用于制造翼型件的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于制造翼型件的系统，翼型件包括形成在压力侧、吸力侧、前缘、和/或后缘中的冷却通道，以将冷却介质供应至翼型件的外表面上，该系统包括：激光器，其产生激光束；流体柱发生器，其产生流体柱，该流体柱充当用于激光束的光导以形成导向至翼型件的受限制的激光束，受限制的激光束使翼型件的表面变得烧蚀，最终形成穿过翼型件所需的冷却通道；以及气体供应器，其供应在该翼型件内部流动的气体，其中，该气体在该翼型件内部中断该流体柱，以防止受限制的激光束横跨冷却通道冲击翼型件的内表面。
【专利说明】用于制造翼型件的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型大体上涉及用于制造翼型件的系统和方法。
【背景技术】
[0002]涡轮在工业和商业操作中被广泛地使用。用来产生电能的典型商业蒸汽或燃气涡轮包括静止和旋转翼型件的交替级。例如，静止导叶可附连到静止部件，诸如围绕涡轮的壳体，并且旋转叶片可附连到沿涡轮的轴向中心线定位的转子。诸如但不限于蒸汽、燃烧气体或空气的压缩工作流体流过涡轮，并且静止导叶将压缩工作流体加速和导向至旋转叶片的后续级上以赋予旋转叶片运动，从而转动转子并做功。
[0003]涡轮的效率通常随压缩工作流体的温度增加而增加。然而，涡轮内过高的温度可减少涡轮中翼型件的寿命并因此增加与涡轮相关联的修理、维护和停机。结果，已开发出用来为翼型件提供冷却的各种设计和方法。例如，可将冷却介质供应至翼型件内部的腔体以通过对流和/或传导方式从翼型件除去热量。在特定实施例中，冷却介质可通过翼型件中的冷却通道流出腔体，以便在翼型件的外表面上提供薄膜冷却。
[0004]随着温度和/或性能标准继续提高，用于翼型件的材料变得越来越薄，使得翼型件的可靠制造日益困难。具体而言，翼型件通常由高合金金属铸造而成，并且可将热障涂层施加到翼型件的外表面以增强热保护。通常在铸造之后在精确的位置并且以精确的几何形状将冷却通道钻孔或加工到高合金金属中，以优化在翼型件上的冷却介质流。例如，水射流可用来在特定位置且以特定角度钻出穿过高合金金属的冷却通道，以增强在翼型件的外表面上流过的冷却介质流。虽然在准确钻出穿过高合金金属的小直径孔方面有效，但水射流也可损坏热障涂层和/或在翼型件内部引入可难以彻底去除的粗粒(grit)副产物。备选地或此外，水射流可非故意地在腔体的相对侧上冲击翼型件的内部，对翼型件内部造成损坏。翼型件内部的粗粒副产物和/或对翼型件内部的损坏可难以在翼型件的精修阶段期间检测到。因此，减少或预防对热障涂层的损坏、翼型件内粗粒副产物的引入、和/或对翼型件内部的意外损坏的用于制造翼型件的系统和方法将是有用的。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供减少或预防对热障涂层的损坏、翼型件内粗粒副产物的引入、和/或对翼型件内部的意外损坏的用于制造翼型件的系统和方法。
[0006]本实用新型的方面和优点在下面的描述中提出，或者可由该描述显而易见，或者可通过实施本实用新型来了解。
[0007]本实用新型的一个实施例是用于制造翼型件的系统。该系统包括流体柱和在流体柱内部的激光束，以形成导向至翼型件的受限制的激光束。在翼型件内部流动的气体在翼型件内部中断流体柱。
[0008]本实用新型的另一个实施例是一种用于制造翼型件的方法，该方法包括:将激光束限制在流体柱内部以形成受限制的激光束；将受限制的激光束导向至翼型件的表面；以及利用受限制的激光束形成穿过翼型件的表面的孔。该方法还包括使气体在翼型件内部流动和利用在翼型件内部流动的气体中断流体柱。
[0009]在本实用新型的又一个实施例中，一种用于制造翼型件的方法包括将激光束导向至翼型件的表面以及将激光束限制在翼型件外部的流体柱内部以在翼型件外部形成受限制的激光束。该方法还包括利用受限制的激光束形成穿过翼型件的表面的孔以及利用翼型件内部的气体中断流体柱。
[0010]在本实用新型的又一个实施例中，一种用于制造翼型件的系统，包括:流体柱；激光束，其在流体柱内部用于形成导向至翼型件的受限制的激光束；以及在翼型件内部流动的气体，其中，气体在翼型件内部中断流体柱。
[0011]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括蒸汽。
[0012]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括惰性气体。
[0013]在本实用新型的又一个实施例中，气体具有大于25磅/平方英寸的压力。
[0014]在本实用新型的又一个实施例中，气体与流体柱在翼型件内部相互作用。
[0015]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括在翼型件内部的气体柱。
[0016]在本实用新型的又一个实施例中，一种用于制造翼型件的方法，包括:将激光束限制在流体柱内部以形成受限制的激光束；将受限制激光束导向至翼型件表面；利用受限制的激光束形成穿过翼型件表面的孔；使气体在翼型件内部流动；以及利用在翼型件内部流动的气体中断流体柱。
[0017]在本实用新型的又一个实施例中，还包括防止受限制的激光束横跨孔冲击翼型件的内表面。
[0018]在本实用新型的又一个实施例中，还包括将受限制的激光束散射在翼型件内部。
[0019]在本实用新型的又一个实施例中，还包括对准气体以与翼型件内部的流体柱相互作用。
[0020]在本实用新型的又一个实施例中，还包括将气体对准成与翼型件内部的流体柱大致垂直。
[0021]在本实用新型的又一个实施例中，使气体在翼型件内部流动包括使蒸汽在翼型件内部流动。
[0022]在本实用新型的又一个实施例中，使气体在翼型件内部流动包括使惰性气体在翼型件内部流动。
[0023]一种用于制造翼型件的方法，包括:将激光束导向至翼型件的表面；将激光束限制在翼型件外部的流体柱内部，以在翼型件的外部形成受限制的激光束；利用受限制的激光束形成穿过翼型件表面的孔；利用在翼型件内部的气体中断流体柱。
[0024]在本实用新型的又一个实施例中，还包括使气体在翼型件内部流动。
[0025]在本实用新型的又一个实施例中，还包括防止受限制的激光束横跨孔冲击翼型件的内表面。
[0026]在本实用新型的又一个实施例中，还包括将受限制的激光束散射在翼型件内部。
[0027]在本实用新型的又一个实施例中，还包括使流体柱与气体在翼型件内部相互作用。
[0028]在本实用新型的又一个实施例中，翼型件内部的气体包括在翼型件内部的蒸汽。
[0029]在本实用新型的又一个实施例中，翼型件内部的气体包括翼型件内部的惰性气体。
[0030]在本实用新型的又一个实施例中，一种用于制造翼型件的系统，包括:流体柱发生器，其产生流体柱；激光器，其产生激光束，激光束在流体柱内部以形成导向至翼型件的、受限制的激光束；以及气体供应器，其供应翼型件内部流动的气体，其中，气体在翼型件内部中断流体柱。
[0031]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括蒸汽。
[0032]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括惰性气体。
[0033]在本实用新型的又一个实施例中，气体具有大于25磅/平方英寸的压力。
[0034]在本实用新型的又一个实施例中，气体与流体柱在翼型件内部相互作用。
[0035]在本实用新型的又一个实施例中，气体包括在翼型件内部的气体柱。
[0036]在本实用新型的又一个实施例中，还包括气体以如下方式对准，即与翼型件内部的流体柱大致垂直。
[0037]在本实用新型的又一个实施例中，受限制的激光束用来形成穿过翼型件表面的孔。
[0038]因此，本实用新型提供了用于减少或预防对热障涂层的损坏、翼型件内粗粒副产物的引入、和/或对翼型件内部的意外损坏的用于制造翼型件的系统和方法。
[0039]通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]在说明书的其余部分中并参考附图更具体地描述了本实用新型全面并使之能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员来说的最佳模式，在附图中:
[0041]图1是可结合本实用新型的各种实施例的示例性涡轮的简化剖视图；
[0042]图2是根据本实用新型的实施例的示例性翼型件的透视图；
[0043]图3是可用来铸造图2中所示翼型件的芯的平面图；
[0044]图4是用于制造图2中所示翼型件的系统的透视图；以及
[0045]图5是在受限制的激光束已穿透翼型件之后的图4中所示系统的透视图。
[0046]部件列表
[0047]10 涡轮
[0048]12 转子
[0049]14 壳体
[0050]16 气体路径
[0051]18 轴向中心线
[0052]20 转子叶轮
[0053]22 转子间隔件
[0054]24 螺栓
[0055]26 工作流体
[0056]30 旋转叶片
[0057]32静止导叶
[0058]40翼型件
[0059]42压力侧
[0060]44吸力侧
[0061]46腔体
[0062]48前缘
[0063]50后缘
[0064]52冷却通道
[0065]60芯
[0066]62婉艇(serpentine)部分
[0067]64突起
[0068]70系统
[0069]72激光器
[0070]74未聚焦的激光束
[0071]76流体柱
[0072]78受限制的激光束
[0073]80气体
[0074]82气体柱。
【具体实施方式】
[0075]现在将详细参照本实用新型的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记用于指代本实用新型相同或相似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指部件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从部件A流至部件B，则部件A在部件B的上游。反之，如果部件B接纳来自部件A的流体流，则部件B在部件A的下游。
[0076]每个示例通过对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本实用新型的范围或精神的情况下，可在本实用新型中作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可用于另一实施例，以产生更进一步的实施例。因此，本实用新型意图包括这样落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。
[0077]本实用新型的各种实施例包括用于制造翼型件的系统和方法。该系统大体包括由流体柱限制的未聚焦的激光束，并且受限制的激光束可用来形成以特定角度穿过翼型件表面的精确的孔。当受限制的激光束穿透翼型件表面时，在翼型件内部流动的气体中断翼型件内部的流体柱以防止受限制的激光束损坏翼型件的内部。如本文所用，术语“气体”包括除空气之外的任何气体介质。虽然将大体上在并入涡轮的翼型件的背景中描述本实用新型的示例性实施例，但本领域普通技术人员将从本文的教导容易理解，本实用新型的实施例可不限于涡轮，除非在权利要求中具体地叙述。
[0078]现在参看附图，其中贯穿附图类似的数字指示相同的元件，图1提供了根据本实用新型的各种实施例的示例性涡轮10的简化侧剖视图。如图1所示，涡轮10大体包括转子12和至少部分地限定通过涡轮10的气体路径16的壳体14。转子12与涡轮10的轴向中心线18大体对齐，并可连接到发电机、压缩机或其它机械以做功。转子12可包括由螺栓24连接到一起以共同旋转的转子叶轮20和转子间隔件22的交替部段。壳体14周向围绕转子12的至少一部分以包含流过气体路径16的压缩工作流体26。压缩工作流体26可包括例如燃烧气体、压缩空气、饱和蒸汽、不饱和蒸汽、或它们的组合。
[0079]如图1中所示，涡轮10还包括在转子12和壳体14之间径向延伸的旋转叶片30和静止导叶32的交替级。旋转叶片30围绕转子12周向布置并可利用各种装置连接到转子叶轮20。相比之下，静止导叶32可与转子间隔件22相对围绕壳体14的内部周向布置。旋转叶片30和静止导叶32通常具有翼型件形状，其带有凹形压力侧、凸形吸力侧以及前缘和后缘，如本领域中已知的。压缩工作流体26沿着气体路径16从左向右流过涡轮10，如图1所示。当压缩工作流体26经过第一级旋转叶片30时，压缩工作流体膨胀，造成旋转叶片30、转子叶轮20、转子间隔件22、螺栓24和转子12旋转。压缩工作流体26接着流过下一级静止导叶32，这将压缩工作流体26加速和重新导向至下一级旋转叶片30，并且该过程对于随后的级重复进行。在图1中所示示例性实施例中，涡轮10具有在三级旋转叶片30之间的两级静止导叶32 ;然而，本领域的普通技术人员将容易理解，旋转叶片30和静止导叶32的级数不是对本实用新型的限制，除非在权利要求中具体地叙述。
[0080]图2提供了根据本实用新型的实施例的示例性翼型件40的透视图，例如可并入旋转叶片30或静止导叶32的翼型件。如图2中所示，翼型件40大体包括具有凹形弯曲的压力侧42和具有凸形弯曲且与压力侧42相对的吸力侧44。压力侧42和吸力侧44彼此间隔以在压力侧42和吸力侧44之间限定翼型件40内部的腔体46。腔体46可以为冷却介质在翼型件40内部流动提供蜿蜒或曲折的路径，以通过传导和/或对流方式从翼型件40除去热量。此外，压力侧42和吸力侧44进一步接合以形成在翼型件40的上游部分处的前缘48和在翼型件40的下游部分处的腔体46下游的后缘50。在压力侧42、吸力侧44、前缘48、和/或后缘50中的多个冷却通道52可提供从腔体46穿过翼型件40的流体连通，以将冷却介质供应至翼型件40的外表面上。如图2所示，例如，冷却通道52可位于前缘48和后缘50处和/或沿着压力侧42和吸力侧44中的一个或两个。本领域的普通技术人员将从本文中的教导容易理解，冷却通道52的数量和/或位置可根据特定实施例变化，并且本实用新型不限于冷却通道52的任何特定数量或位置，除非在权利要求中具体地叙述。
[0081]图2中所示示例性翼型件40可使用本领域中已知的任何方法制造。例如，图3提供了可用来通过熔模铸造制造图2所示翼型件40的芯60的平面图。如图3所示，芯60可包括蜿蜒部分62，其具有从蜿蜒部分62延伸的许多长而薄的分支或突起64。蜿蜒部分62大体对应于翼型件40中的腔体46的尺寸和位置，并且突起64大体对应于穿过翼型件40的后缘50的较大的冷却通道52的尺寸和位置。芯60可由如下的任何材料制造，即该材料具有足够的强度以经受与铸造材料(例如，高合金金属)相关联的高温，同时在铸造期间保持芯60所需的严格定位。例如，芯60可由陶瓷材料、陶瓷复合材料或其它合适的材料铸造。一旦被铸造或以其它方式制造，就可以用激光器、电子放电机、钻制、水射流或其它合适的装置精修或形成图3中所示的蜿蜒部分62和/或突起64。
[0082]芯60可接着用于失蜡法或本领域已知的其它铸造方法中。例如，芯60可涂覆有蜡或容易成形为翼型件40的所需厚度和曲率的其它合适的材料。然后，可将涂蜡的芯60反复浸入液体陶瓷溶液中以形成在蜡表面上的陶瓷外壳。然后，可加热蜡以从芯60和陶瓷外壳之间去除蜡，从而在芯60和陶瓷外壳之间形成充当用于翼型件40的模具的空隙。
[0083]然后，可将熔融的高合金金属倾注到模具中以形成翼型件40。高合金金属可包括例如镍、钴和 / 或铁超合金，例如 GTD-lll、GED-222、Rene 80、Rene 41、Rene 125、Rene77、Rene N5、Rene N6、PWA 1484、PWA 1480、第四代单晶超合金、MX-4、Hastelloy X、钴基HS-188、以及类似的合金。在高合金金属冷却和硬化之后，陶瓷外壳可被打碎和移除，露出已获得由蜡的去除形成的空隙的形状的高合金金属。芯60可使用本领域中已知的方法从翼型件40内部移除。例如，芯60可通过浸出(leaching)法溶解以移除芯60，从而将腔体46和冷却通道52留在翼型件40中。
[0084]图4提供了用于形成穿过翼型件40的额外冷却通道52的系统70的透视图。如图4中所示，系统70可包括能够产生未聚焦的激光束74的激光器72。未聚焦的激光束72可具有大约532 nm的波长、大约10 kHz的脉冲频率和大约40-50 W的平均功率。在图4中所示特定实施例中，激光器72将未聚焦的激光束74在流体柱76内部或穿过流体柱76朝翼型件40导向。流体柱76可以是能够会聚未聚焦的激光束74的任何气体或液体并可具有在大约700-1，500磅/平方英寸的范围内的压力，但本实用新型不限于用于流体柱76的任何特定压力，除非在权利要求中具体地叙述。流体柱76充当用于未聚焦的激光束74的光导以形成导向至翼型件40的聚焦的或受限制的激光束78。受限制的激光束78使翼型件40的表面变得烧蚀(oblate)，最终形成穿过翼型件40所需的冷却通道52。
[0085]图5提供了在受限制的激光束78已穿透翼型件40之后的图4中所示系统70的透视图。如图4和图5中所示，系统70还包括在翼型件40内部流动的气体80。如本文中所用，术语“气体”包括除空气之外的任何气体介质。例如，气体80可以是惰性气体、真空、饱和蒸汽、过热蒸汽、或可在翼型件40内部形成气体柱82的除空气之外的任何其它合适气体。在翼型件40内部流动的气体80可具有与流体柱76中的气体或液体的压力大致相当且足以中断翼型件40内部的流体柱76的压力。例如，在翼型件40内部流动的气体80可具有大于大约172.368932 kPa (25磅/平方英寸)的压力，但本实用新型不限于气体80的任何特定压力，除非在权利要求中具体地叙述。
[0086]如图5中最清楚示出地，气体80可以被对准以与翼型件40内部的流体柱76和/或受限制的激光束78相互作用。在特定实施例中，气体80可被对准成大致垂直于流体柱76,而在其它特定实施例中，气体80可被对准为相对于流体柱76和/或受限制的激光束78成倾斜的角度或锐角。当气体80与翼型件40内部的流体柱76相互作用时，气体80中断流体柱76和/或将受限制的激光束78散射在翼型件40内部。这样，气体防止受限制的激光束78横跨新形成的冷却通道52冲击翼型件40的内表面。
[0087]本领域的普通技术人员将从本文的教导容易理解，参照图4和图5描述和示出的系统70可提供用于制造翼型件40的方法。例如，该方法可包括将未聚焦的激光束74导向至翼型件40的表面以及用流体柱76将未聚焦的激光束74限制在翼型件40的外部以形成在翼型件40外部的受限制的激光束78，如在图4和图5中所示。该方法还可包括利用受限制的激光束78形成穿过翼型件40的表面的孔或冷却通道52以及利用翼型件40内部的气体80中断翼型件40内部的流体柱76和/或受限制的激光束78，如图5中所示。这样，该方法可将受限制的激光束78在翼型件40的内部散射，以防止受限制的激光束78横跨冷却通道52冲击翼型件40的内表面。
[0088] 该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本实用新型，并且还使本领域技术人员能实施本实用新型，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本实用新型的可取得专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它示例包括与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例预期在所附权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种用于制造翼型件的系统，所述翼型件包括形成在压力侧、吸力侧、前缘、和/或后缘中的冷却通道，以将冷却介质供应至翼型件的外表面上，所述系统包括: 激光器，其产生激光束； 流体柱发生器，其产生流体柱，所述流体柱充当用于激光束的光导以形成导向至翼型件的受限制的激光束，受限制的激光束使翼型件的表面变得烧蚀，最终形成穿过翼型件的所需的冷却通道；以及 气体供应器，其供应在所述翼型件内部流动的气体，其中，所述气体在所述翼型件内部中断所述流体柱，以防止受限制的激光束横跨冷却通道冲击翼型件的内表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体包括蒸汽。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述气体包括惰性气体。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体具有大于172.368932kPa的压力。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体与所述流体柱在所述翼型件内部相互作用。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体包括在所述翼型件内部的气体柱。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体以如下方式对准，即与所述翼型件内部的流体柱垂直。
【文档编号】F01D25/12GK204082224SQ201320572313
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】胡兆力, D.A.塞里诺 申请人:通用电气公司