本發(fā)明是在能源部授予的合同號DE-FC26-05NT42643下利用政府支持作出的。政府擁有本發(fā)明中的一定權利。

技術領域

本發(fā)明針對一種制品、構件及形成制品的方法。更具體而言，本發(fā)明針對一種冷卻制品、包括冷卻制品的冷卻構件，以及形成冷卻制品的方法。

背景技術：

渦輪系統(tǒng)在不斷改造以提高效率和降低成本。提高渦輪系統(tǒng)的效率的一種方法包括升高渦輪系統(tǒng)的操作溫度。為了升高溫度，渦輪系統(tǒng)必須由可在持續(xù)使用期間經(jīng)得起此溫度的材料構建。

除改變構件材料和涂層之外，提高渦輪構件的溫度能力的常用方法包括使用冷卻特征。例如，一種冷卻特征包括具有形成在其中的孔口的沖擊部件。沖擊部件引導冷卻流體穿過孔口且朝預期待冷卻的表面引導冷卻流體。然而，一旦冷卻流體流出孔口，特別是在沖擊部件與待冷卻的表面之間的交叉流存在的情況下，通常難以控制冷卻流體流。此外，各種構件大體上包括可能難以利用來自沖擊部件的冷卻流體流到達的部分。

為了確保構件的充分冷卻，增加量的冷卻流體通常穿過沖擊部件中的孔口。當冷卻流體通常從渦輪發(fā)動機中的壓縮空氣提供時，使增加量的冷卻流體穿過孔口在到達燃燒器之前除去壓縮空氣的增加的部分。除去壓縮空氣的增加部分可降低效率且增加渦輪發(fā)動機的操作成本。

技術實現(xiàn)要素：

在實施例中，一種制品包括分開內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分、本體部分中的孔口以及管道，孔口將內(nèi)部區(qū)域流體地連接到外部區(qū)域，且管道在孔口處從本體部分的外表面延伸且布置和設置成將流體從內(nèi)部區(qū)域可控地引導至外部區(qū)域。

在另一個實施例中，一種構件包括制品，其布置和設置成朝構件的內(nèi)表面引導流體。制品包括分開內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分、本體部分中的孔口以及管道，孔口將內(nèi)部區(qū)域流體地連接到外部區(qū)域，且管道在孔口處從本體部分的外表面延伸且布置和設置成將流體從內(nèi)部區(qū)域可控地引導至外部區(qū)域的管道。

在另一個實施例中，一種形成制品的方法包括提供分開內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分，在本體部分中提供孔口，孔口將內(nèi)部區(qū)域流體地連接到外部區(qū)域，以及在孔口上形成管道，管道在孔口處從本體部分的外表面延伸且布置和設置成將流體從內(nèi)部區(qū)域可控地引導至外部區(qū)域。制品布置和設置成用于插入渦輪發(fā)動機的熱氣體通路構件內(nèi)。

技術方案1. 一種制品，包括：

分開內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分；

所述本體部分中的孔口，所述孔口將所述內(nèi)部區(qū)域流體地連接到所述外部區(qū)域；以及

管道，其在所述孔口處從所述本體部分的外表面延伸且布置和設置成將流體從所述內(nèi)部區(qū)域可控地引導至所述外部區(qū)域。

技術方案2. 根據(jù)技術方案1所述的制品，其中，所述制品還包括所述本體部分中的至少一個額外孔口，所述至少一個額外孔口將所述內(nèi)部區(qū)域流體地連接到所述外部區(qū)域。

技術方案3. 根據(jù)技術方案2所述的制品，其中，所述制品還包括至少一個額外管道，所述至少一個額外管道中的各個形成在所述至少一個額外孔口中的一個上。

技術方案4. 根據(jù)技術方案1所述的制品，其中，所述管道延續(xù)所述孔口的形狀。

技術方案5. 根據(jù)技術方案1所述的制品，其中，所述管道布置和設置成改變來自所述孔口的流體流。

技術方案6. 根據(jù)技術方案1所述的制品，其中，所述制品包括布置和設置成用于插入渦輪噴嘴內(nèi)的沖擊部件。

技術方案7. 根據(jù)技術方案1所述的制品，其中，所述管道還包括與所述制品的外表面相對的孔特征，所述孔特征選自由所述管道中的收縮部、穿過所述管道形成的多個出口孔和其組合組成的組。

技術方案8. 一種構件，其中所述構件包括根據(jù)技術方案1所述的制品，所述制品布置和設置成朝所述構件的內(nèi)表面引導流體。

技術方案9. 根據(jù)技術方案8所述的構件，其中，所述制品的管道將流體流從所述孔口引導至所述構件上的熱點。

技術方案10. 一種形成制品的方法，所述方法包括：

提供分開內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的本體部分；

在所述本體部分中提供孔口，所述孔口將所述內(nèi)部區(qū)域流體地連接到所述外部區(qū)域；以及

在所述孔口上形成管道，所述管道在所述孔口處從所述本體部分的外表面延伸且布置和設置成將流體從所述內(nèi)部區(qū)域可控地引導至所述外部區(qū)域；

其中所述制品布置和設置成用于插入渦輪發(fā)動機的熱氣體通路構件內(nèi)。

技術方案11. 根據(jù)技術方案10所述的方法，其中，提供所述本體部分包括形成所述本體部分，且提供所述孔口包括在所述本體部分中形成所述孔口。

技術方案12. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，形成所述本體部分、形成所述孔口和形成所述管道中的至少一者包括增材制造。

技術方案13. 根據(jù)技術方案11所述的方法，其中，所述方法還包括在所述本體部分中形成至少一個額外孔口，以及在所述至少一個額外孔口處在所述本體部分的外表面上形成至少一個額外管道。

技術方案14. 根據(jù)技術方案10所述的方法，其中，在所述孔口上形成所述管道包括使所述管道布置和設置成改變來自所述孔口的流體流。

技術方案15. 根據(jù)技術方案14所述的方法，其中，所述管道布置和設置成將來自所述孔口的冷卻空氣流朝所述熱氣體通路構件的熱點引導。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將從連同附圖的以下更詳細描述清楚，附圖通過舉例說明了本發(fā)明的原理。

附圖說明

圖1為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的透視圖。

圖2為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的截面視圖。

圖3為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的定位在構件內(nèi)的制品的截面視圖。

圖4為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的放大視圖。

圖5為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的用于形成制品的方法的過程圖。

圖6為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的用于形成制品的方法的示意圖。

圖7為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的截面視圖。

圖8為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的截面視圖。

圖9為根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的制品的截面視圖。

在任何可能之處，將貫穿附圖使用相同的參考標號來表示相同部分。

具體實施方式

提供了一種制品、構件和形成制品的方法。例如，相比于未包括本文公開的一個或多個特征的構想，本公開內(nèi)容的實施例提高了冷卻效率、減少了冷卻流體使用、提高了流體流的控制、將流體流提供至難以到達的區(qū)域、提高熱傳遞、便于升高的操作溫度的使用、提供了流體流集中在熱點上，以及它們的組合。

制品100包括用于引導渦輪構件內(nèi)的流體流的任何適合的制品。在一個實施例中，如圖1中所示，制品100包括形成在其中的一個或多個孔口101。例如，在另一個實施例中，制品100包括具有多個孔口101的沖擊套筒。盡管本文主要參照沖擊套筒進行描述，但本領域的技術人員將理解的是，制品100可包括任何其它適合的制品，諸如但不限于沖擊板、多個沖擊板、任何其它的冷卻制品，或它們的組合。

轉(zhuǎn)到圖2，孔口101形成在本體部分201中，本體部分201限定和/或分開內(nèi)部區(qū)域203和外部區(qū)域205?？卓?01將內(nèi)部區(qū)域203流體地連接到外部區(qū)域205，從而提供內(nèi)部區(qū)域203與外部區(qū)域205之間的流體流。例如，在一個實施例中，孔口101在本體部分201的內(nèi)表面204與外表面206之間延伸，以便于冷卻流體從內(nèi)部區(qū)域203流動到外部區(qū)域205。

各個孔口101均包括用于流體地連接內(nèi)部區(qū)域203和外部區(qū)域205的任何適合的幾何形狀。適合的幾何形狀包括但不限于環(huán)形、大致環(huán)形、圓形、大致圓形、橢圓形、非圓形、方形、三角形、星形、多邊形、淚珠形、變化的、不規(guī)則的、任何其它幾何形狀，或它們的組合?？卓?01的幾何形狀可貫穿制品100為一致的、大致一致的或變化的，其中各個孔口101的幾何形狀與制品100中的一個或多個其它孔口101相同、大致相同和/或不同。此外，孔口101包括便于冷卻流的任何適合的定向和/或間距?？卓?01之間的適合間距包括但不限于均勻的、一致的、變化的、梯度的和/或分段的，其中各個孔口101的間距與一個或多個其它孔口101相同、大致相同和/或不同。

孔口101的幾何形狀和/或間距至少部分地確定制品100的冷卻輪廓。冷卻輪廓涉及貫穿制品100的流體流的參數(shù)，諸如但不限于穿過孔口101的流體流的濃度、分布和/或速率。例如，在一個實施例中，增加孔口101的數(shù)目和/或減小孔口101之間的間距增大了特定區(qū)段中的冷卻流的量和/或濃度。在另一個實施例中，孔口101的尺寸的變化改變穿過各個孔口101的冷卻流的量，且/或改變穿過各個孔口101的流體流的速率。在進一步的實施例中，沿制品100改變孔口101的幾何形狀和/或間距改變貫穿外部區(qū)域205的冷卻輪廓。

參看圖1-圖2，制品100還包括從本體部分的外表面206延伸的一個或多個管道103。各個管道103均定位在其中一個孔口101處，以將流體從內(nèi)部區(qū)域203可控地引導至外部區(qū)域205。例如，在一個實施例中，管道103中的開口與孔口101對準或大致對準，以將流過孔口101的流體可控地引導到外部區(qū)域205中。制品100包括達到等于孔口101的數(shù)目的量的任何適合數(shù)目的管道103。盡管示為包括三排管道103，但本領域的技術人員將認識到的是，制品100可包括增加或減少數(shù)目的管道103，管道103的數(shù)目等于或少于孔口101的數(shù)目。

各個管道103的內(nèi)部表面和/或外部表面均包括任何適合的截面幾何形狀。內(nèi)部表面和/或外部表面的截面幾何形狀可與彼此和/或孔口101的幾何形狀相同、大致相同或不同。適合的幾何形狀貫穿制品100為一致的、大致一致的或變化的，且包括但不限于環(huán)形、大致環(huán)形、圓形、大致圓形、非圓形、星形、橢圓形、方形、三角形、多邊形、淚珠形、變化的、不規(guī)則的、任何其它幾何形狀，或它們的組合。例如，在一個實施例中，如圖3中所示，管道103包括圓形或大致圓形的截面幾何形狀301，其延續(xù)孔口301的幾何形狀。在另一個實施例中，管道103包括非圓形幾何形狀，諸如星形截面幾何形狀303，其延續(xù)孔口101的非圓形幾何形狀。作為備選，管道103的圓形、大致圓形、非圓形和/或其它截面幾何形狀可不同于孔口101的幾何形狀，例如，諸如定位在圓形或大致圓形的孔口上的非圓形管道。管道103的其它方面(諸如但不限于長度、直徑、間距和/或角度)與孔口101的對應方面相同、大致相同或不同，且可貫穿制品100為一致的、大致一致的或變化的。

該一個或多個管道103構造成保持、延續(xù)和/或改變來自孔口101的流體流。管道103的構造選擇成提供期望的沖擊流和/或冷卻。例如，在一個實施例中，具有與孔口101相同或大致相同的幾何形狀的管道103延續(xù)孔口101的定向，以保持穿過外部區(qū)域205的至少一部分的流體流。在另一個實施例中，管道103不同于孔口101的定向，以改變來自孔口101的流體流的方向。在進一步的實施例中，具有與孔口101不同的幾何形狀的管道103改變來自孔口101的流體流的輪廓和/或方向。此外或作為備選，管道103可包括與制品100的外表面206相對的孔特征305?？滋卣?05包括用于改變流出管道103的流體流的任何適合的特征，諸如但不限于收縮部(例如，槽口和/或部分閉合)、形成在管道103中的多個孔、變窄(例如，漏斗形)，或它們的組合。

轉(zhuǎn)到圖4，在一個實施例中，制品100構造成用于插入和/或定位在構件400內(nèi)。當插入和/或定位在構件400內(nèi)時，制品100的外部區(qū)域205在制品的外表面206與構件400的內(nèi)表面404之間延伸。此外，當制品100插入和/或定位在構件400內(nèi)時，穿過孔口101的流體流提供了構件400的沖擊冷卻。例如，提供至制品100的內(nèi)部區(qū)域203的冷卻流體可穿過孔口101和/或管道103至外部區(qū)域205，在該處，冷卻流體接觸構件400的內(nèi)表面404以冷卻構件400?？卓?01和/或管道103的定向和/或間距至少部分地確定從內(nèi)部區(qū)域203傳送到外部區(qū)域205的冷卻流體的量、方向和/或濃度。

通過保持、延續(xù)和/或改變來自孔口101的流體流，管道103提高制品100的冷卻效率，向構件400的冷卻提供減少量的流體，且/或便于使用升高的操作溫度。例如，通過使流體出口從制品100的外表面206處的孔口101延伸至與外表面206相對的管道103的端部，管道103獨立于本體部分201的大小提供流體出口與構件400的內(nèi)表面404之間的距離。在一個實施例中，管道103允許使用相對較小的本體部分201，其增大本體部分201的外表面206與構件400的內(nèi)表面404之間的外部區(qū)域205的尺寸。在另一個實施例中，外部區(qū)域205的增大尺寸減小了外部區(qū)域205中的交叉流速度。外部區(qū)域205中的減小的交叉流速度減小了交叉流對沖擊流體流的影響，便于對沖擊流體流加強控制，提高冷卻效率，且/或便于以減少量的流體冷卻。

此外或作為備選，管道103減小流體出口與構件400的內(nèi)表面404之間的距離。流體出口與構件400的內(nèi)表面404之間減小的距離減少了流體暴露至外部區(qū)域205內(nèi)的交叉流，且/或增大了流體與內(nèi)表面404之間的接觸，這提高冷卻效率。此外或作為備選，管道103可定向成朝構件400的特定部分引導和/或聚集流體流，諸如但不限于熱點、構件400的熱側壁、包括渦輪噴嘴的后緣部分的難以到達的部分(見圖1-圖2)，或它們的組合。減小管道103的流體出口之間的距離和/或引導和/或聚集穿過管道103的流體流便于使用減少量的流體流、相比于單獨的孔口101提高冷卻流體的冷卻效率、便于構件400的較高溫度的操作、增加通過量和/或提高操作效率。

在一個實施例中，形成制品100和/或管道103包括任何適合的增材制造方法。參看圖5-圖6，在另一個實施例中，增材方法500包括產(chǎn)生和/或形成凈形或近凈形制品100和/或管道103。如本文使用的短語"近凈形"是指制品100和/或管道103形成帶有非常類似于制品100和/或管道103的最終幾何形狀和尺寸的幾何形狀和尺寸，在增材方法500之后需要較少或不需要加工和處理。如本文使用的短語"凈形"是指制品100和/或管道103形成帶有不需要機加工和處理的幾何形狀和尺寸。例如，在一個實施例中，增材方法500包括產(chǎn)生包括一個或多個孔口100和/或一個或多個管道103的制品100。增材方法500向制品100、孔口101和/或管道103提供任何凈形或近凈形。此外或作為備選，增材方法500包括形成與該一個或多個管道103分開的制品100，且然后將該一個或多個管道103裝固至制品100。盡管參照在增材方法500期間形成的孔口101描述，但如本領域的技術人員將認識到的那樣，至少一個孔口101可在增材方法500之后加工到制品100中，而不影響制品100的凈形或近凈形幾何形狀。

增材方法500包括通過按順序和重復地沉積和接合材料層來形成制品100和/或管道103的任何制造方法。適合的制造方法包括但不限于本領域的普通技術人員稱為直接金屬激光熔化(DMLM)、直接金屬激光燒結(DMLS)、激光工程化凈成形、選擇性激光燒結(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)、熔融沉積成型(FDM)的過程，或它們的組合。在一個實施例中，例如，增材方法500包括提供金屬合金粉末601(步驟501)；利用金屬合金粉末601形成初始層602(步驟502)；利用金屬合金粉末601在初始層602上按順序形成額外層622(步驟503)；以及將額外層622接合至初始層602以形成制品100和/或管道103(步驟504)。在另一個實施例中，增材方法500包括重復以下步驟：在之前形成的層上按順序形成額外層622，以及將額外層622接合至之前形成的層(步驟505)，直到獲得具有預定厚度和/或預定形狀的制品100和/或管道103。之前形成的層包括制品100和/或管道103的包括初始層602和/或直接地或間接地接合至初始層602的任何其它額外層622的任何部分611。

初始層602包括預選的厚度603和預選的形狀，其包括至少一個第一開口604。各個額外層622均包括第二預選厚度623和第二預選形狀，第二預選形狀包括對應于初始層602中的該至少一個第一開口604的至少一個第二開口624。第二預選厚度623和/或第二預選形狀可在一個或多個額外層622之間為相同的、大致相同的或不同的。在接合時，初始層602的優(yōu)選厚度603和額外層622的第二預選厚度623形成部分611的組合厚度633。此外，該至少一個第一開口604和對應的至少一個第二開口624形成部分611中的一個或多個組合開口634。一旦形成制品100，則一個或多個組合開口634形成將內(nèi)部區(qū)域203流體地連接到部分611的外部區(qū)域205的一個或多個孔口101。

在一個實施例中，增材方法500包括DMLM過程。在另一個實施例中，DMLM過程包括提供金屬合金粉末601和沉積金屬合金粉末601以形成初始粉末層。初始粉末層具有預選厚度603和包括至少一個第一開口604的預選形狀。在另一個實施例中，DMLM過程包括提供聚焦的能量源610，以及在初始粉末層處引導聚焦的能量源610以熔化金屬合金粉末601且將初始粉末層轉(zhuǎn)變成制品100和/或管道103的部分611。適合的能量源包括但不限于激光裝置、電子束裝置或它們的組合。

接下來，DMLM過程包括在制品100和/或管道103的部分611上按順序沉積額外的金屬合金粉末601以形成具有第二預選厚度623和第二預選形狀的額外層622，第二預選形狀包括對應于初始粉末層602中的至少一個第一開口604的至少一個第二開口624。在沉積金屬合金粉末601的額外層622之后，DMLM過程包括利用聚焦的能量源610熔化額外層622以增大組合的厚度633且形成具有預定輪廓的至少一個組合開口634。

然后可重復按順序沉積金屬合金粉末601的額外層和熔化額外層622的步驟以形成凈形或近凈形制品100和/或管道103。例如，可重復步驟直到獲得具有預定厚度、預定形狀和具有任何適合的幾何形狀的一個或多個孔口101的制品100。此外，可重復步驟以形成直接在一個或多個孔口101中的至少一個上的一個或多個管道103。在一個實施例中，一個或多個管道103包括構造成在增材方法500期間提供支撐的支撐部件。支撐部件可形成制品100的一部分，或可在形成之后除去以形成沒有或大致沒有支撐部件的制品100。

如上文詳細論述的那樣，且如圖7-圖9中所示，管道103垂直于本體部分201和/或相對于本體部分201成角度，且可形成為保持、延續(xù)和/或改變來自孔口101的流體流。例如，如圖7中所示，管道103延伸孔口101的定向和截面幾何形狀。在另一個示例中，如圖8中所示，管道103相對于本體部分201成角度，管道103的角度保持截面幾何形狀，同時改變孔口101的定向。角度還可選擇成在制品100的增材制造期間提供支撐。用于改變孔口101的定向和/或在增材制造期間提供支撐的適合角度包括但不限于1°到179°之間、30°到150°之間、1°到90°之間、45°到135°之間、30°到90°之間、90°到150°之間、45°到90°之間、90°到135°之間、大約45°、大約90°、大約135°，或其任何組合、子組合、范圍或子范圍。此外或作為備選，如圖9中所示，管道103的截面幾何形狀可不同于孔口101的截面幾何形狀。

在一個實施例中，增材方法500包括在管道103上形成孔特征305。在另一個實施例中，管道103和孔特征305在制品100的形成期間形成。此外或作為備選，管道103和/或孔特征305可與制品100的形成分開形成和/或在其之后形成。例如，管道103和/或孔特征305可使用增材方法500直接地形成在之前形成的制品100上，或管道103和/或孔特征305可與制品100分開形成，然后附接到制品100。與制品100分開形成管道103和/或孔特征305可包括增材方法500或非增材方法，諸如加工和/或鑄造。

盡管參照一個或多個實施例描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可作出各種變化且對于其元件可替換等同物。此外，在不脫離其基本范圍的情況下可作出許多改型以使特定情形或材料適于本發(fā)明的教導內(nèi)容。因此，意在使本發(fā)明不限于公開為用于執(zhí)行本發(fā)明而構想的最佳模式的特定實施例，相反，本發(fā)明將包括落入所附權利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。此外，在詳細描述中標出的所有數(shù)值都應當理解為好像準確值和近似值兩者都明確指出那樣。