专利名称：涡轮护罩部段冷却系统和方法
技术领域：
本文公开的主题涉及冷却涡轮发动机的零件，且更具体地涉及冷却燃气涡轮发动机的护罩部段。
背景技术：
一般而言，燃气轮机燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生热燃烧气体。燃烧气体可流经一个或更多涡轮，以产生用于驱动诸如发电机和/或压缩机之类的负载的动力。在燃气轮机内，燃烧气体可流经喷嘴和叶片的一个或更多级。涡轮喷嘴可包括将燃烧气体引向叶片的周向导叶环。随着燃烧气体流经叶片，燃烧气体驱动叶片旋转，由此驱动负载。可使用包围叶片的周向护罩来容纳热燃烧气体，这也有助于引导热燃烧气体的流通过燃气涡轮发动机。遗憾的是，难以冷却护罩的某些区域，例如护罩部段之间的中间密封区域。结果， 护罩可能在这些区域内承受热点和高热应力。
发明内容
下文概述了范围与要求保护的主题相称的某些实施例。这些实施例并非旨在限制权利要求的范围，相反，这些实施例仅旨在提供对本公开内容的可能形式的简要概述。实际上，本文所述的实施例可涵盖可与下文陈述的实施例相似或不同的各种形式。在第一实施例中，一种系统包括构造成至少部分包围涡轮发动机的涡轮叶片的护罩部段，该护罩部段包括本体和设置在该本体中的微通道。该微通道构造成使冷却流体流经本体。在第二实施例中，一种系统包括具有带密封区域的本体的涡轮护罩部段。该护罩部段还包括设置在本体中的多个微通道，并且该多个微通道构造成使冷却流体流经本体，以冷却密封区域。在第三实施例中，一种方法包括在涡轮发动机的涡轮护罩部段中形成微通道凹部。该方法还包括用一层覆盖微通道凹部，以限定构造成冷却涡轮护罩部段的一部分的微通道冷却通路。
当参考附图阅读下文的详细描述时，本公开内容的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中相似的附图标记表示相似的零件，其中图I是可采用具有冷却通道的护罩部段的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性流动图；图2是贯穿发动机的纵向轴线剖切的图I的燃气涡轮发动机的剖视图；图3是图2的燃气涡轮发动机在线3-3内所取的局部剖视图，并且示出了具有多个护罩部段的涡轮级的一个实施例；图4是图2的燃气涡轮发动机在线4-4内所取的局部剖视图，并且示出了具有冷却通道的多个护罩部段的一个实施例；图5是图3的护罩部段在线5-5内所取的侧视截面图，并且示出了通向多个冷却通道的多个流体孔的一个实施例；图6是具有可用于在护罩部段的面对涡轮叶片的表面上形成冷却通道的多个凹部的护罩部段的一个实施 例的透视图；图7是图6的护罩部段的前表面的平面图，并且示出了通向多个冷却通道的多个流体孔的一个实施例；图8是具有可用于形成多个冷却通道的多个凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图；图9是具有可用于形成冷却通道的凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图；图10是具有多个凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图，该多个凹部会聚以沿护罩部段的一侧流动，然后在远离凹部的流体孔的一端发散；图11是具有凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图，所述凹部会聚而沿护罩部段的一侧流动，然后朝护罩部段的一侧发散；图12是具有凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图，所述凹部沿着护罩部段的一定长度延伸，然后朝护罩部段的一侧弯曲；图13是具有沿着护罩部段的一定长度呈之字形的凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图；图14是具有沿着护罩部段的一定长度大致平行地延伸的凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图；图15是具有凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图，所述凹部在护罩部段的一端会聚，然后朝护罩部段的一侧发散；图16是具有凹部的护罩部段的面对涡轮叶片的表面的另一实施例的平面图，所述凹部朝护罩部段的前端延伸，然后弯曲而朝护罩部段的后端延伸，并且然后再次弯曲而延伸到护罩部段的一侧；图17是护罩部段的一个实施例在形成冷却通道前的剖视图；图18是图17的护罩部段的一个实施例在凹部已形成之后的剖视图；图19是图18的护罩部段的一个实施例在凹部已充填有填料之后的剖视图；图20是图19的护罩部段的一个实施例在凹部已覆盖有一层之后的剖视图；图21是图20的护罩部段的一个实施例在填料已从凹部被移除以形成冷却通道之后的剂视图；图22是具有开槽平面(grooved flat)的护罩部段的一个实施例在形成冷却通道前的剖视图；图23是图22的护罩部段的一个实施例在凹部已形成在开槽平面中之后的剖视图；以及图24是图23的护罩部段的一个实施例在钎焊层已被施加在开槽平面中而覆盖凹部以形成冷却通道之后的剖视图。零件列表
10系统12燃气涡轮发动机16吸气区段18压缩机20燃烧器区段22涡轮24排气区段26轴 28燃烧器壳体30燃烧器32纵向轴线33过渡件34三个单独的级36叶片38转子叶轮37护罩42下游方向44喷嘴组件46周向隔开的导叶48外带部段50外带部段52护罩部段60主体62第一表面64第二表面66第三表面68密封件槽70密封件72第一通道74凹部76层78第二通道80凹部82层90流体孔92前端94后立而100第一流体孔102第二流体孔
104外凹部106第三流体孔108第四流体孔110内凹部112平面114纵向轴线116第一交叉方向
118第二交叉方向120第一纵向130距离132距离140凹部142前区域150凹部152中心部分160凹部162凹部164凹部166凹部168区域170公共凹部172后部174第一发散凹部176第二发散凹部178中心线180第二公共凹部182长度184第一发散路径186第二发散路径190第二凹部192第二凹部194第二流体孔196第二流体孔198不同长度200不同长度199长度202第一部分204第二部分206角度
208第一部分210第二部分212角度220第二凹部222第二凹部224相应的流体孔226相应的流体孔228不同长度230不同长度 232凹部234流体孔233长度240凹部242公共凹部244凹部246第二公共凹部248第一流体孔250第一方向252第二流体孔254第二方向260凹部262流体孔270预先形成的护罩部段272加工的护罩部段274凹部276填料278外涂料280装备有微通道的护罩部段282冷却通道290加工的护罩部段292平台凹部294宽度296护罩部段298形成凹部299偏移距离300覆盖层302护罩部段304冷却通道
具体实施例方式下文将描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了尽量提供对这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应当理解的是，在任何此类实际实施方案的开发过程中，与任何工程或设计项目中一样，必须做出许多针对实施方案的决定以实现开发者的特定目标，例如服从于可能因实施方案而异的系统相关和商业相关的约束。此外，应当理解的是，此类开发努力可能复杂且耗时，但对于受益于此公开内容的普通技术人员来说依然是一项例行的设计、建造和制造工作。如上文指出，在某些燃气涡轮发动机实施例中，可形成一个或更多环形护罩的周向部段可包围涡轮发动机的涡轮叶片。在一般的意义上，护罩容纳在燃气涡轮发动机的燃烧器产生的热燃烧气体并且还引导燃烧气体的流通过涡轮发动机的涡轮区段。因此，在操作期间，形成环形护罩的部段，文中称为护罩部段，可加热到接近热燃烧气体温度的温度。遗憾的是，在其中此类加热未被减轻或控制的情形中，护罩可能劣化，这会引起性能降低或
发动机故障停机。在一些构型中，可使用靠着与面对涡轮叶片的表面相对的护罩部段表面流动的冷却流体来冷却护罩。然而，此类冷却可能不足以冷却护罩部段的所有部分。因此，本公开内容提供了其中诸如微通道之类的冷却通道用于引导一股或更多冷却流体的流通过护罩部段的本体的实施例。此类引导可允许冷却流体流向护罩部段否则可能难以冷却的部分，诸如紧邻密封件槽的区域、后缘和/或前缘等。应指出，虽然在燃气涡轮发动机的背景下描述本发明实施例，但本文公开的实施例也可结合具有加热流体的其它涡轮机械诸如蒸汽涡轮发动机使用。此外，虽然在设置在燃气涡轮发动机的燃烧器下游的护罩部段的背景下描述本发明实施例，但应指出，本文所述的方法也可应用于其它护罩和/或翼型件，例如紧邻燃气涡轮发动机的喷嘴区域设置的护罩。在牢记本发明实施例也可应用于此类背景下的前提下，图I描绘了包括可采用上文指出的微通道来冷却一个或更多护罩部段的燃气涡轮发动机12的系统10的一个实施例。在某些实施例中，系统10可包括飞机、船只、机车、发电系统或其组合。所图示的燃气涡轮发动机12包括吸气区段16、压缩机18、燃烧器区段20、涡轮22和排气区段24。涡轮22经由轴26联接到压缩机18上。如箭头所示，空气可经吸气区段16进入燃气涡轮发动机12并流入压缩机18，该压缩机18在空气进入燃烧器区段20前压缩空气。所图示的燃烧器区段20包括同心或环形地设置在压缩机18与涡轮22之间的轴26周围的燃烧器壳体28。来自压缩机18的压缩空气进入燃烧器30，在这里压缩空气可与燃烧器30内的燃料混合并燃烧，以驱动涡轮22。根据某些实施例，多个燃烧器30可以以环形布置设置在燃烧器壳体28内。热燃烧气体从燃烧器区段20流经涡轮22，从而经由轴26驱动压缩机18。例如，燃烧气体可向涡轮22内的涡轮转子叶片施加原动力，以使轴26旋转。如上文指出，涡轮22可包括容纳燃烧气体并引导燃烧气体通过涡轮22的多个护罩部段。此外，护罩部段的实施例包括微通道，以冷却护罩部段的各个区域，如下文将详细论述的。在流经涡轮22之后，热燃烧气体可经排气区段24离开燃气涡轮发动机12。图2是图I的燃气涡轮发动机12的一个实施例沿着纵向轴线32所取的截面侧视图。如上文关于图I所述，空气经吸气区段16进入燃气涡轮发动机12并由压缩机18压缩。然后，来自压缩机18的压缩空气被引向燃烧器30，以与燃烧以产生热燃烧气体的流体燃料混合。如上文指出，多个燃烧器30可环形地设置在燃烧器区段20内。每个燃烧器30均可包括将热燃烧气体从燃烧器30引向燃气轮机22的过渡件33。特别地，每个过渡件33均可总体上通向从燃烧器30到涡轮22的热气体路径。如所描绘的，燃气轮机22包括三个单独的级34。每个级34均包括联接到转子叶轮38上的一组叶片36，该转子叶轮38可旋转地附接到轴26 (图I)上。每组叶片36均设置在护罩37内，该护罩37容纳热燃烧气体，以允许向叶片36施加原动力。同样，如下文将论述的，护罩37可包括环形布置的单独的部段，每个部段均具有一个或更多微通道，以允许冷却流体经过它们各自的本体，以提供有益的冷却。热燃烧气体被引向叶片36，在这里热燃烧气体可向叶片36施加原动力，以使叶片36旋转，由此使轴26转动。然后，热燃烧气体可经排气区段24离开燃气轮机22。尽管将涡轮22图示为三级涡轮，但本文所述的装备了微通道的护罩部段可用于具有任何数量的级和轴的任何合适类型的涡轮中。例如，装备了微通道的护罩部段可被包括在单级涡轮中、包括低压涡轮和高压涡轮的双级涡轮中、或者具有三个或更多级的多级 涡轮中。此外，装备了微通道的护罩部段可被包括在燃气轮机、蒸汽轮机、水轮机或任何其它涡轮中。图3是涡轮22的一个实施例在图2的线3_3内所取的详细视图。在操作期间，热燃烧气体可沿下游方向42从燃烧器30 (图I)经过渡件33流入涡轮22。涡轮22在每一级34内均包括喷嘴组件44，以将热燃烧气体引向叶片36。每个喷嘴组件44均可包括在内带部段48与外带部段50之间延伸的周向隔开的导叶46。在一些实施例中，也可使用本文所述的微通道冷却方法来冷却带部段48和50。相邻的外带部段50可被联接在一起，以形成围绕相邻的内带部段48的内环形环延伸的外环形环。导叶46总体上可在由内带部段48和外带部段50形成的两个环形环之间延伸。形成图2的护罩37的护罩部段52可设置在外带部段50的下游，以引导热燃烧气体经导叶46流向叶片36。特别地，护罩部段52可被联接在一起，以形成总体上与由外带部段50形成的外环形环总体上对准的外环形环(即，护罩)。可充当冷却流体的来自压缩机18(图2)的排放空气可被引导通过导叶46、内带部段48和外带部段50以及护罩部段52，以提供导叶46、内带部段48和外带部段50以及护罩部段52的冷却。在一些实施例中，除排放空气外或者代替排放空气，可使用其它冷却流体，诸如蒸汽、再循环的排气或燃料。同样，护罩部段52可周向地布置在叶片36周围，以允许热燃烧气体向叶片36提供原动力。因此，来自压缩机18(图2)的排放空气作为冷却流体被提供，以减轻或控制热能在护罩部段52面对叶片36的热侧上的积聚。可参考图4进一步了解护罩部段52的环形布置，图4是图2的燃气涡轮发动机12在剖面4-4内所取的截面图。在所图示的实施例中，每个护罩部段52均包括具有第一表面62 (例如，径向内表面)、第二表面64 (例如，径向外表面)和第三表面66(例如，侧向或周向分界表面)的主体60。当组装在燃气涡轮发动机12中时，第一表面62面对图3的叶片36，且因此是暴露于流经涡轮22(图2)的热燃烧气体的热表面。相反，第二表面64背对叶片36并面向冷却流体(例如，上文提到的压缩空气)的流，这有利于护罩部段52的本体60的冷却。第三表面66连接第一表面62和第二表面64，并且当护罩(图2)被组装好时面对护罩部段52附近。每个第三表面66均包括密封件槽68，该密封件槽68是第三表面66中允许护罩部段52的本体60接纳密封件70的一部分的凹部。密封件70将每个护罩部段52与相邻的护罩部段52连接，并且提供相邻的护罩部段52之间的密封，以阻止热燃烧气体逸散。在一些实施例中，本体60还可包括紧邻密封件槽68设置在本体60中的一个或更多沟槽、凹槽或凹部，其中每一个均可用于形成冷却通道，以冷却护罩部段52。例如，在所图示的实施例中，护罩部段52包括紧邻密封件槽68设置在密封件槽68与第二表面64之间的第一通道72 (例如，微通道)。在某些实施例中，第一通道72可通过在第三表面66中形成平面、槽、凹槽或凹部74接着用诸如覆盖层之类的一层76覆盖凹部74而形成。用于形成通道的方法在下文参考图19-26更详细地论述。另外或备选地，护罩部段52可具有设置在密封件槽68与第一表面62之间的通道。在某些实施例中，护罩部段52可包括通过在本体60的第一表面62中形成平面、槽、凹槽或凹部80接着用一层82覆盖凹部80而形成的一个或更多第二通道78 (例如，微通道)。层82可以与层76相同或不同。此外，第二通道78的尺寸可与第一通道72的尺寸相同或不同。实际上，在某些实施例中，第一通道72和第二通道78可以是具有相同或不同尺寸的微 通道。例如，根据某些实施例，通道72和78可以是具有介于大约50微米(μπι)与4毫米(mm)之间的宽度和介于大约50 μ m与4mm之间的深度的微通道，如下文将论述的。例如，微通道可具有介于大约ΙΟΟμπι与3. 75mm之间、大约200 μ m与3. 5mm之间或大约300 μ m与2mm之间的宽度和/或深度。在某些微通道实施例中，微通道可具有小于大约50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700或750 μ m的宽度和/或深度。虽然将截面图示为正方形或矩形，但微通道可呈可使用开槽、蚀刻或类似技术形成的任何形状。实际上，除如图所示的正方形或矩形截面外或者代替这些截面，微通道可具有圆形、半圆形、弯曲形、三角形或菱形截面。该通道的宽度和深度可贯穿其长度变化。因此，所公开的平面、槽、凹槽或凹部可具有与此类截面一致的平直或弯曲的几何形状。此外，在某些实施例中，微通道可具有变化的截面积。有利地，从第一表面62或第三表面66中的任何一个或组合形成微通道可允许此类通道形成在护罩部段52上而基本上不改变对护罩部段52的某些设计考虑。例如，上文指出的尺寸可允许将第一通道72和第二通道78布置在本体60的表面62、66上而基本上不改变护罩部段52的某些特征诸如密封件槽68的位置。此外，从本体60的各种表面中的凹部形成此类微通道可允许在已有或预先形成的(as-formed)护罩部段上形成通道，而不是使用取芯法(coring)在本体60内较深地形成具有较大通道的新护罩部段。亦即，使用取芯技术形成通道可能要求该通道与第一表面62之间的厚度大于使用根据本发明构想的实施例的微通道的合适厚度。然而，在某些实施例中，可利用铸造工艺形成设置在本体60内的一个或更多通道，例如以将第二通道78中的一个或更多与一个或更多第一通道72连接。例如,将第一通道72中的一个与第二通道78中的至少一个连接可紧邻密封件槽68提供护罩部段52的有益冷却。实际上，通道72、78的布置可允许护罩部段52在否则可能难以冷却的区域内的冷却。为了允许冷却流体(例如，压缩空气、氧增浓空气、蒸汽、再循环的排气、燃料)流经各通道72、78，第二表面64可包括将通道72、78与第二表面64流体联接的一个或更多流体孔。因此，沿着和/或紧邻第二表面64流动的冷却流体可流经流体孔和通道72、78。可参考图5进一步了解此类操作，图5是图3的护罩部段52在部段5-5内所取的截面图。具体而言，图5将图4中所示的一对第二通道78描绘为通过两个流体孔90流体联接到第二表面64上。然而，虽然在此描绘了两个第二通道78和两个流体孔90，但应指出，护罩部段52可包括联接到一个或更多流体孔90上的仅一个第二通道78，或者护罩部段90可包括多个(例如，2个或更多)第二通道78，其中每个第二通道78均流体联接到一个或更多流体孔90上。实际上，每个护罩部段52中的第一通道72 (图4)的数量可为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多，其中每个第一通道72均连接到一个或更多流体孔上。另外，流体孔90的尺寸可与通道72、78大致相同或者可小于通道72、78。因此，本文公开流体孔可具有介于大约100微米(μ )与4毫米(mm)之间的直径。例如，流体孔90可具有介于大约50 μ m与4mm之间、大约250 μ m与3. 25mm之间或大约300 μ m与2mm之间的直径。在一些实施例中，流体孔90可大于该通道，例如，与一个或更多通道重叠。另外或备选地，多个小的供应孔可沿通道延伸。关于图5中所示的护罩部段52，在燃气涡轮发动机12(图I和2)操作期间，热燃烧气体可接触第一表面62，这能够升高第一表面62和护罩部段52与第一表面62相接触的其它特征的温度。为了抵消此类加热，压缩空气作为冷却流体沿着第二表面64流动，流经 流体孔90中的一个或更多，并流向第二通道78。更具体而言，热燃烧气体可首先接触护罩部段52的前端92，沿着第一表面62和层82流动，并流经护罩部段52的后端94。同样，在所图示的实施例中，冷却流体(例如，压缩空气)沿着第二表面64流动，流经设置成与后端94相比更靠近前端92的流体孔90，并流入通道78。流体孔90布置成更靠近前端92可致使冷却流体在朝向后端94的路径中从流体孔90在通道78内流动。另外或备选地，在一些实施例中，冷却流体可在朝向前端92的路径中从流体孔90流经通道78。从第一表面62和第三表面66中的凹部形成的流径在下文更详细地论述。此外，应指出，在此和下文参考图9-16公开的一些或所有通道可构造成形成使冷却流体沿相反或交替的方向流动的通道。图6是层82已被移除以露出凹部80 (例如，在层82的安置前)的护罩部段52的一个实施例的透视图。如上文指出，护罩部段52可包括源于流体孔90的一个或更多流径。在所图示的实施例中，护罩部段52包括设置在外凹部104内的第一流体孔100和第二流体孔102。护罩部段52还包括设置在内凹部110内的第三流体孔口 106和第四流体孔口108。在所图示的实施例中，外凹部104和内凹部110形成在已在第一表面62中开槽的平面112中，如下文所述。外凹部104和内凹部110均关于护罩部段52的纵向轴线114沿交叉方向延伸。例如，夕卜凹部104和内凹部110均朝一对第三表面66沿第一交叉方向116和第二交叉方向118延伸。然后，外凹部104和内凹部110朝护罩部段52的后端94转向第一纵向120。同样，凹部和因此本文公开的通道可构造成使冷却流体沿朝向和/或远离护罩部段52的任一端的方向流动。因此，在某些实施例中，外凹部104和/或内凹部110可朝后端94或前端92或者两者沿一个或更多方向延伸。外凹部104和内凹部110两者均朝一对第三表面66延伸，并且紧邻密封件槽68设置在第一表面62上。在一些实施例中，外凹部104和内凹部110在离开之前可转向另一方向，例如沿着另一通道(例如，沿着护罩的后端94延伸的通道)。同样，此类构型可向紧邻密封件槽68的区域提供有益的冷却，这在不具有通道的典型构型中可能难以实现。为促进紧邻密封件槽68的护罩部段52 (在护罩部段52的其它区域之中)的冷却，流体孔100、102、106、108可相对于第一表面62成角度。例如，使流体孔100、102、106、108中的任何一个或组合成角度可促进冷却流体沿两个交叉方向116、118流经外通道104和内通道110。在所图示的实施例中，第一流体孔口 100和第三流体孔口 106两者均可沿着方向116朝第三表面66成角度，而第二流体孔口 102和第四流体孔口 108两者均可沿着方向118朝第三表面66成角度。作为实例，流体孔100、102、106、108中的任何一个或全部与第一表面62的角度可介于大约I度与90度之间，诸如介于大于10度与75度、大约15度与60度或大约20度与45度之间。图7 是护罩部段52的平面图，图示了第二表面64的一个实施例。具体而言，所图示的实施例将第二表面64描绘为包括通向外凹部104和内凹部110的流体孔100、102、106、108。如上文指出，在操作期间，冷却流体沿着第二表面64流动并流经通向从凹部104、110形成的通道的流体孔100、102、106、108。护罩部段52冷却的方式可取决于各种因素，包括但不限于由形成在第一表面62和/或第三表面66内的凹部限定的流径，以及流体孔100、102、106、108的布置。在某些实施例中，可能希望凹部104、110总体上跟随密封件槽68，以提供有益的冷却。另外，流体孔100、102、106、108的布置可决定护罩部段52的哪些区域接收最冷的空气(即，进入通道的空气)，以及可将哪些区域指定为冷却流体出口。同样，流体孔100、102、106、108可布置成更靠近前端92或者更靠近后端94。至少取决于流体孔的布置，得到的通道可朝前端92而不是朝后端94延伸。在所图示的实施例中，第一流体孔100和第二流体孔102与前端92之间的距离130小于第一流体孔100和第二流体孔102与后端94之间的距尚132。因此，在所图不的实施例中，可接触具有比在后端94处接触的燃烧温度更高温度的燃烧气体的前端92可接收新鲜冷却流体。然而，在其它实施例中，距离130可大于距离132。在此类实施例中，流体孔100、102、106、108可布置成更靠近后端94。备选地或另外，凹部104、110可沿着第一表面62和/或第三表面66延伸得更长或更短，具有不同的图案、长度、宽度等。在一些实施例中，一个或更多附加凹部可允许沿着第一表面62诸如沿着后端94继续流动。在牢记凹部可在各种各样的构型中形成在第一表面62和/或第三表面66中的前提下，图8-16图不了可形成在第一表面62中的凹部的各种实施例。在图I的燃气涡轮发动机10的操作期间，各种边缘，尤其是诸如后缘94，与其它表面相比暴露于热气体的量可增加。因此，如上文指出，侧面、角部、边缘等可形成热点/区域。图8图示了具有紧邻前缘92并朝后缘94从前区域142延伸的凹部140的护罩部段52的一个实施例的平面图。因此，图8中所示的实施例使得能够穿过后缘94形成冷却通道。此外，虽然将流体孔90图示为紧邻前缘92设置在前区域142处，但在其它实施例中，流体孔90可定位成更靠近后缘94，如上文指出。在此类实施例中，冷却流体可从后端94流向前端92。此外，如下文所述，冷却通道也可既沿着后端94又沿着前端92延伸，而不是仅沿着一端延伸。在这种构型中，图7的距离132可比图7的距离130短。图9是图示了具有单个凹部150的护罩部段52的一个实施例的平面图。两个流体孔90设置在护罩部段52的前部142处，其中每一个均构造成提供冷却流体(例如，空气)。在所图示的实施例中，凹部150可形成在使冷却流体从护罩部段52的中心部分152并紧邻密封件槽68朝各第三表面66 (即，护罩部段52的侧面)向外流动的通道内。凹部150以此方式朝第三表面66延伸，然后弯曲或转向而朝后缘94延伸。具体而言，在一些实施例中，凹部150可基本上直接在密封件槽68 (图4)与第一表面62之间朝后缘94延伸使得冷却流体冷却密封件槽。
图10是图示了具有会聚和收敛的多个凹部160的护罩部段52的一个实施例的平面图。为提供不同凹部实施例的简明描述，图10-18中仅图示了护罩部段52的一部分。在牢记多个凹部160可包括2、3、4、5、6、10或更多凹部的前提下，所图示的实施例描绘了均从流体孔90朝第三表面66延伸的三个凹部162、164、166。在区域168，该区域168在一些实施例中可紧邻密封件槽68 (图4)，凹部162、164、166会聚成公共凹部170。公共凹部170朝后缘94延伸到后部172。虽然公共凹部170的一部分延伸到后缘94，但第一发散凹部174和第二发散凹部176朝第一表面62的中心延伸，该中心被表不为中心线178。然后,第一发散凹部174和第二发散凹部176重新会聚而形成延伸到后缘94的第二公共凹部180。应了解，这种构型可提供沿着后缘94的一定长度182的有益冷却，与仅 在后缘94紧邻密封件槽68(图4)的部分提供冷却相反。图11图示了类似于图10中所示的实施例的护罩部段52的一个实施例的平面图。具体而言，凹部162、164、166与图10中一样会聚成公共凹部170，但公共凹部170发散成延伸到第三表面66的第一发散路径184和第二发散路径186。这种构型可使得能够形成冷却通道，该冷却通道使冷却流体沿着紧邻密封件槽68 (图4)的一定长度流动，然后向外流向第三表面66。这除紧邻密封件槽68的区域外还可在相邻的护罩部段52之间的区域内向护罩部段52提供有益的冷却。在其它实施例中，可能希望以沿着第一表面62的一定长度并朝第三表面66向外引导冷却流体的方式沿着第一表面62提供冷却。图12图示了护罩部段52的这样一个实施例的平面图。具体而言，所图示的实施例包括形成在第一表面62中的第一凹部190和第二凹部192。第一凹部190和第二凹部192均从各自的第一流体孔194和第二流体孔196 (它们从后缘94以不同长度198、200设置)朝后缘94延伸，然后朝第三表面66弯曲或转向。在一些实施例中，长度198、200可相同或不同。例如，这些长度可相差10%与90%之间，诸如大约20%与80%、大约30%与70%或大约40%与60%之间。另外，长度198、200可跨越第一表面62的长度199的10%与90%之间，诸如大约20%与80%、大约30%与70%或大约40%与60%之间。第一凹部190包括朝后缘94延伸的第一部分202和成角度206从第一部分202延伸的第二部分204。第一部分202可基本上跨越整个长度199，或者可在延伸到第二部分202内前跨越长度199的大约20%与90%之间。例如，第一部分可跨越整个长度199的大约30 %与80 %、大约40 %与70 %或大约50 %与60 %之间。角度206可以是锐角或钝角。例如，角度206可介于大约I度与180度之间，诸如大约10度与170度、大约20度与160度、大约30度与150度、大约40度与150度、大约50度与140度、大约60度与130度、大约70度与120度、大约80度与110度或大约90度与100度之间。因此，第一凹部190和第二凹部192可允许形成在操作期间能够将冷却流体首先引向后缘94然后引向第三表面66 (即，护罩部段52的侧面)的通道。这使护罩部段52具有较高温度的部分诸如前缘92和后缘94以及侧面66能够接收最冷的冷却流体。以类似于第一凹部190的方式，第二凹部192包括第一部分208和成角度212从第一部分208延伸的第二部分210。应了解，第二凹部192的第一部分208和第二部分210之间的几何关系可包括与上文关于第一凹部190所述相似或相同的范围。因此，第二凹部192的第一部分208可基本上跨越整个长度199，或者可在延伸到第二部分210内前跨越长度199的大约20%与90%之间。例如，第一部分208可跨越整个长度199的大约30%与80%、大约40%与70%或大约50%与60%之间。角度212可为锐角或钝角，例如上文对角度206所述的角度。在一些实施例中，第二凹部192的流体孔196可设置成更靠近第三表面66，这可提供冷却流体的逆流。在其它实施例中，代替使凹部仅带有单个弯曲部，可能希望增加各凹部的表面区域覆盖。图13是具有朝后缘94成之字形图案从各自的流体孔224、226延伸的第一凹部220和第二凹部222的护罩部段52的一个实施例的平面图。在所图示的实施例中，第一流体孔224和第二流体孔226设置在距后缘94的不同长度228、230处。然而，在其它实施例中，长度228、230可以相同。一般而言，长度228、230可跨越第一表面62的长度199的10%与90%之间，诸如大约20%与80%、大约30%与70%或大约40%与60%之间。另外，在一些实施例中，第一凹部22或第二凹部22中的任一者或两者可通向第三表面66而不是 后缘94。在所图示的实施例中，第一凹部220从流体孔224朝后缘94延伸，并朝第三表面66转向且终止于第三表面66。在其它实施例中，两个邻接的凹部，诸如第一凹部220和第二凹部222，可紧邻第三表面66连接使得流动在一个凹部内向下运行然后在另一个凹部内向上返回而离开。另外的凹部可类似地连接，从而允许两股、三股或更多股冷却剂在该表面或该表面的一部分上下流动。在更进一步的实施例中，第一凹部220可从流体孔224朝前缘92延伸，然后转向第三表面66。虽然上文所述的各种实施例描绘了具有弯曲部、角度、之字形图案等的凹部，但可能希望使用一个或更多基本上平直的凹部来冷却第一表面62。图14是具有基本上成直线从多个流体孔234延伸到后缘94的多个凹部232的护罩部段52的一个实施例的平面图。在所图示的实施例中，多个凹部232相对于彼此和第三表面66以基本上平行的模式设置。此外，虽然在所图示的实施例中将流体孔234描绘为关于护罩部段52的长度199基本上互相平行，但在其它实施例中，流体孔234可错开或者以其它方式不对准。例如，各流体孔234可在护罩部段52的长度199的大约1%与99%之间位于等距或不同的位置。再举例而言，凹部232可在长度199的大约10%与90%、大约20%与80%、大约30%与70%或大约40%与60%之间延伸相同或不同的长度233。同样，如上文指出，在一些实施例中可能希望使冷却流体交替沿着第一表面62流动。因此，凹部232中的一些或全部可朝前缘92延伸，而不是朝后缘94延伸。在其它实施例中，凹部232可从一侧到另一侧延伸，即，从一个第三表面66延伸到另一表面66。在这些实施例中的某些实施例中，凹部232的一些或全部可基本上平行于前端92和/或后端94对准。在某些实施例中，可能希望沿着其整个长度冷却前端92或后端94中的任一者或两者。图15是具有会聚至公共凹部242的第一多个凹部240和会聚至第二公共凹部246的第二多个凹部244的护罩部段52的一个实施例的平面图。第一公共凹部242和第二公共凹部246使得能够实现后缘94沿着整个长度或至少基本上整个长度的冷却。在所图示的实施例中，第一多个凹部240从第一流体孔248朝后缘94延伸。然后，第一多个凹部240会聚至朝第三表面66沿第一方向250延伸的第一公共凹部242。这种构型允许冷却流体 沿着后缘94沿第一方向250流动并在第三表面66处离开护罩部段52。第二多个凹部244从第二流体孔252朝后缘94延伸。然后，第二多个凹部244会聚至朝第三表面66沿第二方向254延伸的第一公共凹部246。这种构型允许冷却流体沿着后缘94沿第二方向254流动并在第三表面66处离开护罩部段52。在其它实施例中，可在前端92周围使用相似的构型。为了在紧邻前缘92、密封件槽68和/或后缘94的区域使用所公开的通道来冷却护罩部段52，可能希望具有朝向和远离此类区域沿多个方向延伸的一个或更多通道。图16中描绘了这样一个实施例，图16图示了具有从流体孔262朝前缘92延伸的凹部260的护罩部段52。然后，凹部260朝第三表面66延伸，接着是另一次朝后缘94弯曲并且总体上沿密封件槽68 (图4)定位。凹部260可完全或部分朝后缘94延伸。备选地或另外，凹部260可完全或部分朝第三表面66延伸。在所图示的实施例中，凹部260终止于第三表面66。因此，凹部260可允许紧邻上文提到的区域的护罩部段52的有益冷却。如文中所述,用于冷却的通道的通道可从第一表面62、第二表面64或第三表面66或者其组合内的一个或更多凹部形成。凹部可从这些表面开槽而成并且覆盖有一层以形成通道。在一般的意义上，可使用能够在表面中形成凹部的任何方法来形成通道，诸如蚀刻、磨削、开槽、水喷射、激光或EDM。因此，参考图17-24论述用于形成所公开的通道的方法的 非限制性的实例。同样，这些通道可允许冷却流体流经它们形成在其中的护罩部段52的本体60 (图4)。如上文指出，由于密封件槽68与第一表面62之间的有限空间，会难以在紧邻密封件槽68的区域内冷却护罩部段52。因此，应了解，本文所述的方法可应用于能够利用冷却流体来满足冷却目的的新的和/或已有的护罩部段。图17是预先形成的护罩部段270诸如作为铸件的一部分或其它护罩部段形成流程生产的护罩部段的一部分的剖视图。预先形成的护罩部段270包括如上文所述的第一表面62、第二表面64和相对的第三表面66。另外，预先形成的护罩部段270包括密封件槽68。然而，在一些实施例中，所公开的方法在形成所公开的通道(例如，微通道)前并未形成密封件槽68。如图18中所示，可对预先形成的护罩部段270进行加工，以产生加工的护罩部段272。加工的护罩部段272包括可用于形成本文所述的通道的一个或更多凹部274。作为实例，各凹部274均可具有介于大约50微米(μπι)与4毫米(mm)之间的宽度和介于大约50 μ m与4mm之间的深度。例如，凹部274可具有介于大约100 μ m与3. 75mm之间、大约200 μ m与3. 5mm之间或大约300 μ m与2mm之间的宽度和/或深度。为形成通道，凹部274可覆盖有覆盖层。然而，在施加该层前，可能希望用填料充填凹部274，以避免层材料侵入凹部 274。图19图示了具有设置在凹部274内的填料276的护罩部段272的一个实施例。填料276可以是能够对将设置在凹部274上的层选择性地取出的材料。作为实例，填料276可包括能够被析出的基于金属的材料(例如，基于铜的化合物)。如图20中所示，在将填料276安置在凹部274内后，可将诸如粘合涂料(bondcoat)之类的外涂料(topcoat) 278涂敷到整个第一表面62或环绕凹部274的区域的顶部上。由于涡轮22(图1-3)内的特定公差，可能希望以基本上不会影响从本文公开的方法得到的护罩部段的性能的厚度涂敷外涂料278。作为非限制性的实例，外涂料278的厚度可介于大约10 μ m与Imm之间。例如,外涂料278的厚度可介于大约50 μ m与1mm、大约100 μ m 与 500 μ m、大约 200 μ m 与 400 μ m 或大约 250 μ m 与 350 μ m 之间。图21图示了具有通过在涂敷外涂料278之后从凹部274去除填料276而形成的一对冷却通道282的装备有微通道的护罩部段280。作为实例，可使用水性溶剂和/或有机溶剂来去除填料276。在另一种形成本文所述的冷却通道的方法中，可对关于图17所述的预先形成的护罩部段270进行加工，以形成加工的护罩部段290，这在图22中示出。加工的护罩部段290包括平台凹部292，该平台凹部292可 视为用于如下文将描述的覆盖插入物的支承件，具有足以允许在平台凹部292内形成希望数量的凹部的宽度294。例如，宽度294可允许形成 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 或更多凹部。图23图示了护罩部段296的一个实施例，该护罩部段296已加工或以其它方式进行处理，以在从第一表面62的偏移距离299处在平台凹部292中形成凹部298。距离299可以是平台凹部292的深度，并且可介于大约4mm与50μπι、3. 75mm与100 μπι或3. 5mm与200 μ m之间。在其它实施例中，凹部292可小于大约2mm、I. 75mm、I. 5mm、1mm、750 μ m、500 μ m、400 μ m、300 μ m、250 μ m、200 μ m、150 μ m 或 100 μ m。如上文指出，凹部 298 可具有介于大约50 μ m与4mm之间的宽度和介于大约50 μ m与4mm之间的深度。例如，凹部298可具有介于大约150μπι与3. 5mm之间、大约250 μ m与3. 25mm之间或大约300 μ m与2mm之间的宽度和/或深度。如图24中所示，凹部298可覆盖有覆盖层300，以产生具有一对冷却通道304的护罩部段302。如上文指出，冷却通道304可以是具有上文关于凹部298提到的尺寸的微通道。层300可以是钎焊、焊接或者以其它方式固定在护罩部段302上的金属层。作为实例，该金属层可以是与基部护罩相似的材料。作为又一实例，金属层可包括合金，诸如镍基或钴基超合金。层300在被固定在护罩部段302上之后可磨削、铣削或以其它方式加工为期望公差。实际上，在某些实施例中，覆盖层300可具有与上文对偏移距离299所述的深度基本上相同的厚度，该厚度小于大约4mm,诸如介于大约4mm与50 μ m、3. 75mm与100 μ m或3. 5mm 与 200 μ m 之间。此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种系统，包括 护罩部段，其构造成至少部分包围涡轮发动机的涡轮叶片，其中所述护罩部段包括 本体；以及 设置在所述本体中的微通道，其中所述微通道构造成使冷却流体流经所述本体。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述微通道具有宽度、深度和长度，其中所述宽度或所述深度介于大约50微米与4000微米之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述微通道设置在距所述本体的表面的偏移距离处，并且所述偏移距离介于大约4毫米与50微米之间。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述护罩部段包括贯穿所述本体延伸到所述微通道的孔，并且所述孔具有介于大约4毫米与50微米之间的直径。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述微通道由设置在所述本体中的微通道凹部上的层限定。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述层包括沿着所述本体的表面延伸的涂层。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述层包括沿着具有微通道凹部的覆盖凹部设置的覆盖插入件。
8.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述护罩部段在所述本体中包括密封件槽，并且所述微通道设置成紧邻所述密封件槽。
9.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述护罩部段沿着所述本体在相邻的表面之间包括边缘，并且所述微通道设置成紧邻所述边缘。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述微通道相对于所述边缘大致平行、成角度、大致垂直或其任何组合延伸。
11.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述护罩部段包括构造成暴露于贯穿所述涡轮发动机的热气体路径的至少一个表面，并且所述微通道沿着所述至少一个表面设置。
12.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述护罩部段的涡轮发动机。
13.—种系统,包括 涡轮护罩部段，包括 具有密封区域的本体；以及 设置在所述本体中的多个微通道，其中所述多个微通道构造成使冷却流体流经所述本体以冷却所述密封区域。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个微通道中的每个微通道均具有宽度、深度和长度，其中所述宽度介于大约50微米与4000微米之间，并且所述深度介于大约50微米与4000微米之间。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述微通道设置在距所述本体的表面的偏移距离处，并且所述偏移距离小于大约2毫米。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述微通道由设置在所述本体中的微通道凹部上的层限定，并且所述层具有限定所述偏移距离的厚度。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述本体包括构造成面对所述涡轮发动机的所述涡轮叶片的第一表面、构造成背对所述涡轮发动机的所述涡轮叶片的第二表面、和在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的第三表面，其中所述多个微通道设置在所述第一表面和所述第三表面上。
18.—种方法,包括 在涡轮发动机的涡轮护罩部段中形成微通道凹部；以及 用层覆盖所述微通道凹部，以限定构造成冷却所述涡轮护罩部段的一部分的微通道冷却通路。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述微通道凹部紧邻所述护罩部段的密封区域形成为具有介于大约4000微米与50微米之间的深度或宽度，并且所述微通道冷却通路构造成冷却所述密封区域。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述密封区域在构造成面对另一涡轮护罩部段的第一表面中包括凹部，并且所述第一表面将构造成面对涡轮发动机的涡轮叶片的第二表面与构造成背对所述涡轮叶片的第三表面连接，并且在所述第二表面中形成所述微通道凹部。
全文摘要
本发明涉及涡轮护罩部段冷却系统和方法，具体而言，本发明的实施例总体上涉及用于冷却燃气涡轮发动机的一个或更多护罩部段的系统和方法。例如，在第一实施例中，提供一种护罩部段，该护罩部段构造成至少部分包围涡轮发动机的涡轮叶片。该护罩部段包括本体和设置在该本体中的微通道。该微通道构造成使冷却流体流经本体。
文档编号F01D5/18GK102733860SQ20121012425
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者B·P·莱西, D·W·韦伯, S·W·特什 申请人:通用电气公司