具有成形冷卻孔的基底和制造方法
【專利摘要】一種基底具有形成在其中的一個(gè)或更多個(gè)成形瀉流冷卻孔。每個(gè)成形冷卻孔具有相對于燃燒器襯套的出口表面成角度的孔口。孔口的一個(gè)端部是形成在燃燒器襯套的入口表面中的入口。孔口的另一個(gè)端部是形成在燃燒器襯套的出口表面中的出口。出口具有僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展的成形部分。此外，用于形成成形冷卻孔的方法。
【專利說明】具有成形冷卻孔的基底和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域大體涉及渦輪，并且更特別地，涉及燃?xì)鉁u輪燃燒器襯套的制造和/或冷卻的某些新穎且有用的進(jìn)步，以下是本發(fā)明的說明書，其參考附圖，并且附圖形成其一部分。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪的燃燒器是其構(gòu)件或區(qū)域，其中，燃料的燃燒發(fā)生，并且，其實(shí)現(xiàn)各種發(fā)動機(jī)特性，包括排放物和/或燃料效率。燃燒器的目的是調(diào)整燃料和空氣的燃燒以產(chǎn)生呈高溫氣體形式的能量，該高溫氣體可使發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)渦輪旋轉(zhuǎn)，并且/或者傳送穿過排氣噴嘴。燃燒器服從各種設(shè)計(jì)考慮，其包括但不受限于:維持均勻的離開溫度分布，以使熱點(diǎn)不損壞渦輪或燃燒器，并且以低污染物排放操作。因此，包含燃燒過程并將各種空氣流引入到燃燒區(qū)中的燃燒器襯套建造成經(jīng)受高溫。一些燃燒器襯套通過隔熱涂層(“TBC”)隔熱，但是主要依靠各種類型的空氣冷卻以降低襯套溫度。例如，膜冷卻將冷卻空氣的薄覆層(blanket)噴射在燃燒器襯套的內(nèi)部上面，而瀉流冷卻推動冷空氣穿過燃燒器襯套中由緊密間隔的、分散的小孔或孔形成的柵格。在兩種方法之中，瀉流冷卻傾向于使用較少的空氣并產(chǎn)生比膜冷卻更均勻的溫度分布。
[0003]圖14是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)圓形冷卻孔120的基底的截面?zhèn)纫晥D。圖15是圖14的常規(guī)圓形冷卻孔120沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖16是圖15的常規(guī)圓形冷卻孔120沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0004]圖17是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)錐形膜冷卻孔130的基底的截面?zhèn)纫晥D。圖18是圖17的常規(guī)錐形膜冷卻孔130沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖19是圖17的常規(guī)錐形膜冷卻孔130沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0005]圖20是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)“3D”膜冷卻孔140的基底的截面?zhèn)纫晥D。圖21是圖20的常規(guī)“3D”膜冷卻孔140沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖22是圖20的常規(guī)“3D”膜冷卻孔140沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0006]圖23是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔150的基底的截面?zhèn)纫晥D。圖24是圖23的常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔150沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖25是圖23的常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔150沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0007]參考圖15-25，每個(gè)常規(guī)冷卻孔120、130、140和150成角度地形成在基底100中?；?00涂覆有隔熱涂層101。隔熱涂層101涂覆有結(jié)合涂層103。每個(gè)冷卻孔120、130、140和150具有形成在基底100的一側(cè)上的入口 113和形成在基底100的相對側(cè)上的較大出口 111。每個(gè)冷卻孔120、130、140和150具有與入口 113連通和/或形成入口 113的一部分的孔口 112?？卓?112大體為柱形的。對于圓形冷卻孔120而言，孔口 112的直徑114在入口 113與出口 112之間為均勻的。對于冷卻孔130、140和150而言，孔口 112的直徑114在出口 111附近增大。
[0008]然而，常規(guī)冷卻孔120、130、140和150中的每一個(gè)具有至少一個(gè)缺點(diǎn)。例如，對錐形膜冷卻孔130和“風(fēng)扇”膜冷卻孔150的分析已揭示對流冷卻的缺陷。如示出的，“3D”膜冷卻孔140具有在沿下游方向的所有側(cè)上過渡為三維擴(kuò)散的柱形孔口 112。然而，該類型的瀉流冷卻布置傾向于不適合于燃燒器襯套，這是因?yàn)檫@種三維下游擴(kuò)散從燃燒器襯套去除大量隔熱涂層(“TBC”)，其中輻射是大部分熱負(fù)荷的燃燒器中的缺點(diǎn)。
[0009]瀉流冷卻的實(shí)踐已將多孔陣列的軸向和徑向間距限制為大約6.5倍直徑，以確保相應(yīng)空氣流合并為連續(xù)保護(hù)膜并確保每個(gè)位置具有孔口對流冷卻。該間距意味著每單位面積的某個(gè)最低冷卻流量。然而，隨著技術(shù)進(jìn)步，非常期望減小冷卻流量并騰出空氣用于減少的NOx排放物、提高的效率和/或更好的渦輪冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]如本文中示出、描述和要求權(quán)利的，具有以很少的孔口對流冷卻損失的提高的膜效力的、用于在諸如燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套的瀉流冷卻構(gòu)件中使用的成形冷卻孔以及用于制造其的方法的實(shí)施例。通過參考結(jié)合附圖進(jìn)行的下列描述，成形冷卻孔的實(shí)施例的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]現(xiàn)在簡要地提及附圖，在該附圖中:
圖1是成形冷卻孔的實(shí)施例的截面圖；
圖2A是圖1的成形冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；
圖2B是圖1的成形冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖；
圖3是基底的截面?zhèn)纫晥D，該基底涂覆有隔熱涂層，并且具有如通過鉆削接著涂覆并清潔的過程而形成的形成在其中的圖1和圖2的成形冷卻孔的實(shí)施例；
圖4是圖3的成形冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；
圖5是圖3的成形冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖；
圖6是示出具有形成在其中的成形冷卻孔的陣列的基底的一部分的圖；
圖7是具有以預(yù)定角度形成在其中的成形冷卻孔的陣列的基底的出口表面的俯視圖，其示出提供每個(gè)成形冷卻孔的寬出口 ；
圖8是圖7的金屬片的相對入口表面的俯視圖，其示出成形冷卻孔的入口 ；
圖9是圖1、2、3、4和5的成形冷卻孔的實(shí)施例的圖，該圖示出制造方法；
圖10是進(jìn)一步示出圖9的制造方法的流程圖；
圖11是用于形成一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔(諸如圖1、2、3、4、5和9中示出的成形冷卻孔)的另一種方法的實(shí)施例的流程圖；
圖12是用于制造一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔的系統(tǒng)的實(shí)施例的圖；
圖13是進(jìn)一步示出制造基底中的一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔(諸如圖12中示出的成形冷卻孔)的方法的流程圖；
圖14是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)圓形冷卻孔的基底的截面?zhèn)纫晥D；
圖15是圖14的常規(guī)圓形冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；
圖16是圖14的常規(guī)圓形冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖；
圖17是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)錐形膜冷卻孔的基底的截面?zhèn)纫晥D； 圖18是圖17的常規(guī)錐形膜冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；
圖19是圖17的常規(guī)錐形膜冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖；
圖20是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)“3D”膜冷卻孔的基底的截面?zhèn)纫晥D；
圖21是圖20的常規(guī)“3D”膜冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；
圖22是圖20的常規(guī)“3D”膜冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖；
圖23是涂覆有隔熱涂層并具有常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔的基底的截面?zhèn)纫晥D；
圖24是圖23的常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖；以及 圖25是圖23的常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0012]同樣的附圖標(biāo)記在全部若干視圖中表示相同或?qū)?yīng)的構(gòu)件和單元，該若干視圖未按比例，除非另外指出。
【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1是基底20的截面?zhèn)纫晥D，基底20涂覆有一個(gè)或更多個(gè)層27和/或28，并且具有如通過涂覆并接著鉆削的過程而形成的以預(yù)定角度形成在其中的成形冷卻孔10的實(shí)施例。經(jīng)由實(shí)例，并且不限制，孔口 53相對于基底20的出口表面37的預(yù)定角度可在從大約20度至30度的范圍內(nèi)。圖2A是圖1的成形冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖2B是圖1的成形冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。圖3是基底的截面?zhèn)纫晥D，該基底涂覆有隔熱涂層，并且具有如通過鉆削接著涂覆并清潔的過程而形成的形成在其中的圖1和圖2的成形冷卻孔的實(shí)施例。圖4是圖3的成形冷卻孔沿線A-A’截取的另一個(gè)截面圖。圖5是圖3的成形冷卻孔沿線B-B’截取的另一個(gè)截面圖。
[0014]參考圖1、2A、2B、3、4和5，成形冷卻孔10的孔口 53從形成在基底20的第一側(cè)36上的入口 13延伸到形成在基底20的第二側(cè)37上的成形冷卻孔10的出口 11。如示出的，出口 11具有比入口 13大的尺寸?？卓?53的直徑14(圖2A、2B、4和5)從入口 13到成形冷卻孔10的過渡點(diǎn)115為柱形的。大約從成形冷卻孔10的過渡點(diǎn)115，孔口 53的直徑114僅在一個(gè)尺寸上(例如在沿單個(gè)尺寸的兩個(gè)方向上)擴(kuò)展，以使其具有關(guān)于成形冷卻孔的縱向中心軸線35對稱的第一翼部31和第二翼部33 (如圖2A、2B、4和5所示)。
[0015]在圖1、2A和2B中，孔口 63內(nèi)不存在溢流，這是因?yàn)閷?7和28在成形冷卻孔10被激光鉆削之前涂覆在基底20上。層27附接于基底20的出口表面37。任選地，另一層28(即，第二層28)附接于層27。在一個(gè)實(shí)施例中，層27是隔熱涂層(“TBC”)，而層28是另一個(gè)隔熱涂層或結(jié)合涂層。在另一個(gè)實(shí)施例中，層27是非隔熱涂層，而層28是隔熱涂層。取決于實(shí)施例，成形冷卻孔10的一個(gè)或更多個(gè)尺寸可被縮放或修改，以適應(yīng)基底20的厚度
30、基底20和層27的總厚度51，或基底20、層27和層28的總厚度52。
[0016]參考圖2A和圖4，成形冷卻孔10具有從入口 13到出口 11延伸穿過其的孔口 53。出口 11具有成形部分，該成形部分具有相對的翼部31和33，其關(guān)于冷卻孔10的中心縱向軸線35對稱，并且僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展或變寬。圖1和圖4的截面圖提供了用于將成形冷卻孔10的實(shí)施例稱為具有“Y”形形狀的基礎(chǔ)。
[0017]圖2B是圖2A的成形冷卻孔10沿線B_B’截取的另一個(gè)截面圖。換言之，圖2B是成形冷卻孔10從出口 11(圖2A)朝向入口 13(圖2A)觀看的截面圖。圖5是成形冷卻孔10從出口(圖4)朝向入口 13(圖4)觀看的截面圖。因此，圖2B和圖5的視圖示出具有成形部分或翼部31和33、柱形孔口 53的成形冷卻孔10。
[0018]圖3、4和5描繪了圖1的成形冷卻孔10的第二實(shí)施例。在該第二實(shí)施例中，首先以預(yù)定角度在基底20中鉆削成形冷卻孔10。然后，利用至少一層27期望材料涂覆基底20。由于該涂覆，故形成層27的期望材料中的一些可在出口 11的一部分內(nèi)溢流29。通過將磨料吹送穿過孔口 53而去除較軟層28的任何溢流。
[0019]圖6是示出具有形成在其中的成形冷卻孔10的陣列25的基底20的一部分的圖。在該特別的非限制性實(shí)例中，基底20是燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套。成形冷卻孔10的陣列25具有預(yù)定的行間距21a和行內(nèi)的預(yù)定孔間距21b。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，相鄰行的成形冷卻孔10以預(yù)定量23偏置。
[0020]圖7是具有以預(yù)定角度形成在其中的成形冷卻孔10的陣列的基底20的出口表面37的俯視圖，其示出由每個(gè)成形冷卻孔10提供的寬出口 11。圖8是圖7的金屬片的相對入口表面的俯視圖，其示出成形冷卻孔10的入口 13。在圖7和圖8中，基底20是任選地涂覆有一層或更多層的金屬片。這種層可為參考圖3在上面描述的層27和28。
[0021]與本發(fā)明的實(shí)施例相關(guān)的示例性益處
如在本文中說明的，成形冷卻孔10的實(shí)施例提供一個(gè)或更多個(gè)示例性且非限制性的益處。
[0022]再次參考圖1、2和3，與以前使用的圓形和/或錐形冷卻孔相比，成形冷卻孔10的實(shí)施例僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展出口 11，并且保持大體柱形達(dá)大約一半的它們的長度，由此維持高孔口冷卻速度。然而，雖然通過孔口 53維持高孔口冷卻速度，但是成形冷卻孔10的實(shí)施例傾向于具有出口 11處的減小的冷卻劑流的離開動量，這是因?yàn)槔鋮s劑流的速度在進(jìn)入成形冷卻孔10的較寬成形部分之后減小。因此，流經(jīng)每個(gè)成形冷卻孔10的冷卻劑將具有穿過入口 13的第一(進(jìn)入)動量和出口 11處的減小的第二(離開)動量。該減小的第二動量與康達(dá)效應(yīng)結(jié)合以減少不合乎需要的噴出，該康達(dá)效應(yīng)是流體射流被吸引到附近表面的趨勢。因此，成形冷卻孔10的實(shí)施例提供冷卻劑流的均勻且寬的薄膜(在下文中，“冷卻膜”)，其大于先前可利用常規(guī)圓形孔120實(shí)現(xiàn)的薄膜。
[0023]因此，在一個(gè)實(shí)施例中，成形冷卻孔10具有從入口 13延伸到過渡點(diǎn)15的柱形孔口 53，并且具有從過渡點(diǎn)15延伸并僅在一個(gè)尺寸上(例如在沿一個(gè)尺寸的至少一個(gè)方向上)擴(kuò)展的出口 11，以最小化施加至基底20的出口表面37的層27的減少，并展開流經(jīng)成形冷卻孔10的冷卻流體的冷卻膜，以使冷卻流體可合并并且減小冷卻劑尾部之間的熱間隙。因此，使用成形冷卻孔10的實(shí)施例提供了該擴(kuò)展出口 11，但不具有與常規(guī)圓形冷卻孔120、常規(guī)錐形膜冷卻孔130、常規(guī)“3D”膜冷卻孔140或常規(guī)“風(fēng)扇”膜冷卻孔150的其它類型的出口形狀相關(guān)的有害效果。
[0024]此外，已發(fā)現(xiàn)成形冷卻孔10的陣列提供了改進(jìn)的幾何覆蓋和減小的噴出動量。這些效果組合以提供可利用常規(guī)類型的膜冷卻孔120、130、140和150的陣列實(shí)現(xiàn)的、基底20的出口表面上的冷卻膜的更好建立。另外，雖然從成形冷卻孔10的出口 11離開的改進(jìn)的冷卻膜冷卻流體比圓形孔120更好地保護(hù)基底20的出口表面37和/或其層27和/或28 (在圖3中)(諸如隔熱涂層(“TBC”))免于過高的溫度，但是成形冷卻孔10的孔口 53穿過其形成的(多種)材料具有有助于朝向基底20的入口表面36遠(yuǎn)離基底20的出口表面37抽吸熱的對流傳熱系數(shù)。通過維持沿其長度的較高平均速度，“Y”形孔10提供了比常規(guī)孔130,140或150更好的對流冷卻。此外，成形孔10可使比常規(guī)孔130或140更多的隔熱層28不受干擾。因此，在冷卻孔陣列中，成形冷卻孔10使用比常規(guī)冷卻孔更少的行來在出口11處建立冷卻流體的較低溫度薄膜。成形冷卻孔10的出口 11處的冷卻流體的低溫薄膜在基底20的出口表面37上產(chǎn)生比目前可利用常規(guī)冷卻孔獲得的溫度低的溫度。這以當(dāng)前冷卻水平提供了延長的零件壽命并且/或者在表面溫度極限內(nèi)允許較厚的(多個(gè))層27、28。
[0025]總之，已發(fā)現(xiàn)，具有本文中描述的成形冷卻孔10的陣列的基底20降低了先前施加至基底20的層(諸如，隔熱涂層和/或結(jié)合涂層)的溫度；并且/或者與常規(guī)類型的冷卻孔120、130、140和150相比，降低了形成基底20的下方材料的溫度。這些益處中的任一個(gè)或兩者以當(dāng)前冷卻水平提供了延長的零件壽命并且/或者在表面溫度極限內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較厚的(多個(gè))層，諸如(多個(gè))隔熱涂層和/或其它類型的涂層。諸如這些益處的益處為重要的，這是因?yàn)轱w行器發(fā)動機(jī)和其它燃?xì)鉁u輪的客戶期望較高壓力比循環(huán)的燃料燃燒益處、更長的大修間壽命以及減少的排放物。然而，這種沖突的要求亟需從最少量的冷卻流獲得最大冷卻益處。此外，與常規(guī)孔130、140或150相比，可存在成形孔10的成本優(yōu)點(diǎn)。待去除的材料的體積小于孔130、140或150。維持期望的流動特性的容易性對于有限柱形部分而言比對于孔130或150而言更容易。最后，如下所述，可通過具有比孔130或140簡單的激光焦點(diǎn)的操縱、激光頭部運(yùn)動或零件運(yùn)動的快速激光工藝來形成形狀。因?yàn)楸疚闹忻枋龅某尚卫鋮s孔10的實(shí)施例解決了這些和/或其它的擔(dān)憂，所以它們是諸如但不受限于發(fā)動機(jī)和渦輪的機(jī)器和/或其構(gòu)件的最佳設(shè)計(jì)的重要促成因素。
[0026]制造和/或使用的方法
各種方法用于制造成形冷卻孔10。一種這種方法包括激光鉆削通孔并且接著啟動向通孔的相對的兩側(cè)行進(jìn)的不同深度的平行射束(Shot)。另一種這種方法包括使基底20 (圖1)旋轉(zhuǎn)并且使快速進(jìn)行的(on the fly)激光鉆削提前和延遲。在任一種方法中，基底可在激光鉆削之前或之后涂覆有一個(gè)或更多個(gè)涂層。
[0027]圖9是圖1、2、3、4和5的成形冷卻孔10的實(shí)施例的圖，其示出制造方法。圖10是進(jìn)一步示出圖9的制造方法的流程圖。
[0028]在圖9中，示出形成在基底20中的成形冷卻孔10?；?0與激光源60間隔開。激光源60與控制器61聯(lián)接，控制器61可為通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)。任選地，基底20支承在固定或可移動支承件57上。如果支承件57可移動，則其與馬達(dá)58聯(lián)接。在這種實(shí)施例中，馬達(dá)58可與控制器61聯(lián)接，以使基底20將相對于由激光源60放射的一個(gè)或更多個(gè)激光束50在一個(gè)或更多個(gè)尺寸上并根據(jù)從控制器61輸出并由馬達(dá)58接收的一個(gè)或更多個(gè)信號移動，以形成成形冷卻孔10?？刂破?1可與用戶界面67聯(lián)接。用戶界面的非限制性實(shí)例包括觸屏、鍵盤、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)等。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，激光源60包括激光發(fā)生器65、透鏡64和形成激光源60的一部分的馬達(dá)63。在一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)63與透鏡64和控制器61聯(lián)接，以使從激光源60放射的一個(gè)或更多個(gè)激光束50將根據(jù)從控制器61輸出并由馬達(dá)63接收的一個(gè)或更多個(gè)信號移動和/或聚焦，以形成成形冷卻孔10。
[0030]可選地，激光源60包括激光發(fā)生器65和透鏡64 ;并且激光源60任選地與支承件62聯(lián)接或者由支承件62支承。在這種實(shí)施例中，支承件62與馬達(dá)66聯(lián)接并且通過馬達(dá)66移動，馬達(dá)66不形成激光源60的一部分,但是與控制器61聯(lián)接。
[0031]在任一實(shí)施例中，透鏡64包括一個(gè)或更多個(gè)透鏡，并且可包括具有多個(gè)透鏡的透鏡組件，該多個(gè)透鏡中的一個(gè)或更多個(gè)可能夠移動并且與一個(gè)或更多個(gè)馬達(dá)聯(lián)接。
[0032]控制器61構(gòu)造成執(zhí)行存儲在計(jì)算機(jī)可讀媒體(諸如任何類型的計(jì)算機(jī)可讀存儲器)上的一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀指令。計(jì)算機(jī)可讀指令將控制器61構(gòu)造成操作激光源60和/或馬達(dá)58、63和66中的一個(gè)或更多個(gè)，以在基底20中形成成形冷卻孔10。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀指令可將控制器61構(gòu)造成操作激光源60和/或馬達(dá)58、63和66中的一個(gè)或更多個(gè)，以執(zhí)行在圖10中闡述的方法步驟中的一個(gè)或更多個(gè)。
[0033]參考圖9和圖10，方法70包括下列步驟71、72、73、74、75和76中的一個(gè)或更多個(gè)，可以以任何適合的次序和/或組合執(zhí)行該步驟，除非另外指出。說明性地，方法70的實(shí)施例通過啟動71預(yù)定順序和/或模式的激光射束50而開始，激光射束50沖擊基底20，諸如用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套。在一個(gè)實(shí)施例中，激光射束50彼此平行。該預(yù)定順序的激光射束50可包括沿成形冷卻孔10的中心縱向軸線35鉆削72孔口 53，并且接著執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)順序的步驟73、74、75和76。從基底20(圖1)的入口表面或出口表面鉆削孔口53。
[0034]例如，在鉆削72孔口 53之后，方法70還包括通過鄰近孔口 53的一側(cè)向基底20施加第一順序的激光射束55而鉆削成形冷卻孔10的出口 11 (圖1)的成形部分的第一翼部
31。該第一順序的激光射束55在中心縱向軸線35或孔口 53處或其附近開始，并且遠(yuǎn)離中心縱向軸線35向外行進(jìn)。第一順序的激光射束55中的每個(gè)激光射束以比其前者小的束直徑鉆削，使得與在翼部的端部處相比，射束的重疊部分更接近孔口地穿透。另外或可選地，第一順序的激光射束55中的每個(gè)激光射束相對于中心縱向軸線35成角度。如上所述，通過計(jì)算機(jī)可讀指令控制和確定第一順序的激光射束55的正時(shí)、深度、焦點(diǎn)、寬度、角度和/或模式，該計(jì)算機(jī)可讀指令由控制器61讀取和執(zhí)行，并且/或者轉(zhuǎn)換為輸出到激光源60和/或馬達(dá)58、63和66中的一個(gè)或更多個(gè)的信號。在鉆削73成形冷卻孔10的第一翼部31之后，方法70任選地包括對孔口 53進(jìn)行再發(fā)射74。另外，方法70還包括通過鄰近孔口 53的第二側(cè)向基底20施加第二順序的激光射束56而鉆削75成形冷卻孔10的成形部分的第二翼部33，其中，孔口 53的第二側(cè)與孔口 53的第一側(cè)相對。該第二順序的激光射束56在中心縱向軸線35或孔口 53處或其附近開始，并且遠(yuǎn)離中心縱向軸線35并沿與第一翼部31相反的方向向外行進(jìn)。第二順序的激光射束56中的每個(gè)激光射束以比其前者小的束直徑鉆削，使得與在翼部的端部處相比，射束的重疊部分更接近孔口地穿透。另外或可選地，第二順序的激光射束中的每個(gè)激光射束相對于中心縱向軸線35成角度。如上所述，通過計(jì)算機(jī)可讀指令控制和確定第二順序的激光射束56的正時(shí)、深度、焦點(diǎn)、寬度、角度和/或模式，該計(jì)算機(jī)可讀指令由控制器61讀取和執(zhí)行，并且/或者轉(zhuǎn)換為輸出到激光源60和/或馬達(dá)58、63和66中的一個(gè)或更多個(gè)的信號。在鉆削76成形冷卻孔10的第二翼部33之后，方法70可任選地包括對孔口 53進(jìn)行再發(fā)射76，以清除在翼部的鉆削期間沉積的任何材料。在一個(gè)實(shí)施例中，第一順序的激光射束55和第二順序的激光射束56構(gòu)造成從基底20 (圖1)的出口表面分別鉆削翼部31和33。此后，方法70可結(jié)束，并且激光或基底20可通過馬達(dá)66或58移動，以與圖案中的下一個(gè)孔對齊，其中，方法70重復(fù)直到已在基底20中鉆削所有期望的孔。[0035]圖11是用于形成一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔(諸如圖1、2A、2B、3、4、5和9中示出的成形冷卻孔10)的另一種方法1100的實(shí)施例的流程圖。參考這些附圖，方法1100通過圓形通孔的孔口 53的沖擊激光鉆削1101開始。方法1100還包括使激光射束在關(guān)于一個(gè)直徑向外移動到孔口 53的一側(cè)或翼部31的同時(shí)脈動1102。該方法還包括使激光射束停止1103在往回移動到中心的同時(shí)脈動。該方法還包括使激光射束在關(guān)于一個(gè)直徑向外移動到孔口 53的相對側(cè)或翼部33的同時(shí)脈動1104。方法1100還包括使激光射束停止1105在往回移動到中心的同時(shí)脈動。方法1100還包括發(fā)射1106 —個(gè)或更多個(gè)激光射束以清理孔口 53。
[0036]取決于實(shí)施例，可需要多達(dá)形成常規(guī)圓形冷卻孔所需的激光射束的大約兩倍的激光射束以形成每個(gè)成形冷卻孔10。另外，已確定，翼部31和33(圖9)可通過使激光射束50(圖9)脈動同時(shí)使它們相對于基底20的表面(例如，圖2中的出口表面37)以預(yù)定角度擺動而形成。然而，該方法需要對激光射束和每個(gè)成形冷卻孔10的表面位置進(jìn)行詳細(xì)跟蹤。另外，在至少一個(gè)實(shí)施例中用于形成成形冷卻孔10的激光鉆削可通過涂覆TBC的基底或裸露金屬執(zhí)行。
[0037]圖12是用于制造一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔的系統(tǒng)1200的實(shí)施例的圖。系統(tǒng)1200包括與支柱82間隔開的激光源60，支柱82構(gòu)造成以如下方式來保持和/或支承基底20，諸如燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套，該方式為:當(dāng)與支柱82聯(lián)接的軸81通過馬達(dá)80轉(zhuǎn)動時(shí)允許基底20如箭頭90所示地順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。激光源60可包括馬達(dá)63、透鏡64和激光發(fā)生器65 (在圖9中示出)。控制器61與馬達(dá)80聯(lián)接，馬達(dá)80使基底20旋轉(zhuǎn)?？刂破?1還與激光源60聯(lián)接，激光源60產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)激光射束91。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器61還與一個(gè)或更多個(gè)傳感器83和/或用戶界面67聯(lián)接。一個(gè)或更多個(gè)傳感器83向控制器61提供關(guān)于系統(tǒng)1200的一個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件的數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)或更多個(gè)傳感器83可為測量軸81和/或基底20的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的旋轉(zhuǎn)傳感器。一個(gè)或更多個(gè)傳感器83還可包括測量一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10的間距和/或深度的傳感器，這是因?yàn)橐粋€(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10由一個(gè)或更多個(gè)激光射束91鉆削。
[0038]控制器61構(gòu)造成讀取和執(zhí)行存儲在計(jì)算機(jī)可讀媒體(諸如任何類型的計(jì)算機(jī)可讀存儲器)中或其上的一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀指令。計(jì)算機(jī)可讀指令將控制器61構(gòu)造成操作激光源60和馬達(dá)80以在基底20中形成一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀指令將控制器61構(gòu)造成使激光源60和馬達(dá)80的操作同步，以使執(zhí)行在圖12中闡述的方法步驟中的一個(gè)或更多個(gè)。例如，由控制器61輸出的命令可使馬達(dá)80的速度和/或基底20的旋轉(zhuǎn)頻率與由激光源60產(chǎn)生的一個(gè)或更多個(gè)激光射束91的正時(shí)、持續(xù)時(shí)間和/或功率同步，以使在基底20中和/或穿過基底20形成一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10。
[0039]圖13是進(jìn)一步示出制造基底20中的一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔(諸如圖12中示出的成形冷卻孔)的方法1300的流程圖。參考圖12和圖13，方法1300通過使基底20以預(yù)定速度或旋轉(zhuǎn)頻率移動或旋轉(zhuǎn)1301而開始。方法1300還包括啟動1302第一順序的激光射束91，以均以預(yù)定角度在基底20中鉆削一個(gè)或更多個(gè)孔口 53(圖9)。方法1300還包括調(diào)節(jié)1303第二順序的激光射束91的正時(shí)以便使第一順序的激光射束91經(jīng)過基底20上的相同(多個(gè))位置提前或延遲預(yù)定的時(shí)間增量。正時(shí)被關(guān)于轉(zhuǎn)速指定，以使激光射束91部分地重疊以形成風(fēng)扇形狀的部分，該部分中的每一個(gè)橫跨一個(gè)或更多個(gè)孔口 53(圖9)中的相應(yīng)一個(gè)延伸。因此，方法1300還包括以關(guān)于轉(zhuǎn)速指定的不同程度的提前和延遲正時(shí)啟動1304第二順序的激光射束91，以使激光射束91部分地重疊以在與旋轉(zhuǎn)方向相切的一個(gè)尺寸上形成風(fēng)扇形狀的部分(例如翼部31和33)，該部分中的每一個(gè)橫跨一個(gè)或更多個(gè)孔口 53中的相應(yīng)一個(gè)延伸。接著，控制器61確定1305風(fēng)扇形狀是否完成。如果未完成，則方法1300返回并且重復(fù)步驟1303和1304。當(dāng)一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10中的每一個(gè)的出口 11完成并且僅在旋轉(zhuǎn)方向上加和/或減擴(kuò)展時(shí)，方法1300結(jié)束。
[0040]基底20可在圖10的方法70或圖11的方法1100或圖13的方法1300被執(zhí)行之前或之后涂覆有TBC。在激光鉆削之前以TBC涂覆基底確保了 TBC不填充并且/或者阻塞成形冷卻孔。如果TBC在激光鉆削之后施加，則成形冷卻孔將需要利用沙礫和/或激光射束進(jìn)一步處理，以去除已進(jìn)入它們的任何涂層?？蛇x地，基底20可同時(shí)涂覆有TBC并且被清潔，以確保TBC不堵塞成形冷卻孔。在這種實(shí)施例中，(圖11的)旋轉(zhuǎn)基底20的一側(cè)接收TBC，而另一側(cè)已將沙礫吹送穿過成形冷卻孔以使它們保持開啟。實(shí)驗(yàn)已表明，這種過程能夠使成形冷卻孔的“翼部”保持沒有或基本上沒有TBC。
[0041]實(shí)驗(yàn)
本文中描述的成形冷卻孔10的實(shí)施例的風(fēng)洞試驗(yàn)已驗(yàn)證與成形冷卻孔的實(shí)施例相關(guān)的一個(gè)或更多個(gè)益處，諸如比利用常規(guī)類型的冷卻孔120、130、140和150實(shí)現(xiàn)的隔熱涂層(“TBC”)溫度和背面溫度低的隔熱涂層(“TBC”)溫度和背面溫度。
[0042]在試驗(yàn)期間，大約600° F的熱空氣和大約80° F的冷空氣流動到試驗(yàn)基底和控制基底上并且/或者圍繞其流動?？刂苹拙哂行纬稍谄渲械亩鄠€(gè)常規(guī)圓形冷卻孔120?？刂苹椎囊粋€(gè)表面(例如，正面)涂覆有TBC?？刂苹椎南鄬Ρ砻?例如，背面)不被涂覆。
[0043]試驗(yàn)基底具有形成在其中的多個(gè)成形冷卻孔10 (圖1、2、3、4、5和9)。試驗(yàn)基底的一個(gè)表面(例如，正面)涂覆有TBC。試驗(yàn)基底的相對表面(例如，背面)不被涂覆。
[0044]為了在模擬輸出(take-off)條件下測量TBC溫度，在試驗(yàn)期間獲取控制基底的TBC側(cè)和試驗(yàn)基底的TBC側(cè)的紅外圖像。使用熱電偶來測量試驗(yàn)基底和控制基底兩者的背面溫度。分析來自紅外圖像和熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，并且確定顯著更低的TBC溫度和背面溫度由利用本文中描述的成形冷卻孔10的實(shí)施例引起。
[0045]試驗(yàn)還證實(shí)，這些冷卻益處對不同的操作條件、制造技術(shù)和零件間變化而言為穩(wěn)健的。例如，一個(gè)試驗(yàn)表明，在其中鉆削成形冷卻孔10的實(shí)施例的試驗(yàn)基底的背面溫度比在其中鉆削圓形冷卻孔120的控制基底的背面溫度低平均大約50° F(10° C)。
[0046]基底的類型和/或包括它們的物體
取決于實(shí)施例，以上提及的基底20是燃燒器襯套、用于渦輪的燃燒器襯套、用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套、用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器襯套、燃燒器襯套“筒”、補(bǔ)燃器襯套、金屬試驗(yàn)片等中的一個(gè)。因此，要求權(quán)利的發(fā)明的實(shí)施例單獨(dú)地涵蓋這種物品中的任何一個(gè)。要求權(quán)利的發(fā)明的實(shí)施例還涵蓋物品，諸如但不受限于發(fā)動機(jī)、渦輪或運(yùn)載工具，其把其元件或構(gòu)件作為具有形成在其中的一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔的基底。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪是燃?xì)鉁u輪。這種燃?xì)鉁u輪是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)或煤氣發(fā)生爐核心。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的非限制性實(shí)例是渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)。氣體發(fā)生器核心的非限制性實(shí)例是:渦輪發(fā)電機(jī)、渦輪增壓水泵、噴射干燥機(jī)、融雪機(jī)、渦輪壓縮機(jī)等。
[0048]要求權(quán)利的發(fā)明的實(shí)施例還涵蓋具有渦輪的運(yùn)載工具，該渦輪把其元件或構(gòu)件作為具有形成在其中的一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔10的基底。在這種實(shí)施例中，渦輪是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，諸如但不受限于:渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)。具有燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)載工具的實(shí)例包括但不受限于:飛行器、氣墊船、機(jī)車、船舶、地面運(yùn)載工具等。
[0049]如本文中使用的，以單數(shù)列出并前接用詞“一”或“一個(gè)”的元件或功能應(yīng)當(dāng)理解為不排除多個(gè)所述元件或功能，除非明確地?cái)⑹鲞@種排除。此外，對要求權(quán)利的發(fā)明的“一個(gè)實(shí)施例”的提及不應(yīng)當(dāng)被解釋為排除還并入敘述的特征的附加實(shí)施例的存在。
[0050]該書面的描述使用實(shí)例以公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這些其他實(shí)例具有不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其他實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語言無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其他實(shí)例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0051 ] 雖然本發(fā)明的具體特征在一些附圖中示出而在其它附圖中未示出，但是這僅為了方便，這是因?yàn)槊總€(gè)特征可根據(jù)本發(fā)明與其它特征中的任何一個(gè)或全部結(jié)合。如本文中使用的用詞“包括”、“包含”、“具有”和“帶有”將被寬泛且全面地解釋，并且不受限于任何物理互連。此外，本主題申請中公開的任何實(shí)施例將不被當(dāng)作是唯一可能的實(shí)施例。其它實(shí)施例將被本領(lǐng)域技術(shù)人員想到，并且在下列權(quán)利要求的范圍內(nèi)。特別地，雖然關(guān)于使用激光脈動來鉆削本文中描述、示出和/或要求權(quán)利的成形冷卻孔的實(shí)施例的具體方法來作出權(quán)利要求，但是使用放電加工、水噴射或其它材料去除機(jī)構(gòu)的其它方法被理解為實(shí)現(xiàn)大致相同的功能和/或結(jié)果的可選方式。
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，其包括: 具有入口表面和出口表面的基底，其中，所述基底具有成形冷卻孔，其包括: 入口，其位于所述入口表面處； 柱形孔口，其從所述入口延伸到所述成形冷卻孔的過渡點(diǎn)；以及 出口，其從所述過渡點(diǎn)延伸并且僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述基底是用于噴氣式發(fā)動機(jī)的補(bǔ)燃器襯套。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述基底是用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪是噴氣式發(fā)動機(jī)。
5.一種用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套，所述燃燒器襯套包括: 入口表面和相對的出口表面，其中，所述燃燒器襯套具有成形冷卻孔，其包括: 入口，其位于所述入口表面處； 柱形孔口，其從所述入口延伸到所述成形冷卻孔的過渡點(diǎn)；以及 出口，其大約從所述過渡點(diǎn)延伸并且僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒器襯套，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪是噴氣式發(fā)動機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒器襯套，其特征在于，所述燃燒器襯套是補(bǔ)燃器襯套。
8.一種燃?xì)鉂欇啠浒? 具有入口表面和出口表面的燃燒器襯套，其中，所述燃燒器襯套具有成形冷卻孔，其包括: 入口，其位于所述入口表面處； 柱形孔口，其從所述入口延伸到所述成形冷卻孔的過渡點(diǎn)；以及 出口，其大約從所述過渡點(diǎn)延伸并且僅在一個(gè)尺寸上擴(kuò)展。
9.一種在基底中形成一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔的方法，所述方法包括: 啟動沖擊所述基底的預(yù)定順序的激光射束； 沿所述成形冷卻孔的中心縱向軸線鉆削孔口 ；以及 通過鄰近所述孔口的一側(cè)向所述基底施加第一順序的重疊激光射束而鉆削所述成形冷卻孔的出口的成形部分的第一翼部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定順序的激光射束在沖擊所述基底之前穿過形成在所述基底上的涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一順序的激光射束中的每個(gè)激光射束基于多少射束覆蓋給定位置而到達(dá)不同深度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一順序的激光射束中的每個(gè)激光射束相對于所述中心縱向軸線成角度。
13.一種方法，其包括: 激光鉆削圓形通孔的孔口； 使激光射束在關(guān)于一個(gè)直徑向外移動到所述孔口的一側(cè)的同時(shí)脈動； 回到中心；以及 使激光射束在關(guān)于一個(gè)直徑向外移動到所述孔口的相對側(cè)的同時(shí)脈動。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括: 使所述激光射束停止在移動回到中心的同時(shí)脈動。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括: 移動回到中心；以及 發(fā)射一個(gè)或更多個(gè)激光射束以清理所述孔口。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括: 使所述激光射束停止在移動回到中心的同時(shí)脈動。
17.一種用于在基底中制造一個(gè)或更多個(gè)成形冷卻孔的方法，所述方法包括: 使所述基底以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)； 啟動第一順序的激光射束以在所述基底中鉆削一個(gè)或更多個(gè)孔口，每個(gè)孔口相對于所述基底的出口表面成預(yù)定角度，其中，所述射束定時(shí)成使得在所述基底轉(zhuǎn)動時(shí)重復(fù)地撞擊相同位置直到實(shí)現(xiàn)通孔； 調(diào)節(jié)第二順序的激光射束的不同程度的提前和/或延遲正時(shí)；以及以所述不同程度的提前和延遲來啟動所述第二順序的激光射束，以在與旋轉(zhuǎn)方向相切的一個(gè)尺寸上形成翼部，所 述翼部中的每一個(gè)橫跨所述一個(gè)或更多個(gè)孔口中的相應(yīng)一個(gè)延伸。
【文檔編號】F23M5/08GK103534530SQ201180052208
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2010年10月29日
【發(fā)明者】J.H.斯塔克維瑟 申請人:通用電氣公司