[发明专利]具有双面冷却特征的部件及制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种燃气涡轮发动机，确切地说，涉及其中的微通道冷却。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中压缩并且在燃烧器中与燃料混合以产生高温燃烧气体。从高压涡轮机（HPT）中的气体提取能量来驱动压缩机，并且从低压涡轮机（LPT）中的气体提取能量来驱动涡轮风扇式飞机发动机应用中的风扇，或者驱动海洋和工业应用中的外轴。

发动机效率随燃烧气体温度的升高而提高。但是，燃烧气体会加热沿其流动通道的多个部件，因此需要对其进行冷却，从而以可接受方式延长发动机寿命。通常，使用从压缩机排出的空气来冷却高温气体通道部件。此冷却过程会降低发动机效率，因为排出空气不用于燃烧过程中。

燃气涡轮发动机冷却技术十分成熟，包括涉及冷却回路的多个方面以及多个高温气体通道部件特征的许多专利。例如，燃烧器包括径向外部和内部衬里，因此所述衬里需要在运行期间冷却。涡轮机喷嘴（nozzles）包括支撑在外内围带之间的中空轮叶，因此所述轮叶也需要进行冷却。涡轮机转子叶片中空，其中通常包括冷却回路，叶片周围设有涡轮机围带，因此所述涡轮机围带也需要进行冷却。高温燃烧气体经由排气口排出，因此该排气口也可以配备衬里并适当冷却。

在全部这些示例性燃气涡轮发动机部件中，通常使用高强度超级合金金属薄壁来减少部件重量并最大限度地减小其冷却需求。针对这些不同部件在发动机中的对应环境为其定制不同冷却回路和特征。例如，可以在高温气体通道部件中形成一系列内部冷却通道，或者螺旋形通道。冷却流体可以从腔室提供给螺旋形通道；并且冷却流体可以流过这些通道、冷却高温气体通道部件衬底以及任何相关涂层。但是，此冷却策略通常会相对降低传热效率，同时致使部件温度分布不均匀。

使用微通道冷却技术可以大幅降低冷却要求。通常，微通道冷却以尽可能接近热通量源的方式提供冷却，具体来说，在外部或高温侧设置冷却通道，从而针对指定传热速率降低承载衬底材料高温侧与低温侧之间的温差。但是，许多部件需要的总体冷却效率或灵活性水平可能高于仅在外部或高温侧设置微通道所能实现的水平。

因此，需要提供一种在高温气体通道部件中形成冷却通道的方法，以便提高冷却能力、效率和灵活性，同时降低制造时间和技术要求。

发明内容

本发明的一方面在于一种制造方法，所述方法包括提供衬底，所述衬底具有内表面、外表面和至少一个内部空间。所述方法还在所述衬底的外表面中或者设置在所述衬底的所述外表面上的涂层中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽至少部分沿所述外表面延伸。所述方法还在所述衬底的所述内表面中或者设置在所述衬底的所述内表面上的涂层中形成一个或多个凹槽，其中每个凹槽至少部分沿所述内表面延伸，以在所述衬底的所述内表面上限定一个或多个冷却凹槽。所述方法还将结构涂层涂覆到以下项中的至少一项上，以在所述衬底的所述外表面上限定一个或多个通道：所述衬底的所述外表面的一部分，或者设置在所述衬底的所述外表面上的涂层的一部分。

其中，所述一个或多个凹槽中的每个凹槽使用以下项中的一项或多项形成：磨料液体喷射、浸渍电解加工（ECM）、使用旋转电极的电火花加工（EDM）、铣削EDM、铸造以及/或者激光加工。

其中，在所述衬底的所述外表面和所述内表面中形成一个或多个凹槽的步骤进一步包括在所述衬底的一部分内形成所述一个或多个凹槽的至少一部分。

所述的制造方法进一步包括对所述衬底的内表面或外表面中至少一者的至少一部分或者设置在所述衬底的所述内表面或外表面中至少一者上的涂层的表面的至少一部分进行处理，以使所述衬底或者邻近对应凹槽顶部的所述涂层中的至少一者发生塑性变形，从而减小穿过所述凹槽顶部的间隙。

其中，处理包括执行以下项中的一项或多项，以使所述衬底或邻近所述凹槽的所述涂层中的至少一者发生塑性变形：对所述表面执行喷砂处理、对所述表面进行水射流喷砂处理、对所述表面执行挡板喷砂处理、对所述表面进行重力喷砂处理、对所述表面进行超声喷砂处理、对所述表面进行抛光处理、对所述表面进行低塑性抛光处理以及对所述表面进行激光喷砂处理。

其中，所述涂层包括以下项中的一项或多项：外结构涂层、粘合涂层和热障涂层。

所述的制造方法进一步包括通过在所述衬底的所述外表面中加工形成一个或多个凹槽；在所述衬底的所述内表面中加工形成一个或多个凹槽；以及将结构涂层涂覆到所述衬底的所述外表面的至少一部分上，以在所述衬底的所述外表面中限定一个或多个通道。