制品和形成制品的方法与流程

在政府支持下按照由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643进行本发明。政府享有本发明中的一定权利。

技术领域

本发明针对制品和形成制品的方法。更具体地，本发明针对冷却制品和形成冷却制品的方法。

背景技术：

涡轮系统不断地被修改以提高效率和减少成本。一个用于提高涡轮系统的效率的方法包括提高涡轮系统的运行温度。为了提高运行温度，涡轮系统必须由能够在连续的使用期间经受住这样的温度的材料构成。

除修改构件材料和覆层以外，提高涡轮构件的温度能力(temperature capability)的普遍的方法包括冷却结构(cooling feature)的使用。例如，一种类型的冷却结构包括冲击元件(impingement member)，其具有在其中形成的孔。冲击元件引导冷却流体穿过孔并且朝向预定被冷却的表面。然而，一旦冷却流体离开孔，就常常难以控制冷却流体的流动，尤其在冲击元件和待冷却的表面之间存在横流(cross flow，有时称为交叉流)的情况下。

为了在横流存在的情况下使表面与冷却流体接触，典型地使增加的数量的冷却流体穿过在冲击元件中的孔。由于冷却流体经常由在涡轮发动机中的压缩空气提供，故使增加的数量的冷却流体穿过孔使得在到达燃烧器之前移除了压缩空气的增加的部分。移除压缩空气的增加的部分可降低效率并且增加涡轮发动机的运行成本。

相比于现有技术显示了一个或多个改进的制品和方法在本领域中将是期望的。

技术实现要素：

在一种实施例中，冷却制品包括分离内部区域和外部区域的主体部分、在主体部分中的孔、将内部区域流体地连接到外部区域的孔、以及从主体部分的外部表面离开延伸的冷却结构。冷却结构扰动在外部区域中的流体流。

在另一实施例中，冷却制品包括分离内部区域和外部区域的主体部分、在主体部分中的多个孔、将内部区域流体地连接到外部区域的孔、以及从主体部分的外部表面离开延伸的多个冷却结构。冷却制品布置和设置在涡轮喷嘴内部，并且多个冷却结构提供来自涡轮喷嘴的热传递。

在另一实施例中，形成冷却制品的方法包括形成限定内部区域和外部区域的主体部分；形成在主体部分中的孔，该孔将内部区域流体地连接到外部区域；并且形成从主体部分的外部表面离开延伸的冷却结构。冷却制品布置和设置成用于插入在涡轮发动机的热气体通路构件内部。

技术方案1. 一种冷却制品(100)，包含：

分离内部区域(203)和外部区域(205)的主体部分(201)；

在所述主体部分(201)中的孔(101)，所述孔(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)；以及

从所述主体部分(201)的外部表面(206)离开延伸的冷却结构(103)；

其中，所述冷却结构(103)扰动在所述外部区域(205)中的流体流。

技术方案2. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，从包括销状部、隆起部、凹陷部、遮蔽元件(403)及其组合的组中选择所述冷却结构(103)。

技术方案3. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却结构(103)布置和设置成引导横流远离所述孔(101)。

技术方案4. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却结构(103)包括半圆形的几何形状。

技术方案5. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)包含从所述主体部分(201)的所述外部表面(206)离开延伸的多个附加的冷却结构(103)。

技术方案6. 根据技术方案5所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却结构(103)和所述附加的冷却结构(103)中的至少一个包括不同的几何形状。

技术方案7. 根据技术方案5所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述多个附加的冷却结构(103)的填充度沿所述主体部分(201)变化。

技术方案8. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)布置和设置成用于插入在涡轮喷嘴内部，并且所述冷却结构(103)布置和设置成提供近壁湍流。

技术方案9. 根据技术方案1所述的冷却制品(100)，其特征在于，所述冷却制品(100)布置和设置成用于插入在涡轮喷嘴内部，并且所述冷却结构(103)布置和设置成当所述冷却制品(100)插入在所述涡轮喷嘴中时接触所述涡轮喷嘴的内部表面(204)。

技术方案10. 一种冷却制品(100)，包含：

分离内部区域(203)和外部区域(205)的主体部分(201)；

在所述主体部分(201)中的多个孔(101)，所述孔(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)；以及

从所述主体部分(201)的外部表面(206)离开延伸的多个冷却结构(103)；

其中，所述冷却制品(100)布置和设置在涡轮喷嘴内部；并且

其中，所述多个冷却结构(103)提供来自所述涡轮喷嘴的热传递。

技术方案11. 一种形成冷却制品(100)的方法，该方法包含：

形成限定内部区域(203)和外部区域(205)的主体部分(201)；

形成在所述主体部分(201)中的孔(101)，所述孔(101)将所述内部区域(203)流体地连接到所述外部区域(205)；以及

形成从所述主体部分(201)的外部表面(206)离开延伸的冷却结构(103)；

其中，所述冷却制品(100)布置和设置成用于插入在涡轮发动机的热气体通路构件(300)内部。

技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，形成所述主体部分(201)、形成所述孔(101)以及形成所述冷却结构(103)中的至少一个包含增材制造。

技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述冷却结构(103)的形成包括将所述冷却结构(103)布置和设置成引导横流远离所述孔(101)。

技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，此外包含形成从所述主体部分(201)的所述外部表面(206)离开延伸的多个附加的冷却结构(103)。

技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，此外包含将所述冷却结构(103)和所述多个附加的冷却结构(103)布置和设置成使冷却剂流湍流化。

实施方案1. 一种冷却制品，包含：

分离内部区域和外部区域的主体部分；

在所述主体部分中的孔，所述孔将所述内部区域流体地连接到所述外部区域；以及

从所述主体部分的外部表面离开延伸的冷却结构；

其中，所述冷却结构扰动在所述外部区域中的流体流。

实施方案2. 根据实施方案1所述的冷却制品，其特征在于，从包括销状部、隆起部、凹陷部、遮蔽元件及其组合的组中选择所述冷却结构。

实施方案3. 根据实施方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构邻近于所述孔定位。

实施方案4. 根据实施方案3所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构布置和设置成引导横流远离所述孔。

实施方案5. 根据实施方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构包括半圆形的几何形状。

实施方案6. 根据实施方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却制品包含从所述主体部分的所述外部表面离开延伸的多个附加的冷却结构。

实施方案7. 根据实施方案6所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构和所述附加的冷却结构中的至少一个包括不同的几何形状。

实施方案8. 根据实施方案6所述的冷却制品，其特征在于，所述多个附加的冷却结构的填充度沿所述主体部分变化。

实施方案9. 根据实施方案1所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却制品布置和设置成用于插入在涡轮喷嘴内部。

实施方案10. 根据实施方案9所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构布置和设置成提供近壁湍流。

实施方案11. 根据实施方案9所述的冷却制品，其特征在于，所述冷却结构布置和设置成当所述冷却制品插入在所述涡轮喷嘴中时接触所述涡轮喷嘴的内部表面。

实施方案12. 一种冷却制品，包含：

分离内部区域和外部区域的主体部分；

在所述主体部分中的多个孔，所述孔将所述内部区域流体地连接到所述外部区域；以及

从所述主体部分的外部表面离开延伸的多个冷却结构；

其中，所述冷却制品布置和设置在涡轮喷嘴内部；并且

其中，所述多个冷却结构提供来自所述涡轮喷嘴的热传递。

实施方案13. 一种形成冷却制品的方法，方法包含：

形成限定内部区域和外部区域的主体部分；

形成在所述主体部分中的孔，所述孔将所述内部区域流体地连接到所述外部区域；以及

形成从所述主体部分的外部表面离开延伸的冷却结构；

其中，所述冷却制品布置和设置成用于插入在涡轮发动机的热气体通路构件内部。

实施方案14. 根据实施方案13所述的方法，其特征在于，形成所述主体部分、形成所述孔以及形成所述冷却结构中的至少一个包含增材制造。

实施方案15. 根据实施方案14所述的方法，其特征在于，所述增材制造包含直接金属激光熔化。

实施方案16. 根据实施方案13所述的方法，其特征在于，形成所述冷却结构包括将所述冷却结构布置和设置成引导横流远离所述孔。

实施方案17. 根据实施方案13所述的方法，此外包含形成远离所述主体部分的所述外部表面延伸的多个附加的冷却结构。

实施方案18. 根据实施方案17所述的方法，此外包含改变所述多个附加的冷却结构中的至少一个的几何形状。

实施方案19. 根据实施方案17所述的方法，此外包含沿所述主体部分改变所述多个附加的冷却结构的填充度。

实施方案20. 根据实施方案17所述的方法，此外包含将所述冷却结构以及所述多个附加的冷却结构布置和设置成使冷却剂流湍流化。

本发明的其它的特征和优点从下面更详细的描述中结合借助于示例示出了本发明的原理的附图将为显而易见的。

附图说明

图1是根据公开的实施例的冷却制品的透视图。

图2是根据公开的实施例的冷却制品的截面图。

图3是根据公开的实施例的定位在被冷却的构件内部的冷却制品的截面图。

图4是根据公开的实施例的冷却结构的放大图。

图5是根据公开的实施例的形成冷却制品的方法的流程图。

图6是根据公开的实施例的形成冷却制品的方法的示意图。

在任何可能处，相同的参考标号将贯穿附图被用作以代表相同的部分。

参考符号列表

100 冷却制品

101 孔

103 冷却结构

201 主体部分

203 内部区域

204 内部表面

205 外部区域

206 外部表面

300 构件

304 内部表面

403 遮蔽元件

500 增材方法(additive method)

601 金属合金粉末

602 初始层

603 预先选择的厚度

604 开口

610 聚焦的能量源

611 部分

622 附加层

623 第二预先选择的厚度

624 第二开口

633 组合的厚度

634 组合的开口。

具体实施方式

提供了冷却制品和形成冷却制品的方法。本公开的实施例，例如，相比于未能包括在这里公开的特征中的一个或多个的概念，提高了冷却效率，减少了冷却流体使用，增进了流体流的控制，提高了冲击流体流的效率，减少了对冲击流体的横流效果，提高了热壁热传递，提供了湍流冷却剂流，增加了运行寿命，或其组合。

冷却制品100包括用于促进涡轮构件的冷却的任何合适的制品。在一种实施例中，如在图1中示出的那样，冷却制品100包括在其中形成的一个或多个孔101和/或在其上形成的一个或多个冷却结构103。例如在另一实施例中冷却制品100包括具有多个孔101和/或冷却结构103的冲击套筒(impingement sleeve)。虽然在本文中主要关于冲击套筒被描述，但如本领域技术人员将理解的那样，冷却制品100可包括任何其它合适的制品，诸如，但不限于，冲击板、多个冲击板、构造成用于插入在构件内部的任何其它的制品、或其组合。

参考图2，冷却制品100的主体部分201限定和/或分离内部区域203和外部区域205。主体部分201包括面向内部区域203的内部表面204，以及面向外部区域205的外部表面206。在一种实施例中，一个或多个孔101形成在主体部分201中、将内部区域203流体地连接到外部区域205并且提供了在内部区域203和外部区域205之间的流体流。例如，孔101可在内部表面204和外部表面206之间延伸，促进冷却流体从内部区域203流动到外部区域205。

每个孔101包括用于流体地连接内部区域203和外部区域205的任何合适的几何形状。合适的几何形状包括，但不限于，圆形的、基本上圆形的、圈形的、基本上圈形的、卵形的、椭圆形的、非圈形的、正方形的、三角形的、星形的、多边形的、V形的(chevron-shaped)、变化的、不规则的、任何其它的几何形状、或其组合。附加地，孔101包括用于益于冷却流的任何合适的定向和/或间隔。在孔101之间的合适的间隔包括，但不限于，均匀的、一致的、变化的、梯度的、分段的、或其组合。孔101的几何形状和/或间隔可遍及冷却制品100是一致的、基本上一致的、或变化的，其中每个孔101的几何形状和/或间隔是相同的、基本上相同的、和/或不同于在冷却制品100中的一个或多个其它的孔101。

在另一实施例中，一个或多个冷却结构103在外部表面206上形成，并且远离外部表面206延伸到外部区域205中。合适的冷却结构103包括，但不限于，销状部203(图2)、销状翅片、隆起部、凹陷部、遮蔽元件403(图4)、湍流带(turbulator strips)、网格结构、任何其它的突出部和/或凹口、或其组合。例如，如在图2中示出的那样，一个或多个冷却结构103可包括布置和设置成以形成销状部组(pin bank)的多个销状部203。附加地或备选地，冷却制品100可包括销状部203和其它的冷却结构103的组合。

每个冷却结构103包括任何合适的横截面几何形状，诸如，但不限于，圆形的、基本上圆形的、圈形的、基本上圈形的、非圈形的、星形的、卵形的、正方形的、三角形的、多边形的、变化的、不规则的、任何其它的几何形状、或其组合。一个或多个冷却结构103中的每个的横截面几何形状可为一致的、基本上一致的、或变化的。例如，冷却结构103可形成矩形、正方形、圆柱形、圆锥形、三角形、沙漏形状、抛物线形状、或其组合。在一种实施例中，一个或多个冷却结构103中的每个的横截面几何形状与其它的冷却结构103是相同的或基本上相同的。在另一实施例中，沿着冷却制品100的外部表面206冷却结构103中的至少一个的横截面几何形状不同于至少一个其它的冷却结构103的横截面几何形状。在进一步的实施例中，分区段地形成冷却结构103，在至少一个区段中的冷却结构103的横截面几何形状不同于在至少另一区段中的冷却结构103的横截面几何形状。

附加地或备选地，冷却结构103的其它的方面，诸如，但不限于，间隔、角度、长度、宽度、或其组合，沿外部表面206是相同的、基本上相同的、或变化的。在一个示例中，冷却结构103的间隔可变化以改变冷却结构103的密度或填充度(packing)。在另一示例中，冷却结构103关于主体部分201和/或外部表面206可为成角度的。在一种实施例中，冷却结构103的角度选择成使冷却制品100的增材制造变得简单，诸如，例如，通过在制造期间向主体部分201提供支撑。在进一步的示例中，冷却结构103包括支撑元件，诸如，但不限于，支柱、脊状部、和/或杆，其在增材制造期间提供了对于冷却结构103的支撑。支撑元件可形成冷却制品100的一部分，或可在冷却制品100的增材制造后被移除。

转向图3，在一个实施例中，冷却制品100构造成用于插入和/或定位在构件300(诸如，但不限于，热气体通路构件、涡轮喷嘴、涡轮护罩、涡轮轮叶或叶片、燃烧构件、或其组合)内部。当插入和/或定位在构件300内部时，冷却制品100的外部区域205在冷却制品的外部表面206和构件300的内部表面304之间延伸。附加地，当冷却制品100插入和/或定位在构件300内部时，通过孔101的流体的流动提供构件300的冲击冷却。例如，向冷却制品100的内部区域203提供的冷却流体可穿过孔101到外部区域205，在该外部区域处冷却流体接触构件300的内部表面304以冷却构件300。孔101的定向和/或间隔至少部分地确定了从内部区域203穿到外部区域205的冷却流体的数量、方向、和/或浓度。

如在图3中示出的那样，当冷却制品100插入和/或定位在构件300内部时，一个或多个冷却结构103朝向构件300的内部表面304延伸。在一种实施例中，冷却结构103布置和设置成影响在外部区域205内部和/或通过外部区域205的流体流。在另一实施例中，一个或多个冷却结构103邻近构件300的内部表面304，但不接触内部表面304。在另一实施例中，冷却结构103在外部区域205内部使流体流诸如横流和/或其它的冷却流体流湍流化(turbulate)。使在外部区域205内部的流体流湍流化增加了近壁湍流，这提高了来自构件300的总热传递，提高了构件300的冷却，提高了热壁热传递，提高了冷却效率，或其组合。附加地或备选地，一个或多个冷却结构103中的至少一个接触构件300的内部表面304，提供了来自构件300的传导式的热传递(conductive heat transfer，有时称为热传导)。

转向图4，在一个实施例中，一个或多个冷却结构103包括相对于一个或多个孔101中的至少一个定位的至少一个遮蔽元件403。除一个或多个销形部203或其它的冷却结构103之外，或代替一个或多个销形部203或其它的冷却结构103，可提供该至少一个遮蔽元件403。在另一实施例中，该至少一个遮蔽元件403布置和设置成减少或消除对离开孔101中的至少一个的冷却流体的横流效果。例如，如在图4中示出的那样，遮蔽元件403可包括构造为引导在外部区域205内部的横流远离离开孔103的冷却流体的弯曲的和/或半圆形的几何形状。通过减少或消除对冷却流体的横流效果，遮蔽元件403增加了与构件300的内部表面304的冷却流体接触，提高了冲击冷却效率，提高了排热，利用减少的数量的流体提供了构件300的冷却，和/或促进了提高的运行温度的使用。

在一个实施例中，形成冷却制品100和/或冷却结构103包括任何合适的增材制造方法。参考图5-6，在另一实施例中，增材方法500包括制造和/或形成净形或近净形的冷却制品100和/或冷却结构103。如在本文中所使用的那样，短语“近净”意指利用非常类似于冷却制品100和/或冷却结构103的最终的几何形状和尺寸的几何形状和尺寸形成的冷却制品100和/或冷却结构103，在增材方法500后需要很少的机加工和处理或不需要机加工和处理。如在本文中所使用的那样，短语“净”意指利用不需要机加工和处理的几何形状和尺寸形成的冷却制品100和/或冷却结构103。例如，在一种实施例中，增材方法500包括制造包括一个或多个孔101和/或一个或多个冷却结构103的冷却制品100。增材方法500向冷却制品100、(一个或多个)孔101、和/或(一个或多个)冷却结构103提供任何净形或近净形。附加地或备选地，增材方法500包括独立于一个或多个冷却结构103形成冷却制品100，然后将一个或多个冷却结构103固定到冷却制品100上。虽然关于在增材方法500期间形成的一个或多个孔101被描述，但如本领域的技术人员将认识到的那样，在增材方法500后(一个或多个)孔101中的至少一个可被机加工到冷却制品100中，而不影响冷却制品100的净的或近净的几何形状。

增材方法500包括用于通过顺序地并且重复地沉积和接合材料层形成冷却制品100和/或冷却结构103的任何制造方法。合适的制造方法包括，但不限于，对本领域的普通技术人员已知的过程，如直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积造型(FDM)、或其组合。在一个实施例中，例如，增材方法500包括提供金属合金粉末601(步骤501)；利用金属合金粉末601形成初始层602(步骤502)；顺序地利用金属合金粉末601在初始层602之上形成附加层622(步骤503)；并且将附加层622接合到初始层602上以形成冷却制品100和/或冷却结构103(步骤504)。在另一实施例中，增材方法500包括重复顺序地在先前形成的层之上形成附加层622并且将附加层622接合到先前形成的层上的步骤(步骤505)直到获得具有预先确定的厚度和/或预先确定的形状的冷却制品100和/或(一个或多个)导管103。先前形成的层包括冷却制品100和/或冷却结构103的任何部分611，其包括了初始层602和/或直接地或间接地接合到初始层602上的任何其它的附加的(一个或多个)层622。

初始层602包括预先选择的厚度603和预先选择的形状，其当形成一个或多个孔101时包括至少一个第一开口604。每个附加层622包括第二预先选择的厚度623和第二预先选择的形状，第二预先选择的形状包括相应于在初始层602中的至少一个第一开口604的至少一个第二开口624，相应于外部表面206的形状，和/或相应于一个或多个冷却结构103的形状。在附加层622中的一个或多个之间第二预先选择的厚度623和/或第二预先选择的形状可为相同的、基本上相同的、或不同的。当接合时，初始层602的预先选择的厚度603和(一个或多个)附加层622的第二预先选择的厚度623形成了部分611的组合的厚度633。附加地，该至少一个第一开口604和对应的该至少一个第二开口624形成了在部分611中的一个或多个组合的开口634。一旦形成了冷却制品100，该一个或多个组合的开口634就形成将部分611的内部区域203流体地连接到外部区域205的一个或多个孔101。

在一个实施例中，增材方法500包括DMLM过程。在另一实施例中，DMLM过程包括提供金属合金粉末601并且沉积金属合金粉末601以形成初始粉末层。初始粉末层具有预先选择的厚度603和包括了至少一个第一开口604的预先选择的形状。在进一步的实施例中，DMLM过程包括提供聚焦的能量源610，并且将聚焦的能量源610引导到初始粉末层处以熔化金属合金粉末601并且将初始粉末层转变成冷却制品100和/或冷却结构103的部分611。合适的聚焦的能量源包括，但不限于，激光设备、电子束设备、或其组合。

紧接着，DMLM过程包括在冷却制品100和/或冷却结构103的部分611之上顺序地沉积附加的金属合金粉末601以形成具有第二预先选择的厚度623和第二预先选择的形状的附加层622。在沉积金属合金粉末601的附加层622后，DMLM过程包括利用聚焦的能量源610熔化附加层622以增加组合的厚度633并且形成冷却制品100的至少一部分。然后可重复顺序地沉积金属合金粉末601的附加层622并且熔化附加层622的步骤以形成净形的或近净形的冷却制品100和/或冷却结构103。例如，可重复步骤直到获得具有预先确定的厚度、预先确定的形状、一个或多个孔101、和/或一个或多个冷却结构103的冷却制品100。

附加地或备选地，可独立于冷却制品100的形成和/或在冷却制品100的形成之后形成一个或多个冷却结构103。例如，使用增材方法500可直接地在先前形成的冷却制品100上形成冷却结构103，或冷却结构103可独立于冷却制品100形成然后附接到冷却制品100上。独立于冷却制品100形成冷却结构103可包括增材方法500或非增材方法诸如机加工和/或铸造。使用增材方法500形成冷却制品100和/或冷却结构103相比于非增材方法使得具有提高的复杂性的冷却结构103的形成变得简单。

虽然已经参考一个或多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。此外可做出一些修改以使得特定情况或材料适合于本发明的教导而不脱离本发明的本质范围。因此，意图本发明不受限于作为预期用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。另外，在详细描述中识别的所有数值应当如同明确地识别了精确值和近似值两者那样理解。