CN101749053A - 中空通道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中空通道，具体而言，一种机械元件(108)中的中空通道(101)，该中空通道(101)用于增强机械元件(108)和流动穿过该中空通道(101)的流体之间的热交换性质；中空通道(101)包括螺旋槽(104)。在一些实施例中，机械元件(108)包括受热的机械元件，并且流体包括冷却剂。在一些实施例中，机械元件(108)包括燃气涡轮发动机的定子叶片或转子叶片，并且冷却剂包括压缩空气。在一些实施例中，螺旋槽(104)包括中空通道(101)的外壁中的凹部，该凹部沿着中空通道(101)轴向延伸以形成螺旋形或涡旋形路径。

Description

中空通道
技术领域
本申请一般地涉及用于改进机械部件或构件的中空通道内的热交换或对流冷却特性的装置、方法、和/或系统。更具体而言，但不具有限制性的是，本申请涉及关于对流冷却通道的装置、方法和/或系统，尤其当其可能在燃气涡轮发动机的热气路径构件中使用时。注意到的是，在这部分，本发明将部分地描述成涉及冷却转缸式或燃气涡轮发动机的翼片。这仅仅是示范性的。本领域中的普通技术人员将懂得的是，本文中所描述的装置、方法、和/或系统可更一般地使用例如在任何这样的应用中，即，在其中，所期望的是将热量从带有中空通道的结构交换给正在流动穿过该中空通道的工作流体。当然，本领域中的普通技术人员将懂得的是，存在许多需要这类热交换的工业应用。
背景技术
涡轮机、压缩机、风扇等的翼片，以及尤其喷气发动机或燃气涡轮发动机的转子叶片和定子叶片，通常形成有内部的中空通道，冷却空气被引导穿过该通道至以对流地冷却该通道的内壁。一种用于增加冷却流体和叶片的内壁之间的对流传热的现有技术途径是在内部的冷却通道内提供湍流促进器，以在内壁附近中断冷却流体的边界层增厚。通过在内壁表面附近产生湍流流动，可实现改进从这些表面至冷却流体的传热。在美国专利No.4,627,480和5,704,763中公开了湍流促进器的示例，通过引用将这些专利的说明书结合在本文中。
通常，本技术领域中的现有技术包括从冷却通道的壁部延伸到流场中的湍流促进器。与传统的湍流促进器或湍流发生器相关的一个缺点是，当冷却流体经过或穿过限定在冷却流体通道内的湍流发生器挡板或端口时，产生大的压力损失。这些大的压降可通过提高冷却流体压力和/或提高冷却流体流率而补偿。但是，这种补偿可降低涡轮发动机的性能和效率，因为发动机必须提供附加的旁通空气，否则这些空气将用于燃烧。再者，这些空气稀释并降低(dilute)离开燃烧器的气体的温度并因此降低涡轮转子进口温度，这进一步降低发动机的性能。
因此，需要这样的湍流发生器，即，当冷却流体流动经过正在被冷却的壁部表面时，该湍流发生器避免产生大的冷却流体压力损失。还需要这样的冷却剂流动路径构造，即，其聚集高速冷却流体沿着流动路径壁部表面的限于局部的部分流动，以使得在冷却流体内促进湍流流动的产生，从而干扰边界层增厚并增加传热。
发明内容
因此，本申请描述了一种机械元件中的中空通道，该中空通道用于增强机械元件和流动穿过该中空通道的流体之间的热交换性质；中空通道包括螺旋槽。在一些实施例中，机械元件包括受热的机械元件，并且流体包括冷却剂。螺旋槽可包括中空通道的外壁中的凹部，该凹部沿着中空通道轴向延伸以形成近似螺旋形或涡旋形路径。在一些实施例中，机械元件可为燃气涡轮发动机的定子叶片或转子叶片，并且冷却剂可为压缩空气。
在一些实施例中，中空通道可具有圆形、矩形、三角形、梯形、以及椭圆形截面中的一种。在一些实施例中，螺旋槽可具有近似半圆形轮廓、近似矩形轮廓、近似V形轮廓、以及近似U形轮廓中的一种。螺旋槽可为连续的和间断的。
在一些实施例中，螺旋槽可包括近似恒定的螺距，其中，近似恒定的螺距表示，螺旋槽包括随着螺旋槽围绕中空通道延伸而以大体上固定的轴向距离重复的大体上一致的螺旋式样。
在一些实施例中，中空通道可具有圆形截面；并且螺旋槽的螺距与圆形截面的直径的比值可在约0.1和10.0之间。螺旋槽可具有深度，该深度表示从中空通道的外表面到螺旋槽的最深部分的径向距离；和宽度，该宽度表示跨过螺旋槽的周边距离(circumferentialdistance)。在一些实施例中，螺旋槽的深度与圆形截面的直径的比值可在约0.01和0.50之间；并且螺旋槽的宽度与圆形截面的直径的比值可在约0.01和0.25之间。
在一些实施例中，螺旋槽的螺距与中空通道的水力直径的比值可在约0.1和10.0之间。在一些实施例中，螺旋槽的深度与中空通道的水力直径的比值可在约0.01和0.50之间；并且螺旋槽的宽度与中空通道的水力直径的比值可在约0.01和0.25之间。
在一些实施例中，中空通道可包括多个以相对于彼此平行的关系而沿着中空通道延伸的螺旋槽。
基于当结合附图和所附权利要求时审查下文优选实施例的详细介绍，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过仔细地学习下文结合附图的本发明的示范性实施例的更详细描述，将更全面地理解和懂得本发明的这些和其它对象和优点，其中：
图1是带有根据本申请的一个示范性实施例的螺旋槽冷却的中空通道的透视图；
图2是图1的冷却槽的截面图；
图3是根据本申请的一个示范性实施例的冷却槽的截面图；
图4是根据本申请的一个备选实施例的冷却槽的截面图；
图5是根据本申请的一个备选实施例的一对螺旋槽的透视图。部件清单：101    中空通道104    螺旋槽108    构件
具体实施方式
现参考图，图1中示出了带有根据本申请的一个示范性实施例的热交换槽或冷却槽(以下称为“螺旋槽104”)的中空通道101的透视图。将懂得的是，图1示出了通道101的中空内部空间的外边界。中空通道101可形成在固体构件或部件108内，例如在燃气涡轮发动机的定子叶片或转子叶片中，以使得可使冷却剂循环通过该中空通道101。当然，在燃气涡轮发动机或其它的工业机械内的其它类型的构件或部件中的使用是可能的。图2示出了中空通道101和螺旋槽104的截面图。如所陈述的，中空通道101通常为延伸穿过构件108的中空腔。构件108通常为需要温度适度的结构，该温度适度可通过在运行期间使冷却剂循环穿过中空通道101而实现。本领域中的普通技术人员将懂得的是，本文中所描述和所要求保护的螺旋槽104可在任何的热交换应用中使用。例如，螺旋槽104可用于使热量从周围的结构或构件中消散至被循环穿过中空通道101的冷却剂。备选地，螺旋槽104可用于使流动穿过中空通道101的工作流体中的热量消散至周围的结构或构件。本申请将描述螺旋槽104的使用，有关其在燃气轮机工业中的使用，并且更具体而言，有关其用于增强燃气涡轮发动机的定子叶片和转子叶片中的内部的冷却通道、膜冷却孔、后缘沟(trailingedge slot)等中的冷却。但是，这种描述仅仅为示范性的，并且不意在以任何方式起限制作用。
如所示出的，中空通道101通常具有圆形截面。在圆柱形管的外壁形成有根据本发明的一个示范性实施例的螺旋槽104。如本文中所使用的，若无进一步的指定，关于螺旋槽104意味着具有最广泛的解释或含义。更确切地说，关于螺旋槽意味着广泛地包括任何的凹部、槽、凹口、沟槽、或相似的构造，其或者连续地或者间断地延伸以沿着中空通道形成近似螺旋形或涡旋形路径。例如，图1中所示的螺旋槽104可描述为带有半圆形轮廓的随着其沿着中空通道101延伸而形成螺旋形状的连续槽。但是，图1的螺旋槽104仅仅为示范性的。如下文将更详细地所描述的，根据本发明的螺旋槽可以许多形状、尺寸、和/或构造而呈现。此外，根据本发明的螺旋槽104可在不同构造的中空通道101中运行。通常，如前文所提到的，在截面方面中空通道101将是圆形的。因为其在许多工业应用中的普及，因此主要论述这种构造。但是，螺旋槽104还可使用在各种构造的中空通道中，例如，在截面方面为矩形、三角形、梯形、或椭圆形中空通道。
虽然可使用其它参数，通常，可利用以下四个参数来描述螺旋槽104：螺距；宽度；深度；以及轮廓。此外，如下文中更详细地所论述的，螺旋槽104可描述为一致的或非一致的；连续的或间断的；以及螺旋槽104为或者单槽的或者多槽的。意图是，在给定的这几个参数下，本申请涵盖了所有可能的迭代(iteration)。
图1中表示成距离106的螺距为螺旋槽104的重复式样的轴向长度。如所陈述的，一些螺旋槽104可描述为一致的，如本文中所使用的，这意味着螺旋槽104形成以大体上固定的间距沿着其在中空通道101内的路径而重复的固定的式样。非一致的型螺旋槽(未显示)未共有这样的特性，并且因此不具有恒定的螺距。对于具有近似恒定螺距的螺旋槽104，已发现的是，螺距距离的宽范围给中空通道101提供增强的热交换特性。因此，虽然将讨论较窄的优选的螺距范围，但是不意在这些范围以任何方式起限制作用。还发现的是，落在一定范围内的螺距测定值通常对许多典型的应用是特别有利的。许多中空通道具有圆形截面。因此，通过将螺距的长度与圆形截面的尺寸相关联来描述螺旋槽的螺距是可能的。更确切地说，螺距可按照螺距除以直径的比值来描述。在使用此方法论时，已发觉的是，螺距除以直径的优选比值在约0.1和10.0之间。该方法论可引申至不具有圆形截面的中空通道。在这些情况中，可使用中空通道的水力直径(“Dh”)。如本文中所使用的，Dh＝4×(中空通道的截面面积)/(中空通道的润湿周长)。因此，在一些优选的实施例中，螺距除以水力直径(Dh)的比值在约0.1和10.0之间。
图3和图4示出了根据本发明的螺旋槽104的两个备选的实施例的更详细的截面图。图3中，螺旋槽104的轮廓是半圆形的。在这样的实施例中，表示成距离112的螺旋槽104的深度为从中空通道101的外表面到螺旋槽104的最深部分的径向距离。当然，在螺旋槽104的轮廓是半圆形的情形中，槽的深度基本上是圆的半径。表示成距离116的图3的螺旋槽104的宽度为从轮廓的一侧到另一侧的周边距离。在螺旋槽104的轮廓是半圆形的情形中，槽的宽度基本上是圆的直径。
图4中，螺旋槽104的轮廓是矩形的。在这样的实施例中，表示成距离112的螺旋槽104的深度为从中空通道101的外表面到螺旋槽104的最深部分的径向距离。在这种情形中，深度与侧壁的径向长度基本上相同。表示成距离116的图4的螺旋槽104的宽度为从轮廓的一侧到另一侧的周边距离。本领域中的普通技术人员将懂得的是，虽然图3和图4示出了一些优选的轮廓，但是其它的轮廓形状是可能的，例如三角形、梯形、半椭圆形、“V”形、“U”形、以及轮廓和圆角半径(filet radii)的组合。
已发现的是，包括宽范围的深度和宽度测定值的宽范围的构造的螺旋槽104提供增强的热交换特性，并且因此意在通过本申请而涵盖。但是，还发现的是，落在一定地较窄范围内的深度和宽度参数通常对许多典型的应用是特别有利的。因为对于中空通道而言具有圆形截面是普遍的，因此此外可能的是，通过将螺旋槽的深度和宽度与中空通道的圆形截面的尺寸相关联来描述螺旋槽的深度与宽度。因此，深度可按照深度除以直径的比值来描述。并且，宽度可按照宽度除以直径的比值来描述。在使用此方法论时，已发觉的是，深度除以直径的优选比值在约0.01和0.5之间。此外，在使用此方法论时，已发觉的是，宽度除以直径的优选比值在约0.01和0.25之间。该方法论可引申至不具有圆形截面的中空通道。在这些情况中，可使用中空通道的水力直径(“Dh”)。如上文所陈述的，Dh＝4×(中空通道的截面面积)/(中空通道的润湿周长)。因此，在一些优选的实施例中，深度除以水力直径的比值在约0.01和0.5之间。此外，在一些优选的实施例中，宽度除以水力直径的比值在约0.01和0.25之间。
如前文所提到的，螺旋槽104可描述成一致的或非一致的。如本文中所使用的，一致的螺旋槽104为具有大体上恒定的螺距的槽。非一致的螺旋槽104不具有恒定的螺距。此外，螺旋槽104还可为连续的或间断的。如本文中所使用的，连续的螺旋槽104为形成在终止之前围绕中空通道101延伸至少一个整周(即360°)的螺旋路径的螺旋槽。在这种定义下，图1中所示的螺旋槽104可认为是连续的螺旋槽104。另一方面，间断的螺旋槽104为这样的螺旋槽，即，其终止并以隔开的间距围绕中空通道101重新开始，以使得槽未满足上文连续的螺旋槽104的定义。
此外，在一定的实施例中，在同样的中空通道101中可使用多个螺旋槽104。如图5中所示，两个螺旋槽104可如此地形成，即，使得其相对于彼此平行地延伸。已发现的是，在一定的情形下，两个螺旋槽104增强中空通道101的热交换性质。还可使用附加的螺旋槽104以及其它的构造。
在使用中，螺旋槽104在冷却流体和中空通道的内壁之间产生更有效且更高效的对流传热。螺旋槽通过促进湍流流动(其在内壁附近中断冷却流体内的边界层增厚)来实现该对流传热。换句话说，通过在内壁表面附近产生湍流流动可实现改进从这些表面至冷却流体的传热。螺旋槽在冷却流体中引起漩涡效应，其促进混合并使较冷的流体引至通道壁部，这增加了冷却流体和通道壁部之间的热交换。但是，不同于传统布置，螺旋槽不从冷却通道的壁部延伸到流场中，并且因此当冷却流体流动经过中空通道时不造成明显的冷却流体的压力损失。这意味可使用较少的冷却剂，本领域中的普通技术人员将懂得的是，这通常意味更高效的机械。例如，在燃气涡轮发动机内的叶片的冷却中，通常通过提高冷却流体压力和/或提高冷却流体流率来补偿大的压降。但是，这种补偿降低了涡轮发动机的性能和效率，因为发动机必须提供附加的旁通空气，否则这些空气将用于燃烧。再者，这些空气稀释并降低了离开燃烧器的气体的温度并因此降低涡轮转子进口温度，这进一步降低发动机的性能。
从本发明的优选实施例的上文描述中，本领域中的那些技术人员将认识到改进、变化和改型。本领域的技术内的这些改进、变化和改型意在由所附的权利要求书所涵盖。此外，应显而易见的是，前述内容只涉及本申请所描述的实施例，并且在此可进行大量的变化和改型，而不脱离如由所附权利要求和其等同物所限定的本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机械元件(108)中的中空通道(101)，所述中空通道(101)用于增强所述机械元件(108)和流动穿过所述中空通道(101)的流体之间的热交换性质；所述中空通道(101)包括螺旋槽(104)。
2.根据权利要求1所述的中空通道(101)，其特征在于，所述机械元件(108)包括受热的机械元件(108)，并且所述流体包括冷却剂；并且，所述螺旋槽(104)包括所述中空通道(101)的外壁中的凹部，所述凹部沿着所述中空通道(101)轴向延伸以形成近似螺旋形或涡旋形路径。
3.根据权利要求2所述的中空通道(101)，其特征在于，所述机械元件(108)包括燃气涡轮发动机的定子叶片和转子叶片中的一个，并且所述冷却剂包括压缩空气。
4.根据权利要求1所述的中空通道(101)，其特征在于：
所述中空通道(101)包括圆形、矩形、三角形、梯形、以及椭圆形截面中的一种；
所述螺旋槽(104)包括近似半圆形轮廓、近似矩形轮廓、近似V形轮廓、以及近似U形轮廓中的一种；以及
所述螺旋槽(104)是连续式和间断式中的一种。
5.根据权利要求1所述的中空通道(101)，其特征在于：
所述螺旋槽(104)包括近似恒定的螺距，其中，近似恒定的螺距表示，所述螺旋槽(104)包括随着所述螺旋槽(104)围绕所述中空通道(101)延伸而以大体上固定的轴向距离重复的大体上一致的螺旋式样。
6.根据权利要求5所述的中空通道(101)，其特征在于：
所述中空通道(101)包括圆形截面；和
所述螺旋槽(104)的螺距与所述圆形截面的直径的比值在约0.1和10.0之间。
7.根据权利要求6所述的中空通道(101)，其特征在于：
所述螺旋槽(104)包括深度，所述深度表示从所述中空通道(101)的外表面到所述螺旋槽(104)的最深部分的径向距离；
所述螺旋槽(104)包括宽度，所述宽度表示跨过所述螺旋槽(104)的周边距离；
所述螺旋槽(104)的深度与所述圆形截面的直径的比值在约0.01和0.50之间；以及
所述螺旋槽(104)的宽度与所述圆形截面的直径的比值在约0.01和0.25之间。
8.根据权利要求5所述的中空通道(101)，其特征在于，所述螺旋槽(104)的螺距与所述中空通道(101)的水力直径的比值在约0.1和10.0之间。
9.根据权利要求1所述的中空通道(101)，其特征在于：
所述螺旋槽(104)的深度与所述中空通道(101)的水力直径的比值在约0.01和0.50之间；和
所述螺旋槽(104)的宽度与所述中空通道(101)的水力直径的比值在约0.01和0.25之间。
10.根据权利要求1所述的中空通道(101)，其特征在于，所述中空通道(101)包括多个以相对于彼此平行的关系而沿着所述中空通道(101)延伸的螺旋槽(104)。
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