構(gòu)件和冷卻構(gòu)件的方法
【專利摘要】提供一種構(gòu)件(100)和冷卻構(gòu)件(100)的方法。該構(gòu)件(100)包括前緣(110)、后緣(112)、在前緣(110)和后緣(112)之間的至少一個空腔(200)、和鄰近該空腔(200)的至少一個擴(kuò)散部件(130)。擴(kuò)散部件(130)包括鄰近空腔(200)的入口(210)、鄰近入口(210)的測量區(qū)域(220)、鄰近測量區(qū)域(220)的擴(kuò)散區(qū)域(230)、和鄰近擴(kuò)散區(qū)域(230)并且鄰近后緣(112)的出口(240)。擴(kuò)散部件(130)提供流的高達(dá)大約70％的減少和構(gòu)件(100)的后緣的均勻冷卻。
【專利說明】構(gòu)件和冷卻構(gòu)件的方法
[0001]相關(guān)技術(shù)的交叉引用
本專利申請主張對美國臨時專利申請編號61/666，813的優(yōu)先權(quán)，其在2012年6月30日申請并且稱為“構(gòu)件和冷卻構(gòu)件的方法(A COMPONENT AND A METHOD OF COOLING ACOMPONENT) ”，如同完全重寫地將其內(nèi)容通過參照而合并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體涉及渦輪。更具體地，涉及一種構(gòu)件和在渦輪中冷卻構(gòu)件的方法。

【背景技術(shù)】
[0003]設(shè)計和構(gòu)成更高效的渦輪發(fā)動機(jī)的目的為有意義的目的，尤其是考慮到礦物燃料的增加的不足和上升的成本。雖然已知用于提高渦輪發(fā)動機(jī)的效率的數(shù)個對策，但是它依然是有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，這是因為已知的替代方案，例如包括:增加發(fā)動機(jī)的尺寸、增加穿過熱氣體路徑的溫度、以及增加轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)速度，通常在部分上放置額外的應(yīng)變，包括在已經(jīng)高度受力的渦輪翼形件上的額外的應(yīng)變。作為結(jié)果，對減少放置在渦輪翼形件上的操作應(yīng)力或允許渦輪翼形件更好地經(jīng)受這些應(yīng)力的改進(jìn)的裝置、方法和/或系統(tǒng)有很大需求。
[0004]用于減輕熱應(yīng)力的一個對策是通過冷卻翼形件，使得由翼形件經(jīng)歷的溫度比熱氣體路徑的溫度低。有效的冷卻可例如，允許翼形件經(jīng)受更高的點火溫度、經(jīng)受在高操作溫度下的更高的機(jī)械應(yīng)力、和/或延長翼形件的部分壽命、它們?nèi)靠稍试S渦輪發(fā)動機(jī)更成本有效和高效。在操作期間冷卻翼形件的一種方法是通過內(nèi)部冷卻通道或回路的使用。通常，其包括傳遞相對冷的受壓空氣的供應(yīng)，其可由渦輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)通過在翼形件內(nèi)的內(nèi)部冷卻回路供應(yīng)。當(dāng)受壓空氣行進(jìn)穿過翼形件時，其對流地冷卻翼形件，這可允許該部分經(jīng)受其否則不能經(jīng)受的點火溫度。
[0005]在一些情況下，受壓空氣的供應(yīng)通過在翼形件的表面上的小孔釋放。以這種方式釋放，空氣的供應(yīng)在翼形件的表面處形成相對冷的空氣的薄層或薄膜，這兩者均冷卻并將該部分與圍繞其的更高的溫度隔離。但是，通常稱作“薄膜冷卻”的這種類型的冷卻需付出代價。在翼形件的表面上方的以這種形式的受壓空氣的釋放減少了發(fā)動機(jī)的空氣動力學(xué)效率。作為結(jié)果，存在對于用于渦輪翼形件的改進(jìn)的冷卻對策的持續(xù)需求。
[0006]因此，不遭受上述缺點的構(gòu)件和在渦輪中冷卻構(gòu)件的方法在本領(lǐng)域中是被期望的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本公開的示范實施例，公開一種構(gòu)件。該構(gòu)件可包括前緣、后緣、在前緣和后緣之間的至少一個空腔、和鄰近空腔的至少一個擴(kuò)散部件。擴(kuò)散部件可包括鄰近空腔的入口、鄰近入口的測量區(qū)域、鄰近測量區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)域、和鄰近擴(kuò)散區(qū)域和后緣的出口。擴(kuò)散部件可提供流的高達(dá)大約70%的減少和構(gòu)件的后緣的均勻冷卻。
[0008]根據(jù)本公開的另一示范實施例，提供一種冷卻構(gòu)件的方法。該方法可包括提供構(gòu)件。該構(gòu)件可包括前緣、后緣、在前緣和后緣之間的至少一個空腔、和鄰近該空腔的至少一個擴(kuò)散部件。擴(kuò)散部件可包括鄰近空腔的入口、鄰近入口的測量區(qū)域、鄰近測量區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)域、和鄰近擴(kuò)散區(qū)域和后緣的出口。擴(kuò)散部件可提供流的高達(dá)大約70 %的減少和構(gòu)件的后緣的均勻冷卻。該方法可包括通過擴(kuò)散部件在至少一個空腔中循環(huán)冷卻空氣。來自構(gòu)件的熱可通過擴(kuò)散區(qū)域移除。
[0009]本發(fā)明的其他的特征和優(yōu)點從結(jié)合附圖進(jìn)行的優(yōu)選實施例下列的更詳細(xì)的描述中將變得顯而易見，附圖通過實例示出本發(fā)明的原理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是根據(jù)本公開的構(gòu)件的透視圖。
[0011]圖2是本公開的擴(kuò)散區(qū)域的圖1的放大圖。
[0012]圖3是沿著本公開的線3-3做出的圖1的剖視圖。
[0013]圖4是本公開的圖3的擴(kuò)散區(qū)域的圖1的放大圖。
[0014]圖5是本公開的圖3的擴(kuò)散區(qū)域的備選實施例。
[0015]圖6是本公開的擴(kuò)散區(qū)域的備選實施例。
[0016]只要有可能，將在附圖全部中使用相同的標(biāo)號代表相同的部分。

【具體實施方式】
[0017]提供一種構(gòu)件和冷卻構(gòu)件的方法。
[0018]本公開的實施例的一個優(yōu)點包括減少來自渦輪的附加流。本公開的實施例的另一優(yōu)點包括減少噴嘴后緣冷卻槽的排出速度。本公開的又一優(yōu)點為提高的發(fā)動機(jī)效率。
[0019]根據(jù)一個實施例，提供包括前緣、后緣、在前緣和后緣之間的至少一個空腔、和鄰近該空腔的至少一個擴(kuò)散部件的構(gòu)件。構(gòu)件通?？蔀闊釟怏w流路構(gòu)件，并且可包括渦輪構(gòu)件，例如但不限于噴嘴、葉片和罩。根據(jù)一個實施例，擴(kuò)散部件可提供流的高達(dá)大約70%的減少和構(gòu)件的后緣的均勻冷卻。在一個實施例中，構(gòu)件可為陶瓷基復(fù)合材料。在另一實施例中，構(gòu)件可為超級合金金屬，例如但不限于鎳基超級合金、鈷基超級合金或它們的結(jié)合。
[0020]例如，圖1是構(gòu)件100的透視圖。例如，如所繪出，構(gòu)件100可為噴嘴。構(gòu)件100可包括翼形件102。翼形件102可為在內(nèi)和外渦輪流路之間的部件，其帶有改變流動氣體路徑方向的目的。翼形件可包括前緣110、后緣112、在前緣110和后緣112之間的主體104。如圖2所示，例如，構(gòu)件100可包括在前緣310和后緣112之間的至少一個空腔200、310、320中。構(gòu)件100可包括鄰近該至少一個空腔的至少一個擴(kuò)散部件130。
[0021]根據(jù)一個實施例，擴(kuò)散部件可包括鄰近空腔的入口、鄰近入口的測量區(qū)域、鄰近測量區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)域、和鄰近擴(kuò)散區(qū)域并且鄰近后緣的出口。例如，如圖2所示，擴(kuò)散部件130可包括鄰近空腔200的入口 210。擴(kuò)散部件130可包括鄰近入口 210的測量區(qū)域220。擴(kuò)散部件130可包括鄰近測量區(qū)域220的擴(kuò)散區(qū)域230。擴(kuò)散部件130可包括鄰近擴(kuò)散區(qū)域230并鄰近后緣112的出口 240。擴(kuò)散部件130可提供流的高達(dá)大約70%的減少和構(gòu)件100的后緣112的均勻冷卻。在出口 240處的流的速度可顯著地減少。擴(kuò)散部件130可將橫截面面積從入口 230向出口 240擴(kuò)張。如在本文中所使用的，“流擴(kuò)張”可為一種工序，在其中隨著允許所述工序的增加的通流區(qū)域或器件(例如擴(kuò)散部件)，質(zhì)量流量減少。如在本文中所使用的，“流量測量”可為一種工序或器件，其控制穿越包含測量工序或器件的流的量。
[0022]如圖2所示，入口 210可在流從后空腔200進(jìn)入后緣112冷卻對策的位置(見圖3)。入口 210可典型地長度短，其中，長度對液壓直徑的比率小于大約5。入口 210可具有意圖減少其測量特性的獨特的幾何特性。測量區(qū)域220可首先為控制的幾何特征，其尺寸在行進(jìn)穿過后緣112冷卻方案的流速上具有顯著的影響。測量區(qū)域220可具有次級幾何特征，其引起或意圖引起流速的減少。次級測量可在流速上具有不可忽略的影響，但是可不為流控制特征。
[0023]擴(kuò)散區(qū)域230或擴(kuò)張區(qū)域可為，在測量區(qū)域220和出口 240之間帶有大約150%至大約500%的通流區(qū)域的增長的區(qū)域。擴(kuò)散區(qū)域230可包括擴(kuò)散角232。擴(kuò)散角232可為提供所希望的流的擴(kuò)張的任何角。出口 240可在流排出后緣112冷卻對策的內(nèi)部部分的位置。出口 240可特征在于薄膜覆蓋，并且在出口 240對分不帶有薄膜覆蓋區(qū)域的后緣112的情況下，然后出口 240可具有在大約25%至大約100%的范圍中的開口-對-實體比率(open-to-solid rat1)。如在本文中所使用，可將“薄膜覆蓋”在與流垂直的方向上測量，并且為暴露于出口 240的距離的片段。
[0024]圖3是沿著圖1的線3-3做出的剖面圖，并且顯示了鄰近前緣110的前空腔320。第二空腔310可鄰近前空腔320。后空腔200可鄰近擴(kuò)散部件130。擴(kuò)散部件130可鄰近外部部分350。外部部分350可為在擴(kuò)散部件130的出口 240和翼形件(closeout)之間的距離，具有在大約O至大約12的范圍中的長度(L)與液壓直徑(D)的比率。在一個實施例中，當(dāng)L/D比率可為有限的時，薄膜覆蓋可在大約33%至100%的范圍中。在另一實施例中，當(dāng)L/D比率可為O時，出口 240可具有在大約33%至100%的范圍中的“開放”覆蓋。
[0025]根據(jù)一個實施例，提供擴(kuò)散部件。例如，圖4示出了突出擴(kuò)散部件130的圖3的示意放大圖。入口 210可鄰近后空腔200。測量區(qū)域220可鄰近入口 210。擴(kuò)散區(qū)域230可鄰近測量區(qū)域220。出口 240可鄰近翼形件102后緣112的擴(kuò)散區(qū)域和外部部分350。在備選實施例中，如圖5所示，出口 240可在后緣112的基部處排出，其不具有分開長度(breakoutlength)。
[0026]根據(jù)一個實施例，擴(kuò)散部件可包括兩個或更多個擴(kuò)散區(qū)域。例如，如圖6所示，擴(kuò)散部件130可包括鄰近構(gòu)件100的后空腔220的入口 210。入口 210可鄰近測量區(qū)域220。可存在鄰近測量區(qū)域220的兩個或更多個擴(kuò)散部件230。各個擴(kuò)散區(qū)域230可提供流的所希望的擴(kuò)張和減少。各個擴(kuò)散區(qū)域230可包括鄰近后緣112的出口 240。
[0027]可使用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，例如但不限于，激光、或放電加工(EDM)而在構(gòu)件100中形成擴(kuò)散部件130。
[0028]盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員將理解，可進(jìn)行各種更改并且為它們的元件替換等同物而不脫離本發(fā)明的范疇。此外，可進(jìn)行許多修改以使具體的條件或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)而不脫離它們的基本范疇。因此，意圖為，本發(fā)明不限于公開的作為用于實施本發(fā)明的構(gòu)思出的最佳模式的具體實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種構(gòu)件,包括: 前緣； 后緣； 在所述前緣以及所述后緣之間的至少一個空腔； 鄰近所述空腔的至少一個擴(kuò)散部件，所述擴(kuò)散部件包括: 鄰近所述空腔的入口； 鄰近所述入口的測量區(qū)域； 鄰近所述測量區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)域；以及 鄰近所述擴(kuò)散區(qū)域并且鄰近所述后緣的出口； 其中，所述擴(kuò)散部件提供了流的高達(dá)大約70%的減少以及所述構(gòu)件的所述后緣的均勻冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件是陶瓷基復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件是超級合金金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件是葉片、噴嘴或罩。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述擴(kuò)散部件將橫截面面積從所述入口向所述出口擴(kuò)張。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域增加了在所述測量區(qū)域與所述出口之間的從大約150%至大約500%的通流區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件，其特征在于，所述出口具有大約25%至大約100%的開口 -對-實體比率。
8.—種冷卻構(gòu)件的方法，其特征在于，包括:提供所述部件，其具有: 前緣； 后緣； 在所述前緣以及所述后緣之間的至少一個空腔； 鄰近所述至少一個空腔的至少一個擴(kuò)散部件，所述擴(kuò)散部件包括: 鄰近所述空腔的入口； 鄰近所述入口的測量區(qū)域； 鄰近所述測量區(qū)域的擴(kuò)散區(qū)域；以及 鄰近所述擴(kuò)散區(qū)域并且鄰近所述后緣的出口； 其中，所述擴(kuò)散部件提供了流的高達(dá)大約70%的減少以及所述構(gòu)件的所述后緣的均勻冷卻；以及 在穿過所述擴(kuò)散部件的至少一個空腔中循環(huán)冷卻空氣，其中，通過所述擴(kuò)散區(qū)域移除來自所述構(gòu)件的熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件是陶瓷基復(fù)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)件是超級合金金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件是葉片、噴嘴或罩。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散部件將橫截面面積從所述入口向所述出口擴(kuò)張。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散區(qū)域增加了在所述測量區(qū)域與所述出口之間的從大約150%至大約500%的通流區(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述出口具有大約25%至大約100%的開口 -對-實體比率。
【文檔編號】F01D5/18GK104379874SQ201380035010
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月30日
【發(fā)明者】J.H.格魯姆斯, D.G.塞尼爾, R.A.弗雷德里克 申請人:通用電氣公司