專利名稱：用于冷卻壁體的多沖擊復合結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于對壁體進行冷卻的多沖擊復合結構、一種具有多沖擊復合結
構的壁體以及一種用于制造所述多沖擊復合結構的方法。
背景技術：
在內燃發動機尤其燃氣渦輪機中存在著很高的工作溫度，因而導引熱氣的部件經 受很高的熱負荷。如果熱氣在燃氣渦輪機運行時達到高于導引熱氣的部件的最大允許的工 作溫度的溫度，那就應該對所述導引熱氣的部件進行冷卻，以便其不會受到損壞。傳統上在 燃氣渦輪機中用從燃氣渦輪機的壓縮機中分支出來的冷卻空氣對導引熱氣的部件進行冷 卻。由此燃氣渦輪機的效率變差，從而致力于盡可能低的冷卻空氣消耗，由此應該盡可能有 效地利用冷卻空氣。目前，為達到燃氣渦輪機的盡可能高的效率，致力于將目前常見的冷卻 空氣消耗減半。 導引熱氣的部件具有壁體，該壁體在其一側上與熱氣相接觸并且在其另一側上用 冷卻空氣來冷卻。借助于冷卻空氣從所述壁體上運走熱流，使得所述壁體在其朝向熱氣的 一側上擁有低于熱氣溫度的接觸溫度。已經知道，在所述壁體的背向熱氣的一側上設置了 多孔的結構，該結構被冷卻空氣流過。所述多孔的結構抵靠在所述壁體上，從而通過熱傳導 和熱輻射將熱量從壁體傳遞到多孔的結構中。所述多孔的結構又在其整個容積內將熱量散 發給冷卻空氣，用冷卻空氣可以將熱量從多孔的結構中運走。 借助于所述多孔的結構，比如可以對葉片端部壁體、動葉片上的環形段、過渡壁體 和燃燒器壁體進行冷卻，其中這些壁體基本上平坦地伸展。因此在這些壁體上所述結構僅 僅需要擁有較小的容積，用于能夠將所期望的熱流從壁體傳遞給冷卻空氣。此外，已經知 道，所述壁體可以具有多個薄膜冷卻孔，通過所述薄膜冷卻孔可以將冷卻空氣通過壁體導 送到熱氣流中，由此在所述壁體的熱氣側的表面上由冷卻空氣構成薄膜。通過多個薄膜冷 卻孔的設置，冷卻空氣從所述多孔的結構流出到熱氣流中，從而垂直于壁體均勻地流經所 述多孔的結構。此外，通過冷卻空氣孔的設置可以實現這一點，即在熱氣側薄膜冷卻可以接 近于其理想的極限情況也就是泄流冷卻。由此同時在所述壁體的熱氣側的表面上出現最佳 地隔熱的由冷卻空氣構成的薄膜。 所述多孔的結構比如可以由金屬泡沫制成，所述金屬泡沫由于其傳統的制造過程 僅僅擁有偶然的具有隨機分布的孔徑的結構。所述金屬泡沫在其制造方面成本低廉，但是 具有顯著的缺點。因此，比如在金屬泡沫中細孔可能部分被封閉，這些細孔由此具有太小的 孔徑，從而存在著這些細孔被堵塞的危險。此外，所述金屬泡沫在其內部具有銳利的棱邊， 由此在冷卻空氣流經金屬泡沫時會出現壓力損失的增加。此外，所述金屬泡沫在其內部具 有多個與細孔鄰接的接片，所述接片的隨機恒定的直徑對熱傳導來說是不利的。此外，在多 孔的結構中沒有在所述壁體上形成半徑(Radienbi ldung)。 此外已知一種設計的多孔的結構，該結構原則上可以具有每種任意的最佳的幾何 形狀。所設計的多孔的結構比如可以用制造方法"選擇性激光熔化"或者"選擇性燒結"來制造。但是，這些制造方法的缺點是，用它們只能制造最大6 PPI(每英寸的細孔)的所設 計的多孔的結構并且可以制造0.6到l毫米的最小接片厚度。不過，這些如此制造的設計 結構不適合于前面所提到的平坦的并且有待冷卻的壁體，因為為此需要40到50 PPI的PPI 率。此外，所述"選擇性激光熔化"十分耗時并且費用很高。由此所設計的多孔的比如用于 對葉片端部壁體、動葉片上面的環形段、過渡壁體和燃燒器壁體進行冷卻的如目前可以制 造的結構還具有明顯的缺點。 在圖4中示出了所設計的多孔的結構101。這個所設計的多孔的結構101具有多 個細孔102，這些細孔102由接片103構成，所述接片103在節點104中匯合。所設計的多 孔的結構101的高的傳熱基于在冷卻空氣流經所設計的多孔的結構101時形成的大量重復 的滯點流。在此，通過所述細孔102中的一個具有在圖4中繪出的角錐體的形狀的細孔使 冷卻空氣流加速，所述冷卻空氣流沖擊到所述接片103之一上或者沖擊到所述節點104之 一上，其中產生高的局部熱傳導。冷卻空氣流從那里通過下一個開口再次得到加速，用于 沖擊到后面的節點104或者接片103上。不過，在所設計的多孔的具有6 PPI結構的結構 101上，所提供的每容積滯點流的數目太少，以至于在平坦的構件上受限制地提供的容積中 將必需的熱量傳遞給冷卻空氣。所述多孔的結構101的傳熱能力可以隨沖擊冷卻狀況的數 目或者說隨PPI率的上升而提高，直到在極端情況下所設計的多孔的結構101的整個容積 還僅僅由微小的沖擊冷卻流構成。問題是，傳統上所述多孔的結構IOI不能夠以足夠的精 密度來制造。
發明內容
本發明的任務是，提供一種用于對壁體進行冷卻的多沖擊復合結構、一種具有多 沖擊復合結構的壁體以及一種用于制造所述多沖擊復合結構的方法，其中在流經所述多沖 擊復合結構時能夠產生很高數目的沖擊冷卻流，由此能夠有效地用多沖擊復合結構對所述 壁體進行冷卻。 所述按本發明的多沖擊復合結構能夠面狀地并且導熱地與有待冷卻的壁體的表 面相接觸并且具有多個孔板層和多個接片層，其中所述孔板層具有多個作為孔板構成的分 布地布置在孔板層的表面上的直通孔，所述接片層與所述孔板層以交替堆放的方式來布置 并且分別具有多個接片，所述接片分布地布置在孔板層的表面上并且相應地搭接這些孔板 層，其中，一個接片層的每個接片分別與另一個接片層的接片之一對齊布置，并且一個孔板 層的每個直通孔相對于相鄰的孔板層的直通孔錯開地布置，從而在所述多沖擊復合結構的 一個扁平側上向所述多沖擊復合結構用冷卻流體加載壓力時，所述冷卻流體通過所述直通 孔流動并且而后流經在所述接片與孔板層之間存在的中間空隙，由此在接片中從壁體中導 出的熱流能夠隨冷卻流體排出。 所述多沖擊復合結構因而具有多層孔板層，這些孔板層上下疊放地布置并且具有 彼此錯開布置的直通孔。通過所述直通孔，冷卻流體能夠分別在其下面的平面中瀑布狀地 置于相應的沖擊冷卻流中。最后一個(熱的)或第一個(冷的)平面代表著可能明顯比沖 擊冷卻平面厚的壁體。所述平面通過接片彼此相連接，所述接片構造為孔板層的連接元件。 通過所述接片，將熱量從有待冷卻的壁體導送給另一個平面，從而同樣可以在那里的沖擊 冷卻流中傳遞熱量。為此，所述接片對齊地上下疊放。所述接片分別具有盡可能大的橫截
5面面積，使得沿所述接片的傳熱率很高。然而只是將所述接片的橫截面面積選擇得如此大
小，使得冷卻流體流中的通過接片引起的壓力損失以及在此隨之對沖擊冷卻流中的熱傳導
的損害不會過高。所述接片的橫截面面積的數量級也從所述直通孔的間距中獲得。 隨著與熱的有待冷卻的壁體之間的間距，被冷卻介質所吸收的熱流的份額減小。
由此在遠離所述壁體的沖擊冷卻層中被冷卻介質吸收的熱流的份額很小。由此將所述多沖
擊復合結構的厚度限制到最大必要的尺度上就已足夠，使得所述多沖擊復合結構為預先確
定的傳熱管路且為確定的壓力損失而具有足夠數目的孔板層和接片層。所述多沖擊復合結
構的幾何形狀可以在其全部的熱傳導和其全部的壓力損失方面得到優化。所述接片之間的
間距以及所述直通孔之間的間距可以從小于1毫米直至數厘米。由此所述多沖擊復合結構
構造為所設計的多孔的結構的極端情況，其中所述多沖擊復合結構具有高度的幾何結構化程度。 在所述多沖擊復合結構中，除了滯點流之外還出現了其它傳熱機制。在傳統的所
設計的多孔的結構中，所述滯點流的區域限制在很小的橫截面上，該橫截面由被冷卻流體
碰到的結構元件的區域所構成。由此需要前面所提到的每容積盡可能多的滯點的濃度，由
此要求多孔的結構的高PPI率。在多沖擊復合結構中，所述高的滯點熱傳導的區域延伸到
限制性的接片層之間的整個中間空隙。由此，所述接片與直通孔之間的間距遠遠不必像在
所設計的具有40到50PPI的多孔的結構中那樣小。此外，通過側面傳播的沖擊冷卻流體碰
撞到接片上這種方式產生渦流，所述渦流用于在所述接片上以及處于更下游的沖擊表面上
產生與在滯點區域中類似的高度熱傳導。由此向所述多沖擊復合結構的整個內表面加載高
程度的熱傳導，盡管所述接片與直通孔之間的間距會比40到50PPI大得多。 所述接片的縱向方向優選垂直于孔板層延伸。此外，所述接片優選在矩形網柵
(Rechteckraster)中均勻地分布布置在孔板層的表面上。所述直通孔優選相對于四個直接
相鄰的接片分別以相同的間距來布置并且在四個接片之間形成的中間空隙優選要么在一
個孔板層中要么在另一個孔板層中具有所述直通孔之一，使得所述直通孔處于空位上。 所述接片優選具有圓形的橫截面。作為替代方案優選所述接片具有柳葉刀狀的橫
截面，該橫截面則具有兩條對置的鈍的棱邊和兩條對置的尖銳的棱邊。此外，優選這樣的相
鄰的孔板層的直通孔處于假想的與所述尖銳的棱邊相交的線條上，在所述多沖擊復合結構
在其一個扁平側上被加載冷卻流體壓力時，所述冷卻流體通過該孔板層流出到在四個接片
之間形成的中間空隙中。此外優選這樣的相鄰的孔板層的直通孔處于假想的與所述鈍的棱
邊相交的線條上，在所述多沖擊復合結構在其一個扁平側上被加載冷卻流體壓力時，所述
冷卻流體通過該孔板層流入到在四個接片之間形成的中間空隙中。由此在鈍的棱邊上的沖
擊點與相應的平面的流出直通孔之間實現冷卻流體流的均勻的加速。由此阻止冷卻流體流
的分離，所述冷卻流體流的分離比如在具有圓形橫截面的接片的情況在最窄的被流過的橫
截面的后面發生并且在熱傳導的下游在所述接片的處于"背風面"中的表面上會明顯減少。
所有的流動效應如冷卻流體流的渦流在由接片形成的中間空隙中持續存在，使得所述接片
的柳葉刀狀的結構是所述多沖擊復合結構的一種優化方案。 在所述直通孔上，優選孔板被倒圓或者倒棱。由此減少所述多沖擊復合結構中的 壓力損失，從而可以降低冷卻流體的壓力，在此應該向所述多沖擊復合結構加載該壓力。通 過所述孔板與接片之間的過渡區域的進一步倒圓來有利地如此分布所述孔板與接片中的應力，從而抑制過度的應力峰值。所述按本發明的壁體具有多沖擊復合結構，該多沖擊復合 結構面狀地并且導熱地與所述壁體的表面相接觸。所述多沖擊復合結構優選以所述接片層 之一抵靠在所述壁體上并且所述壁體優選具有多個直通孔，使得所述壁體構造為孔板層之 一。所述直通孔在壁體中的分布密度可以有利地選擇得剛好與直通孔在孔板層中的分布密 度一樣大，從而能夠實現最佳的垂直于壁體指向的流動。此外，在壁體中的直通孔彼此緊挨 的情況下可以最佳地利用泄流冷卻效應。但是，壁體中的孔密度也可以不同于孔板中的孔 密度。 所述按本發明的用于制造多沖擊復合結構的方法具有這樣的步驟
用絲網印刷方法將多沖擊復合結構的各個層上下印刷在一起，其中分別為兩個孔 板層和一個接片層制造絲網掩模(Siebmaske)，通過所述絲網掩模來擠壓膏劑。優選所述膏 劑具有金屬粉末和膠合劑。優選對所述多沖擊復合結構進行燒結。孔板的厚度優選和接片 層的厚度具有相同的數量級。此外，優選所述絲網掩模由金屬膜以光化學方法來制成。在絲 網印刷方法中，所述多沖擊復合結構的各個層上下印刷在一起，其中為每個層(總共兩個 孔板層和一個接片層)分別制造絲網掩模。對于印刷本身，為每個層將由金屬粉末和膠合 劑構成的膏劑擠壓穿過所述絲網掩模的細孔，后來優選將所述膏劑作為整體進行燒結。如 果知道過程參數如配方、干燥時間和收縮尺寸，那就可以以低廉的成本大批量地進行所述 過程。 作為替代方案，另一種按本發明的用于制造多沖擊復合結構的方法具有以下步 驟 由具有恒定的橫截面的層來預加工多沖擊復合結構的結構塊(B16cke );對所 述結構塊進行預干燥并且將其上下堆放。在此優選對所述多沖擊復合結構進行燒結。所述 孔板的厚度優選具有和接片層的厚度相同的數量級。如果預加工所述多沖擊復合結構的結 構塊，那就對其進行預干燥并且精確地將其上下堆放并且隨后在燒結過程中彼此連接在一 起。在制造多沖擊復合結構時獲得高加工精度的基礎是高精度地制造用于所述結構塊的模 具。所述模具比如通過光化學方法來制成，該方法應用于所述模具的由金屬膜制成的各個 層。 此外，作為替代方案，所述另外的按本發明的用于制造多沖擊復合結構的方法具
有以下步驟由薄金屬膜來制造孔板層和接片層；在構成多沖擊復合結構的情況下來堆放 金屬膜；借助于"瞬態液相粘接(transient liquid phase bonding)"來連接金屬膜。由 此將金屬膜直接上下堆放并且借助于"瞬態液相粘接"來連接，其中所述金屬膜以光化學方 式成形為有待制造的多沖擊復合結構的正片的各個層。 如果所述接片和直通孔的網柵尺寸為1毫米以下的數量級，那就可以有利地運用 絲網印刷方法。但是在接片之間的間距較大時存在懸垂地印刷的薄膜會撕裂的危險。但 是，用于用由預干燥的燒結材料/膠合劑材料預加工的結構塊來制造多沖擊復合結構的方 法可以用于所述接片和直通孔的IO毫米及更大的網柵尺寸。各個金屬膜的"瞬態液相粘 接"可以用在大于10毫米的網柵尺寸上。
下面借助于隨附的示意圖對按本發明的多沖擊復合結構的優選的實施方式進行解釋。其中 圖1和3是所述多沖擊復合結構的按本發明的第一實施方式的透視圖， 圖2是所述多沖擊復合結構的按本發明的第二實施方式的橫截面的俯視圖，并且 圖4是傳統設計的多孔的結構的透視圖。
具體實施例方式
如可以從圖1到3中看出，多沖擊復合結構具有多個孔板層2，在所述孔板層2中 以網柵方式設置了多個直通孔3。冷卻流體通過直通孔2流動，因而所述直通孔分別具有流 入側4和流出側5。 此外，所述多沖擊復合結構1具有多個接片層6，所述接片層6分別布置在兩個相 鄰的孔板層2之間，因而所述多沖擊復合結構1具有由孔板層2和接片層4構成的夾層結 構。所述接片層6由多個接片7構成，而所述接片7則類似于所述直通孔3同樣網柵狀地 來布置并且以其縱向方向垂直于所述孔板層2。由此用每個接片7來搭接兩個相鄰的孔板 層2之間的間距，從而可以通過接片7將熱量從一個孔板層2傳遞給另一個孔板層2。
在所述接片層6之一中的相鄰的接片7之間構造了中間空隙8，要么所述直通孔3 之一的流入側4要么所述直通孔3之一的流出側5匯入所述中間空隙8中。由此直通孔3 布置在空位上。 —個接片層6的接片7分別與另一個接片層6的與其直接相鄰的接片對齊布置， 其中所述接片7在按圖1的多沖擊復合結構的按本發明的第一實施方式中分別具有圓形的 橫截面9。相反，按圖2的多沖擊復合結構的按本發明的第二實施方式的接片7則具有柳葉 刀狀的橫截面，該橫截面由兩條背向彼此的尖銳的棱邊11和兩條背向彼此的鈍的棱邊12 所構成，其中所述尖銳的棱邊11和鈍的棱邊12在環繞著所述柳葉刀狀的橫截面10的邊界 時彼此交替地布置。關于所述中間空隙8所述直通孔3以其朝向所述中間空隙8的流出側 5處于一條假想的與接片7之一的柳葉刀狀的橫截面10的兩條尖銳的棱邊11相交的線條 上。類似地，所述直通孔3的流入側4關于所述中間空隙8在朝向該中間空隙8的情況下 處于一條假想的穿過所述接片7的柳葉刀狀的橫截面10的鈍的棱邊12延伸的線條上。
在圖1和3的下面設置了多沖擊復合結構1的能夠面狀地并且導熱地與有待冷卻 的壁體相接觸的扁平側17。背向這個扁平側17在所述多沖擊復合結構1上設置了能夠用 冷卻介質進行壓力加載的扁平側16。冷卻介質流過直通孔3并且在流出側5以主流13流 入中間空隙8之一中。所述直通孔3的直徑小于所述中間空隙8的跨度，由此在所述中間 空隙8中出現冷卻流體的渦流14。然后出現橫向流14，該橫向流14從主流13在孔板層2 上的沖擊點16流向在下一個平面中錯開布置的直通孔3的流入口 4。冷卻流體然后在所 述直通孔3的流入側4上作為主流13又從所述中間空隙8中流出來并且通過直通孔3的 流出側5到達處于下面的中間空隙8。與主流13相反，通過所述接片7在從壁體傳遞的情 況下出現熱流15。該熱流15沿主流13的方向看從中間空隙8到中間空隙8通過對流的 熱傳導來傳遞給冷卻流體，因而所述壁體能夠用冷卻流體來冷卻，此外流入到每個孔板層2 中的熱流通過垂直地沖擊到孔板層2上的主流13被冷卻流體部分地吸收。總之，由此通過 針鰭配置(Pin-Fin-Konfiguration)上的沖擊冷卻和對流冷卻的組合來對所述多沖擊復 合結構l進行冷卻。
權利要求
用于借助于冷卻流體對壁體進行冷卻的多沖擊復合結構，其中該多沖擊復合結構能夠面狀地并且導熱地與所述壁體的表面相接觸(17)并且具有多個孔板層(2)和多個接片層(6)，其中所述孔板層具有多個作為孔板構造的分布地布置在孔板層(2)的表面上的直通孔(3)，所述接片層(6)與所述孔板層(2)以交替堆放的方式來布置并且分別具有多個接片(7)，所述接片分布地布置在孔板層(2)的表面上并且相應地搭接這些孔板層，其中，一個接片層(6)的每個接片(7)分別與其它接片層(7)的接片(7)之一對齊布置，并且一個孔板層(2)的每個直通孔(3)相對于相鄰的孔板層(2)的直通孔(3)錯開地布置，從而在對所述多沖擊復合結構(1)在其一個扁平側(16)上用冷卻流體加載壓力時，所述冷卻流體流過所述直通孔(3)并且流經在所述接片(7)與孔板層(2)之間存在的中間空隙(8)，由此在接片(7)中從壁體中導出的熱流(15)能夠隨冷卻流體排出。
2. 按權利要求l所述的多沖擊復合結構， 其中，所述接片(7)的縱向方向垂直于孔板層(2)延伸。
3. 按權利要求2所述的多沖擊復合結構，其中，所述接片(7)在矩形網柵中均勻分布地布置在所述孔板層(2)的表面上。
4. 按權利要求3所述的多沖擊復合結構，其中，所述直通孔(3)相對于四個直接相鄰的接片(7)分別以相同的間距來布置并且 在所述四個接片(7)之間形成的中間空隙(8)要么在一個孔板層(2)中要么在另一個孔板 層(2)中具有所述直通孔(3)之一，使得所述直通孔(3)立于空位上。
5. 按權利要求4所述的多沖擊復合結構， 其中，所述接片(7)具有圓形的橫截面(9)。
6. 按權利要求4所述的多沖擊復合結構，其中，所述接片(7)具有柳葉刀狀的橫截面(IO)，該橫截面具有兩條對置的鈍的棱邊 (12)和兩條對置的尖銳的棱邊(11)。
7. 按權利要求6所述的多沖擊復合結構，其中，這樣的孔板層(2)的直通孔(3)處于假想的與所述尖銳的棱邊(11)相交的線條 上，在所述多沖擊復合結構(1)在其一個扁平側(16)上用冷卻流體進行壓力加載時，所述 冷卻流體通過該孔板層(2)流出到所述在四個接片(7)之間形成的中間空隙(8)中。
8. 按權利要求6或7所述的多沖擊復合結構，其中，這樣的孔板層(2)的直通孔(3)處于假想的與所述鈍的棱邊(12)相交的線條 上，在所述多沖擊復合結構(1)在其一個扁平側(16)上用冷卻流體進行壓力加載時，所述 冷卻流體通過該孔板層(2)流入到所述在四個接片(7)之間形成的中間空隙(8)中。
9. 按權利要求1到8中任一項所述的多沖擊復合結構， 其中，所述孔板(2)在所述直通孔(3)處被倒圓。
10. 具有按權利要求1到9中任一項所述的多沖擊復合結構的壁體， 其中，所述多沖擊復合結構(1)能夠面狀地并且導熱地與所述壁體的表面相接觸(17)。
11. 按權利要求10所述的壁體，其中，所述多沖擊復合結構以所述接片層(6)之一抵靠在所述壁體上并且所述壁體具 有多個直通孔(3)，從而所述壁體構造為所述孔板層(2)之一。
12. 用于制造按權利要求1到9中任一項所述的多沖擊復合結構(1)的方法，具有以下步驟用絲網印刷方法將多沖擊復合結構的各個層上下印刷在一起，其中分別為兩個孔板層(2)和一個接片層(7)制造絲網掩模，通過所述絲網掩模來擠壓膏劑。
13. 按權利要求12所述的方法，其中，所述膏劑具有金屬粉末和膠合劑。
14. 按權利要求12或13所述的方法，其中，所述絲網掩模由金屬膜以光化學方法來制成。
15. 用于制造按權利要求1到8中任一項所述的多沖擊復合結構(1)的方法，具有以下 步驟_由具有恒定的橫截面的層來預加工多沖擊復合結構(1)的結構塊； _對所述結構塊進行預干燥并且將其上下堆放。
16. 按權利要求12到15中任一項所述的方法， 其中，對所述多沖擊復合結構(1)進行燒結。
17. 按權利要求12到16中任一項所述的方法，其中，所述孔板(2)的厚度具有和所述接片層(7)的厚度相同的數量級。
18. 用于制造按權利要求1到8中任一項所述的多沖擊復合結構(1)的方法，具有以下 步驟_由薄金屬膜來制造孔板層(2)和接片層(7); -在構成多沖擊復合結構(1)的情況下來堆放金屬膜； _借助于"瞬態液相粘接"來連接金屬膜。
全文摘要
用于冷卻壁體的多沖擊復合結構，其能夠面狀地并且導熱地與有待冷卻的壁體的表面相接觸并且具有多個孔板層和多個接片層，孔板層具有多個作為孔板構造的分布地布置在孔板層的表面上的直通孔，接片層與孔板層以交替堆放的方式來布置并且分別具有多個接片，接片分布地布置在孔板層的表面上并且相應地搭接孔板層，其中，一個接片層的每個接片分別與其它接片層的接片之一對齊布置并且一個孔板層的每個直通孔相對于相鄰的孔板層的直通孔錯開地布置，從而在對多沖擊復合結構以其一個扁平側用冷卻流體進行壓力加載時，冷卻流體流過所述直通孔并且流經在接片與孔板層之間存在的中間空隙，由此在接片中從壁體中導出的熱流能夠隨冷卻流體排出。
文檔編號F01D25/12GK101787904SQ200910253488
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月16日 優先權日2008年12月16日
發明者A·赫塞爾豪斯 申請人:西門子公司