專利名稱：用于調(diào)節(jié)部件的溫度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的領(lǐng)域大體上涉及冷卻系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及用于調(diào)節(jié)機(jī)器部件的溫度的冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
至少一些已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒器、聯(lián)接到燃燒器上游的壓縮機(jī)、渦輪、以及可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接在壓縮機(jī)與渦輪之間的轉(zhuǎn)子組件。一些已知的轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子軸、聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子盤、以及從每個(gè)轉(zhuǎn)子盤向外延伸的多個(gè)周向間隔的渦輪葉片或動(dòng)葉。在這樣的渦輪中的至少一些的操作期間，壓縮機(jī)壓縮空氣，空氣隨后與燃料混合然后被導(dǎo)引至燃燒器。然后點(diǎn)燃混合物以產(chǎn)生接著被導(dǎo)引至渦輪的熱燃燒氣體。旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片或動(dòng)葉將諸如燃燒氣體的高溫流體導(dǎo)引通過渦輪。渦輪從燃燒氣體提取能量以用于為壓縮機(jī)提供動(dòng)力，以及用于產(chǎn)生有用功以為諸如發(fā)電機(jī)的負(fù)載提供動(dòng)力或推動(dòng)飛行中的飛行器。至少一些已知的渦輪葉片包括翼型件，該翼型件包括沿前緣和后緣連接到一起的壓力側(cè)和吸力側(cè)。每個(gè)翼型件從燕尾件徑向向外延伸，該燕尾件用來(lái)將渦輪葉片安裝到轉(zhuǎn)子盤或筒管(spool)。在操作期間，至少一些已知的渦輪葉片的前緣部分大體上暴露于比后緣部分更高的溫度。至少一些已知的葉片是中空的且包括至少部分地由翼型件和燕尾件限定的內(nèi)部冷卻腔體。冷卻流體在腔體內(nèi)以隨機(jī)的流動(dòng)模式導(dǎo)引，該流動(dòng)模式可在整個(gè)渦輪葉片上產(chǎn)生溫度變化并可在渦輪葉片與冷卻流體之間產(chǎn)生不均勻的傳熱。這樣的溫度變化可引起翼型件的壓縮熱應(yīng)力。隨時(shí)間推移，在高壓縮熱應(yīng)力下連續(xù)操作可導(dǎo)致翼型件開裂和/或翼型件撓曲，這些結(jié)果中的任何或全部可縮短轉(zhuǎn)子組件的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，提供了一種用于調(diào)節(jié)部件溫度的冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括多個(gè)流動(dòng)控制組件，該多個(gè)流動(dòng)控制組件橫過所述部件的側(cè)壁被限定以用于將冷卻流體導(dǎo)引橫過側(cè)壁的表面。多個(gè)流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性。多個(gè)流動(dòng)控制組件包括第一流動(dòng)控制組件，其構(gòu)造成調(diào)整第一流體流動(dòng)特性；和至少第二流動(dòng)控制組件，其構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的第二流體流動(dòng)特性。在另一方面，提供了一種用于在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的翼型件。翼型件包括側(cè)壁，其包括限定在其中的腔體的內(nèi)表面；和冷卻系統(tǒng)，其橫過內(nèi)表面被限定以用于將冷卻流體導(dǎo)引橫過內(nèi)表面，以便于調(diào)節(jié)翼型件的溫度。冷卻系統(tǒng)包括構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性的多個(gè)流動(dòng)控制組件。多個(gè)流動(dòng)控制組件包括第一流動(dòng)控制組件，其構(gòu)造成調(diào)整第一流體流動(dòng)特性；和至少第二流動(dòng)控制組件，其構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的第二流體流動(dòng)特性。在又一方面，提供了一種組裝用于在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的翼型件的方法。該方法包括在翼型件的第一側(cè)壁上提供第一流動(dòng)控制組件，其中，第一流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過第一側(cè)壁的冷卻流體的第一流動(dòng)特性以便于調(diào)節(jié)翼型件的溫度。在第一側(cè)壁上提供第二流動(dòng)控制組件，其中，第二流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的冷卻流體的第二流動(dòng)特性。將第二側(cè)壁聯(lián)接到第一側(cè)壁以形成翼型件，該翼型件在前緣與后緣之間延伸且具有至少部分地由第一側(cè)壁內(nèi)表面限定的腔體。根據(jù)本發(fā)明的方面，傳熱組件包括多個(gè)突起，并且其中，傳熱組件至少包括第一多個(gè)突起，第一多個(gè)突起被布置為具有山形形狀的整體。根據(jù)本發(fā)明的方面，傳熱組件包括從側(cè)壁延伸第一高度的第一突起，以及從側(cè)壁延伸第二高度的至少第二突起，第二高度不同于第一高度。根據(jù)本發(fā)明的方面，第二流動(dòng)控制組件包括流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件構(gòu)造成控制被導(dǎo)弓I橫過內(nèi)表面的冷卻流體的流速。根據(jù)本發(fā)明的方面，還包括從內(nèi)表面延伸的流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)弓I橫過內(nèi)表面的冷卻流體的方向。根據(jù)本發(fā)明的方面，傳熱組件、流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件和流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件中的每一個(gè)包括從側(cè)壁延伸的多個(gè)突起。根據(jù)本發(fā)明的方面，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件被定向在傳熱組件與流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件之間以用于將冷卻流體從傳熱組件導(dǎo)引至流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件。根據(jù)本發(fā)明的方面，提供一種組裝用于在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的翼型件的方法，方法包括在翼型件的第一側(cè)壁上提供第一流動(dòng)控制組件，其中，第一流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過第一側(cè)壁的冷卻流體的第一流動(dòng)特性以有利于調(diào)節(jié)翼型件的溫度；在第一側(cè)壁上提供第二流動(dòng)控制組件，其中，第二流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的冷卻流體的第二流動(dòng)特性；將第二側(cè)壁聯(lián)接到第一側(cè)壁以形成翼型件，翼型件在前緣和后緣之間延伸且具有至少部分地由第一側(cè)壁內(nèi)表面限定的腔體。根據(jù)本發(fā)明的方面，第一流動(dòng)控制組件包括傳熱組件，方法還包括將傳熱組件定向以在被導(dǎo)弓I橫過第一側(cè)壁的內(nèi)表面的冷卻流體內(nèi)弓I起湍流。根據(jù)本發(fā)明的方面，第二流動(dòng)控制組件包括流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件，方法還包括將流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件定向以調(diào)整被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面的冷卻流體的速度。根據(jù)本發(fā)明的方面，還包括在第一側(cè)壁內(nèi)表面上提供流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件，使得流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件從內(nèi)表面延伸，其中，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面的冷卻流體的方向。


圖1是示例性潤(rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。圖2是可用于圖1所示的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性渦輪分段的一部分的局部截面圖。圖3是可用于圖1所示的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性渦輪動(dòng)葉組件的一部分的放大透視圖。圖4是可用于圖3所示的渦輪動(dòng)葉的示例性冷卻系統(tǒng)的局部俯視圖。圖5是圖4所示的冷卻系統(tǒng)的局部側(cè)視圖。圖6是圖4所示的冷卻系統(tǒng)的備選實(shí)施例的局部俯視圖。
圖7是可用于圖4所示的冷卻系統(tǒng)的示例性傳熱組件的局部俯視圖。圖8是圖6所示且沿區(qū)域8截取的的傳熱組件的局部側(cè)視圖。部件列表
10渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
12入口分段
14壓縮機(jī)分段
16燃燒器分段
18渦輪分段
20排氣分段
22轉(zhuǎn)子軸
24燃燒器
26負(fù)載
28轉(zhuǎn)子組件
30渦輪動(dòng)葉組件
32定子靜葉組件
34部件
36冷卻系統(tǒng)
38渦輪殼體
40級(jí)
42翼型件
44外帶
46內(nèi)帶
48排
50渦輪動(dòng)葉
52轉(zhuǎn)子盤
54排
56中心軸線
58盤主體
60徑向內(nèi)邊緣
62徑向外邊緣
64燃燒氣體路徑
66翼型件
68平臺(tái)
70柄部
72燕尾件
74根端
76頂端
78側(cè)壁
80內(nèi)表面82外表面
84后緣
86前緣
88吸力側(cè)
90壓力側(cè)
92腔體
94出口開口
96排
98冷卻導(dǎo)管
100冷卻流體
102第一側(cè)壁
104第二側(cè)壁
106突起
108沖擊板
110冷卻通道
112入口開口
114沖擊開口
116分段
118第一分段
120第二分段
121流動(dòng)控制組件
122傳熱組件
124流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件
126流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件
128第一距離
130第二距離
132第三距離
134傳熱突起
136狹槽
138頂部
140第一套
142第二套
144第一形狀
146第二形狀
148流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起
150第一組
152第一形狀
154第二組
156第二形狀 158流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起
160流體路徑
162狹槽
164頂部
166冷卻層
168表面區(qū)域
170自由流區(qū)域
172渦流
174陣列
176流體路徑
178縱向軸線
180第一突起組
182第二突起組
184傳熱構(gòu)件
186形狀
188第一集合
190第一軸線
192第二集合
194第二軸線
196在前突起
198在后突起
200第一距離
202第二距離
204頂部
206平面。
具體實(shí)施例方式通過提供將冷卻流體導(dǎo)引橫過部件的表面以便于調(diào)節(jié)該部件溫度的冷卻系統(tǒng)，本文所述的示例性方法和系統(tǒng)克服了已知部件冷卻系統(tǒng)的至少一些缺點(diǎn)。更具體而言，本文所述的實(shí)施例提供了包括多個(gè)流動(dòng)控制組件的冷卻系統(tǒng)，這些流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過部件表面的冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性。此外，冷卻系統(tǒng)增加了部件冷卻并產(chǎn)生橫過部件的空氣動(dòng)力學(xué)出射流體流。此外，冷卻系統(tǒng)包括傳熱組件，該傳熱組件在被導(dǎo)引橫過部件表面的冷卻流體內(nèi)引起湍流以便于增加部件的冷卻。此外，冷卻系統(tǒng)包括流動(dòng)控制組件，該流動(dòng)控制組件調(diào)整從傳熱組件導(dǎo)引的冷卻流體的流速和/或方向，以產(chǎn)生橫過部件的空氣動(dòng)力學(xué)流體流和/或流體力學(xué)流體流。通過提供傳熱組件和流動(dòng)控制組件，冷卻系統(tǒng)將冷卻流體導(dǎo)引至該部件的某些分段，這些分段需要增加的冷卻以減少部件內(nèi)不期望的溫度變化，從而增加部件的操作壽命。照此，維護(hù)部件的成本應(yīng)同時(shí)降低。下面的詳細(xì)描述以舉例方式而非限制方式示出了本公開。該描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本公開，其描述了若干個(gè)實(shí)施例、修改、變型、備選方案以及本公開的使用，包括目前被認(rèn)為是執(zhí)行本公開的最佳模式的內(nèi)容。本公開被描述為應(yīng)用于優(yōu)選實(shí)施例，即，導(dǎo)引冷卻流體流橫過渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。然而，可以構(gòu)想，本公開對(duì)于冷卻機(jī)械和/或電氣設(shè)備部件具有普遍應(yīng)用。此外，本文所述的冷卻系統(tǒng)可在其中需要有效的熱交換和空氣動(dòng)力學(xué)出射流的任何高流體流環(huán)境中使用。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“高流體流環(huán)境”是指其中冷卻流體流的速率足夠大使得湍流和/或流動(dòng)穩(wěn)定性成為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮因素的環(huán)境。因此，本文所述的實(shí)施例可與許多其它部件冷卻系統(tǒng)一起執(zhí)行。圖1是示例性潤(rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10的示意圖。在示例性實(shí)施例中，潤(rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10包括入口分段12、入口分段12下游的壓縮機(jī)分段14、壓縮機(jī)分段14下游的燃燒器分段16、燃燒器分段16下游的渦輪分段18、以及聯(lián)接到渦輪分段18的排氣分段20。渦輪分段18經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸22聯(lián)接到壓縮機(jī)分段14。在示例性實(shí)施例中，燃燒器分段16包括多個(gè)燃燒器24。燃燒器分段16聯(lián)接到壓縮機(jī)分段14，使得每個(gè)燃燒器24與壓縮機(jī)分段14流動(dòng)連通。渦輪分段18聯(lián)接到壓縮機(jī)分段14且聯(lián)接到負(fù)載26，該負(fù)載諸如但不限于發(fā)電機(jī)和/或機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)壓縮機(jī)分段14和渦輪分段18包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸22的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件28。轉(zhuǎn)子組件28包括從轉(zhuǎn)子軸22向外延伸的多個(gè)渦輪動(dòng)葉組件30(圖2中示出)和定位在鄰近渦輪動(dòng)葉組件30之間的多個(gè)定子靜葉組件32(圖2中示出)。在操作期間，入口分段12將空氣朝壓縮機(jī)分段14導(dǎo)引，在壓縮機(jī)分段14中，空氣被壓縮至更高壓力和溫度，然后朝燃燒器分段16排放。燃燒器分段16將壓縮空氣與燃料混合，點(diǎn)燃燃料空氣混合物以產(chǎn)生燃燒氣體，并且將燃燒氣體朝渦輪分段18導(dǎo)引。更具體而言，在每個(gè)燃燒器24內(nèi)，例如天然氣和/或燃油的燃料被噴入空氣流中，并且燃料空氣混合物被點(diǎn)燃以產(chǎn)生朝渦輪分段18導(dǎo)引的高溫燃燒氣體。當(dāng)燃燒氣體將旋轉(zhuǎn)能賦予渦輪分段18和轉(zhuǎn)子組件28時(shí)，渦輪分段18將來(lái)自氣體流的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械旋轉(zhuǎn)能。當(dāng)燃燒氣體被導(dǎo)引橫過諸如例如渦輪動(dòng)葉組件30和/或定子靜葉組件32的部件34時(shí)，部件34的溫度增加。在操作期間，燃燒氣體可導(dǎo)致部件34內(nèi)形成溫度梯度，包括橫過部件表面(未示出)形成不期望的可變熱膨脹，這種熱膨脹可能造成損壞，諸如部件34的熱開裂和/或熱翹曲(warping)。為了減小由不期望的熱膨脹導(dǎo)致的損壞的發(fā)生率，冷卻流體在部件34內(nèi)被導(dǎo)引以冷卻部件34并便于調(diào)節(jié)部件34的溫度和/或減小操作熱梯度。圖2是包括示例性轉(zhuǎn)子組件28的渦輪分段18的一部分的局部截面圖。圖3是渦輪動(dòng)葉組件30的一部分的放大透視圖。圖4是可用于渦輪動(dòng)葉組件30的示例性冷卻系統(tǒng)36的局部俯視圖。圖5是冷卻系統(tǒng)36的局部側(cè)視圖。在示例性實(shí)施例中，渦輪分段18包括渦輪殼體38和在渦輪殼體38內(nèi)的多個(gè)級(jí)40。每個(gè)級(jí)40包括定子靜葉組件32和渦輪動(dòng)葉組件30。每個(gè)定子靜葉組件32包括多個(gè)定子靜葉，即翼型件42，翼型件42在弓形(arcuate)外帶44與弓形內(nèi)帶46之間延伸，使得靜止排48的定子靜葉42在鄰近潤(rùn)輪動(dòng)葉組件30之間延伸。外帶44聯(lián)接到殼體38。內(nèi)帶46與外帶44徑向向內(nèi)間隔。每個(gè)渦輪動(dòng)葉組件30包括多個(gè)渦輪動(dòng)葉50，渦輪動(dòng)葉50從轉(zhuǎn)子盤52徑向向外延伸，使得成排54的渦輪動(dòng)葉50在鄰近定子靜葉組件32之間。每個(gè)轉(zhuǎn)子盤52聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸22且圍繞由轉(zhuǎn)子軸22限定的中心軸線56旋轉(zhuǎn)。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)轉(zhuǎn)子盤52包括在徑向內(nèi)邊緣60與徑向外邊緣62之間徑向延伸的盤主體58。每個(gè)渦輪動(dòng)葉50聯(lián)接到盤外邊緣62且圍繞轉(zhuǎn)子盤52周向間隔。定子靜葉42被定向?yàn)閷⑷紵龤怏w向下游導(dǎo)引至渦輪動(dòng)葉50。燃燒氣體路徑64被限定在渦輪殼體38與每個(gè)轉(zhuǎn)子盤52之間。每排48和54的渦輪動(dòng)葉50和定子靜葉42至少部分地延伸通過燃燒氣體路徑64的一部分。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)渦輪動(dòng)葉50從盤主體58徑向向外延伸，并且各自包括翼型件66、平臺(tái)68、柄部70和燕尾件72。翼型件66從平臺(tái)68大致徑向向外延伸。平臺(tái)68在翼型件66與柄部70之間延伸，使得每個(gè)翼型件66從平臺(tái)68朝渦輪殼體38徑向向外延伸。柄部70從平臺(tái)68徑向向內(nèi)延伸至燕尾件72。燕尾件72從柄部70徑向向內(nèi)延伸且使渦輪動(dòng)葉50能夠固定地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子盤52。翼型件66在定位成鄰近平臺(tái)68的根端74與頂端76之間徑向延伸。翼型件66從平臺(tái)68朝潤(rùn)輪殼體38徑向向外延伸,使得頂端76定位成鄰近渦輪殼體38。在示例性實(shí)施例中，翼型件66大致類似于定子靜葉翼型件42，并且各自包括具有內(nèi)表面80和外表面82的至少一個(gè)側(cè)壁78。外表面82在后緣84與前緣86之間大致軸向延伸，并且包括吸力側(cè)88和壓力側(cè)90。每一側(cè)88和90在前緣86與后緣84之間延伸。在示例性實(shí)施例中，壓力側(cè)90為大體上凹形的，并且吸力側(cè)88為大體上凸形的。內(nèi)表面80在前緣86與后緣84之間延伸，使得腔體92限定在前緣86與后緣84之間。至少一個(gè)出口開口 94延伸通過側(cè)壁78以聯(lián)接與燃燒氣體路徑64流動(dòng)連通的腔體92。在一個(gè)實(shí)施例中，出口開口 94被限定成鄰近前緣86且被定向于在頂端76與根端74之間延伸的排96中。備選地，出口開口 94可被限定成鄰近后緣84和/或被限定在后緣84與前緣86之間的任何位置處。至少一個(gè)冷卻導(dǎo)管98延伸通過平臺(tái)68且流動(dòng)連通地聯(lián)接腔體92以用于將冷卻流體100導(dǎo)引至腔體92中。在示例性實(shí)施例中，翼型件66包括限定壓力側(cè)90的第一側(cè)壁102和限定吸力側(cè)88的第二側(cè)壁104。第一側(cè)壁102沿前緣86且沿后緣84聯(lián)接到第二側(cè)壁104，使得腔體92被限定在第一側(cè)壁102與第二側(cè)壁104之間。冷卻系統(tǒng)36聯(lián)接到第一側(cè)壁102和/或第二側(cè)壁104以便于調(diào)節(jié)翼型件66的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻系統(tǒng)36便于通過將熱量從翼型件66傳遞到冷卻流體100而冷卻翼型件66。更具體而言，冷卻系統(tǒng)36聯(lián)接到內(nèi)表面80以沿內(nèi)表面80導(dǎo)引冷卻流體100，以便于對(duì)流冷卻翼型件66。在示例性實(shí)施例中，冷卻系統(tǒng)36構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體100的多個(gè)流體流動(dòng)特性，諸如例如，壓力、速度、方向、湍流和/或使冷卻系統(tǒng)能夠如本文所述工作的任何其它流體流動(dòng)特性。冷卻系統(tǒng)36包括多個(gè)突起106，突起106與內(nèi)表面80延伸且被定尺寸、成形和定向?yàn)閺睦鋮s導(dǎo)管98橫過內(nèi)表面80導(dǎo)引冷卻流體100并通過出口開口 94排放冷卻流體100。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)突起106具有包括半球形、柱形、半圓柱形、錐形、三角形、矩形和/或梯形之一的形狀。備選地，每個(gè)突起106可具有使冷卻系統(tǒng)36能夠如本文所述地工作的任何合適的形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，翼型件66包括沖擊板108，沖擊板108從內(nèi)表面80徑向向內(nèi)聯(lián)接，使得冷卻通道110被限定在沖擊板108與內(nèi)表面80之間。冷卻通道110在入口開口112與出口開口 94之間延伸。在備選實(shí)施例中，沖擊板108可包括多個(gè)沖擊開口 114，沖擊開口 114延伸通過沖擊板108且被定向成從腔體92排放冷卻流體100的射流到冷卻通道110中。在一個(gè)實(shí)施例中，突起106可從內(nèi)表面80朝沖擊板108向外延伸。備選地，至少一個(gè)突起106可為從內(nèi)表面80向內(nèi)且遠(yuǎn)離沖擊板108延伸的凹坑和/或凹陷。在示例性實(shí)施例中，內(nèi)表面80包括多個(gè)分段116。每個(gè)分段116在不同于鄰近分段116的操作溫度下操作，使得在操作期間橫過部件34形成溫度梯度。此外，內(nèi)表面80包括第一分段118，第一分段118具有高于第二分段120的操作溫度的第一操作溫度。冷卻系統(tǒng)36在第一分段118內(nèi)降低冷卻流體100的速度并增加冷卻流體100的流體湍流以便于增加在第一分段118內(nèi)的流體保持時(shí)間，以便于增加第一分段118內(nèi)的冷卻。此外，冷卻系統(tǒng)36增加了第二分段120內(nèi)的流體速度以產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)出射流體流，以便于減少在第二分段120內(nèi)的流體保持時(shí)間。此外，冷卻系統(tǒng)36從第一分段118且橫過第二分段120導(dǎo)引冷卻流體，使得在第一分段118內(nèi)的冷卻大于在第二分段120內(nèi)的冷卻。在示例性實(shí)施例中，冷卻系統(tǒng)36包括聯(lián)接到內(nèi)表面80的多個(gè)流動(dòng)控制組件121。此外，每個(gè)流動(dòng)控制組件121構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體100的一個(gè)或多個(gè)流體流動(dòng)特性以便于調(diào)節(jié)部件34的溫度。在示例性實(shí)施例中，冷卻系統(tǒng)36包括第一流動(dòng)控制組件(S卩，傳熱組件122)、第二流動(dòng)控制組件(即，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124)和第三流動(dòng)控制組件(即，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126)。傳熱組件122構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體100的第一流體流動(dòng)特性，并且流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的冷卻流體100的第二流體流動(dòng)特性。此夕卜，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性和/或第二流體流動(dòng)特性的第三流體流動(dòng)特性。 每個(gè)傳熱組件122、流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124和流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126都包括從內(nèi)表面80向外延伸的多個(gè)突起106。在示例性實(shí)施例中，傳熱組件122從內(nèi)表面80延伸第一距離128。流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124從內(nèi)表面80延伸小于第一距離128的第二距離130。流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126從內(nèi)表面80向外延伸第三距離132，第三距離132短于第一距離128且大于第二距離130。備選地，每個(gè)第一距離128、第二距離130和第三距離132可大約相等。在示例性實(shí)施例中，第二分段120被限定在第一分段118與出口開口 94之間。傳熱組件122相對(duì)于第一分段118定向以便于增加在第一分段118內(nèi)的冷卻。傳熱組件122被定尺寸、成形和定向成在被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80的冷卻流體100內(nèi)引起湍流，以便于增加在冷卻流體100與側(cè)壁78之間的傳熱。流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124相對(duì)于第二分段120定向且在傳熱組件122與出口開口 94之間。在一個(gè)實(shí)施例中，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124被定向在傳熱組件122內(nèi)。備選地，傳熱組件122可被定向在流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124內(nèi)。流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124被定尺寸、成形和定向成調(diào)整導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80的冷卻流體100的流體速度和/或流體壓力以產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)流體流。此外，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124增加冷卻流體100的流體速度，并且通過出口開口 94排放冷卻流體100以產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)出射流體流。在示例性實(shí)施例中，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126相對(duì)于第二分段120定向且在傳熱組件122與流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124之間。在一個(gè)實(shí)施例中，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126被定向在傳熱組件122和/或流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124內(nèi)。備選地，傳熱組件122可被定向在流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126內(nèi)，或者流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124可被定向在流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126內(nèi)。流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126被定尺寸、成形和定向成調(diào)整從傳熱組件122導(dǎo)引至流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124的冷卻流體100的方向。傳熱組件122包括多個(gè)傳熱突起134，傳熱突起134聯(lián)接到內(nèi)表面80且相對(duì)于內(nèi)表面80的第一分段118定位。每個(gè)傳熱突起134從內(nèi)表面80向外延伸且具有便于增加傳熱組件122內(nèi)的流體湍流的尺寸、形狀和定向。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)傳熱突起134包括一個(gè)或多個(gè)狹槽136，狹槽136延伸通過傳熱突起134的頂部138用于調(diào)整導(dǎo)引通過傳熱組件122的冷卻流體100的方向。在示例性實(shí)施例中，傳熱組件122包括第一套140的傳熱突起134和至少第二套142的傳熱突起134。第一套140增加冷卻流體100內(nèi)的流體湍流，并且第二套142將冷卻流體100導(dǎo)引通過傳熱組件122。在一個(gè)實(shí)施例中，第一套140和第二套142各自包括具有大致類似形狀的傳熱突起134。備選地，第一套140可包括具有第一形狀144的多個(gè)傳熱突起134，并且第二套142可包括具有不同于第一形狀144的第二形狀146的多個(gè)傳熱突起134。此外，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124包括多個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148，流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148聯(lián)接到內(nèi)表面80且被定尺寸、成形和定向成便于調(diào)整導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80的冷卻流體100的流體速度。每個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148從內(nèi)表面80向外延伸，并且將冷卻流體100從傳熱組件122通過出口開口 94排放。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148具有大致類似的形狀。備選地，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124可包括具有第一形狀152的第一組150的流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148，并且包括具有不同于第一形狀152的第二形狀156的第二組154的流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起 148。類似地，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126包括多個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158聯(lián)接到內(nèi)表面80且從內(nèi)表面80向外延伸。每個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158調(diào)整正被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80的冷卻流體100的方向。此外，每個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158相對(duì)于鄰近流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158定向以沿預(yù)定流體路徑160導(dǎo)引冷卻流體100。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158包括延伸通過流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158的頂部164的狹槽162。狹槽162被定尺寸成便于沿流體路徑160導(dǎo)引冷卻流體100。在操作期間，當(dāng)冷卻流體100被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80時(shí)，在冷卻流體100內(nèi)形成冷卻層166，冷卻層166包括在內(nèi)表面80處或附近的表面區(qū)域168以及自由流區(qū)域170，自由流區(qū)域170從表面區(qū)域168相對(duì)于內(nèi)表面80向外被限定。自由流區(qū)域170具有比表面區(qū)域168的動(dòng)量更大的動(dòng)量。當(dāng)冷卻流體100被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80時(shí)，在表面區(qū)域168與自由流區(qū)域170之間的壓力梯度的增加可引起冷卻層166與內(nèi)表面80的分離。當(dāng)冷卻層166與內(nèi)表面80分離時(shí)，在翼型件66與冷卻流體100之間傳遞的熱量減少。在示例性實(shí)施例中，傳熱突起134構(gòu)造成便于一個(gè)或多個(gè)傳熱突起134下游的渦流172的形成以給予冷卻流體100旋渦，并且從自由流區(qū)域170朝表面區(qū)域168導(dǎo)引冷卻流體100的流。渦流172從自由流區(qū)域170向表面區(qū)域168傳遞動(dòng)量以便于增加冷卻層166的動(dòng)量并便于冷卻層166內(nèi)的附著流以增加部件34的對(duì)流冷卻。此外，傳熱組件122將加熱的冷卻流體100導(dǎo)引至流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126。流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158將加熱的冷卻流體100從傳熱組件122沿流體路徑160導(dǎo)引并且至流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124。在一個(gè)實(shí)施例中，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158減小橫過流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158的壓差，以便于將冷卻流體100從傳熱組件122導(dǎo)引至流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124。在示例性實(shí)施例中，流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148將冷卻流體100從流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126朝出口開口 94導(dǎo)弓丨，并且便于增加被導(dǎo)引橫過內(nèi)表面80的冷卻流體100的流體速度。在示例性實(shí)施例中，流動(dòng)調(diào)節(jié)器突起148減小橫過內(nèi)表面80流動(dòng)的冷卻流體100的流體壓力并通過出口開口94排放冷卻流體100。圖6是冷卻系統(tǒng)36的備選實(shí)施例的局部俯視圖。圖6所示的相同部件使用圖3至圖5中所用的相同附圖標(biāo)記來(lái)表不。在備選實(shí)施例中，翼型件66的第一分段118被限定在出口開口 94附近，使得在出口開口 94附近期望增加的冷卻。在該實(shí)施例中，傳熱組件122被定向成鄰近出口開口 94，并且相對(duì)于第一分段118被定向以增加第一分段118內(nèi)的冷卻。傳熱組件122包括多個(gè)傳熱突起134，傳熱突起134被定向在陣列174中且具有大致類似形狀。流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126被定向在入口開口 112附近，并且朝傳熱組件122延伸。每個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向器突起158包括大致類似的形狀，并且被定向成將冷卻流體100沿流體路徑176導(dǎo)弓丨，流體路徑176被定向?yàn)橄鄬?duì)于在入口開口 112與出口開口 94之間延伸的縱向軸線178成斜角Qlt=流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124被定位在流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126與傳熱組件122之間。流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124包括多個(gè)第一突起組180和在每個(gè)第一突起組180之間的多個(gè)第二突起組 182。在示例性實(shí)施例中，流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件126將冷卻流體100沿流體路徑160從入口開口 112朝流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124導(dǎo)引。流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124降低冷卻流體100的流體速度并將冷卻流體100導(dǎo)引至傳熱組件122。傳熱組件122引起冷卻流體100內(nèi)渦流172的形成以進(jìn)一步降低冷卻流體100的流體速度并增加側(cè)壁78的冷卻。傳熱組件122通過出口開口 94排放加熱的冷卻流體。圖7是傳熱組件122的一部分的局部俯視圖。圖8是傳熱組件122且沿區(qū)域8截取的局部側(cè)視圖。圖7和圖8所示相同部件使用圖3至圖5中所用相同附圖標(biāo)記來(lái)表示。在示例性實(shí)施例中，傳熱組件122包括多個(gè)傳熱構(gòu)件184。每個(gè)傳熱構(gòu)件184包括多個(gè)傳熱突起134，傳熱突起134相對(duì)于鄰近傳熱突起134定向，使得傳熱構(gòu)件184包括大致山形的形狀186。此外，傳熱組件122包括至少第一多個(gè)傳熱突起134，其中第一多個(gè)傳熱突起被布置為具有山形形狀的整體(ensemble)。此外,傳熱構(gòu)件184包括相對(duì)于第一軸線190定向的傳熱突起134的第一集合188以及相對(duì)于與第一軸線190相交的第二軸線194定向的傳熱突起134的第二集合192。在示例性實(shí)施例中，第一集合188和第二集合192各自在第一突起(S卩，在前突起196)和第二突起(即，在后突起198)之間延伸。在前突起196從內(nèi)表面80延伸第一距離200，并且在后突起1 98從內(nèi)表面80延伸大于第一距離200的第二距離202。此外，在在前突起196與在后突起198之間的每個(gè)傳熱突起134從內(nèi)表面80分別延伸步進(jìn)(stepwise)的距離，使得每個(gè)傳熱突起134的每個(gè)頂部204限定平面206，平面206定向?yàn)橄鄬?duì)于內(nèi)表面80成斜角a2。冷卻系統(tǒng)36的尺寸、形狀和定向被可變地選定為便于增加渦輪部件34內(nèi)的冷卻，渦輪部件34包括具有比鄰近分段更高的操作溫度的分段。此外，傳熱組件122的尺寸、形狀和定向被選定為在冷卻流體100內(nèi)引起湍流，以便于增加在冷卻流體100與部件34之間的傳熱。此外，流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件124被定尺寸、成形和構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體100的流速且導(dǎo)致冷卻流體100從傳熱組件122被導(dǎo)引至部件34的出口開口 94。通過提供包括傳熱組件和流動(dòng)控制組件的冷卻系統(tǒng)，冷卻流體可被導(dǎo)引至部件的需要額外冷卻的分段，這減少了部件內(nèi)不期望的溫度變化的形成。通過提供便于增加部件的冷卻的傳熱組件和便于從傳熱組件導(dǎo)引冷卻流體的流動(dòng)控制組件，上述冷卻系統(tǒng)克服了已知冷卻系統(tǒng)的至少一些缺點(diǎn)。該冷卻系統(tǒng)還提供了增加的冷卻并且產(chǎn)生橫過部件的空氣動(dòng)力學(xué)出射流。通過提供傳熱組件和流動(dòng)控制組件，便于減少部件內(nèi)不期望的溫度變化的形成，這增加了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作壽命。照此，可以降低維護(hù)部件的成本。
上文詳細(xì)描述了用于調(diào)節(jié)部件的溫度的方法和系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。系統(tǒng)、方法和設(shè)備不限于本文所述具體實(shí)施例，而是，系統(tǒng)的部件和/或方法的步驟可以獨(dú)立地且與本文所述的其它部件和/或步驟分開地使用。例如，系統(tǒng)、方法和設(shè)備也可與其它燃燒系統(tǒng)和方法聯(lián)合使用，并且不限于僅通過本文所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件來(lái)實(shí)踐。此外，本文中所述冷卻系統(tǒng)可例如在任何高流體流環(huán)境(例如，氣體或液體)中使用，在該環(huán)境中，根據(jù)具體情況，期望有效的熱交換和空氣動(dòng)力學(xué)或流體力學(xué)出射流。因此，示例性實(shí)施例可潛在地結(jié)合除燃?xì)鉁u輪機(jī)之外的許多其它部件冷卻系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)和使用。雖然本發(fā)明的各種實(shí)施例的具體特征可能在一些附圖中而未在其它附圖中示出，但這僅僅是為了方便起見。此外，在以上描述中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”的引用并非意圖被解釋為排除也合并所陳述的特征的附加實(shí)施例的存在。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可以結(jié)合任何其它附圖的任何特征被引用和/或要求保護(hù)。該書面描述使用示例來(lái)公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)踐本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并的方法。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)人員所想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言沒有不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這樣的其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)節(jié)部件(34)的溫度的冷卻系統(tǒng)(36)，所述冷卻系統(tǒng)包括 多個(gè)流動(dòng)控制組件(121)，所述多個(gè)流動(dòng)控制組件(121)橫過所述部件的側(cè)壁(78)限定用于導(dǎo)引冷卻流體橫過所述側(cè)壁的表面(80)，所述多個(gè)流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性，所述多個(gè)流動(dòng)控制組件包括 第一流動(dòng)控制組件(121)，所述第一流動(dòng)控制組件(121)構(gòu)造成調(diào)整第一流體流動(dòng)特性；和 至少第二流動(dòng)控制組件(121)，所述至少第二流動(dòng)控制組件(121)構(gòu)造成調(diào)整不同于所述第一流體流動(dòng)特性的第二流體流動(dòng)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述第一流動(dòng)控制組件(121)包括傳熱組件(122)，所述傳熱組件構(gòu)造成在被導(dǎo)引橫過所述側(cè)壁(78)的冷卻流體內(nèi)引起湍流，以便于在所述冷卻流體與所述部件(34)之間增加的傳熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述傳熱組件(122)包括多個(gè)突起(134)，并且其中，所述傳熱組件至少包括第一多個(gè)突起(184)，所述第一多個(gè)突起被布置為具有山形形狀的整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述傳熱組件(122)包括從所述側(cè)壁延伸第一高度的第一突起(196)以及從所述側(cè)壁延伸第二高度的至少第二突起(198)，所述第二高度不同于所述第一高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述第二流動(dòng)控制組件(121)包括流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件(124)，所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過所述側(cè)壁(78)的冷卻流體的流速。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，還包括流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件(126)，所述流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件構(gòu)造成調(diào)整被導(dǎo)引橫過所述側(cè)壁(78)的冷卻流體的方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述傳熱組件(122)、所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件(124)和所述流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件(126)中的每一個(gè)包括從所述側(cè)壁(78)延伸的多個(gè)突起(106)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冷卻系統(tǒng)(36)，其特征在于，所述流動(dòng)轉(zhuǎn)向器組件(126)被定向在所述傳熱組件(122)與所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件(124)之間用于將冷卻流體從所述傳熱組件導(dǎo)引至所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器組件。
9.一種用于在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(10)中使用的翼型件(66)，所述翼型件包括 側(cè)壁(78)，所述側(cè)壁(78)包括在其中限定腔體的內(nèi)表面(80);和 冷卻系統(tǒng)(36)，所述冷卻系統(tǒng)(36)橫過所述內(nèi)表面限定用于導(dǎo)引冷卻流體橫過所述內(nèi)表面，以便于調(diào)節(jié)所述翼型件的溫度，所述冷卻系統(tǒng)包括 多個(gè)流動(dòng)控制組件(121)，所述多個(gè)流動(dòng)控制組件(121)構(gòu)造成調(diào)整所述冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性，所述多個(gè)流動(dòng)控制組件包括 第一流動(dòng)控制組件(121)，所述第一流動(dòng)控制組件(121)構(gòu)造成調(diào)整第一流體流動(dòng)特性；和 至少第二流動(dòng)控制組件(121)，所述至少第二流動(dòng)控制組件(121)構(gòu)造成調(diào)整不同于所述第一流體流動(dòng)特性的第二流體流動(dòng)特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的翼型件(66)，其特征在于，所述第一流動(dòng)控制組件(121)包括傳熱組件(122)，所述傳熱組件構(gòu)造成在被導(dǎo)引橫過所述內(nèi)表面(80)的冷卻流體內(nèi)引起湍流，以便 于在所述冷卻流體與所述側(cè)壁(78)之間增加的傳熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于調(diào)節(jié)部件溫度的方法和系統(tǒng)。更具體而言，本文描述了一種用于調(diào)節(jié)部件(34)的溫度的冷卻系統(tǒng)(36)。該冷卻系統(tǒng)包括多個(gè)流動(dòng)控制組件(121)，流動(dòng)控制組件(121)橫過該部件的側(cè)壁(78)限定以用于將冷卻流體導(dǎo)引橫過側(cè)壁的表面(80)。多個(gè)流動(dòng)控制組件構(gòu)造成調(diào)整冷卻流體的多個(gè)流體流動(dòng)特性。多個(gè)流動(dòng)控制組件包括構(gòu)造成調(diào)整第一流體流動(dòng)特性的第一流動(dòng)控制組件(121)和構(gòu)造成調(diào)整不同于第一流體流動(dòng)特性的第二流體流動(dòng)特性的至少第二流動(dòng)控制組件(121)。
文檔編號(hào)F02C7/12GK103061824SQ201210377000
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月7日
發(fā)明者S.F.辛普森, D.帕爾, J.T.克納普 申請(qǐng)人:通用電氣公司