专利名称：具有微通道冷却的构件的制作方法
具有微通道冷却的构件技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及其中的微通道冷却。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合，以产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中抽取能量，高压涡轮对压缩机提供功率，低压涡轮对涡轮风扇航空器发动机应用中的风扇提供功率，或者对航海和工业应用中的外部轴提供功率。
发动机效率随燃烧气体的温度的升高而提高。但是，燃烧气体会沿着它们的流径加热多种构件，构件进而需要进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机中泄放空气来冷却热气路径构件。这个冷却过程会降低发动机效率，因为在燃烧过程中未使用泄放空气。
燃气涡轮发动机冷却技术是成熟的，并且包括关于多种热气路径构件中的冷却回路和特征的各方面的许多专利。例如，燃烧器包括需要在运行期间冷却的径向外部衬套和径向内部衬套。涡轮喷嘴包括支承在外部带和内部带之间的空心导叶，外部带和内部带也需要冷却。涡轮转子叶片是空心，并且典型地在其中包括冷却回路，其中，叶片由涡轮护罩包围，涡轮护罩也需要冷却。通过排气口排出热的燃烧气体，排气口可能也加有衬套，并且被适当地冷却。
在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄壁来降低构件的重量，以及最大程度地减少其冷却需要。针对这些单独的构件在它们在发动机中的对应的环境中订制多种冷却回路和特征。例如，在热气路径构件中可形成一系列内部冷却通道或盘管。可从气室对盘管提供冷却流体，并且冷却流体可流过通道，从而冷却热气路径构件衬底和任何相关联的涂层。但是，这个冷却策略典型地会引起较低的传热速率和不均匀的构件温度轮廓。
具体而言，涡轮叶片尖部烧坏是燃气涡轮行业中的普遍问题。因此，提供将使叶片尖部足够耐用，以承受住它们的高温工作环境，同时还提供空气动力学密封功能和摩擦保护的改进的尖部冷却将是合乎需要的。发明内容
本发明的一方面在于一种包括衬底的构件，该衬底具有外表面、内表面和尖部。内表面限定至少一个空心内部空间。外表面限定一个或多个凹槽，其中，各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并且具有基部。构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。涂层至少包括在凹槽(一个或多个)上面延伸的结构涂层，使得凹槽(一个或多个)和结构涂层共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽，以及设置在衬底的径向外部端处的尖部缘边，其中，尖部缘边至少部分地限定与至少一个冷却通道处于流体连通的至少一个排出通道。
本发明的另一方面在于一种包括衬底的构件,该衬底具有外表面、内表面和尖部。内表面限定至少一个空心内部空间，并且尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽。外表面限定一个或多个凹槽，并且各个凹槽至少部分地沿着尖部帽的外表面延伸，并且具有基部。构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。涂层至少包括在凹槽(一个或多个)上面延伸的结构涂层，使得凹槽(一个或多个)和结构涂层共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽，并且冷却通道(一个或多个)至少部分地沿着尖部帽延伸。
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中: 图1是燃气涡轮系统的示意图； 图2是根据本发明的各方面的、具有冷却通道的示例翼型件构造的示意性横截面； 图3是示例燃气涡轮转子叶片的部分剖开的等距视图； 图4是通过图3中示出的翼型件尖部的、沿着4-4得到的正视截面图，其显示了微通道与进入通道和排出通道处于流体连通； 图5是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道和排出通道处于流体连通； 图6在透视图中示意性地描绘了三个示例微通道，它们部分地沿着衬底的表面延伸，并且将冷却剂引导到相应的膜冷却孔； 图7是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通； 图8是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通； 图9是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通； 图10是通过没有尖部缘边的翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着斜尖部帽延伸，并且与相应的进入通道和排出通道处于流体连通；以及 图11是三个凹腔(re-entrant)形通道的横截面图，其中，多孔槽口延伸通过结构涂层； 图12是通过具有微通道冷却式尖部架的翼型件尖部的正视截面图； 图13是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示微通道部分地沿着尖部缘边延伸；以及 图14是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道沿着尖部缘边延伸。
部件列表 10燃气涡轮系统 12 压缩机 14 燃烧器 16 涡轮 114 轴 20 燃料喷嘴 34 尖部 36 尖部缘边 40 尖部帽 54 内结构涂层层 56 外结构涂层层 100 热气路径构件 110 衬底 112 衬底的外表面 114 空心内部空间 116 衬底的内表面 130 通道 132 凹槽 134 凹槽的基部 136 凹槽的开口(顶部) 140 进入孔 142 膜孔 144 可渗透式槽口 150 涂层 152 排出通道 154 衬底的径向外部端 156 尖部帽的径向外部端 160 尖部架。
详细描述 用语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来区分一个元件与另一个元件。用语“一个”和“一种”在本文中不表示对数量的限制，而是相反，它们表示存在至少一个所参照的项目。与数量结合起来使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有上下文所规定的含义(例如包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。另夕卜，用语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。
此外，在此说明书中，后缀“(一个或多个)”通常意于包括其修饰的用语的单数和复数两者，从而包括一个或多个该用语(例如，“通道孔”可包括一个或多个通道孔，除非另有规定)。在整个说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的参照意味着与实施例结合起来描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可存在于或不存在于其它实施例中。类似地，对“特定构造”的参照意味着与构造结合起来描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文描述的至少一个构造中，并且可存在于或不存在于其它构造中。另外，要理解的是，所描述的有创造性的特征可按任何适当的方式结合在多种实施例和构造中。
图1是燃气涡轮系统10的示意图。系统10可包括一个或多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16可由一个或多个轴18联接。轴18可为单个轴，或者联接在一起而形成轴18的多个轴节段。
燃气涡轮系统10可包括许多热气路径构件100。热气路径构件是系统10的至少部分地暴露于通过系统10的高温气体流的任何构件。例如，轮叶组件(也称为叶片或叶片组件)、喷嘴组件(也称为导叶或导叶组件)、护罩组件、过渡件、固定环和压缩机排气构件都是热气路径构件。但是，应当理解，本发明的热气路径构件100不限于以上示例，而是可为至少部分地暴露于高温气体流的任何构件。另外,应当理解,本公开的热气路径构件100不限于燃气涡轮系统10中的构件，而是可为它的可暴露于高温流的机器或其构件的任何零件。
当热气路径构件100暴露于热气流时，热气路径构件100被热气流加热，并且可达到热气路径构件100显著退化或失效的温度。因而，为了允许系统10以处于高温的热气流运行，从而提高系统10的效率、性能和/或寿命，需要一种用于热气路径构件100的冷却系统。
通过尽可能接近受加热区域而布置冷却，从而针对给定的传热速率减小主承载衬底材料的热侧和冷侧之间的温差，微通道冷却具有显著地减少冷却要求的潜力。
大体上，本公开的冷却系统包括形成于热气路径构件100的表面中的一系列小通道或微通道。对于工业级功率发生涡轮构件，“小”或“微”通道的尺寸将包含大致在0.25mm至1.5mm的范围中的深度和宽度，而对于航空级涡轮构件，通道的尺寸将包含大致在0.1mm至0.5_的范围中的深度和宽度。热气路径构件可设有保护涂层。可从气室对通道提供冷却流体，并且冷却流体可流过通道，从而冷却热气路径构件。
参照图2-6和11描述构件100。如例如在图2和3中所指示的那样,构件100包括具有外表面112、内表面116和尖部34的衬底110。如例如图2中指示的那样，内表面116限定至少一个空心内部空间114。如例如在图2和6中所指示的那样，外表面112限定一个或多个凹槽132，其中，各个凹槽132至少部分地沿着衬底110的外表面112延伸，并且具有基部134。对于图3中显示的构造，构件100包括涡轮翼型件100，并且各个空心内部空间114包括至少一个流动通道(也由参考标号114指示)的相应的节段。
典型地，在形成凹槽(一个或多个)132之前铸造衬底110。如Melvin R.Jackson等人的美国专利N0.5, 626, 462 “Double-wall airfoil (双壁翼型件)”中论述的那样(该专利整体地结合在本文中)，衬底110可由任何适当的材料形成。取决于构件100的预期应用，这可包括Ni基、Co基和Fe基超合金。Ni基超合金可为包含Y相和Y’相两者的那些，特别是其中Y’相占超合金的至少40体积％的包含Y和Y’相的那些Ni基超合金。已知这样的合金是有利的，因为结合了合乎需要的属性，包括高温强度和抗高温蠕变性。衬底材料也可包括NiAl金属间合金，因为也知道这些合金拥有有利于用于航空器的涡轮发动机应用的优良属性的组合，包括高温强度和抗高温蠕变性。在Nb基合金的情况下，具有优良的抗氧化性的经涂覆的Nb基合金将是优选的，特别是包括Nb- (27-40) T1- (4.5-10.5)Al- (4.5-7.9) Cr- (1.5-5.5)Hf- (0_6) V的那些合金，其中，组成范围的单位为原子百分数。衬底材料也可包括包含至少一种二次相(诸如含Nb金属间化合物，包括硅化物、碳化物或硼化物)的Nb基合金。这样的合金是延展相(即，Nb基合金)和强化相(即，含Nb金属间化合物)的复合物。对于其它布置，衬底材料包括钥基合金，诸如基于钥(固溶体)的、具有Mo5SiB2和Mo3Si 二次相的合金。对于其它构造，衬底材料包括陶瓷基质复合物，诸如用SiC纤维加强的碳化硅(SiC)基质。对于其它构造，衬底材料包括TiAl基金属间化合物。
可使用多种技术来形成凹槽132。用于形成凹槽(一个或多个)132的示例技术包括研磨液体射流、浸入式电化学加工(ECM)、具有旋转电极的放电加工(EDM) (EDM铣削)和激光加工。示例激光加工技术在2010年I月29日提交的共同转让的序列号为N0.12/697，005 的美国专利申请“Process and system for forming shaped air holes (用于形成成形气孔的工艺和系统)”中有所描述，该申请通过引用而整体地结合在本文中。示例EDM技术在2010年5月28日提交的共同转让的序列号为N0.12/790，675的美国专利申请“Articles which include chevron film cooling holes, and related processes (包括山形膜冷却孔的工件和有关工艺)”中有所描述，该申请通过引用而整体地结合在本文中。
对于特定的工艺，使用研磨液体射流(未显示)来形成凹槽。示例水射流钻削工艺和系统在2010年5月28日提交的共同转让的序列号为N0.12/790,675的美国专利申请“Articles which include chevron film cooling holes, and related processes (包括山形膜冷却孔的工件和有关工艺)”中有公开，该申请通过引用而整体地结合在本文中。如序列号为N0.12/790, 675的美国专利申请中阐明的那样，水射流工艺典型地利用悬浮在高压水流中的高速研磨颗粒流(例如，研磨“粗砂”)。水的压力可有相当大的变化，但常常在大约35-620 Mpa的范围中。可使用许多研磨材料，诸如石榴石、氧化铝、碳化硅和玻璃珠。有利地，研磨液体射流加工技术的能力有利于分阶段地移除材料到不同的深度，且控制成形。例如，这个允许将对通道进行馈送的内部进入孔140(在下面参照图4来描述)钻削成或者具有恒定的横截面的直孔、成形孔(椭圆形等)，或者会聚孔或者发散孔。
另外，以及如序列号为N0.12/790，675的美国专利申请中阐明的那样，水射流系统可包括多轴线计算机数控(CNC)单元(未显示)。CNC系统本身在本领域是已知的，并且在例如美国专利公开1005/0013926 (S.Rutkowski等人)中有描述，该公开通过引用而结合在本文中。CNC系统允许切削工具沿着多个X、Y和Z轴以及旋转轴移动。
更具体而言，可通过这样来形成各个凹槽132:在第一道次(pass)的研磨液体射流中相对于衬底110的表面112以一横向角度引导研磨液体射流，以及然后以与横向角度基本相反的角度进行后续的道次，使得各个凹槽在凹槽的开口 136处变窄，并且从而包括凹腔形凹槽(如下面参照图6所论述的那样)。典型地，将执行多个道次，以对凹槽实现期望的深度和宽度。此技术在Bunker等人的共同转让的序列号为N0.12/943，624的美国专利申请“Components with re-entrant shaped cooling channels and methods ofmanufacture (具有凹腔形冷却通道的构件及制造方法)”中有描述，该申请通过引用而整体地结合在本文中。另外，形成凹腔形凹槽132的步骤可进一步包括执行额外的道次，其中，研磨液体射流被以横向角度和基本相反的角度之间的一个或多个角度引导向凹槽132的基部134，使得从凹槽132的基部134中移除材料。
现在参照图2、6和11，构件100进一步包括设置在衬底110的外表面112的至少一部分上面的涂层150。如例如在图6中所指示的那样，涂层150至少包括结构涂层54。涂层150包括适当的材料，并且结合到构件上。对于图6中显示的示例布置，结构涂层54在凹槽(一个或多个)132上面延伸，使得凹槽(一个或多个)132和结构涂层54共同限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。
对于特定的构造，对于工业构件，涂层150具有在0.1-2.0毫米的范围中的厚度，并且更具体而言，在0.2至I毫米的范围中，并且还更具体而言，在0.2至0.5毫米的范围中。对于航空构件，这个范围典型地为0.1至0.25毫米。但是，可利用其它厚度，这取决于特定的构件100的要求。
涂层150包括结构涂层层，并且可进一步包括可选的额外的涂层层(一个或多个)。可使用多种技术来淀积涂层层(一个或多个)。对于特定的工艺，通过执行等离子淀积(阴极电弧)来淀积结构涂层层(一个或多个)。示例等离子淀积设备和方法在Weaver等人的共同转让的美国公开的专利申请N0.10080138529 “Method and apparatus forcathodic arc ion plasma deposition(用于阴极电弧等离子淀积的方法和设备)”中有提供，该申请通过引用而整体地结合在本文中。简要地说，等离子淀积包括:将由涂层材料形成的自耗阴极放到真空室内的真空环境中；将衬底110设置在真空环境内；对阴极供应电流，以在阴极表面上形成阴极电弧，从而在阴极表面产生由电弧引起的涂层材料腐蚀；以及使来自阴极的涂层材料淀积到衬底表面112上。
使用等离子淀积来进行淀积的涂层的非限制性示例包括结构涂层，以及结合涂层和抗氧化涂层，如下面参照Jackson等人的美国专利N0.5, 626, 462 “Double-wallairfoil (双壁翼型件)”更详细论述的那样。对于某些热气路径构件100，结构涂层包括镍基或钴基合金，并且更具体而言，包括超合金或(Ni，Co)CrAH合金。例如，在衬底材料为包含Y和Y’相的Ni基超合金的情况下，结构涂层可包括类似的材料成分，如下面参照美国专利N0.5，626，462更详细论述的那样。
对于其它工艺构造，通过执行热喷涂工艺和冷喷涂工艺中的至少一个来淀积结构涂层。例如，热喷涂工艺可包括燃烧喷涂或等离子喷涂，燃烧喷涂可包括高速氧燃料喷涂(HVOF)或高速空气燃料喷涂(HVAF)，并且等离子喷涂可包括大气(诸如空气或惰性气体)等离子喷涂，或低压等离子喷涂(LPPS，也称为真空等离子喷涂或VPS)。在一个非限制性示例中，通过HVOF或HVAF来淀积(Ni，Co)CrAH涂层。用于淀积结构涂层的其它示例技术包括(无限制)溅射、电子束物理汽相淀积、无电镀覆和电镀。
对于某些构造，采用多种淀积技术来淀积结构涂层层和可选的额外涂层层是合乎需要的。例如，可使用等离子淀积来淀积第一结构涂层层，并且后续可使用其它技术(诸如燃烧喷涂工艺或等离子喷涂工艺)来淀积后续淀积的层和可选的额外层(未显示)。取决于所使用的材料，对涂层层使用不同的淀积技术可在属性方面提供好处，诸如(但不限于)耐应变性、强度、粘附力和/或延展性。
对于图4和5中显示的构造，尖部34包括封闭空心内部空间(一个或多个)114的尖部帽40和设置在衬底的径向外部端154处的尖部缘边36。如例如图4和5中指示的那样，尖部缘边36至少部分地限定与至少一个冷却通道130处于流体连通的至少一个排出通道152。对于示例构造，排出通道的直径在大约0.25-1.5mm的范围中，并且更具体而言，在大约0.35-lmm的范围中。有利地，对于图4和5中显示的布置，排出通道152延伸通过尖部缘边36，从而冷却尖部缘边36，以改进耐用性和功能。
对于图4中显示的布置，衬底110进一步限定至少一个进入通道140，该进入通道140在相应的空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间延伸，并且在相应的空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间提供流体连通。如图4中指示的那样，相应的进入通道140与相应的冷却通道130的基部134相交。如上面提到的那样，可将对相应的冷却通道进行供应的内部进入孔140钻削成或者具有恒定的横截面的直孔、成形孔(椭圆形等)，或者会聚孔或发散孔。用于形成进入孔的方法在共同转让的序列号为N0.13/210697的美国专利申请中有提供，该申请通过引用而整体地结合在本文中。对于图4中显示的特定布置，各个排出通道152与相应的冷却通道130相交。如例如图3中指示的那样，对于特定的构造，衬底110限定压力侧壁24和吸力侧壁26。压力侧壁24和吸力侧壁26在构件100的前缘28和后缘30处连结在一起，并且从构件的根部32延伸到构件100的尖部34。对于图4中显示的布置，冷却通道130至少部分地沿着压力侧壁24和吸力侧壁26中的至少一个延伸。有利地，冷却通道130冷却衬底110的外表面112，以及冷却涂层150。存在许多用于冷却通道130和排出通道152的可行布置，这取决于构件尖部的设计。对于图5中显示的构造，各个冷却通道130至少部分地沿着尖部帽40延伸，并且从而冷却尖部帽40。还更具体而言，对于图5中显示的布置，尖部帽40限定至少一个进入通道140，该进入通道140在至少一个空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间延伸，并且在至少一个空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间提供流体连通，其中，相应的进入通道140与相应的冷却通道130的基部134相交。如上面提到的那样，凹槽132可具有许多不同的几何构造。对于图6中显示的布置，各个凹槽132具有开口 136，并且各个凹槽132在凹槽132的开口 136处变窄，并且从而包括凹腔形132，使得各个冷却通道130包括凹腔形冷却通道130。凹腔形凹槽在序列号为N0.12/943，624的美国专利申请中有描述。对于特定的构造，凹腔形凹槽132的基部134是相应的凹槽132的顶部136的至少2倍宽。例如，如果凹槽132的基部134为0.75毫米，对于这个构造，顶部136在宽度上将小于0.375毫米。对于更特定的构造，凹腔形凹槽132的基部134是相应的凹槽132的顶部136的至少3倍宽，并且还更具体而言，凹腔形凹槽132的基部134在相应的凹槽132的顶部136的大约3_4倍宽的范围中。有利地，大的基部-顶部比会增加微通道130的总体冷却容积，同时有利于涂层150淀积在凹槽132 (无需使用牺牲填料)上面,而不必使涂层150填充凹槽132。对于某些构造，结构涂层54完全桥接相应的凹槽132，使得涂层150密封相应的微通道130。但是，对于其它构造，结构涂层54限定一个或多个可渗透式槽口 144 (例如，涂层中的多孔性或涂层中的间隙)，使得结构涂层未完全桥接一个或多个凹槽132中的各个，如图11中指示的那样。虽然图11示意性地描绘了槽口 144具有均匀和笔直的几何构造，但各个槽口 144典型地具有不规则的几何构造，其中，随着涂层150的应用以及在厚度上增力口，槽口 144的宽度改变。起初，在将涂层150的第一部分应用到衬底110时，槽口 144的宽度可为微通道130的顶部136的宽度的差不多50%。然后随着涂层150增加，槽口 144可变窄到顶部136的宽度的5%或更少。对于特定的示例，槽口 144在其最窄点处的宽度为相应的微通道顶部136的宽度的5%至20%。另外，槽口 144可为多孔的，在这种情况下，“多孔”槽口 144可具有一些连接部，连接部为一些具有零间隙的点或位置。有利地，槽口 144对涂层150提供应力释放。有利地，在上面描述的冷却和排出通道构造中的微通道对尖部提供较确定和高效的冷却，而排出通道用来冷却尖部缘边，从而保持其耐用性和功能。
参照图2、3和5-11来描述另一个构件100。如例如图2和3中指示的那样，构件100包括衬底110，衬底110包括外表面112、内表面116和尖部34。如图2中指示的那样，内表面116限定至少一个空心内部空间114。如例如图7中指示的那样，尖部34包括封闭空心内部空间(一个或多个)114的尖部帽40。如例如图6和7中指示的那样，外表面112限定一个或多个凹槽132，其中，各个凹槽132至少部分地沿着尖部帽40的外表面112延伸，并且具有基部134。大体在上面描述了衬底110，也描述了凹槽的大体构型和几何构造。如例如图2、6和11中指示的那样，构件100进一步包括设置在衬底110的外表面112的至少一部分上面的涂层150。涂层150至少包括在凹槽(一个或多个)132上面延伸的结构涂层54，使得凹槽(一个或多个)132和结构涂层54共同限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。在上面描述了涂层。如例如图5和7-10中指示的那样，尖部34包括封闭空心内部空间(一个或多个)114的尖部帽40，并且冷却通道130至少部分地沿着尖部帽40延伸。有利地，通过在尖部帽40中设置冷却通道130，可提供微通道冷却来在运行期间冷却尖部帽，以改进耐用性和功能。对于图5和7-10中显示的示例构造，尖部帽40限定至少一个进入通道140，该进入通道140在至少一个空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间延伸，并且在至少一个空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间提供流体连通，其中，相应的进入通道140与相应的冷却通道130的基部134相交。在上面描述了用于形成进入孔的技术，以及进入孔的几何构造。对于图7-9中显示的示例布置，尖部34进一步包括设置在衬底110的径向外部端154处的尖部缘边36。如图7-9中指示的那样，衬底110限定至少一个排出通道152，该排出通道152在尖部缘边36下面延伸，并且与至少一个冷却通道130处于流体连通。类似于上面参照图3所描述的构造，对于特定的构造，衬底110限定压力侧壁24和吸力侧壁26，其中，压力侧壁24和吸力侧壁26在构件100的前缘28和后缘30处连结在一起，并且从构件的根部32延伸到构件100的尖部34。对于图10中显示的特定构造，尖部帽40具有倾斜的径向外部端156，并且尖部帽40限定在相应的冷却通道130和压力侧壁24或吸力侧壁26中的一个之间延伸的至少一个排出孔152。类似于上面参照图4和5所描述的构造，对于图5和7-10中显示的冷却构造，冷却通道可为凹腔通道(上面参照图6描述的)。类似地，对于某些构造，结构涂层可完全桥接各个凹槽，从而密封通道。但是，对于其它构造，结构涂层54可限定一个或多个可渗透式槽口 144，使得结构涂层未完全桥接各个凹槽132，如上面参照图11所描述的那样。参照图2、3、6、11、13和14来描述另一个构件100。如例如图2和3中指示的那样，构件100包括衬底110，衬底110具有外表面112、内表面116和尖部34。如例如图2中指示的那样，内表面116限定至少一个空心内部空间114。如图6、13和14中指示的那样，外表面112限定一个或多个凹槽132，其中，各个凹槽132至少部分地沿着衬底110的外表面112延伸，并且具有基部134。在上面大体描述了衬底110，也描述了凹槽的大体构型和几何构造。如图2、6、13和14中指示的那样,构件100进一步包括设置在衬底110的外表面112的至少一部分上面的涂层150。涂层150包括在凹槽(一个或多个)132上面延伸的至少结构涂层54，使得凹槽(一个或多个)132和结构涂层54共同限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。在上面描述了涂层。如图13和14中指示的那样，尖部34包括封闭空心内部空间(一个或多个)114的尖部帽40，以及设置在衬底的径向外部端154处的尖部缘边36。如图13和14中指示的那样，各个冷却通道130至少部分地沿着尖部缘边36延伸。对于图14中显示的示例构造，各个冷却通道130沿着尖部缘边36的长度延伸，而对于图13中显示的示例构造，各个冷却通道130仅部分地沿着尖部缘边36的长度延伸。如上面描述的那样，凹槽132可具有许多不同的几何构造。对于图6和11中显示的布置，凹槽为凹腔形，使得各个冷却通道130包括凹腔形冷却通道130。另外，对于某些构造，结构涂层54完全桥接各个凹槽，并且从而密封各个凹槽132。但是，对于图11中显示的布置，结构涂层54限定一个或多个可渗透式槽口 144，使得结构涂层未完全桥接各个凹槽132。如上面描述的那样，对于特定的构造，构件包括涡轮翼型件100，并且各个空心内部空间114包括至少一个流动通道114的相应的节段。对于图13和14中显示的示例构造，衬底110进一步限定至少一个进入通道140，该进入通道140在相应的空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间延伸，并且在相应的空心内部空间114和至少一个冷却通道130之间提供流体连通，其中，相应的进入通道140与相应的冷却通道130的基部134相交。在上面描述了用于进入通道的多种几何构造和用于形成进入通道的技术。参照图2、3、6、11和12来描述另一个构件100。如例如图2和3中指示的那样，构件100包括衬底110，衬底110具有外表面112、内表面116和尖部34。如例如图2中指示的那样，内表面116限定至少一个空心内部空间114。如图6、13和14中指示的那样，夕卜表面112限定一个或多个凹槽132，其中，各个凹槽132至少部分地沿着衬底110的外表面112延伸，并且具有基部134。在上面大体描述了衬底110，也描述了凹槽的大体构型和几何构造。如图2、6、13和14中指示的那样,构件100进一步包括设置在衬底110的外表面112的至少一部分上面的涂层150。涂层150至少包括在凹槽(一个或多个)132上面延伸的结构涂层54，使得凹槽(一个或多个)132和结构涂层54共同限定用于冷却构件100的一个或多个通道130。在上面描述了涂层。如图12中指示的那样，尖部34包括封闭空心内部空间(一个或多个)114的尖部帽40，以及设置在衬底的径向外部端154处且具有尖部架160的尖部缘边36。类似于上面参照图3所描述的构造，衬底110限定压力侧壁24和吸力侧壁26。压力侧壁24和吸力侧壁26在构件100的前缘28和后缘30处连结在一起，并且从构件的根部32延伸到构件100的尖部34。对于图12中显示的布置，至少一个通道130至少部分地沿着压力侧壁24延伸，并且与尖部架160相交。在上面描述了构件的其它可选方面。应当注意，虽然这里严格在二维中显示了通过叶片尖部的横截面图，但冷却通道、排出通道和进入通道可为弯曲的或直的，可与彼此相交，并且沿着弯曲表面可为三维的且通过多个截面。另外，虽然与密封特征(尖部缘边、尖部帽等)有关的排出通道或冷却通道的主要目的是内部冷却，但通道的出口也可用作外表面上的膜冷却，以进一步加强密封件特征的冷却。
有利地，在外表面中使用微通道对尖部提供较确定和高效的冷却，同时排出通道用来冷却航空密封特征(尖部缘边)，从而保持它们的耐用性和功能。由于这个较高效的叶片尖部冷却，专用于此目的的目前的冷却剂量可显著地减少(例如，高达大约百分之五十)。另外，上面描述的尖部冷却构造有助于保持叶片尖部的航空密封件功能，这会产生较高的机器效率和功率输出。类似地，对于航空应用，上面描述的尖部冷却构造会导致有更好的燃料消耗率(SFC)，以及使排气温度(EGT)裕度不那么退化。虽然在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求意于覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。
权利要求
1.一种构件,包括: 包括外表面、内表面和尖部的衬底，其中，所述内表面限定至少一个空心内部空间，其中，所述外表面限定一个或多个凹槽，以及其中，各个凹槽至少部分地沿着所述衬底的外表面延伸，并且具有基部；以及 设置在所述衬底的外表面的至少一部分上面的涂层，其中，所述涂层至少包括结构涂层，其中，所述结构涂层在所述一个或多个凹槽上面延伸，使得所述一个或多个凹槽和所述结构涂层共同限定用于冷却所述构件的一个或多个通道， 其中，所述尖部包括:封闭所述至少一个空心内部空间的尖部帽，以及设置所述衬底的径向外部端处的尖部缘边，其中，所述尖部缘边至少部分地限定与至少一个冷却通道处于流体连通的至少一个排出通道。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件包括涡轮翼型件，以及其中，各个空心内部空间包括至少一个流动通道的相应的节段。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述衬底进一步限定至少一个进入通道，所述至少一个进入通道在相应的空心内部空间和至少一个冷却通道之间延伸，并且在所述相应的空心内部空间和所述至少一个冷却通道之间提供流体连通，其中，相应的进入通道与相应的冷却通道的基部相交。
4.根据权利要求3所述的构件，其特征在于，各个排出通道与相应的冷却通道相交。
5.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述衬底限定压力侧壁和吸力侧壁，其中，所述压力侧壁和吸力侧壁在所述构件的前缘和后缘处连结在一起，并且从所述构件的根部延伸到所述构件的尖部，其中，所述通道至少部分地沿着所述压力侧壁和所述吸力侧壁中的至少一个延伸。
6.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，各个冷却通道至少部分地沿着所述尖部帽延伸。
7.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述尖部帽限定至少一个进入通道，所述至少一个进入通道在至少一个空心内部空间和至少一个冷却通道之间延伸，并且在所述至少一个空心内部空间和至少一个冷却通道之间提供流体连通，其中，相应的进入通道与相应的冷却通道的基部相交。
8.根据权利要求1所述的 构件，其特征在于，各个凹槽具有开口，以及其中，各个凹槽在所述凹槽的开口处变窄，并且从而包括凹腔形凹槽，使得各个冷却通道包括凹腔形冷却通道。
9.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述结构涂层限定一个或多个可渗透式槽口，使得所述结构涂层未完全桥接各个凹槽。
10.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述结构涂层密封各个凹槽。
11.一种构件，包括: 包括外表面、内表面和尖部的衬底，其中，所述内表面限定至少一个空心内部空间，其中，所述尖部包括封闭所述至少一个空心内部空间的尖部帽，其中，所述外表面限定一个或多个凹槽，以及其中，各个凹槽至少部分地沿着所述尖部帽的外表面延伸，并且具有基部；以及设置在所述衬底的外表面的至少一部分上面的涂层，其中，所述涂层至少包括结构涂层，其中，所述结构涂层在所述一个或多个凹槽上面延伸，使得所述一个或多个凹槽和所述结构涂层共同限定用于冷却所述构件的一个或多个通道， 其中，所述尖部包括封闭所述至少一个空心内部空间的尖部帽，以及其中，各个冷却通道至少部分地沿着所述尖部帽延伸。
12.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述尖部帽限定至少一个进入通道，所述至少一个进入通道在至少一个空心内部空间和至少一个冷却通道之间延伸，并且在所述至少一个空心内部空间和所述至少一个冷却通道之间提供流体连通，其中，相应的进入通道与相应的冷却通道的基部相交。
13.根据权利要求12所述的构件，其特征在于，所述尖部进一步包括设置在所述衬底的径向外部端处的尖部缘边，其中，所述衬底限定至少一个排出通道，所述至少一个排出通道在所述尖部缘边下面延伸，并且与至少一个冷却通道处于流体连通。
14.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述衬底限定压力侧壁和吸力侧壁，其中，所述压力侧壁和所述吸力侧壁在所述构件的前缘和后缘处连结在一起，并且从所述构件的根部延伸到所述构件的尖部， 其中，所述尖部帽具有倾斜的径向外部端，以及其中，所述尖部帽限定至少一个排出孔，所述至少一个排出孔在相应的冷却通道和所述压力侧壁或吸力侧壁中的一个之间延伸。
15.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，各个凹槽具有开口，以及其中，各个凹槽在所述凹槽的开口处变窄，并且从而包括凹腔形，使得各个冷却通道包括凹腔形冷却通道。
16.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述结构涂层限定一个或多个可渗透式槽口，使得所述结构涂层未完全桥接各个凹槽。
17.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述结构涂层密封各个凹槽。
18.—种构件,包括: 包括外表面、内表 面和尖部的衬底，其中，所述内表面限定至少一个空心内部空间，其中，所述外表面限定一个或多个凹槽，以及其中，各个凹槽至少部分地沿着所述衬底的外表面延伸，并且具有基部；以及 设置在所述衬底的外表面的至少一部分上面的涂层，其中，所述涂层至少包括结构涂层，其中，所述结构涂层在所述一个或多个凹槽上面延伸，使得所述一个或多个凹槽和所述结构涂层共同限定用于冷却所述构件的一个或多个通道， 其中，所述尖部包括:封闭所述至少一个空心内部空间的尖部帽，以及设置在所述衬底的径向外部端处的尖部缘边，其中，各个冷却通道至少部分地沿着所述尖部缘边延伸。
19.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，各个冷却通道沿着所述尖部缘边的长度延伸。
20.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，各个冷却通道仅部分地沿着所述尖部缘边的长度延伸。
21.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，各个凹槽具有开口，以及其中，各个凹槽在所述凹槽的开口处变窄，并且从而包括凹腔形凹槽，使得各个冷却通道包括凹腔形冷却通道。
22.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，所述结构涂层限定一个或多个可渗透式槽口，使得所述结构涂层未完全桥接各个凹槽。
23.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，所述结构涂层密封各个凹槽。
24.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，所述构件包括涡轮翼型件，以及其中，各个空心内部空间包括至少一个流动通道的相应的节段。
25.根据权利要求18所述的构件，其特征在于，所述衬底进一步限定至少一个进入通道，所述至少一个进入通道在相应的空心内部空间和至少一个冷却通道之间延伸，并且在所述相应的空心内部空间和所述至少一个冷却通道之间提供流体连通，其中，相应的进入通道与相应的冷却通道的基部相交。
26.—种构件,包括: 包括外表面、内表面和尖部的衬底，其中，所述内表面限定至少一个空心内部空间，其中，所述外表面限定一个或多个凹槽，以及其中，各个凹槽至少部分地沿着所述衬底的外表面延伸，并且具有基部；以及 设置在所述衬底的外表面的至少一部分上面的涂层，其中，所述涂层至少包括结构涂层，其中，所述结构涂层在所述一个或多个凹槽上面延伸，使得所述一个或多个凹槽和所述结构涂层共同限定用于冷却所述构件的一个或多个通道， 其中，所述尖部包括:封闭所述至少一个空心内部空间的尖部帽，以及尖部缘边，其设置在所述衬底的径向外部端处，并且具有尖部架， 其中，所述衬底限定压力侧壁和吸力侧壁，其中，所述压力侧壁和所述吸力侧壁在所述构件的前缘和后缘处连结在一起，并且从所述构件的根部延伸到所述构件的尖部，其中，至少一个通道至少部分地沿着所述压力侧壁延伸，并且与所述尖部架相交。
27.根据权利要求26所述的构件，其特征在于，各个凹槽具有开口，以及其中，各个凹槽在所述凹槽的开口处变窄，并且从而包括凹腔形，使得各个冷却通道包括凹腔形冷却通道。
28.根据权利要求26所述的构件，其特征在于，所述结构涂层限定一个或多个可渗透式槽口，使得所述结构涂层未完全桥接各个凹槽。
29.根据权利要求26所述的构件，其特征在于，所述结构涂层密封各个凹槽。
30.根据权利要求26所述的构件，其特征在于，所述构件包括涡轮翼型件，以及其中，各个空心内部空间包括至少一个流动通道的相应的节段。
31.根据权利要求26所述的构件，其特征在于，所述衬底进一步限定至少一个进入通道，所述至少一个进入通道在相应的空心内部空间和至少一个冷却通道之间延伸，并且在所述相应的空心内部空间和所述至少一个冷却通道之间提供流体连通，其中，相应的进入通道与相应的冷却通道的基部相交。
全文摘要
本发明涉及具有微通道冷却的构件。一种构件包括具有外表面、内表面和尖部的衬底。内表面限定至少一个空心内部空间。外表面限定一个或多个凹槽，其中，各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并且具有基部。该构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。涂层至少包括结构涂层，该结构涂层在凹槽(一个或多个)上面延伸，使得凹槽(一个或多个)和结构涂层共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽，以及设置在衬底的径向外部端处的尖部缘边。尖部缘边至少部分地限定与至少一个冷却通道处于流体连通的至少一个排出通道。
文档编号F01D25/12GK103161522SQ20121054121
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月15日
发明者R.S.班克 申请人:通用电气公司