用于涡轮部件的内部冷却的其中具有中空构件的球滑槽的预烧结预成型件球

技术领域

本公开整体涉及涡轮机，并且更具体地涉及用于涡轮机的内部冷却的其中具有中空构件的预烧结预成型件(PSP)球。

背景技术

在形成涡轮部件之后，可将球放置到涡轮部件中的一个或多个所选通道中，以在涡轮部件的使用期间调节通过所选通道的冷却剂流。球放置在其中的通道有时被称为“球滑槽”。将球放入球滑槽中，并通过钎焊加热循环钎焊到位。球可阻塞冷却剂流动，或者它们可具有钻入其中的所需尺寸的孔，以允许计量量的冷却剂流过其中。这些通道以及这些球在涡轮部件中的位置正变得更难以接近，从而使得穿过一个球进行钻孔、并且提供它们所提供的定制冷却更具挑战性。

发明内容

下文提到的所有方面、示例和特征可以以任何技术上可能的方式组合。

本公开的一个方面提供了一种用于涡轮部件中的球滑槽的球，该球包括：由预烧结预成型件(PSP)材料制成的球主体，该球主体具有被限定穿过其中的开口，该开口具有第一横截面积；以及固定在被限定穿过球主体的开口内的中空构件，该中空构件具有比开口的第一横截面积小的第二横截面积，其中该中空构件由具有比PSP材料的熔融温度高的熔融温度的材料制成。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件包括从其至少一个端部延伸的凸缘，每个凸缘与开口的端部接合以将中空构件固定在开口中。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件的材料由超合金构成。

本公开的一个方面包括一种涡轮部件，该涡轮部件包括：其中具有球球滑槽的部件主体；以及设置在球滑槽中的球，该球包括：钎焊在球滑槽中的球主体，该球主体由预烧结预成型件(PSP)材料制成，球主体具有被限定穿过其中的开口，该开口具有第一横截面积；以及固定在被限定穿过球主体的开口内的中空构件，该中空构件具有比开口的第一横截面积小的第二横截面积，其中该中空构件由具有比PSP材料的熔融温度高的熔融温度的材料制成。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件包括从其至少一个端部延伸的凸缘，每个凸缘与开口的端部接合以将中空构件固定在开口中。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件的材料由超合金构成。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且部件主体包括涡轮叶片翼型件。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且该涡轮叶片翼型件处于涡轮的第一级中。

本公开的一个方面涉及一种方法，该方法包括：将球定位在涡轮部件中的球滑槽中，该球包括：由预烧结预成型件(PSP)材料制成的球主体，该球主体具有被构造成将球主体定位在球滑槽中的外部尺寸，球主体具有被限定穿过其中的开口，该开口具有第一横截面积；以及固定在球主体的开口内的中空构件，该中空构件具有比开口的第一横截面积小的第二横截面积；并且将球的球主体钎焊在球滑槽中，其中中空构件在钎焊之后保持通过球的流体连通。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件包括从其至少一个端部延伸的凸缘，每个凸缘与开口的端部接合以将中空构件固定在开口中。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件由不同于PSP材料的材料制成。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件的材料具有比PSP材料的熔融温度高的熔融温度。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且中空构件的材料由超合金构成。

本发明的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且还包括：在球主体中形成开口；将中空构件固定在所述开口中。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且固定中空构件包括形成从其至少一个端部延伸的凸缘，每个凸缘与开口的端部接合以将中空构件固定在开口中。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且固定中空构件包括使中空构件扩张以与开口的内表面以过盈配合接合。

本公开的另一方面包括前述方面中的任一个方面，并且将球定位在球滑槽中包括沿着延伸穿过中空构件并且进入球滑槽中的细长构件供给球，细长构件定位球和中空构件，以在钎焊之后保持通过中空构件并且沿着球滑槽流体连通。

本公开中描述的两个或更多个方面(包括本概述部分中描述的那些方面)可以组合以形成本文未具体描述的实施方案。

在以下附图和描述中阐述一个或多个具体实施的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，其他特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：

图1示出了包括用于球滑槽的球的呈涡轮叶片形式的例示性涡轮部件的透明透视图；

图2示出了根据本公开的实施方案的具有在球滑槽中的预烧结预成型件(PSP)球的涡轮部件的剖视图；

图3示出了根据本公开的实施方案的具有球滑槽中的PSP球的涡轮部件的放大剖视图；

图4示出了根据本公开的实施方案的包括在其中的开口中的中空构件的PSP球的透视图；

图5示出了根据本公开的实施方案的用于PSP球的中空构件的透视图；

图6示出了根据本公开的其他实施方案的中空构件的剖视图；

图7示出了根据本公开的另选实施方案的中空构件的剖视图；

图8示出了根据本公开的其他实施方案的包括开口中的中空构件的PSP球的剖视图；

图9示出了根据本公开的实施方案的形成用于中空构件的PSP球中的开口的剖视图；并且

图10示出了根据本公开的实施方案的将包括中空构件的PSP球定位在球滑槽中的放大剖视图。

应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。

具体实施方式

首先，为了清楚地描述当前公开的主题，当提及和描述涡轮机内的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。

此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮引擎的工作流体，或者例如通过燃烧器的空气流或通过涡轮的部件系统之一的冷却剂。术语“下游”对应于流体流动的方向，并且术语“上游”是指与流动(即流动发出的方向)相反的方向。在没有任何进一步细节的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指引擎的前端或压缩机端，并且“后”是指涡轮机的后侧区段。

通常需要描述相对于中心轴线设置在不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。例如，如果第一部件比第二部件更靠近轴线，则本文将说明第一部件沿第二部件“径向向内”或在第二部件的“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“周向”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线应用。

此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以或可以不发生，或者随后描述的部件或特征可以或可以不存在，并且该描述包括事件发生或部件存在的实例和事件不发生或部件不存在的实例。

在元件或层被称为“处于另一个元件或层上”、“接合到另一个元件或层”、“连接到另一个元件或层”或“联接到另一个元件或层”的情况下，它可直接处于另一元件或层上、接合到另一元件或层、连接到另一元件或层或联接到另一元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

本公开的实施方案包括用于涡轮部件中的球滑槽的球、涡轮部件以及使用该球的方法。球可包括由预烧结预成型件(PSP)材料制成的球主体。球主体具有被限定穿过其中的开口，该开口具有第一横截面积。中空构件被固定在被限定穿过球主体的开口内。中空构件具有比开口的第一横截面积小的第二横截面积，并且由具有比PSP材料的熔融温度高的熔融温度的材料制成。该方法包括定位球并将球钎焊在位。在钎焊之后，中空构件保持通过球的流体连通。因此，中空构件允许球被钎焊到涡轮部件中的球滑槽中的适当位置，但仍继续保持通过球滑槽与由中空构件的横截面积计量的冷却剂流的流体连通。中空构件还允许通过其中的冷却剂流的定制计量。因为球是预钻孔的并且用于冷却剂流动的开口在钎焊期间由中空构件保持，所以在钎焊之后接近球滑槽以将球钻孔不再是必需的。

参考图1，示出了呈涡轮叶片12形式的示例性涡轮部件10的透视图。示例性涡轮部件10包括翼型件部分14、柄部16和多个径向延伸的冷却通道20，通过例如在柄部16的径向内部分隔开的入口冷却通道22向冷却通道20供应冷却剂，例如冷却空气。涡轮部件10还包括两个或更多个球滑槽30，也称为“球钎焊滑槽”。球滑槽30流体地联接不同的冷却通道20、22。在所示的示例中，相应的入口通道22通过球滑槽30流体地联接到多个径向延伸的冷却通道20。围绕球滑槽30的结构可被设置成例如在制造期间(例如在增材制造或铸造期间)临时支撑其他特征。在制造之后，通常在由球滑槽30形成的通道内用实心球40(有时称为“钎焊球”)塞住球滑槽30。否则，如果允许冷却空气在这些位置进入回路，则冷却通道20中的流动将被干扰。通常由可钎焊钢制成的球40被定位在球滑槽30中并钎焊到位，即，使用加热循环。随后，在确定需要一些计量的冷却剂流的情况下，例如通过通道20和/或通道22在球40中钻出开口。由于开口在钎焊过程中闭合，因此对开口进行预钻孔迄今为止是不可能的。如上所述，接近球40的位置也变得越来越具有挑战性。

图2示出了根据本公开的实施方案的呈涡轮叶片102形式的涡轮部件100的横截面图，涡轮叶片包括在两个冷却通道132、134之间的球滑槽130和其中的球160。图3示出了根据本公开的实施方案的球滑槽130中的球160的放大剖视图。图2中的涡轮叶片102与图1中的涡轮叶片类似地布置，但将认识到，冷却通道132、134可采取多种不同形式。涡轮叶片102可包括与涡轮叶片12(图1)类似的特征，诸如但不限于翼型件部分110、柄部112和多个径向延伸的冷却通道134，该冷却通道通过例如在柄部112的径向内部分隔开的入口冷却通道132被供应有冷却剂，例如冷却空气。涡轮部件100可包括例如可从纽约斯克内克塔迪的通用电气公司(General Electric Co.,Schenectady,NY)获得的7HA.03型燃气涡轮的1级涡轮叶片102。需要强调的是，本公开的教导可应用于其中具有冷却通道132、134的任何涡轮部件100，包括在尖端预烧结预成型件中所见的尘埃孔，或斜线面中的赛道。冷却通道132、134可以是任何涡轮部件100中的任何冷却通道，其中球滑槽130是期望的。为此，涡轮部件100可包括部件主体104，该部件主体具有球滑槽130，球滑槽在其内流体地联接冷却通道132、134。虽然被示为涡轮叶片102，但是部件主体104可以是任何涡轮部件100的一部分。部件主体104可以包括能够承受涡轮系统(例如燃气涡轮、蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机等)中的操作的任何材料。

图4示出了球160的透视图；并且图5示出了用于定位在球160中的开口164中的中空构件170的透视图。参照图3至图7，球160包括由预烧结预成型件(PSP)材料制成的球主体162。PSP材料包括超合金和钎焊粉末的共混物，其允许用钎焊工艺快速地产生表面的选择性累积。PSP材料可以包括任何现在已知的或以后开发的适用于所使用的应用的材料，即为所使用的部件定制的材料。球主体162可具有大致球形形状，可能具有如由PSP材料制成的球160所预期的一些微小变形。球主体162包括穿过其中的限定的具有第一横截面积A1的开口164。如图9的剖视图所示，开口164可通过任何现在已知或以后开发的技术形成，例如钻孔、电火花加工等。在开口164被(预)钻孔的情况下，第一横截面积A1可由开口164的直径D1确定，即A1＝π(D1/2)

球160还包括中空构件170，该中空构件被固定在被限定穿过球主体162的开口164内。中空构件170具有小于开口164的第一横截面积A1的第二横截面积A2。第二横截面积A2可被选择成在通道132、134之间提供任何期望的冷却剂流动，例如速率、体积等。中空构件170可具有任何期望的内部横截面形状，例如圆形、椭圆形、多边形等。如图6的剖视图所示，中空构件170中可包括任何种类的湍流器174。如图7的剖视面图所示，中空构件170可包括任何种类的计量元件176，以控制流过其中的冷却剂流。在一个示例中，如图4所示，中空构件170可具有直径为D2的圆形内部横截面形状。在中空构件170具有直径为D2的圆形内部横截面形状的情况下，第二横截面面积A2可由直径D2确定，即A1＝π(D2/2)

中空构件170由熔融温度比PSP材料的熔融温度高的材料制成。在一个实施方案中，中空构件170可以由能够在球160的钎焊期间以及在涡轮部件100的操作期间不失去形状的任何材料制成。在一个示例中，中空构件170可仅由诸如Hastelloy X、Inconel、Rene合金的超合金制成，但能够基于部件的最终用途选择定制材料。这样，当球160被钎焊到球滑槽130中的适当位置时，球160经由中空构件170保持通道132、134之间的流体连通。中空构件170不受钎焊工艺的影响。如所述，通过球160在通道132、134之间允许的冷却剂流基于中空构件170的第二横截面积A2来计量。

中空构件170可以以任何方式固定在开口164中。在一个选项中，中空构件170可具有外部横截面形状和尺寸，例如直径D3(图5)，其被构造成与开口164的内表面过盈配合。中空构件170可例如沿着其长度被迫进入开口164的内表面中以产生过盈配合。在另一选项中，中空构件170可具有外部横截面形状和尺寸，例如直径D3(图5)，其被构造成自由地滑入开口164的内表面中，并且中空构件170可例如通过能够径向地扩张中空构件170的任何机构径向地向外扩张成与开口164的内表面过盈配合。在另一选项中，如图8的剖视图所示，中空构件170可包括从其至少一端(均示出)(径向)延伸的凸缘172。每个凸缘172可与开口164的端部177接合，以将中空构件170固定在开口164中。凸缘172可形成在中空构件170上，例如，通过将其端部175径向向外扩张成与开口164的端部177紧密配合，例如，通过能够径向扩张中空构件170的任何机构。或者，凸缘172可以使用任何适当的接合技术(例如，焊接、钎焊、软钎焊)联接到中空构件170上。在另一选项中，中空构件170可通过任何合适的接合技术(例如，焊接、钎焊、软钎焊)固定在开口164中。

本公开的实施方案还包括具有球160的涡轮部件100。如图2至图3所示，涡轮部件100可以包括其中具有球滑槽130的部件主体104。球160定位在球滑槽130中。球160包括被钎焊到球滑槽130中的适当位置的球主体162。球主体162由PSP材料制成，如本文所述。球主体162具有被限定穿过其中的开口164，该开口具有第一横截面积A1。中空构件170被固定在被限定穿过球主体162的开口164内。中空构件170具有小于开口164的第一横截面积A1的第二横截面积A2。中空构件170由熔融温度比PSP材料的熔融温度高的材料制成。中空构件170可包括本文列出的材料，并且可固定在开口164中，如本文所述。

参照图3以及图9和图10的剖视图，现在将描述根据本公开的实施方案的方法。该方法的实施方案可包括在球160中形成开口164。图9示出了在球主体162中形成开口164的剖视图。开口164可通过任何现在已知或以后开发的技术形成，例如钻孔、电火花加工等。图4和图8示出了将中空构件170固定在开口164中。中空构件170可以以本文所述的任何方式固定在开口164中。

图3和图10示出了涡轮部件100中的将球160定位在球滑槽130中。在一个选项中，如图3中所示，球160可以使用任何现在已知的工艺定位在球滑槽中，诸如仅仅将球160丢入通道132中，并且允许其通过重力落入球滑槽130中。在另一个实施方案中，如图10所示，将球160定位在球滑槽130中可包括沿着延伸穿过中空构件170并进入球滑槽130中的细长构件180供给球。球160沿着细长构件180滑动，这将球160和中空构件170定位在球滑槽130中，以在钎焊之后保持通过中空构件170和通过球滑槽130的流体连通。细长构件180可包括能够以其远端可将球160定位在球滑槽130中的方式定位在通道132、134和/或球滑槽130中的任何结构。例如，细长构件180可包括电线、线/绳或其他柔性细长构件。细长构件180可在球滑槽130上方延伸或延伸进入球滑槽中。虽然大体上以线性布置示出，但是细长构件180可以通过通道132、134中的任何种类的转弯来路由。

该方法还可包括将球160的球主体162钎焊在球滑槽130中(图3和图8中的弯曲箭头)。在钎焊之后，中空构件170保持通过球160的流体连通。这样，即使球160在球滑槽130中的位置例如对于球160的钻孔是不可接近的，也可以提供通道132、134之间的冷却剂流。由于中空构件170由具有比PSP材料更高的熔融温度以及比钎焊工艺的熔融温度和涡轮部件100的操作温度更高的熔融温度的材料制成，所以中空构件170将保持通道132、134之间的流体连通。中空构件170的尺寸可被设计成具有提供任何期望的流动特性的第二横截面积A2。任何期望的湍流器174(图6)和/或计量元件176可设置在中空构件170中。

本公开的实施方案减小了较大的球滑槽130，同时在PSP材料中嵌入较小的通道(在中空构件170中)，防止了使用传统钻孔操作的质量问题。更具体地，中空构件允许球被钎焊到涡轮部件中的球滑槽中的适当位置，但仍继续保持通过球滑槽与由中空构件的横截面积计量的冷却剂流的流体连通。中空构件还允许通过其中的冷却剂流的定制计量。

如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个端值，并且除非另外依赖于测量该值的仪器的精度，否则可以指示该值的+/-10％。

以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。