CN106437862B - 用于冷却涡轮发动机部件的方法和涡轮发动机部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冷却涡轮发动机部件的方法和涡轮发动机部件。公开用于冷却涡轮发动机的方法，该方法包括：沿着部件的壁（100）的热气体侧表面（110）并在主工作流体流动方向上引导工作流体流动（50）；在热气体侧表面处从设置在壁中的冷却剂排出管（210）排出冷却剂排出流动（350）；将冷却剂供应流动（310）供应到冷却剂排出管并且通过冷却剂供应路径，其特征在于，将冷却剂供应流动以定向成横穿冷却剂排出管的横截面的自由射流（340）排入到冷却剂排出管中，以及将自由射流（340）引导到冷却剂排出管的内表面部分（211）上，从而实现内表面部分的冲击冷却。还公开了适于并被构造成实施该方法的涡轮发动机部件。

Description

用于冷却涡轮发动机部件的方法和涡轮发动机部件

技术领域

本公开涉及一种用于冷却涡轮发动机部件的方法，和适于并被构造成实施所述方法的涡轮发动机部件。

背景技术

本领域中已知通过所谓的薄膜冷却来冷却涡轮发动机中的热加载部件。在燃气涡轮发动机的膨胀涡轮机中可发现典型示例，其中，热气体路径中（并且尤其在第一膨胀涡轮级的热气体路径中）的叶片、轮叶、平台和其它部件暴露于具有超过用于这些部件的材料的允许温度的温度的热气体流动，当考虑部件在操作发动机时所暴露于的显著机械应力时更多。

在应用薄膜冷却时，相对较冷流体的层被提供成沿着部件的暴露于热工作流体流动的表面流动。

为在部件表面上提供薄膜冷却流体，在部件的壁中设置管，所述管在所述部件的暴露于热气体的壁的暴露于热气体的表面上向外打开。所述管相对于壁的暴露于热气体的表面或热气体侧表面的法线倾斜。管倾斜到沿着部件流动的工作流体的主方向中，使薄膜冷却流体带有平行于工作流体的速度的速度分量且与暴露于热气体的表面相切地排出，使得所述薄膜冷却流体的层被提供。然而，薄膜冷却剂排出管的数量本质上受限。在薄膜冷却剂流动下游，冷却效果沿着热气体侧表面朝着布置在下游的相邻冷却剂排出管迅速降低。因此，冷却剂效果沿着工作流体流动的主方向变得相当不均匀，并且也在横穿工作流体流动的主方向上变得相当不均匀，同样冷却剂排出管的横向（与工作流体流动的主方向相关）定位的表面部分不足地被冷却。因此，暴露于热气体的表面的冷却可变得相当不均匀，并且继而部件的暴露于热气体的壁的温度分布变得相当不均匀。这可导致局部热点，并且还导致热应力，这两者都潜在地损害部件使用寿命，或需要更坚固尺寸的部件，或这两者。

此外，设置为在部件壁的冷却剂侧和部件壁的热气体侧表面之间延伸的通路的冷却剂排出管减小部件的机械强度，并且在壁中设置更大数量的冷却剂排出管时所述机械强度减小的更多。即，提供到壁的冷却（以便提供冷却）越多，机械强度减小得就越多。此外，需要考虑的是，大量的冷却剂排出管需要大量的冷却剂流动。然而，冷却剂的总体质量流动可通过各种作用显著影响总体发动机效率和性能。在壁的热气体侧表面上排出的冷却剂可对工作流体流动场和温度有影响。如果例如冷却剂从燃气涡轮机发动机的压缩机流出，则因此冷却剂的消耗可具有负面影响。因此，一方面，期望尽可能有效地使用冷却剂以便减小冷却剂消耗。进一步可发现期望提供冷却剂排出管并将其布置成以便将冷却剂尽可能均匀地分配在部件的热气体侧表面上。

因此，一方面，本领域已提出提供冷却剂排出管使得其像狭槽一样向外打开到部件壁的热气体侧上，其中，狭槽的长轴线定向成横穿主工作流体流动方向以便在横穿主工作流体流动方向上提供改善的冷却效果。从US 4,726,735进一步已知，将冷却剂排出管设置成未穿透壁并朝着壁的冷却剂侧封闭的盲腔。根据US2001/0016162，冷却剂通过冷却剂供应路径供应到冷却剂排出管，冷却剂供应路径进一步包括布置在冷却剂排出管下游（与主工作流体流动方向相关）的近壁冷却管。因此，在冷却剂排出管下游以及在壁的设置在两个冷却剂排出管之间的区域中提供逆流近壁冷却，所述两个冷却剂排出管沿着工作流体的主流动方向布置。

然而，在冷却剂排出管的直接上游界定冷却剂排出管的壁区域中可仍然是相对弱的冷却，然而在所述区域中由于冷却剂排出管的倾斜导致提供低的材料强度。

发明内容

本公开的目标是提供一种用于冷却涡轮发动机部件的方法和适于并构造成实施所述方法的涡轮发动机部件。在一个方面中，实现了部件的改善冷却。在另一方面中，提供冷却剂的有效使用。在又另一方面中，在暴露于热气体的部件中将实现更均匀的冷却并且继而更均匀的温度分布。这继而用于节省昂贵的冷却剂，诸如从燃气涡轮发动机中的压缩机流出的冷却空气。在又另一方面中，将获得在冷却剂排出管上游（在考虑主工作流体流动方向时）界定冷却剂排出管的表面的有效冷却。

所公开主题的其他效果和优点（不管是否明确提及）根据下面所提供的公开将变得明显的。

这通过在本发明中所描述的主题来实现。

因此，公开一种用于冷却涡轮发动机的方法，所述方法包括：沿着所述部件的壁的热气体侧表面并在主工作流体流动方向上引导工作流体流动；在热气体侧表面处从设置在壁中的冷却剂排出管排出冷却剂排出流动；以及向冷却剂排出管供应冷却剂供应流动并且通过冷却剂供应路径。将理解的是，在这个程度所述部件旨在具体使用，并且因此主工作流体流动方向是所述部件和/或相应地该部件暴露于热气体的壁的明确定义的定向。所述部件可例如是叶片、轮叶、翼型件、平台、挡热板等等，其具有空气动力学形状和/或以独特方式与预期主工作流体流动方向相关的固定装置。所述方法还包括将冷却剂供应流动以自由射流排入到冷却剂排出管中，该自由射流被定向成横穿冷却剂排出管的横截面，以及将自由射流引导到冷却剂排出管的内表面部分上，从而实现所述内表面部分的冲击冷却。在实现冷却剂排出管内表面部分和部件壁的相应部分的冲击冷却时，显著改善在相应位置处的冷却。

根据本公开的一个方面的自由射流可通过引导冷却剂供应流动通过适当的射流产生装置（诸如喷嘴）并从所述装置排出自由射流被提供。引导冷却剂供应流动通过设置在冷却剂供应路径和冷却剂排出管的接合处的适当装置可用于在所述装置中使冷却剂供应流动加速，并且因此提供尤其很好适用于实现冲击冷却的高速且高脉冲自由射流。可替代或额外于喷嘴使用用于提供自由射流，并且更具体地用于加速被引导到冷却剂排出管的冷却剂供应流动的其他装置。在提供冷却剂供应路径（冷却剂供应流动通过该冷却剂供应路径提供）的流动加速部分，并且尤其提供实现连续流加速的加速部分（诸如例如喷嘴）的情况下，当与简单孔口（如将通过简单计量孔提供的）相比较时，获得更限定且单向的自由射流流动。冲击冷却效率和有效性得以增强并变得更可预测。

更具体地，所述方法可包括在与盲端或者相对于冷却剂排出管内的冷却剂流动方向的上游端相距某一距离处将冷却剂供应流动排出到冷却剂供应管中。在这个程度上，冷却剂流动方向或者冷却剂排出流动方向可从冷却剂排出管的内部朝着排出开口被定义，冷却剂通过该排出开口在热气体侧表面处被排出。这使得冲击冷却自由射流能更均匀地散布在其冲击的表面上。冷却剂供应开口或喷嘴（冷却剂供应流动通过其被排出到冷却剂排出管中）在冷却剂流动方向上具有尺寸，或在具体实施例中具有直径。所述冷却剂供应开口的下边缘或上游边缘与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开一定距离，所述距离在一些实施例中大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的50%，并且在又进一步的实施例中大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的70%。在另一方面中，当沿着冷却剂流动方向观察时，冷却剂供应开口的中心与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开一定距离，该距离大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径，并且更具体地大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的1.2倍。冲击冷却效果得以改善。

在另一方面中，所述方法可包括在排出位置处沿着相对于热气体侧表面的法线倾斜的方向排出冷却剂排出流动，由此冷却剂排出管相对于所述法线倾斜，从而具有朝着所述壁的热气体侧表面设置的第一内表面部分；以及将自由射流引导至所述第一内表面部分上。在该方面中，应理解的是热气体侧表面可以是弯曲的，并且被选作基准的所述法线然后可以是在热气体侧表面上的相应冷却剂排出位置处的法线。尤其，如果所述倾斜被选择成使得冷却剂排出流动定向在主工作流体流动下游，则所述实施例支持在所述壁的热气体侧表面上提供如上所述的薄膜冷却层。在该方面中，可以说，所述方法的实施例包括在热气体侧表面上并且更具体地在冷却剂排出开口下游提供薄膜冷却层。换句话说，可以说是实施所述壁的热气体侧表面的薄膜冷却。这在提供带有朝着热气体侧表面的法线的相应倾斜的冷却剂排出管，和/或冷却剂排出管在冷却剂排出开口处的适当轮廓的情况下实现。冷却剂排出管的大量适当轮廓在本领域是已知的或可在未来对技术人员变得已知。然而，在使冷却剂排出管倾斜，并且继而相应地使冷却剂排出流动在主工作流体流动方向下游倾斜的情况下，界定冷却剂排出管的表面将包括下述部分，该部分朝着所述壁的热气体侧表面设置并且在某些实施例中相对于主工作流体流动方向构成冷却剂排出管的上游界定表面。可以说是冷却剂排出管从壁内侧到冷却剂排出开口的定向相对于所述法线倾斜，冷却剂排出管在冷却剂排出开口处向外打开到热气体侧表面上。邻近界定冷却剂排出管的内表面的所述表面部分，在冷却剂排出管的界定表面和热气体侧表面之间仅可存在小的壁厚度。此外，由于位于上游位置处，所以所述壁部分可能未充分受益于从冷却剂排出管发出的薄膜冷却层。该壁部分可因此尤其易受来自工作流体流动的热摄入的影响。根据本公开提供一种用于该状况的解决方案，即从冷却剂供应路径提供自由射流，以及将冷却剂供应流动的自由射流引导到冷却剂排出管的所述内表面部分上并因此实现相应壁部分的冲击冷却。

在该方面中，所述方法可进一步包括提供沿着射流方向具有定向成从壁的冷却剂侧表面并朝着壁的热气体侧表面的，和/或定向成主工作流体流动方向上游的速度分量中的至少一个的自由射流。

所述方法可还包括在将冷却剂供应流动排入到冷却剂排出管中之前，在壁的冷却剂侧表面和壁的热气体侧表面之间的壁内侧引导冷却剂供应流动，并且定向成与主工作流体流动方向相对并沿着流动路径长度，所述流动路径长度超过在冷却剂侧表面和热气体侧表面之间设置的壁厚度。所述流路径长度尤其可超过壁厚度5倍或更多，和更具体地10倍或更多。这样，实施所述壁的逆流对流性近壁冷却。尤其，在壁内侧的冷却剂供应流动的流动路径至少基本上平行于热气体侧表面。

所述方法可进一步包括沿着主工作流体流动方向和/或横穿主工作流体流动方向在多个位置处排出冷却剂排出流动，并且尤其通过设置在壁中并在相应多个排出位置处向外打开到所述壁的热气体侧上的独立冷却剂排出管排出冷却剂排出流动。

公开一种包括壁的涡轮发动机部件，所述壁具有热气体侧表面和冷却剂侧表面，所述部件包括设置在所述壁中并且向外打开到热气体侧表面上的至少一个冷却剂排出管。所述部件进一步包括与冷却剂排出管流体连通的冷却剂供应路径，其中，冷却剂排出管和冷却剂供应路径被布置成实施本文中所描述的方法。

公开一种包括壁的涡轮发动机部件，所述壁具有热气体侧表面和冷却剂侧表面，所述部件进一步包括设置在所述壁中并且向外打开到所述壁的热气体侧表面上（尤其通过设置在热气体侧表面上的冷却剂排出开口）的至少一个冷却剂排出管。所述冷却剂排出管通过其内表面界定。所述部件还包括设置在所述壁中并与冷却剂排出管流体连通的冷却剂供应路径。冷却剂供应路径在冷却剂排出管的横向界定表面处以非零角度接合冷却剂排出管。设有用于提供自由射流的装置，该自由射流从冷却剂供应路径发出并到冷却剂排出管中。所述装置可尤其设置为冷却剂供应路径的流动加速横截面，其设置成位于或邻近于冷却剂供应路径和冷却剂排出管的接合处。因此，从冷却剂供应路径进入冷却剂排出管的流动被定向成横穿冷却剂排出管。在流体供应流动进入冷却剂排出管之前或正在进入冷却剂排出管时加速流体供应流动的情况下，将产生横穿冷却剂排出管的高脉冲射流，其冲击冷却剂排出管的相对内表面部分并实现冲击冷却，如上所述。流动加速横截面可被成形为设置在冷却剂供应路径和冷却剂排出管的接合处的喷嘴。在提供冷却剂供应路径的流动加速部分，且尤其提供实现连续流动加速的加速部分（诸如例如喷嘴）的情况下，当与简单孔口（如将通过简单计量孔提供的）相比较时，获得更限定且单向的自由射流流动。冲击冷却效率和有效性得以增强并变得更加可预测。

冷却剂排出管可在壁中被设置为盲腔并朝着冷却剂侧表面封闭。这可用于改善所述部件的机械强度和结构完整性并继而提高使用寿命。这通过在冷却剂排出管的横向壁处提供接合冷却剂排出管的冷却剂供应路径实现。

在涡轮发动机部件的某些示例性实施例中，冷却剂供应路径通过开口接合冷却剂排出管，所述开口设置在冷却剂排出管的布置在相对于主工作流体流动方向的下游侧上的横向界定表面部分中。这支持冷却剂排出管的设置在主工作流体流动方向上游的内壁部分的冲击冷却。

更具体地，冷却剂供应路径可在与盲端或者相对于冷却剂排出管内的冷却剂流动方向的上游端相距某一距离处接合冷却剂排出管。这使得从冷却剂供应路径发出并到冷却剂排出管中的冲击冷却自由射流能更均匀地散布在其冲击的表面上。冷却剂供应开口或喷嘴（冷却剂供应路径通过其接合冷却剂排出管）在冷却剂流动方向上具有尺寸，或在具体实施例中具有直径。所述冷却剂供应开口的下边缘或上游边缘与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开一定距离，所述距离在某些实施例中大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的50%，并且在又进一步的实施例中大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的70%。在另一方面中，当沿着冷却剂流动方向观察时，冷却剂供应开口的中心与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开一定距离，该距离大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径，并且更具体地大于或等于所述冷却剂供应开口尺寸或直径的1.2倍。冲击冷却效率得以改善。

冷却剂排出管可以相对于热气体侧表面的法线以第一角度倾斜，当考虑冷却剂排出管从壁内侧到设置在热气体表面上的排出开口的定向时，所述倾斜指向所述部件的主工作流体流动方向下游。可以说，第一角度位于由主工作流体流动方向和所述法线限定的平面中。从另一个角度来看，可以说冷却剂排出管沿着或切向于热气体侧表面的定向定义主工作流体流动方向由于倾斜被提供。冷却剂排出管的方向可由其轴线定义。从另一个角度来看，冷却剂排出管的内部界定表面的定向可以说定义了所述定向并且继而所述倾斜。从又另一个角度来看，冷却剂排出管的内部界定表面的平均定向可以说定义了所述定向并继而所述倾斜。冷却剂排出管的横向界定表面因此包括朝着所述壁的热气体侧表面设置的第一表面部分和朝着所述壁的冷却剂侧表面设置的第二表面部分。冷却剂供应路径通过设置在第二表面部分中的开口接合冷却剂排出管。冷却剂供应流体的发出射流因此被引导到相对的第一表面上，其继而设置成朝着所述壁的热气体侧表面。

在另一方面中可以说，在冷却剂供应路径与冷却剂排出管的接合处，冷却剂供应路径定义指向部件主流动方向上游并朝着热气体侧表面的流动方向。在另一方面中可以说，设置成位于或邻近于所述接合处并在冷却剂供应路径中的喷嘴或任何其他流动加速装置限定指向部件主流动方向上游并朝着热气体侧表面的流动方向。

尤其，冷却剂供应路径可与设置成邻近壁的冷却剂侧表面的冷却剂供应容积流体连通，以便提供从所述供应容积到冷却剂排出管的冷却剂流动。

在根据本公开的涡轮发动机部件的又进一步实施例中，冷却剂供应路径包括沿着壁的纵长范围在壁内侧延伸的近壁冷却管。在该方面中，壁的纵长范围将被理解为在壁的热气体侧表面和壁的冷却剂侧表面之间并沿着其延伸，或基本上与其对准。在某些方面中，可被理解为平行于热气体侧表面和冷却剂侧表面中的至少一个。在具体方面中，可被理解为至少基本上平行于主工作流体流动方向延伸。近壁冷却管从其第一端延伸到其第二端，其中，用于提供自由射流的装置（如在特定实施例中的喷嘴）可设置成邻近近壁冷却管的第二端，并且近壁冷却管的第一端相对于主工作流体流动方向设置在近壁冷却管的第二端下游。如上面标出的，借助于该实施例，在冷却剂供应流动从冷却剂供应路径排出到冷却剂排出管中之前实现对流性逆流近壁冷却。在更具体实施例中，近壁冷却管至少基本上平行于热气体侧表面延伸。

近壁冷却管的内表面可被成形为以便改善近壁冷却管的表面和通过近壁冷却管的冷却剂供应流动之间的热传递，和/或可装备有增强热传递的元件。可应用技术人员已知的强化在界定近壁冷却管的表面和通过其的冷却剂流动之间的热传递的任何装置，诸如但不限于连接相对表面的柱、近壁冷却管的界定表面可呈波浪形等等。在具体实施例中，湍流产生元件设置在近壁冷却管内或在其内表面上。

在根据本公开的涡轮发动机部件的又进一步实施例中，冷却剂流入管设置成在壁的冷却剂侧表面和近壁冷却管之间延伸，并且在近壁冷却管的侧壁处接合近壁冷却管，其中，该接合处设置成位于或邻近近壁冷却管的第一端，并且尤其设置在近壁冷却管的朝着壁的冷却剂侧表面布置的侧部上。还可构思，自由射流产生装置，类似于上述的位于或邻近于冷却剂供应路径和冷却剂排出管的接合处，被设置成邻近于或位于冷却剂流入管和近壁冷却管的接合处。尤其在冷却剂流入管在朝着冷却剂侧设置的其内表面处接合近壁冷却管的实施例中，自由射流冲击近壁冷却管的朝着热气体侧表面设置的相对内表面部分。如将理解的，在该表面部分处的所述部件的壁部分可设置成相对远离在热气体侧表面上的冷却剂排出位置下游（再次与主工作流体流动方向相关），并可因此经受相当高的热负载。借助来自冷却剂流入管的冲击自由射流，实现所述壁部分的有效冲击冷却。

如对于技术人员已经明显的，横穿及沿着主工作流体流动方向的近壁冷却管的范围可被选择成大于在冷却剂侧表面和热气体侧表面之间的方向上的横截面范围。

所述部件可设置有多个单独的冷却剂排出管，尤其设置在部件的壁中并沿着和/或横穿主工作流体流动方向分布。根据上面的本公开可设置一个或多个冷却剂排出管。

如将理解的，某些实施例可能需要在部件的壁内侧设置复杂的管几何结构。所述管可不通过凿削移除方法（chip removing method）昂贵地制造或可仅通过凿削移除方法昂贵地制造。因此所述部件可尤其通过高精度铸造获得。在进一步实施例中，所述部件可通过额外的生产方法获得，诸如但不限于选择性激光熔化或选择性电子束熔化。

进一步公开一种包括如上所述的涡轮发动机部件和/或应用在本文中公开的冷却方法的燃气涡轮发动机。

将理解的是上面所公开的特征和实施例可彼此组合。进一步将理解的是在本公开及所要求保护的主题的范围内可构思对技术人员明显和显而易见的其他实施例。

附图说明

现在通过在附图中示出的选择的示例性实施例更详细地解释本公开的主题，附图示出

图1是包括如上所述的冷却剂布置并适用于实施根据本教导的方法的涡轮发动机部件的壁的截面视图，揭示了冷却剂排出管的纵向截面；

图2是冷却剂排出管的第一示例性实施例的截面视图；

图3是冷却剂排出管的又一示例性实施例的截面视图；

图4是包括如上所述的冷却剂布置并适用于实施根据本教导的方法的涡轮发动机部件的壁的又一实施例；

图5是根据本公开的涡轮发动机部件的示例性实施例。

应理解的是附图是高度示意性的，并且为了易于理解和描绘可能已省略对于教导目的不需要的细节。进一步应理解的是附图仅示出选择的、说明性实施例，并且未示出的实施例可仍然也在本文中所公开的和/或所要求保护的主题的范围内。

具体实施方式

图1示出涡轮发动机部件的壁100的实施例。壁100包括热气体侧表面110和冷却剂侧表面120。当部件安装在涡轮发动机中并且操作涡轮发动机时，热气体侧表面110预期暴露于工作流体流动50。部件尤其预期安装在涡轮发动机中，使得工作流体流动在由箭头（在50处）指示的主工作流体流动方向上沿着部件壁100的热气体侧表面110流到主工作流体流动下游方向。在这个程度上，能够定义与主工作流体流动方向相关的部件或相应地壁100的上游和下游方向。工作流体流动50可例如在燃气涡轮发动机的膨胀涡轮机中在高温下存在。尤其，安装在这样的膨胀涡轮机的第一级中的部件因此需要冷却。冷却剂排出管210设置在壁100中。冷却剂排出管210由设置在壁100内侧的界定表面界定。冷却剂排出管的轴线213相对于热气体侧表面110的法线111倾斜角度a，并且当考虑冷却剂排出管210从壁内侧到设置在热气体侧表面上的排出开口的定向时轴线213朝着工作流体主流动的下游方向歪斜。在另一方面中，界定表面的第一部分211和界定表面的第二部分212相对于所述法线倾斜，并且朝着主工作流体流动方向的下游定向歪斜。将理解的是壁100可以是弯曲的，并且因此热气体侧表面110可以是弯曲的。技术人员将容易理解的是在该情况下在流体排出管向外打开到热气体侧表面上的位置（即，排出位置）处的局部法线将用于定义所述法线或相应地所述倾斜。冷却剂排出流动350从冷却剂排出管210通过设置在热气体侧表面上的冷却剂排出开口排出并且被提供为在热气体侧表面110上流动的冷却剂层，因此一方面将热从部件或相应地部件壁100移除，并且此外还将壁的热气体侧表面与主工作流体流动50分离。由于冷却剂排出管210的倾斜，第一表面部分211朝着热气体侧表面设置，并且第二表面部分212朝着壁100或相应地部件的冷却剂侧表面设置。在另一方面中，可以说界定表面的第一部分211设置在上游，同时界定表面的第二部分212设置在下游，在每种情况下均与主工作流体流动方向相关。冷却剂排出管被设置为在壁100内侧的盲腔，即，从热气体侧表面到冷却剂侧表面不完全穿透壁。冷却剂排出管朝着壁的冷却剂侧表面120封闭。为了向冷却剂排出管提供冷却剂，设置有冷却剂供应路径，其包括冷却剂流入管230和近壁冷却管220。多个冷却剂流入管通常可设置成与近壁冷却管流体连通，并且位于在近壁冷却管的宽度上延伸的排中。在该特定实施例中，近壁冷却管220设置在壁100内侧并且沿着如由主工作流体流动方向限定的壁的纵长范围延伸。尤其，近壁冷却管可布置成至少基本平行于壁100的热气体侧表面110延伸。冷却剂流入管从壁的冷却剂侧表面120延伸。冷却剂流入管在近壁冷却管的横向表面处，并且靠近近壁冷却管的第一端接合近壁冷却管。在本实施例中，所述第一端相对于主工作流体流动方向是近壁冷却管的下游端。所述第一端相对于近壁冷却剂流动方向是近壁冷却管的上游端。近壁冷却管220在壁内从第一端延伸到第二端，其中，第二端相对于主工作流体流动方向设置在第一端上游。喷嘴250设置成邻近近壁冷却管的第二端，并且在冷却剂排出管的横向表面处（即，在朝着壁的冷却剂侧120设置的第二或下游表面部分212处）接合冷却剂排出管210。冷却剂供应路径以非零角度接合冷却剂排出管，并且在该特定实施例中，至少基本以直角接合。冷却剂流入管230向外打开到冷却剂侧表面120上。因此，冷却剂供应路径与设置成邻近壁100的冷却剂侧表面120的冷却剂供应容积150流体连通。如在310处指示的，冷却剂供应流动从冷却剂供应容积150流动并流到冷却剂流入管230中。在与近壁冷却管220的接合处，设置喷嘴240。所述喷嘴对于本公开的教导不是必要的，但是是可良好构思的实施例。通过喷嘴240，冷却剂自由射流320进入近壁冷却管220中，并且实现近壁冷却管的界定表面的一部分的冲击冷却，该部分朝着壁的热气体侧表面设置并且因此暴露于来自工作流体流动50的热摄入，尽管所述热摄入通过在热气体侧表面上流动的冷却剂流动350被减少。当近壁冷却流动330在定向成从近壁冷却管的第一端到近壁冷却管的第二端的方向上时，冷却剂供应流动进一步流过近壁冷却管220。近壁冷却流动330的流动方向被定向成与主工作流体流动方向50相对。因此，实现壁的逆流冷却。为了强化近壁冷却剂流动330和近壁冷却管220的界定表面之间的热交换，突出元件225布置在所述界定表面上并且用作湍流器。此外，湍流器增大参与热传递的表面面积。强化在界定近壁冷却管的表面和通过其的冷却剂流动之间的热传递的技术人员已知的其他装置可替代或额外于突出部存在，所述装置诸如但不限于连接相对表面的柱、近壁冷却管的界定表面可呈波浪形等等。近壁冷却剂流动330然后从冷却剂供应路径通过喷嘴250以自由射流340排出并排到冷却剂排出管210中。自由射流340冲击界定冷却剂排出管的界定表面的第一表面部分211并且实现所述表面的冲击冷却，并且因此实现壁100的相关部分的冲击冷却。通过自由射流340排入到冷却剂排出管210中的冷却剂随后在壁100的热气体侧表面110处作为冷却剂排出流动350排出，并且形成如上所述的薄膜冷却流动。在设有喷嘴250和240，并且因此连续加速流过喷嘴250和240的流动以形成自由射流的情况下，与简单的孔口相比，获得更限定且单向的自由射流流动，从而增强冲击冷却效率。应注意，喷嘴250在与冷却剂排出管210的盲端或相对于冷却剂排出流动方向的上游端相距某一距离处接合冷却剂排出管210。这将关于图2更详细地标出。这使得自由射流340能更均匀地散布在冷却剂排出管的界定表面的第一部分211上。同样地，并且出于相同原因，应注意冷却剂流入管230或相应地喷嘴240在与近壁冷却管220的第一、盲端相距某一距离处接合近壁冷却管220。

将理解的是，冷却剂在其通过冷却剂排出管210排出之前的流动用于冷却壁100的延伸区域。尤其，向朝着热气体侧表面110设置的冷却剂管的表面区域施加冷却，并且因此施加至暴露于来自工作流体流动50的主要热摄入的壁100的部分。将进一步理解的是冷却沿着主工作流体流动方向在壁的相当大的纵向范围上变得有效。如在图1中可进一步看到，另外的冷却剂流入管和近壁冷却管可邻近冷却剂排出管210并且在其上游（相对于主工作流体流动方向）设置，并且可以以在本描绘中未示出，但对技术人员来说是明显的方式与另外的冷却剂排出管流体连通。因此，壁100的基本所有范围均可设有冷却特征，并且可在壁100内获得更均匀的温度分布。此外，由于所述冷却剂排出管界定表面部分的冲击冷却，实现了壁100的下述部分的有效冷却，该部分支承冷却剂排出管界定表面的第一部分并且在该处设置低的材料厚度。

图2示出在第一实施例中的沿着图1中的A-A的截面视图。尽管关于图1可见：当在壁的纵向截面中考虑冷却剂排出管从壁内朝着设置在壁100的热气体侧表面110上的排出开口214的定向时，流体排出管210汇聚；在该横截面方面中，当考虑相同定向时冷却剂排出管发散。冷却剂排出开口214呈现狭槽的形状，其中，狭槽的纵向定向延伸横穿工作流体流动50的方向。因此，冷却剂排出流动350被提供为延伸横穿主工作流体流动方向的冷却剂的层。冷却剂供应路径通过设置在冷却剂排出管的第二内表面部分212上的冷却剂供应开口251接合冷却剂排出管。冷却剂排出开口251在冷却剂流动方向上具有尺寸D，或在该情况下具有直径D。下边缘或上游边缘与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开距离l，距离l在某些实施例中大于或等于尺寸D的50%，并且在又进一步实施例中大于或等于尺寸D的70%。在另一方面中，冷却剂供应开口251的中心在沿着冷却剂流动方向观察时与冷却剂排出管的盲端或上游端间隔开距离L，距离L大于或等于D，并且更具体地大于或等于1.2D。

图3示出在第二实施例中的沿着图1中的A-A的截面视图。再次示出部件或相应地壁100的横截面视图，从而提供界定冷却剂排出管的内表面的第二部分212的平面图。各个冷却剂排出管在横穿主工作流体流动方向50的方向上布置成彼此邻近。各个冷却剂排出管在该横截面视图中被成形成并布置成使得其在壁100的热气体侧表面110处彼此接合。在热气体侧表面110上设有一个公共冷却剂排出狭槽214用于布置在壁的一个横截面中的冷却剂排出管。因此，在热气体侧表面110上提供排出的冷却剂350的大体均匀层。冷却剂通过在相应冷却剂排出管的内部界定表面的第二部分中的各个冷却剂供应开口251供应到冷却剂排出管。如关于图1所标出的，喷嘴在冷却剂供应开口251上游设置在冷却剂供应路径中，其中，在该情况下上游与冷却剂供应流动的方向相关，以便使冷却剂供应流动在其进入冷却剂排出管之前加速并且以便将冷却剂供应流动以自由射流排入到冷却剂排出管中。如关于图1所标出的，从冷却剂供应开口251排出的自由射流被提供用于冲击冷却冷却剂排出管的内表面的第一部分，该部分布置成与表面部分212相对并且界定朝着壁的热气体侧表面的冷却剂排出管。尽管上述第一内表面部分在本横截面视图中不可见，但其已关于图1被详细标出。

应注意并容易理解的是，尽管在上面示例性实施例中，已关于冷却剂排出管的具体几何结构对本文件的教导做出了解释，但根据本公开的教导可结合任何类型的冷却剂排出管（其尤其不穿透壁的）使用。例如，可将筒状、锥形、或任何类型的风扇状或大体带轮廓的盲腔用作冷却剂排出管。

图4示出利用本文中所公开的教导的示例性不太复杂的实施例。未穿透的冷却剂排出管210（即，朝着壁100的冷却剂侧表面120封闭并向外打开到壁的热气体侧表面110上的盲腔）设置在所述壁100中。如在关于图1到图3所示出的实施例中，冷却剂排出管在主工作流体流动方向50的方向上倾斜，使得冷却剂排出流动350具有指向主工作流体流动的方向的速度分量。因此，在设置在壁的热气体侧表面110处的冷却剂排出开口处排出的冷却剂在冷却剂排出开口下游在热气体侧表面上形成薄膜冷却层。冷却剂流入管230在壁的冷却剂侧表面120上打开，并且与设置成邻近冷却剂侧表面120的冷却剂供应容积150流体连通。供应到冷却剂流入管的冷却剂供应流动310在喷嘴250中加速，并且通过设置在冷却剂排出管210的界定表面的第二部分212中的开口排出并排到冷却剂排出管中。从而，其形成朝着界定冷却剂排出管的界定表面的第一部分引导的自由射流340，并且实现所述第一表面部分的冲击冷却。类似于上面标出的实施例，冷却剂排出管的界定表面的第一部分朝着壁100的热气体侧表面110设置，并且冷却剂排出管210的界定表面的第二部分212朝着冷却剂侧表面120设置。因此，再次，暴露于更高的热摄入的界定表面的表面部分通过自由射流340冲击冷却，并且受益于通过喷嘴250提供的冲击冷却以及从喷嘴发出的自由射流340。

在图5中示出涡轮机翼型件1的示例性实施例，作为根据本公开的涡轮发动机部件的实施例。翼型件1包括前边缘11和后边缘12。吸入侧和压力侧布置在前边缘和后边缘之间。工作流体流动50围绕翼型件、从前边缘到后边缘、并且沿着压力侧和吸入侧流动。后边缘冷却剂狭槽13以已知方式设置在后边缘处。翼型件的壁100包围冷却剂供应容积150，其设置在翼型件内侧并由壁100的冷却剂侧表面120界定。壁的热气体侧表面110暴露于工作流体流动50。壁100装备有多个冷却剂排出管（在该图中没有参考数字），冷却剂排出管在冷却剂排出开口214处向外打开到热气体侧表面上。每个冷却剂排出管均与逆流近壁冷却通道220或平行流动近壁冷却管221流体连通。每个近壁冷却管均通过冷却剂流入管230与冷却剂供应容积150流体连通。

尽管已通过示例性实施例解释了本公开的主题，但应理解这些不意欲以任何方式限制所要求保护的发明的范围。将理解的是权利要求涵盖本文中未明确示出或公开的实施例，并且偏离在实施本公开的教导的示例性模式中所公开的那些的实施例仍将被权利要求涵盖。

参考数字列表

1 涡轮发动机部件，翼型件

11 前边缘

12 后边缘

13 后边缘冷却狭槽

50 工作流体流动；主工作流体流动方向

100 涡轮发动机部件的壁

110 热气体侧表面

111 热气体侧表面的法线

120 冷却剂侧表面

150 冷却剂供应容积

210 冷却剂排出管

211 界定冷却剂排出管的内表面的第一部分

212 界定冷却剂排出管的内表面的第二部分

213 冷却剂排出管的轴线

214 冷却剂排出开口，冷却剂排出狭槽

220 近壁冷却管

221 平行流动近壁冷却管

225 突出元件，湍流器，湍流产生元件

230 冷却剂流入管

240 喷嘴

250 喷嘴

251 冷却剂供应开口

310 冷却剂供应流动

320 冷却剂自由射流

330 近壁冷却剂流动

340 冷却剂自由射流

350 冷却剂排出流动

a 角度

D 冷却剂供应开口和/或自由射流产生装置沿着冷却剂流动方向在冷却剂排出管内侧的尺寸；冷却剂供应开口和/或自由射流产生装置的直径

l 从冷却剂排出管的盲端到冷却剂供应开口和/或自由射流产生装置的下游边缘的距离

L 从冷却剂排出管的盲端到冷却剂供应开口和/或自由射流产生装置的中心的距离。

Claims (14)

1.一种用于冷却涡轮发动机部件的方法，所述方法包括：

沿着所述部件的壁（100）的热气体侧表面（110）并在主工作流体流方向（50）上引导工作流体流，

在所述热气体侧表面（110）处从设置在所述壁（100）中的冷却剂排出管（210）排出冷却剂排出流（350），

将冷却剂供应流（310）供应到所述冷却剂排出管（210）并且通过冷却剂供应路径，

将所述冷却剂供应流（310）以定向成横穿所述冷却剂排出管（210）的横截面的自由射流（340）排入到所述冷却剂排出管（210）中，以及

将所述自由射流（340）引导到所述冷却剂排出管（210）的内表面部分（211）上，从而实现所述内表面部分（211）的冲击冷却，

在将所述冷却剂供应流排入到所述冷却剂排出管（210）中之前，在设置在所述壁（100）内侧且在所述壁（100）的冷却剂侧表面（120）和所述热气体侧表面（110）之间沿着由主工作流体流方向限定的所述壁（100）的纵长范围延伸的近壁冷却管（220）内侧且与所述主工作流体流方向（50）相对定向地并沿着超过在所述冷却剂侧表面（120）和所述热气体侧表面（110）之间设置的壁厚度的流动路径长度引导所述冷却剂供应流，以便实施所述壁的逆流近壁冷却，

其特征在于包括冷却剂自由射流（320），该冷却剂自由射流进入所述近壁冷却管（220）中并且实现所述近壁冷却管（220）的界定表面的一部分的冲击冷却，该部分朝着所述壁（100）的所述热气体侧表面（110）设置并且因此暴露于来自工作流体流的热摄入，尽管所述热摄入通过在所述热气体侧表面（110）上流动的冷却剂排出流（350）减少。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，引导所述冷却剂供应流通过用于产生自由射流（340）的装置（250）并且从所述装置排出所述自由射流（340）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在相对于所述热气体侧表面（110）的法线（111）倾斜的方向上在排出位置处将所述冷却剂排出流排出，由此所述冷却剂排出管（210）相对于所述法线（111）倾斜，从而具有朝着所述壁（100）的所述热气体侧表面（110）设置的第一内表面部分（211），以及将所述自由射流（340）引导到所述第一内表面部分（211）上。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述冷却剂供应流（330）的所述流动路径平行于所述热气体侧表面（110）。

5.一种涡轮发动机部件，其包括：

壁（100），所述壁具有预期暴露于工作流体流的热气体侧表面（110）和冷却剂侧表面（120），

设置在所述壁（100）中并向外打开到所述热气体侧表面（110）上的至少一个冷却剂排出管（210），所述冷却剂排出管（210）由其内表面界定，

设置在所述壁（100）中并与所述冷却剂排出管（210）流体连通的冷却剂供应路径，其中，所述冷却剂供应路径在所述冷却剂排出管的横向界定表面处以非零角度接合所述冷却剂排出管（210），其中冷却剂排出流（350）从所述冷却剂排出管（210）通过设置在所述热气体侧表面（110）上的冷却剂排出开口排出并且被提供为在所述热气体侧表面（110）上流动的冷却剂层，

用于提供自由射流（340）的装置（250），所述自由射流从所述冷却剂供应路径发出并到所述冷却剂排出管（210）中，

其中，所述冷却剂供应路径包括近壁冷却管（220），所述近壁冷却管沿着所述壁（100）的纵长范围在所述壁（100）内侧延伸，所述近壁冷却管（220）从其第一端延伸到其第二端，其中，用于提供自由射流（340）的装置（250）设置成邻近所述近壁冷却管（220）的所述第二端，并且所述近壁冷却管（220）的所述第一端设置成相对于主工作流体流方向（50）在所述近壁冷却管（220）的所述第二端的下游，

其特征在于，在与所述近壁冷却管（220）的接合部处，设置喷嘴（240）；其中通过所述喷嘴（240），冷却剂自由射流（320）进入所述近壁冷却管（220）中并且实现所述近壁冷却管（220）的界定表面的一部分的冲击冷却，该部分朝着所述壁（100）的所述热气体侧表面（110）设置并且因此暴露于来自工作流体流的热摄入，尽管所述热摄入通过在所述热气体侧表面（110）上流动的冷却剂排出流（350）减少。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述冷却剂排出管（210）是盲腔并且朝着所述冷却剂侧表面（120）封闭。

7.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述冷却剂供应路径通过开口（251）接合所述冷却剂排出管（210），所述开口（251）设置在所述冷却剂排出管的相对于主工作流体流方向（50）设置在下游侧的横向界定表面部分中。

8.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述冷却剂排出管（210）相对于所述热气体侧表面（110）的法线（111）以第一角度（a）倾斜，当考虑所述冷却剂排出管（210）从所述壁（100）内侧到设置在所述热气体侧表面（110）上的排出开口（214）的定向时，所述倾斜指向所述部件的主工作流体流方向（50）下游，使得横向界定表面包括朝着所述壁（100）的所述热气体侧表面（110）设置的第一表面部分（211）和朝着所述壁（100）的所述冷却剂侧表面（120）设置的第二表面部分（212），并且其中，所述冷却剂供应路径通过设置在所述第二表面部分（212）中的开口（251）接合所述冷却剂排出管（210）。

9.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述冷却剂供应路径包括设置在与所述冷却剂排出管（210）的接合部处的喷嘴（250）。

10.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述冷却剂供应路径与设置成邻近所述冷却剂侧表面（120）的冷却剂供应容积（150）流体连通。

11.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，湍流产生元件（225）被设置在所述近壁冷却管（220）内。

12.根据权利要求5或6所述的涡轮发动机部件，其特征在于，冷却剂流入管（230）设置成在所述壁（100）的所述冷却剂侧表面（120）和所述近壁冷却管（220）之间延伸并且在所述近壁冷却管的侧壁处接合所述近壁冷却管（220），其中，所述冷却剂流入管（230）与所述近壁冷却管（220）的接合部设置成邻近所述近壁冷却管（220）的所述第一端。

13.根据权利要求12所述的涡轮发动机部件，其特征在于，所述接合部设置在所述近壁冷却管（220）的朝着所述冷却剂侧表面（120）布置的侧部上。

14.一种燃气涡轮发动机，其包括权利要求5-13中的任一项所述的涡轮发动机部件。

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