CN105874168A - 包括对以铸造人字纹布置增强型表面使用有角度冲击的后缘冷却的燃气涡轮发动机部件 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机部件，其包括：具有内部表面（34）的压力侧（12）；具有内部表面（36）的吸力侧（14）；后缘部分（30）；以及设置于所述后缘部分（30）中的多个吸力侧和压力侧冲击孔（24）。每个吸力侧冲击孔配置成以锐角（52）引导冲击射流（48）至目标区域（60）上，所述目标区域包括在所述吸力侧内部表面中形成的人字纹布置（120）内的人字纹（122）的末梢（140）。每个压力侧冲击孔配置成以锐角引导冲击射流至伸长的目标区域上，所述目标区域包括在所述压力侧内部表面中形成的人字纹布置内的人字纹的末梢。

Description

包括对以铸造人字纹布置增强型表面使用有角度冲击的后缘冷却的燃气涡轮发动机部件

关于联邦政府赞助开发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部资助的合同号SC0001359所支持。因此，美国政府在本发明中可享有一定权利。

技术领域

本发明涉及能够使用陶瓷型芯铸造的涡轮机翼型的后缘的冷却。确切地，本发明公开了使用有角度的冲击冷却射流至目标铸造表面特征部。

背景技术

燃气涡轮发动机的叶片和轮叶中使用的常规涡轮机翼型具有后缘，其是较薄的以获得气动效率。然而，内部上冷却表面区域的缺乏使得难以冷却较薄的后缘。后缘一般通过使用陶瓷型芯与整个叶片整体铸造。陶瓷型芯的特征和尺寸反映在后缘中。然而，必须要权衡后缘设计考虑与型芯设计考虑。例如，在后缘中形成冲击通道的较大型芯特征对型芯强度而言较佳，但冲击通道更大意味着流量计量减少。因此，将型芯考虑与后缘冷却需求进行平衡的设计良好的型芯是后缘的良好设计的关键方面。

已知沿着涡轮机翼型后缘中的中弧线进行冲击冷却。在此布置中，孔铸造成后缘的一部分并且以中弧线进行取向，从而形成冷却流体的高速冲击射流。这些冲击射流可冲击相邻的下游冲击孔之间的表面，并且这导致传热速率增加。在用过的冷却流体从后缘排到燃烧气体路径之前，可发生单一冲击、双重冲击或三重冲击。这一系列的冲击孔也用来计量流量，并且这实现更有效地使用冷却流体。

由于它们在中弧线上的位置，冲击孔位于吸力侧上的凹形内部表面与翼型的压力侧上的凸形内部表面之间。现有技术冷却方案已通过使冲击孔倾斜来改进传热，从而其产生冲击凹形内部表面和凸形内部表面的冲击射流。其继而冷却后缘的相应外部表面。其它现有技术冷却方案将各种表面特征部置于与冲击射流一致的内部表面上。然而，燃气涡轮发动机的运行温度持续增加。在本领域中，这在后缘的冷却方面留下改进的空间。

附图说明

基于附图，在下列描述中解释了本发明，附图示出：

图1是此文中所公开的翼型的示例性实施例的示意性截面图。

图2是图1的后缘的特写图。

图3是用来形成后缘的示例性实施例的铸件型芯的后缘部分的示意性侧视图。

图4是图3的冲击孔形成型芯特征部的特写图。

图5以透视图示意性地描绘冷却流体流，其将最后到达后缘，在此处所述流叠加在图4的型芯的平面5-5上。

图6示意性地描绘冷却流体流的透视图，其将最后到达后缘，在此处所述流叠加在图4的型芯的平面6-6上。

图7示出用来形成本文所述的冷却布置的铸件型芯试样（coupon）。

图8示出使用图7的铸件型芯试样形成的铸件的截面图。

图9示出使用图7的铸件型芯试样得到的传热结果。

具体实施方式

本发明的发明人已研发用于涡轮机翼型的后缘的冷却布置，其中后缘和冷却布置的所有元件均使用陶瓷铸件型芯与所述翼型整体铸造。本发明利用铸件型芯技术中的进步来形成一种布置，其中各元件协调以形成出乎意料地极其有效的冷却布置。具体而言，翼型和后缘围绕陶瓷铸件型芯铸造而成，该陶瓷铸件型芯配置来形成后缘内的冲击孔和人字纹（chevron）。冲击孔中的一些引导冲击射流朝向设置于翼型的压力侧上的内部表面上的人字纹布置。其它冲击孔引导冲击射流朝向设置于吸力侧上的内部表面上的人字纹布置。可能存在一行或若干行冲击孔。用过的冲击空气从后缘排出到燃烧气体流中。与全都指向相同方向的冲击射流相比，将冲击射流的目标从吸力侧改变至压力侧不但有助于增加被冷却的表面区域，而且用来增强陶瓷型芯的后缘部分，从而提高生产产量，同时允许冲击射流的直径更小。此外，与传统的湍流器或平行凹槽相比，人字纹布置的使用不仅增加表面区域，而且用来扩散冷却空气，以便更均匀地冷却所述表面并且增加被有效冷却的区域。

图1示出翼型10的一个示例性实施例，其具有压力侧12、吸力侧14、前缘16、后缘18、中弧线20、第一行22的冲击孔24、第二行26的冲击孔24以及第三行28的冲击孔24，其中行22、26、28分别在燃气涡轮发动机中径向取向成从翼型10的底座到翼型10的末梢。行22、26、28设置在翼型10的后缘部分30中。冷却流体进入第一行22的冲击孔，并且经由排出孔32离开后缘部分30。压力侧12经由压力侧内部表面34的冷却而得到冷却，并且吸力侧14经由吸力侧内部表面36的冷却而得到冷却。

图2示出图1的后缘部分30的特写图。在此截面内，来自翼型10内的上游腔体42的新鲜冷却流体40进入第一行22的冲击孔24的冲击孔入口44，并且行进穿过冲击孔24并且从其经由冲击孔出口46以冲击射流48的形式排出。第一行22的冲击孔24的冲击孔出口46的中心设置于中弧线20的吸力侧14上，但其不必一定如此设置，只要相应的冲击射流48以角度50被引导到中弧线20即可。在此截面中，第一行22的冲击射流48以冲击角度52被引导朝向吸力侧14上的凹形的第一行内部表面62上的目标区域60。一个表面特征部（未示出）或多个表面特征部如此定位，使得表面特征部的至少一部分位于目标区域60内。

来自第一行22的冲击射流48的用过的冷却流体64成为用于第二行26的新鲜冷却流体40。新鲜冷却流体40进入第二行26的冲击孔24的冲击孔入口44，并且行进穿过冲击孔24且经由冲击孔出口46以冲击射流48的形式排出。第二行26的冲击孔24的冲击孔入口44可与第一行22的冲击孔24的冲击孔出口46处于不同的高度，因此，使用虚线来表示第二行26的冲击孔24。第二行26的冲击孔24的冲击孔出口46的中心设置于中弧线20的压力侧12上，但其不必一定如此设置，只要相应冲击射流48以一定角度被引导到中弧线20即可。在此截面中，第二行26的冲击射流48被引导朝向压力侧12上的凸形的第二行内部表面66上的目标区域60。一个表面特征部（未示出）或多个表面特征部如此定位，使得表面特征部的至少一部分位于目标区域60内。

来自第二行26的冲击射流48的用过的冷却流体成为第三行28的新鲜冷却流体40。新鲜冷却流体40进入第三行28的冲击孔24的冲击孔入口44，并且行进穿过冲击孔24并且从其经由冲击孔出口46以冲击射流48的形式排出。第三行28的冲击孔24的冲击孔入口44可与第一行22的冲击孔24的冲击孔出口46处于相同的高度，及因此，使用实线来表示第三行28的冲击孔24。第三行28的冲击孔24的冲击孔出口46的中心设置于中弧线20的吸力侧14上，但其不必一定如此设置，只要相应的冲击射流48以一定的角度被引导到中弧线20即可。在此截面中，第三行28的冲击射流48被引导朝向吸力侧14上的凹形的第三行内部表面68上的目标区域60。一个表面特征部（未示出）或多个表面特征部如此定位，使得表面特征部的至少一部分位于目标区域60内。来自第三行28的冲击射流48的用过的冷却流体64经由排出孔32从后缘部分30排出。

在此示例性实施例中，这个截面内的行22、26、28从吸力侧14交替到压力侧12再交替到吸力侧。单个截面中的所有三行22、26、28可能都指向相同的侧，或者它们可指向不同的侧，但不必是如图所示的交替模式。例如，在可替代的示例性实施例中，第一行22和第二行可指向压力侧12，而第三行可指向吸力侧14。可预想到任何组合。同样，随着截面的位置从翼型10的底座到末梢不同，所见的布置可以不同。

图3是铸件型芯82的后缘部分80的侧视图，该铸件型芯用来形成配置用于双重冲击的后缘部分30的可替代示例性实施例。铸件型芯可由陶瓷材料制成。图4是图3的后缘部分80内的区域的特写图，该后缘部分具有冲击孔形成结构84，在移除铸件型芯82时，该冲击孔形成结构形成翼型10内的冲击孔24。

图5示意性地描绘在图4的线5-5处终止的铸件型芯的一部分的透视图，其中线表示冷却流体流可在翼型10内的相同位置处采用的路径。换言之，铸件型芯82的外表面86模制成它形成的翼型10的内表面。图6类似于图5，但其是沿着冲击孔形成结构84的线6-6所得到的，该冲击孔形成结构紧邻线5-5的冲击孔形成结构84。当比较图5与图6时，显然在此示例性实施例中，冲击孔形成结构84的第一行90内的相邻冲击孔形成结构84交替它们所指向的侧。如图所示，它们可以每隔一个进行交替，或者它们可以在其它组中进行交替，例如，两个指向一侧，以及随后两个指向另一侧等。

图5和图6中还可见冲击孔形成结构84的第二行92。在此视图中，能够看出第一行90和第二行垂直（即，从翼型的底座至翼型的末梢）偏移。这使得冷却流体所采用的路径更曲折，且因此更有效。

图7示出铸件型芯试样100，其展示了将用于后缘部分30的冷却布置。此示例性实施例使用三重冲击冷却布置，其包括冲击孔形成结构84的第一行90、第二行92和第三行102。能够看出人字纹布置形成结构104形成于铸件型芯试样100的外表面106中，并且配置来形成后缘部分30的内表面中的人字纹布置。能够看出，在每一行90、92、102内，冲击孔形成结构84交替它们的方向。还能够看出，人字纹布置形成结构104与冲击孔形成结构84协调，使得冲击射流将引导冷却流体至相应的人字纹布置上。

图8示出使用图7的铸件型芯试样100形成的铸件110的一部分的截面图。在以前出现铸件型芯试样100的地方会存在空隙112，并且此空隙112表示将新鲜冷却流体40供应到冲击孔24的第一行22的上游腔体42。还可见冲击孔24的第二行26和第三行28，以及人字纹布置120的第一行114、第二行116和第三行118。每个人字纹布置120可具有一个或超过一个的单独的人字纹122。使用冲击孔24的第一行22来解释每一行的构型，能够看见存在取向至页面中的第一组冲击孔124以及取向成从页面出来的第二组冲击孔126。能够将第一组冲击孔124看作是引导冲击射流48朝向吸力侧14上的凹形的第一行内部表面62上的目标区域60的冲击孔。类似地，能够将第二组冲击孔126看作是引导冲击射流48朝向压力侧12（此视图中不可见）上的凸形的第一行内部表面上的目标区域60的冲击孔。

冲击孔24的截面可以是圆形的，但由于它们朝向第一行内部表面62倾斜，因此，具有圆形截面的冲击孔24形成椭圆形的目标区域60。目标区域60的尺寸可变化，并且可包括较小目标区域130、中等目标区域132和较大目标区域134，其中该尺寸与人字纹布置120位于目标区域60内的程度相关。通过改变冲击孔24本身的截面的形状，可改变目标区域60的周界136的形状。例如，如果冲击孔的截面是具有长轴取向成页面中或页面外的椭圆形，则周界136的椭圆度将从由具有圆形截面的冲击孔所产生的椭圆度开始增加。相反，如果截面的椭圆取向成使得长轴更平行于第一行内部表面62，则周界136的形状将更圆。同样，通过改变冲击角度52，周界136的椭圆度能够改变。冲击孔24的截面的形状和冲击角度52能够根据需要进行操纵，以实现对于目标区域60的周界136所需的任何形状。此外，对于所有目标区域60，周界136的形状可以相同，或者一些或所有目标区域60可具有自己独特的周界形状。这些周界形状可经选择以适应局部冷却需求和局部几何形状等。

每个人字纹122包括末梢140和两个翼142。相邻的人字纹122在其之间形成凹槽144，该凹槽可用来引导冷却流体。末梢140可以是闭合末梢146或开口末梢148。翼142可以是连续的150或不连续的152。从一个人字纹布置120到下一个，人字纹布置120的构型可以不同，并且其可经选择以适应局部冷却需求和局部几何形状等。人字纹122可跨过其整个目标区域60，或者目标区域60可比人字纹122的跨度大。人字纹布置120中的一个或所有人字纹122的末梢140可设置在目标区域60内。

用过的冷却流体64可在由人字纹122的翼142所形成的凹槽144中流动。这些凹槽144可取向成使得它们沿着在不存在人字纹布置120时用过的冷却流体64将采用的相同路径来引导用过的冷却流体64。换言之，如果不存在人字纹布置120，用过的冷却流体64中出现的流线160将自然地遵循一定路线。人字纹布置120能够配置来使得翼142和/或凹槽144遵循如人字纹布置162中所示的相同流线。结果是用过的冷却流体64将因存在人字纹布置120而损失很少能量或不损失能量，但将受益于人字纹布置所形成的增加的表面区域。

可替代地，翼142和/或凹槽144能够与用过的冷却流体64自然形成的流线160设置成一定角度，如人字纹布置164中所示。这种构型迫使用过的冷却流体64流过翼142，并且这形成湍流，由此提高冷却效果。翼142的长度和翼142与自然流线160的翼角166需要设计成打破增加湍流（且因此提高冷却效率）的需求与降低可在翼142的下游侧上形成的边界层的需求之间的平衡，其形成在更长的翼142长度和更大的翼角166的情况下。翼角166还将确定所形成的湍流遵循翼142和/或凹槽的程度，这也影响传热。类似地，如果翼142不连续，则间隙168之间的长度需要选择成使得通过将湍流形成与边界层形成进行平衡来最大化冷却效率。

在示例性实施例中，翼142和/或凹槽144能够配置来引导用过的冷却流体64朝向随后的冲击孔24的冲击孔入口44。例如，人字纹布置180引导来自第二行冲击孔182的用过的冷却流体64朝向第三行冲击孔184、186的冲击孔入口44。这是为了提高通过后缘部分30的流动效率。可替代地，翼142和/或凹槽144能够配置来引导用过的冷却流体64朝向冲击孔24之间的应该在此位置需要更大的流体混沌状态的空隙结构188。

在示例性实施例中，冷却布置可配置成使得目标区域60内的滞留点190布置在人字纹布置120中的一个或所有人字纹122的末梢140的上游。这样确保用过的冷却流体64沿着翼142和/或凹槽144流动远离末梢140，与向上游朝向末梢140流动相反，从而确保更均匀的流。

考虑具有其它表面特征部和流动路径的各种冷却布置，但至少由于增加了表面区域和增加了湍流，同时允许使用铸件型芯82（其可由陶瓷材料制成）形成与翼型10集成的后缘部分30，这种对相应人字纹肋进行有角度冲击的多行组合提供最大的传热速率。图9中能够看出使用此文中所公开的布置所得到的改善的传热测试结果。与产生于其它构型的结果相比，所有结果都低于产生于此文中所公开的构型的结果，显然这种提高的冷却表示本领域中的改进。

尽管本文中已经示出并且描述了本发明的各实施例，但将明白的是，此类实施例仅以示例的方式提出。在不脱离本发明的情况下，可进行多种变形、变化和替换。因此，预期本发明仅由所附权利要求书的精神和范围所限制。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机部件，其包括：

压力侧，其包括压力侧内部表面；

吸力侧，其包括吸力侧内部表面；

后缘部分；

设置于所述后缘部分中的多个吸力侧冲击孔和压力侧冲击孔，

其中每个吸力侧冲击孔配置成以锐角引导冲击射流至伸长的目标区域上，所述目标区域包括在所述吸力侧内部表面中形成的人字纹布置内的人字纹的末梢；以及

其中每个压力侧冲击孔配置成以锐角引导冲击射流至目标区域上，所述目标区域包括在所述压力侧内部表面中形成的人字纹布置内的人字纹的末梢。

2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述吸力侧冲击孔的出口设置于中线的吸力侧上，并且所述压力侧冲击孔的出口设置于所述中线的压力侧上。

3.根据权利要求1所述的部件，其中，在冲击所述人字纹的所述末梢之后，用过的冲击空气发生随着每个受冲击的人字纹布置中的所述人字纹的翼的分叉而发生分叉。

4.根据权利要求1所述的部件，其中，至少一个人字纹布置包括多个人字纹，所述多个人字纹中的每个人字纹的末梢设置于相应的目标区域中，并且所述多个人字纹中的所述人字纹的翼在其之间形成至少一个凹槽，用过的冷却空气在所述凹槽中流动。

5.根据权利要求4所述的部件，其中，所述凹槽取向成沿着所述用过的冲击空气将自然遵循的流线。

6.根据权利要求1所述的部件，其中，至少一个人字纹是不连续的。

7.根据权利要求6所述的部件，其中，至少一个人字纹的所述末梢是开口的。

8.根据权利要求1所述的部件，其中，至少一个人字纹是连续的。

9.根据权利要求1所述的部件，其中，至少一个人字纹跨过整个相应的目标区域。

10.根据权利要求1所述的部件，其中，每个冲击孔配置成相对于用过的冲击空气的流动方向，将所述目标区域中的滞留点定位在相应的人字纹的末梢的上游。

11.根据权利要求1所述的部件，其进一步包括设置于多个冲击孔的下游处的第二级冲击孔，

其中，每个吸力侧第二级冲击孔配置成以锐角引导冲击射流至伸长的目标区域上，所述目标区域包括进入吸力侧内部壁中的人字纹布置内的人字纹的末梢，

其中，每个压力侧第二级冲击孔配置成以锐角引导冲击射流至伸长的目标区域上，所述目标区域包括进入压力侧内部壁中的人字纹布置内的人字纹的末梢，以及

其中，来自所述多个冲击孔的用过的冲击空气由相应的人字纹的翼引导到相应的第二级冲击孔中。

12.根据权利要求11所述的部件，其中，来自每个所述多个冲击孔中的用过的冲击空气由相应的人字纹的翼引导到两个相应的第二级冲击孔中。

13.一种燃气涡轮发动机部件，其包括：

内部表面，其包括人字纹布置；以及

冲击孔，其配置成以不同于直角的角度引导冷却流体的冲击射流至所述内部表面上，其中所述冲击射流的目标区域包括所述人字纹布置内的人字纹的末梢，并且其中所述人字纹的翼分叉，以及用过的冲击空气也随着发生分叉。

14.根据权利要求13所述的部件，其包括：

相对的内部表面；以及

多个冲击孔，其设置于所述内部表面与所述相对的内部表面之间，每个冲击孔配置成以不同于直角的角度引导冷却流体的冲击射流至所述内部表面上，并且其中，所述多个冲击孔中的一些配置成引导冷却流体的相应的冲击射流至所述内部表面上，其中，所述多个冲击孔中的一些配置成引导冷却流体的相应的冲击射流至所述相对的内部表面上，其中，每个冲击射流的目标区域包括相应的人字纹布置内的人字纹的末梢，并且其中，所述相应的人字纹的翼分叉，以及用过的冲击空气也随着发生分叉。

15.根据权利要求14所述的部件，其中，所述冲击孔在引导冲击射流至所述内部表面上与引导冲击射流至所述相对的内部表面上之间进行交替。

16.根据权利要求14所述的部件，其中，所述多个冲击孔设置于翼型的后缘部分中，所述内部表面设置于所述翼型的吸力侧上，并且所述相对的内部表面设置于所述翼型的所述压力侧上。

17.根据权利要求13所述的部件，其中，所述人字纹布置包括多个人字纹，每个人字纹的末梢设置于所述目标区域中，并且每个人字纹的翼分叉，且用过的冲击空气随着发生分叉。

18.根据权利要求13所述的部件，其中，所述人字纹是不连续的。

19.根据权利要求13所述的部件，其中，所述人字纹的所述末梢是开口的。

20.根据权利要求13所述的部件，其中，所述人字纹的所述翼取向成与所述用过的冲击空气将自然遵循的流线成角度。