專利名稱：用于調(diào)節(jié)在主動冷卻的構(gòu)件內(nèi)的冷卻劑消耗的方法和構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于調(diào)節(jié)在主動冷卻的構(gòu)件內(nèi)的冷卻劑消耗的方法和構(gòu)件。
背景技術(shù)：
在高溫中使用的構(gòu)件，例如在燃?xì)廨啓C中的渦輪葉片，具有主動冷卻器，其中冷卻劑被引入到內(nèi)部中并且通過冷卻劑通道流經(jīng)渦輪葉片，并且必要時從薄膜冷卻孔中流出。在此重要的是，不過強地冷卻渦輪葉片，因為由此大大提高了冷卻劑消耗，這會降低渦輪的效率，因為冷卻空氣主要取自壓縮機。因此重要的是，通過最佳地調(diào)節(jié)通流率來調(diào)節(jié)冷卻劑消耗。

發(fā)明內(nèi)容
通過ー種用于調(diào)節(jié)在空心構(gòu)件內(nèi)的介質(zhì)的流量的方法，所述構(gòu)件在內(nèi)部具有至少一個帶有不同的區(qū)域的通道，所述區(qū)域具有不同的流動橫截面，其中，在帶有較小的流動橫截面的所述區(qū)域中，通過第一擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較大的壁增厚，并且在帶有較大的流動橫截面的區(qū)域中，尤其通過不同于所述第一擴散覆層過程的第二擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較小的壁增厚，以及ー種空心構(gòu)件來實現(xiàn)該目的，所述空心構(gòu)件尤其根據(jù)上述方法制造，所述空心構(gòu)件在內(nèi)部覆鋁并且在所述內(nèi)部中具有帶有不同的覆鋁的層厚度的區(qū)域。在下文中列出了其他有利措施，這些有利措施可以任意彼此組合，以實現(xiàn)另外的優(yōu)點。


附圖示出圖1、2、3示出了本發(fā)明的示意圖；圖4示出了渦輪葉片；圖5示出了燃?xì)廨啓C；圖6不出了超合金列表。附圖和描述僅代表本發(fā)明的實施例。
具體實施例方式在圖I中示意地示出空心構(gòu)件I的內(nèi)部通道10的至少一部分。通道10尤其是冷卻通道10，并且劃分成不同的區(qū)域，在此優(yōu)選劃分成兩個區(qū)域4和7，所述兩個區(qū)域初始在入口 9處具有比在出口 11處更大的橫截面。相應(yīng)地，存在帶有不同流動橫截面的區(qū)域4、7。區(qū)域4、7不必須位于入口 9或出口 11處。在渦輪葉片中，入口 9優(yōu)選位于根部400(圖4)的區(qū)域中并且出11優(yōu)選位于流出棱邊412(圖4)的區(qū)域中。構(gòu)件1、120、130可以具有多個冷卻通道或者具有兩個以上的區(qū)域。本發(fā)明提出，不同的區(qū)域4、7設(shè)有擴散覆層，這導(dǎo)致冷卻通道10的在不同區(qū)域4、7上的貫通孔增厚，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻通道10的在不同區(qū)域4、7上的貫通孔變窄。對此，圖2示出了第一方法。在此，通過第一擴散覆層過程借助第一覆層材料16僅在帶有較小橫截面的第一區(qū)域7中產(chǎn)生擴散覆層22，所述擴散覆層導(dǎo)致壁增厚(+T)。在第二步驟中，在第一區(qū)域7和第二區(qū)域4中施加另ー覆層材料13，以便同樣在區(qū)域4中產(chǎn)生擴散覆層，所述第二步驟導(dǎo)致在第二區(qū)域4中的第二擴散覆層19。尤其由于基于另ー覆層材料16的另ー覆層過程而在帶有較小橫截面的區(qū)域7中形成比在第一擴散覆層過程中更大的壁增厚。由此，也還改變層區(qū)域22并且形成更厚的層區(qū)域22’。材料16可以相當(dāng)于或不同于第二覆層過程的材料13。擴散覆層19和22’優(yōu)選形成連續(xù)的擴散覆層25。對于區(qū)域4、7，這優(yōu)選是滲鋁過程，所述滲鋁過程對于帶有較大橫截面的區(qū)域4優(yōu)選使用NiAl用于擴散覆層過程和/或?qū)τ趲в休^小橫截面的區(qū)域7使用Ni2Al3用于擴散覆層，其中Ni2Al3的活化溫度較低。 如在圖3中示出，也可以同時應(yīng)用這兩個覆層過程。覆層材料16存在于帶有較小橫截面的區(qū)域7中。覆層材料13存在于帶有較大橫截面的區(qū)域4中。優(yōu)選的是，材料13還存在于材料16之上。在此，優(yōu)選首先將溫度提高到用于第一擴散覆層過程的溫度，并且然后直接提高到第二擴散覆層過程的溫度。擴散覆層19和22優(yōu)選形成連續(xù)的擴散覆層25。優(yōu)選將渦輪葉片120、130的整個內(nèi)部區(qū)域覆層，尤其是覆鋁。圖5以局部縱剖面圖舉例地示出燃?xì)廨啓C100。燃?xì)廨啓C100在內(nèi)部具有帶有軸的、可圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102轉(zhuǎn)動地安裝的轉(zhuǎn)子103，該轉(zhuǎn)子也稱為渦輪機電樞。沿著轉(zhuǎn)子103依次為進(jìn)氣殼體104、壓縮機105、帶有多個同軸設(shè)置的燃燒器107的尤其為環(huán)形燃燒室的例如環(huán)面狀的燃燒室110、渦輪機108和排氣殼體109。環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)型的熱氣體通道111連通。在環(huán)型的熱氣體通道111中例如四個相繼連接的渦輪級112形成渦輪機108。每個渦輪級112例如由兩個葉片環(huán)形成。沿エ質(zhì)113的流動方向觀察，在熱氣體通道111中，由轉(zhuǎn)子葉片120形成的排125跟隨導(dǎo)向葉片排115。在此，導(dǎo)向葉片130固定在定子143的內(nèi)殼體138上，而該排125的轉(zhuǎn)子葉片120例如借助渦輪盤133安裝在轉(zhuǎn)子103上。發(fā)電機或者做功機械(未示出)耦接于轉(zhuǎn)子103。在燃?xì)廨啓C100工作期間，壓縮機105通過進(jìn)氣殼體104將空氣135吸入并且壓縮。在壓縮機105的渦輪側(cè)端部處提供的壓縮空氣被引至燃燒器107并且在那里與燃料混合。接著混合物在燃燒室110中燃燒，從而形成エ質(zhì)113。エ質(zhì)113從那里起沿著熱氣體通道111流過導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120。エ質(zhì)113在轉(zhuǎn)子葉片120處以傳遞動量的方式膨脹，使得轉(zhuǎn)子葉片120驅(qū)動轉(zhuǎn)子103而該轉(zhuǎn)子又驅(qū)動耦接在其上的做功機械。暴露于熱エ質(zhì)113的構(gòu)件在燃?xì)廨啓C100工作期間承受熱負(fù)荷。除了內(nèi)襯于環(huán)形燃燒室Iio的熱屏蔽元件之外，沿エ質(zhì)113的流動方向觀察的第一渦輪機級112的導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120承受最高的熱負(fù)荷。為了經(jīng)受住那里存在的溫度，第一渦輪機級的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片可借助冷卻劑來冷卻。同樣，構(gòu)件的基質(zhì)可以具有定向結(jié)構(gòu)，這就是說它們是單晶的(SX結(jié)構(gòu))或僅具有縱向定向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。例如，鐵基、鎮(zhèn)基或鉆基超 合金用作構(gòu)件的材料，特別是用作渦輪葉片120、130和燃燒室110的構(gòu)件的材料。例如由EP I 204 776 BUEP I 306 454、EP I 319 729 AUffO 99/67435 或 WO 00/44949 公知這樣的超合金。導(dǎo)向葉片130具有朝向渦輪機108的內(nèi)殼體138的導(dǎo)向葉片根部(這里未示出)，以及與導(dǎo)向葉片根部相對置的導(dǎo)向葉片頭部。導(dǎo)向葉片頭部朝向轉(zhuǎn)子103并固定在定子143的固定環(huán)140處。圖4在立體圖中示出流體機械的沿著縱軸線121延伸的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片130。所述流體機械可以是飛機的或用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機或壓縮機。葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有固定區(qū)域400·、鄰接于固定區(qū)域的葉片平臺403以及葉身406和葉片梢部415。作為導(dǎo)向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415處具有另一平臺(未示出)。在固定區(qū)域400中形成有用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸或盤上的葉片根部183(未示出)。葉片根部183例如構(gòu)成為錘頭。作為揪樹形根部或燕尾形根部的其他構(gòu)形是可行的。葉片120、130對于流過葉身406的介質(zhì)具有迎流棱邊409和流出棱邊412。在傳統(tǒng)葉片120、130中，葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中使用例如實心的金屬材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776 BI、EP I 306 454、EP I 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949公知這樣的超合金。在這種情況下，葉片120、130可以通過鑄造法，也可以借助定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或其組合來制造。 將帶有一個單晶結(jié)構(gòu)或多個單晶結(jié)構(gòu)的エ件用作用于在運行中承受高的機械的、熱的和/或化學(xué)的負(fù)荷的機器的構(gòu)件。這種單晶エ件的制造例如通過由熔融物的定向凝固來進(jìn)行。在此，這涉及一種澆注法，其中液態(tài)金屬合金凝固為單晶構(gòu)造物、即單晶エ件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ?，并且形成柱狀晶體的晶粒結(jié)構(gòu)(柱狀地，這就是說在エ件的整個長度上分布的晶粒，并且在此根據(jù)一般的語言習(xí)慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結(jié)構(gòu)，這就是說整個エ件由唯一的晶體構(gòu)成。在這些方法中，必須避免過渡成球形(多晶的)凝固，因為通過非定向的生長不可避免地構(gòu)成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構(gòu)件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶和確實具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。第二種所提到的晶體結(jié)構(gòu)也稱為定向凝固組織。由US-PS6，024，792和EP O 892 090 Al公知這樣的方法。葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX ；M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少ー種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少ー種稀土元素，或鉿(Hf))。可由 EP O 486 489 BI、EP O 786 017 BI、EP O 412 397 BI 或 EPI 306454 Al公知這樣的合金。密度優(yōu)選地是理論密度的95%。在MCrAlX層上形成保護性氧化招層(TGO = thermal grown oxide layer (熱生長氧化層))(作為中間層或最外層)。優(yōu)選地，層成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y_0.7Si 或Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除這些鈷基保護覆層タト，也優(yōu)選地使用鎳基保護層，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 Ni-12Co_2ICr-11A1-0. 4Y_2Re 或Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層優(yōu)選是最外層并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，即，隔熱層由于氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a(chǎn)生柱狀晶粒。其他覆層方法也是可以考慮的，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS(低壓等離子噴涂)、VPS(真空等離子噴涂)或CVD(化學(xué)氣相電積)。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用于更好地耐熱沖擊。因此，隔熱層優(yōu)選地比MCrAlX層更為多孔。葉片120、130可以構(gòu)成空心的或?qū)嵭牡?。如?要冷卻葉片120、130，則葉片為空心的并且必要時還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。
權(quán)利要求
1.用于調(diào)節(jié)在空心構(gòu)件(1、120、130)內(nèi)的介質(zhì)的流量的方法， 所述構(gòu)件在內(nèi)部具有至少ー個帶有不同的區(qū)域(4、7)的通道(10)， 所述區(qū)域(4、7)具有不同的流動橫截面，其中，在帶有較小的流動橫截面的所述區(qū)域(7)中，通過第一擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較大的壁增厚，并且在帶有較大的流動橫截面的區(qū)域(4)中，尤其通過不同于所述第一擴散覆層過程的第二擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較小的壁增厚。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法， 其中，對于擴散覆層使用滲鋁過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法， 其中，對于所述擴散覆層過程，尤其對于所述滲鋁過程使用兩種不同的覆層材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其中，對于所述第一擴散覆層過程使用Ni2Al3(16)作為鋁源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法， 其中，對于所述第二擴散覆層過程使用NiAl (13)作為鋁源。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，依次執(zhí)行不同的擴散過程。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，同時地執(zhí)行所述不同的擴散過程。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，對于所述擴散覆層過程使用不同的覆層材料，并且， 其中，將ー種覆層材料(13)施加到另ー種覆層材料(16)之上。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，將首先覆鋁的區(qū)域再次覆鋁。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，所述覆層材料具有不同的活化能，并且， 其中，首先對于所述ー種覆層材料使用較低的溫度，并且然后對所述另ー種覆層材料使用較高的溫度。
11.空心構(gòu)件， 所述空心構(gòu)件尤其根據(jù)上述權(quán)利要求I至10中的一個或多個所述的方法制造， 所述空心構(gòu)件在內(nèi)部覆鋁并且在所述內(nèi)部中具有帶有不同的覆鋁的層厚度的區(qū)域(4、7)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的構(gòu)件， 所述構(gòu)件在帶有較大流動橫截面的所述區(qū)域(4)中具有覆鋁的較小的層厚度，尤其是從20 μ m至60 μ m的層厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的構(gòu)件， 所述構(gòu)件在帶有較小流動橫截面的區(qū)域(7)中具有覆鋁的較大的層厚度，尤其是從.60 μ m至120 μ m的層厚度，更尤其是從80 μ m至100 μ m的層厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)在主動冷卻的構(gòu)件內(nèi)的冷卻劑消耗的方法和構(gòu)件。本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)在空心構(gòu)件(1、120、130)內(nèi)的介質(zhì)的流量的方法，所述構(gòu)件在內(nèi)部具有至少一個帶有不同的區(qū)域(4、7)的通道(10)，所述區(qū)域(4、7)具有不同的流動橫截面，其中，在帶有較小的流動橫截面的所述區(qū)域(7)中，通過第一擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較大的壁增厚，并且在帶有較大的流動橫截面的區(qū)域(4)中，尤其通過不同于所述第一擴散覆層過程的第二擴散覆層過程來調(diào)節(jié)較小的壁增厚。此外，本發(fā)明還涉及一種尤其根據(jù)上述方法制造的空心構(gòu)件，所述空心構(gòu)件在內(nèi)部覆鋁并且在所述內(nèi)部中具有帶有不同的覆鋁的層厚度的區(qū)域(4、7)。
文檔編號F01D5/18GK102720544SQ20121001478
公開日2012年10月10日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者克努特·哈爾貝斯塔特, 克里斯蒂安·勒納, 法蒂·艾哈邁德 申請人:西門子公司