用于从涡轮机排除热量的系统的制作方法

用于从涡轮机排除热量的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种用于从涡轮机排除热量的系统，所述系统包括所述涡轮机中的部件，所述部件具有位于其中的供应腔室以及返回腔室。限定所述部件的形状的基底具有内表面和外表面。应用于所述基底的所述外表面上的涂层具有：内表面，所述内表面面向所述基底的所述外表面；以及外表面，所述外表面与所述内表面相对。第一流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表面之间。第一流体通路从所述供应腔室穿过所述基底且进入所述第一流体通道中，并且第二流体通路从所述第一流体通道穿过所述基底且进入所述返回腔室中。
【专利说明】用于从涡轮机排除热量的系统

【技术领域】
[0001] 本实用新型总体上涉及一种用于从涡轮机散热的系统。在特定实施例中，所述系 统可以包括闭环冷却系统，所述闭环冷却系统沿所述涡轮机中的高温气体通道排除部件热 量。

【背景技术】
[0002] 涡轮机广泛用于各种航空、工业和发电应用以执行工作。每个涡轮机通常包括沿 外围安装的定子叶片与旋转叶片的交替级。所述定子叶片可以附接到诸如壳体等围绕所 述涡轮机的固定部件，并且所述旋转叶片可以附接到沿所述涡轮机的轴向中心线定位的转 子。压缩工作流体，例如蒸汽、燃烧气体或空气，沿高温气体通道流过所述涡轮机以做功。 所述定子叶片使所述压缩工作流体加速并流到后续级的旋转叶片上，以将运动给予旋转叶 片，从而转动所述转子并产生轴功。
[0003] 较高的工作流体运行温度通常造成提高的热力学效率和/或增加的功率输出。但 是，较高的运行温度还会导致沿高温气体通道的多个部件出现腐蚀增加、蠕变和低循环疲 劳的情况。因此，已开发出为暴露于与高温气体通道相关的高温下的多个部件提供冷却的 系统和方法。例如，一些系统和方法使冷却介质循环通过所述部件中的内腔，以向所述部 件提供对流和传导冷却。在其他系统和方法中，所述冷却介质还可以从所述内腔流过冷却 通道，然后流出所述部件以在所述部件的外表面上提供薄膜冷却。尽管现有系统和方法在 容许的较高运行温度下已经非常有效，但是仍需要改进系统和方法以从所述涡轮机排除热 量。


【发明内容】

[0004] 本实用新型的方面和优点会在以下说明中进行阐述，或可以从说明书中显而易 见，或可以通过实践本实用新型来了解。
[0005] 本实用新型的一个实施例是一种用于从涡轮机排除热量的系统。所述系统包括位 于所述涡轮机中的部件，所述部件具有位于其中的供应腔室以及返回腔室。所述系统还包 括限定所述部件的形状的基底，所述基底具有内表面和外表面。所述系统还具有应用于所 述基底的外表面上的涂层，所述涂层具有：内表面，所述内表面面向所述基底的外表面；以 及外表面，所述外表面与所述内表面相对。所述系统还包括位于所述基底的外表面与所述 涂层的外表面之间的第一流体通道。所述系统还包括第一流体通路，第一流体通路从所述 供应腔室穿过所述基底且进入所述第一流体通道中，并且第二流体通路从所述第一流体通 道穿过所述基底且进入所述返回腔室中。
[0006] 其中，所述部件包括翼型。
[0007] 其中，所述涂层包括：粘合层，所述粘合层应用于所述基底的所述外表面上；以及 热障涂层，所述热障涂层应用于所述粘合层上。
[0008] 其中，所述第一流体通道位于所述粘合层与所述热障涂层之间。
[0009] 其中，所述第一流体通道嵌入所述基底的所述外表面中或嵌入所述涂层的所述内 表面中。
[0010] 其中，所述第一流体通道被所述涂层围绕。
[0011] 所述的系统进一步包括：第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的所述 外表面与所述涂层的所述外表面之间；第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基底且 进入所述第二流体通道中；第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通道延伸穿 过所述基底；以及其中所述第一流体通道位于所述第二流体通道的上游。
[0012] 本实用新型的另一个实施例是一种用于从涡轮机排除热量的系统，所述系统包括 翼型，所述翼型具有前缘、与所述前缘相对的后缘以及位于所述前缘与所述后缘之间的相 对的凹面和凸面。所述系统还包括限定所述翼型的至少一部分的基底，所述基底具有内表 面和外表面。所述系统还包括应用于所述基底的外表面上的涂层，所述涂层具有：内表面， 所述内表面面向所述基底的外表面；以及外表面，所述外表面与所述内表面相对。所述系统 还包括位于所述基底的外表面与所述涂层的外表面之间的第一流体通道。第一流体通路穿 过所述基底且进入所述第一流体通道中，并且第二流体通路从所述第一流体通道穿过所述 基底。
[0013] 其中，所述涂层包括：粘合层，所述粘合层应用于所述基底的所述外表面上；以及 热障涂层，所述热障涂层应用于所述粘合层上。
[0014] 其中，所述第一流体通道位于所述粘合层与所述热障涂层之间。
[0015] 其中，所述第一流体通道嵌入所述基底的所述外表面中或嵌入所述涂层的所述内 表面中。
[0016] 其中，所述第一流体通道被所述涂层围绕。
[0017] 其中，所述第一流体通道提供沿所述翼型的所述凹面从所述后缘朝向所述前缘的 流体连通。
[0018] 所述的系统进一步包括：第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的所述 外表面与所述涂层的所述外表面之间；第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基底且 进入所述第二流体通道中；以及第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通道延 伸穿过所述基底；其中所述第一流体通道提供所述翼型的所述凹面内的流体连通，并且所 述第二流体通道提供所述翼型的所述凸面内的流体连通。
[0019] 其中，所述第一流体通道位于所述第二流体通道的上游。
[0020] 在本实用新型的另一个实施例中，一种燃气涡轮机包括压缩机、位于所述压缩机 下游的燃烧器以及位于所述燃烧器下游的涡轮机。所述燃气涡轮机还包括限定所述涡轮机 的至少一部分的基底，所述基底具有内表面和外表面。所述燃气涡轮机还包括应用于所述 基底的外表面上的涂层，所述涂层具有：内表面，所述内表面面向所述基底的外表面；以及 外表面，所述外表面与所述内表面相对。所述燃气涡轮机还包括位于所述基底的外表面与 所述涂层的外表面之间的第一流体通道。第一流体通路穿过所述基底且进入所述第一流体 通道中，并且第二流体通路从所述第一流体通道延伸穿过所述基底。
[0021] 所述燃气涡轮机进一步包括：第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的 所述外表面与所述涂层的所述外表面之间；第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基 底且进入所述第二流体通道中；以及第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通 道延伸穿过所述基底；其中所述第一流体通道提供所述翼型的所述凹面内的流体连通，并 且所述第二流体通道提供所述翼型的所述凸面内的流体连通。
[0022] 其中，所述第一流体通道位于所述第二流体通道的上游。
[0023] 所属领域的普通技术人员在阅读说明书之后将更好地了解此类实施例的特征和 方面以及其他内容。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 在说明书剩余部分中向所属领域的技术人员更具体地阐述了本实用新型的完整 和实践内容，包括本实用新型的最佳模式，包括对附图的参考，在附图中：
[0025] 图1是在本实用新型范围内的示例性燃气涡轮机的原理框图；
[0026] 图2是可以包括本实用新型多个实施例的示例性涡轮机的一部分的简化侧视截 面图；
[0027] 图3是根据本实用新型一个实施例的用于从涡轮机排除热量的系统的透视图；
[0028] 图4是具有示例性流体通道和冷却介质流的图3所示系统的平面图；
[0029] 图5是根据本实用新型一个替代实施例的用于从涡轮机排除热量的系统的透视 图；
[0030] 图6是具有示例性流体通道和冷却介质流的图5所示系统的平面图；
[0031] 图7是根据本实用新型一个实施例的示例性翼型的截面图；
[0032] 图8是根据本实用新型一个替代实施例的示例性翼型的截面图；
[0033] 图9是根据本实用新型一个实施例的嵌入基底中的流体通道的放大截面图；
[0034] 图10是根据本实用新型另一个实施例的嵌入涂层中的流体通道的放大截面图；
[0035] 图11是根据本实用新型另一个实施例的被涂层围绕的流体通道的放大截面图； 以及
[0036] 图12是根据本实用新型另一个实施例的位于粘合层与热障涂层之间的流体通道 的放大截面图。

【具体实施方式】
[0037] 现在将详细参考本实用新型的各项实施例，附图中图示了本实用新型实施例的一 个或多个实例。【具体实施方式】使用数字和字母标识来指示附图中的特征。附图和说明中的 相同或类似标识用于指代本实用新型中的相同或类似部分。本说明书中所用术语"第一"、 "第二"和"第三"可以互换使用以区分不同部件，但不用于指示各个部件的位置或重要性。 此外，术语"上游"和"下游"是指流体通道内部件的相对位置。例如，如果流体从部件A向 部件B流动，则部件A位于部件B的上游。相反地，如果部件B接纳来自部件A的流体，则 流体B位于部件A的下游。
[0038] 每个实例均以解释本实用新型而非限制本实用新型的方式提供。事实上，所属领 域的技术人员容易了解，在不脱离本实用新型的范围或精神的前提下，可以对本实用新型 做出各种修改和变化。例如，可以将说明或描述为某个实施例中一部分的特征用到另一个 实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本实用新型应涵盖随附权利要求书及其等效物的 范围内的此类修改和变化。
[0039] 本实用新型的各个实施例包括一种用于从涡轮机排除热量的系统和方法。所述 系统和方法总体上包括一个或多个流体通道，所述一个或多个流体通道嵌入沿涡轮机中 的高温气体通道定位的部件的外表面中。在特定实施例中，所述流体通道可以嵌入基底 (Substrate)中，所述基底限定所述部件的形状，而在其他实施例中，所述流体通道（Fluid channel)可以嵌入应用于所述基底的一个或多个涂层中，或者被所述涂层围绕。冷却介质 可以经由供应腔室供应到所述部件，以流过所述流体通道，然后流过返回腔室，而不在所述 高温气体通道中耗尽。通过这种方式，本说明书中所述的系统和方法提供一种闭环冷却回 路，以便以传导和/或对流方式从所述部件排除热量。尽管本实用新型的多个示例性实施 例可以在并入燃气涡轮机中的涡轮机的上下文中进行描述，但是所属领域中的普通技术人 员可以容易地认识到，除非权利要求书中做出特别说明，否则本实用新型的特定实施例并 不限于并入燃气涡轮机中的涡轮机。
[0040] 现在参阅附图，其中相同的数字表示附图中相同的元件，图1提供了在本实用新 型范围内的示例性燃气涡轮机10的原理框图。如图所示，燃气涡轮机10大体上包括入口 部分12,所述入口部分12可以包括一系列过滤器、冷却盘管、去湿器和/或其他装置，用于 净化和以其他方式调节进入燃气涡轮机10的工作流体(例如空气）14。工作流体14流向 压缩机16,并且压缩机16渐进地将动能给予工作流体14,以产生处于高度供能状态下的压 缩工作流体18。压缩工作流体18流向一个或多个燃烧器20,并在其中与燃料22混合后燃 烧，以产生高温高压的燃烧气体24。燃烧气体24流过涡轮机26以做功。例如，轴28可以 将涡轮机26连接到压缩机16,以便涡轮机26的旋转驱动压缩机16产生压缩工作流体18。 附加地或替代地，轴28可以将涡轮机26连接到发电机30以发电。涡轮机26的排出气体 32流过涡轮机排气腔室34,所述排气腔室34可以将涡轮机26连接到位于涡轮机26下游 的排气烟囱36。例如，排气烟囱36可以包括热回收蒸汽发生器(未图示)，用于在释放到环 境中之前清洁排出气体32并提取其中的额外热量。
[0041] 图2是可以包括本实用新型多个实施例的涡轮机26的一部分的简化侧视截面图。 如图2所示，涡轮机26大体上包括转子38和壳体40,所述壳体40至少部分限定穿过涡轮 机26的高温气体通道42。转子38可以包括转子轮44与转子垫片（Rotor spacer) 46的 交替部分，所述交替部分通过螺栓48连接在一起，以共同旋转。壳体40周向围绕转子38 的至少一部分以容纳流过高温气体通道42的燃烧气体24或其他压缩工作流体。涡轮机26 进一步包括旋转叶片50和固定叶片52的交替级，所述级周向布置在壳体40内并且围绕转 子38,以径向延伸在转子38与壳体40之间。旋转叶片50使用所属领域中已知的多种方法 连接到转子轮44,并且固定叶片52围绕所述壳体40的内部以与转子垫片46相对的方式沿 外围布置。燃烧气体24沿高温气体通道42从左向右流过涡轮机26,如图2所示。随着燃 烧气体24通过第一级旋转叶片50,燃烧气体24膨胀，从而使旋转叶片50、转子轮44、转子 垫片46、螺栓48和转子38旋转。燃烧气体24随后流过下一级固定叶片52,所述固定叶片 52使燃烧气体24加速并重定向到下一级旋转叶片50,并且对以下级重复此过程。在图2所 示的示例性实施例中，涡轮机26具有位于三级旋转叶片50之间的两级固定叶片52 ;但是， 所属领域中的普通技术人员将认识到，除非特别说明，否则多级旋转叶片50和固定叶片52 并不限制本实用新型。
[0042] 图3提供了根据本实用新型一个实施例的用于从涡轮机26排除热量的系统60的 透视图，并且图4提供了图3所示系统60的平面图，所述系统60具有示例性流体通道62 和冷却介质流64。系统60大体上为暴露于高温气体通道42中的任何部件提供闭环冷却。 闭环冷却提供的冷却介质64可以包括，例如，从压缩机16转向的压缩工作流体18、蓄热式 热交换器（Regenerative heat exchanger)产生的饱和或过热蒸汽（未图示)，或者具有适 当传热特性的其他任何现成流体(例如由外接系统调节和输送)。冷却介质64流过部件外 壳（Outer skin)中的流体通道62, 一般也称为微通道，以便以对流和/或传导方式从部件 外表面排除热量。流体通道62可以具有多种形状、大小、长度和宽度，具体取决于受冷却的 特定部件。例如，流体通道62可以具有任何几何截面，其直径可以在约0. 0005英寸到0. 05 英寸的范围内，并且可以在部件外壳内水平、对角或螺旋（即，径向）延伸，具体取决于特定 的实施例。流过流体通道62之后，冷却介质64经由部件向回排出以进行外部处理，而不是 流入高温气体通道42中。
[0043] 在图3和4中所示的特定实施例中，受冷却的部件是暴露于高温气体通道42中的 固定叶片52。固定叶片52可以包括外部凸缘（flange)66和内部凸缘68。外部凸缘66可 以配置为连接到与壳体40相关的防护罩段(未图示）或其他结构，以固定地将固定叶片52 固持在适当位置。外部凸缘66和内部凸缘68组合以限定高温气体通道42的至少一部分， 并且夹在外部凸缘66与内部凸缘68之间的翼型70使燃烧气体24加速和重定向到下一级 旋转叶片50上，如上文参见图2所述。如所属领域中已知的那样，翼型70大体上包括前缘 72、位于前缘72下游的后缘74以及位于前缘72与后缘74之间的相对的凹面76和凸面 78 〇
[0044] 如图3和4所示，系统60可以进一步包括供应腔室（Supply plenum)80和返回腔 室（Return plenum) 82,用于交替地向固定叶片52内的一个或多个腔供应冷却介质64以 及从中排出所述冷却介质64。每个流体通道62可以包括入口 86和出口 88,其提供供冷却 介质64流入、流过和流出流体通道62的通路（Path)。流体通道62以及多个入口 86和出 口 88的定位可以提供穿过固定叶片52的多个可能的流动通路组合。因此，冷却介质64可 以向固定叶片52外壳内的外部凸缘66和内部凸缘68和/或流体通道62提供对流和/或 传导冷却，然后在经由返回腔室82排出。
[0045] 图5提供了根据本实用新型一个替代实施例的用于从涡轮机26排除热量的系统 60的透视图，并且图6提供了图5所示系统60的平面图，所述系统具有示例性流体通道62 和冷却介质流64。在此特定实施例中，受冷却的部件是旋转叶片50。旋转叶片50大体上 包括连接到平台92的翼型90。翼型90具有前缘94、位于前缘94下游的后缘96以及前缘 94与后缘96之间的相对的凹面98和凸面100,如上文参见图3和图4所示的固定叶片52 所述。平台92限定高温气体通道42的至少一部分并连接到根部102。如所属领域中所公 知的那样，根部92又可以滑动到转子轮44中的凹槽中，以径向约束旋转叶片50。
[0046] 如图5和6所不，系统60再次包括位于根部102内的一个或多个腔104以及翼型 90,所述系统60用于向旋转叶片50提供冷却介质64并从中排出所述冷却介质64。此外， 流体通道62以及多个入口 86和出口 88的定位可以再次提供穿过旋转叶片50的多种可能 的流动通路组合。因此，冷却介质64可以向平台92和/或位于旋转叶片50的外壳内的流 体通道62提供对流和/或传导冷却，然后从根部102排出。
[0047] 图7和8通过可以并入图3和4所示固定叶片52中的示例性翼型90的截面图， 并且图示和教导可以同样适用于图5和6所示的旋转叶片50。如每幅附图所示，基底110 大体上限定翼型90的形状，并且基底110具有面向翼型90内的腔104的内表面112以及 面向高温气体通道42的外表面114。基底110可以包括使用所属领域中已知的传统方法 铸造、锻制、挤压和/或机械加工的镍、钴、铁基超合金。此类超合金的示例包括GTD-111、 GTD-222、Rene80、Rene41、Renel25、Rene77、Rene N4、Rene N5、Rene N6、第 4 代单晶超合 金MX-4、哈斯特莱合金（Hastelloy) X和钴基HS-188。
[0048] 应用于基底110的外表面114的涂层116具有：内表面118,所述内表面118面向 基底110的外表面114 ;以及外表面120,所述外表面120与内表面118相对并且暴露于高 温气体通道42中。例如，涂层116可以包括一个或多个粘合层和/或热障涂层，如下文相 对于图9到12中所示的特定实施例更详细所述。如图7和8中所示，每个流体通道62位 于基底110的外表面114与涂层116的外表面120之间。因此，流体通道62提供供冷却介 质64流过翼型90外壳的流动通路，以便以对流和/或传导方式从翼型90的外表面排除热 量。
[0049] 在图7所示的特定实施例中，翼型90可以包括返回腔室122,所述返回腔室122位 于前供应腔室124与后供应腔室126之间。至少一个流体通道62可以延伸在翼型90的凹 面98和凸面100内的前缘94与后缘96之间，并且每个流体通道62的入口 86和出口 88的 定位可以提供进出流体通道62的多个流体通路，几乎覆盖翼型90的整个外表面。例如，前 供应腔室124中的入口 86可以提供流体通路128,所述流体通路128在凹面98和凸面100 内从前供应腔室124穿过基底110进入流体通道62。替代地或附加地，后供应腔室126中 的入口 86可以提供另一个流体通路130,所述流体通路130从后供应腔室126穿过基底110 且进入流体通道62中，以便冷却介质64可以在翼型90的凹面98和凸面100内从后缘96 向前缘94流动。对于流体通路128和130中的任一个或这两个，返回腔室122中的出口 88 可以提供另一个流体通路132,所述流体通路132从流体通道62穿过基底110且进入返回 腔室122中。通过这种方式，系统60可以提供以并行方式、沿任一方向和/或基本上在翼 型90的整个外表面上流过翼型90外壳的冷却介质流64。
[0050] 在一些实施例中，系统60可以使冷却介质64循环流过多个串联的流体通道62,然 后从翼型90排出冷却介质64。例如，如图8所示，除了上文参见图7所述的返回腔室122、 前供应腔室124和后供应腔室126之外，翼型90可以包括中间腔室134。在此特定实施例 中，位于凹面98中的流体通道62在位于凸面100中的流体通道62的上游。具体来说，前 供应腔室124中的入口 86可以提供流体通路128,所述流体通路128从前供应腔室124穿 过基底110且进入凹面98内的流体通道62。中间腔室134中的出口 88随后可以提供另一 个流体通路136,所述流体通路136从流体通道62穿过基底110且进入中间腔室134中， 并且中间腔室134中的入口 86和返回腔室122中的出口 88可以为冷却介质64提供流体 连通以流过凸面100内的流体通道62,然后流入返回腔室122并排出翼型90。后供应腔室 126中的入口 86可以提供流体通路130,所述流体通路130从后供应腔室126穿过基底110 且进入流体通道62,以便冷却介质64可以沿翼型90的凹面98和凸面100从后缘96向前 缘94流动,如上文参见图7所述。
[0051] 图9到12提供了在本实用新型多个实施例范围内的多个流体通道62的放大截面 图。在图9到12中所示的每个实施例中，流体通道62嵌入基底110和/或涂层116中， 或者被涂层116围绕。本说明书中所用的术语"嵌入"（Embedded)是指只有一部分的流 体通道62位于所标识的结构内，并且不包括完全被标识结构围绕的流体通道62。授予与 本申请相同专利权人的第6, 551，061和6, 617, 003号美国专利案以及第2012/0124832和 2012/0148769号美国专利公开案各自公开了用于制造图9到12所示流体通道62的多种系 统和方法，每个专利案和申请案的全部内容以引用方式并入本文中。
[0052] 在图9所示的特定实施例中，流体通道62嵌入基底110的外表面114中，流体通 道62的剩余部分被涂层116覆盖。流体通道62以及入口 86和出口 88可以在程控或诸如 机械手控制过程等其他自动化过程的指导或控制下成形或机械加工，以使基底110的外表 面114中具有所需的大小、布置和/或配置。例如，流体通道62和/或入口 86和出口 88 可以通过激光钻孔、腐蚀性液体微喷射、电化学加工（ECM)、浸渍电化学加工(浸渍ECM)、放 电加工（EDM)、使用旋转电极的放电加工(铣削EDM)或能够提供具有所需大小、形状和公差 的流体通道62的其他任何过程形成于基底110的外表面114中。
[0053] 流体通道62的宽度和/或深度可以在穿过基底110时大体恒定。或者，流体通道 62的宽度和/或深度可以在穿过基底110时逐渐减小。此外，流体通道62可以具有有助 于冷却介质64流过流体通道62的任何几何截面，例如，正方形、矩形、椭圆形、三角形或其 他任何几何形状。应了解，多个流体通道62可以具有特定几何形状的截面，而其他流体通 道62可以具有另一种几何形状的截面。此外，在特定实施例中，流体通道62的表面（S卩，侧 壁和/或底面)可以是大体上平滑的表面，而在其他实施例中，所有和一部分的流体通道62 可以包括使流体通道62的表面不平滑的突起、凹口、表面纹理（Texture)或其他特征。此 夕卜，流体通道62可以特定于受冷却的部件，以使部件的特定部件可以包括密度高于其他部 件的流体通道62。在一些实施例中，每个流体通道62可以是单数且离散的，而在其他实施 例中，一个或多个流体通道62可以具有分支以形成多个流体通道62。应进一步了解，在一 些实施例中，流体通道62可以围绕部件的整个外围，与其他流体通道62相交或者不相交。
[0054] -个或多个屏蔽或填充材料可以插入流体通道62以及入口 86和出口 88中，然后 在将涂层116应用于基底110的外表面114上。例如，填充材料可以包括例如铜、铝、钥、钨、 镍、莫乃尔（monel)合金以及镍铬合金材料，其具有在加热到700摄氏度以上时升华的高蒸 汽压力氧化物。在其他实施例中，所述填充材料可以是实心焊丝填料，其由元素或合金金属 材料和/或可变形材料形成，例如退火金属丝，当机械压缩到流体通道62中时，所述填料变 形以符合流体通道62的形状。在其他实施例中，所述填充材料可以粉末压缩到流体通道62 中以符合流体通道62的形状，从而大体上填充流体通道62。填充材料伸出流体通道62的 任何部分（即过度填充)可以通过抛光或机械加工除去，然后涂覆涂层116,以便基底110的 外表面114和填充材料形成邻接且平滑的表面，供后续的层和涂层116应用于其上。
[0055] -旦适当地清洁和准备基底110的外表面114之后，可以将一个或多个涂层116 应用于填充材料和外表面14上。例如，如图9所示，涂层116可以包括粘合层（Bond coat) 140,所述粘合层140应用于基底110的外表面114上，并且涂层116还包括热障涂层 (Thermal barrier coating) 142,所述热障涂层142应用于粘合层140上。粘合层140可 以是扩散型铝化合物，例如NiAl或PtAl，或者是MCrAl (X)化合物，其中Μ是选自铁、铜、镍 以及其组合构成的群组的元素，并且（X)是选自由以下项构成的群组的元素：Υ相前体和 /或诸如丁8、1^等固溶加强物 ；￥、21'、批、5;[等反应元素；以及由8、(：及其组合构成的晶粒 边界加强物。热障涂层142可以包括一个或多个以下特征：低放射能力或高热反射性、光面 修正以及与其下粘合层140的良好粘合。例如，所属领域中已知的热障涂层142包括金属 氧化物，例如氧化锆（Zr02)，部分或全部稳定的氧化钇（Y 203)、氧化镁(MgO)或其他贵金属 氧化物。所选的粘合层140和热障涂层142可以通过使用空气等离子体喷涂（APS)、低压等 离子体喷涂（LPPS)或物理蒸汽沉积（PVD)技术(例如电子束物理蒸汽沉积（EBPVD)，以得到 抗应变的柱状颗粒结构）的传统方法沉积。所选的粘合层140和/或热障涂层142还可以 使用任何前述方法的组合进行应用，以形成传送带，所述传送带随后进行传送以应用于其 下基底110,如上所述，例如，在第6, 165, 600号美国专利中，其受让给与本实用新型相同的 专利权人。粘合层140和/或热障涂层142可以应用约0. 0005英寸到0. 06英寸的厚度， 并且屏蔽或填充材料随后可以除去，例如，通过浸析、溶解、熔融、氧化、蚀刻等除去，以留下 图9中所示的截面。
[0056] 图10提供了根据本实用新型另一个实施例的流体通道62的放大截面图，其中所 述流体通道62嵌入基底110的外表面114以及涂层116的内表面118中。在此实施例中， 如上文相对于图9所示的实施例所述，流体通道62以及入口 86和出口 88可以机械加工到 基底110的外表面114中。屏蔽或填充材料随后可以插入流体通道62以及入口 86和出口 88中，以填充流体通道62并延伸过基底110的外表面114。粘合层140和/或热障涂层 142随后可以应用于填充材料和基底110的外表面114上，并且如上文参见图9所示，填充 材料可以除去，以留下图10所示的截面。
[0057] 图11是根据本实用新型另一个实施例的被涂层116围绕的流体通道62的放大截 面图。在此实施例中，粘合层140中的一个或多个层可以应用于相对平滑的基底110上，如 上文参见图9所述。屏蔽或填充材料随后可以放置或应用于粘合层140上，并且被粘合层 140的一个或多个其他层和/或热障涂层142覆盖，如上所述。屏蔽或填充材料随后可以如 上所述除去，留下完全包含在涂层116内的流体通道62,如图11所示。
[0058] 图12是根据本实用新型另一个实施例的位于粘合层140与热障涂层142之间的 流体通道62的放大截面图。此实施例的实施方式大体类似于上文参见图11描述和图示的 实施例，但是屏蔽或填充材料在涂覆粘合层140与热障涂层142之间进行涂覆。因此，所得 的流体通道62嵌入粘合层140和热障涂层142中，如图12所示。
[0059] 上文参见图1到12所图示和描述的多个实施例还提供了一种用于从涡轮机26排 除热量的方法。例如，所述方法可以包括使冷却介质64经由供应腔室80流入沿高温气体 通道42的一个或多个部件中。所述方法可以进一步包括使冷却介质64流过一个或多个流 体通道62,所述流体通道62位于基底110的外表面114与涂层116的外表面120之间，然 后经由返回腔室82从所述部件排出冷却介质64。在特定实施例中，所述方法可以使冷却介 质64以并行或串行方式流过流体通道62。
[0060] 所属领域中的普通技术人员将从本说明书中的教导认识到，系统60和本说明书 中所述的方法可以从涡轮机26排除热量，而不需要沿高温气体通道42的部件上提供薄膜 冷却。因此，可以提高涡轮机26中的运行温度，而不引入与薄膜冷却相关的空气动力学的 (Aerodynamic)混合损失。此外，所述闭环冷却所需的冷却介质64远远少于传统薄膜冷却 系统，并且通过所述闭环冷却从涡轮机26排除的热量可以保留在整个循环中或者由外接 系统重新捕集，从而提高整体发电厂效率。
[0061] 本说明书使用了各种实例来披露本实用新型，包括最佳模式，同时也让所属领域 的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖 的任何方法。本实用新型的保护范围由权利要求书限定，并可包含所属领域的技术人员想 出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类 实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要 求书的范围内。
【权利要求】
1. 一种用于从涡轮机排除热量的系统，包括： 位于所述涡轮机中的部件，其中所述部件包括其中的供应腔室和返回腔室； 基底，所述基底限定所述部件的形状，其中所述基底具有内表面和外表面； 涂层，所述涂层应用于所述基底的所述外表面上，其中所述涂层具有内表面，所述内 表面面向所述基底的所述外表面，并且所述涂层具有外表面，所述外表面与所述内表面相 对； 第一流体通道，所述第一流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表 面之间； 第一流体通路，所述第一流体通路从所述供应腔室穿过所述基底且进入到所述第一流 体通道中；以及 第二流体通路，所述第二流体通路从所述第一流体通道穿过所述基底且进入所述返回 腔室中。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述部件包括翼型。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述涂层包括：粘合层，所述粘合层应用于所述基 底的所述外表面上；以及热障涂层，所述热障涂层应用于所述粘合层上。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中所述第一流体通道位于所述粘合层与所述热障涂 层之间。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一流体通道嵌入所述基底的所述外表面中 或嵌入所述涂层的所述内表面中。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一流体通道被所述涂层围绕。
7. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括： 第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外 表面之间； 第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基底且进入所述第二流体通道中；以及 第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通道延伸穿过所述基底； 其中所述第一流体通道位于所述第二流体通道的上游。
8. -种用于从涡轮机排除热量的系统，包括： 翼型，其中所述翼型包括前缘、位于所述前缘下游的后缘以及位于所述前缘与所述后 缘之间的相对的凹面和凸面； 基底，所述基底限定所述翼型的至少一部分，其中所述基底具有内表面和外表面； 涂层，所述涂层应用于所述基底的所述外表面上，其中所述涂层具有内表面，所述内 表面面向所述基底的所述外表面，并且所述涂层具有外表面，所述外表面与所述内表面相 对； 第一流体通道，所述第一流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表 面之间； 第一流体通路，所述第一流体通路穿过所述基底且进入所述第一流体通道中；以及 第二流体通路，所述第二流体通路从所述第一流体通道延伸穿过所述基底。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述涂层包括：粘合层，所述粘合层应用于所述基 底的所述外表面上；以及热障涂层，所述热障涂层应用于所述粘合层上。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述第一流体通道位于所述粘合层与所述热障 涂层之间。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第一流体通道嵌入所述基底的所述外表面 中或嵌入所述涂层的所述内表面中。
12. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第一流体通道被所述涂层围绕。
13. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第一流体通道提供沿所述翼型的所述凹面 从所述后缘向所述前缘的流体连通。
14. 根据权利要求8所述的系统，进一步包括： 第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表 面之间； 第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基底且进入所述第二流体通道中；以及 第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通道延伸穿过所述基底； 其中所述第一流体通道提供所述翼型的所述凹面内的流体连通，并且所述第二流体通 道提供所述翼型的所述凸面内的流体连通。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中所述第一流体通道位于所述第二流体通道的上 游。
16. -种燃气涡轮机，包括： 压缩机； 燃烧器，所述燃烧器位于所述压缩机的下游； 涡轮机，所述涡轮机位于所述燃烧器的下游； 基底，所述基底限定所述涡轮机的至少一部分，其中所述基底具有内表面和外表面； 涂层，所述涂层应用于所述基底的所述外表面上，其中所述涂层具有内表面，所述内 表面面向所述基底的所述外表面，并且所述涂层具有外表面，所述外表面与所述内表面相 对； 第一流体通道，所述第一流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表 面之间； 第一流体通路，所述第一流体通路穿过所述基底且进入所述第一流体通道中；以及 第二流体通路，所述第二流体通路从所述第一流体通道延伸穿过所述基底。
17. 根据权利要求16所述的燃气涡轮机，进一步包括： 第二流体通道，所述第二流体通道位于所述基底的所述外表面与所述涂层的所述外表 面之间； 第三流体通路，所述第三流体通路穿过所述基底且进入所述第二流体通道中；以及 第四流体通路，所述第四流体通路从所述第二流体通道延伸穿过所述基底； 其中所述第一流体通道提供翼型的凹面内的流体连通，并且所述第二流体通道提供翼 型的凸面内的流体连通。
18. 根据权利要求17所述的燃气涡轮机，其中所述第一流体通道位于所述第二流体通 道的上游。
【文档编号】F01D25/12GK203879556SQ201320808745
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】G.M.伊策尔, K.R.柯特利, C.L.范德沃尔特, R.S.班克 申请人:通用电气公司