物件和冷卻物件的方法與流程
2023-05-16 03:49:41
本發明涉及一種物件和冷卻物件的方法。更具體地，本發明針對一種被冷卻的物件和冷卻被冷卻的物件的方法。
背景技術：
渦輪系統被連續地改進以增加效率和降低成本。一種用於增加渦輪系統的效率的方法包括增加渦輪系統的運行溫度。為了增加溫度，渦輪系統必須由可在連續使用期間經受這樣的溫度的材料來構造。
除了改進構件材料和覆層之外，一種增加渦輪構件的承溫能力的常見方法包括使用冷卻部件。例如，許多渦輪構件包括定位在其內部凹腔內的衝擊套筒或衝擊板。衝擊套筒或板包括多個冷卻通道，其將冷卻流體引向渦輪構件的內表面，提供渦輪構件的衝擊冷卻。然而，為了定位在渦輪構件內而形成分開的單獨的衝擊套筒增加了製造時間和成本。此外，衝擊套筒典型地產生在衝擊套筒與渦輪構件之間的顯著的交叉流動，並且需要足夠的冷卻流體以提供在同一時間經過冷卻通道中的每個的流體流，這兩者都降低了系統的效率。
另一冷卻渦輪構件的方法包括使用蛇形冷卻。蛇形冷卻包括使冷卻流體經過在渦輪構件內的通道以同時冷卻構件的壓力側壁和吸入側壁兩者。兩個壁的同時冷卻可能過度冷卻一壁以便足夠地冷卻另一壁。一壁的過度冷卻導致熱梯度以及不必要的吸熱(heatpick-up)，這兩者都降低了下遊冷卻效果和冷卻效率。
技術實現要素：
在一實施例中，物件包括具有內表面和外表面的主體部分(內表面限定了內部區域)、在主體部分內的多個隔板(隔板中的每個延伸穿過內部區域)以及在多個隔板的每個中的至少一個小孔(該至少一個小孔配置和布置成將流體引向主體部分的內表面。多個隔板形成至少一個上行凹腔和至少一個再利用凹腔，該至少一個再利用凹腔配置和布置成接收來自在隔板中的一個中的至少一個小孔的流體。
在另一實施例中，物件包括具有內表面和外表面的主體部分(內表面限定了內部區域)、多個整體隔板(每個經過內部區域從物件的壓力側壁延伸至吸入側壁，整體隔板在內部區域內形成上行凹腔和至少一個再利用凹腔)和形成在整體隔板中的每個中的至少一個小孔(該至少一個小孔配置和布置成將流體引向主體部分的內表面)。上行凹腔配置和布置成接收來自物件外的流體並且該至少一個再利用凹腔中的每個配置和布置成接收來自在隔板中的一個中的該至少一個小孔的後-衝擊流體。
在另一實施例中，冷卻物件的方法包括：提供物件(其包括具有內表面和外表面的主體部分，內表面限定了內部區域；延伸穿過內部區域的上行隔板，上行隔板在內部區域內形成上行凹腔；延伸穿過內部區域的再利用隔板，再利用隔板在內部區域內形成再利用凹腔；以及形成在上行隔板和再利用隔板中的每個中的至少一個小孔，該至少一個小孔配置和布置成將流體引向主體部分的內表面)；將流體引導到上行凹腔中；產生經過在上行隔板中的該至少一個小孔的第一流體流；使主體部分的內表面與第一流體流接觸，內表面的該接觸冷卻內表面並且形成第一後-衝擊流體；在再利用凹腔內接收第一後-衝擊流體；產生經過在再利用隔板中的該至少一個小孔的再利用流體流；並且使主體部分的內表面與再利用流體流接觸，內表面的該接觸冷卻內表面並且形成再利用後-衝擊流體。再利用流體流由在該至少一個再利用凹腔內所接收的第一後-衝擊流體產生。
在一實施例中，多個隔板包括限定至少一個上行凹腔的上行隔板。
在一實施例中，至少一個上行凹腔包括第一上行凹腔和第二上行凹腔。
在一實施例中，至少一個上行凹腔中的每個配置和布置成接收來自物件外的流體。
在一實施例中，多個隔板此外包括至少一個再利用隔板，至少一個再利用隔板中的每個限定了至少一個再利用凹腔中的一個。
在一實施例中，物件此外包括第一再利用凹腔，第一再利用凹腔配置和布置成接收經過上行隔板的流體。
在一實施例中，在上行隔板中的至少一個小孔配置和布置成產生衝擊流體流並且第一再利用凹腔配置和布置成接收由衝擊流體流形成的後-衝擊流體。
在一實施例中，物件此外包括至少一個附加的再利用凹腔，附加的再利用凹腔配置和布置成接收經過至少一個再利用隔板中的一個的流體。
在一實施例中，在再利用隔板中的每個中的至少一個小孔產生衝擊流體流並且附加的再利用凹腔中的每個配置和布置成接收由衝擊流體流形成的後-衝擊流體。
在一實施例中，第一再利用凹腔和至少一個附加的再利用凹腔提供物件的系列衝擊冷卻。
在一實施例中，物件此外包括在內表面與外表面之間延伸的開口，開口提供經過主體部分的流體流。
在一實施例中，多個隔板中的至少一個包括多個小孔，多個小孔將流體引向物件的吸入側和壓力側。
在一實施例中，多個小孔配置和布置成將增加的量的流體引向物件的吸入側或壓力側。
在一實施例中，將增加的量的流體引向物件的壓力側提供了壓力側的增加的衝擊冷卻，而將增加的量的流體引向物件的吸入側提供了吸入側的增加的衝擊冷卻。
在一實施例中，形成在多個隔板中的一個中的小孔的數量與形成在至少一個另外的隔板中的小孔的數量不同。
在一實施例中，在多個隔板中的每個中形成的小孔的數量被選擇成提供所希望的薄膜供給壓力。
在一實施例中，在多個隔板中的每個中形成的小孔的數量被選擇成提供所希望的壁溫分布。
本發明此外涉及一種物件，其包括：具有內表面和外表面的主體部分，內表面限定了內部區域；多個整體隔板，每個穿過內部區域從物件的壓力側壁延伸至吸入側壁，整體隔板在內部區域內形成上行凹腔和至少一個再利用凹腔；以及在整體隔板中的每個中形成的至少一個小孔，至少一個小孔配置和布置成將流體引向主體部分的內表面；其中，上行凹腔配置和布置成接收來自物件外的流體；並且其中，至少一個再利用凹腔中的每個配置和布置成接收來自在隔板中的一個中的至少一個小孔的後-衝擊流體。
本發明此外涉及一種冷卻物件的方法，其包括：提供物件(其包括：具有內表面和外表面的主體部分，內表面限定了內部區域；延伸穿過內部區域的上行隔板，上行隔板在內部區域內形成上行凹腔；延伸穿過內部區域的再利用隔板，再利用隔板在內部區域內形成再利用凹腔；以及在上行隔板和再利用隔板中的每個中形成的至少一個小孔，至少一個小孔配置和布置成將流體引向主體部分的內表面)；將流體引入上行凹腔中；產生經過在上行隔板中的至少一個小孔的第一流體流；使主體部分的內表面與第一流體流接觸，內表面的接觸冷卻內表面並且形成第一後-衝擊流體；在再利用凹腔內接收第一後-衝擊流體；產生經過在再利用隔板中的至少一個小孔的再利用流體流；並且使主體部分的內表面與再利用流體流接觸，內表面的接觸冷卻內表面並且形成再利用後-衝擊流體；其中，再利用流體流由接收在至少一個再利用凹腔內的第一後-衝擊流體產生。
在一實施例中，該方法此外包括：提供至少一個附加的再利用隔板，其延伸穿過內部區域，至少一個附加的再利用隔板中的每個在內部區域內形成附加的再利用凹腔並且包括在其中形成的至少一個小孔；並且在至少一個附加的再利用隔板中的每個內相繼接收再利用後-衝擊流體，產生經過在至少一個附加的再利用隔板中的每個中的至少一個小孔的再利用流體流，並且使主體部分的內表面與來自至少一個附加的再利用凹腔中的每個的再利用流體流接觸；其中，經過在至少一個附加的再利用隔板中的每個中的至少一個小孔的再利用流體流由在附加的再利用凹腔內接收的再利用後-衝擊流體產生；並且其中，相繼接收再利用後-衝擊流體、產生再利用流體流以及使主體部分的內表面與再利用流體接觸提供了物件的系列衝擊冷卻。
本發明的其他特徵和優點將從以下更詳細的描述結合通過示例說明了本發明的原理的附圖顯而易見。
附圖說明
圖1示出了根據本公開的實施例的物件的前透視圖。
圖2示出了根據本公開的實施例圖1的物件沿著線2-2的截面圖。
圖3示出了在移除隔板的情況下圖2的截面圖。
圖4示出了根據本公開的實施例在圖2的物件內的流動剖面的示意圖。
圖5示出了根據本公開的備選實施例圖1的物件沿著線2-2的截面圖。
在任何可能之處，在全部附圖中將使用的相同的附圖標記來代表相同的部分。
附圖標記清單
100物體
101渦輪葉片
103根部部分
105平臺
107翼型部分
201主體部分
203外表面
205內表面
207內部區域
208吸入側
209壓力側
210隔板
211上行凹腔
213再利用凹腔
220小孔
230開口
240前緣
241前緣通路
250後緣
251後緣通路。
具體實施方式
提供了物件和冷卻物件的方法。本公開的實施例(與不包括一個或更多個本文中所公開的特徵的方案相比)例如減少了物件的過度冷卻，減少了由於物件的過度冷卻而冷卻流體的溫度增加，增加了冷卻效率，減少了熱梯度形成，增加了下遊冷卻效果，有助於冷卻流體的再使用，有助於冷卻流分布的增加的控制，提供物件溫度的增加的穩定性，減少交叉流，減少交叉流降級(degradation)，增加物件壽命，有助於利用增加的系統溫度，增加系統效率，提供對薄膜供給壓力的增加的控制，或者它們的組合。
參考圖1，在一實施例中，物件100包括但不限於渦輪葉片101或輪葉。渦輪葉片101具有根部部分103、平臺105、和翼型部分107。根部部分103構造成將渦輪葉片101緊固在渦輪系統內，諸如例如緊固至轉子葉輪。此外，根部部分103構造成從渦輪系統接收流體並且引導流體進入翼型部分107中。儘管這裡關於渦輪葉片來說明，如由本領域技術人員所理解的那樣，物件100不如此受限制而是可包括任何其他適合於接收冷卻流體的物件，諸如例如空心構件、熱氣路徑構件、護罩、噴嘴、導葉、或它們的組合。
如在圖2中所示，其顯示了翼型部分107的橫截面，物件100包括具有外表面203、內表面205的主體部分201和在其中形成的一個或多個隔板210。該一個或多個隔板210中的每個經過內部區域207從物件100的第一側延伸至物件100的第二側，並且包括穿過其形成的至少一個小孔220。例如，在一實施例中，隔板210中的每個從在翼型部分107的吸入側208上的內表面205延伸至在翼型部分107的壓力側209上的內表面205。為了更清楚地說明內表面205和由內表面205所限定的內部區域207，圖3示出了在移除隔板210的情況下圖2的翼型部分107。
回到圖2，該一個或多個隔板210可與主體部分201整體地和/或與主體部分201分開地來形成。在一實施例中，與主體部分201整體地形成該一個或多個隔板210和該一個或多個隔板210與主體部分201分開地形成且然後緊固到主體部分201相比減小或消除了在該一個或多個隔板210與主體部分201之間的流體通路。在另一實施例中，與主體部分201整體地形成該一個或多個隔板210和該一個或多個隔板210與主體部分201分開地形成且然後緊固到主體部分201相比減小或消除了至後衝擊的洩漏。用於形成主體部分201和/或該一個或多個隔板210的適合的方法包括但不限於直接金屬雷射熔化(dmlm)、直接金屬雷射燒結(dmls)、選擇性雷射熔化(slm)、選擇性雷射燒結(sls)、熔融沉積塑造(fdm)、任何其他添加性製造技術，或它們的組合。
該一個或多個隔板210形成至少一個上行凹腔211和至少一個再利用凹腔213。該至少一個上行凹腔211定位成接收來自物件100外的流體，諸如但不限於從根部部分103被引導到翼型部分107中的流體。再利用凹腔213中的每個構造成接收經過在該一個或多個隔板210中的(多個)小孔220的流體，諸如但不限於經過在形成上行凹腔211和/或在上行凹腔211與再利用凹腔213之間的任何其他再利用凹腔213的隔板210中的(多個)小孔220的流體。例如，如在圖2中所示，來自物件100之外的流體從該至少一個上行凹腔211相繼經過在物件100的前緣240和/或後緣250與該至少一個上行凹腔211之間形成的該一個或多個再利用凹腔213中的每個。
在一實施例中，物件100包括在內部區域207內由隔板210中的一個形成的上行凹腔211中的兩個。在另一實施例中，上行凹腔211中的一個向前緣240延伸而另一上行凹腔211向後緣250延伸。延伸向前緣240的上行凹腔211以及形成在上行凹腔211與前緣240之間的任何再利用凹腔213限定了前緣通路241。延伸向後緣250的上行凹腔211以及形成在上行凹腔211與後緣250之間的任何再利用凹腔213限定了後緣通路251。
前緣通路241和後緣通路251各包括任何合適數量的再利用凹腔213。例如，如在圖2和4中所示，前緣通路241和後緣通路251兩者都包括再利用凹腔213中的兩個。在另一示例中，如在圖5中所示，前緣通路241包括再利用凹腔213中的三個而後緣通路251包括再利用凹腔213中的兩個。如將由本領域技術人員所理解的那樣，物件100不限於上面的示例而是可包括任何其他合適數量的上行凹腔211和/或再利用凹腔213，其中前緣通路241和後緣通路251具有相同或不同數量的凹腔。
參考圖2、4和5，在該一個或多個隔板210中的每個中形成的該至少一個小孔220提供穿過其的流體流。在一實施例中，在形成上行凹腔211的隔板210中的該至少一個小孔220將流體流從上行凹腔211提供至再利用凹腔213中的一個或多個。在另一實施例中，在形成再利用凹腔213中的每個的隔板210中的該至少一個小孔220將流體流從再利用凹腔213提供至一個或多個其他再利用凹腔213。在又一實施例中，主體部分201包括形成在其中的一個或多個開口230，開口230中的每個構造成將流體從上行凹腔211中的一個和/或再利用凹腔213中的一個引導到外表面203。
除了提供穿過其的流體流之外，在隔板210中的每個中的小孔220中的一個或多個構造成將流體引向主體部分201的內表面205。例如，小孔220中的每個可構造成產生被引向內表面205的衝擊流體流。附加地或備選地，該一個或多個開口230中的每個構造成從經過其的流體產生薄膜流。該一個或多個小孔220和/或該一個或多個開口230的適合的形狀和/或幾何結構包括但不限於直線、曲線、圓形、大致圓形、半圓、人字形、方形、三角形、星形、不規則形或者它們的組合。
在一實施例中，(多個)小孔220構造成提供所希望的壁溫分布。例如，隔板210可包括引向吸入側208或壓力側209的相對增加的數量的小孔220，這些相對增加的數量的小孔220被引向一側提供該側的增加的冷卻。附加地或備選地，與另一隔板210相比增加的數量的小孔220可形成在隔板210中的一個中，該隔板210包括增加數量的小孔220提供物件100的對應部分的增加的冷卻。由(多個)小孔220的構造所提供的所希望的壁溫減小了物件100的過度冷卻、增加下遊冷卻效率、增加系統性能，減小由構件的不過度冷卻的區域在形成薄膜冷卻流之前在流體中的不必要的吸熱、增加物件壽命、減小壁溫中的波動、增加壁溫的一致性，或它們的組合。
在一些實施例中，再利用凹腔213中的每個構造成接收來自在形成上行凹腔211和/或再利用凹腔213的隔板210中的(多個)小孔220的後-衝擊流體。如本文中所使用的那樣，「後-衝擊流體」指的是被引向主體部分201的內表面205的流體，並且包括接觸內表面205或衝擊到其上的流體以及被引導經過該一個或多個小孔220但是不接觸內表面205的流體兩者。例如，在圖2中說明的翼型部分107的兩個再利用凹腔213可形成第一再利用凹腔和第二再利用凹腔。在上行凹腔211與第二再利用凹腔之間的第一再利用凹腔構造成接收來自經過上行凹腔211的(多個)小孔220產生的衝擊流體流的後-衝擊流體。定位在第一再利用凹腔與翼型部分107的前緣240之間的第二再利用凹腔構造成接收來自經過第一再利用凹腔的(多個)小孔220產生的衝擊流體流的後-衝擊流體。物件100也可包括一個或多個附加的再利用凹腔，附加的再利用凹腔中的每個構造成接收來自在形成任何上遊凹腔(包括但不限於上行凹腔211和/或位於上行凹腔211與附加的再利用凹腔之間的任何再利用凹腔213)的隔板210中的(多個)小孔220的後-衝擊流體。
根據這裡所公開的實施例中的一個或多個，經過在每個再利用凹腔213的隔板210中的(多個)小孔220產生的衝擊冷卻流包括或者主要包括由再利用凹腔213所接收的後-衝擊流體。例如，在圖2、4和5中所示的物件的前緣通路241中，第一再利用凹腔構造成產生穿過其(多個)小孔220的衝擊冷卻流，其包括或者主要包括從上行凹腔211所接收的後-衝擊流體。第二再利用凹腔構造成產生穿過其(多個)開口230的薄膜冷卻流(見圖2、4和5)和/或產生穿過其(多個)小孔220的衝擊冷卻流(見圖5)，其包括或主要包括來自第一再利用凹腔的後-衝擊流體。如在此所使用的那樣，術語「主要包括」是指衝擊冷卻流由至少90%後-衝擊流體構成。
通過產生包括或者主要包括後-衝擊流體的衝擊冷卻流，再利用凹腔213提供物件100的系列衝擊冷卻。物件100的系列衝擊冷卻包括基本上或完全通過由該至少一個上行凹腔211所接收的流體供給的一個或多個流路徑，其增加物件100的冷卻效率、減少被引導至物件100的流體的量、減少後-衝擊流體流、減少交叉流降級、通過提供對薄膜孔壓力比增加的控制和/或提供對薄膜排發泡率(filmrowblowingratio)的增加的控制來改善薄膜冷卻效率。
雖然本發明參照一個或多個實施例來說明，將由本領域技術人員所理解的是在不離開本發明的範圍的情況下可做出各種改變並且可用等同物代替其中的元件。此外，在不離開其本質範圍的情況下，可對本發明的教導做出許多修改以適應特殊情況或材料。因此，意圖是本發明不限於作為構思用於實施本發明的最好的模式所公開的具體實施例，而是本發明將包括落在權利要求的範圍內的所有實施例。此外，在詳細的說明書中所識別的所有數值應被解釋為精確值和近似值兩者都被明確地識別。