用於熱氣體路徑構件的冷卻補塊的製作方法
2023-08-04 20:17:46
本申請及所得專利大體上涉及燃氣渦輪發動機，並且更具體地涉及用於渦輪熱氣體路徑構件等的增強冷卻的冷卻補塊。
背景技術：
在燃氣渦輪發動機中，熱燃燒氣體大體上沿熱氣體路徑從燃燒器流動穿過過渡件到渦輪中以產生有用功。由於較高溫度的燃燒流大體上導致燃氣渦輪發動機的性能、效率和總體功率輸出的提高，故經受較高溫度的燃燒流的構件必須冷卻，以允許燃氣渦輪發動機在此類升高溫度下操作而不損壞或縮短壽命。類似地，局部過熱或熱點還可產生其中的高熱應力。
例如，應當冷卻的熱氣體路徑構件為燃燒器襯套。具體而言，由燃燒器內的燃料/空氣混合物的燃燒引起的高溫流引導穿過燃燒器襯套。燃燒器襯套的下遊部分可連接於燃燒器的其它構件，如過渡件等，並且因此可不暴露於可冷卻其餘構件的各種空氣流。此類冷卻缺乏可引起上文所述的損壞、失效或壽命縮短。
因此，存在對用於與熱氣體路徑構件等一起使用的改進的冷卻裝置和方法的期望。此類改進的裝置和方法可按需要應用於局部熱點和/或別處。此類改進的裝置和方法可提供冷卻，而不影響總體系統功率輸出和效率。
技術實現要素：
本申請及所得專利因此提供了一種用於與燃氣渦輪發動機的熱氣體路徑構件一起使用的冷卻補塊。冷卻補塊可包括具有延伸穿過其的一定數量的冷卻通道的基層，以及定位在基層上的覆蓋層。基層和覆蓋層可包括預燒結的預形件材料。
本申請及所得專利還提供了一種將附加冷卻供應至熱氣體路徑構件的方法。該方法可包括以下步驟：使冷卻補塊與熱氣體路徑構件上的一定數量的冷卻孔對準，將冷卻補塊附接於熱氣體路徑構件，熱處理就位的冷卻補塊，通過冷卻補塊提供空氣流以冷卻熱氣體路徑構件，以及使空氣流動穿過熱氣體路徑構件上的一定數量的冷卻孔。
本申請及所得專利還提供了一種用於與燃氣渦輪發動機一起使用的熱氣體路徑構件。熱氣體路徑構件可包括從冷側表面到熱側表面延伸穿過其的一定數量的冷卻孔，以及鄰近冷卻孔定位在冷側表面上的冷卻補塊。冷卻補塊可包括一定數量的冷卻通道，使得空氣流穿過冷卻通道並且穿過冷卻孔以提供冷卻。
技術方案1.一種用於與燃氣渦輪發動機的熱氣體路徑構件一起使用的冷卻補塊，包括：
基層；
沿所述基層延伸的多個冷卻通道；以及
定位在所述基層上的覆蓋層；
其中所述基層和所述覆蓋層包括預燒結的預形件材料。
技術方案2.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述預燒結的預形件材料包括高熔點合金粉末、低熔點合金粉末，以及粘合劑。
技術方案3.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述基層包括鄰近所述多個冷卻通道的入口。
技術方案4.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述熱氣體路徑構件包括穿過其的多個熱氣體路徑構件孔，並且其中所述基層包括與所述多個熱氣體路徑構件孔和所述多個冷卻通道對準的多個出口孔。
技術方案5.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述多個冷卻通道包括大約0.05到0.08英寸(大約1.27到2.03毫米)的寬度，以及大約一到三英寸(大約2.54到7.62釐米)的長度。
技術方案6.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述覆蓋層包括大致實心板。
技術方案7.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述覆蓋層包括所述多個冷卻通道的頂面。
技術方案8.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述覆蓋層包括其一個端部處的過濾器。
技術方案9.根據技術方案1所述的冷卻補塊，其特徵在於，所述冷卻補塊與壓縮機排放溫度下的空氣流連通。
技術方案10.一種向熱氣體路徑構件提供附加冷卻的方法，包括：
使冷卻補塊與所述熱氣體路徑構件上的一定數量的冷卻孔對準；
將所述冷卻補塊附接於所述熱氣體路徑構件；
熱處理就位的所述冷卻補塊；
通過所述冷卻補塊提供空氣流以冷卻所述熱氣體路徑構件；以及
使所述空氣流動穿過所述熱氣體路徑構件上的所述一定數量的冷卻孔。
技術方案11.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，將所述冷卻補塊附接於所述熱氣體路徑構件的步驟包括將所述冷卻補塊焊接於所述熱氣體路徑構件。
技術方案12.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，將所述冷卻補塊附接於所述熱氣體路徑構件的步驟包括沿與所述熱氣體路徑構件內的氣體流大致垂直的方向附接所述冷卻補塊。
技術方案13.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，熱處理就位的所述冷卻補塊的步驟包括熱處理預燒結的預形件材料。
技術方案14.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，通過所述冷卻補塊提供空氣流以冷卻所述熱氣體路徑構件的步驟包括提供壓縮機排放溫度下的空氣流。
技術方案15.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，使所述空氣流動穿過所述熱氣體路徑構件上的所述一定數量的冷卻孔的步驟包括使所述空氣流動穿過所述一定數量的冷卻孔以提供膜冷卻。
技術方案16.一種用於與燃氣渦輪發動機一起使用的熱氣體路徑構件，包括：
多個冷卻孔，其從冷側表面到熱側表面延伸穿過所述熱氣體路徑構件；以及
冷卻補塊，其鄰近所述多個冷卻孔定位在所述冷側表面上；
所述冷卻補塊包括多個冷卻通道，使得空氣流穿過所述多個冷卻通道並且穿過所述多個冷卻孔。
技術方案17.根據技術方案16所述的熱氣體路徑構件，其特徵在於，所述冷卻補塊包括預燒結的預形件材料。
技術方案18.根據技術方案17所述的熱氣體路徑構件，其特徵在於，所述預燒結的預形件材料包括高熔點合金粉末、低熔點合金粉末，以及粘合劑。
技術方案19.根據技術方案16所述的熱氣體路徑構件，其特徵在於，所述冷卻補塊包括具有所述多個冷卻通道的基層，以及定位在所述基層上的覆蓋層。
技術方案20.根據技術方案16所述的熱氣體路徑構件，其特徵在於，所述冷卻補塊包括其一個端部處的過濾器。
在審閱連同若干附圖進行時的以下詳細描述和所附權利要求時，本申請及所得專利的這些及其它的特徵和改進將對本領域技術人員而言變得顯而易見。
附圖說明
圖1為示出壓縮機、燃燒器、渦輪和負載的燃氣渦輪發動機的示意圖。
圖2為可與圖1的燃氣渦輪發動機一起使用的燃燒器的示意圖。
圖3為如可在本文中所述的定位在熱氣體路徑構件上的冷卻補塊的示意圖。
圖4為定位在熱氣體路徑構件上的圖3的冷卻補塊的基層的平面視圖。
部件列表
10燃氣渦輪發動機
15壓縮機
20空氣
25燃燒器
30燃料
35燃燒氣體
40渦輪
45軸
50負載
55蓋板
60燃料噴嘴
65襯套
70流動套筒
75流動路徑
80入口
85燃燒室
90過渡件
100冷卻補塊
110熱氣體路徑構件
120基層
130覆蓋層
140冷卻通道
150入口
160出口孔
170膜孔
180過濾器。
具體實施方式
現在參照附圖，其中相似的標記表示若干視圖各處的相似元件，圖1示出了如可在本文中使用的燃氣渦輪發動機10的示意圖。燃氣渦輪發動機10可包括壓縮機15。壓縮機15壓縮空氣20的進入流。壓縮機15將空氣20的壓縮流輸送至燃燒器25。燃燒器25使空氣20的壓縮流與燃料30的加壓流混合，並且點燃混合物以產生燃燒氣體流35。儘管僅示出了單個燃燒器25，但燃氣渦輪發動機10可包括任何數量的燃燒器25。燃燒氣體流35繼而輸送至渦輪40。燃燒氣體流35驅動渦輪40以便產生機械功。渦輪40中產生的機械功經由軸45驅動壓縮機15，以及外部負載50如發電機等。
燃氣渦輪發動機10可使用天然氣、各種類型的合成氣、液體燃料，和/或其它類型的燃料以及它們的混合物。燃氣渦輪發動機10可為由generalelectric公司(schenectady,newyork)提供的一定數量的不同燃氣渦輪發動機中的任一種，包括但不限於諸如7或9系列重載燃氣渦輪發動機等的那些。燃氣渦輪發動機10可具有許多不同構造，並且可使用其它類型的構件。其它類型的燃氣渦輪發動機也可在本文中使用。多個燃氣渦輪發動機、其它類型的渦輪以及其它類型的發電裝備也可在本文中一起使用。
圖2示出了可與燃氣渦輪發動機10等一起使用的燃燒器25的實例。大體上描述了燃燒器25可包括其上遊端部處的蓋板55。蓋板55可至少部分地支承其中的一定數量的燃料噴嘴60。可在本文中使用任何數量或類型的燃料噴嘴60。蓋板55提供用於空氣流20和燃料流30至燃料噴嘴60的通路。燃料噴嘴60可朝燃燒器蓋63延伸。
燃燒器25可包括設置在流動套筒70內的燃燒器襯套65。襯套65和流動套筒70的布置可為大致同心的，並且可限定其間的環形流動路徑75。流動套筒70可包括穿過其的一定數量的流動套筒入口80。流動套筒入口80可提供用於來自壓縮機15的流動空氣20的至少一部分的通路。流動套筒70可以以入口80的圖案或其它圖案穿孔。燃燒器蓋63和燃燒器襯套65可限定燃燒室85，用於空氣流20和燃料流30在燃料噴嘴60下遊的燃燒。燃燒器25的後端部可包括過渡件90。過渡件90可定位成鄰近渦輪40，並且可將燃燒氣體流35引導至其。本文中所述的燃燒器25僅出於實例的目的。許多其它類型的燃燒器和燃燒器構件可為已知的。
圖3和4示出了如可在本文中所述的冷卻補塊100的實例。冷卻補塊100可具有任何適合的尺寸、形狀或構造。冷卻補塊100可與熱氣體路徑構件110等一起使用。熱氣體路徑構件110可類似於如上文所述的燃燒器蓋63、燃燒器襯套65和/或過渡件90，以及其它類型的構件。具體而言，需要或可受益於附加冷卻的任何類型的構件110可在本文中使用。
冷卻補塊100可包括基層120和覆蓋層130。基層120和覆蓋層130可具有任何適合的尺寸、形狀或構造。層120,130可由預燒結的預形件("psp")材料製成。預燒結的預形件材料可包括高熔點合金粉末、低熔點合金粉末和粘合劑的混合物。高熔點合金粉末的實例包括但不限於結構合金和環境塗層，如inconel738、rene142、mar-m247、gt-33等。低熔點合金粉末的實例包括但不限於硬釺焊合金，如d15,df4b,bni-9,bni-5,b93等。高熔點合金粉末與低熔點合金粉末的比例可變化。其它類型的熔點和比例可在本文中使用。其它類型的材料和材料的組合也可在本文中使用。
冷卻補塊100的基層120可具有形成在其中的一定數量的冷卻通道140。任何數量的冷卻通道140可在本文中以任何適合的尺寸、形狀或構造使用。冷卻通道140可從基層120的一個端部處的入口150延伸至在另一端部處穿過基層120的一定數量的出口孔160。冷卻通道140可沿熱氣體路徑構件110或其它構件的熱側表面垂直於主流動路徑延伸。在該實例中，冷卻通道140可具有大約0.065英寸(大約1.65毫米)左右的寬度，但可在從大約0.05到0.08英寸(大約1.27到2.03毫米)左右的寬度範圍內。冷卻通道140可具有大約一到三英寸(大約2.54到7.62釐米)左右的長度。其它適合的大小可在本文中使用。任何數量的出口孔160可在本文中以任何適合的尺寸、形狀或構造使用。出口孔160可與繞著熱氣體路徑構件110定位的一定數量的膜孔170或其它類型的孔口對準。其它構件和其它構造可在本文中使用。
冷卻補塊100的覆蓋層130可為大致實心板。覆蓋層130可限定基層120的冷卻通道140的頂面。覆蓋層130可大約從基層120的入口150且完全或部分地沿基層120的長度延伸。覆蓋層130可包括繞著基層120的入口150定位的過濾器180。過濾器180可具有任何適合的尺寸、形狀或構造，並且可由任何適合類型的過濾材料製造。其它構件和其它構造可在本文中使用。
在使用中，冷卻補塊100可附接於與需要或受益於附加冷卻的過熱區或其它區域相對的熱氣體路徑構件110的冷側表面。冷卻補塊100可點焊或以其它方式附接於熱氣體路徑構件110的冷側表面。基層120的出口孔160可與延伸穿過熱氣體構件110的膜孔170對準。冷卻補塊100可在適當位置熱處理，以便將預燒結的預形件材料粘結於熱氣體路徑構件110。
來自壓縮機15或別處的空氣流20的一部分可朝冷卻補塊100引導。與外部冷卻或另外調節的相對，空氣流20可在常規壓縮機排放溫度下。空氣流20進入到冷卻補塊100中穿過過濾器180且到冷卻通道140中。穿過冷卻通道140的空氣流20增強後側熱傳遞，以便改進總體冷卻效力。空氣流20接著可經由出口孔160和膜孔170引導到熱氣體路徑中，以向熱氣體路徑構件110的熱側表面提供膜冷卻等。
因此，穿過冷卻補塊100的該空氣流通過降低局部溫度和沿其的熱傳遞係數來提供膜冷卻和改進的熱傳遞。過濾器180的使用防止碎屑約束到冷卻通道140中的流。熱氣體路徑構件110的冷側表面與熱側表面之間的壓差驅動空氣流穿過冷卻通道140且到膜孔170中。冷卻通道140的有限長度有助於以可用的壓降保持冷卻效力和操作。因此，本文中所述的冷卻補塊100可用於延長現有的熱氣體路徑構件和/或最初的裝備的部分的使用壽命。冷卻補塊100可在任何時間添加。此外，任何數量的冷卻補塊100可在本文中使用。
將顯而易見的是，前文僅涉及本申請和所得專利的某些實施例。許多變化和改型可由本領域技術人員在本文中作出，而不脫離如由以下權利要求及其等同物限定的本發明的大體精神和範圍。