ЭЛЕМЕНТ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С МИКРОКАНАЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
TURBINE ELEMENT OF GAS TURBINE ENGINE WITH MICROCHANNEL COOLING (VERSIONS)

[0001] Изобретение относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к микроканальному охлаждению в них.
[0002] В газотурбинном двигателе воздух сжимается под давлением в компрессоре и смешивается с топливом в камере сгорания для создания высокотемпературных газов сгорания. Энергия извлекается из газа в турбине высокого давления (ТВД), которая приводит в действие компрессор, и в турбине низкого давления (ТНД), которая приводит в действие вентилятор в турбовентиляторном авиационном двигателе, или приводит в действие внешний вал для морских и промышленных приложений.
[0003] КПД двигателя возрастает с повышением температуры газов сгорания. Тем не менее газообразные продукты сгорания на своем пути нагревают различные элементы, которые, в свою очередь, требует охлаждения для обеспечения длительного срока службы двигателя. Как правило, элементы, расположенные в тракте высокотемпературных газов, охлаждаются путем выпуска воздуха из компрессора. Этот процесс охлаждения снижает КПД двигателя, поскольку выпускаемый воздух не используется в процессе горения.
[0004] Уровень техники, касающийся охлаждения газотурбинных двигателей, хорошо развит и включает множество патентов на различные аспекты контуров охлаждения и на различные элементы, расположенные в тракте высокотемпературных газов. Например, камера сгорания содержит радиально проходящие наружную и внутреннюю футеровку, которые во время работы требуют охлаждения. Сопловые лопатки турбины включают полые лопатки, поддерживаемые между наружной и внутренней футеровкой, которые также требуют охлаждения. Рабочие лопатки турбины являются полыми и обычно имеют расположенные внутри них контуры охлаждения, причем лопатки окружены кожухом турбины, который также требуют охлаждения. Высокотемпературные газообразные продукты сгорания удаляются через выхлопное отверстие, которое также может иметь футеровку и охлаждаться соответствующим образом.
[0005] Во всех этих иллюстративных элементах газотурбинных двигателей, чтобы снизить вес элементов и свести к минимуму необходимость их охлаждения, обычно используются тонкие стены из сверхпрочного металла высокой прочности. Для этих отдельных элементов в соответствующих средах в двигателе специально выполнены различные контуры и элементы охлаждения. Например, в тракте высокотемпературных газов может быть выполнен ряд внутренних каналов охлаждения, или змеевиков. Охлаждающая жидкость может быть подана к змеевику из камеры, при этом охлаждающая жидкость может протекать по проходам, охлаждая подложку тракта высокотемпературных газов и любые соответствующие покрытия. Однако эта стратегия охлаждения обычно приводит к сравнительно низким скоростям теплопередачи и неравномерному профилю температуры элемента.
[0006] В частности, выгорание торца лопатки турбины является распространенной проблемой в отрасли газовых турбин. Поэтому было бы желательно обеспечить улучшенное охлаждение торца лопатки, что значительно повысило бы срок службы лопаток, чтобы те могли выдерживать условия высоких рабочих температур, сохраняя при этом аэродинамические функции уплотнения и защиту от трения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Один аспект настоящего изобретения заключается в элементе, который содержит подложку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и торец. Внутренняя поверхность ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство. Наружная поверхность ограничивает одну или несколько канавок, причем каждая канавка проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности подложки и имеет основание. Элемент также содержит покрытие, расположенное по меньшей мере на части наружной поверхности подложки. Покрытие содержит по меньшей мере структурное покрытие, которое проходит поверх канавки (канавок), так что вместе канавка (канавки) и структурное покрытие ограничивают один или несколько каналов для охлаждения элемента. Торец содержит крышку, ограждающую указанное полое внутреннее пространство (пространства), и ободок, расположенный в радиально наружном конце подложки, причем ободок торца, по меньшей мере частично, ограничивает по меньшей мере один выпускной канал, который находится в проточном сообщении по меньшей мере с одним охлаждающим каналом.
[0008] Еще один аспект изобретения заключается в элементе, который содержит подложку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и торец. Внутренняя поверхность ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство, а торец содержит крышку, ограждающую указанное полое внутреннее пространство (пространства). Наружная поверхность ограничивает одну или несколько канавок, причем каждая канавка проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности крышки торца и имеет основание. Элемент также содержит покрытие, расположенное поверх по меньшей мере части наружной поверхности подложки. Покрытие содержит по меньшей мере структурное покрытие, которое проходит поверх канавки (канавок) так, что вместе канавка (канавки) и структурное покрытие ограничивают один или несколько каналов для охлаждения элемента. Торец содержит крышку, ограждающую указанное полое внутреннее пространство (пространства), и охлаждающий канал, проходящий, по меньшей мере частично, вдоль крышки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части на всех чертежах, и на которых:
[0010] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение газотурбинной установки;
[0011] Фиг.2 представляет собой схематический поперечный разрез иллюстративной аэродинамической части лопатки с охлаждающими каналами, выполненной в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
[0012] Фиг.3 представляет собой вид в аксонометрии в частичном разрезе иллюстративной лопатки ротора газовой турбины;
[0013] Фиг.4 представляет собой вид сверху в разрезе торца аэродинамической части лопатки, показанной на Фиг.3, взятого по линии 4-4, изображающий микроканалы, находящиеся в проточном сообщении с впускными и выпускными каналами;
[0014] Фиг.5 представляет собой вид сверху в разрезе торца аэродинамической части лопатки, изображающий микроканал, проходящий частично вдоль крышки торца и находящийся в проточном сообщении с соответствующими впускными и выпускными каналами;
[0015] Фиг.6 схематически изображает, на виде в аксонометрии, три иллюстративных микроканала, которые проходят частично по поверхности подложки и направляют охлаждающую текучую среду в соответствующие отверстия пленочного охлаждения;
[0016] Фиг.7 представляет собой вид сверху в разрезе торца аэродинамической части лопатки, изображающий микроканал, проходящий частично вдоль крышки торца и находящийся в проточном сообщении с соответствующим впускным каналом;
[0017] Фиг.8 представляет собой вид сверху в разрезе торца аэродинамической части лопатки, изображающий микроканал, проходящий частично вдоль крышки торца и находящийся в проточном сообщении с соответствующим впускным каналом;
[0018] Фиг.9 представляет собой вид сверху в разрезе торца аэродинамической части лопатки, изображающий микроканал, проходящий частично вдоль крышки торца и находящийся в проточном сообщении с соответствующим впускным каналом;
[0019] Фиг.10 представляет собой вид сверху в разрезе торец аэродинамической части лопатки без ободка торца, изображающий микроканал, проходящий частично вдоль скошенной крышки торца и находящийся в проточном сообщении с соответствующим впускным и выпускным каналами; и
[0020] Фиг.11 представляет собой вид в поперечном разрезе трех каналов с суженным с открытой стороны сечением, в которых пористые пазы проходят через структурное покрытие;
[0021] Фиг.12 представляет собой вид сверху в разрезе торец аэродинамической части лопатки с выступом торца, охлаждаемого микроканалами;
[0022] Фиг.13 представляет собой вид сверху в разрезе торец аэродинамической части лопатки, изображающий микроканалы, проходящие частично вдоль ободка торца; и
[0023] Фиг.14 представляет собой вид сверху в разрезе торец аэродинамической части лопатки, изображающий микроканалы, проходящие вдоль ободка торца.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0024] Термин «первый», «второй» и им подобные, используемые в настоящем документе, не обозначают любой порядок, количество или значимость, а используются, чтобы отличать один элемент от другого. Формы единственного числа, приведенные в настоящем документе, не означают ограничение количества, а, скорее, обозначают наличие по меньшей мере одного из указанных элементов. Модификатор «приблизительно», используемый в контексте количества, включает указанные значения и имеет значение, продиктованное контекстом (например, включает степень ошибки, связанной с измерением определенного количества). Кроме того, термин «комбинация» включает составы, смеси, сплавы, продукты реакции и т.д.
[0025] Кроме того, в этом описании указание на множественное число, представленное дополнительно в виде термина в скобках, как правило, подразумевает как единственное, так и множественное число для термина, который они изменяют, таким образом, включая один или несколько этих терминов (например, термин «проходное отверстие» может включать одно или несколько проходных отверстий, если не указано обратное). Ссылка в описании на «один вариант выполнения», «другой вариант выполнения», «вариант выполнения» и так далее означает, что конкретный элемент (например, признак, конструкция и/или характеристика), описанная в связи с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения, описанный в настоящем документе, и может присутствовать, а может и не присутствовать в других вариантах выполнения. Аналогичным образом, ссылка на «конкретную конфигурацию» означает, что конкретный элемент (например, признак, конструкция и/или характеристика), описанный в связи с указанной конфигурацией, входит в по меньшей мере одну конфигурацию, описанную в настоящем документе, и может присутствовать, а может и не присутствовать в других конфигурациях. Кроме того, следует понимать, что описанные изобретательские признаки могут быть объединены любым подходящим способом в различные варианты выполнения и конфигурации.
[0026] Фиг.1 представляет собой схематическую диаграмму газотурбинной установки 10. Установка 10 может содержать один или несколько компрессоров 12, камер 14 сгорания, турбин 16 и топливных форсунок 20. Компрессор 12 и турбина 16 могут быть соединены одним или несколькими валами 18. Вал 18 может представлять собой один вал или несколько сегментов вала, соединенных вместе для формирования вала 18.
[0027] Газотурбинная установка 10 может содержать некоторое количество элементов 100 тракта высокотемпературных газов. Элемент тракта высокотемпературных газов представляет собой любой элемент установки 10, который, по меньшей мере частично, подвергается воздействию потока высокотемпературного газа, проходящего через установку 10. Например, узлы рабочих лопаток (также известные как лопатки или узлы лопаток), узлы сопловых лопаток (также известных как лопатки или узлы лопаток), узлы кожуха, переходные части, предохранительные кольца и выхлопные элементы компрессора - все представляют собой элементы тракта высокотемпературных газов. Тем не менее, следует понимать, что элемент 100 тракта высокотемпературных газов, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, не ограничивается приведенными выше примерами, а может представлять собой любой элемент, который, по меньшей мере частично, подвергается воздействию потока высокотемпературного газа. Кроме того, следует понимать, что элемент 100 тракта высокотемпературных газов, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, не ограничивается элементами в газотурбинной установке 10, а может представлять собой любую часть машины или ее элемента, который может быть подвержен воздействию высокотемпературных потоков.
[0028] Когда элемент 100 подвергается воздействию потока высокотемпературного газа, он нагревается в потоке этого газа и может достигать температуры, при которой элемент 100 по существу деградирует или разрушается. Таким образом, для того, чтобы обеспечить возможность работы установки 10 с потоком высокотемпературного газа при высокой температуре, повышая КПД, производительность и/или срок службы установки 10, для элемента 100 требуется наличие системы охлаждения.
[0029] Микроканальное охлаждение имеет потенциал значительного снижения требования к охлаждению путем размещения охлаждения настолько близко к нагретой области, насколько это возможно, снижая, тем самым, для заданной скорости теплопередачи разницу температур между горячей стороной и холодной стороной основного материала подложки, к которой приложена основная нагрузка.
[0030] В целом, система охлаждения, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, содержит ряд небольших каналов, или микроканалов, образованных на поверхности элемента 100. Для элементов энергетических турбин промышленных размеров "малые" или "микро" размеры канала будут охватывать приблизительные глубины и ширины в диапазоне от 0,25 мм до 1,5 мм, тогда как для турбин с размерами для авиационных приложений размер канала будет охватывать приблизительные глубины и ширины в диапазоне от 0,1 мм до 0,5 мм. Элемент тракта высокотемпературного газа может быть снабжен защитным покрытием. Охлаждающая текучая среды может быть подана в каналы из объема, при этом охлаждающая текучая среда может протекать через каналы, охлаждая элемент тракта высокотемпературных газов.
[0031] Элемент 100 описан со ссылкой на Фиг.2-6 и 11. Как указано, например, на Фиг.2 и 3, элемент 100 содержит подложку 110, имеющую наружную поверхность 112, внутреннюю поверхность 116 и торец 34. Как указано, например, на Фиг.2, внутренняя поверхность 116 ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство 114. Как указано, например, на Фиг.2 и 6, наружная поверхность 112 ограничивает одну или несколько канавок 132, причем каждая канавка 132 проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности 112 подложки 110 и имеет основание 134.2. Для конфигурации, показанной на Фиг.3, элемент 100 содержит аэродинамическую часть 100 лопатки турбины, а каждое полое внутреннее пространство 114 содержит соответствующий сегмент по меньшей мере одного проточного канала (который также обозначен номером позиции 114).
1
3
[0032] Как правило, подложка 110 отлита еще до формирования канавки 132. Как обсуждается в патенте США №5626462, выданном на имя Мелвина Р.Джексона и др. и озаглавленного «Аэродинамическая часть лопатки с двойной стенкой», который полностью включен в настоящий документ, подложка 110 может быть выполнена из любого подходящего материала. В зависимости от предполагаемого применения элемента 100, этот материал может включать жаропрочные сплавы на основе никеля, кобальта и железа. Жаропрочные сплавы на основе никеля могут быть те, которые содержат как γ, так и γ' фазы, в особенности те из никелевых сплавов, содержащих как γ, так и γ' фазы, причем γ фаза занимает не менее 40% от объема жаропрочных сплавов. Такие сплавы, как известно, являются выгодными, из-за комбинации необходимых свойств, включая высокотемпературную прочность и высокотемпературное сопротивление ползучести. Материал подложки может также содержать интерметаллический сплав NiAl, поскольку известно, что эти сплавы обладают сочетанием превосходных свойств, включая высокотемпературную прочность и высокотемпературное сопротивление ползучести, которые являются выгодными для использования в приложении турбинных двигателей, используемых для самолетов. В случае сплавов на основе Nb, сплавы на основе Nb с покрытием, имеющие превосходную стойкость к окислению, будут предпочтительнее, в особенности сплавы, имеющие состав Nb - (27-40) Ti - (4,5-10,5) Al - (4,5-7,9) Cr - (1,5-5,5) Hf - (0-6) V, где диапазоны составов приведены в атомных процентах. Материал подложки может также содержать сплав на основе Nb, который содержит по меньшей мере одну вторичную фазу, такие как Nb-содержащие интерметаллические соединения, содержащие силициды, карбиды или бориды. Такие сплавы являются композитами из пластичной фазы (т.е. сплавы на основе Nb) и упрочняющей фазы (например, Nb-содержащее интерметаллическое соединение). Для других конфигураций материал подложки состоит из сплава на основе молибдена, такого как сплав на основе молибдена (твердый раствор) со вторичными фазами M05S1B2 и MoSi. Для других конфигураций материал подложки содержит керамический композиционный материал, такой как матрицу из карбида кремния (SiC), армированную волокнами SiC. Для других конфигураций материал подложки содержит интерметаллический состав на основе TiAl.
[0033] Канавки 132 могут быть выполнены с использованием различных способов. Иллюстративные способы для формирования канавки 132 включают абразивные струи жидкости, электрохимическую обработку (ЕСМ) погружением, обработку электрическим разрядом (EDM) с вращающимся электродом (фрезерование EDM) и лазерную обработку. Иллюстративные способы лазерной обработки описаны в принадлежащей настоящему правообладателю заявке на патент США №12/697005, «Процесс и система для формирования профилированных воздушных отверстий», поданной 29 января 2010 года, которая включена в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки. Иллюстративные способы EDM описаны в принадлежащей настоящему правообладателю заявке на патент США №12/790675 «Изделия, которые содержат шевронные отверстия для пленочного охлаждения, и связанные с ними процессы», поданной 28 мая 2010 года, которая включена в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.
[0034] Для конкретных процессов канавки формируют с помощью абразивной струи жидкости (не показана). Иллюстративные процессы струйного сверления и системы, использующие абразивные струи жидкости, представлены в принадлежащей настоящему правообладателю заявке на патент США №12/790675 «Изделия, которые содержат шевронные отверстия для пленочного охлаждения, и связанные с ними процессы», поданной 28 мая 2010 года, которая включена в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки. Как поясняется в заявке на патент США №12/790675, процесс струйного сверления струей воды обычно использует высокие скорости потока абразивных частиц (например, абразивные «зерна»), взвешенные в потоке воды под высоким давлением. Давление воды может значительно варьироваться, но часто находится в диапазоне приблизительно от 35 до 620 МПа. Может быть использовано большое число абразивных материалов, например, гранат, оксид алюминия, карбид кремния и стеклянные шарики. Преимущественно, способность способов обработки абразивной жидкой струей облегчает удаление материала стадиями до различных глубин, с управлением формой. Например, это обеспечивает возможность выхода внутреннего входного отверстия 140 (описано ниже со ссылкой на Фиг.4) в канал, который будет просверлен либо в виде прямого отверстия постоянного сечения, профилированного отверстия (эллиптического и т.д.) или сходящегося или расходящегося отверстия.
[0035] Кроме того, как описано в заявке на патент США №12/790,675, система водяной струи может содержать многоосное устройство с компьютерным числовым программным управлением (ЧПУ) (не показано). Системы ЧПУ сами по себе известны в данной области техники и описаны, например, в патентной публикации США №1005/0013926 (С.Рутковский и др.), которые включены в настоящий документ посредством ссылки. Системы ЧПУ обеспечивают возможность перемещения режущего инструмента вдоль ряда осей X, Y, Z, а также оси вращения.
[0036] Более конкретно, каждая канавка 132 может быть образована путем направления абразивной струи жидкости под боковым углом к поверхности 112 подложки 110 при первом проходе абразивной струи жидкости, а затем выполнения последующего прохода под углом, по существу противоположным указанному боковому углу так, что каждая канавка сужается в выходном отверстии 136 канавки и, следовательно, является канавкой с суженным с открытой стороны сечением (как описано ниже со ссылкой на Фиг.6). Как правило, для достижения требуемой глубины и ширины канавки выполняют многократные проходы. Этот способ описан в принадлежащей настоящему правообладателю заявке на патент США №12/943,624, на имя Банкер и др., и озаглавленного «Элементы с охлаждающими каналами с суженным с открытой стороны сечением и способы изготовления», которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки. Кроме того, этап формирования канавок 132 с суженным с открытой стороны сечением, может дополнительно включать выполнение дополнительного тракта, причем абразивную струю жидкости направляют на основание 134 канавки 132 под одним или несколькими углами между указанным боковым углом и по существу противоположным углом так, что материал удаляется из основания 134 канавки 132.
[0037] Со ссылкой теперь на Фиг.2, 6 и 11, элемент 100 дополнительно содержит покрытие 150, которое расположено поверх по меньшей мере части наружной поверхности 112 подложки 110. Как было указано, например, на Фиг.6, покрытие 150 содержит по меньшей мере структурное покрытие 54. Покрытие 150 содержит подходящий материал и прикреплено к элементу. Для иллюстративной конструкции, изображенной на Фиг.6, структурное покрытие 54 проходит поверх канавок 132 так, что вместе канавка 132 и структурное покрытие 54 ограничивают один или несколько каналов 130 для охлаждения элемента 100.
[0038] Для конкретных конфигураций промышленных элементов покрытие 150 имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 2,0 миллиметра и, в частности, в диапазоне от 0,2 до 1 миллиметра, а еще более конкретно в диапазоне от 0,2 до 0,5 миллиметров. Для авиационных элементов этот диапазон составляет обычно от 0,1 до 0,25 мм. Тем не менее в зависимости от требований для конкретного элемента 100 могут быть использованы другие толщины.
[0039] Покрытие 150 содержит структурные слои и может также содержать дополнительные слои покрытия. Слой покрытия может быть нанесен с использованием различных способов. Для отдельных процессов структурные покрытия наносятся посредством ионно-плазменного напыления (катодной дуги). Иллюстративное устройство ионно-плазменного напыления и способ напыления приведены в принадлежащей настоящему правообладателю опубликованной заявке на патент США №10080138529, на имя Уивера и др., «Способ и устройство для ионно-плазменного напыления катодной дугой», которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки. Короче говоря, ионно-плазменное напыление включает размещение расходного катода, выполненного из материала покрытия, в вакуумную среду в вакуумной камере, размещение подложки 110 в вакуумной среде, подачу тока на катод с образованием катодной дуги на поверхности катода, что приводит к вызываемой дугой эрозии материала покрытия с поверхности катода, и нанесению материала покрытия с катода на поверхность 112 подложки.
[0040] Не ограничивающие примеры покрытия, нанесенного с помощью ионно-плазменного напыления, включают структурные покрытия, а также связующие покрытия и стойкие к окислению покрытия, как описано более подробно ниже со ссылкой на патент США №5626462, на имя Джексона и др., озаглавленного «Аэродинамическая часть лопатки с двойной стенкой». Для некоторых элементов 100 структурное покрытие содержит сплав на основе никеля или сплав на основе кобальта и, в частности, содержит жаропрочный сплав, или сплав (Ni.Co)CrAlY. Например, если материал подложки является жаропрочным сплавом на основе никеля, содержащего как γ, так и γ' фазы, структурное покрытие может содержать аналогичные составы материалов, как обсуждается более подробно ниже со ссылкой на патент США №5626462.
[0041] Для других технологических конфигураций структурное покрытие наносят путем выполнения либо термического напыления, либо холодного напыления. Например, процесс термического напыления может включать напыление в горящей струе или плазменное напыление, причем напыление в горящей струе может включать как высокоскоростное газопламенное напыление с использованием кислорода (HVOF), так и высокоскоростное газопламенное напыление с использованием воздуха (HVAF), а плазменное напыление может включать атмосферное (например, в воздухе или в инертном газе) плазменное напыление или плазменное напыление низкого давления (LPPS, которое также известно как вакуумное плазменное напыление, или VPS). В одном не ограничивающем примере покрытие из (Ni.Co)CrAlY осаждают способом HVOF или HVAF. Другие иллюстративные способы для нанесения структурного покрытия включают, без ограничения, распыление, электроннолучевое физическое осаждение из паровой фазы, покрытие методом химического восстановления и гальванику.
[0042] Для конкретных конфигураций желательно использовать несколько способов осаждения для нанесения структурных и дополнительных слоев покрытия. Например, первый структурный слой покрытия может быть осажден с использованием ионно-плазменного напыления, а последующий осажденный слой и дополнительные слои (не показаны) могут быть осаждены с помощью других способов, таких как процесс напыления в горящей струе или плазменного напыления. В зависимости от используемых материалов, применение различных способов осаждения слоев покрытия может обеспечивать преимущества в свойствах, например, но не ограничиваясь этим, допустимом пределе деформации, прочности, адгезионных свойствах и/или пластичности.
[0043] Для конфигураций, показанных на Фиг.4 и 5, торец 34 содержит крышку 40, ограждающую полое внутреннее пространство 114, и ободок 36, расположенный на радиальном наружном конце 154 подложки. Как указано, например, на Фиг.4 и 5, ободок 36 торца, по меньшей мере частично, ограничивает по меньшей мере один выпускной канал 152, который находится в проточном сообщении с по меньшей мере одним охлаждающим каналом 130. Для иллюстративной конфигурации диаметр выпускных каналов имеет значения в диапазоне приблизительно от 0,25 до 1,5 мм и, в частности, в диапазоне приблизительно от 0,35 до 1 мм. Преимущественно, для конструкций, изображенных на Фиг.4 и 5, выпускные каналы 152 проходят через ободок 36 торца, охлаждая, тем самым, ободок 36 торца для повышения надежности и функциональности.
[0044] Для конструкции, изображенной на Фиг.4, подложка 110 дополнительно ограничивает по меньшей мере один впускной канал 140, который проходит между соответствующим полым внутренним пространством 114 и по меньшей мере одним охлаждающим каналом 130, и обеспечивает проточное сообщение между ними. Как указано на Фиг.4, соответствующий впускной канал 140 пересекает основание 134 соответствующего охлаждающего канала 130. Как было отмечено выше, внутренние впускные каналы 140, по которым осуществляется подача в соответствующих охлаждающие каналы, могут быть просверлены либо в виде прямого отверстия постоянного поперечного сечения, либо профилированного отверстия (эллиптического и т.д.), либо сходящегося и расходящегося отверстия. Способы формирования впускных отверстий приведены в принадлежащей настоящему правообладателю заявке на патент США №13/210697, которая включена в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.
[0045] Для конкретной конструкции, изображенной на Фиг.4, каждый выпускной канал 152 пересекает соответствующий охлаждающий канал 130.
[0046] Как указано, например, на Фиг.3, для конкретных конфигураций подложка 110 ограничивает боковую стенку 24 стороны высокого давления и боковую стенку 26 стороны низкого давления. Боковые стенки 24, 26 сторон высокого давления и низкого давления соединены вместе на переднем краю 28 и на заднем краю 30 элемента 100 и проходят от основания 32 элемента до торца 34 элемента 100. Для конструкции, изображенной на Фиг.4, охлаждающие каналы 130 проходят, по меньшей мере частично, вдоль по меньшей мере одной из боковых стенок 24, 26 сторон высокого давления и низкого давления. Преимущественно, охлаждающие каналы 130 охлаждают наружную поверхность 112 подложки 110, а также охлаждают покрытие 150.
[0047] Имеется целый ряд возможных конструкций охлаждающих каналов 130 и выпускных каналов 152, в зависимости от конструкции торца элемента. Для конфигурации, показанной на Фиг.5, каждый охлаждающий канал 130 проходит, по меньшей мере частично, вдоль крышки 40 торца и, таким образом, охлаждает крышку 40 торца. Еще более конкретно, для конструкции, показанной на Фиг.5, крышка 40 ограничивает по меньшей мере один впускной канал 140, который проходит между по меньшей мере одним полым внутренним пространством 114 и по меньшей мере одним охлаждающим каналом 130, и обеспечивает проточное сообщение между ними, причем соответствующий впускной канал 140 пересекает основание 134 соответствующего охлаждающего канала 130.
[0048] Как уже отмечалось выше, канавки 132 могут иметь большое число различных геометрий. Для конструкции, показанной на Фиг.6, каждая канавка 132 имеет выходное отверстие 136, причем каждая канавка 132 сужается в своем выходном отверстии 136 и, таким образом, имеет сечение, суженное с открытой стороны, так что каждый охлаждающий канал 130 содержит охлаждающий канал 130 с суженным с открытой стороны сечением. Канавки с суженным с открытой стороны сечением описаны в заявке на патент США №12/943624. Для конкретных конфигураций основание 134 канавки 132 с суженным с открытой стороны сечением по меньшей мере в 2 раза шире, чем верхняя часть 136 соответствующей канавки 132. Например, если основание 134 канавки 132 составляет 0,75 мм, то для этой конфигурации верхняя часть 136 будет меньше, чем 0,375 мм в ширину. Для более конкретных конфигураций основание 134 канавки 132 с суженным с открытой стороны сечением по меньшей мере в 3 раза шире, чем верхняя часть 136 соответствующей канавки 132, а еще более конкретно, основание 134 канавки 132 с суженным с открытой стороны сечением по меньшей мере в диапазоне от 3 до 4 раз шире, чем верхняя часть 136 соответствующей канавки 132. Преимущественно, большое соотношение ширины основания к ширине верхней части увеличивает общий объем охлаждения для микроканала 130, одновременно способствуя нанесению покрытия 150 поверх канавки 132 (без использования расходуемого наполнителя), без заполнения канавки 132 покрытием 150.
[0049] Для некоторых конфигураций структурное покрытие 54 полностью перекрывает соответствующие канавки 132 таким образом, что покрытие 150 герметично закрывает соответствующие микроканалы 130. Для других конфигураций, однако, структурное покрытие 54 ограничивает один или несколько проницаемых пазов 144 (например, пористость покрытия или промежуток в покрытии), так что структурное покрытие не полностью перекрывает каждую из указанных одной или большего числа канавок 132, как показано на Фиг.11. Хотя на Фиг.11 схематически изображены пазы 144 как имеющие единообразную и прямую геометрию, обычно каждый паз 144 имеет неправильную геометрию, с варьируемой шириной щели 144, поскольку по мере нанесения покрытия 150 увеличивается толщина. Первоначально, когда на подложку 110 наносится первая часть покрытия 150, ширина паза 144 может достигать 50% ширины верхней части 136 микроканала 130. Паз 144 может затем сузиться до 5% или менее от ширины верхней части 136, по мере того, как покрытие 150 нарастает. Для конкретных примеров ширина щели 144 в самом ее узком месте составляет от 5% до 20% от ширины верхней части 136 соответствующих микроканалов. Кроме того, паз 144 может быть пористым, причем в этом случае «пористый» паз 144 может иметь несколько соединений, то есть некоторые места или точки, в которых зазор равен нулю. Пазы 144 преимущественно обеспечивают снятие напряжения для покрытия 150.
[0050] Преимущественно, микроканалы в описанной выше конфигурации охлаждающих и выпускных каналов обеспечивают более точное и эффективное охлаждение торца, тогда как выпускные каналы служат для охлаждения ободка торца, сохраняя, тем самым, свою прочность и функциональность.
[0051] Еще один элемент 100 описан со ссылкой на Фиг.2, 3 и 5-11. Как указано, например, на Фиг.2 и 3, элемент 100 содержит подложку 110, имеющую наружную поверхность 112, внутреннюю поверхность 116 и торец 34. Как показано на Фиг.2, внутренняя поверхность 116 ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство 114. Как показано, например, на Фиг.7, торец 34 содержит крышку 40, ограждающую полое внутреннее пространство 114. Как показано, например, на Фиг.6 и 7, наружная поверхность 112 ограничивает одну или несколько канавок 132, причем каждая канавка 132 проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности 112 крышки 40 торца и имеет основание 134. Подложка 110 в целом описана выше как общая конфигурация и геометрия канавок.
[0052] Как указано, например, на Фиг.2, 6 и 11, элемент 100 дополнительно содержит покрытие 150, расположенное поверх по меньшей мере части наружной поверхности 112 подложки 110. Покрытие 150 содержит по меньшей мере структурное покрытие 54, которое проходит поверх канавки 132 так, что вместе канавка 132 и структурное покрытие 54 ограничивают один или несколько каналов 130 для охлаждения элемента 100. Покрытие описано выше.
[0053] Как указано, например, на Фиг.5 и 7-10, торец 34 содержит крышку 40 ограждающую полое внутреннее пространство 114, при этом охлаждающие каналы 130 проходят, по меньшей мере частично, вдоль крышки 40 торца. Преимущественно, путем размещения охлаждающих каналов 130 в крышке 40 торца для охлаждения крышки во время работы может быть обеспечено микроканальное охлаждение, для повышения долговечности и функциональности.
[0054] Для иллюстративных конфигураций, показанных на Фиг.5 и 7-10, крышка 40 торца ограничивает по меньшей мере один впускной канал 140, который проходит между по меньшей мере одним полым внутренним пространством 114 и по меньшей мере одним охлаждающим каналом 130, и обеспечивает между ними проточное сообщение, причем соответствующий впускной канал 140 пересекает основание 134 соответствующего охлаждающего канала 130. Способы формирования впускных отверстий, а также геометрия впускных отверстий описаны выше.
[0055] Для иллюстративных конструкций, показанных на Фиг.7-9, торец 34 дополнительно содержит ободок 36, расположенный на радиальном наружном конце 154 подложки 110. Как указано на Фиг.7-9, подложка 110 ограничивает по меньшей мере один выпускной канал 152, который проходит ниже ободка 36 торца и проточно сообщается по меньшей мере с одним охлаждающим каналом 130.
[0056] Аналогично конфигурации, описанной выше со ссылкой на Фиг.3, для конкретных конфигураций подложка 110 ограничивает боковую стенку 24 стороны высокого давления и боковую стенку 26 стороны низкого давления. Боковые стенки 24, 26 сторон высокого давления и низкого давления соединены вместе на переднем краю 28 и на заднем краю 30 элемента 100 и проходят от основания 32 элемента до торца 34 элемента 100. Для конкретной конфигурации, показанной на Фиг.10, крышка 40 торца имеет скошенный радиальный наружный конец 156 и ограничивает по меньшей мере одно выпускное отверстие 152, проходящее между соответствующим охлаждающим каналом 130 и одной из боковых стенок 24, 26 сторон высокого давления и низкого давления.
[0057] Аналогично конфигурации, описанной выше со ссылкой на Фиг.4 и 5, для охлаждающих конфигураций, показанных на Фиг.5 и 7-10, охлаждающие каналы могут представлять собой каналы с суженным с открытой стороны сечением (описаны выше со ссылкой на Фиг.6). Аналогично, для конкретных конфигураций структурное покрытие может полностью перекрывать каждую канавку, герметизируя, тем самым, каналы. Для других конфигураций, однако, структурное покрытие 54 может ограничивать один или несколько проницаемых пазов 144 так, что структурное покрытие не полностью перекрывает каждую канавку 132, как описано выше со ссылкой на Фиг.11.
[0058] Еще один элемент 100 описан со ссылкой на Фиг.2, 3, 6, 11, 13 и 14. Как указано, например, на Фиг.2 и 3, элемент 100 содержит подложку 110, имеющую наружную поверхность 112, внутреннюю поверхность 116 и торец 34. Как указано, например, на Фиг.2, внутренняя поверхность 116 ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство 114. Как указано на Фиг.6, 13 и 14, наружная поверхность 112 ограничивает одну или несколько канавок 132, причем каждая канавка 132 проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности 112 подложки 110 и имеет основание 134. Подложка 110 описана в целом выше, как имеющая общую конструкцию и геометрию канавки.
[0059] Как указано на Фиг.2, 6, 13 и 14, элемент 100 дополнительно содержит покрытие 150, расположенное поверх по меньшей мере части наружной поверхности 112 подложки 110. Покрытие 150 содержит по меньшей мере структурное покрытие 54, которое проходит поверх канавки 132, так что вместе канавка 132 и структурное покрытие 54 ограничивают один или несколько каналов 130 для охлаждения элемента 100. Покрытие описано выше.
[0060] Как указано на Фиг.13 и 14, торец 34 содержит крышку 40, ограждающую полое внутреннее пространство 114, и ободок 36, расположенный на радиальном наружном конце 154 подложки. Как указано на Фиг.13 и 14, каждый охлаждающий канал 130 проходит, по меньшей мере частично, вдоль ободка 36 торца.
[0061] Для иллюстративных конфигураций, показанных на Фиг.14, каждый охлаждающий канал 130 проходит по всей длине ободка 36 торца, тогда как для иллюстративной конфигурации, показанной на Фиг.13, каждый охлаждающий канал 130 проходит по длине ободка 36 торца только частично.
[0062] Как описано выше, канавки 132 могут иметь несколько различных геометрий. Для конструкций, показанных на Фиг.6 и 11, канавки имеют суженное с открытой стороны сечение, так что каждый охлаждающий канал 130 содержит охлаждающий канал 130 с суженным с открытой стороны сечением. Кроме того, для определенных конфигураций структурное покрытие 54 полностью перекрывает каждую канавку и, следовательно, герметизирует каждую канавку 132. Однако для конструкции, показанной на Фиг.11, структурное покрытие 54 ограничивает один или несколько проницаемых пазов 144 так, что структурное покрытие не полностью перекрывает каждую канавку 132.
[0063] Как описано выше, в конкретных конфигурациях элемент содержит аэродинамическую часть 100 лопатки турбины, а каждое полое внутреннее пространство 114 содержит соответствующий сегмент по меньшей мере одного проточного канала 114. Для иллюстративных конфигураций, показанных на Фиг.13 и 14, подложка 110 дополнительно ограничивает по меньшей мере один впускной канал 140, который проходит между соответствующим полым внутренним пространством 114 и по меньшей мере одним охлаждающим каналом 130, и обеспечивает проточное сообщение между ними, причем соответствующий впускной канал 140 пересекает основание 134 соответствующего охлаждающего канала 130. Различные геометрии впускных каналов и способы формирования впускных каналов описаны выше.
[0064] Еще один элемент 100 описан со ссылкой на Фиг.2, 3, 6, 11 и 12. Как указано, например, на Фиг.2 и 3, элемент 100 содержит подложку 110, имеющую наружную поверхность 112, внутреннюю поверхность 116 и торец 34. Как указано, например, на Фиг.2, внутренняя поверхность 116 ограничивает по меньшей мере одно полое внутреннее пространство 114. Как указано на Фиг.6, 13 и 14, наружная поверхность 112 ограничивает одну или несколько канавок 132, причем каждая канавка 132 проходит, по меньшей мере частично, вдоль наружной поверхности 112 подложки 110 и имеет основание 134. Подложка 110 в целом описана выше, как имеющая общую конструкцию и геометрию канавки.
[0065] Как указано на Фиг.2, 6, 13 и 14, элемент 100 дополнительно содержит покрытие 150, расположенное поверх по меньшей мере части наружной поверхности 112 подложки 110. Покрытие 150 содержит по меньшей мере структурное покрытие 54, которое проходит поверх канавки 132, так что вместе канавка 132 и структурное покрытие 54 ограничивают один или несколько каналов 130 для охлаждения элемента 100. Покрытие описано выше.
[0066] Как указано на Фиг.12, торец 34 содержит крышку 40, ограждающую полое внутреннее пространство 114, и ободок 36, расположенный на радиальном наружном конце 154 подложки и имеющей выступ 160. Как и в конфигурации, описанной выше со ссылкой на Фиг.3, подложка 110 ограничивает боковую стенку 24 стороны высокого давления и боковую стенку 26 стороны низкого давления. Боковые стенки 24, 26 сторон высокого давления и низкого давления соединены вместе на переднем краю 28 и на заднем краю 30 элемента 100 и проходят от основания 32 элемента до торца 34 элемента 100. Для конструкции, показанной на Фиг.12, по меньшей мере один канал 130 проходит, по меньшей мере частично, вдоль боковой стенки 24 стороны высокого давления и пересекает выступ 160 торца. Другие дополнительные аспекты элемента описаны выше.
[0067] Следует отметить, что, хотя в настоящем документе все изображено в строго двумерных поперечных разрезах, выполненных через торец лопатки, охлаждающие каналы, выпускные каналы, а также впускные каналы могут быть изогнутыми или прямыми, могут пересекаться друг с другом, а могут быть трехмерными вдоль изогнутых поверхностей и нескольких секций. Кроме того, хотя основной целью выпускного или охлаждающего канала, проникающего через герметизирующий элемент (ободок торца, крышку и т.д.) является внутреннее охлаждение, выход каналов может также выступать в качестве пленочного охлаждения на наружной поверхности для дальнейшего усиления охлаждения герметизирующего элемента.
[0068] Преимущественно, использование микроканалов на наружной поверхности обеспечивает более точное и эффективное охлаждение торца, тогда как выпускные каналы служат для охлаждения авиационных герметизированных элементов (ободок торца), сохраняя, тем самым, свою прочность и функциональность. Из-за этого более эффективного охлаждения торца лопатки текущий объем охлаждающей жидкости, специально предназначенной для этой цели, может быть значительно снижен (например, до пятидесяти процентов). Кроме того, описанные выше конфигурации охлаждения торца помогают сохранить для торца лопатки функцию аэродинамического уплотнения, что приводит к более высокому КПД и выходной мощности турбины. Аналогично, для авиационных приложений, описанных выше, конфигурация охлаждения торца приводит к улучшению удельного расхода топлива (SFC) и уменьшенному понижению предельной температуры выхлопных газов (EGT).
[0069] Хотя в настоящем документе были проиллюстрированы и описаны только некоторые признаки изобретения, специалистам будут понятны многие модификации и изменения. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые подпадают под истинную сущность изобретения.