專利名稱：帶有三通路彎曲冷卻通道和微型回路的翼型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于翼型例如渦輪葉片或者翼片的冷卻方案，其中彎曲的冷卻通道在高應(yīng)力區(qū)利用附加的冷卻微型回路給予補(bǔ)充。
背景技術(shù)：
渦輪葉片應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。如眾所周知的那樣，渦輪葉片通常包括一平臺(tái)(platform)，以及在平臺(tái)之上延伸的翼型形狀。翼型是彎曲的，從前緣延伸到后緣，并在壓力壁和吸力壁之間延伸。
在翼型主體內(nèi)形成了冷卻回路以使冷卻流體，通常為空氣，循環(huán)。冷卻回路的一種形式是彎曲通道。在彎曲通道內(nèi)，空氣連續(xù)地流過多個(gè)路徑，并沿相反方向流過所述路徑。因此，空氣開始會(huì)沿著第一路徑從渦輪葉片的平臺(tái)向外流過翼型并到達(dá)鄰近翼型的端部的某一位置。然后，所述流動(dòng)沿第二路徑返回，沿著相反方向朝著平臺(tái)返回。通常，所述流動(dòng)沿第三路徑再次反轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離平臺(tái)的方向流動(dòng)。
在彎曲通道中路徑的位置和形狀是這種設(shè)計(jì)中考慮的主要因素。
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，在路徑內(nèi)流動(dòng)的冷卻空氣受到旋轉(zhuǎn)力作用。通過路徑的流體相互作用，且該旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致眾所周知的科里奧利(Coriolis)力，該科里奧利力在路徑中產(chǎn)生內(nèi)部流體循環(huán)?？评飱W利力基本上與流過通道的冷卻劑的速度矢量和旋轉(zhuǎn)葉片的角速度矢量的矢量交叉乘積成正比。因此，科里奧利效應(yīng)與彎曲通道路徑中的相鄰路徑相對(duì)，其取決于氣流是流向平臺(tái)還是遠(yuǎn)離平臺(tái)。
為了最好的利用由科里奧利效應(yīng)產(chǎn)生的氣流，翼型的設(shè)計(jì)者已經(jīng)確定流體通道，特別是構(gòu)成彎曲流體路徑一部分的路徑應(yīng)當(dāng)呈梯形形狀。實(shí)質(zhì)上，科里奧利效應(yīng)導(dǎo)致在每個(gè)流體通道中存在一第一流體方向，然后在該第一流體的每一側(cè)上有一回流。因?yàn)槔鋮s空氣沿一特定方向流動(dòng)中，翼型領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，將受第一方向沖擊的側(cè)面的熱交換比相反側(cè)面上的大。因此，梯形形狀設(shè)被計(jì)成保證冷卻通道的較大側(cè)受到第一流動(dòng)方向的沖擊。如上所述，第一流動(dòng)方向在上述第一和第三路徑中不同于其在第二通道中。用在彎曲流體的這種梯形形狀的路徑，鄰近于梯形較小側(cè)的璧具有較小的冷卻面積和較低的冷卻效率。
另外，在一些情況下，梯形路徑的較小側(cè)可以和璧間隔開相對(duì)大的距離。而且，連續(xù)流體路徑通常在高曲率的區(qū)域，該區(qū)域要承受相對(duì)高機(jī)械和熱應(yīng)力。
基于上述所有原因，在梯形流體路徑之一的較小側(cè)和其面對(duì)璧之間的區(qū)域。是一個(gè)可以得益于額外冷卻的區(qū)域。
最近，本發(fā)明的受讓人已對(duì)埋入翼型的璧中的冷卻回路進(jìn)行了開發(fā)，這種技術(shù)叫做微型回路。這些微型回路在共同未決的2003年8月8日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)第10/637,352號(hào)、發(fā)明名稱為“微型回路翼型主體”MicrocircuitAirfoil Main Body中公開。將這些微型回路用在上述彎曲通道中的梯形流體路徑的較小側(cè)和其面對(duì)璧之間的區(qū)域這一技術(shù)從未被公開過。
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明公開的實(shí)施例中，翼型具有微型冷卻回路，該微型冷卻回路埋入彎曲通道路徑之一的較小側(cè)和相鄰璧之間的區(qū)域中。該微型回路提供有來自彎曲通道中其它路徑之一的冷卻空氣。而且，在公開的實(shí)施例中，微型回路通過一系列小開口排氣，以向相鄰璧處的翼型的表面提供薄膜冷卻。
微型回路的位置與翼型葉片的璧上的高曲率區(qū)域?qū)?zhǔn)。出于這一額外原因以及上述的原因，該區(qū)域受到高熱和機(jī)械應(yīng)力作用。因此，微型回路處于大大受益于額外冷卻的位置。
微型回路埋入璧中鄰近于路徑且在路徑和壓力壁之間的位置。微型回路在較小側(cè)和面對(duì)壓力壁之間測(cè)量到的尺寸最好很小。而且，微型回路實(shí)際上最好是多個(gè)沿著從平臺(tái)和向外延伸的方向間隔開的多個(gè)彼此隔開的微型回路。
在一個(gè)應(yīng)用中，高應(yīng)力的區(qū)域在第二路徑較小側(cè)和壓力壁之間。在該實(shí)施例中，微型回路最好是從第三路徑供應(yīng)冷卻空氣。
在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，本發(fā)明也擴(kuò)展為在路徑的較小側(cè)和吸力壁之間設(shè)置微型回路。因此，在第二實(shí)施例中，微型回路定位于第一路徑較小側(cè)和吸力壁之間。在該實(shí)施例中，微型回路從第二流體路徑提供冷卻空氣。
從下面的說明書和附圖可以最好地理解本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)，下面是一個(gè)簡(jiǎn)要說明。
圖1是包含本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的視圖；圖3是貫通現(xiàn)有技術(shù)渦輪葉片的剖面圖；圖4示意性地表示出冷卻氣流通過現(xiàn)有技術(shù)渦輪葉片的情況；圖5表示出第一實(shí)施例中渦輪葉片中有創(chuàng)造力的部分；圖6示意性地表示出圖5實(shí)施例中一個(gè)構(gòu)造；圖7表示第二實(shí)施例；圖8是可應(yīng)用于本發(fā)明上的微型回路冷卻方案的一個(gè)實(shí)施例的放大示意圖；以及圖9是微型回路冷卻方案的另一實(shí)施例的放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10、例如用于發(fā)電或推進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)的中心線或軸向中心軸線12周向地設(shè)置。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括風(fēng)扇14、壓縮機(jī)16、燃燒部分18和渦輪11。正如本領(lǐng)域眾所周知的那樣，在壓縮機(jī)16內(nèi)被壓縮的空氣與燃料混合，燃料在燃燒部分18中燃燒并在渦輪11中膨脹。在壓縮機(jī)中被壓縮的空氣和在渦輪11中膨脹的燃料混合物均可稱為熱氣流。渦輪11包括轉(zhuǎn)子13和15，該轉(zhuǎn)子響應(yīng)于膨脹而旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)16和風(fēng)扇14。渦輪11包括交錯(cuò)排列的旋轉(zhuǎn)葉片20和靜態(tài)翼型或翼片19。圖1只是出于說明目的示意性圖示，并不是用來將本發(fā)明限制在發(fā)電、飛機(jī)等的燃?xì)廨啓C(jī)上使用。
圖2顯示了具有平臺(tái)32的旋轉(zhuǎn)葉片20，該平臺(tái)帶有遠(yuǎn)離平臺(tái)32向上延伸的翼型34。當(dāng)本發(fā)明用渦輪葉片來說明時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明也具有用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)例如翼片19上的價(jià)值。
冷卻通道貫穿如圖3所示的現(xiàn)有技術(shù)的翼型34而設(shè)置。冷卻通道36接收來自鄰近于平臺(tái)32的供應(yīng)源的氣流，并沿翼型34的長(zhǎng)度向外引導(dǎo)該氣流。彎曲通道用路徑38、40、42標(biāo)記，當(dāng)空氣連續(xù)地流過路徑38、40和42時(shí)使空氣沿向內(nèi)或向外的方向循環(huán)。
如圖4示意性地表示出，路徑38沿遠(yuǎn)離平臺(tái)32或者“向上”的方向向外引導(dǎo)空氣，然后使空氣連通到“向下”或向內(nèi)的路徑40。路徑40連通向外的流動(dòng)路徑42。
如圖3所示，路徑38、40和42截面為梯形。如上所述，選擇梯形形狀是最佳地考慮了科里奧利(Coriolis)效應(yīng)。因而，路徑38具有一較大側(cè)37和一較小側(cè)39，路徑40具有一較大側(cè)41和一較小側(cè)43，而路徑42具有一較大側(cè)45和一較小側(cè)47。如圖3所示，在每個(gè)路經(jīng)38、40和42中氣流的第一方向分別被引導(dǎo)朝向最大側(cè)37、41和45。如上所述，這利用了科里奧利(Coriolis)效應(yīng)，且其結(jié)果是在較大側(cè)提高了熱傳導(dǎo)。然而，這也會(huì)導(dǎo)致在較小側(cè)熱傳導(dǎo)降低。如圖所示，翼型34的吸力壁51分別鄰近路徑40的較大側(cè)41、路經(jīng)38和42的較小側(cè)39和47。翼型的壓力壁46分別鄰近路經(jīng)38和42的較大側(cè)37和45。而且，路徑40的較小側(cè)43布置在靠近壓力璧46的位置。從圖3可以恰當(dāng)?shù)乜吹?，在路?0的較小側(cè)43和壓力壁46之間有一區(qū)域100，該區(qū)域也是一個(gè)高曲率的區(qū)域。而且，在區(qū)域100處，路徑40的較小側(cè)43和壓力壁46之間有很大的距離。
區(qū)域101是存在同樣問題的另一個(gè)區(qū)域。區(qū)域101與路經(jīng)38的較小側(cè)39和吸力壁51間隔開。區(qū)域101也是一個(gè)高曲率、高熱和機(jī)械應(yīng)力以及考慮到其與路經(jīng)38的較小側(cè)39的間距而存在相同的有關(guān)冷卻問題的區(qū)域。
區(qū)域100和101承受大量的應(yīng)力基于幾個(gè)原因。第一，事實(shí)上它們都具有高曲率且都鄰近于導(dǎo)致高熱和機(jī)械應(yīng)力的壓力或吸力壁。而且，因?yàn)槁窂?0離壓力壁46相對(duì)遠(yuǎn)，在區(qū)域100處沒那么多冷卻容積。區(qū)域101存在同樣的問題。最后，鄰近這些區(qū)域的梯形形狀的較小側(cè)，用于冷卻區(qū)域100和101的表面積和冷卻效率都減小了。由于所有這些原因，區(qū)域100和101是存在充分冷卻問題的區(qū)域。
圖5表示包含在第二路徑40的較個(gè)側(cè)43和壓力壁46之間(即區(qū)域100內(nèi))的微型回路50。值得注意的是，多個(gè)基座(pedestals)112設(shè)置于微型回路50中且在微型回路50的側(cè)面之間延伸?；?12通過控制流過微型回路的冷卻空氣的流動(dòng)而幫助提供更有效的熱傳導(dǎo)。如圖所示，通道111從第三路徑42到微型回路50連通空氣。排氣孔、槽或口52延伸到壓力壁46的表面，以在區(qū)域100提供薄膜冷卻。
用夸張的寬度表示微型回路，是為了更好地說明其基本結(jié)構(gòu)。其準(zhǔn)確的尺寸范圍等將在下面說明。
從圖6可以認(rèn)識(shí)到，優(yōu)選地有多個(gè)這種微型回路，它們沿著翼型的長(zhǎng)度間隔開，且進(jìn)入和伸出圖5所示的平面。冷卻空氣從路徑42流出，通過開口111流入一系列埋入翼型34內(nèi)的微型回路50。空氣從基座112上通過，且穿過微型回路50到排氣口52。
圖7表示另一個(gè)微型回路實(shí)施例150，其中微型回路定位在路徑38的較小側(cè)39和吸力壁51之間的區(qū)域101內(nèi)。這里仍然是入口通道154連通來自另一個(gè)彎曲通道的路徑40的冷卻空氣?；?52安置在微型回路150內(nèi)，且排氣口160將薄膜冷卻空氣與吸力壁51連通。圖7所示的實(shí)施例優(yōu)選地包括多個(gè)與圖6所示相似的間隔開的微型回路150。
微型回路的細(xì)部可以具有多種不同的形狀、位置、間隔等，每個(gè)微型回路具有不同數(shù)量的入口/出口，且有多種相關(guān)的基座形狀和大小。下面將描述幾種適用的可選擇方案，但是這些方案僅是示例性的。也就是說，圖5中的微型回路50和圖7中的150，可具有圖8或9的結(jié)構(gòu)形式或者一些其它的結(jié)構(gòu)形式。出于應(yīng)用的目的，微型回路最好只是一種很細(xì)小的回路，該回路被安置在有益于額外冷卻的區(qū)域。本發(fā)明范圍內(nèi)的微型回路可具有基座形狀和大小進(jìn)行不同結(jié)合的形式。
現(xiàn)在看圖8，圖中詳細(xì)地表示出一個(gè)示例性的微型回路222。圖8是可以用在圖5或7中的微型回路位置上的微型回路冷卻方案。微型回路可提供量裁的高傳遞效率的冷卻。對(duì)于提高的冷卻構(gòu)形，除了高傳遞效率之外，還需要高的薄膜有效性。如上所述，圖6顯示出沿著翼型36的壓力壁46間隔埋入的本發(fā)明的微型回路50。微型回路可由機(jī)加工形成或者在一個(gè)部件內(nèi)模制而成。在優(yōu)選實(shí)施例中，微型回路由耐火金屬模板形成，且在澆鑄之前被封裝在部分模型中。幾種耐火金屬包括鉬(MO)和鎢(W)，它們具有超過鎳基超耐熱合金的標(biāo)準(zhǔn)鑄造溫度的熔點(diǎn)。這些耐火金屬可制造為軋制薄板或模板，其大小應(yīng)該做成符合渦輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)冷卻設(shè)計(jì)要求的冷卻通道特性。優(yōu)選的，包括在本發(fā)明中的部件，部分或全部由鎳基合金或鈷基合金形成。薄耐火金屬板和薄金屬片具有使其彎曲和形成復(fù)雜形狀的足夠塑性。該塑性使我們得到能夠完好保存打蠟/脫殼循環(huán)的耐用的設(shè)計(jì)方案。澆鑄之后，可以將耐火金屬移去，例如通過化學(xué)方法、熱吸收(thermal leeching)或氧化方法移去，留下形成微型回路222的空穴。應(yīng)該注意到，微型回路也可以用帶有陶瓷芯的熔模制造技術(shù)加工而成。
冷卻微型回路222實(shí)施例的每個(gè)“矩形”可占用的璧表面積有0.1平方英寸那么大。然而，更常見的微型回路222占用的璧表面積小于0.06平方英寸，且優(yōu)選實(shí)施例的璧表面占用的璧表面積通常更接近0.05平方英寸。在典型實(shí)施例中，進(jìn)入璧所測(cè)量的微型回路222的厚度t優(yōu)選的大約為0.012英寸到大約0.025英寸，最優(yōu)選的大約小于0.017英寸。這些尺寸用于璧厚大約為0.045-0.125英寸的渦輪葉片。
微型回路222分別包括前端244、后端245、第一側(cè)246、第二側(cè)248和多行列支柱250、252、254、256或者基座260、262、264、266、268，它們?cè)诼窂降耐忤?46、265之間延伸。微型回路222沿其前端244和后端245之間的寬度方向以及其第一側(cè)246和第二側(cè)248之間的長(zhǎng)度方向或徑向方向延伸。進(jìn)氣孔111(或圖7中的154)穿過第一璧部分延伸并定位在接近微型回路222的后端245的位置，以從翼型34的路徑42(或40)向微型回路222提供冷卻氣流路徑。出口或排氣孔52(或160)穿過接近前端244的外璧延伸，該前端提供從微型回路222進(jìn)入璧外面的核心(core)氣體路徑的冷卻氣流路徑。微型回路222通常沿核心氣流的流線G從前到后取向，盡管為了適應(yīng)眼前的用途取向可以變化。在典型的實(shí)施例中，有兩個(gè)跑道形狀的進(jìn)氣孔111，他們沿徑向方向長(zhǎng)向延伸。在典型的實(shí)施例中，出氣孔52是一個(gè)沿徑向方向長(zhǎng)向延伸的槽。進(jìn)氣孔111的典型長(zhǎng)度Lin大約為0.025英寸，同時(shí)出氣孔52的長(zhǎng)度L出大約為0.100英寸。
下面說明一些微型回路的例子，以表明微型回路概念的多方面適應(yīng)性。如上所述，這些例子不是用來限制本發(fā)明的。
行列(或排)250具有大體上形成為細(xì)長(zhǎng)的正長(zhǎng)方形圓柱體的基座260?；?60的長(zhǎng)度L1(平行于該行列計(jì)量的)大約為0.040英寸，寬度W1(垂直于該行列計(jì)量的)大約為0.020英寸，節(jié)距P1大約為0.060英寸以及間隔S1大約為0.020英寸。節(jié)距可定義為一行列中的相應(yīng)基座之間在中心上的徑向跨距。該跨距被定義為基座的節(jié)距P的長(zhǎng)度減去其直徑D的長(zhǎng)度。因?yàn)樾辛邢薅搜刂苫鶕踝〉奶厥庑辛械拿娣e百分比，沿行列基座尺寸L與節(jié)距P之比以后認(rèn)為是限制或阻滯系數(shù)。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為67％。
下一行列252也具有大體上形成為細(xì)長(zhǎng)的正長(zhǎng)方形圓柱體的基座262。該行列基座的長(zhǎng)度L2大約為0.025英寸，寬度W2大約為0.015英寸，節(jié)距P2大約為0.0615英寸以及間隔S2大約為0.0365英寸。在典型實(shí)施例中，L2和W2二者事實(shí)上都小于L1和W1。但是，節(jié)距P2基本上與P1相同，且位相也完全交錯(cuò)開，從而，基座262一般在相關(guān)的縫隙270之后。行列250和252之間的行列節(jié)距R1大約為0.0375英寸。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為42％。
下一行列254也具有大體上形成為細(xì)長(zhǎng)的正長(zhǎng)方形圓柱體的基座264。該基座264的長(zhǎng)度L3大約為0.025英寸，寬度W3大約為0.015英寸，節(jié)距P3大約為0.0615英寸以及間隔S3大約為0.018英寸。在典型實(shí)施例中，這些尺寸基本上與前面行列252的對(duì)應(yīng)尺寸相同，但是相位完全錯(cuò)開，因此，每個(gè)基座264都緊接在縫隙272之后。行列252和254之間的行列節(jié)距R2和前面的R1一樣，大約為0.033英寸。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為42％。
下一行列256具有大體上形成為正圓柱體的基座266。其直徑D4大約為0.0200英寸，節(jié)距P4大約為0.038英寸以及間隔S4大約為0.018英寸。在典型實(shí)施例中，D4小于長(zhǎng)方形基座的長(zhǎng)度。另外，節(jié)距P4小于其它行列的節(jié)距，且除了254這一行列外，間隔S4小于其它行列的間隔。行列254和256之間的行列節(jié)距R3和前面的R1和R2一樣，大約為0.014英寸。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為53％。
下一行列258具有兩個(gè)基座268，每個(gè)基座具有一穿過基座的本體的縱軸線271，這樣該軸線271沿徑向延伸。因此，如圖8所示，基座268為沿徑向的細(xì)長(zhǎng)形狀且與出氣口263對(duì)準(zhǔn)?；?68由縫隙278分開，該縫隙中心對(duì)準(zhǔn)微型回路222的前端244內(nèi)的出氣孔52?？p隙278的徑向長(zhǎng)度Lg最好不超過大約0.015英寸?；?78通常具有突起或脊尖276，該突起或脊尖朝向其對(duì)準(zhǔn)的出氣口52向外延伸。在典型實(shí)施例中，基座268沿徑向的長(zhǎng)度L5大約為0.079英寸。
因此，上面已經(jīng)描述了各行列250、252、254、256和258，現(xiàn)在說明從圖8中微型回路50獲得的益處。
第一行列250的基座260彼此間隔開以一定的圖案形式設(shè)置，該圖案形式可控制流過微型回路50的冷卻空氣的局部速度和促使其橫向擴(kuò)散。這一擴(kuò)散導(dǎo)致冷卻回路222內(nèi)的渦區(qū)形成和增加熱量吸收?；?60與行列252的基座262不重合或交錯(cuò)排列。同樣，行列254的基座264與行列252的基座262不重合。各個(gè)不重合很充分，因而在通過微型回路222基本上沒有直線通道。當(dāng)空氣通過基座262和264時(shí)，因更均勻的流動(dòng)擴(kuò)散而使渦區(qū)減少。這一結(jié)果是由于與行列250和256相比，行列252、254具有相對(duì)低的限制系數(shù)而達(dá)到的。因此，行列252、254用于使冷卻回路222內(nèi)尾隨的渦區(qū)擾動(dòng)減至最小以及提供冷卻回路222內(nèi)渦區(qū)/擾動(dòng)的逐步轉(zhuǎn)變。當(dāng)空氣通過下一行列256時(shí)，被計(jì)量的空氣增大了速度，同樣，熱量也轉(zhuǎn)移了?？梢宰⒁獾?，行列250的限制系數(shù)比行列252、254、256的大。因此，空氣流入微型回路50而被分散，不會(huì)產(chǎn)生過大的壓降且在某種意義上使熱傳導(dǎo)增大。
當(dāng)空氣通過行列250、252、254時(shí)，基座268使空氣的擾動(dòng)所產(chǎn)生的渦區(qū)減小。渦區(qū)擾動(dòng)的減小避免了微型回路50內(nèi)的熱流再循環(huán)且便于熱量吸收。當(dāng)圍繞基座268引導(dǎo)氣流時(shí)，該氣流被均勻地?cái)U(kuò)散通過出氣孔52?，F(xiàn)在出氣孔52使用槽是很合適的。當(dāng)空氣排出槽時(shí)，分別獲得壓力46或吸力側(cè)壁51上的均勻的薄膜層。因此，基座268可防止氣流進(jìn)行成條紋或不連續(xù)的噴射而通過出氣孔52(或160)。當(dāng)相應(yīng)的空氣通過出氣口52噴射時(shí)形成條紋是很不利的，這將不能均勻的覆蓋金屬，而可能在璧46上產(chǎn)生局部過熱。
有優(yōu)勢(shì)的是，當(dāng)空氣通過出氣孔52(或160)排出時(shí)，上述的基座268的定位布置會(huì)對(duì)空氣進(jìn)行很好的計(jì)量控制。更準(zhǔn)確地說，冷卻空氣流過縫隙278且圍繞著接近第一和第二側(cè)246、248的基座268。因此，當(dāng)計(jì)量通過行列256的流體時(shí)，一部分流體通過縫隙278，而剩余的空氣繞過基座268。而且，按這種方式且如圖9的流線0，1，1′所示，通過出氣孔52的氣流被均勻地?cái)U(kuò)散。中心流線0所起的作用是不使流線1橫穿而干擾流線1′且反之亦然。因此，基座268的取向使流體直線流動(dòng)，同時(shí)確保準(zhǔn)確的計(jì)量控制，其結(jié)果是提高了薄膜冷卻和有效性。
現(xiàn)在參照附圖9，該圖表示微型回路322的另一實(shí)施例。在各附圖中相同的附圖標(biāo)記和符號(hào)表示代表相同的元件。在該另一實(shí)施例中，微型回路322有兩個(gè)出氣孔52和三個(gè)進(jìn)氣孔111?，F(xiàn)在，對(duì)典型實(shí)施例中微型回路322的有關(guān)冷卻設(shè)計(jì)和所獲得的有益效果進(jìn)行進(jìn)一步說明。在該典型的另一實(shí)施例中，有三個(gè)沿徑向在長(zhǎng)度方向上延伸的跑道形狀的進(jìn)氣孔111，以及兩個(gè)最好是槽的出氣孔52，該出氣孔也沿徑向在長(zhǎng)度方向上延伸。進(jìn)氣口111的典型長(zhǎng)度L進(jìn)大約為0.025英寸，同時(shí)出氣孔52的長(zhǎng)度L出大約為0.100英寸。
微型回路322在行列380、382、384、386上分別有基座或支柱390、392、394和396。行列380具有大致形成為倒圓的三角形柱體的基座390，其中，具有第一側(cè)面300和通常為圓形的有效側(cè)面302，該第一側(cè)面是平的且通常與流動(dòng)方向垂直?；?90的主要軸向長(zhǎng)度L1大約為0.033英寸，節(jié)距P1大約為0.058英寸以及間隔S1大約為0.018英寸。行列380促使流入微型回路322的冷卻空氣橫向擴(kuò)散。根據(jù)上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為52％。
下兩行列382和384分別具有基座392、394，它們大致形成為倒圓的正長(zhǎng)方形柱體?；?92的直徑D2大約為0.020英寸，間距S2大約為0.0148英寸，節(jié)距P2大約為0.035英寸。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為57％?；?94的直徑D3大約為0.020英寸，間距S3大約為0.0148英寸，節(jié)距P3大約為0.035英寸。按照上面確定的尺寸，限制或阻滯系數(shù)為57％。基座392、394通常相互不重合或交錯(cuò)排列且用來計(jì)量流過它們之間的空氣。氣流通過行列382和384計(jì)量，以使流速、局部雷諾數(shù)(Reynolds Number)和相應(yīng)的內(nèi)部熱量傳遞系數(shù)增大。因此，基座394的密集度致使其限制系數(shù)比行列380中的基座390高。
最后的行列386具有兩個(gè)基座396，每個(gè)基座396都分別與兩個(gè)出氣口52之一對(duì)準(zhǔn)?；?96具有一沿徑向延伸的縱軸線399。因此，基座396為沿徑向的細(xì)長(zhǎng)形狀。每個(gè)基座396通常都具有朝相應(yīng)的出口孔52向外延伸的突起或脊尖397。每個(gè)基座396通常在中央對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的出氣口52(或160)。在典型實(shí)施例中，基座396的縱向長(zhǎng)度L3大約為0.100英寸。
到此，上面已對(duì)行列380、382、384和386進(jìn)行了描述，現(xiàn)在，說明圖9中微型回路322實(shí)現(xiàn)的有益效果。
基座390的第一行列380與另一行列間隔開，且具有如上所述的控制局部速度和促使流過微型回路322的冷卻空氣橫向擴(kuò)散的形狀。而且，基座390使渦區(qū)擾動(dòng)減小。冷卻氣流沖擊在側(cè)面300上且使得該氣流被迫圍繞基座390經(jīng)過側(cè)面302，因而，減少了基座390后面的渦區(qū)的形成以及避免了局部過熱。
下兩行列382、384的基座392、394相對(duì)彼此以及相對(duì)第一行列380的基座390交錯(cuò)排列。因此，大體上沒有直線通道通過微型回路322。當(dāng)冷卻空氣通過這些行列時(shí)，使渦區(qū)減小以產(chǎn)生更均勻的流體擴(kuò)散。
有優(yōu)勢(shì)的是，當(dāng)冷卻空氣通過相應(yīng)的出氣孔52時(shí)，上述的基座396的定位布置使冷卻空氣得到很好的計(jì)量控制。更準(zhǔn)確地講，當(dāng)冷卻空氣通過行列382和384時(shí)，空氣沖擊在基座396上且被引導(dǎo)繞過基座通過相對(duì)應(yīng)的出氣口52排出。而且，按照這種方式以及圖中流線0、1、1′所示，主流線0為空氣通過出氣口52排出提供了均勻的流體分布。也就是說，流線1不與流線1′交叉且反之亦然。主流線0與圖8所示的第一實(shí)施例一樣，通常與相對(duì)應(yīng)的出氣口52的中心對(duì)準(zhǔn)。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，基座396與出氣口52對(duì)準(zhǔn)，因此基座396的長(zhǎng)度L3的大部分暴露于出氣口52。這樣，當(dāng)流線包圍基座時(shí)，它們可自由地排出出氣口52。因此，基座396的取向使流體能夠直線流動(dòng)，同時(shí)確保準(zhǔn)確的計(jì)量控制，其結(jié)果是可提高薄膜冷卻和有效性。
因此，引導(dǎo)氣流圍繞著基座396，并且使氣流均勻地通過出氣口52擴(kuò)散。現(xiàn)在可以理解出氣口52使用槽是合適的。當(dāng)空氣排出槽時(shí)，在外面更準(zhǔn)確地講是在壓力和/或吸力壁46、51上分別得到均勻的薄膜層。因此，基座396可防止流體出成條紋和不連續(xù)噴射而通過出氣口52(或160)。當(dāng)對(duì)應(yīng)的空氣通過出氣口52(或160)噴射出來時(shí)形成條紋是很不利的，這樣就不會(huì)均勻地覆蓋金屬，其結(jié)果可能會(huì)在璧24上產(chǎn)生局部過熱。當(dāng)空氣通過行列380、382、384時(shí)，基座396也可用來減小因空氣擾動(dòng)產(chǎn)生的渦區(qū)。渦區(qū)的減小可以避免微型回路322內(nèi)流體再循環(huán)和便于熱量吸收。
值得注意地，為了提高翼型的結(jié)構(gòu)整體性，可將微型回路設(shè)置在璧內(nèi)，使出口孔或槽不在同一直線上。
在典型實(shí)施例中，將多個(gè)微型回路分別設(shè)置在壓力和/或吸力壁46、51內(nèi)。而且，每個(gè)相應(yīng)的微型回路的進(jìn)氣口111(154)應(yīng)該相對(duì)于反向旋轉(zhuǎn)循環(huán)而同向定位，該反向旋轉(zhuǎn)循環(huán)由流過各個(gè)通道42、40的冷卻空氣上的科里奧利(Coriolis)力產(chǎn)生。按照這種方式，采取反向旋轉(zhuǎn)循環(huán)有助于將冷卻空氣吸入進(jìn)氣口111、154以及吸入微型回路222、322。
因此，本發(fā)明為有高熱和機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域提供了額外冷卻，并且提供了比想要的更小的冷卻容量。
盡管已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到某些改進(jìn)都將落在本發(fā)明范圍之內(nèi)。基于這個(gè)原因，下面的權(quán)利要求書應(yīng)該力求確定本發(fā)明真正的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種翼型，它包括具有帶有彼此隔開的壓力壁和吸力壁的彎曲形狀的翼型，所述翼型從基底延伸到頂部；在所述吸力和壓力壁之間形成且在所述翼型內(nèi)的冷卻通道，所述冷卻通道包括彎曲通道，所述彎曲通道具有第一路徑、第二路徑和第三路徑，其中第一路徑從所述基底向外且穿過所述翼型朝向所述頂部延伸，第二路徑連通所述第一路徑且使冷卻流體向所述基底回流，第三路徑連通所述第二路徑且使冷卻流體遠(yuǎn)離所述基底向外返回流動(dòng)；每個(gè)所述第一、第二和第三路徑截面通常呈梯形形狀，每個(gè)所述梯形形狀具有一較大側(cè)和一較小側(cè)，所述第一和第三路徑的較大側(cè)定位成面向所述壓力或吸力壁之一，而所述第一和第三路徑的較小側(cè)定位成面向所述壓力和吸力壁中的另一個(gè)，以及所述第二路徑的所述較大側(cè)定位成面向所述壓力和吸力壁中的另一個(gè)，而所述第二路徑的所述較小側(cè)定位成面向所述壓力和吸力壁之一；微型冷卻回路，其埋入鄰近于所述第一、第二和第三路徑之一的較小側(cè)且在所述第一、第二和第三路徑之一的所述較小側(cè)以及所述壓力和吸力壁中一個(gè)面對(duì)壁之間，所述微型冷卻回路接收冷卻流體，在所述第一、第二和第三路徑之一的所述較小側(cè)和所述壓力壁中的所述面對(duì)壁之間的區(qū)域中提供額外的冷卻；以及所述微型冷卻回路的截面小于所述第一、第二和第三路徑，且有多個(gè)橫過所述微型冷卻回路延伸的基座。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路接收從所述第一、第二和第三路徑選擇的動(dòng)力源、而不是從所述第一、第二和第三路徑之一來的所述冷卻流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路定位在所述第二路徑的所述較小側(cè)和所述壓力壁之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路接收來自所述第三路徑的所述冷卻流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型，其特征是所述微型回路定位在所述第一路徑的較小側(cè)和所述吸力壁之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路接收來自所述第二路徑的所述冷卻流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是冷卻流體通過多個(gè)所述吸力和壓力壁中的所述面對(duì)壁中的開口離開所述微型冷卻回路，以提供薄膜冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是所述翼型是渦輪葉片而所述基板是平臺(tái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是所述冷卻流體是空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是在所述第一、第二和第三路徑之一的所述較小側(cè)和所述壓力和吸力壁之一之間的范圍內(nèi)測(cè)量的所述微型冷卻回路的厚度，大約在0.012和0.025英寸之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路包括多個(gè)分散的微型回路，這些微型回路沿著從所述翼型的所述基底向所述頂部延伸的方向間隔開。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是所述基座包括多種不同形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的翼型，其特征是所述微型冷卻回路包括多個(gè)微型冷卻回路，所述微型冷卻回路沿著從所述基底向所述頂部延伸的方向間隔開。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的翼型，其特征是有多個(gè)所述進(jìn)氣口進(jìn)入所述微型冷卻回路。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的翼型，其特征是有多個(gè)所述出氣口從所述微型冷卻回路出來。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型，其特征是在所述第一和第三路徑上的科里奧利效應(yīng)與所述第二路徑上的科里奧利效應(yīng)不同，由于科里奧利效應(yīng)直接作用于每個(gè)所述第一、第二和第三路徑的所述較大側(cè)，而具有第一流動(dòng)方向。
17.一種渦輪葉片，它包括向平臺(tái)外延伸的翼型，所述翼型形成帶有彼此間隔開的壓力壁和吸力壁的曲線形狀；在所述吸力和壓力壁之間形成且于所述翼型中的冷卻通道，所述冷卻通道包括彎曲通道，所述彎曲通道具有第一路徑、第二路徑和第三路徑，其中第一路徑從所述平臺(tái)向外延伸且穿過所述翼型，第二路徑連通所述第一路徑使冷卻流體向所述平臺(tái)回流，第三路徑連通所述第二路徑且使冷卻流體遠(yuǎn)離所述平臺(tái)向外返回流動(dòng)；所述第一、第二和第三路徑截面通常呈梯形形狀，每個(gè)所述梯形形狀限定了一較大側(cè)和一較小側(cè)，所述第一和第三路徑的較大側(cè)定位成面向所述壓力壁，而所述第一和第三路徑的較小側(cè)定位成面向所述吸力壁，以及所述第二路徑的所述較大側(cè)定位成面向所述吸力壁，而所述第二路徑的所述較小側(cè)定位成面向所述壓力壁；微型冷卻回路，其定位在所述壓力壁和所述第二路徑的較小側(cè)之間，所述微型冷卻回路接收冷卻流體，以在所述第二路徑的所述較小側(cè)和所述壓力壁之間的區(qū)域內(nèi)提供額外的冷卻；所述微型冷卻回路接收來自所述第一和第三路徑之一的冷卻流體，且所述微型冷卻回路連通在所述壓力壁內(nèi)的多個(gè)開口，以使所述冷卻流體通過所述壓力壁而提供薄膜冷卻，所述微型冷卻回路截面小于所述第一、第二和第三路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的渦輪葉片，其特征是所述微型冷卻回路從所述第三路徑接收冷卻流體。
19.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，它包括風(fēng)扇；壓縮機(jī)；燃燒部分；以及渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)子葉片和翼片，所述轉(zhuǎn)子葉片和所述翼片中至少一個(gè)具有帶有基底和頂部的翼型，所述翼型在吸力壁和壓力壁之間延伸，在所述吸力和壓力壁之間以及在所述翼型中形成冷卻通道，所述冷卻通道包括彎曲通道，所述彎曲通道具有遠(yuǎn)離所述基底向外且穿過翼型向所述頂部延伸的第一路徑；第二路徑與所述第一路徑連通且使冷卻流體返回向所述基底流動(dòng)；以及第三路徑與所述第二路徑連通且使冷卻流體遠(yuǎn)離所述基板向外返回流動(dòng)；每個(gè)所述第一、第二和第三路徑的截面通常都呈梯形形狀，每個(gè)所述梯形形狀都限定了一較大側(cè)和一較小側(cè)，所述第一和第三路徑的較大側(cè)定位成面對(duì)所述壓力和吸力壁之一，而所述第一和第三路徑的較小側(cè)定位成面對(duì)所述壓力和吸力壁中的另一個(gè)；所述第二路徑的較小側(cè)定位成面對(duì)所述壓力壁和吸力壁之一，將微型回路埋入鄰近于所述第一、第二和第三路徑之一的所述較小側(cè)中且在所述第一、第二和第三路徑之一的較小側(cè)與所述壓力和吸力壁中的面對(duì)壁之間，所述微型冷卻回路接收冷卻流體，以在所述第一、第二和第三路徑的較小側(cè)和所述壓力壁之間的區(qū)域內(nèi)提供額外冷卻。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路接收從所述第一、第二和第三路徑選擇的動(dòng)力源、而不是所述第一、第二和第三路徑之一來的所述冷卻流體。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路定位在所述第二路徑的較小側(cè)和所述吸力壁之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路接收來自所述第三路徑的所述冷卻流體。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型回路定位在所述第一路徑的較小側(cè)和所述吸力壁之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路接收來自所述第二路徑的所述冷卻流體。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述轉(zhuǎn)子葉片和所述輪葉之一是轉(zhuǎn)子葉片，而所述基底是平臺(tái)。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是在所述第一、第二和第三路徑的較小側(cè)和所述壓力和吸力壁之一之間的范圍內(nèi)計(jì)量的所述微型冷卻回路的厚度，大約在0.012和0.025英寸之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路包括多個(gè)分散的微型回路，這些微型回路沿著從所述翼型的所述平臺(tái)向所述頂部延伸的方向間隔開。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述基座包括多種不同的形狀。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是所述微型冷卻回路包括多個(gè)微型冷卻回路，這些微型冷卻回路沿著從所述基底向所述頂部延伸的方向間隔開。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是有多個(gè)進(jìn)入所述微型冷卻回路的所述進(jìn)氣口。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是有多個(gè)從所述微型冷卻回路出來的所述出氣口。
32.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是在所述第一和第三路徑上的科里奧利效應(yīng)與在所述第二路徑上的科里奧利效應(yīng)不同，由于科里奧利效應(yīng)直接作用于每個(gè)所述第一、第二和第三路徑的所述較大側(cè)，具有第一流動(dòng)方向。
全文摘要
一種翼型，且在公開的實(shí)施例中轉(zhuǎn)子葉片具有一彎曲的冷卻通道。為了最好地計(jì)算科里奧利效應(yīng)，彎曲的冷卻通道的路徑呈梯形截面。在梯形路徑的較小側(cè)和轉(zhuǎn)子葉片的面對(duì)璧之間的轉(zhuǎn)子葉片區(qū)域具有高熱和機(jī)械應(yīng)力，而提出了充分冷卻的問題。具有橫向基座、很細(xì)小的冷卻回路的微型回路埋入該區(qū)域的葉片中?？紤]到冷卻這些區(qū)域，微型回路提供了額外的冷卻且解決了這些問題。
文檔編號(hào)F01D5/18GK1800588SQ200510104730
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
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