[发明专利]具有微通道冷却的构件

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，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，并且在燃烧器中与燃料混合，以产生热的燃烧气体。在高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中从气体中抽取能量，高压涡轮对压缩机提供功率，低压涡轮对涡轮风扇航空器发动机应用中的风扇提供功率，或者对航海和工业应用中的外部轴提供功率。

发动机效率随燃烧气体的温度的升高而提高。但是，燃烧气体会沿着它们的流径加热多种构件，构件进而需要进行冷却，以实现长的发动机寿命。典型地，通过从压缩机中泄放空气来冷却热气路径构件。这个冷却过程会降低发动机效率，因为在燃烧过程中未使用泄放空气。

燃气涡轮发动机冷却技术是成熟的，并且包括关于多种热气路径构件中的冷却回路和特征的各方面的许多专利。例如，燃烧器包括需要在运行期间冷却的径向外部衬套和径向内部衬套。涡轮喷嘴包括支承在外部带和内部带之间的空心导叶，外部带和内部带也需要冷却。涡轮转子叶片是空心，并且典型地在其中包括冷却回路，其中，叶片由涡轮护罩包围，涡轮护罩也需要冷却。通过排气口排出热的燃烧气体，排气口可能也加有衬套，并且被适当地冷却。

在所有这些示例性燃气涡轮发动机构件中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄壁来降低构件的重量，以及最大程度地减少其冷却需要。针对这些单独的构件在它们在发动机中的对应的环境中订制多种冷却回路和特征。例如，在热气路径构件中可形成一系列内部冷却通道或盘管。可从气室对盘管提供冷却流体，并且冷却流体可流过通道，从而冷却热气路径构件衬底和任何相关联的涂层。但是，这个冷却策略典型地会引起较低的传热速率和不均匀的构件温度轮廓。

具体而言，涡轮叶片尖部烧坏是燃气涡轮行业中的普遍问题。因此，提供将使叶片尖部足够耐用，以承受住它们的高温工作环境，同时还提供空气动力学密封功能和摩擦保护的改进的尖部冷却将是合乎需要的。

发明内容

本发明的一方面在于一种包括衬底的构件，该衬底具有外表面、内表面和尖部。内表面限定至少一个空心内部空间。外表面限定一个或多个凹槽，其中，各个凹槽至少部分地沿着衬底的外表面延伸，并且具有基部。构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。涂层至少包括在凹槽(一个或多个)上面延伸的结构涂层，使得凹槽(一个或多个)和结构涂层共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽，以及设置在衬底的径向外部端处的尖部缘边，其中，尖部缘边至少部分地限定与至少一个冷却通道处于流体连通的至少一个排出通道。

本发明的另一方面在于一种包括衬底的构件，该衬底具有外表面、内表面和尖部。内表面限定至少一个空心内部空间，并且尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽。外表面限定一个或多个凹槽，并且各个凹槽至少部分地沿着尖部帽的外表面延伸，并且具有基部。构件进一步包括设置在衬底的外表面的至少一部分上面的涂层。涂层至少包括在凹槽(一个或多个)上面延伸的结构涂层，使得凹槽(一个或多个)和结构涂层共同限定用于冷却构件的一个或多个通道。尖部包括封闭空心内部空间(一个或多个)的尖部帽，并且冷却通道(一个或多个)至少部分地沿着尖部帽延伸。

附图说明

当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：

图1是燃气涡轮系统的示意图；

图2是根据本发明的各方面的、具有冷却通道的示例翼型件构造的示意性横截面；

图3是示例燃气涡轮转子叶片的部分剖开的等距视图；

图4是通过图3中示出的翼型件尖部的、沿着4-4得到的正视截面图，其显示了微通道与进入通道和排出通道处于流体连通；

图5是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道和排出通道处于流体连通；

图6在透视图中示意性地描绘了三个示例微通道，它们部分地沿着衬底的表面延伸，并且将冷却剂引导到相应的膜冷却孔；

图7是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通；

图8是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道部分地沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通；

图9是通过翼型件尖部的正视截面图，其显示了微通道沿着尖部帽延伸，并且与相应的进入通道处于流体连通；