用于渦輪系統的熱氣體路徑部件的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于渦輪系統的熱氣體路徑部件。該熱氣體路徑部件包括外殼和具有外表面和內表面且定位成鄰近所述外殼的一個或多個多孔介質。一個或多個多孔介質被構造成包括在下列方向之一上變化的滲透率：軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向，該多孔介質定位成鄰近外殼。一個或多個多孔介質還構造成控制流過其中的冷卻介質的軸向、徑向、軸向和徑向、軸向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向流動中的一個。
【專利說明】用于渦輪系統的熱氣體路徑部件
[0001]本公開按照美國能源部授予的DE-FC26-05NT42643號合同在政府支持下進行。美國政府在本公開中享有一定權利。
【技術領域】
[0002]本文中所公開的主題大體上涉及渦輪系統，并且更具體而言，涉及用于渦輪系統的熱氣體路徑部件。
【背景技術】
[0003]渦輪系統在諸如發電、飛行器發動機和其它類型的渦輪的領域中廣泛地使用。例如，常規燃氣渦輪系統包括壓縮機、燃燒器和渦輪。在燃氣渦輪系統的操作期間，系統中的各種部件經受高溫流，這可導致部件失效。由于較高溫度的流通常導致燃氣渦輪系統的增加的性能、效率和功率輸出，經受高溫流的部件必須被冷卻以允許燃氣渦輪系統以增加的溫度、增加的效率和/或減少的排放操作。
[0004]本領域中已知用于冷卻各種燃氣渦輪系統部件的各種策略。例如，冷卻介質可從壓縮機被導引并提供至各種部件。在系統的壓縮機段和渦輪段中，冷卻介質可用于冷卻各種壓縮機部件和渦輪部件。
[0005]噴嘴是必須冷卻的熱氣體路徑部件的一個示例。例如，諸如翼型件的噴嘴的各個部分設置在熱氣體路徑中且暴露于相對高的溫度，并且因此需要冷卻。
[0006]用于冷卻噴嘴的一個解決方案是在翼型件內部包括沖擊套管。冷卻介質流至噴嘴的內部，且然后流過沖擊套管并流到翼型件的內表面上。該方法有利于翼型件的沖擊冷卻。然而，雖然沖擊套管的確提供足夠的噴嘴冷卻，但增加的冷卻效率是期望的。這樣增加的效率將允許冷卻噴嘴所需的冷卻介質的減少，以及因此排放的減少和/或點火溫度的增加。
[0007]因此，希望提供一種用于渦輪系統的改進的熱氣體路徑部件，例如改進的噴嘴。例如，具有改進的冷卻特征的熱氣體路徑部件將是有利的。
【發明內容】
[0008]現有技術的這些和其它缺點通過本公開來解決，本公開提供了一種用于渦輪系統的熱氣體部件。
[0009]根據一個實施例，提供了一種用于渦輪系統的熱氣體路徑部件。熱氣體路徑部件包括具有外表面和內表面的外殼以及具有外表面和內表面的一個或多個多孔介質。一個或多個多孔介質被構造成包括在下列方向之一上變化的滲透率:軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向，該多孔介質定位成鄰近外殼。一個或多個多孔介質被構造成控制流過其中的冷卻介質的軸向、徑向、軸向和徑向、軸向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向冷卻劑流分布中的一個。
[0010]根據另一個實施例，提供了一種用于渦輪系統的熱氣體路徑部件。熱氣體路徑部件包括具有外表面和內表面的外殼以及具有外表面和內表面的一個或多個多孔介質。一個或多個多孔介質構造成包括以下列方式之一變化的滲透率:沿長軸、通過多孔介質的厚度、沿長軸且通過多孔介質的厚度、沿短軸且通過厚度、沿長軸和短軸、或沿長軸、短軸且通過多孔介質的厚度，該多孔介質定位成鄰近外殼。一個或多個多孔介質被構造成以下列方式之一控制流過其中的冷卻介質的冷卻劑流分布:沿長軸、通過多孔介質的厚度、沿長軸且通過多孔介質的厚度、沿短軸且通過厚度、沿長軸和短軸、或沿長軸、短軸且通過多孔介質的厚度。
[0011]根據又一個實施例，提供了一種渦輪系統。渦輪系統包括壓縮機、聯接到壓縮機的渦輪、以及設置在壓縮機或渦輪中的至少一個中的多個熱氣體路徑部件。熱氣體路徑部件中的至少一個包括具有外表面和內表面的外殼以及具有外表面和內表面的一個或多個多孔介質。一個或多個多孔介質構造成包括在下列方向之一上變化的滲透率:軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向，該多孔介質定位成鄰近外殼。多孔介質定位成鄰近外殼。一個或多個多孔介質構造成控制流過其中的冷卻介質的軸向、徑向、軸向和徑向、軸向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向冷卻劑流分布中的一個。
[0012]在參照附圖閱讀下面的詳細描述和所附權利要求之后，本公開的其它目的和優點將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]當參考附圖閱讀下面的【具體實施方式】時，本公開的上述和其它特征、方面和優點將變得更好理解，在所有圖中類似的標記表示類似的部件，在附圖中:
圖1是已知的燃氣渦輪系統的示意圖；
圖2是根據本公開的實施例的熱氣體路徑部件的一部分的透視圖；
圖3是根據本公開的另一個實施例的熱氣體路徑部件的一部分的透視圖；
圖4是根據本公開的一個實施例的熱氣體路徑部件的俯視剖視圖；
圖5是根據本公開的一個實施例的圖4的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向剖視圖；
圖6是根據本公開的另一個實施例的熱氣體路徑部件的俯視剖視圖；
圖7是根據本公開的一個實施例的圖6的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向剖視圖；
圖8是根據本公開的另一個實施例的熱氣體路徑部件的俯視剖視圖；
圖9是根據本公開的一個實施例的圖8的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向剖視圖；
圖10是根據本公開的另一個實施例的熱氣體路徑部件的俯視剖視圖；
圖11是根據本公開的一個實施例的圖10的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向剖視圖；
圖12是根據本公開的另一個實施例的熱氣體路徑部件的俯視剖視圖；
圖13是根據本公開的一個實施例的圖12的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向剖視圖；
圖14是根據本公開的一個實施例的熱氣體路徑部件沿圖3的線1-14截取的近距離展向剖視圖；以及
圖15是根據本公開的一個實施例的熱氣體路徑部件沿圖2的線15-15截取的近距離展向剖視圖。
[0014]部件列表
10燃氣渦輪系統
12壓縮機
14燃燒器
16渦輪
18軸
20熱氣體路徑
30熱氣體路徑部件
32外殼
34端帽
36外表面
38內表面
40熱氣體路徑部件
42壓力側
44吸力側
46前緣
48后緣
50冷卻介質
52內部
60多孔介質
62多個插件
64箭頭
66外表面
68內表面
70熱氣體路徑部件
72執占
74冷點
76箭頭
80沖擊套管
82外表面
84內表面
86沖擊通路
88沖擊通路
90基質
92間隙
94TBC 粘合層(bond coat) 96冷卻通路
98多孔區
100熱氣體部件
102增加的流動阻力
104外部
106減小的流動阻力 108 中部
110空氣流。
【具體實施方式】
[0015]現在將對本公開的實施例進行詳細參考，在附圖中顯示了其中一個或多個示例。每個示例通過對本公開進行說明而不是對本公開進行限制的方式提供。實際上，對本領域技術人員而言，顯而易見的是，在不脫離本公開的范圍或精神的情況下，可在本公開中作出許多修改與變型。例如，作為一個實施例的部分而顯示或描述的特征可與另一實施例一起使用，以產生又一實施例。因此，本公開意圖包括這樣落入所附權利要求及其等同物的范圍內的修改與變型。
[0016]圖1是已知的燃氣渦輪系統10的示意圖。系統10可包括壓縮機12、燃燒器14和渦輪16。壓縮機12和渦輪16可由軸18聯接。軸18可以是單個軸或聯接到一起形成軸18的多個軸段。
[0017]渦輪16可包括多個渦輪級。例如,在一個實施例中，渦輪16可具有三個級。渦輪16的第一級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。噴嘴可周向圍繞軸18設置和固定。動葉可周向圍繞軸設置且聯接到軸18。渦輪16的第二級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。噴嘴可周向圍繞軸18設置和固定。動葉可周向圍繞軸18設置且聯接到軸18。渦輪16的第三級可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。噴嘴可周向圍繞軸18設置和固定。動葉可周向圍繞軸18設置且聯接到軸18。渦輪16的各個級可至少部分地設置在渦輪16中，并且可至少部分地限定熱氣體路徑。應當理解，渦輪16不限于三個級，相反，任何級數均在本公開的范圍和精神內。
[0018]類似地，壓縮機12可包括多個壓縮機級(未示出)。壓縮機12的級中的每一個可包括多個周向間隔的噴嘴和動葉。
[0019]在圖2中以附圖標記30示出示例性的熱氣體路徑部件，該部件可包括在渦輪16和/或壓縮機12中。在如圖所示的示例性實施例中，熱氣體路徑部件30為噴嘴。然而，備選地，根據本公開的熱氣體路徑部件30可以是動葉、護罩塊或任何其它合適的部件，其可設置在流過渦輪系統10的熱氣體的路徑中。噴嘴30可包括外殼32。在示例性實施例中，外殼32可以是在端帽34之間延伸的翼型件。在其中外殼32為翼型件的實施例中，該翼型件可具有大體上空氣動力學的輪廓。例如，外殼32可具有外表面36和內表面38(圖4)。在其中外殼32為翼型件的實施例中，外表面36可限定均在前緣46和后緣48之間延伸的壓力側42和吸力側44或任何其它合適的空氣動力學輪廓。端帽34中的一個或多個可限定開口(未示出)。開口可允許冷卻介質50流至由內表面38限定的外殼32的內部52，如本領域中通常已知的那樣。
[0020]如圖2所示，根據本公開的熱氣體路徑部件30還包括一個或多個多孔介質60。在圖示實施例中，一個或多個多孔介質60由多個多孔介質插件62構成，該多個多孔介質插件62定位成鄰近外殼32的內部38且被構造成包括在軸向(X)方向(沿短軸)、徑向(z)方向(沿長軸)和周向(y)方向(通過厚度)上的變化的滲透率(本文所述)。一個或多個多孔介質60構造成控制流過其中的冷卻介質50的軸向(沿短軸)、徑向(沿長軸)和周向(通過厚度)冷卻劑流分布，如由箭頭64所示。一個或多個多孔介質60中的每一個可與一個或多個多孔介質60中的其余間隔開，例如如圖所示在外殼32的輪廓(例如，空氣動力學輪廓)的方向上，或者在任何其它合適的方向上，或者可鄰接或以其它方式接觸一個或多個多孔介質60中的其余。在一個備選實施例中，單個多孔介質60可被包括和構造成如上所述具有變化的滲透率。
[0021]在圖3中以附圖標記70示出另一個示例性的熱氣體路徑部件，該部件可包括在渦輪16和/或壓縮機12中。應當理解，貫穿各個所公開的實施例，類似的元件具有類似的標記。在如圖所示的一個示例性實施例中，熱氣體路徑部件70為噴嘴，大體上類似于圖2的熱氣體路徑部件30。備選地，根據本公開的熱氣體路徑部件70可以是動葉、護罩塊或任何其它合適的部件，其可設置在流過渦輪系統10的熱氣體的路徑中。噴嘴70可包括外殼32。如前所述，外殼32可以是在端帽34之間延伸的翼型件。在其中外殼32為翼型件的實施例中，該翼型件可具有包括外表面36和內表面38(圖4)的大體上空氣動力學的輪廓。外表面36可限定均在前緣46和后緣48之間延伸的壓力側42和吸力側44或任何其它合適的空氣動力學輪廓。端帽34中的一個或多個可限定開口(未示出)。開口可允許冷卻介質50流至由內表面38限定的外殼32的內部52 (圖4)，如本領域中通常已知的那樣。在其中外殼32為翼型件的實施例中，外表面36。
[0022]如圖3所示，根據本公開的熱氣體路徑部件70還包括一個或多個多孔介質60。在圖示實施例中，一個或多個多孔介質60由多個多孔介質插件62構成，該多個多孔介質插件62定位成鄰近外殼32的內部38并且構造成包括在軸向(X)、徑向(z)和周向(y)方向上的變化的滲透率(本文所述)。相比圖2中示出的實施例，在該特定實施例中，一個或多個多孔介質60圍繞熱氣體路徑部件70內的已知熱點72和已知的冷點74構造。更具體地講，一個或多個多孔介質60構造成控制圍繞已知的熱點72和已知的冷點72的軸向、徑向和周向冷卻劑流分布(如由箭頭64所示)，以優化流過其中的冷卻介質50的流動并將優化的冷卻提供至部件30的熱部分。
[0023]現在參看圖4至圖15，示出了示出一個或多個多孔介質60的多個實施例，其包括在軸向“X”和周向“y”方向兩者上的變化的滲透率。在一些實施例中，熱氣體路徑部件30、70還可包括用于熱氣體部件30的沖擊套管80，如圖4和圖5所示。更具體而言，圖4中示出的是根據本公開的一個實施例的熱氣體路徑部件(且更具體而言噴嘴)的俯視剖視圖。圖5示出了根據本公開的一個實施例的圖4的熱氣體路徑部件的一部分的近距離展向或徑向剖視圖。在圖不實施例中，沖擊套管80可至少部分地設置在外殼32的內部52內且與內表面38間隔開。沖擊套管80可具有外表面82和內表面84,并且可具有類似于外殼32的輪廓的輪廓。此外，沖擊套管80可限定在內表面84和外表面82之間延伸的一個或多個沖擊通路86 (圖5)。流入外殼32的內部52的冷卻介質50可流過這些沖擊通路86。在其它實施例中，熱氣體路徑部件30、70可包括在其中的任何合適的套管。例如，套管可包括多個間隔開的板，這些板允許冷卻介質50流過它們之間。
[0024]這樣的沖擊通路86可具有任何合適的橫截面形狀，例如，圓形或橢圓形形狀、正方形或矩形形狀、三角形或具有任何其它合適的多邊形形狀。例如，在一些示例性實施例中，沖擊通路86可具有大體上圓形的橫截面形狀，而在其它實施例中，沖擊通路86可具有大體上矩形的橫截面形狀并且被表征為狹槽。
[0025]如在圖4和圖5中進一步示出的，根據本公開的熱氣體路徑部件30包括一個或多個多孔介質60，和更具體地講一個或多個多孔介質插件62，如前所述。根據本公開的一個或多個多孔介質60中的每一個具有外表面66和內表面68。在如圖5中最清楚不出的一個實施例中，外表面66定位成鄰近外殼32的內表面38。在其中熱氣體路徑部件30包括沖擊套管80 (例如，圖示的或其它合適的套管)的實施例中，一個或多個多孔介質60定位在熱氣體路徑部件30的外殼32的內表面38和沖擊套管80或其它合適的套管之間，使得沖擊套管80的外表面82定位成鄰近多孔介質60的內表面68。
[0026]根據本公開的一個或多個多孔介質60可有利地允許例如外殼32的熱氣體路徑部件30的改善的冷卻。例如,在示例性實施例中，由于大體上流過一個或多個多孔介質60的冷卻介質50, —個或多個多孔介質60允許從外殼32的傳導性熱傳遞。在另外的實施例中，如下文所討論的，一個或多個多孔介質60可附加地允許外殼32的沖擊冷卻，從而進一步改善熱氣體路徑部件30的冷卻。
[0027]根據本公開的一個或多個多孔介質60可由任何合適的一種或多種多孔材料形成，其具有基質90和一個或多個間隙92。例如，在一些實施例中，諸如其基質90的一個或多個多孔介質60可由金屬或金屬合金泡沫、陶瓷泡沫(例如陶瓷基質復合物泡沫)或碳纖維泡沫形成。泡沫通常通過以下方式形成:將諸如金屬、陶瓷或碳纖維的材料與另一種物質混合，且然后將該物質熔融掉，留下多孔泡沫。在其它實施例中，一個或多個多孔介質60可由例如合適的材料或任何其它合適的一種或多種材料的多個填充在一起的壓條(bead)形成。一個或多個多孔介質60可因此構造用于使冷卻介質50流過其中。冷卻介質50可在接觸外殼32的內表面38之前流過一個或多個多孔介質60中的間隙92，從而在示例性實施例中有利于對流冷卻。
[0028]如圖5中所示，在一個實施例中，一個或多個多孔介質60在外殼32的輪廓(例如，空氣動力學輪廓)的方向上為連續的，使得內表面38的大致整個橫截面輪廓鄰近多孔介質60。在其它實施例中，內表面38的橫截面輪廓的僅一部分可鄰近多孔介質。
[0029]此外，如附圖中所示，一個或多個多孔介質60具有控制局部流動阻力的多維性質，使得能夠將冷卻介質50控制到所需區域。更具體地講，多孔介質60構造成包括在軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向中的一個上變化的滲透率。多孔介質60的變化的滲透率使得能夠控制流過其中的冷卻介質50的軸向、徑向、軸向和徑向、軸向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向冷卻劑流分布中的一個。控制一個或多個多孔介質60的局部流動阻力的能力最大化對于給定量的冷卻介質50的冷卻潛力。在一個實施例中，一個或多個多孔介質60構造成包括在流過其中的冷卻介質50的軸向“X”、徑向“z”和周向冷卻劑流分布中的變化的滲透率。更具體地講，一個或多個多孔介質60可構造成通過定制軸向、徑向和周向壁滲透率和/或孔隙率來控制軸向、徑向和周向流分布，以將冷卻流50的流動導向至部件表面的不同區域，例如，更具滲透性的部段將具有更高的冷卻劑流量。在圖示實施例中，一個或多個多孔介質60在軸向方向上具有優先的滲透特性。在一個實施例中，滲透率可優先地在軸向方向被偏置。這種軸向相對于徑向和周向的定制可以是客戶限定的，以提供冷卻至需要這樣的冷卻的具體位置。
[0030]在圖5中所示的實施例中，多孔介質60的滲透率被定制以包括從前緣46到后緣48橫跨多孔介質60沿軸向“X”并且橫跨多孔介質60的主體沿周向“y”變化的滲透率。在該特定實施例中，流動阻力在鄰近沖擊套管80的一部分多孔介質60中且在軸向方向上靠近前緣46的多孔介質60的左手部分中較大。通過以這種方式構造多孔介質60，在熱的外殼32附近且朝后緣48的減小的流動阻力在多孔介質60內形成冷卻介質50的非均勻的流分布，其朝熱部件壁并且更具體地熱外殼32和后緣48偏置。應當理解，冷卻介質50的這種非均勻的流分布可通過包括具有在多個方向上變化的滲透率的單個多孔介質插件62、具有變化的滲透率的多個多孔介質插件62、或由沿著冷卻介質50的優選流動方向取向的薄固體(或低滲透率多孔介質層)隔開的多個多孔介質62來實現。
[0031]如此前暗示的，在一個實施例中，熱氣體路徑部件30可包括多于一個多孔介質60。在包括多個多孔介質插件62的實施例中，多個多孔介質60中的每一個可例如在如圖所示外殼32的輪廓(例如空氣動力學輪廓)的方向上或在任何其它合適的方向上與一個或多個多孔介質60中的其余間隔開，或者可鄰接或以其它方式接觸多個多孔介質60中的其余。
[0032]如上文所討論的，在圖4和圖5中所示的實施例中，沖擊套管80可定位成鄰近多孔介質60的內表面68，例如以間隔開的關系或鄰接內表面68。在這些實施例中，冷卻介質50可通過沖擊套管80的沖擊通路86流至一個或多個多孔介質60。在其它實施例中，如圖6至圖13中所示，沖擊套管80可以可選地包括在熱氣體路徑部件30中。
[0033]在示例性實施例中，一個或多個多孔介質60可與外殼32和/或可選的沖擊套管80接觸。因此，多孔介質60的外表面66可接觸外殼32的內表面38。多孔介質60的內表面68可接觸沖擊套管80的外表面82 (當存在時)。在其中多孔介質60接觸外殼32和/或沖擊套管80的一些實施例中，一個或多個多孔介質60可被壓力配合、例如通過合適的粘合劑或結合過程結合、或以其它方式連接到外殼32和/或沖擊套管80。在其它實施例中，一個或多個多孔介質60可與外殼32和/或沖擊套管80間隔開。因此，根據本公開的一個或多個多孔介質60可與外殼32和沖擊套管80兩者接觸，可與外殼32和沖擊套管80兩者間隔開、或者可與外殼32或沖擊套管80中的一個接觸并與外殼32或沖擊套管80中的另一個間隔開。
[0034]現在參看圖6和圖7，在如圖4-13中可見的示例性實施例中，并且如圖7中最清楚地所示，一個或多個沖擊通路88可被進一步限定在多孔介質60中。沖擊通路88可在多孔介質60的內表面68和外表面66之間延伸。這樣的沖擊通路88可允許冷卻介質50的部分流過其中并且沖擊在外殼32的內表面38上，從而沖擊冷卻外殼32。此外，冷卻介質50的部分可進入流至沖擊通路88的沖擊通路86，且然后從沖擊通路88流過多孔介質60中的間隙92，從而以其它方式有利于外殼32的冷卻。
[0035]類似于沖擊通路86，這樣的沖擊通路88可具有任何合適的橫截面形狀，例如，圓形或橢圓形形狀、正方形或矩形形狀、三角形或具有任何其它合適的多邊形形狀。例如，在一些示例性實施例中，沖擊通路88可具有大體上圓形的橫截面形狀,而在其它實施例中，沖擊通路88可具有大體上矩形的橫截面形狀并且被表征為狹槽。沖擊通路88可具有大于、等于或小于沖擊通路86的橫截面積的橫截面積。此外，沖擊通路88可具有任何合適的橫截面積，并且該橫截面積可以是在通路88的整個長度上恒定的，或者可變化，如在圖7的最左側沖擊通路88中所示。例如，在一些實施例中，通路88可漸縮，或者可具有受約束的部分或相對較大的部分。
[0036]更進一步地，沖擊通路88可以是線性的、曲線的或具有任何其它合適的路徑。例如，在一些實施例中，沖擊通路88可以是曲線的、具有大體上蛇形的路徑，例如在圖7的最右側沖擊通路88中所示。在其它實施例中，沖擊通路88可僅具有線性路徑。
[0037]根據本公開的沖擊通路88可被鉆孔或以其它方式形成到多孔介質60中。在其中沖擊套管80鄰近多孔介質60的實施例中，沖擊套管80中的沖擊通路86可與多孔介質60的沖擊通路88大體上對齊。在其中多孔介質60的內表面68被處理(本文所述)的實施例中，沖擊通路88可延伸穿過該處理的表面。
[0038]根據本公開的外殼32可進一步限定一個或多個冷卻通路96，如圖4至圖11所示。冷卻通路96可在外殼32的內表面38和外表面36之間延伸，如圖5、圖7和圖9所示，或者在涂布層(本文所述)的內表面和外表面之間延伸。這樣的冷卻通路96可具有任何合適的橫截面形狀、橫截面積和橫截面路徑。如圖7和圖9中最清楚地所示，在一些實施例中，冷卻通路96可以是膜冷卻通路，并且可以是成角度的且形成為使得流過其中且從其排放的冷卻介質50接著向涂布層(本文所述)和/或外殼32的外表面36提供膜冷卻。
[0039]一個或多個冷卻通路96可與多孔介質60或者與限定在其中的沖擊通路88對齊，如圖7中所示。流過沖擊通路86和/或88及多孔介質60的冷卻介質50可流動進入和通過冷卻通路96。在一些實施例中，如在圖5中所示，冷卻通路96僅延伸通過在內表面38和外表面36之間的外殼32。在其它實施例中，如圖9所示，冷卻通路96可進一步至少部分地延伸進入且至少部分地限定在多孔介質60中。例如,冷卻通路96可延伸穿過多孔介質60的外表面66,如圖所不。
[0040]如在圖6和圖7中進一步所示，在一些實施例中，多孔介質60的內表面68可被處理，例如，磨削、挫削(filling)、硬焊、焊接、軟焊、涂布或將適當地密封內表面68的任何其它合適的處理技術。這樣的處理可密封內表面68，使得限定在多孔介質60中的間隙92不延伸至內表面68。諸如沖擊通路86的通路可接著形成為穿過處理的表面。冷卻通路96也可以穿過外殼32形成，如上文所討論地，以允許冷卻介質50流過其中。此外，可在多孔介質60中進一步限定如此前描述的一個或多個沖擊通路88。沖擊通路88可在多孔介質60的內表面68和外表面66之間延伸。
[0041 ] 如在圖8至11中進一步所示，在一些實施例中，一個或多個多孔介質60可設置在外殼32的外表面36上。在一個實施例中，如在圖8和圖9中最清楚所示，一個或多個多孔介質60可例如利用TBC粘合層94或其它涂布層處理。這樣的處理可密封一個或多個多孔介質60的外表面66,使得限定在一個或多個多孔介質60中的間隙92不延伸至外表面66。諸如沖擊通路86的通路可穿過外殼32形成，和/或沖擊通路88可穿過處理過的外表面66形成，如前所述，以允許冷卻介質50流過其中。一個或多個冷卻通路96可穿過如前所述的涂布層94形成。外表面66的處理還可包括磨削、銼削、硬焊、焊接、軟焊、或將適當地密封外表面66的任何其它合適的處理技術。
[0042]在一個實施例中，如在圖10和圖11中最清楚所示，一個或多個多孔介質60保持暴露并且不包括套管(例如此前描述的沖擊套管86)或諸如通過磨削、銼削、硬焊、焊接、軟焊或涂布(例如利用如前所述的TBC粘合層94或其它涂布層)的表面處理。在所描述的實施例中，冷卻介質50的流隨著通過一個或多個多孔介質60的蒸發(transpirat1n)冷卻而離開。
[0043]在又一個實施例中，如圖12和圖13最清楚所示，多孔介質60可設置成與外殼32共線且包括多個分立的多孔區98。在該實施例中，冷卻介質50的流隨蒸發冷卻而通過多孔介質60離開。在一個實施例中，多個分立的多孔區98和在每個多孔區98內的滲透率和/或孔隙率可被調整以將最大蒸發冷卻置于最需要的地方。在一個實施例中，如果翼型件30的一個部段具有較高熱負荷，則在該區域中的多孔介質60可具有較低滲透率。此外，該多孔介質60的最下游部分可具有最低的滲透率，以使得最大量的冷卻劑介質50在該區域中離開。
[0044]現在參看圖14和圖15，示出了一個或多個多孔介質60的展向部分，其包括變化的滲透率和/或孔隙率以定制和控制穿過其中的冷卻流體50的流量。如前所述，一個或多個多孔介質60包括多維性質以控制局部流動阻力，并且因此使得能夠將冷卻介質50控制到所需區域。通過定制的一個或多個多孔介質60的滲透率和/或孔隙率，流動阻力能夠被控制以最大化對于給定量的冷卻介質50的冷卻潛力。更具體地講，圖14中示出了大體上類似于熱氣體部件30或70的熱氣體部件100的中心展向部分，其中一個或多個多孔介質60示出了在如由箭頭“z”所示展向方向上變化的滲透率和/或孔隙率。如圖所示的一個或多個多孔介質60包括在鄰近熱氣體部件100的翼展的外部104的區域中增加的流動阻力102和在鄰近熱氣體部件100的翼展的中部108的區域中減小的流動阻力106。如由箭頭110所示，一個或多個多孔介質60的滲透率和/或孔隙率的定制提供在中部108中冷卻劑介質50的向內流動和流量增加。
[0045]現在參看圖15，示出了大體上類似于熱氣體部件30或70的熱氣體部件200的展向部分，其中一個或多個多孔介質60示出了在如由箭頭“z”所示的展向方向上變化的滲透率和/或孔隙率。在該特定實施例中，如圖所示的一個或多個多孔介質60包括在鄰近翼展的外部104的區域中減小的流動阻力106和在鄰近翼展的中部108的區域中增加的流動阻力102。如由箭頭110所示，一個或多個多孔介質60的變化的滲透率和/或孔隙率有助于在外部104中冷卻劑介質50的向外流動和流量增加。
[0046]相應地，所描述的是包括一個或多個多孔介質的熱氣體部件的實施例，其中就滲透率和/或孔隙率而言，一個或多個多孔介質的定制使得能夠實現在熱氣體部件的具體區域中增加的冷卻。更具體地講，通過定制在展向方向(徑向)和軸向方向(從前緣到后緣的熱氣體路徑的流動)上多孔介質的滲透率和/或孔隙率，實現了冷卻劑介質的流動相對于翼型件的定向控制。通過在厚度方向或周向方向(如果多孔介質設置在垂直于前緣/后緣的側面上)和/或軸向(如果多孔介質設置在前緣上)和/或徑向(如果多孔介質設置在端壁上)上改變多孔介質的滲透率和/或孔隙率，實現了對鄰近翼型件表面的冷卻劑多少的控制。
[0047]該書面描述用示例來公開包括最佳模式的實施例，并且還使本領域技術人員能實施本文中所公開的實施例，包括制造和使用任何裝置或系統以及執行任何包括在內的方法。本公開的可專利范圍由所附權利要求所限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果這種其它示例具有與所附權利要求的字面語言沒有不同的結構元件，或者如果它們包括與所附權利要求的字面語言無實質差別的等同結構元件，則這種其它示例意圖在所附權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種用于渦輪系統(10)的熱氣體路徑部件(30，70)，包括: 外殼(32)，其具有外表面(36)和內表面(38);以及 一個或多個多孔介質(60)，其具有外表面(66)和內表面(68)，所述一個或多個多孔介質(60)構造成包括在下列方向之一上變化的滲透率:軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向，所述多孔介質(60)定位成鄰近所述外殼(32)， 其中，所述一個或多個多孔介質(60)被構造成控制流過其中的冷卻介質(50)的軸向、徑向、軸向和徑向、軸向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向冷卻劑流分布中的一個。
2.根據權利要求1所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，所述一個或多個多孔介質(60)包括具有變化的滲透率的多個多孔介質插件。
3.根據權利要求1所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，所述一個或多個多孔介質(60)的外表面(66)定位成鄰近所述外殼(32)的內表面(38)。
4.根據權利要求3所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，還包括定位成鄰近所述多孔介質(60)的內表面(68)的沖擊套管(80)。
5.根據權利要求1所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，所述一個或多個多孔介質(60)的內表面(68)定位成鄰近所述外殼(32)的外表面(36)。
6.根據權利要求5所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，還包括定位成鄰近所述多孔介質(60)的外表面(66)的沖擊套管(80)。
7.根據權利要求1所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，所述多孔介質(60)由金屬泡沫、陶瓷泡沫或碳纖維泡沫中的一種形成。
8.根據權利要求1所述的熱氣體路徑部件(30，70)，其特征在于，所述熱氣體路徑部件(30，70)為噴嘴。
9.一種用于渦輪系統(10)的熱氣體路徑部件(30，70)，包括: 外殼(32)，其具有外表面(36)和內表面(38);以及 一個或多個多孔介質(60)，其具有外表面(66)和內表面(68)，所述一個或多個多孔介質(60)被構造成包括以下列方式之一變化的滲透率:沿長軸、通過所述多孔介質(60)的厚度、沿長軸且通過所述多孔介質(60)的厚度、沿短軸且通過厚度、沿長軸和短軸、或沿長軸、短軸且通過所述多孔介質(60)的厚度，所述多孔介質(60)定位成鄰近所述外殼(32)， 其中，所述一個或多個多孔介質(60)構造成以下列方式之一控制流過其中的冷卻介質(50)的冷卻劑流分布:沿長軸、通過所述多孔介質(60)的厚度、沿長軸且通過所述多孔介質(60)的厚度、沿短軸且通過所述多孔介質(60)的厚度、沿長軸和短軸、或沿長軸、短軸且通過所述多孔介質(60)的厚度。
10.一種潤輪系統(10),包括: 壓縮機(12)； 渦輪(16)，其聯接到所述壓縮機(12);以及 多個熱氣體路徑部件(30，70)，其設置在所述壓縮機(12)或所述渦輪(16)中的至少一個中，所述熱氣體路徑部件(30，70)中的至少一個包括: 外殼(32)，其具有外表面(36)和內表面(38);以及 一個或多個多孔介質(60)，其具有外表面(66)和內表面(68)，所述一個或多個多孔介質(60)被構造成包括在下列方向之一上變化的滲透率:軸向方向、徑向方向、軸向和徑向方向、軸向和周向方向、徑向和周向方向或軸向、徑向和周向方向，所述多孔介質(60)定位成鄰近所述外殼(32)， 其中，所述一個或多個多孔介質(60)構造成控制流過其中的冷卻介質(50)的軸向、徑向、軸向和徑向、軸 向和周向、徑向和周向或軸向、徑向和周向冷卻劑流分布中的一個。
【文檔編號】F04D29/40GK104074556SQ201410041436
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2013年3月29日
【發明者】B.G.布熱克, B.P.萊西, V.J.摩根 申請人:通用電氣公司