專利名稱：用于制造熱氣路徑構件和熱氣路徑渦輪構件的方法
技術領域：
本文公開的主題涉及渦輪機。更具體而言，該主題涉及渦輪的熱氣路徑構件中的冷卻通路。
背景技術：
在渦輪中，燃燒器將燃料或空氣-燃料混合物的化學能轉化成熱能。熱能被流體(常常是來自壓縮機的壓縮空氣)傳送到渦輪，在渦輪中，熱能轉化成機械能。作為轉化過程的一部分，熱氣在渦輪的一些部分上面流動且流過這些部分。沿著熱氣路徑的高溫可加熱渦輪構件，從而導致構件退化。通過鑄造而在構件中形成冷卻通道可限制通道到待冷卻的構件的表面的接近度。因此，冷卻通道的有效性受到限制，從而增大沿著熱氣路徑的渦輪 構件所經(jīng)歷的熱應力。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于制造渦輪的熱氣路徑構件的方法，該方法包括在部件的表面中形成冷卻通道。該方法還包括在部件的表面上設置層，以封閉冷卻通道，層設置在待冷卻的部件的一部分上；以及將層結合到表面上，其中，結合包括加熱部件和層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種熱氣路徑渦輪構件，該構件包括部件，其具有形成于部件的表面中的冷卻通道。該構件還包括設置在部件的表面上以封閉冷卻通道的層，其中，層的厚度小于大約0. 8mm,以及其中，通過加熱部件和層來將層結合到表面上。根據(jù)結合附圖得到的以下描述，這些和其它優(yōu)點與特征將變得更加顯而易見。


在說明書的結論處的權利要求中特別指出和明確聲明了被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)結合附圖得到的以下詳細描述，本發(fā)明的前述和其它特征與優(yōu)點是顯而易見的，其中圖I是渦輪機系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖2是待置于燃氣輪機中的示例性熱氣路徑構件的示意性側視圖；圖3是待置于燃氣輪機中的熱氣路徑構件的一個實施例的透視圖；圖4是待置于燃氣輪機中的熱氣路徑構件的另一個透視圖；以及圖5是待置于燃氣輪機中的示例性熱氣路徑構件的又一個示意性側視圖。詳細描述以參照附圖的實例的方式來闡明本發(fā)明的實施例，以及優(yōu)點和特征。部件列表100燃氣輪機系統(tǒng)102壓縮機104燃燒器106 渦輪
108 軸110燃料噴嘴112燃料供應200熱氣路徑構件202 部件204 表面206 通道
208 層210填料材料212夾持裝置214 區(qū)域216 距離300 護罩302 部件304 表面306 表面308 通道310 孔312流體供應314 密封槽ロ316 表面402 層404填料材料500熱氣路徑構件502 部件504 表面506 通道508 層510填料材料512夾持裝置514 區(qū)域516 距離
具體實施例方式圖I是渦輪機系統(tǒng)(例如燃氣輪機系統(tǒng)100)的一個實施例的示意圖。系統(tǒng)100包括壓縮機102、燃燒器104、渦輪106、軸108和燃料噴嘴110。在一個實施例中，系統(tǒng)100可包括多個壓縮機102、燃燒器104、渦輪106、軸108和燃料噴嘴110。壓縮機102和渦輪106通過軸108來聯(lián)接。軸108可為單個軸或聯(lián)接在一起而形成軸108的多個軸節(jié)段。在一方面，燃燒器104使用液體和/或氣體燃料(例如天然氣或富含氫的合成氣體)來運行發(fā)動機。例如，燃料噴嘴Iio與空氣供應和燃料供應112處于流體連通。燃料噴嘴110產生空氣-燃料混合物，并且將空氣-燃料混合物排到燃燒器104中，從而導致燃燒，燃燒會產生熱的加壓排氣。燃燒器100引導熱的加壓氣體通過過渡件而進入渦輪噴嘴(或“ー級噴嘴”)和其它級輪葉和噴嘴中，從而導致渦輪106旋轉。渦輪106的旋轉使軸108旋轉，從而在空氣流到壓縮機102中時壓縮空氣。在一個實施例中，熱氣路徑構件(包括(但不限干)護罩、隔板、噴嘴、輪葉和過渡件)位于渦輪106中，在渦輪106中，流過構件的熱氣導致渦輪零件有蠕變、氧化、磨損和熱疲勞?？刂茻釟饴窂綐嫾臏囟瓤蓽p少構件中的損壞模式。燃氣輪機的效率隨著渦輪系統(tǒng)100中的燃燒溫度的提高而提高。在燃燒溫度提高吋，需要恰當?shù)乩鋮s熱氣路徑構件，以滿足使用壽命。在下面參照圖2-5詳細地論述了具有用于冷卻熱氣路徑附近的區(qū)域的改進的布置的構件和制造這樣的構件的方法。雖然以下論述主要集中在燃氣輪機上，但是所論述的概念不限于燃氣輪機。圖2是示例性熱氣路徑構件200的示意性側視圖。熱氣路徑構件200具有改進沿著熱氣路徑的冷卻的布置，其中，使用銅焊或其它適當?shù)磨ㄋ噥硇纬蔁釟饴窂綐嫾?00。熱氣路徑構件200包括具有表面204的部件202，其中，在表面204中形成一個或多個通道 206。熱氣路徑構件200還包括層208，層208具有設置在層208和部件202之間的填料材料210。在組裝過程期間，通過夾持裝置212將熱氣路徑構件200的零件保持在一起。用于熱氣路徑構件200的示例性制造エ藝包括以下步驟。通過適當?shù)姆椒?例如銑削)來在部件202中形成通道206。然后將填料材料210置于部件202的表面204上。將層208置于填料材料210和表面204上，從而封閉通道206。在一個實施例中，夾持裝置212構造成在加熱循環(huán)(例如在銅焊エ藝中使用的那些)期間擠壓層208和部件202且將它們保持在一起。因而，在組裝好時，銅焊エ藝將部件202、填料材料210和層208加熱到選定的溫度達選定量的時間，其中，選定的溫度在填料材料210的熔點之上且在部件202和層208的熔點之下。用于銅焊的示例性加熱循環(huán)包括將熱氣路徑構件加熱到介于大約1800華氏度和大約2175華氏度之間的溫度達大約10分鐘。在一些實施例中，加熱循環(huán)高于大約2125華氏度。加熱エ藝熔化示例性填料材料404，示例性填料材料404可包括包含硼、硅和鎳的化合物(例如BNi-2、BNi-3、BNi-5)。用于部件202和層208的示例性材料包括諸如鎳基和鈷基超合金的合金。在加熱循環(huán)之后，然后冷卻熱氣路徑構件200，從而通過經(jīng)硬化的填料材料210而在部件202和層208之間形成結合?？蛇x地使用夾持裝置212來阻止熱氣路徑構件200的部分在加熱和冷卻循環(huán)期間分離(“成薯片狀(potato chipping)”)。在組裝和銅焊エ藝之后，熱氣路徑構件200構造成引導冷卻流體通過通道206，以在熱氣在渦輪運行期間沿著區(qū)域214傳送時冷卻熱氣路徑構件200。通過對層208進行銅焊，在冷卻通道206和待冷卻的區(qū)域214之間提供較小的距離216。在一個實施例中，填料材料210是施用到表面210上的箔層或糊料，其中，填料材料210在其被加熱和冷卻時提供結合。在實施例中，部件202、表面204和層208被彎曲，從而使得能夠冷卻示例性熱氣路徑構件200的彎曲表面。還構想了其它形狀或表面，例如扭曲的或波浪形的表面。示例性的彎曲熱氣路徑構件200沿著渦輪的熱氣路徑包括輪葉、噴嘴或其它彎曲部件。用于制造熱氣路徑構件200的所描繪的布置和方法為構件提供改進的冷卻，從而減少蠕變、氧化和熱疲勞，同時改進渦輪的性能。
圖3是待置于燃氣輪機100中的熱氣路徑構件的一個實施例的透視圖。如所描繪的那樣，示例性熱氣路徑構件是ー級護罩300的一個實施例。護罩300包括在渦輪100的熱氣路徑的附近具有表面304的部件302。護罩300還包括在渦輪100中的冷卻流體和/或空氣的附近的表面306。為了改進部件302的冷卻，在表面304中形成一個或多個通道308，其中，通道308構造成通過使冷卻流體流動來冷卻表面304。冷卻流體通過孔310而流到通道308。流體供應312 (例如室和/或泵)提供冷卻流體，冷卻流體可包括空氣、水溶液和/或氣體。護罩300構造成通過待置于交接表面316中的密封槽ロ 314中的密封件來與類似的附近的護罩交接。在一個實施例中，密封件和連結的交接表面316減少冷卻空氣從表面306泄漏到熱氣路徑中，從而提供高溫熱氣來在渦輪100內部從熱能轉化成機械能。如關于圖4將詳細地描述的那樣，通道308由層覆蓋，以形成基本齊平的表面304，以及封閉通道308。如所描繪的那樣，通道308構造成控制表面304的溫度。冷卻流體從流體供應312流過孔310而進入通道308中，其中，通道308相對于表面304的接近度和構造為護罩300 提供改進的冷卻。在實施例中，在熱氣流徑的附近在渦輪構件中形成冷卻通道308。沿著熱氣路徑的示例性渦輪構件包括(但不限干)護罩、噴嘴、輪葉和隔板。例如，在噴嘴組件的側壁的表面中形成通道308，其中，通道構造成冷卻側壁，以降低噴嘴組件的熱疲勞。可通過任何適當?shù)姆椒?例如在部件302的形成期間通過熔模鑄造)來在部件302中形成通道308。用以形成通道308的另ー種示例性技術包括在部件302已經(jīng)形成之后，從部件302上移除材料。移除材料來形成通道308可包括任何適當?shù)姆椒?，例如通過使用水射流、銑削機、激光、放電加工、它們的任何組合或其它適當?shù)募庸せ蛭g刻エ藝。如所描繪的那樣，冷卻通道308為U形構造(當視線垂直于表面304時)，但是，通道308可形成為用于冷卻的任何適當?shù)臉嬙?，包括S形、O形、Z形或其它適當?shù)臉嬙?。通過使用材料移除エ藝，基于構件幾何結構和其它對于應用專有的因素，可使用復雜和錯綜的型式來形成通道308，從而改進熱氣路徑構件的冷卻能力。另外，可在部件302中形成任何數(shù)量的通道308，這取決于期望的冷卻性能和其它系統(tǒng)約束。在實施例中，冷卻流體是冷卻渦輪構件和選定的氣體流區(qū)域(例如護罩300的高溫和高壓區(qū)域)的任何適當?shù)牧黧w。例如，冷卻流體供應312是來自壓縮機102的壓縮空氣供應，其中，壓縮空氣被從路由到燃燒器的空氣供應轉移。因而，壓縮空氣的供應會繞過燃燒器104，并且被用來冷卻護罩300。因此，通過改進渦輪構件和構件附近的區(qū)域的冷卻，通道308的改進的布置會減少用來進行冷卻的壓縮空氣的量。因此，提高的量的壓縮空氣被引導到燃燒器106，以轉化成機械輸出來改進渦輪100的整體性能和效率，同時通過降低熱疲勞來延長渦輪構件的壽命。另外，護罩300和通道308的公開的布置沿著表面304提供較均勻的溫度分布。在各方面，渦輪構件或零件(包括護罩300)由不銹鋼或合金形成，其中如果在發(fā)動機運行中未受恰當?shù)睦鋮s，零件可經(jīng)歷蠕變、氧化和熱疲勞。圖4是護罩300的另ー個透視圖。如所描繪的那樣，護罩300包括設置在表面304中的通道308上的層402 (也稱為“外皮層” “蓋部件”或“蓋件”)，從而封閉通道308。在一個實施例中，在部件302中形成通道308之后，將層402聯(lián)接到表面304上。因而，封閉的通道308為護罩300提供改進的冷卻和降低的熱疲勞。在所描繪的實施例中，層402是適當?shù)臉嬙?，例如示例性U形部件。層402可由與護罩300相同或不同的材料形成。用于層402的示例性材料包括合金，例如鎳基或鈷基超合金。另外，層402可為用以覆蓋和封閉通道308的任何適當?shù)膸缀谓Y構或構造。層402還可包括構造成封閉和/或覆蓋通道308的ー個或多個部件。通過適當?shù)慕Y合方法(例如銅焊、線性摩擦焊接和擴散結合)來將層402聯(lián)接到表面304和部件302上。例如，通過在層和表面304之間設置銅焊箔填料材料404來將層402銅焊到表面304上。然后將填料材料404、部件302和層402加熱到選定的溫度，其中，填料材料404被熔化。然后使填料材料404、部件302和層300冷卻，以結合層402和部件302?？芍貜瓦M行加熱和冷卻エ藝，以在選定的溫度下提供加熱循環(huán)來結合零件。銅焊エ藝將零件加熱到填料材料404的熔化溫度，其中，該溫度在層402和部件302的熔點之下。繼續(xù)參照圖4，示出的層300具有小于大約I. 5mm的厚度400，以提供離表面304小大約I. 5mm的冷卻通道308。在實施例中，厚度400小于大約I. 2mm。在其它實施例中，厚度400小于大約2. 5mm。在實施例中，厚度400小于大約O. 8mm。在另外的其它實施例中，厚度400在大約O. 4mm至大約O. 6_的范圍中。通過提供較薄的層300來覆蓋和封裝通道 308，護罩300的改進的冷卻延長了熱氣路徑構件的壽命。在一個實施例中，使層402形成為配合部件302中的用于通道308的開ロ，其中，層402不必移除突起部分。因而，如上面描述的那樣，通過銅焊或另ー種適當?shù)姆椒▉韺?02設置在表面304上且聯(lián)接到該表面304上，并且層402為表面304提供基本均勻的輪廓。圖5是另ー個示例性熱氣路徑構件500的示意性側視圖。熱氣路徑構件500包括具有表面504的部件502，其中，將填料材料510置于表面504和層508之間。在層508的表面507中形成通道506。在一個實施例中，層508小于大約2. 5mm厚。在組裝過程期間，熱氣路徑構件500的零件被夾持裝置512保持在一起。用于熱氣路徑構件500的示例性銅焊エ藝包括以下步驟。通過適當?shù)姆椒?例如銑削)來在層508中形成通道506。另外，冷卻孔518由適當?shù)姆椒?例如鉆削)形成。然后將填料材料510置于層508的表面507上。將填料材料510置于表面504上，以及然后將層508置于部件502上，從而封閉通道506。將部件502、填料材料510和層508加熱到選定的溫度達選擇量的時間，其中，選定的溫度在填料材料510的熔點之上且在部件502和層508的熔點之下。在加熱循環(huán)之后，熱氣路徑構件500然后被冷卻，從而通過經(jīng)硬化的填料材料510來在部件502和層508之間形成結合。在一個實施例中，通道506距渦輪系統(tǒng)中的熱氣路徑區(qū)域514具有較小的距離516，從而改進冷卻，以及通過改進的冷卻效率來減少熱氣路徑構件500的蠕變、氧化和熱疲勞。在完成銅焊エ藝之后，可在構件表面上鉆出冷卻孔，以及還使用熱噴涂エ藝或其它涂覆エ藝來對構件表面進行涂覆。有時對燃氣輪機中的熱氣路徑構件涂覆McrAlY (金屬)結合涂層和/或隔熱涂層(陶瓷)表面涂層。也在熱氣路徑構件中鉆出冷卻孔，以提供薄膜冷卻流體/空氣來冷卻零件和涂層。在實施例中，在對渦輪系統(tǒng)進行維護之后，如有必要，對零件進行檢查、修理，以及使其重新工作。修理典型地包括剝去涂層、檢查、焊接或銅焊，以修理諸如裂紋或材料損耗的缺陷。然后對零件進行涂覆和熱處理。在經(jīng)修理的構件上重新開出和/或加工出冷卻孔可為困難和繁重的過程。在圖5中顯示的實施例中，層508具有冷卻孔518和涂層，在將層508銅焊到構件500上之前，可對層508進行鉆削和/或涂覆，從而簡化修理過程。在一個實施例中，可對維護運行構件進行改良，以移除在局部受到熱損傷的區(qū)域或“熱點”。在沒有組裝構件時，可加工出冷卻通道，并且可銅焊/結合層508，以形成護罩500或其它熱氣路徑構件。在將層508銅焊/結合到構件上之前，可將層508鉆出冷卻孔，并且還可用金屬和陶瓷涂層來涂覆層508。應當注意，可在用于構件500的制造或修理過程期間使用這個布置和方法。雖然結合了僅有限數(shù)量的實施例來詳細描述本發(fā)明，但是應當容易地理解，本發(fā)明不限于這樣公開的實施例。相反，可對本發(fā)明進行改良，以結合此前未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相當?shù)娜魏螖?shù)量的變型、改變、替代或等效布置。另外，雖然描述了本發(fā)明的多種實施例，但是要理解，本發(fā)明的各方面可包括所描述的實施例中的僅ー些。因此，本發(fā)明不應視為由前述描述限制，而是僅由所附權利要求的范圍限 制。
權利要求
1.一種用于制造渦輪(100)的熱氣路徑構件(200，300)的方法，所述方法包括 在部件(202，302)的表面中形成冷卻通道(206，308)；在所述部件(202，302)的所述表面(204，304)上設置層(208，402)，以封閉所述冷卻通道(206，308)，所述層(208，402)設置在待冷卻的所述部件(202，302)的一部分上；以及將所述層(208，402)結合到所述表面(204，304)上，其中，結合包括加熱所述部件(202.302)和所述層(208，402)。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，結合所述層(208，402)包括在所述層(208.402)和所述表面(204，304)之間設置銅焊填料金屬，并且將所述層(208，402)、所述部件(202，302)和所述銅焊填料金屬加熱到選定的溫度。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述選定的溫度包括高于大約1800華氏度的溫度。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述銅焊填料材料包括金屬箔。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，形成冷卻通道(206，308)包括在所述部件(202.302)中加工或熔模鑄造出所述冷卻通道(206，308)。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，設置所述層(208，402)包括設置具有小于大約0.8mm的厚度(216)的所述層(208，402)。
7.一種熱氣路徑渦輪構件，所述構件包括 部件(202，302)，其具有形成于所述部件(202，302)的表面(204，304)中的冷卻通道(206,308);以及 設置在所述部件(202，302)的所述表面(204，304)上以封閉所述冷卻通道(206，308)的層(208，402)，其中，所述層(208，402)的厚度(216)小于大約0. 8mm，以及其中，通過加熱所述部件(202，302)和所述層(208，402)來將所述層(208，402)結合到所述表面(204，304)上。
8.根據(jù)權利要求7所述的構件，其特征在于，所述構件包括設置在所述層(208，402)和所述表面(204，304)之間的銅焊填料金屬。
9.根據(jù)權利要求8所述的構件，其特征在于，所述銅焊填料金屬、部件(202，302)和層(208.402)被加熱到高于大約2125華氏度的溫度。
10.根據(jù)權利要求7所述的構件，其特征在于，所述冷卻通道(206，308)由選自由下者組成的組的一個形成在所述部件(202，302)中熔模鑄造出所述冷卻通道(206，308)、在所述部件(202，302)中加工出所述冷卻通道(206，308)以及通過使用水射流。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造熱氣路徑構件和熱氣路徑渦輪構件的方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種制造渦輪的熱氣路徑構件方法，該方法包括在部件的表面中形成冷卻通道。該方法還包括在部件的表面上設置層，以封閉冷卻通道，該層設置在待冷卻的部件的一部分上；以及將該層結合到表面上，其中，結合包括加熱部件和層。
文檔編號F01D25/12GK102678198SQ20121007159
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2011年3月7日
發(fā)明者B·L·托利森, B·P·萊西, D·V·巴奇, K·B·莫里, P·T·沃爾什, S·C·科蒂林加姆 申請人:通用電氣公司