發(fā)動機構件的制作方法
【專利摘要】一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件(80)包括膜冷卻式襯底(82)，膜冷卻式襯底(82)具有面向熱的燃燒氣體流的熱表面(84)和面向冷卻流體流的冷表面(86)。膜孔(90)延伸通過襯底到達熱表面(84)上的出口(94)。在出口(94)的下游提供流調節(jié)結構(112，142)。
【專利說明】
發(fā)動機構件
技術領域
[0001]渦輪發(fā)動機且特別是燃氣渦輪發(fā)動機或燃燒渦輪發(fā)動機是旋轉式發(fā)動機，其從燃燒氣體流中抽取能，燃燒氣體流通過發(fā)動機傳送到多個渦輪葉片上。燃氣渦輪發(fā)動機已經用于陸地和航海移動和功率產生，但最普遍的是用于航空應用，諸如用于航空器，包括直升機。在航空器中，燃氣渦輪發(fā)動機用于推進航空器。在陸地應用中，渦輪發(fā)動機通常用于產生功率。
【背景技術】
[0002]用于航空器的燃氣渦輪發(fā)動機設計成在高溫下工作，以最大程度地提高發(fā)動機效率，所以冷卻諸如高壓渦輪和低壓渦輪的某些發(fā)動機構件可能是必要的。一些發(fā)動機構件包括膜孔，膜孔將冷卻流體的薄層或膜供應到發(fā)動機構件的熱表面上，以保護發(fā)動機構件免受熱的燃燒氣體的影響。典型地，通過將較冷的空氣從高壓和/或低壓壓縮機輸送到需要膜冷卻的發(fā)動機構件來實現(xiàn)冷卻。來自壓縮機的冷卻空氣為大約500°C至700°C。雖然壓縮機空氣的溫度高，但比傳送通過燃燒室的空氣(可1000°C至2000°C)更冷。

【發(fā)明內容】

[0003]—方面，本發(fā)明涉及一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，發(fā)動機構件具有:襯底，其具有面向熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，熱的燃燒氣體流大體相對于熱表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通過襯底，并且具有設置在冷表面上的入口、設置在熱表面上的出口，以及連接入口和出口的通道;在熱表面上設置在出口的下游的流調節(jié)結構，其中，流調節(jié)結構構造成促使從出口流出的冷卻流體流粘附到熱表面上；以及緩沖區(qū)，其在出口和流調節(jié)結構之間，使得流調節(jié)結構在物理上不與膜孔連接。
[0004]另一方面，本發(fā)明一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，發(fā)動機構件具有:襯底，其具有面向熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，熱的燃燒氣體流大體相對于熱表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通過襯底，并且具有設置在冷表面上的入口、設置在熱表面上的出口，以及連接入口和出口的通道;流調節(jié)結構，其包括在熱表面中的凹部，凹部在熱表面上設置在出口的下游，其中，凹部構造成促使從出口流出的冷卻流體流粘附到熱表面上；以及緩沖區(qū)，其在出口和凹部之間，使得凹部在物理上不與膜孔連接。
[0005]又一方面，本發(fā)明涉及一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，發(fā)動機構件具有:襯底，其具有面向熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，熱的燃燒氣體流大體相對于熱表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通過襯底，并且具有設置在冷表面上的入口、設置在熱表面上的出口，以及連接入口和出口的通道;流調節(jié)結構，其包括從熱表面凸出的凸出部，凸出部在熱表面上設置在出口的下游，其中，凸出部構造成促使從出口流出的冷卻流體流粘附到熱表面上；以及緩沖區(qū)，其在出口和凸出部之間，使得凸出部在物理上不與膜孔連接。
[0006]技術方案1.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，所述燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，所述發(fā)動機構件包括:
襯底，其具有面向所述熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，所述熱的燃燒氣體流大體相對于所述熱表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通過所述襯底，并且具有設置在所述冷表面上的入口、設置在所述熱表面上的出口，以及連接所述入口和所述出口的通道；
在所述熱表面上設置在所述出口的下游的流調節(jié)結構，其中，所述流調節(jié)結構構造成促使從所述出口流出的冷卻流體流粘附到所述熱表面上；以及
緩沖區(qū)，其在所述出口和所述流調節(jié)結構之間，使得所述流調節(jié)結構在物理上不與所述膜孔連接。
[0007]技術方案2.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述緩沖區(qū)包括所述熱表面的在所述出口和所述流調節(jié)結構之間的區(qū)域。
[0008]技術方案3.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述流調節(jié)結構包括在所述熱表面中的凹部。
[0009]技術方案4.根據(jù)技術方案3所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部由具有至少一個彎曲或筆直節(jié)段的周緣限定。
[0010]技術方案5.根據(jù)技術方案3所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部包括彎曲橫截面形狀。
[0011 ]技術方案6.根據(jù)技術方案5所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部進一步包括與所述熱表面合并的漸縮下游部分。
[0012]技術方案7.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述流調節(jié)結構包括從所述熱表面凸出的凸出部。
[0013]技術方案8.根據(jù)技術方案7所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部由具有至少一個彎曲或筆直節(jié)段的周緣限定。
[0014]技術方案9.根據(jù)技術方案7所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部包括彎曲橫截面形狀。
[0015]技術方案10.根據(jù)技術方案9所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部進一步包括與所述熱表面合并的漸縮下游部分。
[0016]技術方案11.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述通道包括限定所述入口的計量區(qū)段和限定所述出口的擴散區(qū)段。
[0017]技術方案12.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述通道限定中心線，所述中心線沿所述下游方向傾斜，使得所述中心線不垂直于所述冷表面和所述熱表面。
[0018]技術方案13.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述發(fā)動機構件包括葉片、導葉、護罩或燃燒器襯套中的一個。
[0019]技術方案14.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述襯底包括所述發(fā)動機構件的外壁，所述外壁限定內部，所述冷卻流體流供應到所述內部。
[0020]技術方案15.根據(jù)技術方案I所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述流調節(jié)結構進一步在所述熱表面上在所述出口附近沿側向延伸。
[0021]技術方案16.根據(jù)技術方案15所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述緩沖區(qū)進一步圍繞所述出口的下游邊緣延伸。
[0022]技術方案17.—種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，所述燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，所述發(fā)動機構件包括:
襯底，其具有面向所述熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，所述熱的燃燒氣體流大體相對于所述熱表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通過所述襯底，并且具有設置在所述冷卻表面上的入口、設置在所述熱表面上的出口，以及連接所述入口和所述出口的通道；
流調節(jié)結構，其包括在所述熱表面中的凹部，所述凹部在所述熱表面上設置在所述出口的下游，其中，所述凹部構造成促使從所述出口流出的冷卻流體流粘附到所述熱表面上；以及
緩沖區(qū)，其在所述出口和所述凹部之間，使得所述凹部在物理上不與所述膜孔連接。
[0023]技術方案18.根據(jù)技術方案17所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述緩沖區(qū)包括所述熱表面的在所述出口和所述凹部之間的區(qū)域。
[0024]技術方案19.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，所述燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，所述發(fā)動機構件包括:
襯底，其具有面向所述熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，所述熱的燃燒氣體流大體相對于所述熱表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通過所述襯底，并且具有設置在所述冷表面上的入口、設置在所述熱表面上的出口，以及連接所述入口和所述出口的通道；
流調節(jié)結構，其包括從所述熱表面凸出的凸出部，其在所述熱表面上設置在所述出口的下游，其中，所述凸出部構造成促使從所述出口流出的冷卻流體流粘附到所述熱表面上；以及
緩沖區(qū)，其在所述出口和所述凸出部之間，使得所述凸出部在物理上不與所述膜孔連接。
[0025]技術方案20.根據(jù)技術方案19所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述緩沖區(qū)包括所述熱表面的在所述出口和所述凸出部之間的區(qū)域。
[0026]技術方案21.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件(80)，所述燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，所述發(fā)動機構件(80)包括:
襯底(82)，其具有面向所述熱的燃燒氣體流的熱表面(84)和面向冷卻流體流的冷表面(84)，所述熱的燃燒氣體流大體相對于所述熱表面(84)限定上游方向和下游方向；
膜孔(90)，其延伸通過所述襯底(82)，并且具有設置在所述冷表面(84)上的入口(92)、設置在所述熱表面(84)上的出口(94)，以及連接所述入口(92)和所述出口(94)的通道(96);
在所述熱表面(84)上設置在所述出口(94)的下游的流調節(jié)結構(112，142)，其中，所述流調節(jié)結構(112，142)構造成促使從所述出口(94)流出的冷卻流體流粘附到所述熱表面
(84)上；以及
緩沖區(qū)(114，144)，其在所述出口(94)和所述流調節(jié)結構(112，142)之間，使得所述流調節(jié)結構(112，142)在物理上不與所述膜孔(90)連接。
[0027]技術方案22.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述緩沖區(qū)(114，144)包括所述熱表面(84)的在所述出口(94)和所述流調節(jié)結構(112，142)之間的區(qū)域。
[0028]技術方案23.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述流調節(jié)結構(112)包括在所述熱表面(84)中的凹部(112)或凸出部(142)中的一個。
[0029]技術方案24.根據(jù)技術方案23所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述流調節(jié)結構(112，142)由具有至少一個彎曲節(jié)段或線性節(jié)段的周緣限定。
[0030]技術方案25.根據(jù)技術方案23所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述流調節(jié)結構(112，142)包括彎曲橫截面形狀。
[0031]技術方案26.根據(jù)技術方案23所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述流調節(jié)結構(112，142)進一步包括與所述熱表面(84)合并的漸縮下游部分(140，166)。
[0032]技術方案27.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述通道(96)包括限定所述入口(92)的計量區(qū)段(98)和限定所述出口(94)的擴散區(qū)段(100)。
[0033]技術方案28.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述通道
(96)限定中心線(102)，所述中心線(102)沿所述下游方向傾斜，使得所述中心線(102)不垂直于所述冷表面(84)和所述熱表面(84)。
[0034]技術方案29.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述流調節(jié)結構(112，142)進一步在所述熱表面(84)上在所述出口(94)附近沿側向延伸。
[0035]技術方案30.根據(jù)技術方案21所述的發(fā)動機構件(80)，其特征在于，所述緩沖區(qū)(114，144)進一步圍繞所述出口(94)的下游邊緣(106)延伸。
【附圖說明】
[0036]在圖中:
圖1是用于航空器的燃氣渦輪發(fā)動機的示意性橫截面圖。
[0037]圖2是圖1的發(fā)動機的燃燒器和高壓渦輪的側視截面圖。
[0038]圖3是通過根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖1的發(fā)動機的發(fā)動機構件的膜孔的示意性透視圖。
[0039]圖4是圖3的發(fā)動機構件的熱表面的透視圖。
[0040]圖5-6是分別類似于圖3-4的視圖，并且相對于發(fā)動機構件顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。
[0041]圖7是通過根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖1的發(fā)動機的發(fā)動機構件的膜孔的示意性透視圖。
[0042]圖8是類似于圖7的視圖，并且相對于發(fā)動機構件顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。
[0043]圖9是通過根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的圖1的發(fā)動機的發(fā)動機構件的膜孔的示意性透視圖。
[0044]圖10是圖9的發(fā)動機構件的熱表面的透視圖。
[0045]圖11-12是分別類似于圖9-10的視圖，并且相對于發(fā)動機構件顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。
[0046]圖13是通過根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的圖1的發(fā)動機的發(fā)動機構件的膜孔的示意性透視圖。
[0047]圖14是類似于圖13的視圖，并且相對于發(fā)動機構件顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。
[0048]部件列表
10燃氣渦輪發(fā)動機；12中心線；14前部；16后部；18風扇區(qū)段;20風扇；22壓縮機區(qū)段；24LPC; 26HPC; 28燃燒區(qū)段；30燃燒器；32渦輪區(qū)段；34HPT; 36LPT; 38排氣區(qū)段;40風扇殼；42風扇葉片；44核心；46核心殼；48HP軸筒；50LP軸筒；52LPC級；54HPC級；56LPC葉片；58HPC葉片；60LPC導葉；62HPC導葉；64HPT級；66LPT級；68HPT葉片；70LPT葉片；72HPT導葉；74LPT導葉；76偏轉器;77燃燒器襯套;78護罩組件;80發(fā)動機構件;82襯底/壁;84熱表面;86冷表面；88內部腔體;90膜孔;92入口； 94出口； 96通道;98計量區(qū)段；100擴散區(qū)段；102中心線；104上游邊緣；106下游邊緣；108上游方向；110下游方向；112流調節(jié)結構；114緩沖區(qū)；116上游邊緣；118下游邊緣；120出口側邊緣；122出口側邊緣;124中間部分;126側向部分；128側向部分；130端部；132端部；134中間區(qū)；136側向區(qū)；138側向區(qū)；140漸縮部；142凸出部；144緩沖區(qū)；146上游邊緣；148下游邊緣；150中間部分；152側向部分；154側向部分；156端部；158端部；160中間區(qū)；162側向區(qū)；164側向區(qū)；166漸縮部；168;H熱的燃燒氣體流;C冷卻流體流;W緩沖區(qū)的寬度;D計量直徑。
【具體實施方式】
[0049]本發(fā)明的描述實施例涉及特別是燃氣渦輪發(fā)動機中的膜冷卻式發(fā)動機構件。為了說明，將關于航空器燃氣渦輪發(fā)動機來描述本發(fā)明的各方面。但將理解的是，本發(fā)明不受此限制，而是一般可適用于非航空器應用，諸如其它移動應用和非移動工業(yè)、商業(yè)和住宅應用。
[0050]圖1是用于航空器的燃氣渦輪發(fā)動機10的示意性橫截面圖。發(fā)動機10具有大體縱向延伸的軸線或從前部14延伸到后部16的中心線12。發(fā)動機10包括成下游串聯(lián)流關系的:風扇區(qū)段18，其包括風扇20;壓縮機區(qū)段22，其包括增壓器或低壓(LP)壓縮機24和高壓(HP)壓縮機26;燃燒區(qū)段28，其包括燃燒器30;渦輪區(qū)段32，其包括HP渦輪34和LP渦輪36和排氣區(qū)段38。
[0051 ] 風扇區(qū)段18包括風扇殼40，風扇殼40包圍風扇20。風扇20包括圍繞中心線12沿徑向設置的多個風扇葉片42。
[0052]HP壓縮機26、燃燒器30和HP渦輪34形成發(fā)動機10的核心44，核心44產生燃燒氣體。核心44由核心殼46包圍，核心殼46可與風扇殼40聯(lián)接。
[0053]圍繞發(fā)動機10的中心線12同軸地設置的HP軸或軸筒48驅動地將HP渦輪34連接到HP壓縮機26上。LP軸或軸筒50圍繞發(fā)動機10的中心線12在較大直徑的環(huán)形HP軸筒48內同軸地設置，LP軸或軸筒50驅動地將LP渦輪36連接到LP壓縮機24和風扇20上。
[0054]LP壓縮機24和HP壓縮機26分別包括多個壓縮機級52、54，其中壓縮機葉片56、58相對于對應的一組靜態(tài)壓縮機導葉60、62(也稱為噴嘴)旋轉，以使傳送通過級的流體流壓縮或加壓。在單個壓縮機級52、54中，多個壓縮機葉片56、58可設置成環(huán)，并且可相對于中心線12沿徑向向外從葉片平臺延伸到葉片尖部，而對應的靜態(tài)壓縮機導葉60、62則定位在旋轉葉片56、58的下游和附近。注意，選擇圖1中顯示的數(shù)量的葉片、導葉和壓縮機級的僅僅是為了說明目的，而且其它數(shù)量是可行的。
[0055]HP渦輪34和LP渦輪36分別包括多個渦輪級64、66，其中一組渦輪葉片68、70相對于對應的一組靜態(tài)渦輪導葉72、74(也稱為噴嘴)旋轉，以從傳送通過級的流體流中抽取能。在單個渦輪級64、66中，多個渦輪葉片68、70可設置成環(huán)，而且可相對于中心線12沿徑向向外從葉片平臺延伸到葉片尖部，而對應的靜態(tài)渦輪導葉72、74則定位在旋轉葉片68、70的上游和附近。注意，選擇圖1中顯示的數(shù)量的葉片、導葉和渦輪級僅僅是為了說明目的，而且其它數(shù)量是可行的。
[0056]在運行中，旋轉風扇20將周圍空氣供應到LP壓縮機24，然后LP壓縮機24將加壓的周圍空氣供應到HP壓縮機26，HP壓縮機26進一步對周圍空氣加壓。來自HP壓縮機26的加壓空氣與燃燒器30中的燃料混合，并且點燃，從而產生燃燒氣體。HP渦輪34從這些氣體中抽取一些功，HP渦輪34驅動HP壓縮機26。燃燒氣體排到LP渦輪36中，LP渦輪36抽取額外的功來驅動LP壓縮機24，并且排氣最終通過排氣區(qū)段38從發(fā)動機10中排出。LP渦輪36的驅動會驅動LP軸筒50使風扇20和LP壓縮機24旋轉。
[0057]由風扇20供應的一些周圍空氣可繞過發(fā)動機核心44，并且用于冷卻發(fā)動機10的一部分，尤其是熱的部分，并且/或者用來冷卻航空器的其它方面，或者對航空器的其它方面提供功率。在渦輪發(fā)動機的語境中，發(fā)動機的熱的部分通常在燃燒器30的下游，尤其是渦輪區(qū)段32，HP渦輪34是最熱的部分，因為它在燃燒區(qū)段28的下游不遠處。其它冷卻流體源可為(但不限于)從LP壓縮機24或HP壓縮機26中排出的流體。
[0058]圖2是圖1的發(fā)動機10的燃燒器30和HP渦輪34的側面截面圖。燃燒器30包括偏轉器76和燃燒器襯套77。沿軸向方向在渦輪34的渦輪葉片68附近的是沿徑向間隔開的成組的靜態(tài)渦輪導葉72，其中相鄰導葉72在它們之間形成噴嘴。噴嘴使燃燒氣體轉動，以使其較好地流到旋轉葉片中，使得渦輪34可最大程度地抽取能。冷卻流體流C傳送通過導葉72，以在熱的燃燒氣體流H沿著導葉72的外部傳送時冷卻導葉72。護罩組件78在旋轉葉片68附近，以最大程度地減小渦輪34中的流損失。類似的護罩組件也可與LP渦輪36、LP壓縮機24或HP壓縮機26相關聯(lián)。
[0059]發(fā)動機10的一個或多個發(fā)動機構件包括膜冷卻式襯底，其中可提供本文進一步公開的實施例的膜孔。具有膜冷卻式襯底的發(fā)動機構件的一些非限制性示例包括圖1-2中描述的葉片68、70、導葉或噴嘴72、74、燃燒器偏轉器76、燃燒器襯套77或護罩組件78。其中使用膜冷卻的其它非限制性示例包括渦輪過渡管和排氣噴嘴。
[0060]圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的發(fā)動機構件80的一部分的示意性透視圖。發(fā)動機構件80可為圖1的發(fā)動機10的發(fā)動機構件，并且可設置在由箭頭H表示的熱氣流中。冷卻流體流由箭頭C表示，可供應冷卻流體流來冷卻發(fā)動機構件。如上面關于圖1-2所論述的那樣，在渦輪發(fā)動機的語境中，冷卻空氣可為由風扇20供應的周圍空氣(其繞過發(fā)動機核心44)、來自LP壓縮機24的流體或來自HP壓縮機26的流體。
[0061 ]發(fā)動機構件80包括襯底82，襯底82具有面向熱的燃燒氣體流H的熱表面84和面向冷流體C的冷表面86。襯底82可形成發(fā)動機構件80的壁;壁可為發(fā)動機構件80的外壁或內壁。第一發(fā)動機構件80可限定至少一個內部腔體88，內部腔體88包括冷表面86。熱表面84可為發(fā)動機構件80的外表面。在燃氣渦輪發(fā)動機的情況下，熱表面84可暴露于溫度范圍為100 °C至2000 °C的氣體。適合襯底82的材料包括(但不限于)鋼、耐火金屬，諸如鈦，或者基于鎳、鈷或鐵的超合金，以及陶瓷基質復合材料。超合金可包括等軸、定向凝固且單晶的結構中的那些。
[0062]發(fā)動機構件80進一步包括一個或多個膜孔(一個或多個)90，其延伸通過襯底82，襯底82在內部腔體和發(fā)動機構件80的熱表面84之間提供流體連通。在運行期間，冷卻流體流C供應到內部腔體88且離開膜孔90，以在熱表面84上產生冷卻空氣薄層或薄膜，從而保護熱表面84免受熱的燃燒氣體流H的影響。雖然圖3中顯示了僅一個膜孔90，但要理解的是，發(fā)動機構件80可設有多個膜孔90，膜孔90按任何期望構造布置在發(fā)動機構件80上。
[0063]注意，在本文論述的任何實施例中，雖然顯示了襯底82是大體平坦的，但要理解的是，許多發(fā)動機構件80，襯底82可彎曲。但是，襯底82的曲率可略微小于膜孔90的大小，而且因此為了論述和說明，顯示了襯底82是平坦的。不管襯底82在膜孔90的局部是平坦還是彎曲的，熱表面84和冷表面86都可如本文顯示的那樣是彼此平行的，或者可位于非平行平面中。
[0064]膜孔90可具有設置在襯底82的冷表面86上的入口92、設置在熱表面84上的出口94，以及連接入口 92和出口 94的通道96。通道96可包括用于計量冷卻流體流C的質量流率的計量區(qū)段98，以及擴散區(qū)段100，冷卻流體C在擴散區(qū)段100中可膨脹，以形成較寬的冷卻膜。計量區(qū)段98可為通道96的一部分，該部分具有垂直于冷卻流體流C通過通道96的方向的最小橫截面積。計量區(qū)段98可為離散位置，通道在此處具有最小橫截面積，或者計量區(qū)段98可為通道96的伸長區(qū)段。擴散區(qū)段100相對于通過通道96的冷卻流體流C的方向在計量區(qū)段98的下游。擴散區(qū)段100可與計量區(qū)段98處于串聯(lián)流連通。計量區(qū)段98可設置在入口 92處或其附近，而擴散區(qū)段100則可限定在出口 94處或其附近。
[0065]通過通道96的冷卻流體流C沿著通道96的縱向軸線，在本文也稱為中心線102，中心線102穿過計量區(qū)段98的橫截面區(qū)域的幾何中心。膜孔90可沿通過通道96的冷卻流體流C的下游方向傾斜，使得中心線102不垂直于熱表面84和冷表面86。備選地，膜孔90可具有中心線102，其在襯底82的中心線102穿過其中的局部區(qū)域中垂直于熱表面84和冷表面86中的一個或兩者。在其它實施例中，膜孔90的中心線102不可沿熱的燃燒氣體流H的方向定向，使得冷卻流體流C的矢量不同于熱的燃燒氣體流H的矢量。例如，具有復合角的膜孔限定冷卻流矢量，它不僅在橫截面上不同于熱的燃燒氣體流矢量，而且在從熱表面84處看到的自上而下的視圖中也是不同的。
[0066]出口 94包括上游邊緣104和下游邊緣106，通道96在上游邊緣104和下游邊緣106處與襯底82的熱表面84相交。邊緣104、106可大體相對于熱的燃燒氣體流H的方向限定，其中熱的燃燒氣體流H大體相對于熱表面84限定上游方向108和下游方向110，即，經過出口94。上游邊緣104大體面向下游方向110，而下游邊緣106則大體面向上游方向108。
[0067]發(fā)動機構件80進一步設有在襯底82的熱表面84上的流調節(jié)結構112。流調節(jié)結構112在出口 94的下游，并且在物理上與出口 94間隔開，而且構造成促使從出口 94流出的冷卻流體流C以較有效地粘附到熱表面84上。
[0068]在示出的實施例中，流調節(jié)結構112包括在熱表面84中的至少一個凹部。凹部112不在出口 94附近，而是與出口 94被緩沖區(qū)114分開，使得凹部112在物理上不與膜孔90連接。當在橫截面中看時，如圖3中那樣，凹部112具有大體相對于熱的燃燒氣體流H的方向限定的上游邊緣116和下游邊緣118。上游邊緣116大體面向下游方向110，而下游邊緣118則大體面向上游方向108。凹部112可相對于膜孔90的中心線102居中，并且可至少部分地圍繞出口 94延伸。
[0069]緩沖區(qū)114在出口 94的下游邊緣106和凹部112的上游邊緣116之間延伸。緩沖區(qū)114可包括熱表面84的在出口 94和凹部112之間的區(qū)域，其中該區(qū)域不包括膜孔90或凹部112的任何部分。
[0070]緩沖區(qū)114在出口 94的下游邊緣106和凹部112的上游邊緣116之間限定寬度W。緩沖區(qū)114的寬度W可從非常小而使得凹部112接近出口 94，變得較大而使得凹部112與出口 94分得更開。在可行寬度W的范圍的最小端處，緩沖區(qū)114可足夠大，以允許膜孔90和凹部112形成而不損傷彼此。緩沖區(qū)114使膜孔90的出口 94及其出口形狀在功能和空間上保持與凹部112分開。這不僅保持精準地制造各個元件，包括允許所需容差，而且還允許冷卻流體流C在遇到凹部112或修改這個流的其它流調節(jié)特征之前在膜孔90的出口 94處完全形成或散布。在可行寬度W的范圍的最大端處，緩沖區(qū)114可離得不那么遠而使其對流體流的調節(jié)作用無效；因而，最大可行寬度W可取決于冷卻流體流C的動量。因而，緩沖區(qū)114的寬度W優(yōu)選落在以下范圍:0.5D至f5D內，其中D是由膜孔90的計量區(qū)段98限定的計量直徑。也就是說，緩沖區(qū)114的寬度W優(yōu)選介于計量直徑D的一點五倍和五倍之間。
[0071]注意，關于本發(fā)明的這個或任何其它實施例的計量區(qū)段98所使用的用語“計量直徑(D)”不表示將計量區(qū)段98局限于任何特定橫截面，其中垂直于通過通道96的冷卻流體流C的方向而確定計量區(qū)段98的橫截面。在這個實施例中，計量區(qū)段98的橫截面大體為圓形。但是計量區(qū)段98的特定橫截面形狀對于本發(fā)明的其它實施例可為不同的；例如，計量區(qū)段98的橫截面形狀可為長方形或橢圓形。對于非圓形計量區(qū)段98，計量直徑D可為橫截面的液力直徑，它通常限定為四倍的橫截面積除以橫截面周長。對于仍然大體為圓形的非常不規(guī)則的計量區(qū)段98，諸如通常用撞擊激光加工生產的那些，計量直徑D可為可毫無損傷地穿過計量區(qū)段98的最大圓形銷的直徑。對也具有不規(guī)則表面的非圓形區(qū)段，計量直徑D可為可毫無損傷地穿過的形狀合適的最大銷的水力直徑。對于擴散區(qū)段100前面的非筆直或非恒定橫截面長度，可在最小橫截面積位置處使用相同的總定義。
[0072]用于促使從出口94流出的冷卻流體流C粘附到熱表面84上的凹部112的構造可至少部分地由凹部112的橫截面形狀限定。示出的凹部112具有橫截面形狀，它大體為凹形，或者在上游邊緣116和下游邊緣118之間向內彎曲，其中邊緣116、118與熱表面84會合或匯合到熱表面84中。凹部112的橫截面形狀可保持基本恒定，或者可如下面更詳細地描述的那樣改變。
[0073]圖4是圖3的發(fā)動機構件80的熱表面84的透視圖。出口94在周緣處與熱表面84會合，周緣包括出口 94的上游邊緣104和下游邊緣106。凹部112還在周緣處與熱表面84會合，周緣包括凹部112的上游邊緣116和下游邊緣118。由于緩沖區(qū)114的原因，凹部周緣與出口周緣不鄰接。
[0074]用于促使從出口94流出的冷卻流體流C粘附到熱表面84上的凹部112的構造還可至少部分地由凹部112的周緣形狀限定，而且可取決于用于膜孔90的出口 94的形狀。更特別地，凹部112的周緣可相對于出口 94的周緣構造而成。示出的出口 94具有大體長方形的周緣。相應地，示出的凹部112包括包括一個或多個線性節(jié)段的周緣。其它出口 94可具有圓形周緣形狀，并且相應地，凹部112可具有一個或多個彎曲節(jié)段。凹部112可進一步具有圍繞出口 94的線性節(jié)段和彎曲節(jié)段的組合。
[0075]更特別地，出口94具有基本梯形的周緣，其中基本線性上游邊緣104通過基本線性側邊緣120、122與基本線性下游邊緣106連結，基本線性側邊緣120、122沿下游方向彼此發(fā)散。側邊緣120、122可作為平滑曲線而非尖角或圓角與上游邊緣104和下游邊緣106匯合。
[0076]凹部112具有基本遵從出口94的形狀的周緣，并且包括多個線性節(jié)段，包括中間部分124和從中間部分124的端部延伸的兩個側向部分126、128。中間部分124可大體在出口 94的下游邊緣106的下游，并且側向部分126、128可相對于中心線102大體在出口 94的側邊緣120、122附近。各個側向部分126、128具有自由端130、132，它們分別漸縮或匯合到熱表面84中。
[0077]在示出的實施例中，中間和側向部分124、126、128彼此是連續(xù)的，并且共同限定單個凹部112。在其它實施例中，側向部分126、128中的一個或它們兩者可與中間部分124分開，以形成不止一個凹部。因而，流調節(jié)結構可由熱表面84中的多個凹部共同限定。
[0078]對于示出的膜孔90，其中凹部112關于中心線102是基本軸線對稱的，中間部分124相對于中心線102居中，并且側向部分126、128圍繞出口 94等距地延伸。在本發(fā)明的其它實施例中，凹部112可不關于中心線102對稱。另外在示出的實施例中，側向部分126、128基本延伸到出口94的上游邊緣104。在其它實施例中，側向部分126、128可僅部分地沿著側邊緣120、122延伸，或者凹部112可沒有任何側向部分。
[0079]凹部112的橫截面形狀可沿著中間和側向部分124、126、128保持基本恒定。例如，橫截面形狀可如圖3中顯示的那樣在側向部分126、128和中間部分124處為大體凹形或向內彎曲。在其它實施例中，橫截面形狀可沿著部分124、126、128中的一個或多個改變，以補償這些位置處的變化的流體狀況。例如，凹部112可在中間部分124處較深，而在側向部分126、128處較淺，以沿上游方向108漸縮。在其它非限制性示例中，凹部112可具有鋸齒狀或周期性橫截面形狀。
[0080]緩沖區(qū)114還遵從出口 94和凹部112的形狀，并且圍繞出口 94的下游和側向邊緣106、120、122延伸。緩沖區(qū)114包括在出口 94的下游邊緣106和凹部112的中間部分124之間延伸的中間區(qū)134，以及分別在出口94的側邊緣120、122和凹部112的側向部分126、128之間延伸的兩個側向區(qū)136、138。
[0081]圖5-6是分別類似于圖3-4的視圖，并且相對于發(fā)動機構件80顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。在運行中，冷卻流體流C通過入口 92進入膜孔90，并且傳送通過計量區(qū)段98和擴散區(qū)段100，然后在出口 94處沿著熱表面84離開膜孔90。在冷卻流體流C離開出口 94時，冷卻流體流C過多地滲透到熱的燃燒氣體流H中可導致冷卻流體流C立即被掃離襯底82的熱表面84，這會降低來自膜孔90的流體的冷卻效率。凹部112促使從出口 94流出的冷卻流體流C粘附到熱表面84上。特別地，凹部112幫助冷卻流體流C在出口 94下游作為冷卻流體膜保持附連到襯底82的熱表面84上。沿著出口 94的下游和側邊緣延伸的凹部112充當邊界層陷阱，它通過下者減小冷卻流體流C與熱的燃燒氣體流H的過度相互作用的有害影響:調節(jié)膜孔90的外部不遠處的區(qū)域，以促使冷卻流體流C保持接近熱表面84，以及與熱的燃燒氣體流H不那么混合。凹部112調節(jié)出口94下游及其附近的熱表面84，以使冷卻流體流C成形，從而在冷卻邊界層在熱表面84上形成時操縱它，以防止較多熱的燃燒氣體流H在出口區(qū)附近與冷卻流體混合。
[0082]圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的具有流調節(jié)結構的發(fā)動機構件80的示意性透視圖。發(fā)動機構件80與第一實施例的發(fā)動機構件基本相同，并且相同元件由相同參考標號指示。第二實施例與第一實施例的不同在于，凹部112相對于熱的燃燒氣體流H沿下游方向漸縮。示出的凹部112具有大體凹形或相對于上游邊緣116向內彎曲的橫截面形狀，并且包括在下游方向上的漸縮部140，使得下游邊緣118匯合到熱表面84中。
[0083]圖8相對于發(fā)動機構件80顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。熱的燃燒氣體流H與冷卻流體流C的流型可基本類似于上面針對圖5-6中的第一實施例所描述的那些。在凹部112上提供漸縮部140會在某些情形下減少或消除凹部112產生的流體旋渦，這可抵消凹部112提供的冷卻效用的一些好處。
[0084]圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的具有流調節(jié)結構的發(fā)動機構件80的示意性透視圖。發(fā)動機構件80與第一實施例的發(fā)動機構件基本相同，并且相同元件由相同參考標號指示。第三實施例與第一實施例的不同在于，流調節(jié)結構包括從熱表面84凸出的至少一個凸出部142。凸出部142不在出口 94附近，而是與出口 94被緩沖區(qū)144分開，使得凸出部142在物理上不與膜孔90連接。當在橫截面上看時，如在圖9中那樣，凸出部142具有大體相對于熱的燃燒氣體流H的方向限定的上游邊緣146和下游邊緣148 ο上游邊緣146大體面向上游方向108，而下游邊緣148則大體面向下游方向110。凸出部142可相對于膜孔90的中心線102居中，并且可至少部分地圍繞出口 94延伸。
[0085]緩沖區(qū)144在出口 94的下游邊緣106和凸出部142的上游邊緣146之間延伸。緩沖區(qū)144可包括熱表面84的在出口 94和凸出部142之間的區(qū)域，其中該區(qū)域不包括膜孔90或凸出部142的任何部分。
[0086]緩沖區(qū)144在出口 94的下游邊緣106和凸出部142的上游邊緣146之間限定寬度W。緩沖區(qū)144的寬度W可從非常小而使得凸出部142接近出口 94，變得較大而使得凸出部142與出口 94分得更開。在可行寬度W的范圍的最小端上，緩沖區(qū)144可足夠大，以允許膜孔90和凸出部142在彼此無損傷的情況下形成。緩沖區(qū)144使膜孔90的出口 94及其出口形狀在功能和空間上保持與凸出部142分開。這不僅保持精準地制造各個元件，包括允許所需容差，而且還允許冷卻流體流C在遇到凸出部142或修改這個流的其它流調節(jié)特征之前在膜孔90的出口 94處完全形成或散布。在可行寬度W的范圍的最大端處，緩沖區(qū)144可離得不那么遠而使其對流體流的調節(jié)作用無效；因而，最大可行寬度W可取決于冷卻流體流C的動量。因而，緩沖區(qū)144的寬度W優(yōu)選落在以下范圍:0.至內，其中D是由膜孔90的計量區(qū)段98限定的計量直徑。也就是說，緩沖區(qū)144的寬度W優(yōu)選介于計量直徑D的一點五倍和五倍之間。
[0087]用于促使從出口94流出的冷卻流體流C粘附到熱表面84上的凸出部142的構造可至少部分地由凸出部142的橫截面形狀限定。示出的凸出部142具有橫截面形狀，它大體為凹形，或者在上游邊緣146和下游邊緣148之間向內彎曲，其中邊緣146、148與熱表面84會合或匯合到熱表面84中。凸出部142的橫截面形狀可保持基本恒定，或者可如下面更詳細地描述的那樣改變。
[0088]圖10是圖9的發(fā)動機構件80的熱表面84的透視圖。第三實施例的出口94可具有不同于第一實施例的周緣形狀。示出的出口 94具有大體圓形的周緣。相應地，示出的凸出部142包括周緣，周緣包括一個或多個彎曲節(jié)段。其它出口 94可具有長方形周緣形狀，并且相應地，凸出部142可具有一個或多個線性節(jié)段。凸出部142可進一步具有圍繞出口94的線性節(jié)段和彎曲節(jié)段的組合。由于緩沖區(qū)144的原因，凸出部周緣與出口周緣不鄰接。
[0089]更特別地，出口 94具有基本橢圓形的周緣，其中上游邊緣104和下游邊緣106彎曲以彼此會合。凸出部142具有周緣，周緣基本遵從出口94的形狀，并且以馬蹄形彎曲，包括中間部分150和從中間部分150的端部延伸的兩個側向部分152、154。中間部分150可大體在出口 94的下游邊緣106的下游，并且側向部分152、154可相對于中心線102大體在出口 94附近。各個側向部分152、154分別具有自由端156、158，它們漸縮或匯合到熱表面84中。
[0090]在示出的實施例中，中間和側向部分150、152、154彼此是連續(xù)的，并且共同限定單個凸出部142。在其它實施例中，側向部分152、154中的一個或兩者可與中間部分150分開，以形成不止一個凸出部。因而，流調節(jié)結構可由熱表面84中的多個凸出部限定共同。
[0091]對于示出的膜孔90，其中凸出部142關于中心線102基本軸線對稱，中間部分150相對于中心線102居中，并且側向部分152、154圍繞出口 94等距地延伸。在本發(fā)明的其它實施例中，凸出部142可不關于中心線102對稱。另外在示出的實施例中，側向部分152、154基本延伸到出口94的上游邊緣104。在其它實施例中，側向部分152、154可僅部分地沿著出口94延伸，或者凸出部142可沒有任何側向部分。
[0092]凸出部142的橫截面形狀可沿著中間和側向部分150、152、154保持基本恒定。例如，橫截面形狀可如圖9中顯示的那樣在側向部分152、154和中間部分150處大體為凸形或向外彎曲。在其它實施例中，橫截面形狀可沿著部分150、152、154中的一個或多個而改變，以補償這些位置處的變化的流體狀況。例如，凸出部142可在中間部分150處較深，以及在側向部分152、154處較淺，以沿上游方向108漸縮。在其它示例中，凸出部142可具有鋸齒狀或周期性橫截面形狀。
[0093]緩沖區(qū)144還遵從出口 94和凸出部142的形狀，并且圍繞出口 94延伸。緩沖區(qū)144包括中間區(qū)160，中間區(qū)160在出口 94的下游邊緣106和凸出部142的中間部分150之間延伸，并且兩個側向區(qū)162、164分別在側部出口 94和凸出部142的側向部分152、154之間延伸。
[0094]圖11-12是分別類似于圖9-10的視圖，并且相對于發(fā)動機構件80顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。在運行中，冷卻流體流C通過入口 92進入膜孔90，并且傳送通過計量區(qū)段98和擴散區(qū)段100，然后在出口 94處沿著熱表面84離開膜孔90。如上面關于圖5-6所描述的那樣，在冷卻流體流C離開出口 94時，冷卻流體流C過多地滲透到熱的燃燒氣體流H中可導致冷卻流體流C立即被掃離襯底82的熱表面84，這會降低來自膜孔90的流體的冷卻效率。凸出部142促使從從出口 94流出的冷卻流體流C粘附到熱表面84上。特別地，凸出部142幫助冷卻流體流C在出口 94下游作為冷卻流體膜保持附連到襯底82的熱表面84上。凸出部142調節(jié)出口94下游及其附近的熱表面84，以使冷卻流體流C成形，從而在冷卻邊界層在熱表面84上形成時操縱它，以防止較多熱的燃燒氣體流H與出口區(qū)附近的冷卻流體混合。凸出部142進一步用來使主燃燒氣體流H偏轉遠離冷卻流體流C。通過允許冷卻流體流C向上移動且在凸出部142上移動，防止熱的燃燒氣體流H侵入冷卻流體流C之下。
[0095]圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的具有流調節(jié)結構的發(fā)動機構件80的示意性透視圖。發(fā)動機構件80與第三實施例的發(fā)動機構件基本相同，并且相同元件由相同參考標號指示。第四實施例與第三實施例的不同在于，凸出部142相對于熱的燃燒氣體流H沿下游方向漸縮。示出的凸出部142具有大體凸形或者相對于上游邊緣146向外彎曲的橫截面形狀，并且包括在下游方向上的漸縮部166，使得下游邊緣148匯合到熱表面84中。
[0096]圖14相對于發(fā)動機構件80顯示熱的燃燒氣體流和冷卻流體流。熱的燃燒氣體流H與冷卻流體流C的流型可基本類似于上面針對圖11-12中的第三實施例所描述的那些。在凸出部142上提供漸縮部166會減少或消除流在凸出部142處分離的可能性。
[0097]本發(fā)明的實施例可與膜孔90的計量區(qū)段和/或擴散區(qū)段的成形和輪廓結合起來。本發(fā)明的實施例還可應用于無擴散區(qū)段的膜孔。本發(fā)明的實施例也可應用于槽口型膜冷卻，在這種情況下，出口94設置在熱表面84上的槽口內。另外，在任何以上實施例中，涂層可施用到襯底82的熱表面84上。涂層的一些非限制性示例包括熱障涂層、氧化保護涂層或者它們的組合。
[0098]涉及本文公開的發(fā)明的裝置和方法的各種實施例對發(fā)動機結構提供改進的冷卻，尤其是具有膜孔的渦輪構件。在實踐所描述的系統(tǒng)的一些實施例時可實現(xiàn)的一個優(yōu)點是，可在膜孔出口的下游提供流調節(jié)結構，以便調節(jié)從出口流出的冷卻流體流，以便使其粘附到熱表面上，從而提高冷卻效率。在實踐所描述的裝置的一些實施例中可實現(xiàn)的另一個優(yōu)點在于，提供將流調節(jié)結構與出口分開的緩沖區(qū)容許膜孔和流調節(jié)結構在發(fā)動機構件上形成，而不犧牲或妨礙任何設計特征。
[0099]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實行任何結合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權利要求的字面語言的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等效結構要素，則它們意于處在權利要求的范圍之內。
【主權項】
1.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機構件，所述燃氣渦輪發(fā)動機產生熱的燃燒氣體流，所述發(fā)動機構件包括: 襯底，其具有面向所述熱的燃燒氣體流的熱表面和面向冷卻流體流的冷表面，所述熱的燃燒氣體流大體相對于所述熱表面限定上游方向和下游方向； 膜孔，其延伸通過所述襯底，并且具有設置在所述冷表面上的入口、設置在所述熱表面上的出口，以及連接所述入口和所述出口的通道； 在所述熱表面上設置在所述出口的下游的流調節(jié)結構，其中，所述流調節(jié)結構構造成促使從所述出口流出的冷卻流體流粘附到所述熱表面上；以及 緩沖區(qū)，其在所述出口和所述流調節(jié)結構之間，使得所述流調節(jié)結構在物理上不與所述膜孔連接。2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述緩沖區(qū)包括所述熱表面的在所述出口和所述流調節(jié)結構之間的區(qū)域。3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述流調節(jié)結構包括在所述熱表面中的凹部。4.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部由具有至少一個彎曲或筆直節(jié)段的周緣限定。5.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部包括彎曲橫截面形狀。6.根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凹部進一步包括與所述熱表面合并的漸縮下游部分。7.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述流調節(jié)結構包括從所述熱表面凸出的凸出部。8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部由具有至少一個彎曲或筆直節(jié)段的周緣限定。9.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部包括彎曲橫截面形狀。10.根據(jù)權利要求9所述的發(fā)動機構件，其特征在于，所述凸出部進一步包括與所述熱表面合并的漸縮下游部分。
【文檔編號】F02C7/12GK105927285SQ201610106269
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年2月26日
【發(fā)明人】R.S.班克
【申請人】通用電氣公司