專利名稱：帶有共形彎曲膜孔的構(gòu)件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體而言涉及其中的膜式冷卻。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中被加壓并在燃燒器中與燃料混合以用于產(chǎn)生熱的燃燒氣體。能量從高壓渦輪(HPT)和低壓渦輪(LPT)中的氣體中獲取，高壓渦輪給壓縮機(jī)提供動(dòng)力，而低壓渦輪給渦輪風(fēng)扇飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的風(fēng)扇提供動(dòng)力，或給船舶和工業(yè)應(yīng)用的外部軸提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)效率隨燃燒氣體的溫度增加而提高。然而，燃燒氣體沿其流動(dòng)通路加熱各種構(gòu)件，構(gòu)件繼而需要對(duì)其冷卻以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。通常，熱氣體通路構(gòu)件通過(guò)從壓縮機(jī)放出空氣而冷卻。該冷卻過(guò)程會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，因?yàn)榉懦龅目諝馕从糜谌紵^(guò)程。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)很成熟，并且對(duì)于冷卻回路的各個(gè)方面以及各種熱氣體通路構(gòu)件中的特征而言包括許多專利。例如，燃燒器包括徑向的外襯套和內(nèi)襯套，它們?cè)诓僮髌陂g需要冷卻。渦輪噴嘴包括被支承在外帶體(band)與內(nèi)帶體之間的中空靜葉，其也需要冷卻。渦輪轉(zhuǎn)子葉片為中空的并且在其中通常包括冷卻回路，其中葉片被渦輪護(hù)罩包圍， 渦輪護(hù)罩也需要冷卻。熱燃燒氣體通過(guò)排氣裝置排出，排氣裝置也可有襯里并被合適地冷卻。在所有這些示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中，高強(qiáng)度超級(jí)合金金屬的薄金屬壁部通常用于提高耐用性，同時(shí)最大限度地減小對(duì)其冷卻的需要。許多冷卻回路和特征被定制為用于這些單獨(dú)構(gòu)件(在它們處于發(fā)動(dòng)機(jī)中的對(duì)應(yīng)環(huán)境中)。此外，所有這些構(gòu)件通常包括共同成排的膜式冷卻孔(film cooling hole)。典型的膜式冷卻孔為圓柱形孔，其以較淺的角度傾斜貫穿受熱壁部以用于沿壁部的外表面排放冷卻空氣的膜，以便在操作期間對(duì)流動(dòng)于其上的熱燃燒氣體提供熱隔離。該膜在壁部外表面上以較淺的角度排放，以便最大限度地減小其不期望的吹散(其將導(dǎo)致流分離和膜式冷卻效力的損失)的可能。膜式冷卻孔通常布置為成排的密集的孔，其在外表面上共同提供大面積的冷卻空氣覆蓋區(qū)。然而，提供膜式冷卻邊界層的完整表面覆蓋所需的孔越多，需要的空氣也越多，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。目前，形成于熱氣體通路構(gòu)件中的膜式冷卻孔利用直孔和直的方面(facet)特征。例如，擴(kuò)散器形狀的孔2被制造成帶有處于不同角度的直圓孔4和直形的出口足跡 (footprint)6。圖1至圖4示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)散膜式冷卻孔(diffuser film cooling hole)。圖1和圖2描繪了現(xiàn)有技術(shù)的后置式風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔，其中D為直圓孔4的直徑，LT為直圓孔4的長(zhǎng)度，L為擴(kuò)散膜式冷卻孔的總長(zhǎng)度，δ為擴(kuò)散器的出口部分 6的內(nèi)側(cè)表面5與中心線7之間的角度，而α為中心線7與膜式冷卻壁部3的直的外表面 8之間的角度。參看圖2，β為中心線7與擴(kuò)散膜式冷卻孔的出口部分6的內(nèi)側(cè)表面5之間的角度。如可從圖1和圖2中看到的那樣，現(xiàn)有技術(shù)的后置式風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔使用沿膜孔和流的方向的直表面的方面。同樣，圖3和圖4示意性地描繪了現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔(也由參考標(biāo)號(hào)2表示)，并且相同的參考標(biāo)號(hào)被用來(lái)表示圖1至圖4中的對(duì)應(yīng)特征。如可從圖3和圖4中看到的那樣，現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔也使用沿膜孔和流的方向的直表面的方面。圖1至圖4中所示的常規(guī)風(fēng)扇擴(kuò)散冷卻孔通常利用常規(guī)電極通過(guò)放電加工(EDM)形成。對(duì)于在熱氣體通路構(gòu)件的彎曲表面上帶有出口部分的常規(guī)膜式冷卻孔而言，這些直表面的方面導(dǎo)致較大的噴射角和顯著的膜吹散。因此，需要提供帶有減少的膜吹散的膜式冷卻孔以用于帶有膜式冷卻彎曲表面的熱氣體通路構(gòu)件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面在于一種包括至少一個(gè)壁部的構(gòu)件，該壁部包括第一表面和第二表面。至少一個(gè)膜式冷卻孔在第一表面與第二表面之間延伸穿過(guò)壁部并且在構(gòu)件壁部的第二表面處具有出口區(qū)。構(gòu)件壁部的第二表面在出口區(qū)附近具有非平面曲率。膜式冷卻孔在出口區(qū)處漸縮，從而使得膜式冷卻孔在出口區(qū)中的曲率與構(gòu)件壁部的第二表面的非平面曲率一致，從而形成彎曲出口區(qū)。本發(fā)明的另一方面在于一種在構(gòu)件中形成至少一個(gè)膜式冷卻孔的方法，該構(gòu)件具有至少一個(gè)包括第一表面和第二表面的壁部。第二表面在膜式冷卻孔的出口區(qū)附近具有非平面曲率。該方法包括在構(gòu)件壁部中形成直區(qū)段，從而使得該直區(qū)段延伸穿過(guò)構(gòu)件壁部的第一表面，以及，使膜式冷卻孔漸縮，從而使得膜式冷卻孔在出口區(qū)中的曲率與構(gòu)件壁部的第二表面的非平面曲率一致，從而形成膜式冷卻孔的彎曲出口區(qū)。


當(dāng)參照附圖來(lái)閱讀下述詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些與其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，所有附圖中的相似標(biāo)號(hào)表示相似的部件，在附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的后置式風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔，其帶有沿膜孔和流的方向的直表面的方面；圖2為圖1的后置式風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔的頂視圖投影；圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的帶有沿膜孔和流的方向的直表面的方面的風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔；圖4為圖3的風(fēng)扇擴(kuò)散膜式冷卻孔的頂視圖投影；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的膜式冷卻孔，其帶有與構(gòu)件壁部的外表面的凸曲率一致的彎曲出口區(qū)；圖6描繪了圖5的膜式冷卻孔的額外的方面；圖7示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的方面的膜式冷卻孔，其帶有形成于構(gòu)件壁部中的彎曲出口區(qū)，該構(gòu)件壁部包括帶有保護(hù)涂層系統(tǒng)的金屬基底；圖8示出了帶有與構(gòu)件壁部的外表面的凹曲率一致的彎曲出口區(qū)的膜式冷卻孔；圖9以框圖形式示意性地描繪了具有多種構(gòu)件的示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，這些構(gòu)件各自包括至少部分地通過(guò)成排的膜式冷卻孔冷卻的受熱壁部；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的兩個(gè)膜式冷卻孔，其帶有與構(gòu)件壁部的外表面的局部凸曲率一致的彎曲出口區(qū)；
圖11示意性地描繪了帶有橢圓形開(kāi)口的膜式冷卻孔；以及圖12為從頂部觀察的圖5中所示的膜式冷卻孔的投影。項(xiàng)目清單2常規(guī)膜式冷卻孔3膜式冷卻壁部4直圓孔5常規(guī)膜式冷卻孔的內(nèi)側(cè)表面6直形出口足跡7直圓孔的中心線8膜式冷卻壁部的直的外表面10 構(gòu)件11金屬基底12構(gòu)件壁部13保護(hù)涂層14構(gòu)件壁部的第一表面16構(gòu)件壁部的第二表面18膜式冷卻孔20膜式冷卻孔的出口區(qū)22膜式冷卻孔的內(nèi)側(cè)表面M膜式冷卻孔的外側(cè)表面26膜式冷卻孔的直區(qū)段28直區(qū)段與彎曲出口區(qū)之間的過(guò)渡點(diǎn)30 終點(diǎn)32給定點(diǎn)40橢圓形開(kāi)口100燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)112縱向或軸向中心軸線114 風(fēng)扇116多級(jí)軸向壓縮機(jī)118環(huán)形燃燒器120渦輪噴嘴122第一級(jí)渦輪124低壓渦輪126排氣襯套128環(huán)境空氣130熱燃燒氣體132人字形出口133冷卻劑空氣134 入口孔
具體實(shí)施例方式用語(yǔ)“第一”、“第二”等在這里并不表示任何順序、數(shù)量或重要程度，而是用于將一個(gè)元件與另一元件區(qū)分開(kāi)。用語(yǔ)“一”和“一個(gè)”并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)所涉及的項(xiàng)目。結(jié)合數(shù)量使用的修飾語(yǔ)“大約”包括所規(guī)定的值，并且具有由上下文所指示的意義(例如包括與特定數(shù)量的測(cè)量值相關(guān)聯(lián)的誤差程度)。此外，用語(yǔ)“組合”包括調(diào)混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。此外，在本說(shuō)明書中，后綴“(S) ”通常意圖包括其所修飾的用語(yǔ)的單數(shù)和復(fù)數(shù)，因而包括一個(gè)或多個(gè)該用語(yǔ)(例如，“通道孔”可包括一個(gè)或多個(gè)通道孔，除非另外規(guī)定)。整個(gè)說(shuō)明書中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“另一實(shí)施例”、“一實(shí)施例”等的引用意指結(jié)合該實(shí)施例描述的特定元件(例如特征、結(jié)構(gòu)和/或特點(diǎn))被包括在本文所述的至少一個(gè)實(shí)施例中，并且可存在或可不存在于其它實(shí)施例中。此外，應(yīng)當(dāng)理解，所述發(fā)明特征可在各種實(shí)施例中以任何合適方式組合。在圖9中示意性地示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100，其關(guān)于縱向軸線或軸向中心軸線 112軸對(duì)稱。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括串流連通的風(fēng)扇114、多級(jí)軸向壓縮機(jī)116和環(huán)形燃燒器118，隨后依次是高壓渦輪(HPT)和低壓渦輪(LPT)。HPT包括渦輪噴嘴120，該渦輪噴嘴120具有被支承在內(nèi)噴嘴帶體和外噴嘴帶體中的成排的中空定子靜葉。第一級(jí)渦輪122在第一級(jí)渦輪噴嘴之后，并且包括從支承轉(zhuǎn)子盤沿徑向向外延伸且被環(huán)形渦輪護(hù)罩包圍的成排的中空轉(zhuǎn)子葉片。LPT IM在HPT之后，并且包括額外的噴嘴和轉(zhuǎn)子葉片，其可包括或可不包括內(nèi)部冷卻回路，這取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。對(duì)于所示的布置，排氣襯套126在LPT IM之后。在操作期間，環(huán)境空氣1 通過(guò)風(fēng)扇114加壓，并且其下部部分進(jìn)入壓縮機(jī)116 中以用于另外加壓，同時(shí)外部部分從風(fēng)扇出口排放以用于在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中提供推力。在壓縮機(jī)中加壓的空氣在燃燒器中與燃料混合以用于產(chǎn)生熱燃燒氣體130。燃燒氣體流過(guò)各渦輪葉片級(jí)，渦輪葉片級(jí)從其中獲取能量以用于在操作期間給壓縮機(jī)和風(fēng)扇提供動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖9中示出的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)100可具有任何常規(guī)構(gòu)造和操作，但其如本文所述那樣被改進(jìn)以提供改進(jìn)的膜式冷卻。上文公開(kāi)的不同熱氣體通路發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中的任意一個(gè)或多個(gè)可適于在操作期間通過(guò)將一部分加壓空氣從壓縮機(jī)116放出而冷卻。熱氣體通路構(gòu)件通常包括薄壁部12，薄壁部12的一部分在圖9中被顯示為表示其中可使用膜式冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)的各種構(gòu)件。薄壁部12可由常規(guī)超級(jí)合金金屬(例如鈷基材料)形成，其在升高的溫度下具有高強(qiáng)度，由于來(lái)自熱燃燒氣體130的加熱在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的操作中經(jīng)歷該升高的溫度。更具體而言，經(jīng)受高溫并且需要冷卻的任何基底可用于本發(fā)明。示例包括陶瓷或金屬基材料?？尚纬杀”诓?2的金屬或金屬合金的非限制性示例包括鋼、鋁、鈦；難熔金屬(例如鉬)；以及，超級(jí)合金，例如基于鎳、鈷或鐵的那些。薄壁部 12還可由復(fù)合材料(例如硅化鈮金屬間復(fù)合物)形成。壁部12的厚度將取決于包括其的物品而變化。在許多情形中，例如，對(duì)于許多航空構(gòu)件，壁部具有處于大約0. 020英寸至大約0. 150英寸(508微米至大約3810微米)的范圍內(nèi)的厚度。對(duì)于陸基構(gòu)件而言，壁部通常具有處于大約0. 050英寸至大約0. 300英寸 (1270微米至大約7620微米)的范圍內(nèi)的厚度。
對(duì)于圖9中所示的布置，膜式冷卻孔18采用人字形膜式冷卻孔18的形式。然而， 這僅為一個(gè)示例，并且本發(fā)明包括其它膜式冷卻孔構(gòu)造，例如擴(kuò)散器和橢圓布置。圖9以平面圖示出構(gòu)件壁部12的一部分。如圖所示，構(gòu)件壁部12具有相對(duì)的內(nèi)壁表面14和外壁表面16。壁部12的內(nèi)表面或內(nèi)側(cè)表面14形成設(shè)置在構(gòu)件中的合適冷卻回路的外邊界，該構(gòu)件接收從壓縮機(jī)放出的空氣。外表面16在操作期間經(jīng)受熱燃燒氣體130并且需要合適的膜式冷卻保護(hù)。下文論述了所示的人字形膜式冷卻孔18的方面。圖9中所示的示例性構(gòu)件壁部12的形式可為內(nèi)燃燒器襯套或外燃燒器襯套、渦輪噴嘴靜葉、渦輪噴嘴帶體、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪護(hù)罩或排氣襯套(對(duì)于典型示例)，它們?cè)谄渲欣貌煌问降哪な嚼鋮s。本發(fā)明的熱氣體通路構(gòu)件實(shí)施例參照?qǐng)D5、圖6和圖12而描述。例如，如圖5中所示，構(gòu)件10包括至少一個(gè)壁部12，該壁部12包括第一表面14和第二表面16。至少一個(gè)膜式冷卻孔18在第一表面14與第二表面16之間延伸穿過(guò)壁部12，并且在構(gòu)件壁部12的第二表面16處具有出口區(qū)20。例如，如圖5中所示，構(gòu)件壁部的第二(外部)表面16在出口區(qū)20附近具有非平面曲率，并且膜式冷卻孔18在出口區(qū)20處漸縮，從而使得出口區(qū)20中的膜式冷卻孔18的曲率與構(gòu)件壁部12的第二表面16的非平面曲率一致，因而形成彎曲出口區(qū)20。因?yàn)槌隹趨^(qū)對(duì)于膜孔的總體冷卻效力很關(guān)鍵，所以，本發(fā)明通過(guò)使用沿流動(dòng)方向限定膜孔的出口足跡(形狀)的彎曲表面而增強(qiáng)膜孔的冷卻。對(duì)于圖5中所示的布置，膜式冷卻孔18具有內(nèi)側(cè)表面22和外側(cè)表面24，并且構(gòu)件壁部12的第二(外部)表面16在出口區(qū)20附近是凸形的。如圖5中所示，膜式冷卻孔 18的內(nèi)側(cè)表面22在出口區(qū)20處漸縮以形成彎曲出口區(qū)20。更具體而言，例如，如圖5和圖6中所示，膜式冷卻孔20包括直區(qū)段沈和彎曲出口區(qū)20。另外參見(jiàn)圖12，其為從頂部觀察的圖5中所示的膜式冷卻孔的投影。參考字母A、B和C指示圖5和圖12的對(duì)應(yīng)區(qū)域。 如圖6中所示，直區(qū)段沈與彎曲出口區(qū)20之間的過(guò)渡發(fā)生在過(guò)渡點(diǎn)觀處。膜式冷卻孔18 的局部曲率半徑R’在過(guò)渡點(diǎn)觀處開(kāi)始從無(wú)窮值過(guò)渡至構(gòu)件壁部12的第二(外部)表面 16在出口區(qū)20中的非平面曲率。如本文所用的用語(yǔ)“無(wú)窮”應(yīng)被理解為還包括對(duì)應(yīng)于與直區(qū)段26內(nèi)的完全直的內(nèi)側(cè)表面22有略微偏差的非常大的值，這可由于直區(qū)段沈的加工工藝而出現(xiàn)。根據(jù)更特定的布置，彎曲出口區(qū)在終點(diǎn)30(例如如圖6中所示的那樣)處終止， 并且膜式冷卻孔18在給定點(diǎn)32處的局部曲率半徑R’ (例如如圖6中所示的那樣)根據(jù)下面的公式從過(guò)渡點(diǎn)觀過(guò)渡至終點(diǎn)30 R，= FSfflax [R (Smax-S)]，公式 1其中，F(xiàn)為標(biāo)量調(diào)整系數(shù)，Sfflax為過(guò)渡點(diǎn)觀與終點(diǎn)30之間的表面距離，并且S為終點(diǎn)30與給定點(diǎn)32之間的距離。圖8中示出另一示例性膜式冷卻構(gòu)造。對(duì)于圖8中所示的示例性布置，膜式冷卻孔18具有內(nèi)側(cè)表面22和外側(cè)表面24，并且構(gòu)件壁部12的第二(外部)表面16在出口區(qū) 20附近是凹形的。例如，如圖8中所示，膜式冷卻孔18的內(nèi)側(cè)表面22在出口區(qū)20處漸縮以形成彎曲出口區(qū)20。更具體而言，對(duì)于圖8中所示的示例性布置，膜式冷卻孔18包括直區(qū)段沈和彎曲出口區(qū)20。如圖8中所示，直區(qū)段沈與彎曲出口區(qū)20之間的過(guò)渡發(fā)生在過(guò)渡點(diǎn)觀處(例如如圖8中所示的那樣)。如這里使用的那樣，膜式冷卻孔18的局部曲率半徑R’從構(gòu)件的外部限定(例如如圖8中所示的那樣)。對(duì)于圖8中所示的布置，膜式冷卻孔18的局部曲率半徑R’在過(guò)渡點(diǎn)觀處開(kāi)始從無(wú)窮值過(guò)渡至構(gòu)件壁部12的第二表面16 在出口區(qū)20中的非平面曲率。根據(jù)更特定的布置，彎曲出口區(qū)在終點(diǎn)30處終止，并且膜式冷卻孔18在給定點(diǎn)32處的局部曲率半徑R’根據(jù)公式式(1)從過(guò)渡點(diǎn)觀過(guò)渡至終點(diǎn)30。盡管其中許多圖為了圖示簡(jiǎn)單而僅示出單個(gè)冷卻孔，但本發(fā)明還包括多個(gè)冷卻孔布置。圖10示出了兩個(gè)膜式冷卻孔，其帶有與構(gòu)件壁部的外表面的局部凸曲率一致的彎曲出口區(qū)。對(duì)于這種多孔布置，多個(gè)膜式冷卻孔18在第一表面14與第二表面16之間延伸穿過(guò)壁部12。類似于上文參照?qǐng)D5、圖6和圖8論述的布置，其中每個(gè)膜式冷卻孔18在構(gòu)件壁部12的第二表面16處具有相應(yīng)的出口區(qū)(通過(guò)圖5、圖6和圖8中的參考標(biāo)號(hào)20示出)。 如圖10中所示，構(gòu)件壁部12的第二表面16的非平面曲率R1A2在膜式冷卻孔18的其中至少兩個(gè)出口區(qū)20附近是不同的。換言之，其中至少兩個(gè)冷卻孔具有不同的非平面曲率值， 從而使得對(duì)于至少這兩個(gè)冷卻孔R(shí)l Φ R2。另外地并且如圖10中所示，其中至少兩個(gè)膜式冷卻孔18的相應(yīng)內(nèi)側(cè)表面22不同地漸縮，從而使得相應(yīng)膜式冷卻孔的曲率IV、R2’與相應(yīng)彎曲出口區(qū)20內(nèi)的第二表面的相應(yīng)非平面曲率1^ 一致。圖10中示出了這種多孔、多曲率布置的一個(gè)示例，其中Rl ^ R2。對(duì)于該布置，構(gòu)件壁部12的外表面16的曲率禮、R2在構(gòu)件10上從一個(gè)位置到另一位置是變化的。同樣，相應(yīng)的膜式冷卻孔的曲率R/、IV也不同。(即，對(duì)于該布置，R1'興IV。)有利地，該布置減少膜吹散，從而提高構(gòu)件的冷卻效力。對(duì)于其它多孔構(gòu)造，多個(gè)膜式冷卻孔18在第一表面14與第二表面16之間延伸穿過(guò)壁部12。類似于上文參照?qǐng)D5、圖6和圖8論述的布置，其中每個(gè)膜式冷卻孔18在構(gòu)件壁部12的第二表面16處具有相應(yīng)的出口區(qū)20。對(duì)于該特定構(gòu)造，膜式冷卻孔18的內(nèi)側(cè)表面22相同地漸縮。對(duì)于隊(duì)=R2和R1' = R2'的情況，該布置也由圖10示出。如上文所述并如圖7中示意性地示出的那樣，對(duì)于許多應(yīng)用，構(gòu)件壁部12包括金屬基底11?？尚纬杀”诓?2的金屬或金屬合金的非限制性示例包括鋼、鋁、鈦；難熔金屬 (例如鉬)；以及，超級(jí)合金，例如基于鎳、鈷或鐵的那些。對(duì)于圖7中所示的示例性構(gòu)造，構(gòu)件壁部12還包括設(shè)置在至少一部分金屬基底11上的至少一個(gè)保護(hù)涂層13。更具體而言， 構(gòu)件壁部12包括保護(hù)涂層系統(tǒng)(其也由圖7中的參考標(biāo)號(hào)13示出)。保護(hù)涂層系統(tǒng)13 通常包括多個(gè)涂覆層，例如一層或多層粘結(jié)涂層和陶瓷涂層，例如熱障涂層。還可使用用于許多用途的涂層。通常，采用提供熱防護(hù)和/或氧化防護(hù)的涂層。作為一個(gè)示例，陶瓷涂層 13可應(yīng)用于金屬基底11，例如氧化鋯材料(例如氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯)形成的熱障涂層 (TBC)。在渦輪葉片的許多情況下，結(jié)合層首先被施加到葉片表面上，例如，金屬鋁化物或 MCrAlY材料，其中“M”可為鐵、鎳、鈷或其混合物。對(duì)于特定構(gòu)造，彎曲出口區(qū)20位于熱障涂層13中。然而，對(duì)于圖7中所示的示例性布置，彎曲出口區(qū)20延伸到基底11中。對(duì)于圖7中所示的示例性布置，膜式冷卻孔20包括直區(qū)段沈和彎曲出口區(qū)20，并且直區(qū)段沈與彎曲出口區(qū)20之間的過(guò)渡發(fā)生在位于金屬基底11中的過(guò)渡點(diǎn)觀處，從而使得彎曲出口區(qū)20延伸穿過(guò)熱障涂層13到金屬基底11中。膜式冷卻孔18可采用下文參照?qǐng)D5、圖9和圖11所論述的多種形式。圖9的下部為構(gòu)件壁部的外表面的透視圖，示出了三個(gè)人字形膜式冷卻孔的大致出口區(qū)，膜式冷卻孔延伸穿過(guò)構(gòu)件壁部。對(duì)于圖9中所示的示例性構(gòu)造，其中每個(gè)膜式冷卻孔18包括人字形膜式冷卻孔。對(duì)于圖9的示例性布置，每個(gè)膜式冷卻孔18縱向地延伸穿過(guò)壁部12，并且沿著孔縱向地發(fā)散并跨過(guò)孔的寬度側(cè)向地發(fā)散。因此，每個(gè)孔從齊平設(shè)置于構(gòu)件壁部12的內(nèi)表面14處的入口(未在圖9中示出)延伸至齊平設(shè)置于構(gòu)件壁部12的外表面16處的人字形出口 132。來(lái)自壓縮機(jī)的加壓空氣的一部分被引導(dǎo)穿過(guò)人字形膜式冷卻孔18作為冷卻劑空氣133，在人字形出口 132處離開(kāi)。對(duì)于圖9所示的布置，其中每個(gè)人字形膜式冷卻孔18 包括入口孔134。該孔從其入口端至其出口端通常具有基本恒定的流區(qū)域。該孔本身可被認(rèn)為是人字形膜式冷卻孔18的保持圓柱形或基本圓柱形的部分，即，在人字形出口開(kāi)始之前。換句話說(shuō)，入口孔134類似于例如上文參照?qǐng)D5至圖8所述的直區(qū)段26。對(duì)于其它構(gòu)造，其中每個(gè)膜式冷卻孔18包括擴(kuò)散膜式冷卻孔。圖5示出了示例性擴(kuò)散膜式冷卻孔布置。對(duì)于某些構(gòu)造，其中每個(gè)膜式冷卻孔18具有橢圓形開(kāi)口 40。圖11中示出了該布置。對(duì)于所示的布置，膜式冷卻孔18為圓形的，從而使得開(kāi)口 40為橢圓形的，其中橢圓隨著曲率而延長(zhǎng)。上述膜式冷卻孔對(duì)于熱氣體通路構(gòu)件(例如渦輪翼形件)的彎曲區(qū)域特別有用， 其中直表面的方面(如上文參照?qǐng)D1至圖4所述的那些)將導(dǎo)致較高的噴射角和顯著的膜吹散。通過(guò)使用彎曲表面來(lái)限定沿流動(dòng)方向的膜孔的出口足跡(形狀)，本發(fā)明的膜式冷卻孔提供改善的膜附著，并且因此提供改善的冷卻效力。參看圖5、圖6、圖8和圖12描述了形成構(gòu)件10中的至少一個(gè)膜式冷卻孔18的方法。如上文參照?qǐng)D5所述，構(gòu)件10具有至少一個(gè)壁部12，該壁部12包括第一表面14和第二表面16。如圖5中所示，第二表面在膜式冷卻孔18的出口區(qū)20附近具有非平面曲率。 該方法包括在構(gòu)件壁部12中形成直區(qū)段沈，從而使該直區(qū)段沈延伸穿過(guò)構(gòu)件壁部12的第一表面14，以及使膜式冷卻孔18漸縮，從而使得出口區(qū)20中的膜式冷卻孔18的曲率與構(gòu)件壁部12的第二表面16的非平面曲率一致，因而形成膜式冷卻孔18的彎曲出口區(qū)20。 可使用多種技術(shù)來(lái)完成這些步驟。本發(fā)明的膜式冷卻孔可使用選定類型的設(shè)備通過(guò)若干特別的技術(shù)成功地形成。這些技術(shù)可包括水噴射切割系統(tǒng)、放電加工(EDM)系統(tǒng)和激光鉆孔系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的每個(gè)系統(tǒng)在共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)序列No. 12/790, 675 “包括人字形膜式冷卻孔的物品及相關(guān)工藝”中被描述，其通過(guò)引用而被全部包括到本文中。對(duì)于某些實(shí)施例，形成直區(qū)段沈的步驟包括對(duì)構(gòu)件壁部鉆孔，其中膜式冷卻孔18 具有內(nèi)側(cè)表面22和外側(cè)表面24，并且，其中，使膜式冷卻孔20漸縮的步驟包括下列至少一項(xiàng)在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面18上掃描激光，在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面18處選擇性地引導(dǎo)研磨液體射流(例如研磨水射流，即，其中分散有研磨顆粒的水)，以及，在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面18上執(zhí)行EDM操作。許多鉆孔技術(shù)可用于形成直區(qū)段26。例如，可使用激光鉆孔設(shè)備。對(duì)于特定構(gòu)造， 激光源產(chǎn)生至少一個(gè)脈沖激光束。這樣的系統(tǒng)在2009年5月5日提交的共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)序列No. 12/435，547 (Bunker等人)中被描述，其通過(guò)引用而被全部包括到本文中。 通常，脈沖激光束可具有小于大約50微秒的脈沖持續(xù)時(shí)間，單脈沖能量小于大約0. 1焦耳， 并且重復(fù)率大于大約1000赫茲。該系統(tǒng)還可包括多個(gè)其它元件，例如聯(lián)接至激光源的控制子系統(tǒng)，該激光源構(gòu)造成使基底的位置與脈沖持續(xù)時(shí)間和能量水平同步。當(dāng)通過(guò)施加于基底上的涂層來(lái)形成膜式冷卻孔和彎曲出口孔幾何形狀時(shí)，這樣的控制子系統(tǒng)是有利的。當(dāng)膜孔18的直區(qū)段沈通過(guò)激光鉆孔形成時(shí)，本發(fā)明是特別有用的。通常，使用高功率激光鉆孔(例如使用毫秒激光)使制造者相對(duì)于局部表面切線以高于預(yù)期的角度應(yīng)用膜孔。因此，帶有直表面的方面(如上文參照?qǐng)D1至圖4所述的那些)的孔具有特別高的噴射角并且因此相當(dāng)大的膜吹散。相對(duì)于常規(guī)直方面的激光鉆孔的冷卻孔，使用彎曲表面來(lái)限定沿流動(dòng)方向的膜孔的出口足跡(形狀)提供顯著改善的膜附著。此外，膜式冷卻孔18的直區(qū)段沈可使用EDM技術(shù)形成。EDM技術(shù)是本領(lǐng)域中公知的，并且在許多參考文獻(xiàn)(例如美國(guó)專利6，969，817 (Martin Kin-Fei Lee等))中被描述，該專利通過(guò)引用而被全部包括到本文中。該技術(shù)有時(shí)被稱為“EDM銑削”、“電火花加工” 或“電火花腐蝕”。通常，EDM可被用來(lái)通過(guò)一系列快速再現(xiàn)的電流放電在基底或工件中獲得所期望的形狀。放電發(fā)生于被電介質(zhì)液體分開(kāi)并經(jīng)受電壓的兩個(gè)電極之間。如上文所述，膜式冷卻孔可使用許多技術(shù)來(lái)漸縮，包括在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面 18上掃描激光，在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面18處選擇性地引導(dǎo)研磨液體射流，以及，在出口區(qū)20中在內(nèi)側(cè)表面18上執(zhí)行EDM操作。合適的激光鉆孔和EDM系統(tǒng)在上文中被描述，并且在前文提到的美國(guó)專利申請(qǐng)序列No. 12/790, 675中被更詳細(xì)地闡述，該申請(qǐng)還描述了水噴射工藝。如美國(guó)專利申請(qǐng)序列No. 12/790，675中所述，通常，水噴射工藝使用懸浮于高壓水流中的高速研磨顆粒流(例如，研磨“砂粒”)。水壓可較大地變化，但通常在大約5，000 至90，000磅/平方英寸(psi)的范圍內(nèi)?？墒褂迷S多研磨材料，例如石榴石、氧化鋁、碳化硅和玻璃珠。不同于在金屬上使用的一些其它切割工藝，水噴射工藝不涉及將基底加熱至任何顯著程度。因此，在基底表面上沒(méi)有“熱影響區(qū)域”形成，“熱影響區(qū)域”將另外不利地影響通道孔的預(yù)期出口幾何形狀。水噴射系統(tǒng)可包括多軸線計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)單元。該CNC系統(tǒng)是本領(lǐng)域中公知的，并且允許切割工具沿若干X、Y和Z軸以及旋轉(zhuǎn)軸線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖5、圖6和圖12中所示的示例性構(gòu)造，構(gòu)件壁部的第二表面16在彎曲出口區(qū)20附近是凸形的。對(duì)于特定布置，使膜式冷卻孔20漸縮的步驟還包括控制激光掃描、研磨液體射流或EDM操作，從而使得膜式冷卻孔18在給定點(diǎn)32處的局部曲率半徑R’根據(jù)公式(1)從過(guò)渡點(diǎn)28過(guò)渡至彎曲出口區(qū)20的終點(diǎn)30。對(duì)于圖8中所示的示例性構(gòu)造，構(gòu)件壁部的第二表面16在彎曲出口區(qū)20附近是凹形的。對(duì)于特定布置，使膜式冷卻孔20漸縮的步驟還包括控制激光掃描、研磨液體射流或EDM操作，從而使得從構(gòu)件外部(例如如圖8中所示的那樣)限定的膜式冷卻孔18在給定點(diǎn)32處的局部曲率半徑R’根據(jù)公式(1)從過(guò)渡點(diǎn)觀過(guò)渡至彎曲出口區(qū)20的終點(diǎn)30。除了其改善的冷卻效力之外，本發(fā)明的膜式冷卻孔相對(duì)于常規(guī)的直的方面冷卻孔而言提供額外的益處。為了減少膜吹散，常規(guī)膜孔在熱氣體通路構(gòu)件上的布置目前被翼形件曲率限制。即，常規(guī)膜孔通常位于帶有相對(duì)較低的翼形件彎曲的區(qū)域中以減少膜吹散。然而，通常期望在熱氣體通路構(gòu)件的高彎曲部分上包括膜式冷卻。有利的是，由于膜式冷卻孔 18的出口區(qū)與構(gòu)件(例如翼形件或端壁)的表面曲率一致，所以孔可位于高翼形件(或端壁)彎曲的區(qū)域中。盡管本文僅示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多變型和修改。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落入本發(fā)明的實(shí)際精神內(nèi)的所有這樣的變型和修改。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)件(10)，包括至少一個(gè)壁部(12)，所述至少一個(gè)壁部(1 包括第一表面(14)和第二表面(16)， 其中，至少一個(gè)膜式冷卻孔(18)在所述第一表面與所述第二表面(14，16)之間延伸穿過(guò)所述壁部(1 并且在所述構(gòu)件壁部(1 的第二表面(16)處具有出口區(qū)00)， 其中，所述構(gòu)件的第二表面(16)在所述出口區(qū)00)附近具有非平面曲率，并且其中，所述膜式冷卻孔(18)在所述出口區(qū)OO)處漸縮，從而使得所述膜式冷卻孔(18) 在所述出口區(qū)OO)中的曲率與所述構(gòu)件壁部(12)的第二表面(16)的非平面曲率一致，從而形成彎曲的出口區(qū)00)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述膜式冷卻孔(18)具有內(nèi)側(cè)表面 (22)和外側(cè)表面(24)，其中，所述構(gòu)件壁部的第二表面(16)在所述出口區(qū)OO)附近是凸形的， 其中，所述膜式冷卻孔(18)的內(nèi)側(cè)表面0 在所述出口區(qū)OO)處漸縮以形成所述彎曲出口區(qū)(20)，其中，所述膜式冷卻孔OO)包括直區(qū)段06)和所述彎曲出口區(qū)00)，其中，所述直區(qū)段06)與所述彎曲出口區(qū)OO)之間的過(guò)渡發(fā)生在過(guò)渡點(diǎn)08)處，并且其中，所述膜式冷卻孔(18)的局部曲率半徑R’在所述過(guò)渡點(diǎn)08)處開(kāi)始從無(wú)窮值過(guò)渡至所述構(gòu)件壁部(12)的第二表面(16)在所述出口區(qū)OO)中的非平面曲率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述膜式冷卻孔(18)具有內(nèi)側(cè)表面 (22)和外側(cè)表面(24)，其中，所述構(gòu)件壁部的第二表面(16)在所述出口區(qū)OO)附近是凹形的， 其中，所述膜式冷卻孔(18)的內(nèi)側(cè)表面0 在所述出口區(qū)OO)處漸縮以形成所述彎曲出口區(qū)(20)，其中，所述膜式冷卻孔(18)包括直區(qū)段06)和所述彎曲出口區(qū)00)，其中，所述直區(qū)段06)與所述彎曲出口區(qū)OO)之間的過(guò)渡發(fā)生在過(guò)渡點(diǎn)08)處，并且其中，所述膜式冷卻孔(18)的局部曲率半徑R’從所述構(gòu)件的外部限定，并且在所述過(guò)渡點(diǎn)08)處開(kāi)始從無(wú)窮值過(guò)渡到所述構(gòu)件壁部(12)的第二表面(16)在所述出口區(qū)OO) 中的非平面曲率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，多個(gè)膜式冷卻孔(18)在所述第一表面與所述第二表面(14，16)之間延伸穿過(guò)所述壁部(12)，其中每個(gè)所述膜式冷卻孔(18)在所述構(gòu)件壁部(12)的第二表面(16)處具有相應(yīng)的出口區(qū)00)，其中，所述構(gòu)件壁部(1 的第二表面(16)的非平面曲率R1A2在所述膜式冷卻孔的其中至少兩個(gè)出口區(qū)OO)的附近是不同的，并且其中，所述膜式冷卻孔(18)的其中至少兩個(gè)的相應(yīng)內(nèi)側(cè)表面0 不同地漸縮，從而使得相應(yīng)的膜式冷卻孔的曲率IV、R2’與相應(yīng)的彎曲出口區(qū)OO)內(nèi)的第二表面的相應(yīng)非平面曲率R1W2—致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，多個(gè)膜式冷卻孔(18)在所述第一表面(14)與所述第二表面(16)之間延伸穿過(guò)所述壁部(12)，其中每個(gè)所述膜式冷卻孔(18)在所述構(gòu)件壁部(12)的第二表面(16)處具有相應(yīng)的出口區(qū)00)， 其中，所述膜式冷卻孔(18)的內(nèi)側(cè)表面0 相同地漸縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述構(gòu)件壁部(12)包括金屬基底 (11)以及設(shè)置在所述金屬基底(11)的至少一部分上的至少一個(gè)保護(hù)涂層(13)，并且，其中，所述彎曲出口區(qū)OO)位于熱障涂層(13)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件(10)，其特征在于，所述構(gòu)件壁部(12)包括金屬基底 (11)以及設(shè)置在所述金屬基底(11)的至少一部分上的至少一個(gè)保護(hù)涂層(13)，其中，所述膜式冷卻孔OO)包括直區(qū)段(26)和所述彎曲出口區(qū)(20)，并且其中，所述直區(qū)段06)與所述彎曲出口區(qū)OO)之間的過(guò)渡發(fā)生在位于所述金屬基底 (11)中的過(guò)渡點(diǎn)08)處，從而使得所述彎曲出口區(qū)OO)延伸穿過(guò)所述熱障涂層(13)到所述金屬基底(11)中。
8.—種在構(gòu)件(10)中形成至少一個(gè)膜式冷卻孔(18)的方法，所述構(gòu)件(10)具有包括第一表面(14)和第二表面(16)的至少一個(gè)壁部(12)，其中，所述第二表面在所述膜式冷卻孔(18)的出口區(qū)OO)附近具有非平面曲率，所述方法包括在所述構(gòu)件壁部(1 中形成直區(qū)段(26)，從而使得所述直區(qū)段延伸穿過(guò)所述構(gòu)件壁部(12)的第一表面(14)；以及使所述膜式冷卻孔(18)漸縮，從而使得所述膜式冷卻孔(18)在所述出口區(qū)OO)中的曲率與所述構(gòu)件壁部(1 的第二表面(16)的非平面曲率一致，從而形成所述膜式冷卻孔 (18)的彎曲出口區(qū)(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成所述直區(qū)段06)的步驟包括對(duì)所述構(gòu)件壁部鉆孔，其中，所述膜式冷卻孔(18)具有內(nèi)側(cè)表面0 和外側(cè)表面04)，其中， 所述使所述膜式冷卻孔OO)漸縮的步驟包括下列至少一項(xiàng)在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)上掃描激光， 在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)處選擇性地引導(dǎo)研磨液體射流，以及在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)上執(zhí)行放電銑削(EDM)操作， 其中，所述構(gòu)件壁部的第二表面(16)在所述彎曲出口區(qū)OO)附近是凸形的，并且， 其中，所述使所述膜式冷卻孔OO)漸縮的步驟還包括控制所述激光掃描、研磨液體射流或 EDM操作，從而使得所述膜式冷卻孔(18)在給定點(diǎn)(32)處的局部曲率半徑R’根據(jù)公式R’ =FSfflax[R/(Sfflax-S)]從過(guò)渡點(diǎn)(28)過(guò)渡至所述彎曲出口區(qū)(20)的終點(diǎn)(30)，其中F為標(biāo)量調(diào)整系數(shù)，Smax為所述過(guò)渡點(diǎn)08)與所述終點(diǎn)(30)之間的表面距離，并且S為所述終點(diǎn) (30)與所述給定點(diǎn)(32)之間的距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成所述直區(qū)段06)的步驟包括對(duì)所述構(gòu)件壁部鉆孔，其中，所述膜式冷卻孔(18)具有內(nèi)側(cè)表面0 和外側(cè)表面(M)，并且，其中，所述使所述膜式冷卻孔OO)漸縮的步驟包括下列至少一項(xiàng)在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)上掃描激光， 在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)處選擇性地引導(dǎo)研磨液體射流，以及在所述出口區(qū)OO)中在所述內(nèi)側(cè)表面(18)上執(zhí)行放電銑削(EDM)操作， 其中，所述構(gòu)件壁部的第二表面(16)在所述彎曲出口區(qū)OO)附近是凹形的，并且， 其中，所述使所述膜式冷卻孔OO)漸縮的步驟還包括控制所述激光掃描、研磨液體射流或EDM操作，從而使得從所述構(gòu)件外部限定的所述膜式冷卻孔(18)在給定點(diǎn)(32)處的局部曲率半徑R’根據(jù)公式R’ = FSmax [R/(Smax-S)]從過(guò)渡點(diǎn)08)過(guò)渡至所述彎曲出口區(qū)OO)的終點(diǎn)(30)，其中F為標(biāo)量調(diào)整系數(shù)，^iax為所述過(guò)渡點(diǎn)08)與所述終點(diǎn)(30)之間的表面距離，并且S為所述終點(diǎn)(30)與所述給定點(diǎn)(32)之間的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有共形彎曲膜孔的構(gòu)件及制造方法。具體而言，提供了一種構(gòu)件(10)，并且該構(gòu)件(10)包括至少一個(gè)壁部(12)，壁部(12)包括第一表面和第二表面(14，16)。至少一個(gè)膜式冷卻孔(18)在第一表面與第二表面之間延伸穿過(guò)壁部并在第二表面處具有出口區(qū)(20)。第二表面在出口區(qū)附近具有非平面曲率。膜式冷卻孔在出口區(qū)處漸縮，使得膜式冷卻孔在出口區(qū)中的曲率與第二表面的非平面曲率一致，從而形成彎曲出口區(qū)。還提供了用于在構(gòu)件(10)中形成至少一個(gè)膜式冷卻孔(18)的方法。該方法包括在構(gòu)件壁部(12)中形成直區(qū)段(26)，使得直區(qū)段延伸穿過(guò)第一表面(14)并使膜式冷卻孔漸縮，使得膜式冷卻孔在出口區(qū)中的曲率與第二表面(16)的非平面曲率一致，從而形成膜式冷卻孔的彎曲出口區(qū)。
文檔編號(hào)F02C7/12GK102434287SQ20111026845
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者R·S·班克 申請(qǐng)人:通用電氣公司