CN102207007B - 内部冷却通道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内部冷却通道。具体而言，穿过机器构件内部的冷却通道包括：第一组冷却通道(24)，其包括处于第一平面内的多个平行通道；第二组冷却通道(26)，其包括处于第二平面内的多个平行通道。沿纵轴线，第一和第二组冷却通道(26)中的冷却通道可包括交替的发散-会聚构造，其形成由一系列较窄喉部区段(32)连接的一系列较宽的腔室区段(30)。第一和第二组冷却通道(24，26)可构造成使得当从侧面观察时形成具有多个交点(36)的交叉图案。第一平面相对于第二平面成间隔关系，其中，第一平面偏离第二平面，使得第一组冷却通道(24)的多个腔室区段(30)连接到第二组冷却通道(26)的多个腔室区段(30)上。

Description

内部冷却通道

技术领域

本申请主要涉及形成为用以冷却工业机械中在高温下操作的构件的内部冷却通道(channel)。更具体而言，但非为了限制，本申请涉及在薄壁应用中所形成的内部冷却通道，其提供有效的冷却，同时保持壁的结构完整性。

背景技术

如下文所提供的那样，本申请的发明关于燃气涡轮发动机内的示例性应用予以描述。本领域的普通技术人员将认识到的是，尽管本发明很适于该特定类型的应用，但并未将其限制于此。其它类型的高温工业发动机或机器中的其它应用也是可能的。

继续结合燃气涡轮发动机内的示例性使用，将会认识到这些发动机主要包括压缩机、燃烧器以及涡轮。压缩机和涡轮区段主要包括沿轴向叠置成级的叶片列。各级均包括固定的沿周向间隔开的一列定子叶片，以及围绕中心涡轮轴线或轴旋转的一列转子叶片。在操作中，一般而言，压缩机转子叶片围绕轴旋转，且与定子叶片相协作来压缩空气流。所供送的压缩空气然后在燃烧器中用来燃烧所供送的燃料。最终由燃烧所产生的热膨胀气流，即工作流体，膨胀穿过发动机的涡轮区段。穿过涡轮的工作流体流引起转子叶片旋转。转子叶片连接到中心轴上，以便转子叶片的旋转致使轴旋转。

以此方式，包含在燃料中的能量转换成旋转轴的机械能，该机械能例如可用来使压缩机的转子叶片旋转，以便产生燃烧所需的压缩供给空气，以及可用来使发电机的线圈旋转，以便产生电力。在操作期间，由于热气体路径的极端温度、工作流体的速度以及发动机的旋转速度，故如本文所述的大体上包括旋转的转子叶片和固定的沿周向间隔开的定子叶片的涡轮叶片便在极端的机械负载和热负载的情况下而变得有极高的应力。

对能量不断增加的需求使得设计出更高效率的燃气涡轮发动机成为当前的且相当重要的一个目标。尽管用于提高涡轮发动机效率的多种方案是公知的，但这仍然是具有挑战性的目标，因为例如包括增大发动机尺寸、升高穿过热气体路径的温度以及增大转子叶片的旋转速度的这些备选方案通常会将附加的应变置于应力已经很高的零件(例如，涡轮转子和定子叶片)上。结果，对减小置于涡轮叶片上的操作应力或容许涡轮叶片更好地承受这些应力的改进的设备、方法和/或系统存在着很大的需求。

如本领域的普通技术人员将认识到的那样，用于减轻叶片上的热应力的一种方案是通过在操作期间对它们冷却。例如，有效的冷却可容许叶片承受较高的燃烧温度，在较高操作温度下承受较大机械应力，和/或延长叶片的零件寿命，所有这些都可容许涡轮发动机成本效益更合算且在操作中更为高效。在操作期间冷却叶片的一种方式是通过使用内部冷却通路或回路。通常，这涉及传递相对较冷的压缩供给空气，该压缩供给空气可由涡轮发动机的压缩机经由叶片内的内部冷却通道供送。当压缩空气穿过叶片时，其以对流方式冷却叶片，这容许零件经受得起否则不能承受的燃烧温度。

出于众多原因，将会认识到的是，在这些冷却通道构造的设计和制造中需要非常谨慎。首先，冷却空气的使用是有代价的。即是说，从压缩机转移至发动机涡轮区段来用于冷却的空气绕过燃烧器，且因此，降低了发动机的效率。因此，冷却流道(passage)必须设计成以高效的方式使用空气，即，提供必需的覆盖和冷却效率，以便为此目的需要最少量的空气。第二，新型的、更为积极地定形的空气动力叶片构造较薄且更为弯曲，这通常消除使用线性冷却通道，该线性冷却通道会使涡轮叶片的长度伸长。叶片厚度要求冷却流道良好运行，同时具有紧凑的设计。第三，为了减小机械负载，冷却流道应当形成为从叶片上移除不需要的重量；然而，叶片仍必须保持坚固，以便经受得起较大的机械负载。因此，冷却通道必须设计成使得涡轮叶片具有重量较轻但又坚固的构造，同时避免将不利地影响叶片弹性的应力集中。简言之，所需的是一种涡轮叶片冷却构造，其在更积极定形的较薄空气动力叶片构造中良好地运行，促进叶片内部构造变轻、保持对涡轮叶片的结构支承，以及给予较高的冷却有效性。

发明内容

因此，本申请描述了穿过机器构件内部的冷却通道，其包括：第一组冷却通道，该第一组冷却通道包括处于第一平面内的多个平行通道；第二组冷却通道，该第二组冷却通道包括处于第二平面内的多个平行通道。沿纵轴线，第一和第二组冷却通道的冷却通道可包括交替的发散-会聚构造，该交替的发散-会聚构造产生由一系列的较窄喉部区段相连接的一系列较宽的腔室区段。第一组冷却通道和第二组冷却通道可构造成使得当从侧面观察时，形成了具有多个交点(或交叉部，intersection)的交叉图案(crisscrossing pattern)。第一平面相对于第二平面成间隔关系，其中，第一平面偏离第二平面，使得第一组冷却通道的多个腔室区段连接到第二组冷却通道的多个腔室区段上。

在一些实施例中，机器构件可为燃气涡轮发动机内的构件，如涡轮转子叶片、涡轮定子叶片、静止护罩、燃烧器衬套或燃烧器过渡件。

鉴于对优选实施例的如下详细描述，同时结合附图和所附权利要求，本申请的这些及其它特征将变得明显。

附图说明

通过仔细研读本发明示例性实施例的如下更为详细的描述，并结合附图，可更为完全地理解和认识本发明的这些及其它特征，在附图中：

图1为可使用本申请的某些实施例的示例性涡轮发动机的简图；

图2为图1中的燃气涡轮发动机的压缩机区段的截面视图；

图3为图1中的燃气涡轮发动机的涡轮区段的截面视图；

图4为具有剖面的涡轮转子叶片的侧视图，该剖面示出了具有根据本发明实施例的构造的冷却通道；

图5为图4中的冷却通道的轮廓视图；

图6为沿图4中6-6的截面视图；

图7为沿图4中的7-7的截面视图；

图8为具有剖面的涡轮转子叶片的侧视图，该剖面示出了具有根据本发明实施例的备选构造的冷却通道；

图9为图8中的冷却通道的轮廓视图；

图10为沿图8中的10-10的截面视图；

图11为沿图8中的11-11的截面视图；

图12为沿图8中的12-12的截面视图；

图13为根据本发明示例性实施例的冷却通道的放大侧视图；

图14为根据本发明的示例性实施例的冷却通道的透视图；

图15为根据本发明的示例性实施例的冷却通道的放大侧视图；

图16为当冷却通道在使用中可定位在燃气涡轮发动机静止护罩内时根据本申请的实施例的冷却通道的轮廓视图；

图17为当冷却通道在使用中可定位在燃气涡轮发动机的中空涡轮定子叶片内时根据本申请的实施例的冷却通道的轮廓视图；

图18为图17中的冷却通道的侧视图；以及

图19为当冷却通道在使用中可定位在中空涡轮定子叶片侧壁内时根据本申请的实施例的冷却通道的轮廓视图。

具体实施方式

作为在描述本申请的发明中的初始事项，可能需要选择表示和描述涡轮发动机和相关系统的某些零件或机器构件的措辞。只要有可能，将以与其所公认的含义相一致的方式使用和应用行业措辞。然而，这通常是指这些措辞给定为宽泛的意义，而非狭隘地理解为使得文中所指的含义和所附权利要求的范围不合理地受到限制。本领域的普通技术人员将认识到，特定的构件通常可涉及使用许多不同的用语。此外，本文可描述为单个零件的物件可包括多个组成零件，且在另一背景下可认为是由多个组成零件构成，或本文可描述为包括多个组成零件的物件可形成为单个零件，且在一些情况下可认为是单个零件。因此，在理解本文所述的本发明范围时，不应当仅关注于所提供的措辞和说明，而且还要对如本文所提供的构件的结构、构造、功能和/或用途给予关注。

此外，许多描述性用语可在文中有规则地使用，且这可有助于在此限定这些用语。这些用语及其定义给予其如下用途。用语″转子叶片″在没有进一步特殊性的情况下表示压缩机或涡轮的旋转叶片，这包括压缩机转子叶片和涡轮转子叶片两者。用语″定子叶片″在没有进一步特殊性的情况下表示压缩机或涡轮的静止叶片，这包括压缩机定子叶片和涡轮定子叶片两者。用语″叶片″在文中将用于表示二者中任一类型的叶片。因此，在没有进一步特殊性的情况下，用语″叶片″包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片、压缩机定子叶片、涡轮转子叶片，以及涡轮定子叶片。此外，如本文所用，″下游″和″上游″，以及″前″和″后″是指表示相对于穿过涡轮的工作流体流的方向的用语。因此，用语″下游″是指与工作流体流的方向大致相当的方向，而用语″上游″或″前″大致表示与工作流体流方向相反的方向。用语″后″或″在后″以及″前″或″在前″大致表示关于工作流体流的相对位置。在给定所提供的描述将是清楚的情况下，用语″后″和″前″可表示用于旋转零件的旋转方向。在此情况下时，旋转零件的″前缘″在给定零件旋转方向时为前方或在前边缘，而旋转零件的″后缘″在给定零件旋转方向时为后方或在后边缘。

用语″径向″是指垂直于轴线的运动或位置。所述零件通常需要位于相对于轴线的不同径向位置处。在此情况下，如果第一构件比第二构件更靠近轴线，则在文中可认为第一构件在第二构件的″径向内侧″或″内部″。另一方面，如果第一构件比第二构件更远离轴线，则在文中可认为第一构件在第二构件的″径向外侧″或″外部″。用语″轴向″是指平行于轴线的运动或位置。最后，用语″周向″是指围绕轴线的运动或位置。

借助于背景技术，现参看附图，图1至图3示出了示例性燃气涡轮发动机，在其中可使用本申请的实施例。本领域普通技术人员将会理解的是，本发明不限于此种类型的使用。如文中所述，本发明可用于燃气涡轮发动机(如用于发电和飞机的发动机)、蒸汽涡轮发动机、其它类型的旋转发动机以及其它类型的工业机械。图1为燃气涡轮发动机10的简图。通常，燃气涡轮发动机通过从加压热气流中获取能量来操作，该加压热气流通过在压缩空气流中燃烧燃料而产生。如图1中所示，燃气涡轮发动机10可构造成具有轴向压缩机11，以及位于压缩机11与涡轮12之间的燃烧器13，其中，轴向压缩机11通过公共轴或转子机械地联接到下游的涡轮区段或涡轮12上。

图2示出了可用于图1中的燃气涡轮发动机中的示例性多级轴向压缩机11的视图。如图所示，压缩机11可包括多个级。各级均可包括一列压缩机转子叶片14，跟随的是一列压缩机定子叶片15。因此，第一级可包括一列压缩机转子叶片14，其围绕中心轴旋转，跟随的是一列压缩机定子叶片15，其在操作期间保持静止。压缩机定子叶片15通常彼此沿周向间隔开，且围绕旋转轴线固定。压缩机转子叶片14沿周向间隔开，且附接到轴上；当轴在操作期间旋转时，压缩机转子叶片14围绕其旋转。如本领域的普通技术人员将认识到的，压缩机转子叶片14构造成使得在围绕轴自旋时，它们将动能给予流经压缩机11的空气或流体。压缩机11可具有除图2中所示的级之外的其它级。附加的级可包括多个沿周向间隔开的压缩机转子叶片14，跟随的是多个沿周向间隔开的压缩机定子叶片15。

图3示出了可用于图1中燃气涡轮发动机的示例性涡轮区段或涡轮12的局部视图。涡轮12也可包括多个级。虽然示出了三个示例性的级，但涡轮12中可存在更多或更少的级。第一级包括多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片16，其在操作期间围绕轴旋转，以及多个喷嘴或涡轮定子叶片17，其在操作期间保持静止。涡轮定子叶片17通常沿周向彼此间隔开，且围绕旋转轴线固定。涡轮转子叶片16可安装在涡轮叶轮(未示出)上以便围绕轴(未示出)旋转。还示出了涡轮12的第二级。第二级类似地包括多个沿周向间隔开的涡轮定子叶片17，跟随的是多个沿周向间隔开的涡轮转子叶片16，它们也安装在涡轮叶轮上以便旋转。还示出了第三级，且其类似地包括多个涡轮定子叶片17和转子叶片16。将会认识到，涡轮定子叶片17和涡轮转子叶片16位于涡轮12的热气体路径中。热气体穿过热气体路径的流向由箭头表示。如本领域的普通技术人员将认识到的，涡轮12可具有图3中所示的级以外的其它级。各附加的级均可包括一列涡轮定子叶片17，跟随的是一列涡轮转子叶片16。如本文所述，静止护罩18可定位在转子叶片16的外部。

在使用中，轴向压缩机11内的压缩机转子叶片14的旋转可压缩空气流。在燃烧器13中，当压缩空气与燃料相混合且被点燃时，可释放能量。产生的来自于燃烧器13的热气流可称为工作流体，然后引导经过涡轮转子叶片16，该工作流体的流动引起涡轮转子叶片16围绕轴旋转。因此，工作流体流的能量转变成旋转叶片的机械能，且由于转子叶片与轴之间的连接，转变成旋转轴的机械能。轴的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片14旋转，以便产生所需的压缩供给空气，以及例如还用于驱动发电机来发电。

图4至图19示出了根据本申请的示例性实施例的用于涡轮叶片和其它涡轮发动机构件的冷却通道的构造。本发明可用于任何涡轮发动机应用，例如包括在涡轮转子叶片、涡轮定子叶片、静止护罩，或燃烧器内的衬套和过渡件内。将会认识到的是，图4、图8、图13和图15示出了涡轮叶片20的侧视图，该涡轮叶片20包括根据本发明的冷却通道24，26。如文中所用，″侧视图″是指如在这些图中所示那样对冷却通道的透视，而″轮廓视图″是指对存在于图5和图9中的透视。另外，叶片20示为涡轮转子叶片；然而，将会认识到的是，本发明还可应用于涡轮定子叶片17以及暴露在燃气涡轮发动机的高温下的其它零件，如静止护罩18。将会认识到的是，涡轮叶片20可包括翼型部21以及柄部22，其中，翼型部21与经过发动机涡轮区段12的热气流相互作用，而柄部22可用于将涡轮叶片20连接到转子盘(未示出)上。

本发明的冷却通道通常包括第一组冷却通道24和第二组冷却通道26。第一组冷却通道24可包括构造成用以传送冷却剂的通道。第一组冷却通道24的通道大致从内部径向/前缘位置成对角地延伸至外部径向/后缘位置。第二组冷却通道可包括构造成用以传送冷却剂的通道。第二组冷却通道26的通道大致从内部径向/后缘位置成对角地延伸至外部径向/前缘位置。第一组冷却通道24和第二组冷却通道26可构造成使得当从侧面观察时，第一组冷却通道24的纵轴线大致垂直于第二组冷却通道26的纵轴线。在一个实施例中，且如图所示，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26形成大致交叉的图案。

第一组冷却通道24和第二组冷却通道26可处于大致平行的平面内。第一组冷却通道24可包括处于第一平面内的多个平行通道。第二组冷却通道26可包括处于第二平面内的多个平行通道。沿纵轴线，第一组冷却通道24的冷却通道可具有交替的发散-会聚构造。同样，沿纵轴线，第二组冷却通道26的冷却通道可具有交替的发散-会聚构造。如图8和图13、图14和图15中更为清楚示出的那样，交替的发散-会聚构造大致形成由定位于其间的喉部区段32相连接的一系列腔室区段30。腔室区段30包括相比于喉部区段32横截面积更大的通道。喉部区段32可包括会聚区段，其朝向最小的喉部区域44变窄，跟随的是发散区段，其从最小喉部区域变宽并连接到相邻的腔室区段30上。从那里，腔室区段30可包括发散区段，该发散区段从其与喉部区段32相连处变宽至最大腔室区域46。腔室区段30然后可具有会聚区段，其从最大腔室区域46变窄。喉部区段32和腔室区段30两者的发散区段和会聚区段都可形成为具有平滑外形(contour)。本发明的平滑圆整外形防止零件在使用时出现较大的应力集中。

已经发现，最小喉部区域44与最大腔室区域46之间的某一比例促进性能优良。作为优选，在一些实施例中，最小喉部区域44和最大腔室区域46构造成使得最小喉部区域44的横截面积包括最大腔室区域46的横截面积的大约0.8至0.2之间的范围。更优选的是，在一些实施例中，最小喉部区域44和最大腔室区域46构造成使得最小喉部区域44的横截面积包括最大腔室区域46的横截面积的大约0.6至0.4之间的范围。将会认识到的是，在使用中，变窄的喉部区段32会增大流经冷却通道24，26的冷却剂的速度，且从而提高冷却剂的冷却有效性。

如文中所述，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26构造成使得当从侧面观察时形成交叉图案。该交叉图案包括多个交点36。如本文所用，交点36是当从侧面观察冷却通道图案时是发生重叠(或交叠)的区域。在这些重叠区域内，第一组冷却通道24可与第二组冷却通道26相连(即，第一组冷却通道24可与第二组冷却通道26成流体连通)。(第一组冷却通道24的)第一平面大致相对于(第二组冷却通道26的)第二平面成间隔开的关系。第一平面可从第二平面偏移预定或期望的距离，使得第一组冷却通道24的多个腔室区段30连接到第二组冷却通道26的多个腔室区段30上。这些连接在图14中最容易看到。

第一组冷却通道24和第二组冷却通道26的交替的发散-会聚构造可包括规则的间隔开，即，相邻腔室区段30之间的沿相同冷却通道的距离大致是规则的或距离相同。同样，相邻喉部区段32之间的沿相同冷却通道的距离为大致规则的，或这些距离相同。第一组冷却通道24和第二组冷却通道26的规则间距可为大致相同的。以此方式，将会认识到的是，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26可构造成使得腔室区段30重叠。给定这样重叠，腔室区段30可结合第一平面与第二平面之间的偏移一起构造成使得腔室30相连。

如在图5中最为清楚示出的那样，第一组冷却通道24可紧邻涡轮叶片20的第一表面40；以及第二组冷却通道26可紧邻涡轮叶片20的第二表面42。第一平面可相对于涡轮叶片20的第一表面40成间隔关系，而第二平面可相对于涡轮叶片20的第二表面42成间隔关系。在一些实施例中，第一表面40可为翼型部的压力侧，而第二表面42可为涡轮叶片20翼型部21的吸入侧。将会认识到的是，在一些实施例中，第一表面40可为涡轮叶片的外表面，而第二表面可为涡轮叶片的内表面。此种类型的实施例可存在于具有中空中心腔体的涡轮叶片中，该中空中心腔体由薄的外壁包绕，该外壁的实例在图17、图18和图19中示出。

如图5中所示，冷却通道24，26的轮廓宽度随着冷却通道24，26沿转子叶片20径向向外延伸可为相对恒定的。如在图8至图12中所提供的，冷却通道24，26的轮廓宽度可变化。如图所示，在一个优选实施例中，冷却通道24，26的轮廓宽度随着冷却通道向外延伸而变窄。该变窄可与转子叶片20的变窄成比例，使得冷却通道24，26离转子叶片20表面的距离保持稍微恒定。

在一些实施例中，第一组冷却通道24可包括面对第一表面40的外侧，以及面对第二组冷却通道26的内侧。类似的是，第二组冷却通道26可包括朝第二表面42面向外部的外侧，以及面朝第一组冷却通道24的内侧。将会认识到的是，第一组冷却通道24的腔室区段30沿第一组冷却通道24的腔室区段30内侧和第二组冷却通道26的腔室区段30的内侧连接到第二组冷却通道26的腔室区段30上。

如图13和图15的侧视图中最佳示出的那样，在一些实施例中，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26的交叉图案可构造成使得形成多个实心区50。给定重复冷却通道24，26的交叉图案，实心区50可按规则的重复图案设置，使得如图所示，实心区50存在于处在四个相邻或包绕的交点36之间的区域中。给定成组冷却通道24，26的不同平面，实心区50通常大致垂直于第一平面和第二平面延伸。实心区50还可描述为冷却通道24，26围绕其形成的实心材料区域。

在优选实施例中，当从侧面观察时，实心区50大致为圆形。在此情况下，实心区50随着实心区50延伸穿过第一平面和第二平面而包括大致圆柱形。在优选实施例中，当从侧面观察时，实心区50的圆形形成喉部区段32的会聚区段和发散区段的外形，该喉部区段32连接包绕特定实心区50的四个交点36的腔室区段30。如图15中所示，实心区50可为卵形或椭圆形。在一个优选实施例中，实心区50的卵形或椭圆形状构造成使得主轴或长轴与叶片跨距基准线55大致对齐。将会认识到的是，该定向使实心区50的卵形或椭圆形对准，以便最佳地承受较大的机械负载，该机械负载是使用期间由工作流体抵靠叶片所施加的(即，从大致垂直于叶片跨距基准线55的方向撞击叶片的高速工作流体流)。

如图13和图15中所示，第一组冷却通道24设置成相对于叶片跨距基准线55成第一角度53，而第二组冷却通道26设置成相对于叶片跨距基准线55成第二角度54。在一些实施例中，第一角度53和第二角度54可构造成用以形成期望的交叉图案。在特定的实施例中，第一角度53具有从大约25度至大约65度的范围，而第二角度54具有从大约-25度至大约-65度的范围。在更为优选的实施例中，第一角度具有从大约35度至大约55度的范围，而第二角度具有从大约-35度至大约-55度的范围。在一些理想的实施例中，第一角度53具有大约45度的值，而第二角度54具有大约-45度的值。当然，第一角度53和第二角度54的值可相反，以便形成其它优选实施例。因此，在一些优选实施例中，第一角度53具有从大约-25度至大约-65度的范围，而第二角度54具有从大约25至大约65度的范围。在一些更优选的实施例中，第一角度53具有从大约-35度至大约-55度的范围，而第二角度54具有从大约35度至大约55度的范围。并且，在一个理想的实施例中，第一角度53具有大约-45度的值，而第二角度54具有大约45度的值。

将会认识到的是，本发明的实施例可用于冷却涡轮叶片内相对较薄的壁。在一些实施例中，如文中所述，本发明可用于冷却涡轮叶片的压力侧和吸入侧，特别是具有较窄或较薄的空气动力形状的涡轮叶片。在此类实施例中，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26可构造成使得涡轮叶片20的大多数或事实上所有的整个外表面都由内部冷却通道24，26冷却。即是说，在一些实施例中，第一组冷却通道24和第二组冷却通道26从后缘57附近的位置至少延伸至翼型部21前缘58附近的位置；并且，如图4中大致示出的那样，至少从柄部22附近的位置延伸至翼型部22外部径向末梢59附近的位置。

将会认识到的是，给定如上文所述的冷却通道24，26的构造，多个重新定向点62形成在冷却通道24，26场(field)的轴向末端附近。如图4中所示，在一个实施例中，冷却通道场的轴向末端包括翼型部21后缘57附近的位置，以及翼型部21前缘58附近的位置。将会认识到的是，其它布置也是可能的。重新定向点62大致包括接合部(junction)，在其中，来自第一组冷却通道24或第二组冷却通道26中的冷却通道在此终止，而来自另一组的冷却通道则在此开始。在重新定向点62处，来自第一组冷却通道24中的腔室区段30和来自第二组冷却通道26的腔室30形成接合部或进行连接。即是说，在重新定向点62处，来自各组冷却通道24，26中的两个腔室30彼此相通，且彼此成流动连通。以此方式，冷却剂可流过来自于一组冷却通道中的冷却通道，直至到达重新定向点62处的终止点，且然后，冷却剂可通过流入另一组冷却通道内的腔室30而切换流动平面。以此方式切换平面，冷却剂可使其朝向出口的路线成“Z字形”。

在一些实施例中，在重新定向点62处可形成冷却剂出口65。如本文所用，冷却剂出口65为沿涡轮叶片20表面的出口或孔口，其连接到冷却通道24，26上。冷却剂出口65提供冷却剂可经由其离开冷却通道24，26的出口。如图所示，冷却剂出口65可定位在翼型部21的后缘57附近。冷却剂出口65可定位在翼型部21的其它区域中，如前缘58，如图8中所示，以及沿涡轮叶片20的压力侧定位，如图11中所示。冷却剂出口65可构造和定位成用以向关键区域提供膜冷却。在一些实施例中，冷却剂出口可进行计量，使得在发动机操作期间排出期望水平的冷却剂。计量通常实现为用以确保足够的压力保持在经过内部冷却通道24，26的冷却剂流中，以便沿翼型部21的整个长度驱动冷却剂。

第一组冷却通道24和第二组冷却通道26可通过一个或多个入口供送冷却剂，该入口构造成用以接收来自于形成在柄部22内的通道的冷却剂流。如文中所述，按照常规方式，呈压缩空气形式的冷却剂可从压缩机11中放出，且经由涡轮12供给至预定区域，使其可经由柄部22流至冷却通道。冷却剂出口65还可形成在翼型部21的外部径向末梢59附近。这些出口65也可进行计量，使得经由它们释放期望量的冷却剂。

在操作中，根据本申请的冷却通道24，26提供了增强的性能，特别是对于积极地定向的较薄空气动力叶片构造。如图所示，冷却通道24，26可提供对涡轮叶片20的整个翼型部21的覆盖。此外，本冷却通道24，26通过移除大量材料来促进叶片变轻。然而，给定冷却通道24，26的构造，叶片保持稳健且坚固。具体而言，弯曲的外形和圆整的实心区分散了应力集中，同时保持稳固、坚固的结构。

此外，冷却通道24，26促进了高效且实用的冷却。首先，发散-会聚的构造产生了穿过冷却通道24，26的湍流。具体而言，冷却剂的速度在其穿过横截面尺寸变化的区段(即，腔室区段30和喉部区段32)时反复地增大和减小。将会认识到的是，湍流提高了冷却剂的冷却有效性。

第二，两组冷却通道24，26中的相邻腔室区段30之间形成的连接进一步引起湍流，且从而提高了冷却有效性。将会认识到的是，相邻腔室区段30(即，邻近第二组冷却通道26中的腔室区段30的第一组冷却通道24中的腔室区段30)分别将具有带径向流动分量的冷却剂；然而，就轴向流动分量而言，在一个腔室区段30中的冷却剂将具有上游轴向流动分量，而另一个中的冷却剂将具有下游轴向流动分量。相邻腔室之间形成的连接将促进一定水平的混合，这在给定两股流动的不同轴向流动分量的情况下，将引起各腔室区段内的湍流混合和/或涡流模式。由这种湍流混合/涡流模式所产生的任何成形的边界层的中断将促进更高的冷却效率。

图16至图19示出了对于冷却通道24，26的备选应用。图16为当冷却通道在使用中可定位在燃气涡轮发动机静止护罩18内时根据本申请的实施例的冷却通道24，26的轮廓视图。在此种类型的应用中，来自于冷却剂腔室69的冷却剂可经由供送通道71流至冷却通道24，25，该冷却通道24，25定位在冷却剂腔室69与暴露在发动机的热气流下的静止护罩18的外表面之间。因此，在此应用中，第一表面40可为静止护罩18的外表面，而第二表面可为冷却剂腔室69的表面。

图17为当冷却通道24，26在使用中可定位在燃气涡轮发动机的定子叶片17的后缘内时根据本申请的实施例的冷却通道24，26的轮廓视图。图18为图17中的冷却通道的侧视图。本发明的冷却通道24，26通常由于后缘狭窄而良好地适于此种类型的应用。如本文所述，冷却剂可经由中空腔室73进入冷却通道24，25并经由叶片后缘流出。在此应用中，将会认识到的是，第一表面40为定子叶片17后部的压力侧，而第二表面为定子叶片17后部的吸入侧。

图19为当冷却通道在使用中可定位在中空涡轮定子叶片17的侧壁内时根据本申请的实施例的冷却通道24，26的轮廓视图。如图所示，冷却通道24，26可沿定子叶片17的圆周分成许多区段，各定子叶片17均独立地供给有冷却剂。尽管未示出，但将会认识到的是，此种类型的构造还可应用于涡轮转子叶片16。

如本领域普通技术人员将认识到的那样，上文关于多个示例性实施例描述的许多变化的特征和构造可进一步有选择地应用来形成本发明的其它可能的实施例。为了简洁和考虑到本领域普通技术人员的能力，本文未详细提供或描述所有可能的重复内容，但期望由所附多个权利要求或以其它方式所包含的所有组合和可能实施例为本申请的一部分。此外，本领域普通技术人员可从本发明的多个示例性实施例的以上描述中领会到改进、变化和修改。还期望的是本领域普通技术人员的能力内的这些改进、变化和修改由所附权利要求涵盖。此外，应当清楚的是，上文仅涉及本申请所描述的实施例，并且在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围的情况下，可进行多种变化和修改。

Claims (20)

1.一种穿过机器构件内部的冷却通道，所述冷却通道包括：

第一组冷却通道，所述第一组冷却通道包括处于第一平面内的多个平行通道；

第二组冷却通道，所述第二组冷却通道包括处于第二平面内的多个平行通道；

其中：

沿纵轴线，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道中的冷却通道包括交替的发散-会聚构造，所述交替的发散-会聚构造形成由一系列较窄喉部区段连接的一系列较宽的腔室区段；

所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道构造成使得当从侧面观察时，形成具有多个交点的交叉图案；以及

所述第一平面相对于所述第二平面成间隔关系，其中，所述第一平面偏离所述第二平面，使得所述第一组冷却通道的多个腔室区段连接到所述第二组冷却通道的多个腔室区段上；

其中，所述机器构件包括燃气涡轮发动机内的构件，其中所述燃气涡轮发动机内的机器构件包括下列构件中之一：涡轮转子叶片、涡轮定子叶片、静止护罩、燃烧器衬套，以及燃烧器过渡件；

所述腔室区段包括相比于所述喉部区段平均横截面积更大的通道；

所述喉部区段包括变窄至最小喉部区域的渐缩区段，跟随的是从所述最小喉部区域变宽的发散区段；

所述腔室区段包括变宽至最大腔室区域的发散区段，跟随的是从所述最大腔室区域变窄的会聚区段；以及

所述喉部区段和所述腔室区段包括平滑弯曲的外形。

2.根据权利要求1所述的冷却通道，其特征在于，所述机器构件包括涡轮叶片，所述第一组冷却通道的交替的发散-会聚构造包括位于所述腔室区段与所述喉部区段之间的规则间距；以及其中，所述第二组冷却通道的交替的发散-会聚构造包括所述腔室区段与所述喉部区段之间的规则间距；以及其中，所述第一组冷却通道的规则间距和所述第二组冷却通道的规则间距是大致相同的；以及

其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道构造成使得当从侧面观察时，所述第一组冷却通道的腔室区段与所述第二组冷却通道的腔室区段重叠，以便形成所述多个交点。

3.根据权利要求2所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道紧邻所述涡轮叶片的第一表面；以及所述第二组冷却通道紧邻所述涡轮叶片的第二表面；以及

其中，所述第一平面相对于所述涡轮叶片的第一表面成间隔关系，以及所述第二平面相对于所述涡轮叶片的第二表面成间隔关系。

4.根据权利要求3所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道包括朝向所述第一表面的外侧以及朝向所述第二组冷却通道的内侧；

其中，所述第二组冷却通道包括朝向所述第二表面的外侧，以及朝向所述第一组冷却通道的内侧；以及

其中，所述第一组冷却通道的腔室区段沿所述第一组冷却通道的腔室区段的内侧和所述第二组冷却通道的腔室区段的内侧连接到所述第二组冷却通道的腔室区段上。

5.根据权利要求3所述的冷却通道，其特征在于，所述第一表面包括所述涡轮叶片的压力侧；以及所述第二表面包括所述涡轮叶片的吸入侧。

6.根据权利要求3所述的冷却通道，其特征在于，所述涡轮叶片包括中空腔室；以及其中，沿所述中空腔室所述第一表面包括所述涡轮叶片的外表面以及所述第二表面包括所述涡轮叶片的内表面。

7.根据权利要求1所述的冷却通道，其特征在于，所述最小喉部区域和所述最大腔室区域构造成使得所述最小喉部区域的横截面积包括所述最大腔室区域的横截面积的0.8至0.2之间的范围。

8.根据权利要求1所述的冷却通道，其特征在于，所述最小喉部区域和所述最大腔室区域构造成使得所述最小喉部区域的横截面积包括所述最大腔室区域的横截面积的0.6至0.4之间的范围。

9.根据权利要求1所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道的交叉图案构造成使得在成组的包绕交点之间形成实心区，所述实心区包括实心材料区，围绕所述实心材料区形成所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道；以及

其中，所述实心区当从侧面观察时，包括大致圆形、卵形或椭圆形的形状，以及所述成组的包绕交点包括一组四个相邻交点。

10.根据权利要求9所述的冷却通道，其特征在于，所述实心区的大致圆形、卵形或椭圆形的形状形成所述喉部区段的发散区段和会聚区段的外形，所述喉部区段连接所述成组的包绕交点的腔室区段。

11.根据权利要求2所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道设置成相对于叶片跨距基准线成第一角度以及所述第二组冷却通道设置成相对于所述叶片跨距基准线成第二角度，以便形成所述交叉图案；

其中，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道中的冷却通道构造成经由所述涡轮叶片传递冷却剂。

12.根据权利要求11所述的冷却通道，其特征在于：

所述第一角度具有从25度至65度的范围，以及所述第二角度具有从-25度至-65度的范围；或者

所述第一角度具有从-25度至-65度的范围，以及所述第二角度具有从25度至65度的范围。

13.根据权利要求11所述的冷却通道，其特征在于：

所述第一角度具有从35度至55度的范围，以及所述第二角度具有从-35度至-55度的范围；或者

所述第一角度具有从-35度至-55度的范围，以及所述第二角度具有从35度至55度的范围。

14.根据权利要求11所述的冷却通道，其特征在于，所述第一角度具有45度的值，以及所述第二角度具有-45度的值；或者

其中，所述第一角度具有-45度的值，以及所述第二角度具有45度的值。

15.根据权利要求2所述的冷却通道，其特征在于：

在所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道处包括上游轴向边界和下游轴向边界；

所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道在所述上游轴向边界和所述下游轴向边界处包括多个重新定向点；

所述多个重新定向点中每个均包括在来自所述第一组冷却通道的腔室区段与来自所述第二组冷却通道的腔室区段之间的接合部；以及其中，在所述多个重新定向点中的每一个处，来自所述第一组冷却通道的多个腔室区段中的一个腔室区段和来自所述第二组冷却通道的多个腔室区段中的一个腔室区段彼此成流动连通；以及

所述多个重新定向点中每一个包括在其处来自所述第一组冷却通道或所述第二组冷却通道的冷却通道终止而来自另一组的冷却通道则开始的接合部。

16. 根据权利要求15所述的冷却通道，其特征在于，所述涡轮叶片包括涡轮转子叶片；

其中，所述上游轴向边界包括所述涡轮转子叶片的翼型部的前缘附近的位置，以及所述下游轴向边界包括所述涡轮转子叶片的翼型部的后缘附近的位置。

17.根据权利要求15所述的冷却通道，其特征在于，多个所述重新定向点包括冷却剂出口，所述冷却剂出口进行计量，使得在操作期间经由其排出期望水平的冷却剂。

18.根据权利要求15所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道的轮廓宽度随着所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道沿径向向外方向延伸而变窄；以及其中，所述变窄与所述涡轮转子叶片的变窄大致成比例。

19.根据权利要求16所述的冷却通道，其特征在于，在所述涡轮叶片的柄部附近的位置处，来自所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道的冷却通道均包括入口，所述入口构造成用以接收来自于形成为穿过所述柄部的供送源的冷却剂流；以及

其中，在所述涡轮叶片的外部径向末梢附近的位置处，所述第一组冷却通道和所述第二组冷却通道的冷却通道包括冷却剂出口，所述冷却剂出口进行计量，使得在操作期间排出期望水平的冷却剂。

20.根据权利要求1所述的冷却通道，其特征在于，所述第一组冷却通道包括从内部径向/前缘位置成对角地延伸至外部径向/后缘位置的冷却通道；以及所述第二组冷却通道包括从内部径向/后缘位置成对角地延伸至外部径向/前缘位置的冷却通道；以及其中，所述第一组冷却通道的纵轴线大致垂直于所述第二组冷却通道的纵轴线；以及

其中，所述第一平面和所述第二平面构成偏移，在操作中所述偏移促进冷却剂在所述第一组冷却通道的腔室区段与所述第二组冷却通道的腔室区段之间形成的连接处有期望水平的混合。