具有有沙漏狀截面的冷卻通道的部件和相應(yīng)的渦輪機(jī)翼面部件的制作方法
【專利摘要】冷卻通道(36，36B，63?66)冷卻部件(20，60)的外壁(41，43)的內(nèi)表面(48，50)。通道的內(nèi)部側(cè)表面(52，54)會(huì)聚成腰部(W2)，形成沙漏狀橫向輪廓(46)。內(nèi)表面(48，50)可具有與冷卻流(22)對齊的翅片(44)。翅片可具有在內(nèi)表面(48，50)的中間寬度處最高的橫向輪廓(56A，56B)。紊流器(92)可設(shè)置于通道的側(cè)表面(52，54)，且可將冷卻劑流推向內(nèi)表面(48，50)。每個(gè)紊流器(92)可具有限定冷卻通道的腰部的峰部(97)。每個(gè)紊流器可具有凸形上游側(cè)面(93)。這些元素增加通道的角部(C)中的冷卻劑流以更均勻且高效地冷卻外壁(41，43)。
【專利說明】具有有沙漏狀截面的冷卻通道的部件和相應(yīng)的渦輪機(jī)翼面部件
[0001 ]本申請是2011年I月6日提交的美國專利申請12/985，553 (代理所案號(hào)2010P12609US)的部分繼續(xù)申請，該申請通過引用合并于此。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦資助開發(fā)的聲明
[0003]用于該發(fā)明的開發(fā)部分地由美國能源部授予的編號(hào)為DE-FC26-05NT42644的合同支持。因此，美國政府可以具有該發(fā)明中的某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0004]燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體流路徑中的部件往往具有冷卻通道。冷卻效力對于使在這些部件上的熱應(yīng)力最小化很重要，并且冷卻效率對于使從用于冷卻的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)移的空氣的體積最小化很重要。膜冷卻(film cooling)經(jīng)由孔從內(nèi)部冷卻通道提供在部件的外表面上的冷卻空氣膜。膜冷卻可能效率低下，因?yàn)樾枰唧w積的冷卻空氣。因此，與其它技術(shù)組合地選擇性地使用膜冷卻。沖擊冷卻(impingement cooling)是穿孔的擋板與表面隔開以創(chuàng)建撞擊表面的冷卻空氣的沖擊射流的技術(shù)。已經(jīng)在渦輪機(jī)部件(包括諸如葉片和翼片等的翼面)中設(shè)置了蛇形冷卻通道。本發(fā)明增加冷卻通道的效力和效率。
【附圖說明】
[0005]結(jié)合附圖在以下描述中說明本發(fā)明，附圖示出:
[0006]圖1是具有冷卻通道的渦輪機(jī)葉片的側(cè)截面圖。
[0007]圖2是在圖1的線2-2上截取的翼面后緣的截面圖，具有示出了本發(fā)明的多個(gè)方面的冷卻通道。
[0008]圖3是根據(jù)本發(fā)明的的方面的冷卻通道的橫向輪廓。
[0009]圖4是一側(cè)近壁的冷卻通道的截面圖。
[0010]圖5是錐形部件中的冷卻通道的截面圖。
[0011 ]圖6是具有沙漏狀冷卻通道的渦輪機(jī)翼面的橫向截面圖。
[0012]圖7示出用于沙漏狀冷卻通道用的模具的陶瓷型芯的模制工藝。
[0013]圖8示出具有由帶峰部的紊流器限定的會(huì)聚側(cè)表面的沙漏狀冷卻通道的橫向截面圖。
[0014]圖9示出圖8與近壁內(nèi)表面上的翅片組合的實(shí)施例。
[0015]圖10是沿著圖8的線10-10截取的示出了具有凸形上游側(cè)面的帶峰部的紊流器的視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1是具有前緣21和后緣23的渦輪機(jī)葉片20的截面圖。來自渦輪機(jī)壓縮機(jī)的冷卻空氣22進(jìn)入葉片根部26中的入口24，并且流過葉片中的通道28、29、30、31。冷卻劑中的一些可以從冷卻孔32離開。葉片的后緣部分TE可以具有紊流器銷34和離開通道36。各箭頭22指示出在箭頭處的總體冷卻劑流方向，意味著在該點(diǎn)處的主要或平均流方向。
[0017]圖2是沿著圖1的線2-2截取的渦輪機(jī)翼面后緣部分TE的截面圖。后緣部分具有在翼面的吸入側(cè)、壓力側(cè)壁41、43上的第一、第二外表面40、42。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面冷卻通道36可以在外壁41、43的內(nèi)表面48、50上具有翅片44。這些內(nèi)表面48和50在現(xiàn)有技術(shù)中稱作“近壁內(nèi)表面”，意味著冷卻通道的最靠近被冷卻的外表面的內(nèi)表面。通道之間的間隙G產(chǎn)生在冷卻效率和均勻性上的差距。發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，冷卻效力、效率和均勻性可以通過增加冷卻通道的角部C中的冷卻速率來提高，因?yàn)檫@些角部最靠近間隙G。實(shí)現(xiàn)該優(yōu)選冷卻的一個(gè)途徑是提供沙漏狀通道輪廓，其中通道的側(cè)表面52、54形成比第一、第二內(nèi)表面48和50中的每一個(gè)的寬度都窄的腰部。腰部起到增加在通道的中央的流阻力的作用，由此將冷卻劑推向通道的角部。由于在通道的中央的冷卻劑流不接觸熱傳遞表面而在角部中的流不起到去除熱的作用，所以本發(fā)明對于增加冷卻的效率是有效的。
[0018]圖3是形狀做成高效地冷卻兩個(gè)相對的外表面的冷卻通道的橫向截面輪廓46。通道可以是后緣通道36或諸如圖1中的通道29和30等的任何其他冷卻通道。它具有可以平行于圖2的對應(yīng)外表面40、42的兩個(gè)相對的近壁內(nèi)表面48、50。這里“平行”意味著相對于最靠近外表面的近壁內(nèi)表面的部分，不考慮翅片44的。通道在近壁內(nèi)表面48、50處具有寬度W1、W3。兩個(gè)內(nèi)部側(cè)表面52、54從內(nèi)表面48、50的側(cè)面朝向彼此成錐形，限定了在側(cè)表面中的最小通道寬度W2或腰部。內(nèi)表面寬度Wl、W3大于腰部寬度W2，所以通道輪廓46具有由側(cè)表面52、54的凸型形成的沙漏狀。該形狀增加了朝向通道的角部C的冷卻劑流25?？傮w冷卻劑流方向在該視圖中垂直于紙面。箭頭25圖示出輪廓46的相對于沒有沙漏狀和/或沒有接下來描述的翅片的通道流增加方面。
[0019]翅片44可以設(shè)置在內(nèi)表面48、50上。翅片可以與垂直于圖3的紙面的總體流方向22(圖1)上對齊。如果設(shè)置了翅片，則它們可以具有諸如56A或56B等的遵循凸形輪廓的高度，提供了在近壁內(nèi)表面48和/或50的中間寬度處的最大翅片高度H。這些翅片44增加近壁內(nèi)表面48、50的表面面積，并且還增加在角部C中的冷卻劑流25。較高的中間翅片降低了在中央的冷卻劑流，而較短的遠(yuǎn)端翅片促進(jìn)在角部C中的冷卻劑流25。凸形側(cè)面52、54和凸形翅片高度輪廓56A、56B的組合提供了使冷卻朝向通道角部C聚集的協(xié)作。
[0020]通道輪廓46的尺寸可以使用已知的工程方法來選擇。圖示出的比例僅提供作為示例。以下長度單元是無量綱的并且可以以測量的任何單元成比例地做出大小，因?yàn)楸壤鞘纠谠摳綀D中的有關(guān)方面。在一個(gè)實(shí)施例中相對尺寸是B=1.00，D = 0.05，H=0.20，W1 =
1.00，￥2 = 0.60。在該示例中側(cè)面錐角八=-30°。在這里，輪廓46中的側(cè)面52、54的負(fù)錐角A意味著側(cè)面朝向內(nèi)表面48、50之間的中間位置朝向彼此會(huì)聚，形成了所示出的腰部W2。在一些實(shí)施例中，錐角A可以在從-1°至-30°的范圍內(nèi)。腰部寬度W2可以由錐角確定?？蛇x地，在某些實(shí)施例中，它可以是近壁寬度Wl、W2中的一個(gè)或兩者的80%或更小，或者65%或更小。一個(gè)或多個(gè)比例和/或尺寸可以沿著冷卻通道的長度變化。例如，尺寸B可以與翼面的厚度一起變化。兩個(gè)內(nèi)表面48和50的寬度W1、W3可以在一些實(shí)施例中彼此不同。在該情況中，腰部W2可以比寬度W1、W3中的每一個(gè)窄。
[0021]圖4示出形狀做成冷卻單一個(gè)外表面40或42的冷卻通道36B。它使用之前描述的冷卻通道36的翅片和錐角的構(gòu)思。近壁內(nèi)表面寬度Wl歸因于錐形內(nèi)部側(cè)表面52、54而大于最小通道寬度W2。翅片44可以設(shè)置在近壁內(nèi)表面48上，并且它們可以具有以近壁內(nèi)表面的寬度Wl為中心的凸形高度輪廓。這樣的冷卻通道36B可以例如用在翼面的后緣部分TE的相對較厚的部分中，而不是后緣部分TE的相對較薄的部分中(該處可以可能使用圖3中那樣的冷卻輪廓46)。該實(shí)施例的橫向截面輪廓可以是梯形的，其中近壁內(nèi)表面48限定其最長邊。
[0022]圖5示出外表面40和42可以在通道36的橫向截面中不平行。近壁內(nèi)表面40、50可以平行于外表面40、42。
[0023]圖6示出具有沙漏狀順翼展方向(span-wise)的冷卻通道63、64、65和66的渦輪機(jī)翼面60的橫向截面。在這里“狀順翼展方向”意味著通道在翼面的徑向內(nèi)端和徑向外端之間的方向上定向?！皬较颉笔窍鄬τ跍u輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。例如，在圖1中通道28、29、30和31是展向通道。這些通道可以任選地具有與之前關(guān)于圖3所描述的一樣的翅片44。
[0024]圖7示出形成用于翼面模具的陶瓷型芯74、75的工藝。型芯可以在翼面60鑄造之后被用化學(xué)地去除。柔性模具84A、84B、85A、85B或具有柔性襯墊的模具可以用于形成坯體陶瓷的型芯74、75，其硬度足夠用于模具彈性經(jīng)過干涉點(diǎn)91的拉出89。例如在受讓給弗吉尼亞州夏洛茨維爾的維科系統(tǒng)公司(Mikro Systems Inc.)的美國專利7，141，812和7，410，606和7，411，204中教導(dǎo)了這樣的技術(shù)。與要求傳統(tǒng)上的剛性模具的去除的正錐角相比，甚至諸如-1°至-3°等的小負(fù)錐角對于冷卻效率也是顯著且有用的。
[0025]圖8示出具有由紊流器92限定的會(huì)聚側(cè)表面52、54的沙漏狀冷卻通道65的橫向截面圖。每個(gè)紊流器在其中間部分具有限定了冷卻通道的腰部的峰部97。紊流器上的側(cè)表面52、54可以具有之前描述的錐形范圍，或者尤其在-2°至-5° (示出-5°)的范圍內(nèi)。紊流器92可以用平坦的(示出的)或具有正錐形(未示出)的表面95、96交替。
[0026]圖9示出圖8與之前描述的在近壁內(nèi)表面48、50上的成形翅片44組合的實(shí)施例。
[0027]圖10是沿著圖8的線10-10截取的示出了具有凸形上游側(cè)面和直的下游側(cè)面94的帶峰部的紊流器92的視圖。凸形上游側(cè)面93將流22推向角部C。直的下游側(cè)面94便于將圖7的模具84A、84B、85A、85B垂直于型芯74、75直接拉出?？蛇x地，紊流器的下游側(cè)面94可以是諸如平行于上游側(cè)面93的凸形(未示出)。
[0028]圖8至圖10的實(shí)施例可以使用圖7的成本有效的工藝來制造。紊流器92使冷卻劑流朝向近壁內(nèi)表面48和50集中并進(jìn)入角部C內(nèi)。圖9中示出的組合特征尤其有效且高效，因?yàn)槲闪髌?2在使流22朝向內(nèi)表面48和50集中的同時(shí)使其在中央減慢，其中肋44傳遞來自外表面40、42的熱，并且增加朝向角部C的流22。
[0029]當(dāng)前的沙漏狀通道在諸如翼片、葉片、罩等的任何近壁冷卻應(yīng)用中是有用的，并且可能在燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器和轉(zhuǎn)接管道中是有用的。它們增加冷卻的均勻性，尤其是在具有平行流或交替的蛇形流的平行系列的通道中。當(dāng)前的通道可以通過已知的制造技術(shù)形成一例如，通過在正陶瓷型芯上澆鑄出翼面、澆鑄之后用化學(xué)方式將正陶瓷型芯去除來形成。
[0030]本發(fā)明的益處在于，對于給定的冷卻劑流體積，通道的近壁遠(yuǎn)端角部C比現(xiàn)有的冷卻通道去除了更多的熱。這通過克服冷卻劑在角部中更慢地流動(dòng)的趨勢提高了冷卻的效率、效力和均勻性。增加角部冷卻有助于補(bǔ)償通道之間的冷卻間隙G。本發(fā)明還通過翅片44的使用提供了來自待冷卻的主表面40、42的增加的熱傳遞。
[0031]雖然在這里已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是顯然這樣的實(shí)施例是僅借助于示例提供的?？梢栽诓幻撾x這里的發(fā)明的范圍的情況下做出數(shù)個(gè)變化、改變和替換。于是，意在發(fā)明僅由隨附權(quán)利要求的精神和范圍限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種包括內(nèi)部冷卻通道的部件，所述冷卻通道進(jìn)一步包括: 所述部件的第一外壁的第一內(nèi)表面和所述部件的第二外壁的第二內(nèi)表面;和 跨越在所述內(nèi)表面之間的第一側(cè)表面和第二側(cè)表面， 其中所述通道的橫向截面具有沙漏狀輪廓，在所述沙漏狀輪廓中所述側(cè)表面朝向彼此成錐形縮小成比所述第一內(nèi)表面和所述第二內(nèi)表面中的每一個(gè)內(nèi)表面的寬度都更窄的腰部;和 其中所述通道中的冷卻劑流的總體方向垂直于所述沙漏狀輪廓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述第一內(nèi)表面和所述第二內(nèi)表面分別平行于對應(yīng)外壁的外表面的第一部分和對應(yīng)外壁的外表面的第二部分。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述第一外壁和所述第二外壁分別是渦輪機(jī)翼面的壓力側(cè)和吸入側(cè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述腰部包括所述內(nèi)表面中的至少一個(gè)的寬度的80%或更小的寬度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述側(cè)表面中的每一個(gè)側(cè)表面在所述輪廓中朝向所述腰部相對于所述兩個(gè)側(cè)表面的相應(yīng)端部之間的直線具有至少-1度的錐角。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，進(jìn)一步包括多個(gè)平行翅片，其具有跨越所述內(nèi)表面中的至少一個(gè)內(nèi)表面的寬度成凸形的橫向高度輪廓，其中所述翅片利用所述冷卻劑流方向定向。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，進(jìn)一步包括在所述側(cè)表面中的每一個(gè)側(cè)表面上的多個(gè)紊流器，其將所述冷卻劑推向所述內(nèi)表面，其中在每個(gè)紊流器的中間部分的峰部限定所述冷卻通道的所述腰部。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面和直的下游側(cè)面。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，進(jìn)一步包括: 在所述內(nèi)表面中的每一個(gè)內(nèi)表面上的利用所述冷卻劑流方向定向的多個(gè)平行翅片，其中將所述翅片的相鄰峰部橫向地連接的高度輪廓跨越所述內(nèi)表面中的每一個(gè)內(nèi)表面的寬度是凸形;和 在所述側(cè)表面中的每一個(gè)側(cè)表面上的多個(gè)紊流器，每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面和在所述紊流器的中間部分的限定所述冷卻通道的所述腰部的峰部。11.一種渦輪機(jī)翼面部件，包括在后緣部分中的冷卻劑離開通道，所述冷卻劑離開通道進(jìn)一步包括: 分別平行于所述后緣部分的第一外表面和第二外表面的第一近壁內(nèi)表面和第二近壁內(nèi)表面； 在所述近壁內(nèi)表面之間的兩個(gè)內(nèi)部側(cè)表面，所述兩個(gè)內(nèi)部側(cè)表面在所述第一近壁內(nèi)表面和所述第二近壁內(nèi)表面之間的中間位置處會(huì)聚成腰部，形成了所述通道的沙漏狀橫向輪廓;和 在所述近壁內(nèi)表面中的每一個(gè)近壁內(nèi)表面上的多個(gè)翅片，其中所述翅片與所述冷卻劑離開通道的總體流方向?qū)R，并且所述多個(gè)翅片具有跨越每個(gè)近壁內(nèi)表面的寬度的凸形高度輪廓。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的部件，進(jìn)一步包括在所述側(cè)表面中的每一個(gè)側(cè)表面上的將所述冷卻劑流推向所述近壁內(nèi)表面的多個(gè)紊流器，其中在每個(gè)紊流器的中間部分的峰部限定所述冷卻通道的所述腰部。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面和直的下游側(cè)面。15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的部件，進(jìn)一步包括: 在所述側(cè)表面中的每一個(gè)側(cè)表面上的多個(gè)紊流器，每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面和在所述紊流器的中間部分的限定所述冷卻通道的所述腰部的峰部。16.一種包括冷卻通道的部件，所述冷卻通道進(jìn)一步包括: 平行于所述部件的第一外表面的第一內(nèi)表面和在所述第一內(nèi)表面處較寬并且遠(yuǎn)離所述第一內(nèi)表面較窄的錐形的橫向截面輪廓;和 具有跨越所述內(nèi)表面的寬度成凸形的橫向高度輪廓的多個(gè)平行翅片，其中所述翅片利用所述通道中的冷卻劑流的方向定向； 其中所述冷卻通道在將其內(nèi)的冷卻劑流推向所述冷卻通道的角部方面是有效的。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件，進(jìn)一步包括: 平行于所述部件的第二外表面的第二內(nèi)表面； 跨越在所述第一內(nèi)表面和所述第二內(nèi)表面之間的第一內(nèi)部側(cè)表面和第二內(nèi)部側(cè)表面；和 在所述通道的所述內(nèi)部側(cè)表面中的每一個(gè)內(nèi)部側(cè)表面上的將所述冷卻劑流推向所述內(nèi)表面的多個(gè)紊流器，其中在每個(gè)紊流器的中間部分的峰部限定所述冷卻通道的比所述第一內(nèi)表面和所述第二內(nèi)表面中的任一個(gè)的寬度更窄的腰部。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的部件，其中每個(gè)紊流器包括凸形上游側(cè)面和直的下游側(cè)面。
【文檔編號(hào)】F01D5/18GK105829654SQ201480007603
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年2月5日
【發(fā)明人】C·X·坎貝爾, C-P·李
【申請人】西門子能源公司, 麥克羅系統(tǒng)有限公司