專利名稱：用于渦輪翼型件的微型回路冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，并涉及一種用于翼型件的改進(jìn)的冷卻方法。
背景技術(shù)：
在設(shè)計(jì)任何燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，效率是人們首要關(guān)心的。從歷史觀點(diǎn)上說，用以提高效率的主要技術(shù)之一必須是提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣路溫度。采用由高溫容量合金制成的內(nèi)部冷卻元件已經(jīng)補(bǔ)償了所升高的溫度。比如，渦輪機(jī)的定子翼片和定子葉片典型地是采用壓縮空氣冷卻的，壓縮空氣以較高的壓力但是仍然以比流過葉片或翼片的中心氣流的溫度低的較低溫度起作用。將知道，用于如此冷卻的壓氣機(jī)放氣將不能夠支持燃燒室內(nèi)的燃燒。該較高壓力提供了使空氣穿過該元件所需的能量。然而，在該冷卻過程中，給予從壓氣機(jī)放出的空氣的功的有效百分率被損失。該低效功沒有給發(fā)動(dòng)機(jī)增加推力并且消極地影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率。因而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在由較高的中心氣路溫度所獲得的效率之間存在一種張力，并且伴隨著需要冷卻渦輪機(jī)元件，因放出空氣以執(zhí)行此冷卻而損失效率。因而，不論采用冷卻空氣與否，在使冷卻效率最大化方面都存在一個(gè)大值。從而，為了使得因冷卻氣流支持燃燒的低效性而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的任何犧牲最小化，用于冷卻葉片和翼片的任何方案都必須使對(duì)壓氣機(jī)放出冷卻空氣的利用最優(yōu)化。
如圖13所示，現(xiàn)有的可冷卻翼型件典型地包括多個(gè)內(nèi)部空腔，它們被供應(yīng)冷卻空氣。冷卻空氣經(jīng)過翼型件(或者平臺(tái))的壁，并在此過程中將熱能從翼型件上帶走。冷卻空氣經(jīng)過翼型件壁的方式對(duì)于此過程的效率是關(guān)鍵的。在一些情況下，冷卻空氣穿過筆直的或者擴(kuò)散的冷卻孔以便以對(duì)流形式冷卻壁，并建立冷卻空氣的一個(gè)外膜。橫過這些冷卻孔典型地需要一個(gè)最小的壓力降以使冷卻空氣的量最小化，冷卻空氣被直接損失給經(jīng)過翼型件的自由氣流熱中心氣體。該最小壓力降通常是通過翼型件內(nèi)部的多個(gè)空腔產(chǎn)生的，其中該翼型件連接有多個(gè)限流孔。橫過翼型件壁的壓力降太小能夠?qū)е虏幌Ｍ臒嶂行臍怏w流入量。在所有情形下，在冷卻孔中的最小化停留時(shí)間以及冷卻孔的大小使得這種類型的對(duì)流式冷卻相對(duì)的效率低。
人們發(fā)現(xiàn)低效冷卻的一個(gè)原因在于，在利用一種冷卻空氣薄膜冷卻翼型件壁的那些應(yīng)用中拙劣的薄膜特性。然而，在許多情形下，理想的是沿著壁面建立薄膜式冷卻。沿著壁面移動(dòng)的冷卻空氣的薄膜增加了冷卻的均勻性，并且使壁面與所流過的熱中心氣體絕緣。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，薄膜式冷卻很難建立并使燃?xì)鉁u輪機(jī)維持紊流環(huán)境。在大多數(shù)情形下，用于薄膜冷卻的空氣從延伸穿過壁的冷卻孔中流出。術(shù)語“流出”反映出在促使冷卻空氣從翼的內(nèi)部空腔中排出時(shí)壓力上具有小差異。與使用孔來建立冷卻空氣薄膜相關(guān)的一個(gè)問題是，薄膜對(duì)穿過孔的壓力差的靈敏性。穿過孔的壓力差太大將致使空氣噴射入正經(jīng)過的中心氣體，而不是借助于冷卻空氣的薄膜的形成。壓力差太小將導(dǎo)致很小的冷卻氣流經(jīng)過孔，或者更壞的是，熱中心氣體的流入量很小。兩個(gè)原因相逆地影響了薄膜冷卻效率。與使用孔來建立薄膜冷卻相關(guān)的另一個(gè)問題是，冷卻空氣從離散的點(diǎn)被分配，而不是沿著一條連續(xù)的線。在所述孔之間的間隙和在這些間隙的直接下游的區(qū)域比所述孔和這些孔的直接下游的空間被暴露給更少的冷卻空氣，因而更容易受到熱降解作用的影響。
渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)者和工程師不斷努力以開發(fā)出更有效的冷卻翼型件的方式，以延長翼型件的壽命并減少發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本。從整個(gè)燃料消耗量的觀點(diǎn)看，用于完成此任務(wù)的冷卻空氣是昂貴的。因而，對(duì)用于冷卻渦輪翼型件的可利用冷卻空氣的更加有效和高效率的利用，不僅需要延長渦輪機(jī)葉片的壽命而且應(yīng)該改善發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因而再次降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本。隨之，在現(xiàn)有的冷卻設(shè)計(jì)中還有一種繼續(xù)的需求，即更加有效地和高效地利用冷卻空氣，特別是升高轉(zhuǎn)子的入口溫度或者減少用于該相同轉(zhuǎn)子入口溫度所需的冷卻氣流。這在現(xiàn)有技術(shù)中也需要有利于使將熱量從葉片傳遞出去所需的冷卻空氣的冷卻設(shè)計(jì)進(jìn)入嶄新的和改善的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種微型回路冷卻系統(tǒng)，其采用一種新的且有效的手段來冷卻暴露于高溫環(huán)境中的且需要冷卻的壁。在示例性實(shí)施例中，被冷卻的壁位于渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，更具體的是所述壁是翼型件壁。尤其是，本發(fā)明提出的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的冷卻方案的優(yōu)點(diǎn)在于，只需要更少的冷卻壓縮空氣即可在壁面上獲得相同的金屬溫度。更少的壓縮機(jī)排放氣流帶來的附加優(yōu)點(diǎn)是提高了渦輪機(jī)的效率。
渦輪翼型件包括壓力側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁，它們?cè)趶母康郊舛说目缍葍?nèi)縱向地延伸，并且在前緣與后緣之間沿翼弦延伸，側(cè)壁在前緣與后緣之間橫向間隔開并且由在根部與尖端之間縱向延伸的第一分隔部連接在一起，以便限定出第一流道和第二流道，第一和第二流道用于冷卻劑流體從其流過。翼型件包括多個(gè)被嵌入壓力側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路。每一冷卻回路具有至少一個(gè)入口，該入口提供從第一流道進(jìn)入每一冷卻回路的冷卻流通道；和至少一個(gè)出口孔，出口孔提供離開每一冷卻回路到葉片外部的一區(qū)域的冷卻流通道。第一流道不與嵌入負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路流動(dòng)連通，并且第二流道不與嵌入壓力側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路流動(dòng)連通，以便使得第一流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在壓力側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路，第二流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路。
本發(fā)明的一種可冷卻的翼或葉片的實(shí)施例包括根據(jù)上述實(shí)施例的翼型件。
本發(fā)明還提供一種方法實(shí)施例，該方法用于設(shè)置嵌入在可冷卻的燃?xì)鉁u輪翼型件的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路的入口，第一和第二側(cè)壁在從根部到尖端的跨度內(nèi)縱向地延伸，并且在前緣與后緣之間沿翼弦延伸。側(cè)壁在前緣與后緣之間橫向間隔開并且由在根部與尖端之間縱向延伸的第一分隔部連接在一起，以便限定出至少兩個(gè)流道，以便冷卻劑流體從其流過，該方法包括嵌入在第一側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路的入口設(shè)置成僅與所述流道中的一個(gè)流道流動(dòng)連通，并且嵌入在第二側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路的入口設(shè)置成僅與所述其它流道中的至少一個(gè)流道流動(dòng)連通，以便使負(fù)壓側(cè)壁與壓力側(cè)壁的下沉壓力的差別最小化，以確保該冷卻流體進(jìn)入相應(yīng)冷卻回路的該入口內(nèi)。


下面將結(jié)合附圖作為實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，這些附圖中圖1是燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的簡化的橫截面圖；圖2是渦輪機(jī)葉片的示意圖，它包括一具有本發(fā)明的多個(gè)微型回路的翼型件，其中微型回路設(shè)置在翼型件的側(cè)壁上；
圖3是本發(fā)明的微型回路冷卻方案的實(shí)施例的放大示意圖；圖4是本發(fā)明的微型回路冷卻方案的可選實(shí)施例的放大示意圖；圖5是沿圖2的截面線5-5截取的翼型件的橫截面圖；圖6是圖5所示翼型件葉片的部分橫截面圖，其中穿過冷卻通道的氣流方向徑向向外，并示出供氣段和入口孔，其向翼型件壁內(nèi)的微型回路供氣；圖7是圖5所示翼型件葉片的部分橫截面圖，其中穿過冷卻通道的氣流方向徑向向內(nèi)，并示出供氣段和入口孔，其向翼型件壁內(nèi)的微型回路供氣；圖8是沿圖6的截面線8-8截取的冷卻通道的部分橫截面圖，示出與所述入口孔相關(guān)的供氣段；圖9是沿圖6的截面線9-9截取的冷卻通道的部分橫截面圖，其中供氣段和入口孔被顯示在翼型件的負(fù)壓側(cè)壁上；圖10是沿圖7的截面線10-10截取的冷卻通道的部分橫截面圖，示出與所述入口孔相關(guān)的供氣段；圖11是沿圖7的截面線11-11截取的冷卻通道的部分橫截面圖，其中供氣段和入口孔被顯示在翼型件的負(fù)壓側(cè)壁上；圖12是冷卻效率對(duì)圖4所示的本發(fā)明翼型件所需葉片冷卻氣流及圖13所示傳統(tǒng)冷卻翼型件的曲線圖；圖13是一種現(xiàn)有傳統(tǒng)冷卻翼型件；圖14是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面圖，示出所述入口孔，其向圖2所示的翼型件壁內(nèi)的微型回路供氣。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10包括風(fēng)扇12，壓縮機(jī)14，燃燒器16，渦輪機(jī)18和噴嘴20。在燃燒器16內(nèi)部和后面，被暴露到中心氣體中的大多數(shù)元件被冷卻，因?yàn)橹行臍怏w具有非常高的溫度。在渦輪機(jī)18內(nèi)的初始轉(zhuǎn)子階段和定子葉片階段比如被用冷卻空氣冷卻，空氣以比經(jīng)過渦輪機(jī)18的中心氣體更高的壓力和更低的溫度從壓縮機(jī)14中放出。渦輪機(jī)18包括交替行的旋轉(zhuǎn)斗或葉片27以及靜態(tài)的翼片或者噴嘴29。采用圖1所示的系統(tǒng)僅僅是用于示例的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的局限，本發(fā)明可以被應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和航空器上所采用的燃?xì)鉁u輪機(jī)。
參見圖2，其中示出渦輪機(jī)葉片27的示意圖，其具有翼型件26，該翼型件包括本發(fā)明的多個(gè)設(shè)于翼型件26的壁24內(nèi)的微型回路(冷卻回路)22。葉片27被采用一種位于翼型件26內(nèi)部的內(nèi)部空腔32的形式鑄造。翼型件26被設(shè)置在杉樹型件31的徑向上方并具有壓力側(cè)壁28和負(fù)壓側(cè)壁30。側(cè)壁28，30分別在軸向相對(duì)的前緣和后緣34，36處被連接在一起，并從根部38縱向或者徑向延伸直至尖端42，在根部，翼型件26與整體平臺(tái)40相交接，尖端42將翼型件26封閉。內(nèi)部空腔32可以是任何傳統(tǒng)的形式(比如，蛇形的，輻射狀的冷卻系統(tǒng))，冷卻劑流體流過空腔，比如，冷卻空氣典型的是從渦輪機(jī)10(圖1)的壓縮機(jī)14(圖1)中排放出的空氣的一部分。優(yōu)選地，翼型件26具有多個(gè)內(nèi)部通道(流道)32a-e。流道32a-e被與相鄰?fù)ǖ揽v向設(shè)置以限定該冷卻系統(tǒng)的至少一部分。應(yīng)當(dāng)注意到，每一個(gè)流道32a-e具有一個(gè)獨(dú)特的橫截面，盡管這些冷卻通道的橫截面可以具有任何形狀。而且，流道32a-e可以相互連接。
為了給出一個(gè)詳細(xì)的實(shí)例，這里將對(duì)本發(fā)明的微型回路22進(jìn)行描述，其中，微型回路被設(shè)置在壁24內(nèi)部，壁24的一側(cè)被暴露到中心氣流G中，另一側(cè)被暴露到冷卻空氣中，比如在如圖2所示的渦輪機(jī)葉片27的翼型件26上。以此方式，微型回路22就將熱能從壁24傳遞到冷卻空氣(空氣)。然而，本發(fā)明的微型回路22并不局限于渦輪機(jī)葉片，也能夠被應(yīng)用于其它壁(比如，燃燒器和燃燒器襯里，增壓器襯里，噴嘴，平臺(tái)，葉片密封，翼，轉(zhuǎn)子葉片，等)，它們被暴露到需要冷卻的高溫環(huán)境中。
現(xiàn)在參見圖2和3，將對(duì)微型回路22進(jìn)行詳細(xì)描述。圖3是本發(fā)明微型回路冷卻方案之一的放大視圖。微型回路提供可適配的、高對(duì)流效率的冷卻。除了高對(duì)流效率之外，先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)還需要高的薄膜效率。圖2示出本發(fā)明的微型回路22，其被嵌入在翼型件26的壁24中。微型回路可以被機(jī)械加工或者模制在一個(gè)部件內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述微型回路是由難熔金屬形成的，并且在鑄造之前被封裝在部件模型內(nèi)。包括鉬(Mo)和鎢(W)的幾種難熔金屬其熔點(diǎn)超過鎳基超級(jí)合金的典型鑄造溫度。這些難熔金屬能被用精煉的薄鋼板或者尺寸形狀制造，以必須使之具有冷卻通道特性，這些特性已經(jīng)在渦輪機(jī)和燃燒器冷卻設(shè)計(jì)中被發(fā)現(xiàn)。特別是，這樣的微型回路被制造成部件，包括但不局限于燃燒器襯里，渦輪機(jī)翼，渦輪機(jī)葉片，渦輪機(jī)護(hù)罩，翼端壁以及翼型件邊緣。最好是，這樣的部件由鎳基合金或者鈷基合金部分地或者整體地形成。薄的難熔金屬板和箔(金屬薄片)具有足夠的展延性，以允許彎曲并形成復(fù)雜的形狀。該展延性產(chǎn)生一種耐用的結(jié)構(gòu)，其能夠經(jīng)受得住涂蠟/去殼的循環(huán)。鑄造之后，難熔金屬能被去除，比如通過化學(xué)清除，熱吸(thermal leeching)，或者氧化方法，遺留一個(gè)形成微型回路22的空腔(圖3-4)。應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明的此冷卻設(shè)計(jì)也可以采用熔模鑄造技術(shù)利用陶瓷心子進(jìn)行制造。
所述冷卻微型回路22實(shí)施例能夠占有一個(gè)0.1平方英寸的壁面區(qū)域。然而，更加通用的是，微型回路22占有一個(gè)小于0.06平方英寸的壁面區(qū)域，而且優(yōu)選實(shí)施例的該壁面典型地占有一個(gè)接近0.05平方英寸的壁面區(qū)域。在此示例性實(shí)施例中，微型回路22的厚度t，向壁內(nèi)測量所得，優(yōu)選是約0.012英寸至約0.025英寸，而且最優(yōu)選是小于約0.017英寸。
所述微型回路22包括前端44，后端45，第一側(cè)面46，第二側(cè)面48，以及多行50，52，54，56柱或者支座(pedestal)60，62，64，66，68，它們?cè)谌我粋?cè)壁28，30的第一壁部(內(nèi)表面)65(圖5)與第二壁部(外表面)67(圖5)之間延伸。微型回路22在其前端44與后端45之間在橫向上延伸，以及在其第一側(cè)面46與第二側(cè)面48之間在縱向上或者在徑向上延伸。入口孔61延伸穿過第一壁部65并且被定位成與微型回路22的后端45最接近，以提供一從翼型件26的空腔32到微型回路22的冷卻氣流通路。出口孔63延伸穿過第二壁部67并最接近于前端44，以提供一個(gè)從微型回路22到中心氣路G的冷卻氣流通路，位于壁24外部。該微型回路22典型地沿著中心氣路G的流線從前向后定向，盡管定向可以變化以適應(yīng)即將到來的應(yīng)用。在此示例性實(shí)施例中，有兩個(gè)跑道形狀的入口孔61，它們?cè)趶较蚍较蛏峡v向延伸。在此示例性實(shí)施例中，出口孔63是一個(gè)狹槽，其在徑向方向上縱向延伸。該入口孔61的示例性長度Lin約為0.025英寸，而出口孔63的長度Lout約為0.100英寸。
下面將結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)及其所獲得的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)如圖2所示的示例性微型回路22進(jìn)行進(jìn)一步描述。
所述行50具有支座60，這些支座大致形成為細(xì)長的直矩形圓柱體。支座60的長度L1(平行于該行進(jìn)行測量)約為0.040英寸，寬度W1(垂直于該行進(jìn)行測量)約為0.020英寸，節(jié)距P1約為0.060英寸，而間距S1約為0.020英寸。所述節(jié)距被定義為在一行之內(nèi)在相鄰的各個(gè)支座之間的中心徑向間隔。該間隔被定義為節(jié)距P的長度減去支座的直徑D的長度。支座沿行方向的尺寸L與行的節(jié)距P的比例，定義了一個(gè)沿該特定行被支座阻擋的區(qū)域的百分比，或者，下文中稱為限制或阻塞因素。為了確定上述尺寸，上述限制或阻塞因素為67％。
下一行52具有支座62，這些支座也大致形成為細(xì)長的直矩形圓柱體。此行的支座的長度L2約為0.025英寸，寬度W2約為0.015英寸，節(jié)距P2約為0.0615英寸，而間距S2約為0.0365英寸。在此示例性實(shí)施例中，L2和W2基本上都小于L1和W1。然而，節(jié)距P2基本上與P1相同，也實(shí)現(xiàn)了異相地交錯(cuò)排列，從而支座62一般位于相應(yīng)的間隙70的后面。在兩行50，52之間的行距R1約為0.0375英寸。為了確定上述尺寸，上述限制或阻塞因素為42％。
下一行54具有支座64，這些支座也大致形成為細(xì)長的直矩形圓柱體。這些支座64的長度L3約為0.025英寸，寬度W3約為0.015英寸，節(jié)距P3約為0.0615英寸，而間距S3約為0.018英寸。在此示例性實(shí)施例中，基本上與前一行52的相應(yīng)尺寸相同，但是完全異相地交錯(cuò)排列，從而每一個(gè)支座64位于間隙72的中間。在行52與行54之間的行距R2約為0.033英寸，類似于R1。為了確定上述尺寸，上述限制或阻塞因素為42％。
下一行56具有支座66，這些支座也大致形成為直圓柱體，其直徑D4約為0.0200英寸，節(jié)距P4約為0.038英寸，而間距S4約為0.018英寸。在此示例性實(shí)施例中，D4小于矩形支座的長度。另外，節(jié)距P4小于其它行的節(jié)距，而間距S4小于除了行50之外其它行的間距。在行54與行56之間的行距R3約為0.014英寸，類似于R1和R2。為了確定上述尺寸，上述限制或阻塞因素為53％。
下一行58具有兩個(gè)支座68，每個(gè)支座具有一根穿過支座本體的縱軸71，以致縱軸71在徑向上延伸。從而，支座68在徑向上形成為細(xì)長形狀，并與出口孔63對(duì)準(zhǔn)，如圖3所示。支座68被一個(gè)間隙78間隔開，該間隙與在微型回路22的前端44上的出口孔63中心對(duì)準(zhǔn)。間隙78在徑向上的長度Lg最好是不大于約0.015英寸。支座68通常具有一個(gè)突起或者頂點(diǎn)76，其向外朝向出口孔63延伸并與之對(duì)準(zhǔn)。在此示例性實(shí)施例中，支座68沿徑向上的長度L5約為0.079英寸。
這樣，上面已經(jīng)對(duì)行50，52，54，56和58進(jìn)行了描述，下面將對(duì)如圖3所示的微型回路22所獲得的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述。
具有支座60的第一行50以一種模式相互間隔開，該模式控制流過微型回路22的冷卻空氣的局部流速并促進(jìn)冷卻空氣的橫向擴(kuò)散。擴(kuò)散將導(dǎo)致尾流(渦區(qū)，wake)的形成并增加冷卻回路22內(nèi)的熱拾取(heat pick up)。支座60與行52的支座62偏移或者交錯(cuò)排列。同樣，行54的支座64與行52的支座62偏移。各自的偏移量是足夠的以致在微型回路22中基本上沒有直線型通道通過。當(dāng)空氣穿過支座62和64時(shí)，尾流被減少以為了形成更加均勻的流量分布。此結(jié)果是由于與行50和56相比，行52，54的阻塞因素相對(duì)較低的緣故而獲得的。這樣，行52，54用來使尾部攪流最小化，并且在微型回路22內(nèi)在尾流/攪流之間提供漸進(jìn)的過渡。當(dāng)空氣經(jīng)過下一行56時(shí)，空氣被計(jì)量供給因而增加了流速，隨之增加了傳熱。應(yīng)當(dāng)注意到，行50具有比行52，54，56更大的限制因素。因而，流入微型回路22的空氣被分配而沒有過大的壓力降，而且使得傳熱最大化。
支座68使得當(dāng)空氣流過行50，52，54時(shí)因空氣湍流所產(chǎn)生的尾流最小化。攪流的最小化避免了熱氣流在微型回路22內(nèi)的再循環(huán)并有利于熱拾取。當(dāng)空氣流流向支座68周圍時(shí)，它被均勻分布流過出口孔63?，F(xiàn)在可以鑒定出口孔63的狹槽的利用了。當(dāng)空氣排出狹槽時(shí)，就在壁24(圖2)上，尤其是在壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30(圖2)上，分別形成了均勻的薄膜防護(hù)層(film blanket)。這樣，支座68防止了氣流拖尾(flow streaking)或者離散噴射并通過出口孔63。當(dāng)一旦通過出口孔63排出時(shí)，相應(yīng)的空氣噴射將不會(huì)均勻地覆蓋在金屬上，則可能導(dǎo)致在壁24上形成熱點(diǎn)，拖尾是不利的。最好是為了提高翼型件26(圖2)的結(jié)構(gòu)整體性，將微型回路22設(shè)置在壁24的內(nèi)部，從而出口孔63或者狹槽不會(huì)共線。
有利地，如上所述，當(dāng)空氣通過出口孔63排出時(shí)，支座68的定位允許對(duì)空氣進(jìn)行很好的計(jì)量控制。尤其是，冷卻空氣流過間隙78和流過與第一和第二側(cè)面46，48接近的支座68。這樣，當(dāng)氣流被計(jì)量通過行56時(shí)，一部分氣流將經(jīng)過間隙78，而剩余的空氣將流過支座68。而且，以此方式，并且如圖3中的流線0，1，1’所示，流過出口孔63的空氣流被均勻分布。中心流線0起作用以便不允許流線1橫過而干涉流線1’，反之亦然。這樣，支座68的定向允許氣流校直，同時(shí)確保精確的計(jì)量控制，結(jié)果是提供了改進(jìn)的薄膜冷卻和效率。
現(xiàn)在參見圖4，示出微型回路22的一個(gè)可選實(shí)施例。在不同的附圖中相同的參考標(biāo)記和名稱表示相同的部件。在此可選實(shí)施例中，微型回路22具有兩個(gè)出口孔63和三個(gè)入口孔61。如圖4所示，下面將就該冷卻設(shè)計(jì)及其所獲得的益處對(duì)該示例性實(shí)施例的微型回路22進(jìn)行進(jìn)一步描述。在此示例性可選實(shí)施例中，具有三個(gè)跑道形狀的入口孔61，它們?cè)趶较蛏峡v向延伸，以及兩個(gè)出口孔63，優(yōu)選是狹槽，也是在徑向上縱向延伸。入口孔61的示例性長度Lin約為0.025英寸，而出口孔63的長度Lout約為0.100英寸。
所述微型回路22具有多行80，82，84，86的柱或者支座90，92，94和96。所述行80具有支座90，這些支座大致形成為圓形的三角形形狀的圓柱體，其具有第一側(cè)面100，該側(cè)面是平的并且大體垂直于流向，以及圓形的覆蓋側(cè)面102。支座90的長軸長度L1約為0.033英寸，節(jié)距P1約為0.058英寸，而間距S1約為0.018英寸。行80促進(jìn)了冷卻空氣橫向分配而流入微型回路22。為了確定上述尺寸，其限制或阻塞因素為52％。
接下來兩行82和84分別具有支座92，94，它們基本上形成為圓形的直矩形圓柱體。支座92的直徑D2約為0.020英寸，間距S2約為0.0148英寸，而節(jié)距P2約為0.035英寸。支座94的直徑D3約為0.020英寸，間距S3約為0.0148英寸，而節(jié)距P3約為0.035英寸。為了確定上述尺寸，上述限制或阻塞因素為57％。支座92，94總體上是相互偏移的或者交錯(cuò)排列的，并用來計(jì)量從它們之間流過的空氣流。該氣流由行82和84計(jì)量以增加流速、局部雷諾數(shù)和相應(yīng)的內(nèi)部傳熱系數(shù)。這樣，支座90的集中導(dǎo)致具有比行80上的支座90更高的限制因素。
最后一行86具有兩個(gè)支座96，每個(gè)支座96與兩個(gè)各自的出口孔63對(duì)準(zhǔn)。支座96具有一根在徑向上延伸的縱軸99。從而，支座96在徑向上形成為細(xì)長形狀。每一個(gè)支座96通常具有一個(gè)突起或者頂點(diǎn)97，其向外朝向各自的出口孔63延伸。每一個(gè)支座96通常與各自的出口孔63中心對(duì)準(zhǔn)。在此示例性實(shí)施例中，支座94的縱向長度L3約為0.100英寸。
這樣，上面已經(jīng)對(duì)行80，82，84和86進(jìn)行了描述，下面將對(duì)如圖4所示的微型回路22所獲得的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述。
具有支座90的第一行80相互間隔開并具有如上所述的形狀，其控制流過微型回路22的冷卻空氣的局部流速并促進(jìn)冷卻空氣的橫向擴(kuò)散。而且，支座90使得攪流最小化。冷卻空氣流沖擊到側(cè)面100上，并且被側(cè)面102強(qiáng)制繞支座90流動(dòng)，因而減少了尾流的形成并避免了在支座90之后形成熱點(diǎn)。
接下來兩行82，84的支座92，94相對(duì)于彼此以及相對(duì)于第一行80的支座90交錯(cuò)排列。這樣，就基本上沒有直線型通道通過微型回路22。當(dāng)冷卻空氣穿過它們的行時(shí)，尾流被減少以為了形成更加均勻的流量分布。
有利地，如上所述，當(dāng)空氣通過各自的出口孔63排出時(shí)，支座96的定位允許對(duì)空氣進(jìn)行很好的計(jì)量控制。尤其是，當(dāng)冷卻空氣流過行82和84時(shí)，空氣沖擊到支座96上并且被導(dǎo)向繞支座流動(dòng)，以通過相應(yīng)的出口孔63排出。而且，以此方式，并且如圖中的流線0，1，1’所示，中心流線0提供了通過出口孔63的均勻流量分布。就是說，流線1不會(huì)與流線1’交叉，反之亦然。中心流線0，象如圖3所示的第一實(shí)施例中的一樣，大體上與相應(yīng)出口孔63的中心對(duì)準(zhǔn)。然而，在此可選實(shí)施例中，支座96與出口孔對(duì)準(zhǔn)，從而，支座96的長軸長度L3被暴露給出口孔63。同樣地，當(dāng)流線繞過支座時(shí)，流線自由地通過出口孔63排出。這樣，支座96的定向允許氣流校直，同時(shí)確保精確的計(jì)量控制，結(jié)果是提供了改進(jìn)的薄膜冷卻和效率。
因而，當(dāng)空氣流流向支座96周圍時(shí)，它被均勻分布流過出口孔63?，F(xiàn)在可以鑒定出口孔63的狹槽的利用了。當(dāng)空氣排出狹槽時(shí)，就在壁24(圖2)上，尤其是在壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30(圖2)上，分別形成了均勻的薄膜防護(hù)層。這樣，支座96防止了氣流拖尾或者離散噴射并通過出口孔63。當(dāng)一旦通過出口孔63排出時(shí)，相應(yīng)的空氣噴射將不會(huì)均勻地覆蓋在金屬上，則可能導(dǎo)致在壁24上形成熱點(diǎn)，拖尾是不利的。最好是為了提高翼型件26(圖2)的結(jié)構(gòu)整體性，將微型回路22設(shè)置在壁24的內(nèi)部，從而出口孔63或者狹槽不會(huì)共線。支座96也用來使尾流最小化，所述尾流是由于當(dāng)空氣經(jīng)過行80，82，84時(shí)空氣的湍流造成的。尾流的最小化避免了氣流在微型回路22內(nèi)的再循環(huán)并有利于熱拾取。
現(xiàn)在參見圖5，將對(duì)葉片27的微型回路22(圖3，4)的附加特征進(jìn)行詳細(xì)描述。圖5示出圖2所示葉片27的橫截面圖，該葉片27具有多個(gè)通道32a-e。通道32a-e被縱向延伸的分隔壁或者肋116分隔開，每一個(gè)通道沿著壓力和負(fù)壓側(cè)壁具有第一和第二端118，120。葉片27繞著一根旋轉(zhuǎn)軸98旋轉(zhuǎn)。通道32a具有幾何中心C，一根中心線或者弦向軸124經(jīng)過該幾何中心，從而中心線124垂直于或者正交于旋轉(zhuǎn)軸98。同樣地，通道32b具有幾何中心C，一根中心線或者弦向軸126經(jīng)過該幾何中心，從而中心線126垂直于或者正交于旋轉(zhuǎn)軸98。應(yīng)當(dāng)注意，通道32a-e的形狀特別是32a-b的形狀只是用于舉例的目的。此外，并僅供下文參考，應(yīng)當(dāng)注意，中心線124，126延伸通過壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30。箭頭R表示旋轉(zhuǎn)方向。還應(yīng)當(dāng)注意，圖5示出了具有代表性的被嵌入于壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30內(nèi)的微型回路22，以及相應(yīng)的入口孔61a-c，這將在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。
在燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行期間，流入通道32a-e內(nèi)的冷卻空氣要受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)力的作用。流經(jīng)通道32a-e的徑向氣流的相互作用以及該旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致為人熟知的科里奧利斯力(Coriolis force)，此力在通道32a-e內(nèi)形成內(nèi)部流動(dòng)循環(huán)?；旧希丝评飱W利斯力與流過通道的冷卻劑流體的速度向量和旋轉(zhuǎn)葉片的角速度向量的向量積成正比。順便提及，應(yīng)當(dāng)理解的是，流經(jīng)通道32a-e的冷卻空氣流可以徑向向內(nèi)或者向外。
現(xiàn)在參見圖6和7，下面將對(duì)微型回路22尤其是圖3和4所示兩個(gè)實(shí)施例的入口孔61在翼型件2的壁24(圖2)內(nèi)的方位進(jìn)行描述。圖6是圖2所示翼型件26的部分橫截面圖，示出供氣段128和向微型回路供給氣流的入口孔61a-c。圖7是圖2所示翼型件26的部分橫截面圖，示出所述供氣段128和向微型回路供給氣流的入口孔61a-c。
如圖6和7所示，氣流循環(huán)的方向取決于徑向流動(dòng)的方向(即，它是徑向向外或是向內(nèi))。為了解釋的目的，通道32a內(nèi)的冷卻空氣流相對(duì)于中心線124沿徑向向外的方向(即，向尖端42，圖2)；而流經(jīng)通道32b的冷卻空氣流相對(duì)于中心線126沿徑向向內(nèi)的方向(即，遠(yuǎn)離尖端42)。圖6示意性地示出一對(duì)逆向旋轉(zhuǎn)的環(huán)流104和106，它們是由通道32a內(nèi)的科里奧利斯力形成的，其將流體從負(fù)壓側(cè)壁30移送到壓力側(cè)壁28并返回以完成循環(huán)。相反，圖7示意性地示出一對(duì)逆向旋轉(zhuǎn)的環(huán)流108和110，它們是由通道32b內(nèi)的科里奧利斯力形成的，其將流體從壓力側(cè)壁28移送到負(fù)壓側(cè)壁30并返回以完成循環(huán)。每一個(gè)通道還包括相對(duì)的內(nèi)壁112，114，它們與側(cè)壁28，30連接在一起從而形成通道32a-e。內(nèi)壁112，114是肋116的分割空腔32的部分(圖2)。
在此示例性實(shí)施例中，將分別在壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30內(nèi)部設(shè)置多個(gè)微型回路22(圖5)。此外，每一個(gè)各自的微型回路22的入口孔61被相對(duì)于所述逆向旋轉(zhuǎn)環(huán)流(渦流對(duì))104和106，108和110而平行定位，所述逆向旋轉(zhuǎn)環(huán)流是由科里奧利斯力作用在流過各自通道32a-b的冷卻空氣上形成的。以此方式，逆向旋轉(zhuǎn)環(huán)流104和106，108和110將被用來幫助冷卻空氣吸收到入口孔61并進(jìn)入微型回路22。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，以大致大于0.25的很高的比轉(zhuǎn)數(shù)(Rotational Number)R0，在旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)就可能存在兩個(gè)渦流對(duì)。如上文所述且下文還將描述，入口將被以與上文所述且下文還將描述的方式類似的方式定位，以便利用科里奧利斯力作用在側(cè)壁28，30上。上述比轉(zhuǎn)數(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。應(yīng)當(dāng)注意，入口孔61相對(duì)于壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30的方位將取決于在內(nèi)部通道內(nèi)冷卻空氣的方向(即，徑向向內(nèi)或者向外)，各自的入口孔與內(nèi)部通道流動(dòng)連通。下面將對(duì)本發(fā)明的特征作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
在此示例性實(shí)施例中，冷卻氣流徑向向外，如在冷卻通道32a(圖6)所示的那樣，在負(fù)壓側(cè)壁30上的各個(gè)微型回路22的入口孔61被定位以便與一個(gè)最接近和鄰近于肋116且遠(yuǎn)離通道32a的中間部分的區(qū)域相一致，而在壓力側(cè)壁28上，各個(gè)微型回路22的入口孔61被定位成最接近于通道32a的中心線124。就壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30而言，入口孔61的這些定位將與那里的科里奧利斯力平行。
以與上文類似的方式和類似的理由，在此示例性實(shí)施例中，冷卻氣流徑向向內(nèi)，如在冷卻通道32b(圖7)所示的那樣，在負(fù)壓側(cè)壁30上的各個(gè)微型回路22的入口孔61被定位成最接近于通道32b的中心線126，而在壓力側(cè)壁28上，各個(gè)微型回路22的入口孔61被定位以便與一個(gè)最接近和鄰近于肋116且遠(yuǎn)離通道32b的中間部分的區(qū)域相一致。就壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30而言，入口孔61的這些定位將與那里的科里奧利斯力平行。根據(jù)上面的描述，應(yīng)當(dāng)注意到這樣的事實(shí)，由于在各自的壓力和負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)部微型回路22的定向，如圖2所示，通道32a和b的每一個(gè)入口孔61a-c是不同微型回路的一部分。
如圖6和7所示，通道32a-b分布具有長度L和L1，其在第一端118與相對(duì)的第二端120之間延伸。在此示例性實(shí)施例中，當(dāng)冷卻氣流徑向向外時(shí)，如在通道32a中所示，在壓力側(cè)壁28內(nèi)部的微型回路22的入口孔61被設(shè)置在一個(gè)范圍S1內(nèi)，該范圍是在中心線124與壓力側(cè)壁28內(nèi)表面相交叉的任一側(cè)面上，沿著壓力側(cè)壁28約10％的長度內(nèi)，其中入口孔61向通道32a供給氣流。這與長度L的約20％的距離一致。而且，在負(fù)壓側(cè)壁30內(nèi)部的微型回路22的入口孔61被沿著壓力側(cè)壁設(shè)置，其中入口孔61向通道32a供給氣流，從而，每一微型回路的入口孔61是在一個(gè)從第一端118起約40％的范圍S2內(nèi)，以及在一個(gè)從第二端120起約40％的范圍S2內(nèi)。所述各個(gè)范圍是沿著壓力側(cè)壁28從每一端118，120測量的，與長度L的約40％的距離一致。
而且在此示例性實(shí)施例中，當(dāng)冷卻氣流徑向向內(nèi)，如在冷卻通道32b所示的那樣，在負(fù)壓側(cè)壁30內(nèi)的微型回路22的入口孔61被定位在一個(gè)范圍S1內(nèi)，該范圍是在中心線126與負(fù)壓側(cè)壁30內(nèi)表面相交叉的任一側(cè)面上，沿著負(fù)壓側(cè)壁30約10％的長度內(nèi)，其中入口孔61向通道32b供給氣流。這與長度L1的約20％的距離一致。而且，在壓力側(cè)壁28內(nèi)的微型回路22的入口孔61被沿著壓力側(cè)壁設(shè)置，其中入口孔61向通道32b供給氣流，從而，每一微型回路的入口孔61是在一個(gè)從第一端118起約40％的范圍S2內(nèi)，以及在一個(gè)從第二端120起約40％的范圍S2內(nèi)。所述各個(gè)范圍是沿著壓力側(cè)壁28從每一端118，120測量的，與長度L1的約40％的距離一致。
還應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，通道32a-b的中心線124，126可以分別被限定以用于旋轉(zhuǎn)翼型件內(nèi)的任何形狀的內(nèi)部通道。這樣，由此得出結(jié)論，如上文所述，相對(duì)于中心線124，126，正如為本發(fā)明所提供并如圖6和7所示的那樣，入口孔61的定位能被實(shí)現(xiàn)并且能夠連同許多可選的具有不同形狀的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)被利用，它們旋轉(zhuǎn)并具有內(nèi)部流體比如空氣在它們之間流動(dòng)。還應(yīng)當(dāng)注意這樣的事實(shí)，中心線124，126與用于任何內(nèi)部通道的壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30的相交點(diǎn)會(huì)隨通道的形狀和結(jié)構(gòu)而變化。
現(xiàn)在參見圖8和9，示出供氣段或紊流器128，其分別徑向地鄰近于通道32a，32b內(nèi)的入口孔61。圖8是沿圖6的截面線8-8截取的通道32a的部分橫截面圖，示出與入口孔61相關(guān)的供氣段128。圖9是沿圖6的截面線9-9截取的通道32a的部分橫截面圖，其中供氣段128和入口孔61被顯示在翼型件的負(fù)壓側(cè)壁30上。
同樣，在圖10和11中，示出了供氣段或紊流器128，其徑向地鄰近于通道32b內(nèi)的入口孔61。圖10是沿圖7的截面線10-10截取的通道32b的部分橫截面圖，示出與入口孔61相關(guān)的供氣段128。圖11是沿圖7的截面線11-11截取的通道32b的部分橫截面圖，其中供氣段128和入口孔61被顯示在負(fù)壓側(cè)壁30上。
相對(duì)于通道32a-b內(nèi)的冷卻氣流的方向而言，供氣段128被定位于入口孔61的下游。這樣，供氣段128阻礙通道32a-b內(nèi)的冷卻氣流，并有利于冷卻空氣進(jìn)入微型回路22。盡管在圖8，9，10和11中示出的供氣段是傾斜的并具有矩形橫截面，但是本發(fā)明的供氣段并不局限于這些橫截面[比如，半橢圓形或者半球狀]，可以向后緣或者前緣傾斜，可以是弧形的或者直線的。
如上文所述，當(dāng)微型回路22被定位在負(fù)壓側(cè)壁30上時(shí)，入口孔61將垂直于旋轉(zhuǎn)軸98，而且這樣將與科里奧利斯力的方向?qū)?zhǔn)。同樣地，當(dāng)微型回路22被定位在壓力側(cè)壁28上時(shí)，入口孔61將垂直于旋轉(zhuǎn)軸98，而且這樣將與科里奧利斯力的方向?qū)?zhǔn)。還應(yīng)當(dāng)注意，如上文所述，入口孔61的布置可以有利地采用多種微型回路冷卻設(shè)計(jì)，它們被嵌入在一個(gè)將被冷卻的壁內(nèi)并具有一個(gè)入口和出口。就是說，本發(fā)明中入口孔61的布置并不局限于在圖3和4中所提供的微型回路冷卻設(shè)計(jì)。還應(yīng)當(dāng)注意，盡管被定義為[格拉斯霍夫數(shù)/雷諾數(shù)的平方]([Grashof Number/Reynolds number squared])的浮力可以在通道內(nèi)起作用以減小科里奧利斯力的大小，但是，入口孔61的上述詳細(xì)布置將提供作為入口孔61相對(duì)于通道的示例性位置。旋轉(zhuǎn)的格拉斯霍夫數(shù)和雷諾數(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。
現(xiàn)在參見圖2，12和13，下面將對(duì)上文所示和所述的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)描述。圖13是一種現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)冷卻翼型件。圖12是所需葉片冷卻氣流對(duì)上述本發(fā)明冷卻方案及圖13所示傳統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)的葉片結(jié)構(gòu)的冷卻效率的曲線圖。曲線130一般表示圖13所示的現(xiàn)有技術(shù)的葉片結(jié)構(gòu)的冷卻效率。曲線132一般表示上文和圖4所示的本發(fā)明實(shí)施例的冷卻效率的提高。采用圖3所示實(shí)施例，如曲線132所示，將獲得類似的冷卻效率和相應(yīng)的有益效果。
冷卻有效率被定義為，相關(guān)的熱燃燒氣體和塊狀金屬溫度的溫差與相關(guān)的熱燃燒氣體和冷卻劑流體(冷卻空氣)之間的溫差的比率，定義如下Φ＝[T氣體-T金屬]/[T氣體-T冷卻劑]其中T氣體＝流過翼型件外部的氣體的溫度；T冷卻劑＝冷卻空氣的溫度；T金屬＝翼型件的塊狀金屬的溫度。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)工程師和設(shè)計(jì)者試圖設(shè)計(jì)出最大的冷卻有效率，因?yàn)榻饘贉囟仍嚼?，葉片27的整體壽命就越好。這在本發(fā)明中可以以兩種方式獲得。首先，采用薄膜冷卻以降低熱燃燒氣體的溫度。該溫度被降低，是因?yàn)楫?dāng)冷卻空氣從出口孔63噴射到熱燃燒氣流中時(shí)冷卻空氣進(jìn)行了混合。但是不希望完全依靠這種方法，因?yàn)椋缟衔乃?，從壓縮機(jī)14(圖1)中帶走的冷卻空氣越多，壓縮機(jī)14(圖1)能夠產(chǎn)生的功率越少。所以，如上所述，本發(fā)明采用一種新穎的方法以便以內(nèi)部對(duì)流的方式冷卻壁24，從而獲得所希望的冷卻有效率。應(yīng)當(dāng)注意，傳統(tǒng)的翼型件薄膜冷卻采用此方法未達(dá)到一個(gè)使效率高而且可靠的程度。對(duì)流的冷卻有效率的大小是當(dāng)冷卻空氣在微型回路22內(nèi)流動(dòng)時(shí)冷卻空氣的熱拾取的一個(gè)函數(shù)，如下式η＝[T出口冷卻劑-T入口冷卻劑]/[T金屬-T入口冷卻劑]其中T出口冷卻劑＝流出出口的冷卻空氣的溫度；T入口冷卻劑＝流入入口的冷卻空氣的溫度；T金屬＝翼型件的塊狀金屬的溫度。
在上述公式中，渦輪機(jī)工程師和設(shè)計(jì)者尋求一種具有高熱拾取的設(shè)計(jì)，從而冷卻翼型件26的壁24。如圖12中的曲線132所示，本發(fā)明以多種方式獲得了增大的熱拾取。首先，如圖3所示的支座60，62，64，66以及如圖4所示的支座90，92，94是微型回路22內(nèi)的紊流促進(jìn)器。第二，所述支座還用來增加了表面積因而提高了對(duì)流的傳熱路徑。第三，所述支座擴(kuò)散了流過微型回路22的氣流。第四，在圖3和4所示的兩個(gè)實(shí)施例中，所述用于計(jì)量的行計(jì)量氣流以增加微型回路22內(nèi)的傳熱拾取。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所述支座的布置及其形狀和尺寸能夠改變，以便對(duì)于給定的翼型件結(jié)構(gòu)獲得所需的傳熱性能。
一旦冷卻空氣從微型回路22噴射出，它就能夠部分地混合到熱燃燒氣體的氣流G中，并且因?yàn)樗陨淼膭?dòng)量，它能夠溢出側(cè)壁28，30。這樣，通過提供一種薄膜式幕簾而保護(hù)葉片27以免受到熱燃燒氣體G的影響，所噴射的冷卻空氣薄膜冷卻了壁24，尤其是壓力和負(fù)壓側(cè)壁28，30。
現(xiàn)在參見圖14，示出圖5所示翼型件26的一個(gè)替代實(shí)施例，圖5示出了微型回路22(圖2)的入口孔61的布置，下面將進(jìn)行詳細(xì)描述。在圖5與圖14中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，對(duì)圖5中的那些部件的描述將被省略。
通常，燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片27的二次流由下述1)和2)之間的壓力差來驅(qū)動(dòng)，其中1)流入通道的氣流源即通過葉片27的根部38(圖2)供入內(nèi)部通道32e-i的壓縮空氣，其從根部38向尖端42(圖2)徑向流動(dòng)，以及2)流出通道的氣流，或下沉流(sink)，即在壓力側(cè)和在負(fù)壓側(cè)上的熱的主流氣流G的靜壓力。微型回路22對(duì)于驅(qū)動(dòng)二次流的參數(shù)有影響。
對(duì)通道32e-i進(jìn)行三維動(dòng)量力分析，顯示出對(duì)于冷卻劑的總慣量而言具有四個(gè)主要參數(shù)或者貢獻(xiàn)因素。這些貢獻(xiàn)因素是壓力梯度、粘性力、科里奧利斯力以及浮力。壓力項(xiàng)通常具有最大的量級(jí)，尤其是由于葉片27的旋轉(zhuǎn)在徑向上具有泵送作用。粘性力阻擋氣流流過葉片內(nèi)部通道32e-i。當(dāng)存在薄膜冷卻孔，比如出口孔63時(shí)，在各自的通道32內(nèi)就存在高的流速，而當(dāng)與壓力和粘性兩項(xiàng)相比較時(shí)，科里奧利斯力和浮力的影響具有次要的作用。
由于微型回路的內(nèi)部特征，經(jīng)每一微型回路22的壓力降比經(jīng)各自出口孔63的或者薄膜冷卻孔的壓力降要大得多。通道32內(nèi)存在的雷諾數(shù)的特征是小的馬赫數(shù)(Mach number)。比如，在航空燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中所發(fā)現(xiàn)的、與固定旋轉(zhuǎn)速度例如16,000RPM相關(guān)聯(lián)的小雷諾數(shù)，會(huì)導(dǎo)致更大的比轉(zhuǎn)數(shù)，從而壓力和粘性項(xiàng)不再起支配作用。而且，科里奧利斯力沿弦向和徑向形成合力，以便形成渦旋流型(圖6和7)。在徑向上浮力作用增大，是通道內(nèi)的低雷諾數(shù)的一個(gè)附加結(jié)果。在通道32e-i內(nèi)的一些區(qū)域，浮力項(xiàng)可以更大以致它超過壓力并且使徑向上的氣流反向。
上述參數(shù)的潛在影響能夠?qū)е陆?jīng)負(fù)壓側(cè)入口孔61出現(xiàn)更大的壓力降，以及經(jīng)壓力側(cè)入口孔61出現(xiàn)相對(duì)小些的壓力降。上述更小的壓力降不能夠充分地提供進(jìn)入被嵌入在壓力側(cè)壁28內(nèi)的各自微型回路22中的所有必需的冷卻空氣。
這樣，該替代的入口孔布置明確地揭示出，壓力梯度、粘性力、科里奧利斯力和浮力能夠?qū)Σ捎昧怂鑫⑿突芈?2的翼型件的冷卻設(shè)計(jì)產(chǎn)生相互作用和潛在影響。
在此替代實(shí)施例中，對(duì)于設(shè)置在壓力側(cè)壁28上的微型回路22的入口孔61與通道32f，h形成流動(dòng)連通，而設(shè)置在負(fù)壓側(cè)壁30上的微型回路22與通道32e，g形成流動(dòng)連通。這樣，相對(duì)于微型回路22的側(cè)壁位置而言，相應(yīng)的通道專用于向壓力側(cè)壁28上的微型回路22供給氣流，或者向負(fù)壓側(cè)壁30上的微型回路22供給氣流。應(yīng)當(dāng)知道，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這里所述的且在圖14中所示的該替代實(shí)施例可以應(yīng)用于具有與圖示不同數(shù)量內(nèi)部通道和肋布置的翼型件。而且，應(yīng)當(dāng)注意，任何一個(gè)通道內(nèi)的冷卻劑的一部分都可以被用來向一個(gè)位于翼型件尖端的增壓部分(plenum)供給氣流。比如，在美國專利申請(qǐng)系列號(hào)為No.10/358,646、名稱為“渦輪機(jī)葉片尖端的微型回路冷卻”的專利申請(qǐng)中，公開了這樣一種尖端增壓部分(tip plenum)的設(shè)計(jì)。還應(yīng)當(dāng)理解，所述替代實(shí)施例還可以用于靜葉片(圖1)，比如是燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的靜葉片。
因此，關(guān)于入口孔61布置的上述替代實(shí)施例給冷卻空氣中的任何非均勻性提供了減弱敏感作用，這種非均勻性導(dǎo)致壓力側(cè)壁與負(fù)壓側(cè)壁28，30上的下沉壓力(sink pressure)以及科里奧利斯力和浮力出現(xiàn)差異，它們可能不利地影響翼型件26的冷卻要求。以這種方式，該替代實(shí)施例確保足夠的冷卻空氣進(jìn)入各自微型回路22中。而且，該替代實(shí)施例能應(yīng)用于葉片27以及翼片29(圖1)的翼型件上。
因此，本發(fā)明提供了一種冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一種新的手段對(duì)翼型件進(jìn)行薄膜冷卻和對(duì)流冷卻。尤其是，這種組合提供了一種超過現(xiàn)有技術(shù)冷卻方案的優(yōu)點(diǎn)，在壁24上獲得具有相同的金屬溫度，并且用于冷卻壁24所需的冷卻壓縮空氣更少。更少的壓縮機(jī)排放氣流帶來了附加優(yōu)點(diǎn)，即提高了渦輪機(jī)效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種新穎的微型回路冷卻設(shè)計(jì)，其在改善性能的同時(shí)還延長了葉片的使用壽命。本發(fā)明的微型回路22提供了一種改進(jìn)的方法對(duì)翼型件26進(jìn)行薄膜式冷卻。從而，采用了本發(fā)明的有利的冷卻設(shè)計(jì)的翼型件將不僅具有更長的使用壽命，而且還會(huì)提高渦輪機(jī)的整體效率。
上面已經(jīng)對(duì)被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選和示例性實(shí)施例進(jìn)行了描述，根據(jù)這里的啟示，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行其它修改是顯而易見的，因此希望對(duì)權(quán)利要求書進(jìn)行這樣的修改均在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪翼型件，其包括壓力側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁，它們?cè)趶母康郊舛说目缍葍?nèi)縱向地延伸，并且在前緣與后緣之間沿翼弦延伸，所述側(cè)壁在所述前緣與后緣之間橫向間隔開并且由在所述根部與所述尖端之間縱向延伸的第一分隔部連接在一起，以便限定出第一流道和第二流道，所述第一和第二流道用于冷卻劑流體從其流過；多個(gè)冷卻回路，其嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)，其中每個(gè)所述冷卻回路包括入口，所述入口提供從所述第一流道進(jìn)入每一所述冷卻回路的冷卻流通道；和出口孔，所述出口孔提供離開每一所述冷卻回路到該翼型件外部的一區(qū)域的冷卻流通道；多個(gè)冷卻回路，其嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)，其中每個(gè)嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路包括入口，所述入口提供從所述第二流道進(jìn)入每一嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的冷卻流通道；和出口孔，所述出口孔提供離開每一被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路到該翼型件外部的所述區(qū)域的冷卻流通道；其中所述第一流道不與嵌入所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路流動(dòng)連通，并且所述第二流道不與嵌入所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路流動(dòng)連通，以便使得所述第一流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路，所述第二流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于還包括第三流道，其設(shè)置在所述第一分隔部與所述后緣之間，所述第三流道用于該冷卻劑流體從其流過；其中，所述第三流道不與被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路形成流動(dòng)連通，從而所述第三流道將冷卻劑流體送入被嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的一部分中。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)和所述壓力側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路的所述出口孔是薄膜冷卻狹槽，所述薄膜冷卻狹槽徑向延伸穿過所述側(cè)壁并從其排出所述冷卻劑流體。
4.如權(quán)利要求3所述的渦輪翼型件，其特征在于所述負(fù)壓側(cè)壁的所述薄膜冷卻狹槽相互徑向交錯(cuò)排列，且所述壓力側(cè)壁的所述薄膜冷卻狹槽相互徑向交錯(cuò)排列。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于被嵌入在所述壓力側(cè)壁和所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路包括第二入口，每一所述冷卻回路的所述第一和第二入口徑向間隔開。
6.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于被嵌入在所述壓力側(cè)壁和所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路占有一不大于約0.06平方英寸的壁面區(qū)域。
7.如權(quán)利要求5所述的渦輪翼型件，其特征在于所述第一和第二入口是跑道形狀，其沿徑向的長度大于其橫向于該方向的寬度。
8.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于所述冷卻劑流體包括空氣。
9.如權(quán)利要求1所述的渦輪翼型件，其特征在于該翼型件具有縱軸線，所述第一和第二流道在所述側(cè)壁之間縱向延伸。
10.一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的可冷卻的葉片或翼片，其包括翼型件，所述翼型件包括壓力側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁，它們?cè)趶母康郊舛说目缍葍?nèi)縱向地延伸，并且在前緣與后緣之間沿翼弦延伸，所述側(cè)壁在所述前緣與后緣之間橫向間隔開并且由在所述根部與所述尖端之間縱向延伸的第一分隔部連接在一起，以便限定出第一流道和第二流道，所述第一和第二流道用于冷卻劑流體從其流過；多個(gè)冷卻回路，其嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)，其中每個(gè)所述冷卻回路包括入口，所述入口提供從所述第一流道進(jìn)入每一所述冷卻回路的冷卻流通道；和出口孔，所述出口孔提供離開每一所述冷卻回路到該翼型件外部的一區(qū)域的冷卻流通道；多個(gè)冷卻回路，其嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)，其中每個(gè)嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路包括入口，所述入口提供從所述第二流道進(jìn)入每一嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的冷卻流通道；和出口孔，所述出口孔提供離開每一被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路到該翼型件外部的所述區(qū)域的冷卻流通道；其中所述第一流道不與嵌入所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路流動(dòng)連通，并且所述第二流道不與嵌入所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路流動(dòng)連通，以便使得所述第一流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路，所述第二流道將該冷卻劑流體送入僅嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路。
11.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于，所述葉片或翼片還包括第三流道，其設(shè)置在所述第一分隔部與所述后緣之間，所述第三流道用于該冷卻劑流體從其流過；其中，所述第三流道不與被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路形成流動(dòng)連通，從而所述第三流道將冷卻劑流體送入被嵌入在所述壓力側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的一部分中。
12.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于所述葉片或翼片是由從鎳基合金和鈷基合金組成的組中選取的金屬制成的。
13.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于被嵌入在所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)和所述壓力側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路的所述出口孔是薄膜冷卻狹槽，所述薄膜冷卻狹槽徑向延伸穿過所述側(cè)壁并從其排出所述冷卻劑流體。
14.如權(quán)利要求13所述的葉片或翼片，其特征在于所述負(fù)壓側(cè)壁的所述薄膜冷卻狹槽相互徑向交錯(cuò)排列，且所述壓力側(cè)壁的所述薄膜冷卻狹槽相互徑向交錯(cuò)排列。
15.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于被嵌入在所述壓力側(cè)壁和所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路包括第二入口，每一所述冷卻回路的所述第一和第二入口徑向間隔開。
16.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于被嵌入在所述壓力側(cè)壁和所述負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的每一所述冷卻回路占有不大于約0.06平方英寸的壁面區(qū)域。
17.如權(quán)利要求15所述的葉片或翼片，其特征在于所述第一和第二入口是跑道形狀，其沿徑向的長度大于其橫向于該方向的寬度。
18.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于所述冷卻劑流體包括空氣。
19.如權(quán)利要求10所述的葉片或翼片，其特征在于該翼型件具有縱軸線，所述第一和第二流道在所述側(cè)壁之間縱向延伸。
20.一種設(shè)置嵌入在可冷卻的燃?xì)鉁u輪翼型件的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路的入口的方法，所述第一和第二側(cè)壁在從根部到尖端的跨度內(nèi)縱向地延伸，并且在前緣與后緣之間沿翼弦延伸，所述側(cè)壁在所述前緣與后緣之間橫向間隔開并且由在所述根部與所述尖端之間縱向延伸的第一分隔部連接在一起，以便限定出至少兩個(gè)流道，以便冷卻劑流體從其流過，所述方法包括嵌入在所述第一側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的所述入口設(shè)置成僅與所述流道中的一個(gè)流道流動(dòng)連通，并且嵌入在所述第二側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的所述入口設(shè)置成僅與所述其它流道中的至少一個(gè)流道流動(dòng)連通，以便使所述負(fù)壓側(cè)壁與所述壓力側(cè)壁的下沉壓力的差別最小化，以確保該冷卻流體進(jìn)入所述相應(yīng)冷卻回路的所述入口內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述第一側(cè)壁是大致凹入的壓力側(cè)壁，而所述第二側(cè)壁是大致凸出的負(fù)壓側(cè)壁。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述翼型件是由從鎳基合金和鈷基合金組成的組中選取的金屬制成的。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于每一所述冷卻回路占有不大于約0.06平方英寸的壁面區(qū)域。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述入口是跑道形狀，其沿徑向的長度大于其橫向于該方向的寬度。
全文摘要
一種渦輪翼型件，其包括多個(gè)被嵌入在壓力側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路以及第一和第二流道。第一流道將冷卻劑流體送入僅嵌入在壓力側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路，第二流道將冷卻流體送入僅嵌入在負(fù)壓側(cè)壁內(nèi)的冷卻回路。本發(fā)明的方法實(shí)施例包括嵌入在所述第一側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的所述入口設(shè)置成僅與所述流道中的一個(gè)流道流動(dòng)連通，并且嵌入在所述第二側(cè)壁內(nèi)的所述冷卻回路的所述入口設(shè)置成僅與所述其它流道中的至少一個(gè)流道流動(dòng)連通，以便使所述負(fù)壓側(cè)壁與所述壓力側(cè)壁的下沉壓力的差別最小化，以確保該冷卻流體進(jìn)入所述相應(yīng)冷卻回路的所述入口內(nèi)。
文檔編號(hào)F01D5/00GK1670336SQ200510055808
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者F·J·昆哈, K·桑特勒, S·W·蓋曼, E·庫奇 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司