专利名称：在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法
技术领域：
本发明一般涉及一种在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法，特别涉及一种在具有任意长宽比的涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法。
背景技术：
燃气轮机包括压气机、燃烧室和涡轮。压气机对空气进行压缩，使其被引导到燃烧室，在燃烧室中，空气与燃料混合并被点燃，以生成燃烧气体。这些燃烧气体向下游流过一级或多级涡轮，涡轮从其中提取能量。
涡轮包括安装到转子上的多排涡轮叶片。燃气涡轮叶片广义上包括楔形榫、叶根和翼面。楔形榫将涡轮叶片固定到一个转动轴上，多个叶片从该转动轴径向延伸。叶根作为翼面的基础，该翼面根端连接到叶根的端部，并成形为将流过的燃烧气体的热能和动能转化为转子的机械转动。冷却剂一般通过楔形榫或叶根的侧面进入叶片。
由于涡轮叶片必须在由燃烧气体形成的高温环境中运行，因此需要一种能保持叶片的使用寿命周期的叶片冷却方法。一种这样的冷却方法，通过提供从根端贯通到翼面的顶端的孔，利用简单的对流冷却来实现。该方法在中等的高温环境中是有效的。
但是，在更高温度的环境中，通常需要并选用一种更能起作用和有效的冷却方法，公知的是曲折冷却。曲折冷却系统通常采用多条从翼面的根端到顶端再到根端的冷却剂输送管道，有效地使冷却剂贯穿翼面循环，其中，从根端到顶端再到根端的次数，根据特定的冷却设计的需要而定。冷却剂的循环，无论是从前缘到后缘还是从后缘到前缘，与单向对流冷却系统相比，能使冷却剂具有更大的接触面积，并能产生更大的传热系数，这样使得曲折冷却系统成为高温环境中更有效的选择。
设置曲折的翼面是更高温环境中有效的冷却选项，而在翼面中，特别是在高的长宽比的翼面中铸造曲折可能是困难的。设置曲折的翼面，通常是在熔模铸造过程中采用陶瓷芯而加工的。这种方法，当铸造相对低的长宽比(短并且宽)的曲折翼面时是合适的，而在高的长宽比的曲折翼面的熔模铸造过程中形成的陶瓷芯，倾向于在铸造过程中破裂、破碎或移走，使得生产成本受到限制。
由于具有曲折冷却剂系统的翼面，在需要高的长宽比的应用场合，不能有效地生产，而单向对流冷却设计又不能有效地冷却高温环境中的翼面，因此，需要一种能在任意长宽比的翼面，特别是用于高温环境中的具有高的长宽比的翼面中坚固地、成本效率高地加工曲折通道的方法。
发明内容
公开了一种在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法，其中一个实施例包括形成包括顶端和根端的翼面，将至少一个冷却剂弯头与翼面连接，从顶端和根端的至少一个中钻出至少一个冷却剂孔，以与至少一个冷却剂弯头相连通。
公开了另外一种在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法，其中另外一个实施例包括形成包含顶端和根端的翼面，至少部分地在翼面中形成至少一个冷却剂弯头，从顶端和根端的至少一个中钻出至少一个冷却剂孔，以与至少一个冷却剂弯头相连通。
从下面结合附图对示例性实施例的详细描述，将能更好地理解本发明前述的和其它的特征及优点，在几个附图中，相同的元件以相同的标号表示，其中图1是根据本公开的设置曲折的涡轮叶片的示例性实施例的侧视图；图2是说明在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的第一种方法的方框图；图3是说明在涡轮叶片中加工曲折冷却通道的第二种方法的方框图。
具体实施例方式
参看图1，阐明了设置曲折的涡轮叶片10的例子，包括楔形榫12、叶根14和翼面16。翼面16可以具有任意的长宽比，并包括顶端17和根端18。翼面16的根端18与叶根14相连接。叶根14与楔形榫12相连接，使得翼面16、叶根14和楔形榫12形成一个整体结构。楔形榫12将涡轮叶片10安装到转子(未示出)上。
冷却通道22至少部分地由翼面16限定，并输送冷却剂通过叶片10。冷却通道22包括至少一个冷却剂孔23和至少一个冷却剂弯头24。该至少一个冷却剂孔23以冷却剂孔A、B和C示例说明，为了简明，以下以单数提及。相似地，该至少一个冷却剂弯头24以两个弯头示例说明，即顶端弯头26和根端弯头27，为了简明，以下也以单数提及。应该知道，以单数提及这些部件，决不是限制本发明的范围。
冷却剂孔23与冷却剂弯头24流体连通，以形成冷却通道22，其中，冷却剂弯头24，如其名称所表示的意思，使冷却剂在冷却通道22中从一个冷却剂孔23到下一个孔的变向更容易。应该意识到，冷却剂孔23和冷却剂弯头24的数量和位置(沿着翼面或与之流体连通)，可以根据翼面16所要经历的运行参数而变化。如果冷却剂孔23穿过翼面16的根端18而延伸，则至少一个冷却剂孔23也作为涡轮叶片10的冷却剂入口。可选择地，楔形榫12和叶根14可以至少部分地限定入口腔28，其中，入口腔28通过与冷却通道22连通而向涡轮叶片10供给冷却剂。
参看图1，还会意识到，每一冷却剂孔23的结构基本上是直的，并通过二次成形/铸造工序采用钻、磨和下文列举的其它工艺而形成。铸后钻孔避免了高的长宽比翼面16中常见的陶瓷芯的破裂，而形成高长宽比翼面16是为了包括冷却剂孔23。这些基本上直的冷却剂孔23，由单独形成但流体连通的冷却剂弯头24相互连接。
参看图2，示例了在可用于固定式涡轮或航空发动机的涡轮叶片中加工曲折冷却通道的方法100的第一实施例，包括形成包括顶端17和根端18的翼面16，如操作方框102所示。翼面16可以由任何材料形成，例如定向固态合金、由等轴晶粒组成的(尺寸相似的全向晶粒)合金以及单晶合金，其中，翼面16可以通过铸造工序形成，该铸造工序包括在翼面熔模铸造中采用陶瓷芯的方法。最后，在翼面16成形之后，在翼面16里加工出至少一个冷却剂孔23。然而，因为在冷却剂孔23形成之前，有与翼面16一起形成或者附与其上的其它部件，所以加工冷却剂孔23的过程在说明书里随后要进行描述。
除了形成翼面16外，方法100还包括形成楔形榫12(尽管过大的面积典型地要进行随后的楔形榫机加工)和叶根14，其中，楔形榫12、叶根14和翼面16可以作为一个组成涡轮叶片10的整体结构而形成。与翼面16相同，楔形榫12和叶根14可以由任何材料形成，例如定向固态合金、由等轴晶粒组成的合金以及单晶合金，它们可以通过铸造过程形成，该铸造过程包括在熔模铸造中采用陶瓷芯铸造楔形榫12和叶根14。
方法100还包括成形过程中在楔形榫12和叶根14中(或者大致在叶根14附近)形成入口腔28，或者在楔形榫12和叶根14形成之后，在楔形榫12和叶根14的至少一个中加工出入口腔28。如果入口腔28是在成形过程中形成，则可以通过铸造过程形成该入口腔28，该铸造过程包括在熔模铸造中采用陶瓷芯。如果入口腔28是在楔形榫12和叶根14形成之后，在楔形榫12和叶根14的至少一个中加工(相对于在其中形成)，该入口腔28可以通过以下方法加工，例如但不限于磨、冲水钻、旋转研磨、电火花加工以及电化学加工，电化学加工本身可以包括定型管电解加工、毛细管钻、电蒸气钻以及电喷流加工。无论是在楔形榫12和叶根14的至少一个中形成或加工，入口腔28都从转子向翼面16延伸，以向涡轮叶片10供给冷却剂。
参看图2中的操作方框104，方法100还包括将至少一个冷却剂弯头24与翼面16连接。冷却剂弯头24与翼面16的连接，可以是在翼面16形成之后，通过将单独的弯头结构采用例如但不限于焊接、铜焊或锡焊的方法牢固地连接或附设到翼面16上来完成，其中，弯头结构可以由与翼面16相同的材料形成，也可以由不同的材料形成。例如，至少一个顶端弯头26和/或根端弯头27，可以通过焊接、铜焊或锡焊方法，牢固地附设到翼面16的顶端17和/或根端18。
将至少一个冷却剂弯头24与翼面16相连接的另外一种方式，可以通过在已经形成的翼面16的结构中加工(相对于牢固地添加)至少一个冷却剂弯头腔，并用一个密封结构将冷却剂弯头腔封闭/密封来完成。至少一个冷却剂弯头腔的加工，可以通过以下方法完成，例如但不限于磨、冲水钻、旋转研磨、电火花加工以及电化学加工，电化学加工本身可以包括定型管电解加工、毛细管钻、电蒸气钻以及电喷流加工。用于加工至少一个冷却剂弯头腔的工具所留下的任何开口，都可以通过以下方法封闭和密封焊接、锡焊，或铜焊，或通过例如但不限于焊接、锡焊或铜焊的方法将至少一个密封结构(可以包含，也可以不包含与翼面16相同的材料)附设于翼面16。用至少一个密封结构封闭至少一个冷却剂弯头腔，这样便加工成至少一个冷却剂弯头24。该方法也可用于在顶端17、根端18和/或翼面16的任何其它区域加工至少一个冷却剂弯头24。
如上面简单说明的那样，方法100还包括从顶端17和根端18中的至少一个钻至少一个冷却剂孔23，以与至少一个冷却剂弯头24相连通，如操作方框106所示，这样便形成冷却剂通道22。也可以钻至少一个冷却剂孔23，以与入口腔28连通。钻孔可以通过以下方法完成，例如但不限于磨、冲水钻、旋转研磨、电火花加工以及电化学加工，电化学加工本身可以包括定型管电解加工、毛细管钻、电蒸气钻以及电喷流加工。通过这些或者任何其它方法钻至少一个冷却剂孔23，发生在翼面16形成之后。如果至少一个冷却剂孔23是穿过附设的或者加工的冷却剂弯头24而钻孔，用于钻孔的工具所留下的开口必需封闭或者至少部分地受到限制。类似地，如果至少一个冷却剂孔23是以任何形成开口于曲折冷却剂通道外面的不希望形成的开口方式钻出的，则该开口也必须封闭。这些开口可以通过以下方法封闭焊接、锡焊，或铜焊，或通过例如但不限于焊接、锡焊或铜焊的方法将至少一个密封结构(可以包含，也可以不包含与翼面16相同的材料)附设于翼面16而封闭。
在已经形成的翼面16中钻至少一个冷却剂孔23，便不需要在形成过程中在翼面16中形成冷却剂孔23。例如，当通过熔模铸造工艺形成高长宽比的翼面16并且形成翼面16以包括曲折冷却管道22时，冷却通道22的陶瓷芯能够移走，并且由于形成/铸造的冷却孔23的存在而导致的脆弱，陶瓷芯常在铸造或操作过程中破碎。通过去除冷却通道22的陶瓷芯，该脆弱大大减小。这样，通过在先前形成的翼面16中钻至少一个冷却剂孔23，可以在任意长宽比的翼面16中坚固地加工出曲折冷却通道22。
应该意识到，方法100还可以包括在至少一个冷却管道22中以制造热传递增强几何结构例如紊流的方式钻出至少一个冷却剂孔23。热传递增强几何结构可以在钻孔过程中通过操作任何上述的研磨机、机床或钻孔机在冷却剂孔23的壁上加工出间断而形成。
还应该意识到，尽管图1示例了一个特定的曲折设计，方法100还可以包括将至少一个冷却剂弯头24以使至少一个冷却通道22内的冷却剂改变方向的任何方式和/或任何位置连接到至少部分位于翼面16中或翼面16上。该至少一个冷却剂孔23和至少一个冷却剂弯头24，可以以适合于输送冷却剂所需的最终目的的任何方式成形和确定尺寸。
参看图3，示例了在涡轮叶片200中加工冷却通道的方法的第二实施例200，与第一实施例的方法100一样，包括形成包括顶端17和根端18的翼面16，如操作方框202所示。翼面16可以由任何材料形成，例如定向固态合金、由等轴晶粒组成的合金以及单晶合金，其中，翼面16可以通过铸造过程形成，该铸造过程包括在翼面熔模铸造中采用陶瓷芯。最后，在翼面16成形之后，在翼面16里加工出至少一个冷却剂孔23。然而，因为有在冷却剂孔23形成之前，与翼面16一起形成或者附与其上的其它部件，所以加工冷却剂孔23的过程在说明书里随后要进行描述。
除了形成翼面16外，方法200还包括形成楔形榫12(尽管过大的面积典型地要进行随后的楔形榫机加工)和叶根14，其中，楔形榫12、叶根14和翼面16可以作为一个组成涡轮叶片10的整体结构而形成。与翼面16相同，楔形榫12和叶根14可以由任何材料形成，例如定向固态合金、由等轴晶粒组成的合金以及单晶合金，它们可以通过铸造过程形成，该铸造过程包括在熔模铸造中采用陶瓷芯铸造楔形榫12和叶根14。
方法200还包括成形过程中在楔形榫12和叶根14中(或者大致在叶根14附近)形成入口腔28，或者在楔形榫12和叶根14形成之后，在楔形榫12和叶根14的至少一个中加工出入口腔28。如果入口腔28是在成形过程中形成，则可以通过铸造过程形成该入口腔28，该铸造过程包括在熔模铸造中采用陶瓷芯。如果入口腔28是在楔形榫12和叶根14形成之后，在楔形榫12和叶根14的至少一个中加工(相对于在其中形成)，该入口腔28可以通过以下方法加工，例如但不限于磨、冲水钻、旋转研磨、电火花加工以及电化学加工，电化学加工本身可以包括定型管电解加工、毛细管钻、电蒸气钻以及电喷流加工。无论是在楔形榫12和叶根14的至少一个中形成或加工，入口腔28都从转子向翼面16延伸，以向涡轮叶片10供给冷却剂。
参看操作方框204，与第一实施例的方法100不同，方法200还包括在翼面16成形过程中，至少部分地在翼面16中形成至少一个冷却剂弯头24。该至少一个冷却剂弯头24的形成可以通过铸造过程实现，其中，该至少一个冷却剂弯头24可以在熔模铸造工艺中采用陶瓷芯进行铸造。如果形成过程使得该至少一个冷却剂弯头24的一部分开口于涡轮的外部环境中，则该开口最后可以采用以下方法封闭和密封焊接、锡焊，或铜焊，或通过例如但不限于焊接、锡焊或铜焊的方法将至少一个密封结构(可以包含，也可以不包含与翼面16相同的材料)附设于翼面16。
如上面简要提及的那样，方法200还包括从顶端17和根端18至少一个中钻出至少一个冷却剂孔23，以与至少一个冷却剂弯头24相连通，如操作方框206所示，这样便形成冷却剂通道22。也可以钻至少一个冷却剂孔23，以与入口腔28连通。钻孔可以通过以下方法完成，例如但不限于磨、冲水钻、旋转研磨、电火花加工以及电化学加工，电化学加工本身可以包括定型管电解加工、毛细管钻、电蒸气钻以及电喷流加工。通过这些或者任何其它方法钻至少一个冷却剂孔23，发生在翼面16形成之后。如果至少一个冷却剂孔23是穿过冷却剂弯头24而钻孔，用于钻孔的工具所留下的开口必需封闭或者至少部分地受到限制。类似地，如果至少一个冷却剂孔23是以任何形成开口于曲折冷却剂通道外面的不希望形成的开口方式钻出的，则该开口也必需封闭。这些开口可以通过以下方法封闭焊接、锡焊，或铜焊，或通过例如但不限于焊接、锡焊或铜焊的方法将至少一个密封结构(可以包含，也可以不包含与翼面16相同的材料)附设于翼面16。
在已经形成的翼面16中钻至少一个冷却剂孔23，以与已经形成的冷却剂弯头24连通，便不需要在形成过程中在翼面16中形成冷却剂孔23。例如，当通过熔模铸造工艺形成高长宽比的翼面16并且形成翼面16以包括冷却剂孔23时，冷却通道22的陶瓷芯能够移走，并且由于形成/铸造的冷却孔23的存在而导致的脆弱，陶瓷芯常在铸造或操作过程中破碎。通过从陶瓷芯去除冷却剂孔23，该脆弱大大减小。这样，通过在先前形成的翼面16中钻至少一个冷却剂孔23，可以在任意长宽比的翼面16中坚固地加工出曲折冷却通道22。
应该意识到，方法200还可以包括在至少一个冷却管道22中以制造热传递增强几何结构例如紊流的方式钻出至少一个冷却剂孔23。热传递增强几何结构可以在钻孔过程中通过操作任何上述的研磨机、机床或钻孔机在冷却剂孔23的壁上加工出间断而形成。
还应该意识到，尽管图1示例了一个特定的曲折设计，方法200可以包括沿着翼面16或在翼面16中的能使至少一个冷却通道22内的冷却剂改变方向的任何位置形成至少一个冷却剂弯头24。该至少一个冷却剂孔23和至少一个冷却剂弯头24，可以以适合于输送冷却剂所需的最终目的的任何方式成形和确定尺寸。
尽管本发明是参照示例性实施例进行描述的，但本领域技术人员应该知道，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和要素等同物的替换。此外，根据本发明的教导，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行多种修改，以适应特定的情况或实物。因此，重要的是，本发明不限定于作为实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，相反地，本发明包括落入分列的权利要求的范围内的所有实施例。而且，除非明确说明，术语“第一”、“第二”等的使用，不表示任何次序或重要性，术语“第一”、“第二”只是用于将一个要素与另一个相区别。
权利要求
1.一种在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，该方法包括形成包括顶端(17)和根端(18)的翼面(16)；将至少一个冷却剂弯头(24)与所述翼面(16)连接；以及从所述顶端(17)和所述根端(18)的至少一个中钻出至少一个冷却剂孔(23)，以与所述至少一个冷却剂弯头(24)相连通。
2.如权利要求1所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，其特征为所述翼面(16)通过铸造工序形成。
3.如权利要求1所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括形成叶根(14)和楔形榫(12)。
4.如权利要求3所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括在所述叶根(14)和所述楔形榫(12)的至少一个中形成入口腔(28)。
5.如权利要求3所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括在形成所述叶根(14)和所述楔形榫(12)之后，在所述叶根(14)和所述楔形榫(12)的至少一个中加工入口腔(28)。
6.如权利要求1所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括在所述至少一个冷却剂孔(23)中制造热传递增强几何结构。
7.一种在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，该方法包括形成包括顶端(17)和根端(18)的翼面(16)；至少部分地在所述翼面(16)中形成至少一个冷却剂弯头(24)；以及从所述顶端(17)和所述根端(18)的至少一个中钻出至少一个冷却剂孔(23)，以与所述至少一个冷却剂弯头(24)相连通。
8.如权利要求7所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，其特征为所述翼面(16)和所述至少一个冷却剂弯头(24)通过铸造工序形成。
9.如权利要求7所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括形成叶根(14)和楔形榫(12)。
10.如权利要求9所述的在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，还包括在所述叶根(14)和所述楔形榫(12)的至少一个中形成入口腔(28)。
全文摘要
公开了一种在涡轮叶片(10)中加工曲折冷却通道(22)的方法，包括形成包括顶端(17)和根端(18)的翼面(16)，至少部分地在翼面(16)中形成或连接至少一个冷却剂弯头(24)，从顶端(17)和根端(18)的至少一个中钻出至少一个冷却剂孔(23)，以与至少一个冷却剂弯头(24)相连通。
文档编号B23P15/02GK1974114SQ200610172850
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年11月28日
发明者M·S·迈尔, R·A·布里廷哈姆 申请人:通用电气公司