用於形成紊流冷卻孔的方法及系統的製作方法

2023-06-07 10:33:41

專利名稱：用於形成紊流冷卻孔的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種電化學加工(ECM)，尤其涉及一種用於在 渦輪發動機翼型(airfoil)內形成冷卻孔的方法與系統。
背景技術：
至少一些已知的渦輪發動機構件包括形成於其內的冷卻孔。 一般 地，這種冷卻孔允許發動機內的冷卻空氣流經發動機構件，從而提供 對流冷卻。相應地，這種冷卻孔可增加渦輪發動機的壽命及/或減小與 渦輪發動機的維護相關的成本。電化學加工及/或成型管電化學加工(STEM)通常用於在渦輪發動 機構件內形成冷卻孔。在電化學加工過程中，被加工的工件配接到直 流電源的正端子上，而電極則配接到直流電源的負端子上。電解液流 體在電極與工件之間流動。比如，電解液流體可以為酸或水性鹽溶液。 在加工過程中，工件被受到控制的電化學反應溶解，從而形成冷卻孔。 一般地，這種加工過程形成了冷卻孔，冷卻孔具有大致為圓形的截面 區域及大於5的長度-直徑比值。此外，這些孔大體上均勻並且具有大 致均勻的粗糙度。然而，這種冷卻孔經常提供不充分的對流冷卻，因 為它們缺少足夠程度的可增加與構件之間對流冷卻的粗糙度或不連 續性。發明內容在一個實施例中，提供一種在物體內形成孔的方法。方法包括在 物體內形成初始孔，提供電化學加工電極，電化學加工電極具有至少 一個大致圍繞電極的絕緣區段及至少 一個未絕緣區段，及將電極插入 初始孔內，從而便於形成孔，孔^1至少一個具有第一截面區域的笫一區段與至少一個具有笫二截面區域的笫二區段所限定。在另一個實施例中，提供一種電化學加工設備。設備包括電極， 電極包括至少一個未絕緣區段與絕緣區段，絕緣區段大致圍繞電極的 至少一個區段。電極插入到初始孔內，以便形成被至少一個具有第一 截面區域的第一區段與至少一個具有第二截面區域的第二區段所限 定的孔。在又一個實施例中，提供一種用於在渦輪發動機構件內加工孔的 系統。系統包括電化學設備，電化學設備包括電極，電極包括至少一 個未絕緣區段與絕緣區段，絕緣區段大致圍繞電極的至少一個區段。 電極插入到初始孔內，以便形成被至少 一個具有笫 一截面區域的第一 區段與至少一個具有第二截面區域的第二區段所限定的孔。


圖1為將要插入到渦輪發動機翼型內的初始孔內的示例性電化學加工(ECM)電極的截面圖；圖2為圖1所示且已插入到圖1所示翼型內的電極的截面圖；及 圖3為圖1所示且包括貫穿形成於其上的冷卻孔的翼型的放大截面圖。部件列表100 電化學加工(ECM)電極102 初始孔104 翼型106 冷卻孔108 絕緣區段110 未絕緣區段120 第一截面區域122 第一表面124 第二表面126 箭頭128 電流130 第二截面區域140 第一區段142 第二區段144 內表面具體實施方式
本發明提供一種系統，該系統可用於在渦輪發動機翼型內加工薄 的後緣冷卻孔。系統使用中空的電化學加工電極，該電才及具有流過其 自身的電解液流體。比如，電解液流體可以為酸或水性鹽〖容液。在加 工之前，翼型配接於直流電源的正端子上，而電極則配4妄於直流電源 的負端子上。當電解液在電極與翼型之間流動時，翼型藉助受控制的 電化學反應而溶解，從而形成冷卻孔。在加工過程中，電解液流體流過空心電極，從而有助於釋放將材 料從翼型中除去的電流。在示例性實施例中，電極形成了冷卻孔，冷 卻孔包括至少一個由笫一截面區域限定的笫一區段和至少一個由第 二截面區域限定的第二區段。此外，在示例性實施例中，冷卻孔的每 個第一區段定向於冷卻孔的相鄰第二區段之間。雖然本發明是以在渦輪翼型內形成冷卻孔的形式描述的，如將祐: 本領域的技術人員所理解的那樣，本發明也可用來在發動機的其它構 件內及/或在任何其它可能需要冷卻孔的系統構件內，比如，但不限於 渦輪殼體、排氣管及管道內形成冷卻孔。此外，雖然本發明是以電化 學加工的形式描述的，如將一皮本領域的技術人員所理解的那樣，本發明也可用於形成冷卻孔的其它方法中。圖i展示了示例性電化學加工電極ioo的截面圖，電極插入到形成於渦輪發動機翼型104內的初始孔102中。圖2展示了已插入到初 始孔102中的電極100。圖3展示了加工過程結束之後，及冷卻孔106已形成於其內之後的翼型104的截面圖。在示例性實施例中，電極100 大致為圓柱形空心狀，並且配置成將電解液流體攜帶於其上。正如業 界所知，電解液流體作為電化學溶解的介質，用於將材料從被加工的 工件中除去。電解液流體也將溶解後的材料從加工區域中除去。如將 被本領域的技術人員所理解的那樣，根據其專門功能及/或電極100運 行的專門結果，電極100可具有任何適當的形狀。此外，在示例性實施例中，電極100包括多個由大致圍繞電極100 的絕緣體形成的絕緣區段108。如下詳述，絕緣區段108有助於將材 料溶解限制於所需區域，以獲得需要的冷卻孔尺寸與形狀。如將被本 領域的技術人員所理解的那樣，電極100可包括任何適當數量的絕緣 區段108,絕緣區段108使電極100能夠發揮文中所述的功能。在示 例性實施例中，電才及100也包括多個未絕緣區^: 110。如將^皮本領域 的技術人員所理解的那樣，電極100可包括任何適當數量的未絕緣區 段110，其使電極100能夠發揮文中所述的功能。在示例性實施例中， 未絕緣區段110定向於每個相鄰的絕緣區段108之間。在備選實施例 中，未絕緣區段110與絕緣區段108的配置基於電極100的專門功能 及/或電極100運行的專門結果而不定地選擇。在加工過程中，並且特別地在電極100運行之前，初始孔102形 成於翼型104中。在示例性實施例中，藉助電化學加工電極、放電加 工電極及/或雷射中的至少一種而將初始孔102鑽出。此外，在示例性 實施例中，初始孔102形成於翼型後緣。另外，在示例性實施例中， 初始孔102上形成有大致恆定地貫穿初始孔102的第一截面區域120。 比如，在示例性實施例中，截面區域120大致為圓形。如將^C本領域 的技術人員所理解的那樣，在備選實施例中，第一截面區域120可形 成為有助於形成紊流(turbulated)冷卻孔106的任何形狀。而且，在示 例性實施例中，初始孔102可形成於相對於翼型104的第一表面122 測量的多種角度處，包括但不限於大約為O度，大約為90度或介於0 度到90度之間的任何傾斜角度處。在加工過程中，並且特別地在電^L 100運4亍過程中，電極100經 由翼型104的第一表面122而插入到初始孔102中，並且朝著翼型104 的相對第二表面124而導入，如圖1中的箭頭126所示。在運行過程 中，電解液流體流經電極100，從而將感應電流128導向至電極100。 在示例性實施例中，電流128從多個未絕緣區段110中釋放，從而有 助於將材料從初始孔102部分除去，進而形成冷卻孔106。在示例性 實施例中，材料通過電化學溶解而從初始孔102中除去。在示例性實 施例中，從電極的未絕緣區段110中釋放出的電流128導致材料從初 始孔102中除去，進而形成多個大於笫一截面區域120的笫二截面區 域130。比如，在示例性實施例中，第二截面區域130大致為圓形。 如將被本領域的技術人員所理解的那樣，在備選實施例中，笫二截面 區域130可形成為有助於形成紊流冷卻孔106的任何形狀。在加工過程中，電流128未從電極100的絕緣區段108中釋放。 相應地，初始102的部分在加工過程中未暴露於電流128中。同樣地， 形成了紊流冷卻孔106，其具有多個未曾暴露於電流128中的第一區 段140及多個曾暴露於從電極100的未絕緣區段110中釋》大出的電流 128中的第二區段142。在示例性實施例中，每個第一區段140上形 成有第一截面區域120，而每個第二區段142上則形成有第二截面區 域130。同時在示例性實施例中，每個冷卻孔笫一區段140延伸於一 對相鄰的冷卻孔第二區段142之間。相應地，電極100有助子形成紊流冷卻孔106,冷卻孔106具有 貫穿其自身的不同截面區域120和130。特別地，當完全形成時，冷 卻孔106具有限定於相應冷卻孔區段140和142中的不同截面區域120 和130。在示例性實施例中，截面區域120和130上可形成光滑、粗 糙及/或褶坡表面光潔度中的至少 一種表面光潔度。同樣地，電極100有助於在冷卻孔106內提供非連續及/或粗糙表 面。相應地，經過冷卻孔106的冷卻空氣流中斷。結果，有助於使冷 卻空氣具有增加的紊流及與冷卻孔106的內表面144之間更大的接觸程度。相應地，有助於增加冷卻孔106內的對流冷卻程度。此外，紊流冷卻孔106有助於改善冷卻孔106下遊的薄膜冷卻。在一個實施例中，提供一種用於在物體內形成紊流冷卻孔的方 法。方法包括在物體內形成初始孔。方法也包括提供電化學加工電極， 電化學加工電極具有至少一個大致圍繞電極的絕緣區段及至少一個 未絕緣區段。在形成冷卻孔的過程，電極插入初始孔內，從而有助於 形成冷卻孔，冷卻孔包括由第 一截面區域限定的至少一個笫 一 區段和 由第二截面區域限定的第二區段。在一個實施例中，方法包括形成多個具有第 一截面區域的冷卻孔第 一 區段及多個具有笫二截面區域的 冷卻孔第二區^:， ^v而使每個冷卻孔第一區段延伸於一對相鄰的冷卻 孔第二區段之間。在另 一個實施例中，方法包括提供具有多個大致圍繞電極的絕緣 區段的電化學加工電極，其中，電極的未絕緣區段定向於電極的每對 相鄰的絕緣區段之間。在又一個實施例中，方法包括藉助從電極的未 絕緣區段釋放出的電流而形成冷卻孔的每個第二區段。在一個實施例 中，方法包括形成冷卻孔的笫二區段，第二區段的直徑大於冷卻孔第 一區段的直徑。在另一個實施例中，方法也包括使電解液流體在電極 內循環，從而有助於將材料從初始孔中除去。在示例性實施例中，方 法包括在渦輪發動機翼型內形成冷卻孔。上述系統與方法能使電極在渦輪發動機構件內形成紊流冷卻孔。 所形成的冷卻孔阻斷了冷卻空氣在冷卻空中的流動，從而有助於增加 冷卻空氣紊流，並增加冷卻空氣與冷卻孔內表面之間的接觸程度。同 樣地，冷卻孔內的對流冷卻程度得以增加。此外，紊流冷卻孔有助於 改善冷卻孔下遊的薄膜冷卻。同樣地，上述系統與方法有助於增加渦 輪發動機的壽命及/或減小與渦輪發動機的維護相關的成本。如文中所用，以跟有單詞"一個，，的單數表述的元件或步驟應當 理解為沒有排除多個該元件或步驟，除非明確地表述了這種排除。此 外，對本發明"一個實施例"的引用並非旨在解釋為將結合有所述特徵的其它實施例的存在排除在外。以上詳細地描述了用於在翼型內形成紊流冷卻孔的系統與方法 的示例性實施例。所展示的系統與方法並不局限於文中所述的特定實 施例，相反，系統中的構件可與文中所述的其它構件相互獨立並單獨 地使用。而且，方法中描迷的步驟可與文中所迷的其它步驟相互獨立 並單獨地使用。雖然以多種特定實施例的形式對發明進行了描述，那些熟悉本領域的技術人員應當認識到在權利要求的本意與範圍內，發明可以修 改實施例的形式實施。
權利要求
1.一種電化學加工設備，其包括電極(100)，其包括至少一個未絕緣區段(110)；及大致圍繞所述電極的至少一個區段的絕緣體，其中所述電極插入到初始孔內，從而形成由具有第一截面區域的至少一個第一區段(140)和具有第二截面區域(130)的至少一個第二區段(142)所限定的孔。
2. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO)，其特徵在於，所述 電極進一步包括多個大致圍繞所述電極的絕緣區段(108)，其中所述電 極的未絕緣區段(110)延伸於所述電極的每對相鄰絕緣區段之間。
3. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO)，其特;f正在於，所述 電極形成具有多個第一區段(140)和多個第二區段(142)的孔(106)，其 中每個第 一 區段限定於 一對相鄰第二區段之間。
4. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO),其特徵在於，所述 電極藉助從所述電極的未絕緣區段(lIO)釋放出的電流而形成所述孔 (106)的每個第二區段(142)。
5. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO)，其特徵在於，所述 電極形成所述孔(106)的所述第二區段(142)，所述第二區段(142)具有 截面區域(130)，所述截面區域(130)大於所述孑L(102)的所述第一區段 (140)的截面區域(120)。
6. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO),其特徵在於，所述 電極使電解液流體穿過所述電極循環，從而有助於將材料從所述初始 孔(102)中除去。
7. 如權利要求1所述的電化學加工電極(IOO)，其特徵在於，所述 電極配置為在渦輪發動機構件內形成冷卻孔(106)。
8. —種用於在渦輪發動機構件內加工孔的系統，所述系統包括電 化學加工設備，所述設備包括電極(IOO),其包括至少一個未絕緣區段(110);及大致圍繞所述電極的至少一個區段的絕緣體，其中所述電極插入到初始孔(102)內，從而形成由具有第一截面區域(120)的至少一個第一 區段(140)和具有第二截面區域(130)的至少一個第二區段(142)所限定 的孔。
9. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述電極(100)進一步 包括多個大致圍繞所述電極的絕緣區段(108)，其中所述電極的未絕緣 區段(110)延伸於所述電極的每對相鄰絕緣區段之間。
10. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述電才及(100)形成 了具有多個第 一 區段(l40)與多個第二區段(142)的孑L(106),其中每個 第一區段限定於一對相鄰的第二區段之間。
全文摘要
本發明涉及用於形成紊流冷卻孔的方法及系統，提供一種電化學加工(ECM)設備及用於在渦輪發動機構件內加工孔的系統。電化學加工(ECM)設備包括電極(100)，電極(100)包括至少一個未絕緣區段(110)、及大致圍繞電極的至少一個區段的絕緣體。其中，電極插入到初始孔內，從而形成了由具有第一截面區域的至少一個第一區段(140)和具有第二截面區域(130)的至少一個第二區段(142)所限定的孔。
文檔編號B23H9/14GK101269429SQ20081008736
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月20日 優先權日2007年3月22日
發明者C·-Y·J·仇, 李經邦, 斌 魏 申請人:通用電氣公司