CN104379874A - 构件和冷却构件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种构件(100)和冷却构件(100)的方法。该构件(100)包括前缘(110)、后缘(112)、在前缘(110)和后缘(112)之间的至少一个空腔(200)、和邻近该空腔(200)的至少一个扩散部件(130)。扩散部件(130)包括邻近空腔(200)的入口(210)、邻近入口(210)的测量区域(220)、邻近测量区域(220)的扩散区域(230)、和邻近扩散区域(230)并且邻近后缘(112)的出口(240)。扩散部件(130)提供流的高达大约70％的减少和构件(100)的后缘的均匀冷却。

Description

构件和冷却构件的方法
相关技术的交叉引用
本专利申请主张对美国临时专利申请编号61/666,813的优先权，其在2012年6月30日申请并且称为“构件和冷却构件的方法(A COMPONENT AND A METHOD OF COOLING A COMPONENT)”，如同完全重写地将其内容通过参照而合并入本文。
技术领域
本发明大体涉及涡轮。更具体地，涉及一种构件和在涡轮中冷却构件的方法。
背景技术
设计和构成更高效的涡轮发动机的目的为有意义的目的，尤其是考虑到矿物燃料的增加的不足和上升的成本。虽然已知用于提高涡轮发动机的效率的数个对策，但是它依然是有挑战性的目标，这是因为已知的替代方案，例如包括：增加发动机的尺寸、增加穿过热气体路径的温度、以及增加转子叶片的旋转速度，通常在部分上放置额外的应变，包括在已经高度受力的涡轮翼形件上的额外的应变。作为结果，对减少放置在涡轮翼形件上的操作应力或允许涡轮翼形件更好地经受这些应力的改进的装置、方法和/或系统有很大需求。
用于减轻热应力的一个对策是通过冷却翼形件，使得由翼形件经历的温度比热气体路径的温度低。有效的冷却可例如，允许翼形件经受更高的点火温度、经受在高操作温度下的更高的机械应力、和/或延长翼形件的部分寿命、它们全部可允许涡轮发动机更成本有效和高效。在操作期间冷却翼形件的一种方法是通过内部冷却通道或回路的使用。通常，其包括传递相对冷的受压空气的供应，其可由涡轮发动机的压缩机通过在翼形件内的内部冷却回路供应。当受压空气行进穿过翼形件时，其对流地冷却翼形件，这可允许该部分经受其否则不能经受的点火温度。
在一些情况下，受压空气的供应通过在翼形件的表面上的小孔释放。以这种方式释放，空气的供应在翼形件的表面处形成相对冷的空气的薄层或薄膜，这两者均冷却并将该部分与围绕其的更高的温度隔离。但是，通常称作“薄膜冷却”的这种类型的冷却需付出代价。在翼形件的表面上方的以这种形式的受压空气的释放减少了发动机的空气动力学效率。作为结果，存在对于用于涡轮翼形件的改进的冷却对策的持续需求。
因此，不遭受上述缺点的构件和在涡轮中冷却构件的方法在本领域中是被期望的。
发明内容
根据本公开的示范实施例，公开一种构件。该构件可包括前缘、后缘、在前缘和后缘之间的至少一个空腔、和邻近空腔的至少一个扩散部件。扩散部件可包括邻近空腔的入口、邻近入口的测量区域、邻近测量区域的扩散区域、和邻近扩散区域和后缘的出口。扩散部件可提供流的高达大约70％的减少和构件的后缘的均匀冷却。
根据本公开的另一示范实施例，提供一种冷却构件的方法。该方法可包括提供构件。该构件可包括前缘、后缘、在前缘和后缘之间的至少一个空腔、和邻近该空腔的至少一个扩散部件。扩散部件可包括邻近空腔的入口、邻近入口的测量区域、邻近测量区域的扩散区域、和邻近扩散区域和后缘的出口。扩散部件可提供流的高达大约70％的减少和构件的后缘的均匀冷却。该方法可包括通过扩散部件在至少一个空腔中循环冷却空气。来自构件的热可通过扩散区域移除。
本发明的其他的特征和优点从结合附图进行的优选实施例下列的更详细的描述中将变得显而易见，附图通过实例示出本发明的原理。
附图说明
图1是根据本公开的构件的透视图。
图2是本公开的扩散区域的图1的放大图。
图3是沿着本公开的线3-3做出的图1的剖视图。
图4是本公开的图3的扩散区域的图1的放大图。
图5是本公开的图3的扩散区域的备选实施例。
图6是本公开的扩散区域的备选实施例。
只要有可能，将在附图全部中使用相同的标号代表相同的部分。
具体实施方式
提供一种构件和冷却构件的方法。
本公开的实施例的一个优点包括减少来自涡轮的附加流。本公开的实施例的另一优点包括减少喷嘴后缘冷却槽的排出速度。本公开的又一优点为提高的发动机效率。
根据一个实施例，提供包括前缘、后缘、在前缘和后缘之间的至少一个空腔、和邻近该空腔的至少一个扩散部件的构件。构件通常可为热气体流路构件，并且可包括涡轮构件，例如但不限于喷嘴、叶片和罩。根据一个实施例，扩散部件可提供流的高达大约70％的减少和构件的后缘的均匀冷却。在一个实施例中，构件可为陶瓷基复合材料。在另一实施例中，构件可为超级合金金属，例如但不限于镍基超级合金、钴基超级合金或它们的结合。
例如，图1是构件100的透视图。例如，如所绘出，构件100可为喷嘴。构件100可包括翼形件102。翼形件102可为在内和外涡轮流路之间的部件，其带有改变流动气体路径方向的目的。翼形件可包括前缘110、后缘112、在前缘110和后缘112之间的主体104。如图2所示，例如，构件100可包括在前缘310和后缘112之间的至少一个空腔200、310、320中。构件100可包括邻近该至少一个空腔的至少一个扩散部件130。
根据一个实施例，扩散部件可包括邻近空腔的入口、邻近入口的测量区域、邻近测量区域的扩散区域、和邻近扩散区域并且邻近后缘的出口。例如，如图2所示，扩散部件130可包括邻近空腔200的入口210。扩散部件130可包括邻近入口210的测量区域220。扩散部件130可包括邻近测量区域220的扩散区域230。扩散部件130可包括邻近扩散区域230并邻近后缘112的出口240。扩散部件130可提供流的高达大约70％的减少和构件100的后缘112的均匀冷却。在出口240处的流的速度可显著地减少。扩散部件130可将横截面面积从入口230向出口240扩张。如在本文中所使用的，“流扩张”可为一种工序，在其中随着允许所述工序的增加的通流区域或器件(例如扩散部件)，质量流量减少。如在本文中所使用的，“流量测量”可为一种工序或器件，其控制穿越包含测量工序或器件的流的量。
如图2所示，入口210可在流从后空腔200进入后缘112冷却对策的位置(见图3)。入口210可典型地长度短，其中，长度对液压直径的比率小于大约5。入口210可具有意图减少其测量特性的独特的几何特性。测量区域220可首先为控制的几何特征，其尺寸在行进穿过后缘112冷却方案的流速上具有显著的影响。测量区域220可具有次级几何特征，其引起或意图引起流速的减少。次级测量可在流速上具有不可忽略的影响，但是可不为流控制特征。
扩散区域230或扩张区域可为，在测量区域220和出口240之间带有大约150％至大约500％的通流区域的增长的区域。扩散区域230可包括扩散角232。扩散角232可为提供所希望的流的扩张的任何角。出口240可在流排出后缘112冷却对策的内部部分的位置。出口240可特征在于薄膜覆盖，并且在出口240对分不带有薄膜覆盖区域的后缘112的情况下，然后出口240可具有在大约25％至大约100％的范围中的开口-对-实体比率(open-to-solid ratio)。如在本文中所使用，可将“薄膜覆盖”在与流垂直的方向上测量，并且为暴露于出口240的距离的片段。
图3是沿着图1的线3-3做出的剖面图，并且显示了邻近前缘110的前空腔320。第二空腔310可邻近前空腔320。后空腔200可邻近扩散部件130。扩散部件130可邻近外部部分350。外部部分350可为在扩散部件130的出口240和翼形件(closeout)之间的距离，具有在大约0至大约12的范围中的长度(L)与液压直径(D)的比率。在一个实施例中，当L/D比率可为有限的时，薄膜覆盖可在大约33％至100％的范围中。在另一实施例中，当L/D比率可为0时，出口240可具有在大约33％至100％的范围中的“开放”覆盖。
根据一个实施例，提供扩散部件。例如，图4示出了突出扩散部件130的图3的示意放大图。入口210可邻近后空腔200。测量区域220可邻近入口210。扩散区域230可邻近测量区域220。出口240可邻近翼形件102后缘112的扩散区域和外部部分350。在备选实施例中，如图5所示，出口240可在后缘112的基部处排出，其不具有分开长度(breakout length)。
根据一个实施例，扩散部件可包括两个或更多个扩散区域。例如，如图6所示，扩散部件130可包括邻近构件100的后空腔220的入口210。入口210可邻近测量区域220。可存在邻近测量区域220的两个或更多个扩散部件230。各个扩散区域230可提供流的所希望的扩张和减少。各个扩散区域230可包括邻近后缘112的出口240。
可使用任何适当的技术，例如但不限于，激光、或放电加工(EDM)而在构件100中形成扩散部件130。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域专业人员将理解，可进行各种更改并且为它们的元件替换等同物而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使具体的条件或材料适应本发明的教导而不脱离它们的基本范畴。因此，意图为，本发明不限于公开的作为用于实施本发明的构思出的最佳模式的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (14)

1. 一种构件，包括：
前缘；
后缘；
在所述前缘以及所述后缘之间的至少一个空腔；
邻近所述空腔的至少一个扩散部件，所述扩散部件包括：
    邻近所述空腔的入口；
    邻近所述入口的测量区域；
    邻近所述测量区域的扩散区域；以及
    邻近所述扩散区域并且邻近所述后缘的出口；
其中，所述扩散部件提供了流的高达大约70％的减少以及所述构件的所述后缘的均匀冷却。
2. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件是陶瓷基复合材料。
3. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件是超级合金金属。
4. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件是叶片、喷嘴或罩。
5. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述扩散部件将横截面面积从所述入口向所述出口扩张。
6. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述扩散区域增加了在所述测量区域与所述出口之间的从大约150％至大约500％的通流区域。
7. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述出口具有大约25％至大约100％的开口-对-实体比率。
8. 一种冷却构件的方法，其特征在于，包括：提供所述部件，其具有：
前缘；
后缘；
在所述前缘以及所述后缘之间的至少一个空腔；
邻近所述至少一个空腔的至少一个扩散部件，所述扩散部件包括：
    邻近所述空腔的入口；
    邻近所述入口的测量区域；
    邻近所述测量区域的扩散区域；以及
    邻近所述扩散区域并且邻近所述后缘的出口；
其中，所述扩散部件提供了流的高达大约70％的减少以及所述构件的所述后缘的均匀冷却；以及
在穿过所述扩散部件的至少一个空腔中循环冷却空气，其中，通过所述扩散区域移除来自所述构件的热。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述构件是陶瓷基复合材料。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述构件是超级合金金属。
11. 根据权利要求8所述的构件，其特征在于，所述构件是叶片、喷嘴或罩。
12. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扩散部件将横截面面积从所述入口向所述出口扩张。
13. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扩散区域增加了在所述测量区域与所述出口之间的从大约150％至大约500％的通流区域。
14. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述出口具有大约25％至大约100％的开口-对-实体比率。
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