CN105209720B - 具有卡合冲击板的冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种冷却装置(100)，包括：基板，具有由肋侧表面(28)和底表面(26)限定的袋部(24)；形成在肋侧表面中的特征(112)；以及冲击板(102)。在安装配置(116)中，冲击板的弹性使得在冲击板和将冲击板锁定在安装位置(118)的特征之间产生干涉。冲击板从安装配置的弹性压缩消除干涉。

Description

具有卡合冲击板的冷却装置

关于联邦资助研发声明

本发明的研发是受合同号DE-FC26-05NT42644部分支持的，由美国能源部授予。因此，美国政府可以拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机部件的冷却装置。特别是，本发明包括袋部内表面的冲击冷却和改善的限定袋部的几何尺寸的对流冷却。

背景技术

目前典型的燃气涡轮发动机可以以超过2500摄氏度的温度燃烧燃料和空气。这些燃烧气体可以在燃烧室中点燃并燃烧，输送到涡轮入口，并且经由导叶导向经过涡轮，以便使转子叶片旋转，从燃烧气体提取能量。形成这些热气路径部件的材料通常处于它们的热容量极限下，并且必须被冷却以延长其使用寿命。

冲击冷却是一种冷却形式，其中冷却流体流朝向表面指引以进行冷却。这种流(或喷射)可以由与要被冷却的表面分开并具有冲击孔的片材形成。冲击片材的外侧较高的压力驱动冷却流体通过冲击孔，由此形成了以一定角度达到并且包括垂直于被冷却表面的角度冲击到被冷却的表面的喷射流。然而，燃烧的温度升高继续推进部件和冷却装置的限度，而这提供了在该领域的改善空间。

附图说明

在下面的描述中结合附图来对本发明进行解释，图中：

图1是现有技术的部件的剖面图；

图2是冲击装置的示例性实施方式的截面图；

图3是冲击板的示例性实施方式的透视图；

具体实施方式

本发明设计了一个聪明而简单的冲击装置，在部件的冷却侧较深的袋部的表面提供了足够的冲击冷却。通过冲击作用，冷却的表面能够更好通过传导来冷却该部件的相对较热侧表面。该装置还提供了对肋或者限定袋部的并为部件提供结构支撑的其他特征改进的冷却，这增强了传导冷却也能更好地冷却在结构的肋下方的热侧。具体地，发明人设计了冲击装置，它利用卡合的冲击板，该冲击板可在挨着待冲击冷却的表面安装到袋部中和从袋部移除，而不损害冲击板和不拆卸所述部件。随着冲击板降入袋部，结构肋暴露在外，并且通过对流冷却更好的冷却。通过传导，对流冷却肋进而更好冷却在结构肋下方的部件的不能够从冲击冷却中获益的热侧。

新兴的燃气涡轮发动机技术包括例如Charron等人公开号为2012/0121381的美国专利，以及Lee等人的公开号为2012/0272521的美国专利。在这一新兴技术中，传输通道在使燃烧气体加速并且适当定向的状态下将燃烧气体从独立燃烧器引导到涡轮入口，使得以适当的速度和定向离开传输管道，而直接输送到涡轮转子叶片的第一行。该配置消除了对用于现有燃烧装置中的在涡轮入口前的用于加速并定向直接递送气体到第一行涡轮叶片的成行导叶的需要。

加速燃烧气体的一个结果是减少传输管道中的加速燃烧气体的静压力。由于传输管道布置在充满了相对缓慢移动压缩空气的充气室中，从压缩空气的静态压力到正加速和加速后的燃烧气体的静压力横跨该传输管道具有非常大的压力差。而现有的燃烧装置加速燃烧气体到类似的速度，此发生所在的成行的导叶的结构非常重要并能够更好地承受压力差。然而，归因于由在传输管道中非常热的燃烧气体的相对快速移动流所导致的高温，出于热考虑，传输管道必须保持相对较薄。为了提供足以克服更大的压力差的结构强度，结构肋已被使用。然而，这些结构肋在传输管道中形成袋部。来自充气室的自然流动的冷却空气可以不流入袋部并且对袋部的底部和侧表面进行冷却。结果是，在袋部里相对停滞的空气可能会加热袋部的材料并且由此袋部的材料可能会发热，从而缩短部件的使用寿命。

为了克服该问题，已经提出冲击冷却，将利用压力差的优势，以将冲击空气的喷射流指向到袋部，以冷却袋部的底部。经冷却的袋部底部随后将增加通过部件从热侧的传导冷却，从而保持部件较冷。该冲击喷射流已经通过跨越部件的表面放置片材来形成。这些可以从图1看出，显示了部件10的剖面，在本实施方式中的传输通道具有引导燃烧气体流14的热表面12，与热表面12相对的冷却的表面16，结构/凸起的肋18和具有冲击孔22的连续片材20。肋18限定具有底表面26和侧表面28的袋部24。肋18具有被所述连续片材20所覆盖的肋顶表面30。底表面26、侧表面28和肋顶面30构成了相对冷的表面，即经冷却的表面16。冲击冷却的底表面26下方的热表面12的部分40通过部件被传导地冷却。然而，由于肋18的存在，肋18下方的部分42不能从冲击冷却效果受益。因此，在冲击冷却底表面26下方的部分40和肋18下方的部分42可以被薄膜冷却(未示出)，肋18下方的部分42以及冲击冷却底表面26下方的部分40没有被传导地冷却。因此，更多的薄膜冷却空气必须被用于补偿和/或薄膜冷却装置方案必须被配置来适应这些。

本发明人已经认识到，有可能通过使肋暴露到背侧冷却空气，以改善从肋18之下的部分42的导热。特别是，连续片材20包括与底表面26分离设置的冲击部分50，用于将冲击部分50支撑在适当位置的支撑部分52，以及抵接并跨越肋顶表面3以连接支撑部分520的跨越部分54。跨越部分54被直接设置在肋顶面30上，坐落在跨越部分和包围部件10的任何冷却流体之间。因此，为了冷却肋顶表面30，冷却流体必须首先冷却连续片材20，这降低了冷却效率。此外，片材形成冲击喷射流流过的空腔60，并已经被加热过的消耗的冲击空气收集在邻近肋18的侧表面28的空腔60的子区域62。该相对温暖的消耗的冲击空气邻近侧表面28进一步抑制肋18的冷却，进而抑制肋18下的热表面12的部分42的冷却。这些效果一起导致热表面12在燃气涡轮发动机的使用寿命期间温度和热增长的变化。因此，反过来，降低了元件的使用寿命。这些效果同样也发生在部件基板本身，包括肋18以及部件在热表面12和底表面26之间的壁，导致在部件10内有不希望的热梯度。

认识到这些影响，本发明人提出了一种示于图2的创新的冷却装置旨在减轻它们。独特的冷却装置100包括结构类似于图1的装置的结构，但没有连续片材20。取而代之的是，冷却装置100包括分立的冲击板102，具有冲击部分104。然而，代替跨越肋顶表面30，冲击板102具有过渡区106和周边部分108。周边部分的边缘110适配到存在在侧表面28中的互锁特征112中。在示例实施方式中，互锁特征112可以是围绕袋部24的一部分或整个周边延伸的槽或狭槽。或者，互锁特征可以是一个凸块或多个凸块，或者任何能够锁定所述冲击板102在适当位置的特征。例如，在相对壁上的一个凸块或多个凸块足以保持冲击板102在适当位置上，如果冲击板102形成有延伸至在相对壁之间的底部表面26“腿”，以稳定冲击板102。在另一示例中，互锁特征112可以是朝向袋24的中心逐渐变细的侧表面28。

过渡区106是柔性的，并且该过渡区106的弹性导致周边部分108的边缘110延伸进互锁特征112中。特征的角114则引起与外围部分108的干涉，并且由此产生干涉使得当冲击板102处于安装配置116中，示出的角114将冲击板102锁定在安装位置118。在安装配置116中，冲击板102和柔性特征112被定位/配置成使得如果所述冲击板102是在袋部24中的安装位置118中，冲击板102将被锁定到位。被安装在袋部24中意味着冲击板102的至少一些部分在由侧表面28(和底表面26)划界的袋部24中，以形成空腔60。例如，在如图2所示的示例实施方式中，周边部分108临近底部表面26被设置在袋部24内，并且这形成了腔60。或者，周边部分108可以布置得更接近顶表面30，从而形成更大的空腔60。

冲击板102的安装和拆卸的是可能的，因为过渡区106被构造成足够的柔性，使得当压缩力120施加在过渡区106的外表面122上时，过渡区106将向内朝向袋部24的中心屈服/弯曲。换句话说，该冲击板102可以没有塑性损坏地采取的形状范围包括那些允许安装、操作和拆卸所述冲击板102的形状。力和相关的压缩可能会出现在周边部分108的一部分或全部，到达过渡区106的弹性范围内所需要的程度，以使过渡区106屈服足以消除干涉，由此从安装位置118解锁冲击板102。过渡区106被配置为在其弹性变形范围内，贯穿允许安装、操作和除去所需要的所有的压缩/屈曲。因此，冲击板102可以被随意安装和除去而没有任何需要破坏冲击板102和/或袋部24。冲击板可以是围绕其周边部分108均匀地压缩，并且移入袋部，当冲击部104保持平行于冲击部104当冲击板102处在安装位置118的位置。可替换地，冲击板102可倾斜，以方便安装等等。

可选压缩辅助特征124可用于接合可选工具(未示出)，其可以用于保持和压缩过渡区106。外表面122的平均斜率132和侧表面28之间的角度130可以是至少60度。这种构造已经被发现在使过渡区106与侧表面28之间的距离最大化的同时有助于压缩。特别是，在这种构造中，在工具和过渡区106之间产生足够摩擦，该工具将弯曲过渡区106，并且不滑落。

在操作中，充气室140中存在的冷却流体常经受比燃烧气体流14更高的静压。这种较高的压力驱动冷却空气的一部分通过冲击孔142，由此形成指向袋部24的底表面26的冲击部146的冲击喷射流144。消耗的冲击空气148从冲击部分146移动，而不是移动到邻近由冲击板102包含的侧表面28的子区域中。最终，消耗的冲击空气148流过薄膜冷却孔150，并加入了薄膜冷却流体层152，有效地形成在燃烧气体流14和热表面12之间的屏障。冲击板102的固有弹性将允许它适应在冲击板与袋部24之间热生长失配，并且这些失配产生的形状都将在冲击板102的弹性范围内。

以这种方式包含消耗的冲击空气48使肋顶表面30和肋侧表面28两者被直接暴露于充气室140的冷却流体中。这种直接暴露提供了这些表面的改进对流冷却，改进对流冷却提供了通过肋18的改进传导冷却，沿着位于肋18下的部分42和肋顶表面30之间的第一传导冷却路径160和位于肋18下的部分42和侧表面28之间的第二传导冷却路径162。这进而更好冷却肋18下的部分42，这导致热表面12在发动机操作下具有更均匀的温度。这更均匀的温度分布可以使薄膜冷却装置被配置为使用较少的先前需要用以容纳作为肋18下的部分42的热点的冷却空气。使用较少的冷却空气产生更有效的发动机操作。基于上述理由，暴露出更多的侧表面28的配置可以被采用。例如，在示出的示例性实施方式中，互锁特征112和周边部分108被设置在靠近底表面，留下侧表面28的大部分暴露。

图3示出一个冲击板102的示例性实施方式。在本实施方式中，多个柔性特征170从冲击部104延伸，从而形成过渡区106和周边部分108。在各个柔性特征170之间的是狭缝172。该狭缝被配置成容纳柔性特征170的压缩屈曲，使得所述冲击板102可以被压缩用于经过互锁特征112插入袋部24。没有与柔性特征170相邻的缝隙172将相互干涉，并且不能够压缩。当从被安装到处于安装配置116转变，柔性特征170向外弹以锁住冲击板102就位。柔性特征170可以弹出到周边部分108压抵侧表面28并进入互锁特征112的位置。当这种转变发生时，在柔性特征弯曲时可能消失的狭缝172会打开一点。缝隙172的尺寸可以是小的，所以如果任何冷却流流过那，具有对发动机的效率和/或冷却的最小的影响。或者，如果在袋部24的角中需要冷却(在那里冷却需求可能很高)，狭缝可被设计成提供双重角色，创造用于冷却流和/或冲击冷却流的路径。可能有尽可能少的少至绝对所需的狭缝，或可以存在更多的狭缝，根据冷却装置100特定要求和待冷却的袋部24的特定几何形状。类似地，柔性特征170可以比缝隙172等更窄。此外，互锁特征112可以延伸到袋部24的整个周边，或者它可以仅在需要接收柔性特征170的边缘110的位置存在。

不是每个袋部24必须具有相同的几何形状。具体而言，一些袋部24可以是平的，而一些可能跨越部件10中的弯曲部。因此，一些冲击板可以是平坦的，而其他可以跟随底表面26的轮廓弯曲。同样地，周边部分108的形状可以是如图所示的矩形，或三角形，或者它可以采取需要适应待冷却袋部24的冷却任何形状。如果部件具有沿周向延伸的肋，如锥形通道，可能使用环形冲击板。这样的冲击板可以包括类似活塞环的端部以便于安装，并且可以从锥形的小端安装。

各冲击板102可从底部表面26分开以恒定量。可替代地，从底部表面到冲击部104的距离量可能在袋部内变化，以允许局部调整所希望的冷却效果。各冲击板102可进一步固定在袋部中，以确保燃气涡轮发动机的操作期间它不会松动并且被拉伸通过燃烧装置和涡轮而造成损坏。这种额外的固定可以包括钎焊或将冲击板102焊接到侧表面28。

对于上述显而易见的是，本发明人开发了独特的冷却装置，改进在现有和新兴技术中燃气涡轮发动机的冲击冷却。所公开的冷却装置是简单，因此价格相对低廉，而且有效的，并且还通过提高燃气涡轮发动机的效率降低其自身的成本。因此，它代表了本领域中的改进。

虽然各种本发明的实施方式已经示出和描述，但显然，这些实施方式仅是通过示例的方式提供。在不背离本发明的前提下，可以进行各种变化、修改和替换。因此，本发明意在只受所附权利要求书的精神和范围的限定。

Claims (11)

1.一种冷却装置(100)，包括：

基板，包括由第一肋(18)的第一肋侧表面(28)和第一底表面(26)限定的第一袋部(24)；

形成在所述第一肋侧表面中的第一特征(112)；

第一冲击板(102)；

其中在安装配置中，所述第一冲击板的弹性使得在所述第一冲击板和将所述第一冲击板锁定在安装位置的第一特征之间产生干涉；

并且其中所述第一冲击板从所述安装配置的弹性压缩消除所述干涉，

其中所述基板还包括与所述第一袋部相邻的第二袋部，其中所述第二袋部由所述第一肋的第二肋侧表面和第二底表面限定，其中所述第二肋侧表面与所述第一肋侧表面相反，

其中所述冷却装置还包括形成在所述第二肋侧表面中的第二特征，

其中所述冷却装置还包括第二冲击板，

其中在安装配置中，所述第二冲击板的弹性使得在所述第二冲击板和将所述第二冲击板锁定在安装位置的第二特征之间产生干涉；

并且其中所述第二冲击板从所述安装配置的弹性压缩消除所述干涉。

2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述第一肋还包括肋顶表面(30)，其直接暴露于邻近所述肋顶表面的冷却流体。

3.根据权利要求2所述的装置(100)，其中，当所述第一冲击板(102)处于所述安装位置时，所述第一肋侧表面(28)的大部分被直接暴露于所述冷却流体。

4.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述第一冲击板(102)包括周边部分(108)、冲击部分(104)和连接所述周边部分与所述冲击部分的过渡区(106)，其中，当在所述安装位置时所述周边部分被布置得比所述冲击部分更接近所述第一底表面(26)。

5.根据权利要求4所述的装置(100)，其中，所述第一冲击板(102)的弹性压缩包括所述过渡区(106)的弹性变形，以消除所述干涉。

6.根据权利要求4所述的装置(100)，其中所述过渡区(106)与所述第一底表面(26)形成至少60度的角度(130)。

7.根据权利要求4所述的装置(100)，与压缩工具组合，其中，所述第一冲击板(102)还包括压缩辅助特征(124)，配置成与所述压缩工具接合并且保持所述第一冲击板。

8.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，形成在所述第一肋侧表面(28)上的第一特征(112)包括沿着所述第一肋侧表面延伸的槽。

9.根据权利要求8所述的装置(100)，其中，当在所述第一冲击板(102)的安装位置时，所述第一冲击板的周边部分(108)装配在所述槽中。

10.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述第一冲击板(102)包括缝隙(172)，以允许所述第一冲击板的弹性压缩。

11.一种燃气涡轮发动机部件(10)，包括根据权利要求1所述的冷却装置(100)。