专利名称：对气态冷却剂流的冷却效果加以改善的方法以及相关制品的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种用于高温环境中的制品。确切地说，本发明涉及在这样的环境中保护制品使之不受损伤的方法。
各种材料如金属和陶瓷被用作可以暴露于高温环境下的部件。飞机发动机部件就是这种部件的例子。尽可能高地维持出现在飞机涡轮机中的最高气温以便获得工作效率。涡轮叶片和其它发动机部件通常由能抵抗高温环境的合金如超耐热合金制成，它的工作高温极限约为1000℃-1150℃。超过这些温度的工作可能造成各种涡轮机部件失效并损坏发动机。
因此，采用了许多方法来改善部件且尤其是金属部件的工作温度。例如，一个方法涉及在部件表面上使用防护涂层。这些涂层通常是陶瓷基的并且有时被称为隔热层或“TBC”s。
另一个方法(它可与TBC’s联用)要求在金属部件中引入内冷却槽，通过所述冷却槽在发动机工作过程中输送冷却空气。例如，一个冷却孔板可以从比较冷的燃烧室表面伸向一个暴露在燃烧温度至少约为1000℃的气流下的“热”表面(以后的图将用来表示这个设想)。此技术有时被称为“分立孔薄膜冷却方法”。通常来自发动机压缩机的冷却空气一般绕过发动机燃烧区并通过冷却孔被输送给热表面。冷却空气流量(空气速度与密度的乘积)与沿热表面流动的热气流量(即燃烧产物)之比有时被称为“吹送比”。冷却空气在金属表面与热气流之间形成了保护膜，由此防止了部件熔化或其它损伤。
薄膜冷却性能的特点可能是多方面的。一个相关的性能指标被称为绝热壁膜冷却效果，在本文中有时被称作“冷却效果”。这个特殊参数等同于在被冷却表面上的薄膜冷却液的密度。总的来说，冷却效果越强，可以越有效地冷却表面。
在某些环境中，流过衬底中的通道并外流向热表面的冷却剂流会快速地与热表面分开，而不是沿表面流动并与表面紧密接触。这种分离可能严重地降低了冷却效果并导致与温度相关的对部件的损坏。在飞机发动机部件如燃烧室衬底的情况下，情况通常就是这样的，在这里，吹送比通常约大于1并且通常为约2-6。
吹送比的降低如降低到小于1的优选值可以有助于防止冷却剂流与表面分离。但是，对于大多数燃烧室来说，冷却剂流的速度主要是由燃烧室衬底两侧的压降决定，涡轮机的设计者通常在不改变发动机设计的其它重要参数的情况下无法明显改变吹送比。另外，大量使用冷却空气来试图维持一定冷却能力使空气离开了燃烧区。这可能导致其它问题，如因不理想燃烧而引起的更严重的空气污染和发动机的低效率工作。
显然，改善由分立孔薄膜冷却系统产生的冷却效果的新方法将在本领域中大受欢迎。所述方法应该尤其是适用于暴露在很高工作温度下的部件、如金属基涡轮发动机部件。另外，所发现的技术应该不干扰其它功能、如涡轮发动机的有效工作或涡轮发动机部件的整体性和强度。所述方法还应该能与其它可同时采用的防护系统如隔热涂层系统兼容。最后，这些方法的实施应该优选地不明显增加制造成本或不使用相关部件或不使用带工作部件的系统。
通过在此提出的发现成果已经满足了上述需求。本发明的一个实施例涉及一种改善气态冷却剂流的冷却效果的方法，该冷却剂流穿过至少一个在一衬底中的流通孔而流向该衬底高温表面上的一出口部位。该方法包括在出口部位中断冷却剂流，从而使冷却剂流接触到了更大的高温表面面积。在许多实施例中，与传统的冷却剂流相比，本发明能够将高温表面处的冷却剂流密度至少提高到约1.1倍，并且通常是至少提高到约1.5倍。
在优选实施例中，出口部位是一个火山口形孔。另外，可以在一个涂覆在衬底上的涂层如隔热层中形成出口部位。
本发明的另一个实施例涉及一种制品，它包括一个衬底和至少一个用于冷却剂流的流通孔，该流通孔穿过衬底从第一表面到达第二表面上的出口部位。其中有选择地使所述第二表面暴露在高温下。流通孔在衬底内具有一个大致均匀的横截面积，但它在出口部位具有一个不同的横截面积，由此适于中断冷却剂流的流动。出口部位如下所述地可以成火山口形状。另外出口部位可以位于一个设置在衬底顶面上的涂层中。
一个基于本发明实施例的制品的例子是涡轮发动机的金属基部件如燃烧室。如下所述，本发明明显改善了一般用来保护涡轮发动机部件使其不过分暴露在高温下的冷却剂流的冷却效果。
图1是一个包括一排冷却孔的衬底的俯视图。
图2是一个包括一基于现有技术的冷却孔的衬底的俯视图。
图3是沿线3-3截取的图2所示衬底的截面图。
图4示出了沿线4-4截取的图2所示衬底的另一个横截面。
图5是一个包括一根据本发明的改进的冷却孔的衬底的俯视图。
图6是沿线6-6截取的图5所示衬底的截面图。
图7示出了沿线7-7截取的图5的另一个截面图。
图8是图4-6所示的改进冷却孔的一部分的另一个局部截面图。
图9是基于本发明另一个实施例的涂覆衬底一部分的局部截面图。
图10是沿线10-10截取的图9的视图。
图11是用于形成理想流通孔出口部位形状的遮蔽材料布置情况的横截面示意图。
图12是应用了本发明一个实施例的涡轮发动机的局部示意图。
图13是比较现有冷却效果和本发明冷却效果的曲线图。
图14是根据本发明另一个实施例的比较现有冷却效果和本发明冷却效果的曲线图。
图15是沿线6-6截取的图5所示衬底的截面图。
衬底可以是任何暴露在高温下且需要冷却的材料。例子包括陶瓷或金属基材料。“金属基”是指主要由单种金属或合金构成的衬底，但是它也可以包括一些非金属成分如陶瓷、中间金属相或中间相。与本发明相关的金属的非限定例子是钢、铝、高熔点金属如钛、以及超耐热合金如镍基合金。
在衬底中的冷却孔从一个表面通向另一个表面并可能为许多形状。通常，它们从一个不需要显著冷却的表面通向一个需要冷却的高温表面。高温表面的温度当然取决于衬底的最终用途。而在涡轮发动机的情况下，表面一般暴露在至少约为700℃的气温下且通常是至少约为1000℃的气温下。为了便于描述，高温表面有时在本文中将被称为“热表面”，而冷却流通孔的起始表面将被称为“冷表面”。
在图1中示出了一个示范性的衬底10。表面12被随意地标为热表面，而表面14被标为冷表面。流通孔16穿过整个孔段区18(虚线所示)，它们的出口20(也用虚线表示)在冷表面上。
热表面与冷表面之间的距离通常等于衬底厚度并且在图1中被标为尺寸“x”。此距离通常约为20毫米(mils)-2000毫米，它们更常见地约等于50毫米-200毫米。尤其是当在某类发动机部件中被用作冷却通道时，大多数孔通常大致是圆的，因此在整个衬底中成圆柱孔形。孔的平均直径一般约为10毫米-100毫米。在某些实施例中，该直径约为15毫米-50毫米。孔通常相对于衬底水平面倾斜一个角度，如倾斜至少大约10度-60度。尤其是当它们位于发动机部件如燃烧室内衬中时，角度通常大约是约20度-45度。孔的具体角度当然由部件形状、其冷却要求、穿过衬底样板的气流图形的实验观测结果(和/或计算机模拟结果)而决定。本发明意图在上述整个孔斜度范围内都可被应用。
流通孔深度(即当其倾斜时的孔长度)通常约为20毫米-4000毫米。这个范围如以下所述地考虑了出口部位的相关尺寸。一般在每平方英寸的外表面上开设大约5-200个孔。在发动机部件如涡轮机燃烧室的情况下，密度通常约为40个-80个孔/平方英寸。
应该理解的是，本发明的目的是数目不限的流通孔。例如，它可以被用来改善一大排孔(如在燃烧室内衬中看到的那样)、一行孔、任何随机形式分布或分组的孔或单个孔的冷却效果。
为了便于说明，图2示出了现有技术的单个流通孔26。俯视图示出衬底20的热表面22。实际上，冷却剂流将在入口部位30(虚线所示)进入孔并穿过孔段区28而在出口部位32流出。出口部位的开口面积在本文中有时被称为“透流区”，即在垂直于表面的方向上所看到的开口平面面积。对于现有技术的一般流通孔形状来说，出口部位的开口面积和透流区将相等，这是因为流通孔的几何形状没有改变。因此，在图2中，透流区将是部件32的面积。
图3的横截面视图示出了在涡轮发动机部件中的流通孔的一般倾斜情况(所述孔起始于冷表面24，并且直径为D)，尽管倾斜程度可以如上所述地明显改变。图4是表示在表面22上的孔26的典型形状的另一个横截面图。
为了获得最大冷却效果，流出的冷却剂流最好尽可能多地保持与热表面22的接触。但是，尤其是在上述高吹送比并且流通孔相对于衬底水平面倾斜很大角度如倾斜了30度以上的情况下，气流有时会马上离开表面。如果表面上的冷却剂密度不够，则部件可能因过度暴露在高温下而受损。
图5-8示出了其中冷却剂流被中断的本发明的一个实施例。在此特定实施例中，在热表面42上的孔46的出口部位已经经过了改动。如本文所述，“出口部位”是指临接热表面的流通孔部分并且采用例如火山口形孔、凹坑或凹腔的形式。可以用两个参数来描述该出口部位。首先，此流通孔部分的深度通常大约为孔直径的10％-500％，在优选实施例中，它大约是孔直径的20％-100％。其次，出口部位(图5的部件51)的平面面积通常约等于孔的不变部分的透流区(部件52)的50％-600％。在优选实施例中，出口部位的平面面积一般约等于透流区的200％-400％。
如以前所述的那样，本发明主要基于如此未预料到的发现，即相当突然地中断冷却剂流导致冷却剂流接触更大的热表面面积，由此获得了更高的冷却效果。在图5-8的实施例中，通过在逐个衬底40内保持基本一致的流通孔46横截面积(直径为D)但扩大了出口部位1的流通孔横截面积，从而实现了中断。如图6、7所示，出口部位可以成火山口形状，它的深度为d，其侧壁56(在此实施例中基本成圆柱形)基本上垂直于衬底表面。火山口底部的中心部分通入孔段区48内并延续到冷表面(未示出)。相对孔的其余部分(即不变部位)改进了的孔部分(即火山口)的所需尺寸是不确定的，因为根据上述尺寸，任何扩大看起来都可能对中断冷却剂流源有益。对于在一般发动机部件如燃烧室内衬中的冷却孔来说，火山口深度通常约为5毫米-100毫米并且最好约为10毫米-30毫米。如本领域普通技术人员理解的那样，流通孔本身可以是通过许多技术如激光钻孔而形成的。象图4-7所示那样的火山口也可以是通过各种已知技术如传统的车削、放电加工或喷水钻孔形成的。
在本发明的优选实施方案中，重要的是使出口部位例如火山口形孔的深度小于通道孔的长度。在更优选的实施方案中，该深度应该小于通道孔长度的约50％。在一些特别优选的实施方案中，出口部位的深度小于通道孔长度的约35％。相对于通道孔长度而言较浅深度的出口部位会容易使冷却剂流全力流动通过孔，直到它遇上障碍物。冷却剂流中的这种中断提供了在此讨论的优点。
此外，在本发明的许多优选的实施方案中，通道孔的轴线(或中心线)不与出口部位的轴线对准。这种错开使得与简单中断冷却剂流或仅仅使冷却剂流在一个稍微不同的方向上流动相比能使冷却剂流产生不同类型的中断，这种错开通常是显著的。
图15是图6的基本上相同的放大视图，示出了通道孔和出口部位(在此为火山口形孔的形式)之间的相对错开位置。衬底140包括通道孔142，该通道孔的轴线144大致贯穿其中心(纵向)。通道孔终止在火山口形孔146处，该火山口形孔具有大致贯穿中心或其长度即深度“d”的轴线148。通道孔轴线144和火山口形孔轴线148的下部延伸部分之间的角度150优选至少为约20度，更优选地至少为约30度。
图8是图5-7所示的改进流通孔46的一部分的另一个横截面图。孔段区48的终点位于用作出口部位的倒圆火山口51处。水平凸缘58(不一定要存在于所有实施例中)位于流通孔48与侧壁56的结合部。如上所述，由火山口引起的冷却剂流中断令人惊讶地导致了流过的冷却剂流始终与大部分热表面42接触。
应该理解的是，在某些实施例中，侧壁56不必基本上垂直于表面42。换句话说，据信侧壁可以相对于垂直位置倾斜。例如，侧壁相对于表面42(或水平凸缘58)的角度可以低至约30度并高达约120度。根据本发明的教导，本领域技术人员可以进行模拟或实际的流体实验来确定特定倾斜角度对于与表面42有关的冷却剂流的影响。
另外，侧壁在某些实施例中不一定是平面的或光滑的。例如，当出口部位的侧壁是在将遮蔽材料从流通孔及周围区域中除去之后在一个涂层中形成的时候，侧壁表面可以是相当不规则的。图11所示的和以下描述的实施例通常具有这种侧壁表面的特征。
根据本发明在衬底中形成出口部位可以是通过许多方法实现的，例如一般的金属基衬底的金属加工工序。钻孔、成型和机加工技术可被用于形成如说明书所述的孔。对于一排孔来说，这些工艺有时将是在计算机的辅助下如通过自动化系统而进行的。
在某些实施例中，所需的孔出口形状是通过将一个覆板放在衬底的高温表面上而获得的。覆板将具有一个与衬底表面同平面即适于与之接合的下表面。它将具有与衬底中的流通孔对准的孔，其尺寸等于所需的出口部位尺寸。在大多数实施例中，板厚将基本上等于出口部位的深度。板将通过任何适于衬底最终用途的技术被粘合到衬底上。在某些情况下，可以采用机械方式如螺栓、焊接、钎焊、扩散焊等，而在其它实施例中可以采用粘结剂。所形成的制品在结构上与图6-8的加工件相似。如果人们将上层64视作覆板的话，制品也会与图9、10(以下将描述)中的相似。
在本发明的另一个实施例中，出口部位可以是通过将一层材料涂覆到衬底的高温表面上而形成的。通常，所述材料是一种适用于高温的材料，如前述的TBC涂层。它通常是陶瓷基的材料。但在某些实施例中，上层材料可以是合成聚合物如环氧树脂或酚醛树脂。这些实施例将适用于低温最终用途、如低于400℃的用途。
图9示出了此实施例的一个非限定例子，其中上层64位于衬底60的热表面62上。层64包括一个孔或“火山口”，它们用作流通孔68的出口部位72。图10是沿线10-10的图9的横截面视图，它还示出了出口部位的一个可能形状。尽管此图示出了存在水平凸缘78，该凸缘可具有一个小于所示长度的长度，或者如果侧壁76是按照使其更靠近流通孔68最上边缘的方式形成的话，可以省去凸缘。
出口部位72具有一个近似于上述实施例的深度d(它在此实施例中基本上等于侧壁76的高度)，即根据上述尺寸的深度。另外，侧壁76不必基本上垂直于表面62和凸缘78。至于在其它实施例中，侧壁可以相对于垂直位置倾斜，如相对于垂直位置倾斜低至-60度或高至+30度，其中负角度被定义为侧壁顶部向内倾斜朝向火山口中心的角度，正角度当然就是沿反向倾斜的角度。同样地，可以采用各种冷却剂流实验来确定侧壁的最适当位置。
还应该理解的是，在本发明的各个实施例中，出口部位或火山口可以对准流通孔的上游边缘(即最靠近冷却剂流源的边缘)，或者对准其下游边缘。但是，火山口不一定要对准任一边缘，它甚至可以延伸超过流通孔的边缘。又可以采用冷却剂流实验来确定最适当的形状。
层64可以由一般将构成TBC(本身)、TBC的粘合层或涂覆到粘合层上的TBC的材料制成。双涂层结构通常被成为“TBC系统”。这些类型的材料在本领域中是众所周知的，因而在此不必详细介绍。TBC系统保护金属基的衬底(或其它类型的衬底)并有效地改善装有那些衬底的部件如飞机发动机的实际工作温度。金属衬底的粘合层通常对于改善衬底与TBC之间的粘结很重要，它通常由象“MCrAlY”的材料构成，其中“M”代表金属如铁、镍、或钴。通常可以通过各种传统技术如PVD、离子喷涂(如空气离子)、CVD或离子喷涂和CVD技术的组合方式来涂覆粘合涂层。
本身用于金属基衬底的TBC通常如上所述是氧化锆基材料并且一般是通过离子喷涂技术或通过电子束物理蒸镀(EB-PVD)方式被涂覆上的。如本文所述的那样，“氧化锆基”包括含至少75％的氧化锆的陶瓷材料。氧化锆是众所周知的隔热层用化合物并且例如在Kirk-Othmer的《化学工艺大全》(1984年第3版，卷24，882-883页)中描述了。在优选实施例中，氧化锆通过与象氧化钇、氧化钙、氧化镁、氧化铈、氧化钪及其混合物这样的材料混合而得到化学稳定。在一个特定例子中，氧化锆可以与大约1％-20％(重量百分比)的氧化钇(根据其混合重量)混合并优选地与3％-10％(重量百分比)的氧化钇混合。
与涂覆粘合层和TBC的各种技术相关的细节例如可以在Kirk-Othmer的《化学工艺大全》(第3版，卷15(1981)和卷20(1982))、Ullmann的《工业化学大全》(第5版，卷A6，VCH出版社(1986))、H.Herman的《美国科学》(1988年9月)、美国专利5,384,200中找到，这些内容在此引入作为参考。因此，本领域普通技术人员可以容易地熟悉各种相关的工艺细节，如在镀覆前清理表面，喷砂(或以其它磨削方式)以便除去氧化物并使表面变粗糙，衬底温度，离子喷涂参数(如果使用的话)如喷涂距离(喷枪到衬底)、选择喷涂次数、粉末输送量、喷枪功率、离子气选择，镀覆角度，涂层后处理(如除毛刺)等。
当衬底是涡轮发动机的金属基部件时，粘合层通常具有大约1毫米-10毫米的且优选约为3毫米-7毫米的厚度，而TBC本身具有大约5毫米-100毫米的且最好约为10毫米-40毫米的厚度。因此，当图9、10所示实施例中的上层64是TBC系统时，它将通常具有在粘合层与TBC组合范围内的尺寸。如果粘合层或TBC被单独用于形成层64，则将根据双组分TBC系统所用范围中的厚度来对其进行涂覆。如上所述，冷却剂流的性能将决定层64的适当厚度(因而，决定出口部位72的深度)。
冷却流通孔可以是在象层64这样的上层中通过多种技术形成的。非限定例子包括激光钻孔以及传统钻孔和喷水钻孔。当上层是由合成材料或塑料制成的时候，孔可能有时是通过光刻技术如仿形和蚀刻形成的。
但在优选实施例中，如图9所示结构的一个孔和最终出口部位是通过在V.S Venkataramani等人的申请日为1996年12月3日的专利申请系列号(S.N.)08/758328的文献中教导的普通技术形成的。Venkataramani等人的专利申请被转让给了同一受让人，这篇文献的内容在此引入作为参考。在那篇专利申请中提出的主要发明目的是暂时保护一个衬底流通孔使之不受衬底涂层的阻碍。但是，使用该发明的一些实施例也如本发明所要求的那样导致了有效中断冷却剂流流动的流通孔出口部位。
根据S.N.08/758328的发明，图9的孔68在形成层64之前将先被充满并被一可凝固的遮蔽材料所覆盖。遮蔽材料(掩蔽材料)将在孔上形成突起。在掩蔽材料固化后，至少一个涂层被涂覆在整个衬底和掩蔽材料上，由此形成了层64。如参考专利申请所述的那样，涂层基本上没有粘结到突起上。这个发现表明了特别有利的特点，因为暴露的突起和下面的掩蔽材料的其余部分是比较容易除去的。随后除去掩蔽材料以露出流通孔，由此使冷却剂不受阻挡地流动。另外，除去掩蔽材料后的出口部位72的几何形状导致冷却剂流如本申请所述的那样接触更大的高温表面面积(即，在此时就是层64的上表面66)。
图11示出了在也形成必需的本发明出口部位形状的同时设置保护流通孔的掩蔽材料的横截面图。凝固的掩蔽材料100填充并覆盖了贯穿衬底80的孔90。在此特定实施例中，衬底包括涂层82、84。在衬底是涡轮发动机部件的实施例中，层82、84通常如上所述地是粘合层和TBC。如图所示，掩蔽材料(或母体材料)可以从冷表面94上的孔入口98被挤压穿过孔并通过热表面92上的孔流出，由此形成突起96。挤压可以通过将一层掩蔽材料覆盖到冷表面94上并接着在冷表面与热表面92之间形成压差来进行，这将使掩蔽材料穿过孔并流到热表面上。掩蔽材料在热表面上构成突起并且突起通常成椭圆顶形。
与保护流通孔和有效形成所需出口部位形状的方法相关的其它各细节在申请S.N.08/758328中说明了，因而不必在此详细讨论。总而言之，掩蔽材料可以包括许多种热固型材料或热塑材料如环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、热塑聚酯、聚酰胺、聚烯烃、苯基树脂和热塑材料的共聚物或混合物(用于热塑材料的树脂“凝固”一词通常是指材料冷却并硬化，这是聚合物领域技术人员熟知的)。树脂通常与至少一种添加剂、增塑剂或液晶材料联合使用。整个材料显示出基本上无牛顿流动特性，例如宾哈姆固态特性，而这是用于保证形成突起的。
在所需的涂层已被涂覆到衬底上之后，除去掩蔽材料以便露出流通孔。如申请S.N.08/758328所述的那样，可以通过各种技术实现去除，如使用溶剂或热解。在上层涂层中形成的出口部位形状如图9、10所示改善了流过流通孔并沿热表面64流动的冷却剂流的冷却效果。
图12是可利用本发明的一种涡轮发动机的局部110的整体视图。这种发动机的部件在本领域中是众所周知的。来自压缩机(未示出)的空气流过通道112并进入燃烧室116。大部分空气被引入燃烧区117，它和油料一起来自于油料源114。油料和空气在燃烧区混合并被点燃。同时，使独立的空气流流过内衬通道118、120并沿燃烧室内衬的冷侧面122、123流动。冷却剂流通过燃烧室内衬128中的流通孔126进入燃烧区117，所述内衬就是本发明所指的“衬底”。冷却剂流在燃烧区的内表面流出衬底，即沿燃烧室内衬的热侧面124、125流动。各流动孔出口部位的几何形状在前些图中示出了。根据本发明，与采用传统流通孔时的情况相比，被中断的冷却剂流更加大面积地接触热侧面124、125。由此获得了更高的燃烧室内衬的冷却效果。
如上所述，本发明的另一个实施例涉及一种制品，它包括a)一个衬底；以及b)至少一个用于冷却剂流的流通孔，该流通孔穿过衬底从第一表面到达第二表面上的出口部位，其中有选择地使所述第二表面暴露在高温下，流通孔在衬底内具有一个大致均匀的横截面积，但它在出口部位具有一个不同的横截面积，由此适于中断冷却剂流的流动。其它与部件相关的细节已经具体描述了并且也已经在图中示出了。
对于在其它类型的发动机部件如涡轮叶片、叶轮和端壁中的冷却槽进行改动来说，本发明也是有效的。另外，本发明能够可被用于改变在任何其它类型结构的通道中流过的空气或其它气体的流动。
例子这些例子只是示范性的，它们不应该被解释为是对所要求保护的本发明范围的任何限制。
例1对两个金属基衬底进行薄膜冷却性能测量。衬底A是铝并且约厚400毫米。它具有六个长约1200毫米、直径约100毫米的流通孔。孔以6.5孔径距离间隔开。它们相对于衬底上表面大约倾斜20度，所述上表面在此被随意地称为“热表面”。流通孔具有传统形状，即没有对孔形状进行改动。
衬底B也是铝制的。衬底主体具有与衬底A相同的厚度和相同类型的流通孔(六个)。但是，一个具有六个垂直于板面的流通孔的板被面对面地覆盖在衬底上。板约厚75毫米，板中的六个圆孔对准了主衬底中的流通孔。这导致形成了流通孔的改进的出口部位，其形状与图9、10所示形状相似。
用水作为流体实验的冷却剂。特征技术采用了平面激光引发荧光(PLIF)，这在托马斯F.富里克等人的、申请日为＿＿＿＿的未决临时专利申请S.N.＿＿＿＿(RD-25，146PA)中描述了，这篇文献在此引入作为参考。这种技术产生了壁附近的流体密度的可靠测量结果，它是沿预定表面尺寸测量冷却流体密度的。简而言之，先调整冷却模型的定位，从而一个轻片(由激光产生的)平行于冷却模型。带热气模拟流和冷却模拟流(在这里都是水)的实验槽接着被均匀地充满了水，所述水含荧光染色剂。冷却模拟流经过相关流通孔，例如，吹送比为约0.5-5.7。
记录下所得到的荧光图象。接着冲洗系统并只在冷却模拟流中提供相同的染色流体密度。再次记录下所产生的荧光图象。冷却模拟流图象接着经数学计算被综合的热气流和冷却流图象分解，这采用了能够瞬时测量在冷却模型上方任意位置上的冷却流体密度和平均时间的数字图象处理系统。对每个衬底采用相同的技术。对照六个不同的吹送比测量冷却性能。流过冷却孔的空气的雷诺德数(无量纲流体参数)大约为1000(雷诺德数将随吹送比的提高而增大)。冷却剂密度与主流密度之比约等于1.0。
以从0％到100％的比例来表示冷却效果的范围。0％表示在表面的某个给定部位上没有冷却流体。比例渐增到100％，而增大的百分比表示在相关表面上的较高的冷却流体密度。
相对以下吹送比，对衬底A进行测量(即在本发明范围外的传统流通孔出口形状)，该吹送比分别为0.5，0.8，1.7，3.3，4.4和5.7。在吹送比为0.5时，冷却效果约为20％。在吹送比增加到1.7时，冷却效果未见改善。实际上，它大约降低到5％。当吹送比为3.3时，明显有改善，但是冷却效果仍然未达到吹送比为0.5时的效果。当吹送比为4.4和5.7时，可以看到有进一步的改善，平均冷却效果值大致位于吹送比为0.5时的冷却效果范围内。看起来，在两个最高的吹送比的情况下，冷却剂流继续与热表面分开，但是大股冷却剂流造成一些冷却剂下沉朝向表面并提供额外冷却保护。不过，增加提供额外保护的吹送比是有严重缺点的。例如，在涡轮发动机的空气冷却剂系统的情况下，吹送比的改善降低了可以流入燃烧室预混合器中的空气量。这又增加了燃烧所产生的污染产物。
如上所述，对衬底B进行相同的流体实验，衬底具有六个根据本发明改进了出口部位形状的流通孔。在吹送比为0.5时，与衬底A相比，可以看到即刻的改善。在吹送比为0.5时的平均冷却效果大约为30％-40％，这表示更多的冷却剂正在接触表面。冷却效果随吹送比的提高而连续改善，最终达到了吹送比为1.7时的约50％的平均冷却效果，这表示更多的表面正在有利地受到冷却剂流的影响。另外，在不借助高达3.3-5.7的吹送比的情况下，获得了冷却效果的改善。因此，如上所述，在消耗了用于其它部位如燃烧室预混合器的冷却剂的情况下，并没有提高优势。(与衬底A相比，吹送比为3.3-5.7时的冷却效果也明显改善了，平均冷却效果值为30％-40％，这仍然明显超过了衬底A的类似值)例2尽管例1所实行的实验被设想用来可靠地预测空气冷却剂的冷却效果(根据水冷效果)，但利用气流采取了一个附加实验。衬底C、D是用不锈钢制成的，但是也可以与例1所用材料相似。衬底厚度为0.4英寸。衬底C具有五个排成一行的且具有传统形状的孔。衬底D也具有五个排成一行的但具有本发明的改进的出口部位形状的孔。按照例1中的衬底B的方式进行改动，即一个板位于衬底主体上，它具有五个对准衬底孔的圆板孔。与衬底B的情况一样，使火山口(出口部位)如图9、10所示地对准流通孔的其余部分。
在各种情况下，衬底构成了小金属送风槽的一个壁的一部分。各孔之间的距离是6.5倍的直径，冷却孔直径在各种情况下约为0.1英寸。对于衬底D来说，火山口深度约为0.075英寸，而火山口直径为0.235英寸。冷却孔相对于水平位置倾斜20度。
冷却空气(约等于室温和室压)流过冷却孔，而热空气(约为600°F(315℃)和室压)流过送风槽。在冷却孔下游的送风槽的壁是绝热的。它还装有多个热电偶以便测量壁温。根据以下公式，冷却孔下游的壁温(T)被定义为“冷却效果”冷却效果，“η”＝(T壁-T主流)/(T冷却空气-T主流)更高的冷却效果表示更强的冷却。冷却剂密度与主流密度之比约等于1.9，它与在涡轮发动机燃烧区域内所发现的值相似。流过冷却孔的空气的雷诺德数也接近于在燃烧室燃烧区域内发现的值，即约1000。
对衬底C、D进行五个不同的吹送比(标为M)的试验。试验结果在图13中示出。图在Y轴上示出了冷却效果，其作为冷却孔边缘下游的距离的函数(X轴，按照孔径单位)。在沿表面流动的主流方向上，沿被冷却表面和一排孔中中间孔的中心线来测量冷却效果。显然，在具有本发明的改进流通孔的情况下，冷却效果明显改善。例如，在吹送比为1的情况下，可以沿整个表面看到更高的冷却效果值。在沿表面的距离更大时如x/D值约为60-80时，衬底C、D的冷却值之差不明显(尽管仍很显著)。这看起来是由于在那些距离上的冷却剂流分散到热气中并由此失去了一些效力。(在本领域中达成共识的是，薄膜冷却方式在大体靠近孔的区域内是有利的方法)在其它吹送比情况下的冷却效果差别通常比吹送比为1时更明显。因此，显示出了下游的改善的冷却效果。即使密度比和雷诺德数高于例1中的情况，这种结果也出现了。
例3在此例子中，对其中出口部位形状因使用隔热层(TBC)而改变的衬底进行薄膜冷却性能的测量。对比样品是涂覆TBC前的衬底。它将被定义为样品E，而涂覆有TBC的衬底将被定义为衬底F。衬底是镍基超耐热合金，它的厚度约为80毫米。衬底是有371个孔的3×3平方英寸衬底，所述孔是通过激光钻孔形成的。孔长度约等于240毫米，孔径约等于22毫米。孔间隔为5.9倍孔径，它们相对于衬底上表面倾斜约20度，它们在此被称为“热表面”。流通孔在涂覆TBC系统之前具有传统形状，即没有任何改动。
样品F的流通孔出口部位形状是根据申请S.N.08/758328所述的工艺制成的。在这里，双组分环氧材料从衬底上游侧(即与热表面相对的表面，有时被称为“冷”表面)受挤压穿过孔，由此在热表面上形成了突起，这与图11所示的情况相似。在喷砂处理过表面后，一个由NiCrAlY构成的粘合涂层通过空气离子喷涂方式被涂覆了约5毫米厚。基于钇稳定的氧化锆的TBC接着也通过空气离子喷涂方式涂覆了约10毫米厚。接着通过热解方式在高温炉子中除去环氧树脂材料。所形成的流通孔出口部位包括一个形状大致成椭圆形的火山口，它的透流区宽度为58毫米，火山口区直径(即与气流方向垂直的TBC开口)等于47毫米。出口部位的侧壁略微弯曲并且不平整，正如当除去图11所示结构中的遮蔽材料时那样。
通过例1所述的PLIF技术测量冷却效果(在TBC系统涂覆之前和之后)，其中使冷却模拟流经过相关流通孔。水被用作冷却剂。在这种情况下，值(M)为4的吹送比被检测到，它表示燃烧内衬环境。
图14基于这些实验结果并作为气流位置的函数示出了冷却效果。在图中画出了两条曲线，表示在吹送比为4的情况下的样品E、F。Y轴表示薄膜冷却效果，X轴表示在流通孔阵列中的x/D距离，其中x/D的0值是第一行孔(实验技术允许产生行列中心部的数据)。与具有单行孔的情况不同，孔阵列中的各行孔涉及到进一步添加冷却剂流材料，冷却效果值随下游渐进而改善(与例1、2相比)。很明显具有改进出口孔形的样品的冷却效果显著改善了，并且可能改善达两倍。
尽管为了说明而描述了优选实施例，但是上述描述不应该被认为是对本发明范围的限制。因此，本领域普通技术人员可以在不超出所要求保护的开创构思的精神和范围内想象出各种修改方案、适应改动和替换方式。
所有专利、专利申请(包括临时性申请)、文献和以上提到的文章在此都被引入作为参考。
权利要求
1.一种改善气态冷却剂的冷却效果的方法，该冷却剂流穿过在一衬底中的至少一个流通孔流向该衬底高温表面上的一个出口部位，所述通道孔相对于衬底表面倾斜一个约为10度-60度的角度，所述出口部位具有的深度小于通道孔的长度，其中该方法包括在出口部位处中断冷却剂流，从而冷却剂流接触到了更大的高温表面面积。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，流通孔在衬底中具有一个大致均匀的横截面积，但它在出口部位具有一个不同的横截面积。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，出口部位的横截面积大于衬底中的横截面积。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，出口部位的深度约等于衬底中孔的横截面积的10％-500％，出口部位的平面面积约等于衬底中孔的横截面积的50％-600％。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，出口部位的深度约等于衬底中孔的横截面积的20％-100％，出口部位的平面面积约等于衬底中孔的横截面积的200％-400％。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，出口部位是一个其侧壁大致垂直于衬底表面的火山口形孔，它具有一个与衬底中通孔的其余部分连通的开口底部。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，火山口形孔的深度大约为5毫米-100毫米。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底具有一行孔。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底具有一个孔阵列。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述孔相对于衬底表面大约倾斜10度-60度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使该孔相对于衬底表面大约倾斜20度-45度。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底被至少一个涂层覆盖，流通孔通过所述涂层连通。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底是由一种选自陶瓷和金属基材料的材料制成的。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底是气流涡轮机的一个部件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该部件是燃烧室的一个内衬壁，冷却剂流从低温表面穿过内衬流向高温表面上的出口部位。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，衬底包含一种超耐热合金。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，衬底被一个隔热涂层覆盖，流通孔通过所述隔热涂层连通。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，高温表面被暴露在温度至少约为1000℃的热气流下。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，冷却剂流与热气流的吹送比约等于0.5-6。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个涂层被涂覆到衬底上，出口部位被包含在涂层中。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，流通孔在衬底中具有一个大致均匀的横截面积，但它在出口部位具有一个不同的横截面积。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，出口部位的深度约等于衬底中孔的横截面积的10％-500％，出口部位的平面面积约等于衬底中孔的横截面积的50％-600％。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，出口部位是一个火山口形孔，它具有一个与衬底中通孔的其余部分连通的开口底部。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，涂层包括一隔热涂层。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，涂层包括一个用于一隔热涂层的粘合层。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，涂层包括涂覆到一粘合层上的隔热涂层，该粘合层又涂覆到一个衬底上。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，出口部位是通过这样的技术形成的，该技术包括以下步骤(a)用一种在孔上形成一突起的可固化遮蔽材料来填充和覆盖孔；(b)使遮蔽材料固化；(c)将涂层涂覆在衬底和遮蔽材料上，其中涂层基本上没有粘附到突起上；以及(d)除去遮蔽材料以便露出流通孔和出口部位。
28.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与气流未被中断的冷却剂流的冷却效果相比，气态冷却剂在高温表面附近的密度被提高到至少约1.1倍。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，与气流没被中断的冷却剂流的冷却效果相比，气态冷却剂在高温表面附近的密度被提高到至少约1.5倍。
30.一种制品，它包括a)一个衬底；以及b)至少一个用于冷却剂流的流通孔，该流通孔穿过衬底从第一表面到达第二表面上的出口部位，其中有选择地使所述第二表面暴露在高温下，其中通道孔相对于衬底表面倾斜一个约为10度-60度的角度，所述出口部位具有的深度小于通道孔的长度，并且流通孔在衬底内具有一个大致均匀的横截面积，但它在出口部位具有一个不同的横截面积，由此适于中断冷却剂流的流动。
31.如权利要求30所述的制品，其特征在于，流通孔在衬底中具有一个大致均匀的横截面积，但是它在出口部位具有更大的横截面积。
32.如权利要求30所述的制品，其特征在于，出口部位是一个火山口形孔，它具有一个与衬底中通孔的其余部分连通的开口底部。
33.如权利要求30所述的制品，其特征在于，出口部位的深度约等于衬底中孔的横截面积的10％-500％，出口部位的平面面积约等于衬底中孔的横截面积的50％-600％。
34.如权利要求33所述的制品，其特征在于，出口部位的深度约等于衬底中孔的横截面积的20％-100％，出口部位的平面面积约等于衬底中孔的横截面积的200％-400％。
35.如权利要求30所述的制品，其特征在于，至少一个涂层被涂覆到衬底上，出口部位被包含在涂层中。
36.如权利要求35所述的制品，其特征在于，涂层包括一个隔热涂层。
37.如权利要求35所述的制品，其特征在于，涂层包括一个用于一隔热涂层的粘合层。
38.如权利要求35所述的制品，其特征在于，涂层包括一个涂覆在一个粘合层上的隔热涂层，所述粘合层又被涂覆到衬底上。
39.如权利要求30所述的制品，其特征在于，衬底具有一个孔阵列。
40.如权利要求30所述的制品，其特征在于，衬底是由一种选自金属基材料和陶瓷的材料制成的。
41.如权利要求30所述的制品，其特征在于，衬底是气流涡轮机的一个部件。
42.如权利要求41所述的制品，其特征在于，衬底是由超耐热合金材料制成的。
43.如权利要求1所述的方法，其特征在于出口部位的深度小于通道孔长度的约50％。
44.如权利要求1所述的方法，其特征在于通道孔的轴线与出口部位的轴线不对准。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于通道孔的轴线和出口部位的轴线之间的角度至少约为20度。
46.如权利要求30所述的制品，其特征在于出口部位的深度小于通道孔长度的约50％。
47.如权利要求30所述的制品，其特征在于通道孔的轴线和出口部位的轴线不对准。
48.如权利要求47所述的制品，其特征在于通道孔的轴线和出口部位的轴线之间的角度至少约为20度。
全文摘要
一种改善冷却剂流的冷却效果的方法,该冷却剂流穿过一衬底中的至少一个流通孔流向该衬底高温表面上的一出口部位。该方法包括在出口部位中断冷却剂流,从而冷却剂流接触到了更大的高温表面面积。在某些实施例中,出口部位是一个火山口形孔。另外,可以在一涂覆于衬底上的涂层中形成出口部位,例如在涂覆于超耐热合金衬底上的隔热涂层中形成出口部位。本文还披露了相关制品。
文档编号F23R3/42GK1272593SQ00104969
公开日2000年11月8日 申请日期2000年4月5日 优先权日1999年4月5日
发明者T·F·弗里克, R·P·坎贝尔 申请人:通用电气公司