[发明专利]带有形成在涂层中的冷却通道的构件和制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地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在燃烧器中与燃料混合以便产生热燃烧气体。从驱动压缩机的高压涡轮(HPT)和驱动涡扇飞行器发动机应用中的风扇或者驱动用于海洋和工业应用的外部轴的低压涡轮(LPT)中的气体提取能量。

发动机效率随着燃烧气体的温度而升高。然而，燃烧气体加热沿它们的流动路径的各种构件，这又需要对这些构件进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，热气体路径构件通过来自压缩机的渗出空气冷却。该冷却过程降低了发动机效率，因为渗出空气未用于燃烧过程。

燃气涡轮发动机冷却技术是成熟的并且包括用于冷却回路的各个方面和各种热气体通路构件中的特征的大量专利。例如，燃烧器包括在操作期间需要冷却的径向外衬里和内衬里。涡轮喷嘴包括被支承在外带与内带之间的中空导叶，这些导叶也需要冷却。涡轮转子叶片是中空的并且典型地在其中包括冷却回路，且叶片被也需要冷却的涡轮护罩包围。热燃烧气体经也可被垫衬并适当地冷却的排气道排放。

在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，高强度超合金金属的薄金属壁典型地用于增强的耐久性，同时使其冷却需求最小化。各种冷却回路和特征在它们在发动机中对应的环境中针对这些单独的构件进行定制。例如，一系列内部冷却通路或蛇形通路可形成在热气体路径构件中。可从气室向蛇形通路提供冷却流体，并且冷却流体可流经这些通路，从而冷却热气体路径构件衬底和涂层。然而，该冷却策略典型地引起比较低的传热率和不均匀的构件温度分布。

微通道冷却具有通过尽可能靠近被加热的区域布置冷却而显著地减少冷却需求的潜力，从而对于给定的传热率而言减小主负载轴承衬底材料的热侧和冷侧之间的温差。过去一种在涡轮翼型件中形成冷却微通道的制造方法是在翼型件铸件的外壳中形成通道，然后将结构涂层涂覆在通道上。参见例如Melvin R.Jackson等人的美国专利No.5,626,462“Double-Wall Airfoil”，其通过引用而整体结合在本申请中。然而，铸造翼型件的壁厚的减小和对应的强度降低使得仍存在对这些技术的担忧，因为通道加工在负载轴承衬底中。

因此，希望提供一种用于制造消除了铸造翼型件的任何强度降低的微通道冷却的构件的方法。还希望提供一种用于制造增强了负载轴承衬底的热防护的微通道冷却的构件的方法。

发明内容

本发明的一方面在于一种制造构件的方法。该方法包括将结构涂层沉积在衬底的外表面上。该衬底具有至少一个中空内部空间。该方法还包括在结构涂层中形成一个或更多凹槽。每个凹槽均具有基部并且至少部分地沿衬底延伸。该方法还包括将至少一个附加涂层沉积在结构涂层和凹槽上，使得凹槽和附加涂层共同限定用于冷却构件的一个或更多通道。该方法还包括形成穿过凹槽中的相应一个的基部的一个或更多进入孔，以将相应的凹槽与相应的中空内部空间流体连通地连接。该方法还包括对相应的一个或更多通道中的每一个形成穿过附加涂层的至少一个离开孔，以从相应的通道接收和排放冷却剂。

本发明的另一方面在于一种包括衬底的构件，该衬底包括外表面和内表面，其中内表面限定至少一个中空内部空间。该构件还包括设置在衬底的外表面的至少一部分上的结构涂层。该结构涂层限定一个或更多凹槽。每个凹槽均至少部分地沿衬底延伸并且具有基部。一个或更多进入孔延伸穿过一个或更多凹槽中相应一个的基部，以将凹槽置于与相应的中空内部空间流体连通。该构件还包括设置在结构涂层和凹槽上的至少一个附加涂层，使得凹槽和附加涂层共同限定用于冷却构件的一个或更多通道。至少一个离开孔延伸穿过用于相应的一个或更多通道中的每一个的附加涂层，以从相应的通道接收和排放冷却剂流体。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中同样的附图标记始终表示同样的零件，其中：

图1是燃气涡轮机系统的示意图；

图2是根据本发明的方面的带有形成在结构涂层中的冷却通道的示例性翼型件构型的示意性截面；

图3-8示意性地图示了用于在结构涂层中形成通道的处理步骤；

图9在透视图中示意性地描绘了形成在结构涂层中并且将冷却剂引导到相应的薄膜冷却孔的三个示例性通道；

图10是图9的示例性通道中的一个的截面图并且示出了从进入孔经结构涂层到薄膜冷却孔的微通道传送冷却剂；

图11-18示意性地图示了利用短效涂层在结构涂层中形成通道的替代处理步骤；以及