用于涡轮机中的部件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于涡轮机中的部件。在一个实施例中，所述部件包括外壁基底，其中所述外壁基底包括内表面和外表面，以及置于所述外表面上的多个平台。形成多个冷却孔，在所述外壁基底的所述内表面与所述外表面之间提供流体通道。每个冷却孔被设置成穿过平台。第一涂覆层沉积在所述外壁基底的所述外表面上。
【专利说明】 用于涡轮机中的部件
【技术领域】
[0001]本实用新型总体上涉及一种用于涡轮机组件的保护涂层高温气体通道部件，确切地说，涉及一种置于高温气体通道部件的外表面上的冷却薄膜孔平台(plateau)。
【背景技术】
[0002]诸如燃气涡轮机等涡轮机的工作流体流动通道中的部件通常需要在运行期间承受高温。这些运行温度可能引起不利的条件。
[0003]已使用多种方法来冷却高温气体通道部件，以延长这些部件的使用寿命。可以使用热障涂层(TBC)涂覆高温气体通道部件，所述涂层能够隔离部件，并且保存承载合金与涂层表面之间存在明显温度差，从而限制结构部件的热暴露。薄膜冷却通常与TBC结合使用。薄膜冷却包括将来自诸如压缩机抽气流等绕过燃烧室的空气注入部件表面中的孔中。温度较低的空气进入高温气体通道，并在高温气体与部件之间形成保温层，从而进一步减少进入到部件中的热通量。
[0004]可以使用多种方法在部件中形成冷却孔，例如，电火花加工。诸如EDM等机械加工方法不利于穿过保护性TBC的机械加工，而此类机械加工广泛应用于许多部件。因此在许多情况下，需要对冷却孔进行手动切割或研磨。
实用新型内容
[0005]本实用新型的第一方面提供一种用于涡轮机中的部件。所述部件包括具有内表面和外表面的外壁基底，以及置于所述外表面上的多个平台。多个冷却孔提供所述外壁基底的内表面与外表面之间的流体通道。所述多个冷却孔中的每个冷却孔被安置成穿过所述多个平台中的一个平台。第一非金属涂覆层置于所述外壁基底的外表面上，其中所述第一涂覆层不覆盖所述多个平台中的每个平台的外表面。
[0006]本实用新型的第二方面提供一种构造用于涡轮机中的部件的方法。所述方法包括形成外壁基底，其中所述外壁基底包括内表面和外表面，以及置于所述外表面上的多个平台。形成多个冷却孔，在所述外壁基底的内表面与外表面之间提供流体通道。每个冷却孔被安置成穿过所述多个平台中的一个平台。将第一非金属涂覆层沉积在所述外壁基底的外表面上。
[0007]阅读以下详细说明可清楚地了解本实用新型的这些和其他方面、优势和显著特征，当与附图结合阅读时，以下说明用于公开本实用新型的实施例，在附图中，类似的零部件用类似的参考符号表示。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是燃气涡轮机系统的简化示意图。
[0009]图2A-B是采用翼片形式的部件的俯视截面图(图2A)，以及根据本实用新型实施例的冷却孔和平台(图2B)的详细截面图。
[0010]图3是根据本实用新型实施例的采用翼片形式的部件的局部截面图。
[0011]图4是根据本实用新型实施例的采用翼片形式的部件的截面图。
[0012]图5是根据本实用新型实施例的采用翼片形式的部件，以及采用侧壁形式的部件的局部透视图。
[0013]图6是根据本实用新型实施例的燃烧室环境中的部件的局部截面图。
[0014]图7是根据本实用新型实施例的采用防护罩形式的部件的局部截面图。
[0015]请注意，本实用新型的附图并不一定按比例绘制。附图仅用于示出本实用新型的典型方面，因此不视作对本实用新型范围的限定。在附图中，类似的数字表示多幅附图中类似的元件。
【具体实施方式】
[0016]下文参考本实用新型与燃气涡轮机系统运行结合时的应用描述了本实用新型的至少一个实施例。尽管本实用新型的实施例参考燃气涡轮机系统进行说明，但应了解，本实用新型的教义等效适用于部件需要承受高温的其他电机，包括其他类型的燃烧系统。此外，下文将参考标称大小来描述本实用新型的至少一个实施例，并且一组标称尺寸。但是，所属领域中的技术人员清楚地了解，本实用新型同样适用于任何合适的涡轮机和/或压缩机。此外，所属领域中的技术人员清楚地了解，本实用新型同样适用于各种尺度的标称大小和/或标称尺寸。
[0017]参见附图，图1示出了简化形式的燃气涡轮机系统10的示意图。系统10可以包括一个或多个压缩机12、燃烧室14、涡轮机16和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮机16可以通过一个或多个轴18连接。轴18可以是单级轴，或者可以由多个彼此相连的轴段构成。
[0018]燃气涡轮机系统10可以包括多个高温气体通道部件。术语“高温气体通道部件”是指系统10的任何部件，所述部件至少部分暴露于系统10中的高温气体流中。例如，轮叶(叶片)组件、喷嘴(轮叶)组件、防护罩部件、过渡连接件、固定环以及燃烧室排气部件均为高温气体通道部件的实例，尽管并不是所有实例。
[0019]图2A-B示出了示例性翼片部件30 (图2A)的俯视截面图，以及冷却孔40的(图2B)的详细插图。如图2A所示，部件30(采用图2A-B、图3和图4中的翼片的形式)包括外壁基底32，所述外壁基底具有内表面34和外表面36。外壁基底32可以由金属制成。根据部件的目标应用，例如，外壁基底32可以是镍基超级合金。
[0020]如图2B所述，多个冷却孔40在外壁基底32的内表面34与外表面36之间提供流体通道。每个冷却孔40被设置成延伸穿过图2B所示的内表面34与外表面36之间的平台38。每个部件30可以包括多达300个或更多个冷却孔40。
[0021]多个平台38或突起特征设置于外表面36上。在多个实施例中，每个平台可以具有约0.0254cm-l.02cm(约0.010英寸至约0.4英寸)的宽度，以及约0.013cm至约
0.178cm(约0.005英寸至约0.070英寸)的高度。平台38可以在部件上以条状分布。在一些实施例中，如图5所示，平台38可以延伸一行冷却孔40的长度，以便单行中的所有冷却孔40均包括在单个平台38内。在其他实施例中，部件30可以包括排列成一行的多个平台38，每个冷却孔40具有自己的平台38。这些实施例中还包括多个不同的实施例，其中平台38所包括的冷却孔40的数量多于一个，但少于整行冷却孔40的数量。在进一步实施例中，冷却孔40和平台38可以按线性行排列，或者可以按照曲线或弧形行排列。曲线或弧形布置可以沿径向、沿轴向，或者沿径向和轴向弯曲，具体取决于部件30的形状及其冷却需求。
[0022]第一涂覆层42可以设置于外壁基底32的外表面36上。第一涂覆层42可以包括非金属材料，特别是陶瓷材料。在一些实施例中，第一涂覆层42可以通过沉积一个或多个非金属材料层来形成。在一些实施例中，可以存在第二涂覆层44，置于第一涂覆层42与外壁基底32的外表面36之间。第二涂覆层可以包括金属粘合层。在一些实施例中，与第一涂覆层42类似，第二涂覆层44可以通过沉积一个或多个金属材料层来形成。还可以存在除第一涂覆层42和第二涂覆层44以外的其他层。总的来说，第一涂覆层42和第二涂覆层44以及其他层用于在外壁基底32上形成热障涂层。在一些实施例中，第一涂覆层42的厚度小于或等于平台38的高度。在进一步实施例中，第一涂覆层42和第二涂覆层44的厚度和小于或等于平台38的高度。因此，第一涂覆层42可以不覆盖多个平台38中的每个平台38的外表面48，如图2B所示。
[0023]转向图3，现在将描述一种构造部件30的方法。
[0024]首先，通过诸如铸造等任何传统方法形成外壁基底32。所述外壁基底包括内表面34和外表面36。外壁基底32可以由诸如镍基超级合金等金属制成。多个平台38设置于外表面36上。例如，平台38可以通过研磨部件30的外表面来形成。在其他实施例中，可铸造包括平台38的部件30。
[0025]转向图4,第一涂覆层42可以沉积在外壁基底32的外表面36上。在一些实施例中，第一涂覆层42包括非金属材料，例如陶瓷。进一步如图4所示，可以形成多个冷却孔40，从而在外壁基底32的内表面34与外表面36之间形成流体通道。每个冷却孔40被设置成穿过平台38。因此，平台38形成于外壁基底32上需要设置冷却孔40的每个位置中。
[0026]在其他实施例中，可以在沉积第一涂覆层42之前，将第二涂覆层44 (图2B)沉积在外壁基底32的外表面36上，以便第二涂覆层44设置于外表面36与第一涂覆层42之间。第二涂覆层44可以包括金属粘合层。第一涂覆层42和第二涂覆层44 一起可以构成外壁基底32上的热障涂层。
[0027]在一些实施例中，可以在沉积第一涂覆层42之后形成冷却孔40。冷却孔40可以使用电火花加工等技术形成。
[0028]如图4所示，第一涂覆层42可以覆盖多个平台38中的每个平台38的外表面48。这可以根据本实用新型多个实施例中的任何实施例来完成。在一个实施例中，第一涂覆层42沉积在外壁基底32的外表面36上，深度小于平台38的高度，以便在沉积第一涂覆层42期间不覆盖每个平台38的上表面48。在另一个实施例中，第一涂覆层42沉积在外壁基底32的外表面36上，深度大于或等于平台38的高度，以便第一涂覆层42覆盖平台38的上表面48。第一涂覆层42随后可以从每个平台38的上表面48移除。所述移除可以通过研磨或其他方法实现。在另一实施例中，在沉积第一涂覆层42之前可以在每个平台38的上表面48上设置盖或罩。沉积第一涂覆层42之后，可以将所述盖或罩移除，露出上表面48。在任意上述实施例中，结果均为平台38的上表面48不被第一涂覆层42覆盖。在存在第二涂覆层44的实施例中，上表面48也可以不被第二涂覆层44覆盖，如图2B所示。
[0029]上文参考图2A-B所述的所得部件30随后可以用于涡轮机现场中。在多个实施例中，部件30可以是以下项中的一项:轮叶的翼片部分(图2A-B)、喷嘴(未图示)、过渡连接件(未图示)、固定环(未图示)、侧壁50 (图5)、燃烧室排气部件60 (图6)，或者防护罩(图 7)。
[0030]在任意这些情况下，在运行期间，部件30可能承受高温，这可能导致第一涂覆层42在外壁基底32和部件30的其他部分之前达到使用寿命终点。可以将部件30从所在的涡轮机中移除，并从部件30中剥除第一涂覆层42和第二涂覆层44(如有)。随后，可以将第一涂覆层42，或者第一涂覆层42和第二涂覆层44 一起如上所述重新沉积外壁基底32上，使每个平台38的上表面48不被第一涂覆层42覆盖。随后，可以将部件30重新用于现场的另一使用期间中。
[0031]本说明书中所述的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分不同的元件，并且本说明书中的术语“一个”和“一种”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所提及的项目。与数量一起使用的修饰词“约”包括所说明的值，并且具有上下文所指示的意义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。本说明书中所用的复数后缀表示包括单数和复数的所修饰术语，因此包括一个或多个该术语(例如，金属(多个金属)包括一个或多个金属)。本说明书中所述的范围包括范围边界，并且可以独立组合(例如，范围“不超过约25mm,或者，更确切地，约5mm至约20mm”包括范围“约5mm至约25mm”的端点以及所有中间值等)。
[0032]尽管本说明书中描述了多个实施例，但从说明书中应了解，所属领域中的技术人员可以对其中的元件进行各种组合、变化或改进，这些组合、变化或改进在本实用新型的范围内。此外，可以在不脱离本实用新型基本范围的情况下做出许多修改，以使特殊情况或材料适用于本实用新型的教义。因此，本实用新型并不限于作为实施本实用新型的最佳模式公开的特定实施例，本实用新型将包括落在随附权利要求书范围内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种用于涡轮机中的部件，所述部件包括: 外壁基底，所述外壁基底具有内表面和外表面； 设置于所述外表面上的至少一个平台； 多个冷却孔，所述多个冷却孔在所述外壁基底的所述内表面与所述外表面之间提供流体通道，所述多个冷却孔中的每个冷却孔被设置成穿过所述至少一个平台中的一个平台；以及 设置于所述外壁基底的所述外表面上的第一涂覆层，其中所述第一涂覆层是非金属的， 其中所述第一涂覆层不覆盖所述多个平台中的每个平台的外表面。
2.根据权利要求1所述的部件，进一步包括第二涂覆层，所述第二涂覆层设置于所述第一涂覆层与所述外壁基底的所述外表面之间。
3.根据权利要求2所述的部件，其中所述第二涂覆层包括至少一个金属粘合层。
4.根据权利要求1所述的部件，其中所述第一涂覆层所用的材料可以包括陶瓷。
5.根据权利要求1所述的部件，其中所述外壁基底所用的材料可以是金属。
6.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件包括以下其中一项:轮叶、防护罩、喷嘴、过渡连接件、固定环、侧壁，或者燃烧室排气部件。
7.根据权利要求1所述的部件，其中每个平台具有0.0254cm至1.02cm的宽度，以及.0.013cm 至 0.178cm 的高度。
【文档编号】F01D5/08GK203856518SQ201320635890
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2012年10月15日
【发明者】I.塞泽尔, G.M.伊策尔 申请人:通用电气公司