制件、构件、和冷却构件的方法与流程

本发明针对制件(article)、构件、和冷却构件的方法。更具体而言，本发明针对冷却制件、包括该冷却制件的构件、和对包括该冷却制件的构件进行冷却的方法。

背景技术：

涡轮系统不断得到修改，以提高效率且降低成本。用于提高涡轮系统效率的一种方法包括提高涡轮系统的操作温度。为了提高温度，涡轮系统必须由可在连续的使用期间耐受此种温度的材料构造。

除了修改构件材料和涂层之外，提高涡轮构件的温度能力的一种通常的方法包括使用冲击冷却。冲击冷却大体上包括将冷却流体引导穿过制件的内部区域内的一个或更多个孔口，冷却流体接触制件的内表面(即，冲击在其上)，这继而冷却该制件。孔口通常形成在插入件(诸如冲击套筒)中，以平行的行或列分布在插入件上。

通常，插入件中的孔口中的每一个将单个流体流朝正被冷却的制件的内表面引导。该单个流体流通常是集中的，使得离开孔口的流体能够在具有用于冲击冷却的足够的速率的情况下到达内表面。然而，集中的流体流还将制件的冷却聚焦于流体流与内表面的接触点。因此，为了冷却整个制件，多个紧密地间隔的孔口形成在插入件中。虽然这些孔口可集中在高热量负载的区域中，但温度梯度仍在流体接触点之间形成在制件中。

技术实现要素：

在实施例中，制件包括：基部部分(base portion)，其布置且配置成定位在构件内；和孔口的布置，其形成在基部部分中，孔口中的每一个延伸穿过基部部分。孔口的布置被布置且配置成提供构件的内表面的无阴影冷却。

在另一个实施例中，构件包括：主体部分，其具有内表面和外表面，内表面限定内部区域；和制件，其定位在内部区域内，制件包括：基部部分；和孔口的布置，其形成在基部部分中，孔口中的每一个延伸穿过基部部分。孔口的布置被布置且配置成提供主体部分的内表面的无阴影冷却。

在另一个实施例中，冷却构件的方法包括：将流体引导到构件的内部区域内的构件中，该内部区域由该构件的主体部分的内表面限定；生成穿过在制件的基部部分中形成的孔口的布置的流体流，孔口中的每一个延伸穿过基部部分；和利用流体流接触主体部分的内表面，内表面的接触提供内表面的无阴影冷却。

本发明的第一技术方案提供了一种制件(300)，包括：基部部分(303)，其布置且配置成定位在构件(100)内；以及孔口(301)的布置，其形成在所述基部部分(303)中，所述孔口(301)中的每一个延伸穿过所述基部部分(303)；其中所述孔口(301)的布置被布置且配置成提供所述构件(100)的内表面(205)的无阴影冷却。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述孔口(301)的布置包括围绕所述基部部分(303)的区段定位的至少两个孔口(301)。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，所述孔口(301)的布置围绕所述基部部分(303)的该区段以基本上环形的定向定位。

本发明的第四技术方案是在第二技术方案中，所述孔口(301)中的至少一个的几何形状与至少一个其他孔口(301)的几何形状不同。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述孔口(301)的布置包括中央孔口(701)和至少两个周围孔口(702)。

本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，所述中央孔口(701)的直径大于所述周围孔口(702)中的每一个的直径。

本发明的第七技术方案是在第五技术方案中，所述周围孔口(702)围绕所述中央孔口(701)同心地定位。

本发明的第八技术方案是在第五技术方案中，所述周围孔口(702)围绕所述中央孔口(701)以基本上环形的定向定位。

本发明的第九技术方案是在第五技术方案中，所述周围孔口(702)以至少两个分开的构造定位，各构造关于所述中央孔口(701)同心。

本发明的第十技术方案是在第五技术方案中，所述周围孔口(702)中的至少一个的几何形状与至少一个其他周围孔口(702)的几何形状不同。

本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，所述孔口(301)的布置包括至少两个中央孔口(701)和多个周围孔口(702)。

本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，还包括孔口(301)的至少一个另外布置，所述至少一个另外布置中的每一个被布置且配置成提供与所述外表面(203)相反的结构的无阴影冷却。

本发明的第十三技术方案提供了一种构件(100)，包括：主体部分(201)，其具有内表面(205)和外表面(203)，所述内表面(205)限定内部区域(207)；以及制件(300)，其定位在所述内部区域(207)内，所述制件(300)包括：基部部分(303)；以及孔口(301)的布置，其形成在所述基部部分(303)中，所述孔口(301)中的每一个延伸穿过所述基部部分(303)；其中所述孔口(301)的布置被布置且配置成提供所述主体部分(201)的所述内表面(205)的无阴影冷却。

本发明的第十四技术方案是在第十四技术方案中，所述构件(100)是从由以下构成的组合中选择的：中空构件(100)、热气体路径构件(100)、护罩、动叶、静叶、喷嘴(101)、和它们的组合。

本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，所述制件(300)是冲击套筒(310)。

本发明的其他的特征和优点将从结合附图作出的下列更详细的描述中变得显而易见，附图作为实例例示本发明的原理。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的构件的前透视图。

图2是根据本公开的实施例的沿2-2线截取的图1的构件的截面图。

图3是根据本公开的实施例的图2的制件的前透视图。

图4是根据本公开的备选实施例的沿2-2线截取的图1的构件的截面图。

图5是根据本公开的实施例的图4的制件的前透视图。

图6示出根据本公开的实施例的孔口的布置。

图7示出根据本公开的备选实施例的孔口的布置。

图8示出根据本公开的备选实施例的孔口的布置。

图9示出根据本公开的备选实施例的孔口的布置。

图10示出根据本公开的备选实施例的孔口的布置。

图11是根据本公开的实施例的结合于制件的孔口布置的透视图。

只要有可能，将遍及附图使用相同的标号来代表相同的部分。

零件列表

100 构件

101 喷嘴

103 翼型件部分

105 第一端壁

107 第二端壁

201 主体部分

203 外表面

205 内表面

207 内部区域

300 制件

301 孔口

302 孔口布置

303 基部部分

305 制件表面

307 制件区域

309 外制件表面

310 冲击套筒

500 添加方法

510 冲击板

601 点

701 中央孔口

702 周围孔口。

具体实施方式

提供了制件、构件、和冷却构件的方法。本公开的实施例，例如与未包括在本文中公开的特征中的一个或更多个的构思相比较，减少或消除构件的局部过热，减少构件内的温度梯度的形成，提高冷却的一致性，更均匀地分布冷却流体，提高蠕变抵抗力，提高氧化抵抗力，提高构件寿命，有助于使用提高的系统温度，提高系统效率，或它们的组合。

参照图1，在一个实施例中，构件100包括但不限于涡轮喷嘴101。涡轮喷嘴101具有翼型件部分103，翼型件部分103定位在第一端壁105与第二端壁107之间。翼型件部分103构造成在涡轮系统内引导空气流。此外，翼型件部分103构造成从涡轮系统接收流体，且引导该流体以提供喷嘴101的冷却。尽管在本文中关于涡轮喷嘴进行了描述，但如本领域技术人员将明白的那样，构件100不因此受限，且可包括适合用于接收冷却流体的任何其他构件，诸如例如，中空构件、热气体路径构件、护罩、动叶、静叶、或它们的组合。

转向图2，其示出了翼型件部分103的截面，构件100包括主体部分201，主体部分201具有外表面203和内表面205。内表面205限定构件100的内部区域207。在一个实施例中，制件300定位在内部区域207内。制件300包括在构件100内引导流体流的任何适合的制件。例如，一个适合的制件300包括冲击套筒310，冲击套筒310具有形成在其中的多个孔口301(例如见图3)。尽管在本文中主要关于冲击套筒310进行描述，但如本领域技术人员将理解的那样，制件300不因此受限，且可包括具有形成在其中的至少一个孔口301的任何其他制件，诸如但不限于冲击板510(见图4-5)、多个冲击板、多个冲击套筒、任何其他冷却制件、或它们的组合。

如图2-5中例示的，各制件300包括基部部分303，基部部分303具有在制件300的内制件表面305与外制件表面309之间延伸的孔口301中的一个或更多个。在一个实施例中，诸如在冲击套筒310中，基部部分303形成封壳，其中内制件表面305限定内制件区域307，且外制件表面309面对构件100的内表面205。在备选实施例中，诸如在冲击板510中，基部部分303定位为在内部区域207内形成一个或更多个区段，其中内制件表面305面对内部区域207且外制件表面309面对构件100的内表面205。

形成在制件300中的至少一个孔口301构造成将流体从内部区域207和/或内制件区域307朝构件100的内表面205引导。被引导穿过(多个)孔口301的流体接触构件100的内表面205，从而提供主体部分201的冲击冷却。在一个实施例中，(多个)孔口301形成孔口布置302(见图3和5)。在另一实施例中，孔口301中的每一个形成孔口布置302中的一个的一部分。在另一实施例中，孔口301中的一个形成孔口布置302中的两个或更多个的一部分。此外或备选地，(多个)孔口布置302定位在外制件表面309上的行或列中的一个或更多个其他孔口301之间和/或定位为替代它们。

孔口布置302中的孔口301构造成在构件100的内表面205上提供局部增强冷却，或无阴影冷却效果。如在本文中所使用的，用语“无阴影冷却效果”指多于一个流体流在构件100的内表面205上形成连续或基本上连续的流体接触区段，该流体接触区段大于来自单个孔口301的任一个单独的流体流的接触面积。由(多个)孔口布置302提供的无阴影冷却效果提供与位于间隔的行和/或列中的单独孔口301相比增大的连续冷却面积。增大的连续冷却面积减少或消除在构件100内的温度梯度的形成，这减少或消除了构件100的局部过热(诸如例如在涡轮喷嘴的前缘中)，提高了构件100的氧化抵抗力，提高了构件100的蠕变抵抗力，增大了构件100的寿命周期，或它们的组合。此外，构件100的局部过热的减少允许使用提高的操作温度，这提高了包括构件100的系统的效率。

参照图6-10，孔口布置302中的每一个包括处于用于提供无阴影冷却效果的任何适合构造的任何适合数量的孔口301。用于提供无阴影冷却效果的一个适合的构造包括布置孔口301以使离开孔口301的流体流在接触内表面205之前组合。在一个实施例中，孔口布置302包括在外制件表面309上围绕点601定位的至少两个孔口301。该至少两个孔口301可在外制件表面309上围绕点601对称地、不对称地、同心地、环形地、处于卵形构造地、三角形地、处于方形构造地、并且/或者处于任何其他几何构造地定位。例如，如图6中例示的，六个孔口301围绕点601环形地定位。在另一实施例中，如图7-10中例示的，孔口布置302包括由至少两个周围孔口702包围的至少一个中央孔口701。周围孔口702可围绕该至少一个中央孔口701形成单个几何构造(如图7-9中例示的)，或者周围孔口702可围绕该至少一个中央孔口701形成至少两个几何构造(如图10中所示的)。(多个)中央孔口701和周围孔口702以任何适合的布置或布置的组合定位，包括但不限于对称地、不对称地、同心地、环形地、处于卵形构造、三角形地、处于方形构造、和/或处于任何其他几何构造。

孔口301中的每一个包括用于将流体朝主体部分201的内表面205引导的任何适合的几何形状。适合的几何形状包括但不限于环形、基本上环形、圆形、基本上圆形、卵形、非圆形、方形、三角形、星形、多边形、泪滴、有变化的、无规则的、任何其他几何形状、或它们的组合。孔口301的几何形状可遍及制件300为一致的、基本上一致的、或变化的，其中孔口301中的各个的几何形状与制件300中的一个或更多个其他的孔口301相同、基本上相同、和/或不同。例如，中央孔口701和/或周围孔口702中的一个与中央孔口701和/或周围孔口702中的另一个相比可具有更大或更小的直径。此外，孔口301包括任何适合的定向和/或间隔，以用于提供无阴影冷却效果。孔口301之间的适合的间隔包括但不限于均匀的、一致的、有变化的、有梯度的、和/或分段的，其中孔口301中的每一个的间隔与一个或更多个其他孔口101相同、基本上相同、和/或不同。孔口301的几何形状和定向共同在构件100的内表面205上产生连续或基本上连续的流体接触区段，诸如例如在高热量负载区域的上方。

在一个实施例中，形成构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302包括任何适合的添加制造方法。在另一个实施例中，添加方法包括制作和/或形成净成形或近净成形构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302。如在本文中所使用的，短语“近净”指构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302形成为具有与构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302的最终几何形状和尺寸非常相似的几何形状和尺寸，从而在添加方法之后需要很少的或者不需要加工和处理。如在本文中所使用的，短语“净”指构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302形成为具有不需要加工和处理的几何形状和尺寸。

添加方法500包括用于通过顺序地且重复地沉积且连结材料层来形成构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302的任何制造方法。适合的制造方法包括但不限于本领域技术人员称为直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、激光射束熔化(EBM)、熔融沉积造型(FDM)的过程、或它们的组合。

例如，DMLM过程包括提供金属合金粉末且沉积金属合金粉末，以形成最初的粉末层。最初的粉末层具有预选的厚度和预选的形状。接下来，DMLM过程包括提供聚焦能量源，且将该聚焦能量源引导至最初的粉末层处，以使金属合金粉末熔化，且使最初的粉末层转变为构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302的一部分。适合的聚集能量源包括但不限于激光装置、电子射束装置、或它们的组合。DMLM过程然后包括在构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302的该部分上方顺序地沉积另外的金属合金粉末，以形成具有第二预选厚度和与最初的层的预选形状对应的第二预选形状的另外的层。在沉积金属合金粉末的另外的层之后，DMLM过程包括利用聚焦能量源使该另外的层熔化，以增大组合厚度且形成构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302的组合形状。

顺序地沉积金属合金粉末的另外的层和使该另外的层熔化的步骤然后可重复，以形成净成形或近净成形构件100、制件300、和/或(多个)孔口布置302。例如，在一个实施例中，步骤可重复，直到获得具有在其中形成的一个或更多个孔口布置302的制件300。在另一个实施例中，步骤可重复，以直接在制件300的一部分的正上方形成(多个)孔口布置302。此外或备选地，如图11中例示的，(多个)孔口布置302可与制件300的形成分开地形成并且/或者在制件300的形成之后形成，然后固连于制件300。形成与制件300分开的(多个)孔口布置302可包括添加方法或非添加方法，诸如加工和/或铸造。

尽管已经参考一个或更多个实施例描述了本发明，但是本领域专业人员将理解，可进行各种更改并且可用等同物替换它们的元件，而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使具体的情形或材料适应本发明的教导而不脱离它们的基本范畴。因此，意图本发明不限于作为用于实施本发明的构思出的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，在详细的说明中的所有数值应解释为清楚地确定精确的和近似的值二者。