecken.
  • Zusätzlich zu Kühlkanälen, die durch einfache Löcher gebildet sind, können Mikroleitungsgebilde, die in einem Teil ausgebildet sind, verwendet werden, um die Fähigkeit des Kühlmittelgases, die interne Wärme eines Teils zu absorbieren, zu verbessern.
  • Mikroleitungsgebilde bieten einfache Herstellbarkeit, Anpassbarkeit und hocheffiziente Konvektionskühlung. Zusammen mit hoher Konvektionseffizienz ist hohe Filmeffektivität notwendig für eine verbesserte Kühlkonfiguration. Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Mikroleitungsgebilde 5 veranschaulicht. Mikroleitungsgebilde 5 können maschinenbearbeitet oder in anderer Weise innerhalb eines Teils ausgeformt sein.
  • Wenn eine Mehrzahl von Mikroleitungsgebilden angeordnet ist, um die Oberfläche eines Teils abzudecken, können Änderungen in der Geometrie der Mikroleitungsgebilde-Kanäle bevorzugte Kühleigenschaften zur Folge haben. Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Mehrzahl von Serpentinen-Mikroleitungsgebilden 6 veranschaulicht. Hierin wird "Serpentinen-Mikroleitungsgebilde" im Allgemeinen für ein Mikroleitungsgebilde verwendet, der sich über eine Distanz hin erstreckt durch Hin- und Her-Oszillieren über kurze Distanzen in einer Querbewegung, wobei eine solche Querbewegung im Allgemeinen rechtwinklig zu der Gesamtrichtung der Ausbreitung ist und sich zuerst nach links biegt, dann nach rechts, in einer alternierenden Weise. Um die Abdeckung zu erhöhen, wäre es zu bevorzugen, den Zwischenabstand 18 der Anordnung zu senken. Es würde sich als am stärksten zu bevorzugen erweisen, den Zwischenabstand in einem Maße zu reduzieren, dass benachbarte Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6 einander berühren. Wenn der Zwischenabstand 18 jedoch so reduziert würde, würde der unerwünschte Effekt auftreten, bei dem Kühlmittelgas von einem Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6 sich mit Kühlmittelgas von einem anderen Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6, das sich bei einer anderen Geschwindigkeit bewegt und eine andere Dichte und Temperatur hat, mischen würde. Solche Nicht-Übereinstimmungen von Kühlmittelgas sind das Resultat eines Mischens von Gasströmen, die sich entlang Pfaden variierender Länge und Geometrie bewegt haben.
  • Kühlmittelgas, das an einem Punkt A eintritt, wandert z.B. von rechts nach links durch ein Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6 durch Herumwinden nach links durch den Punkt B, bevor es gerade weiter strömt und sich nach rechts zu dem Punkt D herum windet. Wenn der Zwischenabstand der Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6 so reduziert wird, dass sie sich berühren, kommt der Punkt D' an dem obersten Serpentinen-Mikroleitungsgebilde 6 in Kontakt mit dem Punkt B des benachbarten Serpentinen-Mikroleitungsgebildes 6. Wie beschrieben wurde, hat sich das Kühlmittelgas, das entlang dem Punkt D, und somit dem Punkt D', bewegt, durch mehr Windungen und eine größere Distanz bewegt als das Kühl mittelgas, das den Punkt B passiert. Als Ergebnis unterscheiden sich die Eigenschaften der Gase, die die Punkte B und D' passieren.
  • Es wird daher ein Verfahren benötigt, um ein Mikroleitungsgebilde zu bilden, das aus einer Mehrzahl von sich berührenden oder überlagerten Serpentinen-Mikroleitungsgebilden zusammengesetzt ist und so eine maximale Abdeckung schafft, wobei die Nicht-Übereinstimmung von Kühlmittelgaseigenschaften, die an den Verbindungsstellen der Komponenten-Serpentinen-Mikroleitungsgebilde vorliegen, reduziert ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Mikroleitungsgebildedesign zum Kühlen von Flugzeugteilen bereitzustellen.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verbindungsmikroleitungsgebilde zur Schaffung von Kühlmittelgasströmung durch ein Teil mindestens einen Einlass, durch den ein Kühlmittelgas eintreten kann, einen Leitungsgebilde-Kanal, der sich von dem mindestens einen Einlass erstreckt, durch den das Kühlmittelgas strömen kann, wobei der Leitungsgebilde-Kanal eine Form hat, wie sie aus der Überlagerung einer Mehrzahl von alternierenden Serpentinen-Mikroleitungsgebilden gebildet würde, und mindestens einen Auslass anschließend an den Leitungsgebilde-Kanal, durch den das Kühlmittelgas den Leitungsgebilde-Kanal verlassen kann, wobei der mindestens eine Auslass ein Film-Schlitzloch ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Teil ein Flugzeugteil.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Teils mit verbesserter Kühlströmung die Schritte des Fertigens einer Mehrzahl von Mikroleitungsgebilden unter einer Oberfläche des Teils, wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei die Mikroleitungsgebilde mindestens einen Einlass, durch den ein Kühlmittelgas strömen kann, aufweisen, wobei der Leitungsgebilde-Kanal eine Form hat, wie sie gebildet würde aus der Überlagerung einer Mehrzahl von alternierenden Serpentinen-Leitungsgebilden, und mindestens einen an den Leitungsgebilde-Kanal anschließenden Auslass, durch den das Kühlmittelgas den Leitungsgebilde-Kanal verlassen kann, wobei der mindestens eine Auslass ein Film-Schlitzloch ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlmittelgas vorgesehen, das in den Einlass, durch den Leitungsgebilde-Kanal, der sich von dem mindestens einen Einlass erstreckt, und aus dem Film-Schlitzloch heraus strömt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Teil ein Flugzeugteil.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1(a) Ein Querschnittsdiagramm eines im Stand der Technik bekannten Kühllochs.
  • 1(b) Eine perspektivische Veranschaulichung eines im Stand der Technik bekannten Kühllochs.
  • 1(c) Eine perspektivische Veranschaulichung einer im Stand der Technik bekannten Mehrzahl von Kühllöchern.
  • 2(a) Ein Querschnittsdiagramm eines im Stand der Technik bekannten Mikroleitungsgebildes zur Kühlung.
  • 2(b) Eine perspektivische Veranschaulichung eines im Stand der Technik bekannten Mikroleitungsgebildes zur Kühlung.
  • 3 Eine perspektivische Veranschaulichung eines Serpentinen-Leitungsgebildes, der ein Film-Schlitzloch aufweist.
  • 4 Ein Diagramm einer im Stand der Technik bekannten Mehrzahl von Serpentinen-Leitungsgebilden.
  • 5 Ein Diagramm einer Mehrzahl von alternierenden Serpentinenkreisläufen.
  • 6 Ein Diagramm eines gekoppelten Mikroleitungsgebildes gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
  • Mikroschaltkreise können aus hochschmelzenden Metallformen gebildet werden und in die Teilform vor dem Gießen eingekapselt werden. Einige hochschmelzende Metalle einschließlich Molybdän (Mo) und Wolfram (W) haben Schmelzpunkte, die oberhalb typischer Gießtemperaturen von Nickel-basierten Superlegierungen sind. Diese hochschmelzenden Metalle können in geschmiedeten Dünnblechen oder Formen produziert werden in Größen, die notwendig sind, um Kühlkanäle zu bilden, die charakteristisch für diejenigen sind, die in Turbinen- und Brennkammer-Kühldesigns aufgefunden werden. Insbesondere können solche Mikrokreisläufe in Teile gefertigt werden, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Brennkammerauskleidungen, Turbinenleitschaufeln, Turbinenlaufschaufeln, Turbinen-BOAS, Leitschaufelendwänden und Strömungsprofilkanten. Vorzugsweise sind solche Teile teilweise oder insgesamt aus Nickel-basierten Legierungen oder Kobalt-basierten Legierungen gebildet. Dünne hochschmelzende Metallbleche und Folien besitzen genügend Verformbarkeit, um ein Biegen und Formen in komplexe Formen zu ermöglichen. Die Verformbarkeit führt zu einem robusten Design, das fähig ist, einen Wachs-/Enthülsungszyklus zu überleben.
  • Nach dem Gießen kann das hochschmelzende Metall entfernt werden, z.B. durch chemisches Entfernen, thermisches Auslaugen oder Oxidationsverfahren, wobei ein Hohlraum zurückgelassen wird, der das Mikroleitungsgebilde 5 bildet.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Serpentinenmikroleitungsgebilde 6 veranschaulicht, das ein Film-Schlitzloch 30 aufweist. Ein Film-Schlitzloch 30 bildet eine Öffnung in der Oberfläche des Teils, in das das Serpentinenmikroleitungsgebilde 6 eingearbeitet ist, durch die das Kühlmittelgas austreten kann. Vorzugs weise ist das Film-Schlitzloch 30 aus einer im Allgemeinen linearen Fläche gebildet, die sich entlang einem Teilbereich des Leitungsgebilde-Kanals 29 erstreckt. Weil die Oberflächenfläche des Film-Schlitzlochs 30 größer ist als die Querschnittsfläche des Leitungsgebilde-Kanals 29, ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Kühlmittelgas durch das Film-Schlitzloch 30 bewegt, geringer als diejenige, mit der es sich durch den Leitungsgebilde-Kanal 29 bewegt. Als Ergebnis tritt das austretende Kühlmittelgas bei einer reduzierten Geschwindigkeit aus, was der Vermeidung eines Abrisses (blow-off) förderlich ist. Außerdem erzeugt ein Film-Schlitzloch 30 eine größere Ausbruchhöhe 16, als dies ein Loch mit einem Durchmesser, der etwa gleich demjenigen des Leitungsgebilde-Kanals 29 ist, tun würde.
  • Unter Bezugnahme auf 5 ist eine Ausführungsform einer Mehrzahl von alternierenden Serpentinenmikrokreisläufen 6, die Film-Schlitzlöcher 30 aufweisen, veranschaulicht. Alternierende Serpentinenmikrokreisläufe 6 sind entlang einer Achse 20 derart angeordnet, dass jedes zentrale Serpentinenmikroleitungsgebilde 6 durch zwei Serpentinenmikrokreisläufe 6 begrenzt wird, von denen jeder ein Spiegelbild des zentralen Serpentinenmikroleitungsgebildes 6 ist. Als Ergebnis werden ähnliche Eigenschaften einander überlagert, wenn der Zwischenabstand reduziert werden soll, so dass sich benachbarte Serpentinenmikrokreisläufe 6 berühren. Zum Beispiel ist der Punkt B koinzident mit dem Punkt B'. Der Punkt D ist koinzident mit dem Punkt D'. Aufgrund der Eigenschaft, dass ähnliche Punkte entlang dem Leitungsgebilde-Kanals 29 in einem solchen Schema als koinzident enden, sind die Eigenschaften des Kühlmittelgases, wie sie an irgendeinem solchen Treffpunkt nach dem Durchlaufen durch benachbarte Leitungsgebilde-Kanäle 29 vorliegen, nahezu identisch. Das resultierende Gemisch aus Gasen dringt ohne inakzeptable Missverhältnisse bei der Gastemperatur und dem Gasdruck heraus.
  • Unter Bezugnahme auf 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines gekoppelten Mikroleitungsgebildes 7 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das gekoppelte Mikroleitungsgebilde 7 ist aus der Überlagerung von alternierenden Serpentinenmikrokreisläufen gebildet, wobei der Zwischenabstand der alternierenden Serpentinenmikrokreisläufe so reduziert ist, dass benachbarte alternierende Serpentinenmikrokreisläufe einander berühren. Der Grad, bis zu dem der Zwischenabstand reduziert werden kann, um eine Überlagerung der alternierenden Serpentinenmikrokreisläufe zu bewirken, wenn das gekoppelte Mikroleitungsgebilde 7 erzeugt wird, ist variabel und hängt von den gewünschten Kühlmittelgasströmungseigenschaften ab.
  • Gekoppelte Mikrokreislaufgebilde können verwendet werden, um die Oberfläche eines sich bewegenden Teils, wie z.B. einer Turbine oder eines Strömungsprofils, mit einer Anordnung aus kleinen Kanälen abzudecken. Diese Kanäle können der lokalen Wärmebelastung und den Geometrieerfordernissen des Teils angepasst sein. Die Geometrie der gekoppelten Mikroleitungsgebilde schafft mehrere Vorteile gegenüber getrennten Mikroleitungsgebilden.
  • Gekoppelte Mikroleitungsgebilde reduzieren das Auftreten von Verstopfung. Die Biegungen in den Leitungsgebilde-Kanälen derzeitiger Leitungsgebilde bilden Orte, an denen sich Schmutz anlagert, insbesondere in der rotierenden Umgebung von rotierenden Laufschaufeln. Verbundene Kreisläufe eliminieren solche Biegungen und eliminieren somit die Sorge um solche Anlagerungen.
  • Gekoppelte Mikroleitungsgebilde bieten Vorteile während der Herstellung. Weil die gekoppelten Mikroleitungsgebilde verbunden sind, ist auch der Kernkörper, der verwendet wird, um sie zu erzeugen, verbunden. Diese Verbindung bildet eine steifere Struktur für den Gießprozess, was die Chancen eines Gießerfolgs stark steigert.
  • Es ist ersichtlich, dass in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein verbundenes, herstellbares, nicht-verstopfendes Mikroleitungsgebilde und ein Verfahren zum Einsetzen eines solchen Mikroleitungsgebildes in Teile bereitgestellt wurde, welche die Aufgaben, Mittel und Vorteile, wie sie hierin zuvor ausgeführt wurden, vollständig erfüllen. Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit deren spezifischen Ausführungsform beschrieben wurde, werden andere Alternativen, Modifikationen und Variationen den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten, die die vorangehende Beschreibung gelesen haben, ersichtlich. Es ist demgemäß beabsichtigt, solche Alternativen, Modifikationen und Variationen, wie sie in den weiten Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, zu umfassen.

Claims (4)

  1. Gekoppeltes Mikroleitungsgebilde (7) zur Schaffung einer Kühlmittelgasströmung durch ein Teil, aufweisend: mindestens einen Einlass, durch den ein Kühlmittelgas eintreten kann; einen Leitungsgebilde-Kanal (29), der sich von dem mindestens einen Einlass erstreckt und durch den das Kühlmittelgas strömen kann; und mindestens einen Auslass, der sich an den Leitungsgebilde-Kanal (29) anschließt und durch den das Kühlmittelgas aus dem Leitungsgebilde-Kanal (29) austreten kann, wobei der mindestens eine Auslass ein Film-Schlitzloch (30) ist; wobei das Mikroleitungsgebilde dadurch gekennzeichnet ist, dass der Leitungsgebilde-Kanal (29) eine Form hat, wie sie aus der Überlagerung einer Mehrzahl von alternierenden Serpentinen-Leitungsgebilden gebildet würde; und das Film-Schlitzloch (30) eine Oberfläche hat, die größer ist als die Querschnittsfläche des Leitungsgebilde-Kanals (29).
  2. Gekoppeltes Mikroleitungsgebilde nach Anspruch 1, wobei das Teil eine Brennkammerauskleidung, eine Turbinenleitschaufel, eine Turbinenlaufschaufel, eine Turbinen-BOAS, eine Leitschaufelendwand oder eine Strömungsprofilkante ist.
  3. Gekoppeltes Mikroleitungsgebilde nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Teil aus einem Metall gefertigt ist, das aus der Gruppe bestehend aus Nickel-basierten Legierungen und Kobalt-basierten Legierungen ausgewählt ist.
  4. Verfahren zum Herstellen eines Teils mit verbesserter Kühlströmung, aufweisend die folgenden Schritte: Bringen eines hochschmelzenden Metalls in die Form einer Mehrzahl von Mikroleitungsgebilden (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 unter einer Oberfläche des Teils; Einbringen des hochschmelzenden Metalls in eine Form zum Gießen des Teils; und Entfernen des hochschmelzenden Metalls aus dem Teil nach dem Gießen.
DE60305100T 2002-06-19 2003-06-19 Verbundene, nichtverstopfende Kühlkreisläufe Expired - Lifetime DE60305100T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US176443 2002-06-19
US10/176,443 US6705831B2 (en) 2002-06-19 2002-06-19 Linked, manufacturable, non-plugging microcircuits

Publications (2)

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