专利名称：可冷却的构件及在可冷却的构件中加工透流口的方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1前序部分的可冷却的构件。它还给出在根据本发明的构件中加工出用于冷却介质的透流口的方法。
在涡轮机、尤其是用于发电或航空的设备中的燃气轮机的领域中，为了增高功率力图实现愈来愈高的涡轮机热气体入口温度。但该高温度对于高温负荷的涡轮机构件、尤其是涡轮机叶片的整体性带来了问题。在现代燃气轮机中第一涡轮机级的入口温度已超过叶片材料的熔点。为了避免由于高工作温度损坏涡轮机叶片将通过延伸在叶片内部的冷却通道进行叶片构件的冷却。
用于冷却涡轮机叶片的一个公知的冷却方法为内部的对流冷却。在该冷却技术中，如图1中概要表示地，冷却空气通过转子轴导入叶片基部及从那里导入延伸在叶片内部的冷却通道，在这些通道中它吸收涡轮机叶片的热量。被加热的冷却空气最后通过适当设置的孔及槽吹出涡轮机叶片。与该对流冷却相结合地，通常使用所谓的撞击(Prall)冷却及膜状冷却。在撞击冷却的情况下冷却空气通过小透流口撞击到涡轮机叶片壁的内侧上，而当膜状冷却的情况下它通过一些小透流口达到涡轮机叶片的外表面上及在那里构成一个薄的冷却空气膜。用于冷却涡轮机叶片的冷却空气通常来源于压缩机级，一部分的压缩空气由该压缩机级分支出来及为了冷却导入涡轮机的待冷却的相应构件中。
一个涡轮机的多个构件的充分且可靠的冷却是其工作的一个重要的方面。现代高温燃气轮机为了实现其高的效率需要一个深思熟虑的冷却系统，尤其是用于冷却高负荷的涡轮机叶片。但在涡轮机的这种冷却系统工作时可能出现通过污物或尘粒对冷却通道或冷却空气孔的堵塞，这些尘粒来自于大气或涡轮机相应构件的冷却通道的上游及与冷却介质一起进入冷却通道。各个冷却通道或冷却空气孔的堵塞由于不再能维持冷却介质的最小质量流量将导致待冷却的构件的显著大的局部温度负荷，直至其损坏。
背景技术：
为了避免涡轮机中冷却空气孔的堵塞，已具有许多措施。例如对于避免或减小堵塞的危险已公知了将一个尘粒分离器，如旋风式分离器设置在冷却循环回路中，它从冷却介质中分离出污物或尘粒。在该尘粒分离器中在冷却介质中产生旋涡，通过该旋涡尘粒及污物颗粒由于其惯性从冷却介质中分离出来及通过分开的排尘口离开冷却介质。
这种轴向旋风式分离器形式的尘粒分离器例如可从DE 198 34376 A1中得知。在此，来自压缩机级的冷却空气在进入涡轮机级的第一导流叶片前被导送通过轴向旋风式分离器。在轴向旋风式分离器中构造了一个旋涡发生器，它在冷却空气中产生旋涡，基于该旋涡使载有的尘粒及污物颗粒撞击在轴向旋风式分离器的壁上并从那里落下。在旋风式分离器的底部通过相应的排出通道尘粒被抽出。
在部分地与尘粒分离器组合使用的另一技术中，在涡轮机叶片内的冷却通道中设有专门的排尘口，大的尘粒或污物颗粒由于其惯量从这些排尘口排出。在冷却通道中设置这种排尘口的例子例如可由US-A-4820122中得知。
尽管迄今已采取了措施但不能完全地排除尘粒或污物颗粒在待冷却构件的冷却通道中到达用于冷却介质的窄透流口及堵塞这些透流口。
发明内容
本发明的任务在于，给出一种待冷却的构件，它能避免现有技术中的缺点，及说明用于冷却介质的透流口的专门构型，它不易于受到尘粒或污物颗粒的这种堵塞，并给出用于在可冷却的构件中制造这种透流口的合适的加工方法。
该任务将通过权利要求1的透流口及权利要求20的用于加工透流口的方法来解决。该透流口及加工方法的有利的进一步构型为从属权利要求的主题或可从以下的说明及实施例中得知。
根据本发明的可冷却的构件具有一个用于冷却介质的透流口，它首先以公知方式通过第一孔横截面的第一孔构成在由第一材料组成的部件中。本发明的核心是在该第一孔中设有一个嵌件，该嵌件使所述透流口的开口横截面缩小到第二开口横截面。在此情况下通常该第二开口横截面为开口横截面的给定值。在嵌件与构件的基本材料之间，合乎目的地在嵌件与第一孔的内部之间的交界面上产生一种非热稳定的连接，它在超过一个极限温度时将被解脱。非热稳定的连接可这样地建立，其方式是嵌件的材料、例如结合涂层材料和/或TBC材料直接地被插入第一孔及附着在那里，其中两个材料之间的附着力与温度相关地变化，及当超过极限温度时该附着力将低于对于嵌件固定地配合在第一孔中所必需的值。另一可能性在于，使用非热稳定的材料，例如一个粘接材料或一个焊料来建立嵌件与构件之间的连接，尤其是结合缝中的连接，该粘接材料或焊料在高温度时变软及不能维持连接。此外嵌件也可过盈配合在该孔中，以致形成压配合，其中连接的不稳定性以简单的方式通过构件材料及嵌件材料的热膨胀系数的相应选择来实现。
优选非热稳定连接部分和/或嵌件由一种材料组成，该材料在冷却介质中氧化及它的氧化物在所需的温度上蒸发，其中尤其是所构成的氧化物是选自氧化铬、氧化钼及氧化钨的组中的氧化物。
而非热稳定的连接部分也可由一种材料组成，它在所需的温度上超过其熔点，其中非热稳定的连接部分尤其单个地或相互组合地包括出自Ag，Cu，Au，Al，Zn，Cd，In，Tl，Ge，Sn，Pb，Sb及Bi的组中的金属。
此外可考虑，非热稳定的连接部分包括伍德合金，软焊料，硬焊料如黄铜焊料，锌白铜焊料，银焊料，Al-Si焊料，B-Cu55ZnAg或仅具有硅和/或具有硼的镍基焊料，或非热稳定的连接部分包括玻璃焊料，尤其是富铅玻璃，具有堇青石(Codierit)附加成分的复合焊料或焊接玻璃。
但也可考虑，非热稳定的连接部分和/或嵌件由一种材料组成，该材料由于超过其持久强度而失效，其中该材料尤其是Ag-Cu-Zn焊料或奥氏体钢。
同样非热稳定的连接部分和/或嵌件可由一种材料组成，该材料由于超过其软化温度而失效，其中该材料尤其是自熔化的NiCrFeSiB防腐蚀层。
最后可考虑，非热稳定的连接部分和/或嵌件由一种材料组成，该材料具有小的热膨胀系数及在热过载时由于出现的应力及其脆性而失效。这里最好该材料是陶瓷，尤其是SiN4，或不稳定的或部分稳定的ZrO2或玻璃。
根据本发明的在可冷却的构件中加工用于冷却介质的透流口的方法在于首先在该构件中开设具有第一孔横截面的第一孔，例如钻出该孔。在下一步骤中施加例如一个结合涂层材料和/或TBC材料，使得该孔基本被封闭。最后可在置入的用于封闭的材料中加工出具有第二孔横截面的透流口。
本发明的工作原理如下热量至少从一侧施加在该构件中。通过冷却介质透流口流出的冷却介质从该构件中吸收热量。在一个透流口的嵌件中的第二孔横截面被这样定尺寸，即在通常无干扰的工作中通过该孔流过所需的最小冷却介质质量流量，它足够用于使紧邻透流口的周围的材料温度低于极限温度。
第二孔横截面被尘粒或污物颗粒的堵塞将导致冷却介质的质量流量减小到所需的最小质量流量以下。由此在冷却位置上的温度和/或透流口中嵌件上的压力降上升。当超过极限温度时非热稳定的连接部分脱开，由此最后使嵌件与堵塞颗粒一起由透流口中脱出及释放该孔用于冷却介质的透流。在发生该情况后，留下了第一孔的横截面，它为大于给定横截面的孔横截面，这保证了构件的相应位置的继续冷却。
作为适用于嵌件的材料，例如可使用在燃气轮机技术中采用的粘接剂(结合涂层)，TBC(热障涂层)材料或涂层试验(Painttest)材料。当然也可使用其它的、具有该温度相关特性的材料，这些材料可被专门地开发用于该用途。
导致嵌件从孔中脱出的机制可基于不同的物理性能。例如选择用于嵌件的第二材料的熔点相应于极限温度。当达到极限温度时该第二材料也可这样地处于机械应力下，以致高于该温度时该材料破裂。在该实施形式中在任何情况下重要的是，嵌件与孔之间的连接在极限温度以上脱开，由此使嵌件与堵塞颗粒一起由孔中排出。在此不需要在每一情况下有孔上的压力降增高。相反，在非堵塞的常规工作时所出现的压力降即可满足。
在另一实施形式中，第二材料的温度相关性不是绝对需要的。在该实施形式中嵌件与孔之间的附着被这样选择，以使得由于在堵塞时出现的嵌件上的高压力差使该附着不能再承受所存在的压力，由此使嵌件从孔中脱出。
根据本发明的冷却介质透流口的构型适用于涡轮机的构件，尤其是作为用于涡轮机叶片中的膜状冷却或撞击冷却的冷却空气排出孔。当然这样构型的透流口也可用于另外的区域，在这些区域中透流口的堵塞会产生不希望的后果。
以下借助实施例并结合附图来简要地描述本发明。附图为图1一个涡轮机叶片中的冷却通道分布的例子的两个不同视图；图2在待冷却的部件中的一个透流口的通常构型的例子；图3在待冷却的部件中的一个透流口的根据本发明的构型的例子；图4根据图3的一个透流口的堵塞状态；图5根据图4的透流口在短时间后的状态；及图6根据图4的透流口在嵌件解脱后的状态。
具体实施例方式
图1以两个不同的视图概要地表示出带有延伸在其内部的一些冷却通道的一个涡轮机叶片的结构。在图1a的截面图中可看到在该涡轮机叶片中用于冷却介质的转子侧入口3。流入的冷却空气由三个箭头表示。在涡轮机叶片1中冷却空气通过相应的冷却通道2被导向涡轮机叶片的前边缘及后边缘，在这些边缘上冷却空气通过一些透流口排出，这同样在图中用箭头表示出。在涡轮机叶片1的叶片顶端处的冷却通道转向4的区域中通常构造有排尘口5，与冷却介质一起导入的颗粒由于其惯量将通过该排尘口排出涡轮机叶片。该排尘口应防止，即不让不希望的较大颗粒一直达到涡轮机叶片的前边缘或后边缘上的细透流口及在那里堵住这些透流口。
图1b再用一个透视图表示涡轮机叶片的概要结构。在该图中也用两个块状箭头表示进入到冷却通道2的冷却空气。冷却空气经过用于撞击冷却的这些透流口6从这些冷却通道出来及由内部进入到涡轮机叶片的外壳上，以便冷却该外壳。然后冷却空气通过冷却销、即所谓的冷却针7继续引导到涡轮机叶片的后边缘及在那里排出。在该图中还可看到用于涡轮机叶片外侧的膜状冷却的透流口8，通过它们冷却空气的一部分也由冷却通道2排出。
由于用于撞击冷却或膜状冷却的这些透流口6，8的开口横截面很小，存在这些透流口由与冷却介质-通常为空气-一起导入的灰尘或污物颗粒堵塞的危险。尽管有前置的尘粒分离器及设在涡轮机叶片1内部冷却通道2中的一些排尘口5仍不能完全排除堵塞的危险。如果出现这种堵塞，则在相应的冷却位置上引起显著的温度负荷，这可能导致相应部分的损坏。
通过根据本发明的这些透流口的构型可显著地减小在这些透流口堵塞时待冷却部件损坏的危险。
图2概要地表示用于冷却介质的一个透流口8的典型结构，该透流口被待冷却的涡轮机叶片的部件的材料、这里为金属9包围。以同样的方式，这里它也可以是一个排尘口。
与此相对地，本发明的透流口具有一个第一开口及一个设在该第一开口中具有一个第二开口横截面的嵌件，如由图3的概要示图中可看出的。透流口8的第一开口或第一孔10以涡轮机叶片的金属9为边界。在涡轮机叶片的第一开口10的内部固定了一个嵌件11，该嵌件例如由一个与温度相关的填充材料构成。由该嵌件缩小后的透流口8的开口横截面相应于在通常的透流口-如根据图2所实施的-中设有的开口横截面。
如果现在当工作期间出现了该透流口8被尘粒12堵塞，则如在图4中概要表示地，在该位置上的膜状冷却被中断，由此使涡轮机叶片1在透流口8的周围被很强地加热。由此同样使涡轮机叶片的嵌件11与金属9之间的过渡位置上的温度升高。当达到一定的极限温度时嵌件11则从孔10中脱开，如图5中所示，因为在嵌件与该部件之间的连接是非热稳定的。
嵌件11的材料被这样地选择，即在涡轮机叶片的金属9与嵌件11的材料之间的附着从一个升高的温度开始很强地削弱或完全地消失，该升高的温度在通常冷却时是不会达到的，而在堵塞后才可出现。在透流口8的前面与其后面的压力中所存在的压力差导致了嵌件与包括在其中的尘粒12一起被排出，由此接着使透流口8又畅通(图6)。在嵌件11的该脱开后该透流口8具有更大的横截面-相应于第一开口10的横截面，由此避免了待冷却部分因堵塞而损坏的危险。
作为用于在嵌件11与涡轮机叶片的金属9之间的连接的或用于嵌件11本身的非热稳定材料尤其可以考虑-在冷却介质中氧化(与温度相关)的材料及其在一定温度上可蒸发的氧化物，如900℃以上的氧化铬，600℃以上的氧化钼及氧化钨。这些材料既可用于连接也可用于嵌件本身。
-其熔点被超过的材料(作为纯元素或化合物)，如960℃时熔化的银、1083℃时熔化的铜或1063℃时熔化的金，或需要时的Al，Zn，Cd，In，Tl，Ge，Sn，Pb，Sb及Bi，它们在纯状态下覆盖从660℃向下直至156℃的范围，但也可彼此地及与其它元素化合地被调节到几乎任意的熔点上(伍德合金60℃至TA＜450℃的软焊料及TA＞450℃的硬焊料(黄铜焊料，锌白铜焊料，银焊料，Al-Si焊料，它们覆盖至超过800℃的范围；TA＝830℃的B-Cu55ZnAg)。仅具有硅和/或具有硼的镍基焊料，其中它的熔点可通过在温度、时间及材料影响下的扩散变化(增高)，覆盖至1200℃的温度范围。如果当叶片装入时导致增高了的温度负荷，则在焊料的工作温度上使连接失效及提高了冷却量，如果它延迟地达到升高了的温度，则在比焊接温度高的温度上才使连接处失效。如果元素的扩散是不希望的，则可另选择具有较小扩散的硅方案来取代硼方案。如果焊料的熔点应长时间保持低，则对于高温焊料应带有阻扩散成分工作。玻璃焊料，例如具有400至500℃的焊接温度的富铅玻璃、其中具有堇青石添加成分的复合焊料及焊接玻璃视需要而定也可被使用。由于超过其持久强度而失效的材料，例如300℃以上的银-铜-锌焊料或600℃以上奥氏体钢。
-由于超过其软化温度c而失效的材料如自熔化的NiCrFeSiB的防腐蚀层，由它们可制造嵌件。
-具有小热膨胀系数的、在热过载时由于出现的应力及其脆性而失效的材料，如陶瓷(SiN4，不稳定的或部分稳定的ZrO2，玻璃)。
以上所列举的仅作为例子来考虑而非已包括所有的在内。
参考标号表1涡轮机叶片2一些冷却通道3转子侧入口4冷却通道转向部分5排尘口6一些用于撞击冷却的透流口7冷却针8透流开口，尤其是用于膜状冷却9涡轮机叶片的金属10透流口的孔、第一开口11嵌件12尘粒
权利要求
1.一种可冷却的构件，尤其是用于涡轮机，具有用于冷却介质的透流口，该透流口由该构件(1)中的一个第一开口横截面的第一开口(10)构成，在该第一开口(10)中设有一个嵌件(11)，该嵌件使该第一开口横截面缩小到第二开口横截面，其中在孔内部与所述嵌件(11)之间的交界面上产生连接，其特征在于所述连接是一种非热稳定连接，在超过一个极限温度时该连接被脱开。
2.根据权利要求1的可冷却的构件，其特征在于所述非热稳定的连接直接通过该嵌件(11)在第一开口(10)中的附着来产生。
3.根据权利要求1的可冷却的构件，其特征在于该非热稳定的连接直接通过非热稳定的材料、尤其是一种粘接剂或一种焊料来产生。
4.根据权利要求3的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的材料作为层设置在该嵌件(11)与所述构件之间。
5.根据以上权利要求中一项的可冷却的构件，其特征在于该第二开口横截面被这样地定尺寸，即保证冷却介质穿过该第二开口横截面的一个最小质量流量。
6.根据权利要求5的可冷却的构件，其特征在于该非热稳定的连接被这样地选择，即它的极限温度处于一个值上，在维持最小质量流时该值不会被达到；及当低于该最小质量流量时该极限温度被提高，以致当低于最小质量流量时该连接变成不稳定的及嵌件(11)由该透流口中脱出，及由此释放更大的第一开口横截面。
7.根据以上权利要求中一项的可冷却的构件，其特征在于该嵌件(11)由一个结合涂层材料和/或TBC材料组成。
8.根据权利要求1至6中一项的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分和/或嵌件(11)由一种材料组成，该材料在冷却介质中氧化及它的氧化物在所需的温度上蒸发。
9.根据权利要求8的可冷却的构件，其特征在于所构成的氧化物是出自氧化铬、氧化钼及氧化钨的组中的氧化物。
10.根据权利要求1至6中一项的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分由一种材料组成，在所需的温度上该材料的熔点被超过。
11.根据权利要求10的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分单个地或相互组合地包括出自Ag，Cu，Au，Al，Zn，Cd，In，Tl，Ge，Sn，Pb，Sb及Bi的组中的金属。
12.根据权利要求11的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分包括伍德合金、软焊料、硬焊料如黄铜焊料、锌白铜焊料、银焊料、Al-Si焊料、B-Cu55ZnAg或仅具有硅和/或具有硼的镍基焊料。
13.根据权利要求10的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分包括玻璃焊料、尤其是富铅玻璃、具有堇青石添加成分的复合焊料或焊接玻璃。
14.根据权利要求1至6中一项的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分和/或嵌件(11)由一种材料组成，该材料当其持久强度被超过时失效。
15.根据权利要求14的可冷却的构件，其特征在于该材料是Ag-Cu-Zn焊料或奥氏体钢。
16.根据权利要求1至6中一项的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分和/或嵌件(11)由一种材料组成，该材料当其软化温度被超过时失效。
17.根据权利要求16的可冷却的构件，其特征在于该材料是自熔化的NiCrFeSiB防腐蚀层。
18.根据权利要求1至6中一项的可冷却的构件，其特征在于非热稳定的连接部分和/或嵌件(11)由一种材料组成，该材料具有小的热膨胀系数及在热过载时由于出现的应力及其脆性而失效。
19.根据权利要求18的可冷却的构件，其特征在于该材料是陶瓷，尤其是SiN4，或不稳定的或部分稳定的ZrO2或玻璃。
20.在根据以上权利要求中一项的构件中加工用于冷却介质的可预给定的透流量的透流口的方法，其中在构件(1)中开设具有第一开口横截面的第一开口(10)，其特征在于，具有以下步骤开设具有第一开口横截面的第一开口，该第一开口横截面大于用于冷却介质的所述可预给定的透流量所需的横截面；在第一孔(10)中置入一个嵌件(11)；在嵌件与所述构件之间产生连接。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于为了设置嵌件(11)，使第一开口(10)完全封闭；及接着在置入的用于封闭的材料中制出具有第二开口横截面的开口。
22.根据权利要求20或21的方法，其特征在于，具有另一步骤在置入嵌件(11)前，在嵌件的外表面上和/或在第一开口的内表面上施加非热稳定的材料。
全文摘要
本发明涉及在可冷却的构件中用于冷却介质的透流口。该透流口的特征是，在第一孔(10)中固定一个嵌件(11)，该嵌件使第一孔横截面缩小到第二孔横截面，及当第二孔横截面堵塞时由于局部温度的升高及嵌件与构件之间的非热稳定连接该嵌件从第一孔中脱出。借助本发明的透流口可极强地减小被冷却的构件、尤其涡轮机叶片由于细透流口的堵塞而被损坏的危险。
文档编号F04D31/00GK1671948SQ03817724
公开日2005年9月21日 申请日期2003年5月14日 优先权日2002年5月22日
发明者乔斯·玛·安圭索拉·麦克菲特, 维尔纳·M·巴尔巴克 申请人:阿尔斯通技术有限公司