CN1036245A - 具有冷却通道的壁 - Google Patents

Abstract

本发明包含有具有第一面和相互间隔开的第二 面的壁，而第一平面处在上述第一面和第二面之间， 该平面内包括在同一平面互相垂直的第一轴线和第 二轴线。一通道在第一面和第二面之间延伸并包括 具有纵轴线与第一平面成锐角的部分。第一截面处 于垂直于纵轴线的位置，而第二截面处于平行第一平 面的位置，通道第一截面一般是椭圆形，而通道第二 截面一般是圆形的。

Description

根据海军部所授予的合同号N00019-85-C-0459，政府对此发明有所有权。

本发明与在壁内的冷却通道有关，更具体地说与燃气涡轮机内的冷却通道有关;诸如在燃烧室的内衬，涡轮的动叶片和静叶片内的冷却通道。

燃气涡轮典型地包括在诸如燃烧室内衬和静涡轮叶片和动涡轮叶片以及喷管的结构，这些结构都受到比较热的燃气冲刷，这些典型结构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的寿命时要加以考虑的。

在燃气涡轮所用的典型冷却通道一般都是园形截面，然而当园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园，椭园孔有长轴和短轴可以在椭园孔周围所产生的应力集中小于或大于园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，在单一轴线方向受到一主拉应力的壁面，园孔周围的一般应力集中等于3而椭园孔周围的一般应力集中等于1+2a/b或1+2b/a，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主应力。

因此，在壁面内使用一倾斜的园形截面冷却通道会产生一椭园截面，结果能形成一即可小于又可大于园形孔所产生的应力集中的一应力集中，这取决于在壁内相对于主应力的方向，而大于园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。

所以，本发明的目的是提供一新的和其内有倾斜冷却通道的改进壁。

本发明的另一目的是为了取得一减小的应力集中，提供一新的和相对于在壁内主应力的有一定方向的予定截面的冷却通道改进壁。

本发明的另一目的是为了改善壁的有效寿命，提供一新的和有一倾斜冷却通道的改进壁。

本发明包含有一具有第一面和相互间隔开第二面的壁，和处在二间隔面之间的第一平面，该第一平面内包括在同一平面且互相垂直的第一和第二轴线。一通道在第一面和第二面之间延伸并包括具有与第一平面成锐角的纵轴线部分，一处于垂直于纵轴线的第一截面，和一处于平行第一平面的第二截面，通道的第一截面一般是椭园形和通道的第二截面一般是园形的。

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园形截面的冷却通道。

图2表示在图1沿剖面线2-2所取冷却通道的剖视图。

图3表示在图2沿剖面线3-3所取冷却通道的剖视图。

图4表示根据本发明的一实施例，包括有一冷却通道壁的剖视图。

图5是图4沿着垂直冷却通道纵轴线的剖面线5-5所取的壁的剖视图。

图6是图4沿着平行于壁面的剖面线6-6所取的壁的剖视图。

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冷却通道的二个园形和椭园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涡轮燃烧室内衬的局部透视图。

图9是根据本发明的一个实施例中包括壁的燃气涡轮叶片的透视图。

图1至图3所示为一先有技术中，壁10包括与轴线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和若干垂直于纵轴线14，其直径皆为D的均匀园截面的园柱体。

由于通道12相对于纵轴X倾斜一角度A，其投影，或平行于包括纵轴和模轴相互垂直的一平面的截面16′其形状是一椭园，如图1中截面16′所示，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，而平行于X轴的通道的截面16′是椭园形，其长轴方向平行于X轴，其短轴方向平行于Y轴如图1所示。在结构受力时，此处壁10在Y轴受到一初始应力，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K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K是大于存在简单园形截面中的应力集中系数3，并表明这些点的局部应力比初始应力大3倍。

图4-图6所示为包括壁22本发明的最佳实施例，壁22包括一第一面24和与第一面24间隔开的第二面26，在上述实施例中，此二面是相互平行的。

壁22包括处在第一和第二面24和26之间的主应力之第一平面28，还包括第一轴线30或X轴线和第二轴线32或Y轴线，该X和Y轴线处在同一平面，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，它从第一面24的入口36延伸至第二面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。纵轴线与第一平面28安置成锐角A，也就是和第一轴线30安成锐角A。通道部分40也包括处在垂直纵轴线42的第一截面44，虽然叙述了第一截面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，第一截面根据所要求的特殊应用可以有不同的形状以供选择。

第一截面更具体地在图5中可以说明，它包括一长度为b的长轴46和与长轴相垂直长度为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的截面所组成。

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倾斜一锐角时，通道34的第一截面44的断面形状是予先选定，为了在主应力的平面28内减小应力集中，更具体地说，通道34由垂直于其纵轴线42的断面形状用第一截面44来表示并有一予定的形状，一般为椭园形。第一截面44的椭园形状是予先选定的，结果形成第二截面50，该截面处于平行主应力的平面28，且具有一园形状。

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，具有园形截面16的倾斜通道12结果形成平行X轴线具有椭园形状的截面16′，相反，按照本发明的一实施例，图4-图6所示的通道34在垂直纵轴线42的截面上是椭园形，而在平行于主应力的平面28和X轴线30的截面上是园形的。

在壁内，其中主应力是在Y轴方向，在图1所示的椭园截面16′上，结果形成1+2/sin（A）一般的应力集中。相反，根据图4-图6所述的实施例，结果形成具有一般应力集中值为3的园截面50。通道34的第二截面50相对于先有技术中通道12的截面16′的应力集中，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的椭园形状，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倾斜的通道内取得园形的第二截面50，第一截面44一定是椭园形并有一长度为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，通道的纵轴线42如图4所示，相对于第一轴线30安置成锐角A，为了获得第二园形截面50，第一椭园截面44的长轴46应该平行第二轴线32，而短轴48应平行第一轴线30。注意到在图5所示的平面内，短轴48与X′轴线30′轴线相重合，而30′轴线是由第一轴线30转过90-A°后形成的，然而，短轴48仍旧平行X轴线。

虽然相对于图4-图6所述的壁22一般包括平行的第一面24和第二面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通道纵向中心轴线的平面内使用一予先选定具有椭园截面的通道，这样在与通道纵轴线成锐角的主应力的平面内，为园形截面形状，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优点，更具体说，图1-图3说明一具有直径为D园形截面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园截面44的通道34包括长度为D的短轴48，第一截面在图7中所示为处于中间位置，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将结果会形成具有直径b的第二园形截面50，在图7中所示为最外的园。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所示相同的园形。图7清楚表明具有第一椭园截面44的通道34结果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R的曲率半径，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是内衬部分的内面，热燃气58流过该表面。第一轴线30方向平行于纵轴线54而第二轴线32平行燃气涡轮在通道的切向线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所示是一燃气涡轮的叶片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包括有一部分叶片62且在本实施例中包括一部分叶片62的凸侧面，第一表面24是叶片62的内面，冷却流体流过该面通向叶片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。第一轴线30一般平行于通道34的第一表面24和第二表面26，而第二轴线32一般平行叶片62的径向轴线64而且代表叶片62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的一般园形通道结果会形成平行于纵轴线54的椭园截面，随之就形成最大的应力集中，然而，按照本发明，使用椭园形通道34结果就形成平行于纵轴线54的园截面，从而使与园相应的截面的应力集中减小。

在图9所述实施例中，通常使用的园形冷却通道同样结果会形成平行于纵轴线30的椭园截面，由于在径向方向的离心应力结果就形成最大的应力集中，然而，在叶片62内使用椭园形通道34结果就形成平行X轴线的平面内之园形截面，结果就会使由于使用园形冷却通道所引起的应力集中大大减小。

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

本发明的椭园形通道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（化学铣）。

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 (13)

1、一壁包含有

-第一面

-第与第一面间隔开的第二面

-外在在第一面和第二面之间的第一平面而且还包括同一平面互相垂直的第一和第二轴线。

-上述第一面和第二面之间延伸的通道且包括一部分具有

对上述第一平面安置成锐角的一纵轴线

-处于垂直上述纵轴线的第一截面

-外于平行上述第一平面的第二截面

上述第一截面一般是椭园形而上述第二截面一般是园形。

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园形并有一平行上述第一轴线的长轴和平行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的园形，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一等于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面的入口和第二面的出口，上述通道从入口到出口是笔直的且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，其特征在于上述壁包含有一部分燃气涡轮的燃烧室内衬;上述第一面是内衬的外面，冷却流体就在此外面上流过;上述第二面是内衬的内面，热燃气就在此内面上流过;上述第一轴线平行于上述内衬的纵轴线而上述第二轴线平行于上述燃气涡轮的切向轴线并代表上述内衬园周应力的方向。

6、按照权利要求5所述的壁，其特征在于上述通道包括：

用于接纳上述冷却流体在上述外面上的入口;

用于排出上述冷却流体在上述内面上的出口;

在上述内衬上，入口安置于出口的前面;

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的园形，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，其特征在于上述通道从入口到出口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：

上述壁包括一部分燃气涡轮叶片;

上述第一面是上述叶片内面，冷却流体从该内面上流过;

上述第二面是上述叶片外面，热燃气从该外面上流过;

上述第一轴线平行于上述第二面;

上述第二轴线平行于上述燃气涡轮径向轴线，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：

用于接纳上述冷却流体在上述内面上的入口;

用于排出上述冷却流体在上述外面上的出口;

在上述叶片上，入口安置于出口的前面;

上述锐角用A表示;

上述通道的第二截面是直径为b的园形;

上述通道的第一截面长轴等于b;

而上述通道的第一截面中短轴为等于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，而且上述通道从入口到出口包括若干上述通道的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的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。

12、一壁包含有具有第一截面和第二截面的倾斜通道，其特征在于上述第一截面一般是椭园形，并安置垂直于上述通道的纵轴线，而上述第二截面是上述第一截面的投影，并且一般是园形的。

13、按照权利要求12所述的壁还包括一主应力的平面，而上述第二截面安置成平行主应力平面。

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