CN1016083B - 具有冷却通道的壁 - Google Patents

Abstract

本发明包含有具有第一表面和相互间隔开的第二表面的壁，而第一平面处在上述第一表面和第二表面之间，该平面包括互相垂直的共平面的第一轴线和第二轴线。一通道在第一表面和第二表面之间延伸并包括具有纵轴线与第一平面成锐角的部分。第一截面安置成垂直于纵轴线，而第二截面安置成平行第一平面，通道第一截面大致呈椭圆形，而通道第二截面大致呈圆形。

Description

本发明与在壁内的冷却通道有关;更具体地说与燃气轮机内的冷却通道有关，诸如与在燃气轮机内的燃烧室内衬及涡轮动、静叶片内的冷却通道有关。

燃气涡轮机一般包括诸如燃烧室内衬和静止和转动涡轮静叶片和动叶片的结构件，这些结构件都受到比较热的燃气冲刷，这些结构件一般都备有保护自己免受热燃气危害的冷却通道。从所周知，在壁面结构内所含有的任何通道或孔都会受到应力，结果会在孔周围形成应力集中，这些都必须在确定此类结构件的寿命时要加以考虑的。

日本特许公开昭58-51202公开了一种具有冷却通道的壁，该壁有第一表面和与第一表面相间隔开的第表面，第一表面和第二表面之间有一第一平面，该平面还包括相互垂直的共平面的第一和第二轴线，该第一表面和第二表面之间延伸的通道，其中心轴线与第一平面成锐角，该通道在垂直于其中心轴线的截面大致呈圆形，该通道而在平行于该第一平面的平面上的截面则呈椭圆形。

在燃气轮机内一般所用的冷却通道一截面一般呈圆形，然而当圆形截面通道在壁内以某个角度安置，那么在平行于壁面的平面内的通道截面就是一个椭圆，椭圆孔有长轴和短轴，在椭圆孔周围所产生的应力集中可小于或大于圆孔所产生的应力集中，这取决于相对于长短轴主应力的方向。例如，在单-轴线方向受到一主拉应力的壁面，圆孔周围的公称应力集中等于3而椭圆孔周围的公称应力集中等于1+2a/b或1+2b/a， 于这里a和b分别代表长半轴和短半轴，而a和b的方向即可以分别垂直也可以平行于主应力的方向。

因此，在壁面内使用一倾斜的圆形截面冷却通道会产生一椭圆截面，结果能形成一即可小于又可大于圆形孔所产生的应力集中的一应力集中，这取决于该通道在壁内相对于主应力的方向而定，而大于圆形孔所产生的应力集中的一应力集中将导致所不希望的壁面寿命缩短。

因此，本发明的一个目的是提供一新的和改进的壁，该壁具有相对于该壁内的主应力预先定向的预定截面以取得减小的应力集中的冷却通道。

本发明包含一具有第一表面和相互间隔开第二表面的壁，和处在二相间隔面之间的第一平面，该第一平面内包括互相垂直的共平面的第一和第二轴线。一通道在第一表面和第二表面之间延伸并包括：具有与第一平面成锐角的纵轴线的一个部分，一垂直于纵轴线的第一截面和一平行于第一平面的第二截面。该通道第一截面大致呈椭圆形和通道第二截面大致呈圆形。

根据其最佳实施例，本发明与它的优点结合附图将在下文进行详细叙述：

图1表示先有技术中壁的剖视图，该壁包括一相对其纵轴线具有一圆形截面的冷却通道。

图2表示沿在图1所示冷却道的剖面线2-2所取的剖视图。

图3表示沿在图2所示冷却道的剖面线3-3所取的剖视图。

图4表示根据本发明的一实施例的包括着一冷却通道的壁的剖视图。

图5是沿在图4所示的壁垂直于冷却通道纵轴线的剖面线5-5所取的剖视图。

图6是沿在图4所示的壁平行于壁面的剖面线6-6所取的剖视图。

图7是图1-图3所述先有技术的壁和图4-图6所述本发明实施例中的冷却通道的二个圆形和一个椭圆形截面重叠的示意图。

图8是根据本发明的一个实施例中燃气轮机燃烧室内衬的断片部分的透视图。

图9是根据本发明的一个实施例中包括壁的燃气轮机叶片的透视图。

图1至图3所示为一先有技术的壁10，包括与该壁10的轴线X成锐角A的一倾斜通道12。通道12包括一中心线（纵轴线）14，该通道为带有若干垂直于纵轴线14其直径皆为d的均匀圆形截面的圆柱体。

由于通道12相对于纵轴X倾斜一角度A，在平行于包含纵轴线X和与其垂直的横轴线Y的平面上，该通道12的截面16的投影或形状如图1所示的截面16′为一椭圆。截面16′有一长度为d的短轴18和长度为b的长轴20，这里b＝d/sin（A）。

因此，虽然通道12有截面16，该截面相对于通道12的纵轴线14是园形的，而平行于轴线X的通道的截面16′则是椭圆形的，其长轴方向平行于轴线X，其短轴方向平行于轴线Y如图1所示。在一种结构应用中，该壁10在轴线Y上承受一主应力，而应力集中发生在截面16′和长轴20的交点上，应力集中可以用系数K1表示，该系数一般确定为等于1+2b/d或1+2/sin（A），在这种情况下，应力集中系数K1是大于存在于简单圆形截面中的应力集中系数3，并表明在这些点的局部应力比该主应力大3倍。

图4-图6所示为包括本发明的最佳实施例的壁22，壁22包括一第一表面24和与第一表面24间隔开的第二表面26，在上述实施例中，此二表面是相互平行的。

壁22包括处在第一和第二表面24和26之间的主应力之第一平面28，该平面由第一轴线30或轴线X和第二轴线32或轴线Y限定并包括该二轴 线，该轴线X和Y安置成共平面并彼此相互垂直，壁22还包括一倾斜通道34，在本实施例该通道是直的，它从第一表面24的入口36延伸至第二表面26的出口38。

通道34包括带有纵轴线42的部分40，在本实施例中，该纵轴线42同于整个通道34的纵轴线。纵轴线42与第一平面28和该平面中的第一轴线30安置成锐角A。通道部分40也包括安置成垂直于纵轴线42的第一截面44，虽然叙述了一个第一截面44，除了入口和出口部分外，整个通道34由若干相同的上述第一截面44组成，然而，通道34不一定需要是直的或完全对称，因此，第一截面44根据所要求的特殊应用可以有不同的形状以供选择。

在图5中更具体地说明第一截面44，它包括一长度为b的长轴46和与长轴相垂直而长度为d的短轴48。在本实施例中，整个通道部分40有若干个同于第一截面44的截面。

通道部分40也包括一安置成平行于第一平面28的一第二截面50。

根据本发明，当道通34倾斜一锐角A时，通道34的第一截面44的断面形状预先选定，以便在主应力的平面28内取得低的应力集中。更具体地说，通道34中由垂直于其纵轴线42的截面形状用第一截面44来表示并有一预定的形状，大致呈椭圆形。第一截面44的椭圆形状是预先选定的，以造成处于平行于主应力的平面28的第二截面50呈圆形。

换句话说，第二截面50是第一截面44在主应力平面28上的投影，第一截面44和第二截面50相互在交点49处相连。

如先有技术中图1至图3所示，具有圆形截面16的倾斜通道12结果导致形成平行于轴线X具有椭圆形状的截面16′，相反，按照本发明的一实施例，图4-图6所示的通道34在垂直于纵轴线42的截面上是椭圆形的，而在平行于主应力的平面28和X轴线30的截面上是圆形的。

在一壁内，其中主应力是在Y轴方向，在图1所示的椭圆形截面 16′上，结果导致形成1+2/sin（A）的公称应力集中。相反，根据图4-图6所述的实施例，结果导致形成具有公称应力集中值为3的圆截面50。通道34的第二截面50的应力集中相对于先有技术的通道12的截面16′的应力集中之比，其应力集中系数的比值用3/（1+2/sin（A））来表示，对于20°的锐角A，其比值为0.438，对于25°的锐角A，其比值为0.523。所以按照本发明，通过选取通道34的椭圆形状，由通道34所产生的应力集中在上述代表性的角度A下可减小一半，这种应力集中的减小大大改善了壁22的有效寿命。

更具体地说，为了在以锐角A倾斜的通道内取得圆形的第二截面50，第一截面44一定是椭圆形，并有一长度为b的长轴46和长度为d的短轴48，这里d等于b    sin（A）。

在一个实例中，其中第二轴线32如图6所示代表了主应力的方向，最好，如图4所示，通道的纵轴线42，相对于第一轴线30安置成锐角A，为了获得第二圆形截面50，第一椭圆截面44的长轴46应该对准平行于第二轴线32，而短轴48应对准平行于第一轴线30。注意到在图5所示的平面内，短轴48与轴线X′或轴线30′相重合，而轴线30′是由第一轴线30转过90-A°后形成的，然而，短轴48仍旧平行于轴线X。

虽然相对于图4-图6所述的壁22一般包括平行的第一表面24和第二表面26以及一直通道34，本发明可应用于具有倾斜通道和主应力方向的各种结构。本发明的一个基本特点是在垂直于通道纵向中心轴线的平面内使用一预先选定具有大致呈椭圆形的截面的通道，这样在安置成与通道纵轴线成锐角的主应力的平面内，大致呈圆形截面形状结果导致获得一减小的应力集中系数。

图7所示是重叠的通道截面来说明本发明附加的潜在优点。更具体说，图1-图3说明一具有直径为d的圆形截面16的通道12，截面16在图7中所示是最中心的园。在图4所示的本发明使用了一具有第一椭圆截 面44的通道34包括长度为d的短轴48，第一截面44在图7中所示为处于中间位置的截面，如果在结构中，通道34直接代替通道12，图7表明通道34将有一渐增的截面流通面积和渐增的表面积，可以相信通道34的冷却效果比通道12能明显增加。

而且使用通道34结果将会形成具有直径b的第二圆形截面50，如在图7中所示的最外的圆。在图4所示的实施例中，通道34的出口38有一如第二截面50所示相同的圆形。图7清楚表明具有第一椭圆形截面44的通道34结果导致形成一个比第一截面44更大的园形排出口50。

图8所示是燃气涡轮燃烧室内衬的一部分52，内衬部分52是拱形且相对于发动机的纵轴线54有一曲率半径R，在此实施例中，内衬部分52包括若干通道34，每通道相对于内衬部分52的纵轴线54倾斜一角度A。壁的第一表面24是内衬部分52的外表面，一冷却流体56诸如空气流过该表面。壁的第二表面26是内衬部分的内表面，热燃气58流过该表面。第一轴线30方向对准平行于纵轴线54而第二轴线32在通道38处则对准平行于燃气轮机在的切向线60，该切向线代表内衬部分52的园周应力。

内衬部分52的通道34也包括在外表面24上用来接纳冷却流体56的入口36，还包括在内表面26上用来排出从通道34来的冷却流体56的出口38，入口36安置在内衬部分52的出口38之前，这样冷却流体56相对于内衬部分52继续向下游方向流动而通过通道34有一比较小的方向变化。图4-图6中所示通道34的细节同样可用到图8所示内衬部分52的通道34上。

图9所示是一燃气轮机的叶片62，该叶片即可以是动叶片也可以是静叶片，一般都是空心且供有冷却流体56。图4所示的壁22构成叶片62的一部分且在本实施例中构成叶片62凸侧面的一部分，第一表面24是叶片62的内表面，冷却流体在该表面上流动通过叶片62的空心内部，第二表面26是叶片62的外面，热燃气58流过该面。在通道34处第一轴线30大致 对准平行于第一表面24和第二表面26，而第二轴线32大致对准平行于叶片62的径向轴线64而且代表叶片62上的离心应力的方向，叶片62的通道34按照图4-图6的相同方式安置。

在图8所示的实施例中，使用通过内衬部分52的常规圆形通道结果会导致形成平行于纵轴线54的椭圆截面，随之就导致形成最大的应力集中。然而，按照本发明，使用椭圆形通道34结果就导致形成平行于纵轴线54的圆截面，从而使与圆相应的截面的应力集中减小。

在图9所述实施例中，常规使用的圆形冷却通道同样结果会导致形成平行于纵轴线30的椭圆截面，由于在径向方向的离心应力结果就导致形成最大的应力集中。然而，在叶片62内使用椭圆形通道34结果就导致形成在平行于轴线X的平面内之园形截面，结果就会比由于使用圆形冷却通道所引起的应力集中大大地减小。

所以，按照本发明的实施例，为了改进结构的使用寿命，使用预定形状和方向的冷却通道34，结果会导致形成一种能减小应力集中的结构，新结构比起由使用圆形通道所引起的应力集中要减小很多。

本发明的椭圆形通道34可通过采用常规的加工装置来完成;例如，激光打孔，电火花加工，以及电化学加工。

上面已介绍了本发明的最佳实施例，其它实施例的解决方案对本专业的技术人员也是显而易见的。

Claims (11)

1、一具有冷却通道的壁包括有

一第一表面；

一与第一表面间隔开的第二表面；

一处于第一表面和第二表面之间的第一平面并包括互相垂直的共平面的第一和第二轴线；

一在上述第一表面和第二表面之间延伸的冷却通道且该冷却通道包括一个部分具有：

相对于上述第一平面安置成锐角的一纵轴线；一处于垂直于上述纵轴线的第一截面；一安置成平行于上述第一平面的第二截面；其特征在于：

上述第一截面大致呈椭圆形而上述第二截面大致呈圆形。

2、按照权利要求1所述的壁，其特征在于上述第二轴线代表主应力的方向，上述通道部分的纵轴线相对于上述第一轴线安置成一锐角，上述通道部分第一截面是椭圆形并有一对准平行于上述第一轴线的长轴和对准平行于上述第二轴线的短轴。

3、按照权利要求2所述的壁，其特征在于上述锐角用A表示，上述通道部分第二截面是具有直径b的圆形，上述通道部分第一截面长轴等于b，而上述通道部分第一截面短轴为-等于b  sin（A）的d值。

4、按照权利要求2所述的壁，其特征在于上述通道包括在上述第一表面的入口和第二表面的出口，上述通道从入口到出口是笔直的，上述通道从入口到出口包括若干通道的第一截面和第二截面。

5、按照权利要求2所述的壁，其特征在于上述壁构成燃气轮机燃烧室内衬的一部分;上述第一表面是内衬的外表面，冷却流体就在此外表面上流过;上述第二表面是内衬的内表面，热燃气就在此内面上流过;上述第一轴线对准平行于上述内衬的纵轴线，而上述第二轴线则对准平行于上述燃气涡轮的切向轴线并代表上述内衬圆周应力的方向。

6、按照权利要求5所述的壁，其特征在于上述通道包括：

在上述外表面上用于接纳上述冷却流体的入口;

在上述内表面上用于排出上述冷却流体的出口;

上述入口安置于上述内衬上的出口的前面;

而其中上述锐角用A表示，上述通道部分第二截面是直径为b的圆形，上述通道部分第一截面长轴等于b和上述通道部分第一截面短轴为等于b  sin（A）的d值。

7、按照权利要求6所述的壁，其特征在于从入口到出口上述通道是笔直的，并且从入口到出口上述通道包括若干上述通道的第一截面和第二截面。

8、按照权利要求2所述的壁，其特征在于：

上述壁构成燃气轮机叶片的一部分;

上述第一表面是上述叶片内表面，冷却流体从该内表面上流过;

上述第二表面是上述叶片外表面，热燃气从该外表面上流过;

上述第一轴线对准平行于上述第二表面;

上述第二轴线对准平行于上述燃气轮机径向轴线，并代表上述叶片中离心应力的方向。

9、按照权利要求8所述的壁，其特征在于上述通道包括：

在上述内表面上用于接纳上述冷却流体的入口;

在上述外表面上用于排出上述冷却流体的出口;

上述入口安置于上述叶片上的出口的前面;

上述锐角用A表示;

上述通道部分第二截面是直径为b的圆形;

上述通道部分第一截面长轴等于b;

而上述通道部分第一截面短轴为等于b  sin（A）的d值。

10、按照权利要求8所述的壁，其特征在于从入口到出口上述通道是笔直的，而且从入口到出口上述通道包括若干上述通道第一截面和第二截面。

11、按照权利要求2所述的壁，其特征在于上述通道第二截面是上述通道第一截面的投影并且二截面彼此相连。

Images