[发明专利]用于由涂层覆盖的高温构件的冷却通道系统和有关过程

说明书

技术领域

大体上，本发明涉及由保护涂层覆盖且由多种空气流系统冷却的高温构件。在一些特定的实施例中，高温构件是燃气轮机发动机的一部分。

背景技术

涡轮系统广泛地用于诸如动力发生的领域中。用于动力发生的传统的燃气轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。典型地，这种燃气轮机系统产生通过由涡轮的构件限定的流径的高温气体流。较高温度的流一般是合乎需要的，因为它们可导致燃气轮机系统有提高的性能、效率和动力输出。高温流典型地与恰当地工作的燃气轮机系统相关联的燃烧类型和流状况相关联，或者指示燃烧类型和流状况。(一般而言，在燃气轮机运行期间，例如，燃烧气体可超过大约1600℃-1700℃；这高于发动机构件的熔点)。

如可预计到的那样，这样的高温可导致流径内的构件被过度地加热。这种加热又可使这些构件中的一个或多个变得受损或违背“规范”，从而导致运行寿命缩短。因而，由于希望在恰当地运行的系统中有这些高温流状况，所以必须冷却经受高温流的构件，以允许燃气轮机系统以处于提高的温度的流来运行。

可采用许多策略来冷却经受高温流的构件。这些构件典型地被称为“热气路径构件”。但是，采用的许多冷却策略会导致有相当低的传热速率和不均匀的构件温度分布，这可能不足以实现期望的冷却。一些冷却策略还可降低总的涡轮效率，因为它们会从发动机的压缩机转移过量的冷却空气。

为了针对高温气体流有额外地防护，可用提供热隔离的隔热涂层(TBC)系统来覆盖热气路径构件的暴露的外壁。TBC系统通常包括至少一个陶瓷外套和下面的金属结合层。隔热涂层系统的益处是众所周知的。

在这些示例性燃气轮机发动机构件中的大部分中，典型地使用高强度超合金金属制成的薄壁来增强耐用性，同时最大程度地减小对其进行冷却的需要。为在其在发动机中的对应的环境中的这些单独的构件定制了各种冷却回路和特征。例如，可在热气路径构件中形成一系列内部冷却通路或盘管。可从气室对盘管提供冷却流体，并且该冷却流体可流过通路，从而冷却热气路径构件衬底和涂层。但是，这个冷却策略有时可导致有相当低的传热速率和不均匀的构件温度分布。

通过将冷却特征布置得尽可能靠近热区，微通道冷却具有显著地降低冷却要求的潜力。照这样，对于给定的传热速率，构件的主承载衬底材料的“热侧”和“冷侧”之间的温度差可大幅减小。在2010年11月23日提交的且转让给本申请的受让人的序列号为12/953,177(Ronald Bunker等人)的未决的美国申请中描述了微冷却通道的形成和使用。下面提供了关于这些通道的额外的细节。大体上，通道形成于热气路径构件的外表面中，并且设计成允许起源于发动机压缩机中的冷却流体(例如压缩空气)通过。冷却流体流从而可通过对流冷却来冷却构件的相邻或紧邻的区域。作为一个实例，这种类型的冷却系统可将热从构件或从设置在构件上的保护层中的一个或多个传递给冷却介质。

虽然使用微通道可提供上面提出的属性，但是这种类型的冷却系统方案中仍然存在一些缺陷——尤其是在燃气轮机发动机构件的情况下。作为一个实例，在一些情形中，将保护层淀积在通道上面通常需要在淀积过程之前，使用牺牲材料来填充通道和下面的通路孔。在施用涂层之后，牺牲材料的必要的移除(例如通过浸提)可为缓慢的过程。对于牺牲材料存在有限数量的出口，如通路孔的下部进入位点；而且这些出口是相对小的。

此外，在这种类型的冷却系统中，对于保护衬底抵抗不利的环境效应和热效应，TBC系统尤其重要。(TBC还为冷却剂流提供了在空气动力学上光滑的表面)。但是，TBC系统的部分的失去-由于损害或一般的涂层失效-将使下面的微通道暴露在其外表面上，以及因此经受对热气温度的直接暴露。这继而可导致对构件的严重损害。

鉴于这些考虑，用于改进燃气轮机发动机和其它高温构件中的冷却能力的新方法和结构在本领域中将是受欢迎的。创新应当使用微通道和冷却通路孔来增强冷却流的性能，并且不显著地降低发动机效率。此外，在改进在形成冷却系统和保护涂层系统时使用的制造过程方面存在相当大的兴趣。此外，将在部分TBC失效的情况下提供额外的冷却剂流的冷却系统结构也将是相当有价值的。膜冷却结构还应当不干涉涡轮发动机部件的强度和完整性。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种用于在高温构件内提供流体冷却系统的方法。该方法包括以下步骤：

a)在构件的外表面中形成至少一个微通道；

b)形成从微通道中的至少一个延伸到构件的内部区域的一个或多个冷却剂通路孔；

c)用填料材料填充微通道和冷却剂通路孔；