涡轮部件和用于形成涡轮部件的方法与流程

本发明涉及涡轮部件和用于形成涡轮部件的方法。更具体地讲，本发明涉及具有缩小的衰弱区的涡轮部件和用于形成包括缩小的衰弱区的涡轮部件的方法。

发明背景

诸如喷嘴的燃气涡轮部件受到在热气体路径中大量的热和外部压力。这些严酷的操作条件随着技术的进步而加重，这可包括升高的操作温度和更大的热气体路径压力两者。结果，诸如喷嘴的部件有时通过使流体流过插入喷嘴的芯部中的岐管来冷却，该流体通过冲击孔离开岐管进入冲击后腔体(post-impingementcavity)中，然后通过喷嘴外壁中的小孔离开冲击后腔体，在喷嘴外部形成流体的薄膜层。

形成诸如喷嘴的涡轮部件的材料与涡轮部件包括的特定构造结合导致在冷却流体系统的冷却功效方面的某些抑制作用。举例来说，就喷嘴而言，喷嘴的外表面可包括岐管必须遵循的急剧变窄的构造。然而，喷嘴的变窄构造和用来形成插入喷嘴中的岐管的材料的结构缺陷可以导致在最靠近喷嘴的后缘的冲击后腔体的部分中形成衰弱区。在不损害岐管的结构完整性的情况下，岐管的材料仅可被车削至特定角度的弯曲半径，这限制了岐管沿着变窄的喷嘴可伸出的距离，从而限制了冲击孔可被定位到接近喷嘴的最渐缩部分的程度。在此衰弱区中冲击孔的缺乏降低了冷却流体的冷却效果，因为冷却流体将在衰弱区中较少地循环。此衰弱区的存在要么需要使用过量的冷却流体，这降低了涡轮的总体效率；要么限制了涡轮可操作的温度，这也降低了涡轮的总体效率。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，涡轮部件包括部件壁、设置在部件壁内的岐管、以及设置在岐管和部件壁之间的冲击后腔体。部件壁包括多个外部小孔并且限定受约束部分。岐管包括冲击壁，并且冲击壁包括壁厚并且限定增压室和渐缩部分。渐缩部分朝受约束部分渐缩并且包括多个冲击小孔和壁内弯部。壁内弯部邻近受约束部分设置。冲击后腔体布置成通过所述多个冲击小孔接纳来自增压室的流体并且通过所述多个外部小孔排出流体，并且包括设置在渐缩部分和受约束部分之间的衰弱区。渐缩部分一体地形成为单个连续的物体，并且壁内弯部包括内弯半径，该内弯半径在壁内弯部的内部测量且小于在壁内弯部处的冲击壁的壁厚的约3倍。

基于上述一个示例性实施例，本发明还提供以下技术方案：

技术方案1：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述内弯半径小于在所述壁内弯部处的所述冲击壁的所述壁厚的约1.5倍。

技术方案2：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述内弯半径小于约0.06英寸。

技术方案3：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述涡轮部件为翼型件，并且所述受约束部分为所述翼型件的后缘。

技术方案4：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述岐管的所述渐缩部分包括在到所述受约束部分小于所述壁厚的约20倍的距离内的所述多个冲击小孔的一部分。

技术方案5：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述岐管的所述渐缩部分包括在到所述受约束部分约0.5英寸内的所述多个冲击小孔的一部分。

技术方案6：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述渐缩部分的所述壁厚为约0.02英寸至约0.036英寸。

技术方案7：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述衰弱区相对于可比较的涡轮部件的可比较的衰弱区缩小，所述可比较的涡轮部件具有不小于可比较的壁厚的约3倍的不同的内弯半径。

技术方案8：根据上述一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述冲击壁包括不锈钢成分。

在另一个示例性实施例中，涡轮部件包括部件壁、设置在部件壁内的岐管、以及设置在岐管和部件壁之间的冲击后腔体。部件壁包括多个外部小孔并且限定受约束部分。岐管包括冲击壁，并且冲击壁包括壁厚并且限定增压室和渐缩部分。渐缩部分朝受约束部分渐缩并且包括邻近受约束部分设置的壁内弯部。渐缩部分还包括在增压室和壁内弯部之间的加固部分，在加固部分中，冲击壁延伸横跨增压室。加固部分包括多个冲击小孔。冲击后腔体布置成通过所述多个冲击小孔接纳来自增压室的流体并且通过所述多个外部小孔排出流体。冲击后腔体包括设置在渐缩部分和受约束部分之间的衰弱区。渐缩部分一体地形成为单个连续的物体。

基于上述另一个示例性实施例，本发明还提供以下技术方案：

技术方案9：根据上述另一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述多个冲击小孔包括设置在所述壁内弯部处的至少一个内弯小孔。

技术方案10：根据技术方案9的涡轮部件，其中，所述衰弱区相对于可比较的涡轮部件的可比较的衰弱区缩小，所述可比较的涡轮部件缺少设置在所述壁内弯部处的所述至少一个内弯小孔。

技术方案11：根据上述另一个示例性实施例的涡轮部件，其中，所述涡轮部件为翼型件，并且所述受约束部分为所述翼型件的后缘。

在又一个示例性实施例中，一种用于形成涡轮部件的方法包括通过增材制造技术一体地形成冲击壁的单个连续的渐缩部分，将冲击壁并入岐管中以及将冲击壁设置在部件壁内。冲击壁包括壁厚并且限定增压室。渐缩部分渐缩至壁内弯部并且包括多个冲击小孔。部件壁包括多个外部小孔并且限定受约束部分。壁内弯部邻近受约束部分设置。将冲击壁设置在部件壁内限定在岐管和部件壁之间的冲击后腔体。冲击后腔体布置成通过所述多个冲击小孔接纳来自增压室的流体并且通过多个多个外部小孔排出流体。冲击后腔体包括设置在渐缩部分和受约束部分之间的衰弱区。

基于上述又一个示例性实施例，本发明还提供以下技术方案：

技术方案12：根据上述又一个示例性实施例的方法，其中，形成所述单个连续的渐缩部分包括形成具有内弯半径的所述壁内弯部，所述内弯半径在所述壁内弯部的内部测量且小于在所述壁内弯部处的所述冲击壁的所述壁厚的约3倍。

技术方案13：根据上述又一个示例性实施例的方法，其中，形成所述单个连续的渐缩部分包括形成具有在所述增压室和所述壁内弯部之间的加固部分的所述渐缩部分，在所述加固部分中，所述冲击壁延伸横跨所述增压室，所述多个冲击小孔设置在所述加固部分中。

技术方案14：根据上述又一个示例性实施例的方法，其中，通过所述增材制造技术一体地形成所述单个连续的渐缩部分包括所述增材制造技术选自由下列组成的组：直接金属激光熔融、直接金属激光烧结、选择性激光熔融、选择性激光烧结、电子束熔融、激光金属沉积、以及它们的组合。

技术方案15：根据上述又一个示例性实施例的方法，其中，一体地形成所述冲击壁的所述单个连续的渐缩部分并将所述冲击壁并入所述岐管中包括将所述单个连续的渐缩部分、所述冲击壁和所述岐管通过所述增材制造技术一体地形成为单个连续的物体。

技术方案16：根据技术方案15的方法，其中，将所述冲击壁设置在所述部件壁内包括通过所述增材制造技术将所述部件壁、所述单个连续的渐缩部分、所述冲击壁和所述岐管一体地形成为单个连续的物体。

技术方案17：根据上述又一个示例性实施例的方法，其中，形成所述冲击壁的所述单个连续的渐缩部分并将所述冲击壁并入所述岐管中包括将所述冲击壁的所述单个连续的渐缩部分形成为相对于所述冲击壁的剩余部分单独的、不同的物体并将所述冲击壁的所述单个连续的渐缩部分接合到所述冲击壁的所述剩余部分。

根据下面的结合附图的优选实施例的更详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图以举例方式示出了本发明的原理。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的涡轮部件的剖视图。

图2是根据本公开的一个实施例的在图1的区域2内截取的放大剖视图。

图3是根据本公开的一个实施例的涡轮部件的剖视图。

图4是根据本公开的另一个实施例的在图3的区域4内截取的放大剖视图。

图5是根据本公开的一个实施例的涡轮部件的剖视图。

图6是根据本公开的另一个实施例的在图5的区域6内截取的放大剖视图。

图7是现有技术的涡轮部件的剖视图，该涡轮部件在一些方面与图1、图3和图5的涡轮部件可比较。

在任何可能的情况下，将在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同的部件。

具体实施方式

提供了示例性涡轮部件和形成涡轮部件的方法。相比未使用本文所公开的一个或多个特征的制品和方法，本公开的实施例增加了冷却，提高了耐久性，增加了零件寿命，延长了维修间隔，提升了效率，改善了复杂结构的可制造性，改善了对冲击射流位置的控制，改善了对冲击射流到靶点间隙的控制，改善了冲击射流靶向性，或它们的组合。

参看图1-4，在一个实施例中，涡轮部件100包括部件壁102、设置在部件壁102内的岐管104、以及设置在岐管104和部件壁102之间的冲击后腔体106。部件壁102包括多个外部小孔108，并且限定受约束部分110。如本文所用，“受约束部分”110是指在涡轮部件100变窄的方向上从岐管104横跨冲击后腔体106的涡轮部件100的一部分，其中“变窄”被理解为包括涡轮部件100的大体构造的变窄以及其中部件壁102限定一角度的局部变窄。岐管104包括冲击壁112，并且冲击壁112包括壁厚114且限定增压室116和渐缩部分118。渐缩部分118朝受约束部分110渐缩，并且包括多个冲击小孔120和壁内弯部122。壁内弯部122邻近受约束部分110设置。冲击后腔体106布置成通过多个冲击小孔120接纳来自增压室116的流体并通过多个外部小孔108排出流体，并且包括设置在渐缩部分118和受约束部分110之间的衰弱区124。渐缩部分118一体地形成为单个连续的物体，并且壁内弯部122包括内弯半径200，该半径在壁内弯部122的内部测量且小于在壁内弯部122处的冲击壁112的壁厚114的约3倍。

如本文所用，“连续的”表示所引用的物体或部分不包括内部焊接接头、内部硬钎焊接头、内部粘合接头、或它们的组合。然而，该定义不排除通过外部焊接接头、外部硬钎焊接头、外部粘合接头、或它们的组合附接到另一个物体或部分的连续物体或部分。

如本文所用，“内弯半径”200类似于更常用的专门术语“弯曲半径”，不同的是，虽然内弯半径200描述了冲击壁112中的弯曲部的半径，但“内弯”代替“弯曲”使用是为了确保不存在这样的暗示：冲击壁112弯曲成形状，而不是成形有弯曲部，或者内弯基本上如成形时那样存在。

在另一个实施例中，内弯半径200小于在壁内弯部122处的冲击壁112的壁厚114的约1.5倍，或者小于在壁内弯部122处的冲击壁112的约壁厚114，或者小于在壁内弯部122处的冲击壁112的壁厚114的约二分之一。在另一个实施例中，内弯半径小于约0.12英寸，或者小于约0.06英寸，或者小于约0.03英寸。

在一个实施例中，岐管104的渐缩部分118包括多个冲击小孔120的一部分，该部分在到受约束部分110小于壁厚114的约25倍、或者到受约束部分110小于壁厚114的约20倍、或者到受约束部分110小于壁厚114的约15倍、或者到受约束部分110小于壁厚114的约10倍、或者到受约束部分110小于壁厚114的约5倍的距离内。在另一个实施例中，岐管104的渐缩部分118包括多个冲击小孔120的一部分，该部分在到受约束部分110约0.75英寸内、或者在到受约束部分110约0.5英寸内、或者在到受约束部分110约0.35英寸内、或者在到受约束部分110约0.25英寸内、或者在到受约束部分110约0.15英寸内。

参看图1-4，多个冲击小孔120在渐缩部分118中可具有任何合适的分布。参看图1和图2，在一个实施例中，多个冲击小孔120沿着渐缩部分118中的冲击壁112侧向地设置。参看图3和图4，在另一个实施例中，多个冲击小孔120包括设置在壁内弯部122处的至少一个内弯小孔300。除了至少一个内弯小孔300之外，多个小孔120可包括在渐缩部分118的冲击壁112中的侧向设置的小孔120。

参看图5和图6，在一个实施例中，涡轮部件100包括部件壁102、设置在部件壁102内的岐管104、以及设置在岐管104和部件壁102之间的冲击后腔体106。部件壁102包括多个外部小孔108，并且限定受约束部分110。岐管104包括冲击壁112，并且冲击壁112包括壁厚114且限定增压室116和渐缩部分118。渐缩部分118朝受约束部分110渐缩，并且包括邻近受约束部分110设置的壁内弯部122。渐缩部分118还包括在增压室116和壁内弯部122之间的加固部分500，在加固部分中，冲击壁112延伸横跨增压室116。加固部分500包括多个冲击小孔120。冲击后腔体106布置成通过多个冲击小孔120接纳来自增压室116的流体并且通过多个外部小孔108排出流体。冲击后腔体106包括设置在渐缩部分118和受约束部分110之间的衰弱区124。渐缩部分118一体地形成为单个连续的物体。

渐缩部分118的加固部分500的多个冲击小孔120在加固部分500中可具有任何合适的分布。多个冲击小孔120可沿着加固部分500侧向地设置，可包括设置在壁内弯部122处的至少一个内弯小孔300，或者这两种情况。

参看图1、图3、图5和图7，在一个实施例中，衰弱区124相对于可比较的涡轮部件700的可比较的衰弱区702缩小，可比较的涡轮部件700缺乏本文所述特征中的至少一个，例如，具有不小于可比较的壁厚706的约3倍的不同的内弯半径704，或者不具有内弯小孔300，或者这两种情况。如本文所用，“衰弱区”124描述了在渐缩部分118和受约束部分110之间的冲击后腔体106内的空间，相比冲击后腔体106的剩余部分，该空间在操作期间接纳流量减少的冷却流体，原因是在衰弱区124附近缺少冲击小孔120。此外，如结合本文所公开的实施例所用，“衰弱区”124应被理解为涵盖缩小至基本上消失的衰弱区124。因此，对衰弱区124的引用包括其中衰弱区124已有效地缩小至不可检测并且基本上消失的情况。虽然在本文所公开的一些或所有实施例中衰弱区124有可能消失，但保持对此特征的引用是为了比较目的，特别是相对于如图7所示的可比较的衰弱区702而言。

参看图1-6，涡轮部件100可以是任何合适的部件，包括但不限于翼型件、喷嘴(静叶)或动叶(叶片)。在一个实施例中，涡轮部件100为翼型件，并且受约束部分110是翼型件的后缘。在另一个实施例(未示出)中，涡轮部件100为翼型件，并且受约束部分120是翼型件的前缘。在又一个实施例(未示出)中，涡轮部件为翼型件，并且受约束部分120邻近支撑肋126。涡轮部件100可包括与单个受约束部分110配对的单个渐缩部分118或者与多个受约束部分110配对的多个渐缩部分118。

渐缩部分118的壁厚114可以是任何合适的厚度，包括但不限于在约0.01英寸至约0.05英寸之间、或者在约0.02英寸至约0.036英寸之间、或者在约0.015英寸至约0.025英寸之间、或者在约0.03英寸至约0.045英寸之间、或者小于约0.05英寸、或者小于约0.04英寸、或者小于约0.03英寸、或者小于约0.02英寸、或者小于约0.01英寸的厚度。

冲击壁112可包括任何合适的材料组合物，包括但不限于金属、塑料、陶瓷基质复合物、或它们的组合。合适的金属包括但不限于铁合金、钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铝钛合金、钴铬合金、或它们的组合。合适的陶瓷基质复合物包括但不限于氧化铝-纤维增强的氧化铝(ox/ox)、碳纤维增强的碳(c/c)、碳纤维增强的碳化硅(c/sic)、碳化硅纤维增强的碳化硅(sic/sic)、或它们的组合。

在一个实施例中，渐缩部分118形成为与冲击壁112的剩余部分202单独的、不同的物体，并且接合到冲击壁112的剩余部分202。

再次参看图1-6，在一个实施例中，用于形成涡轮部件100的方法包括通过增材制造技术一体地形成冲击壁112的单个连续的渐缩部分118，将冲击壁112并入岐管104中，以及将冲击壁112设置在部件壁102内。将冲击壁112设置在部件壁102内限定在岐管104和部件壁102之间的冲击后腔体106。

通过增材制造技术一体地形成单个连续的渐缩部分118可包括任何合适的制造技术，包括但不限于直接金属激光熔融、直接金属激光烧结、选择性激光熔融、选择性激光烧结、电子束熔融、激光金属沉积、或它们的组合。

在一个实施例中，一体地形成冲击壁112的单个连续的渐缩部分118并将冲击壁112并入岐管104中包括通过增材制造技术将单个连续的渐缩部分118、冲击壁112和岐管104一体地形成为单个连续的物体。在另一个实施例中，部件壁102、单个连续的渐缩部分118、冲击壁112和岐管104通过增材制造技术一体地形成为单个连续的物体。

参看图1-4，在一个实施例中，形成单个连续的渐缩部分118包括形成具有内弯半径200的壁内弯部122，该内弯半径200在壁内弯部122的内部测量且小于在壁内弯部122处的冲击壁112的壁厚114的约3倍。

参看图5和图6，在另一个实施例中，形成单个连续的渐缩部分118包括形成具有在增压室116和壁内弯部122之间的加固部分500的渐缩部分118，在加固部分500中，冲击壁112延伸横跨增压室116，并且多个冲击小孔120设置在加固部分500中。

在另一个实施例中，冲击壁112的单个连续的渐缩部分118形成为与冲击壁112的剩余部分202单独的不同的物体，并且冲击壁112的单个连续的渐缩部分118接合到冲击壁112的剩余部分202。冲击壁112的单个连续的渐缩部分118可以通过任何合适的接合技术接合到冲击壁112的剩余部分202，包括但不限于气体保护钨极弧焊(gastungstenarcwelding)、自动保护金属极电弧焊(shieldedmetalarcwelding)、等离子弧焊(plasmaarcwelding)、激光束焊接(laserbeamwelding)、电子束焊接(electronbeamwelding)、电阻焊接(resistancewelding)、摩擦焊(frictionwelding)、摩擦点焊(frictionspotwelding)、摩擦搅拌焊(frictionstirwelding)、硬钎焊(brazing)、或它们的组合。

参看图1-6，包括外部小孔108、冲击小孔120和内弯小孔300在内的涡轮部件100的小孔可以通过任何合适的技术形成。合适的技术可包括但不限于制造后钻孔、激光钻孔、电火花加工钻孔、机械钻孔、振动钻孔、铣削、计算机数字控制铣削、水喷切割、磨料射流切割、冲孔、通过增材制造技术形成、或它们的组合。通过增材制造技术形成小孔可包括形成具有通过省略周围结构形成的小孔的周围结构。在一个实施例中，外部小孔108通过以下方式形成：通过增材制造技术形成部件壁102，并且在形成部件壁102期间省略用于形成外部小孔108的材料；或形成易于移除以形成外部小孔108的牺牲部分。在另一个实施例中，冲击小孔120通过以下方式形成：通过增材制造技术形成渐缩部分118，并且在形成渐缩部分118期间省略用于形成冲击小孔120的材料；或者形成易于移除以形成冲击小孔120的牺牲部分。在又一个实施例中，内弯小孔300通过以下方式形成：通过增材制造技术形成渐缩部分118，并且在形成渐缩部分118期间省略用于形成内弯小孔300的材料；或者形成易于移除以形成内弯小孔300的牺牲部分。

虽然已结合优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种更改并可用等同物替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明实质范围的情况下，基于本发明的教导可进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发明意图不限于作为实现本发明构思到的最佳方式而公开的特定实施例，本发明还将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。