CN109083687B - 最小化横穿冷却孔的横流的方法和用于涡轮发动机的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于涡轮发动机的翼型件和部件，以及用于最小化横穿发动机冷却孔的横流的设备和方法，所述设备可包括例如翼型件的部件，所述部件具有相对外部界定内部的外壁。在所述部件的内部形成冷却通路以用于冷却所述发动机部件。可在所述外壁中提供冷却孔或膜孔以将所述内部流体联接到所述外部。冷却通路可成形为最小化在所述部件的内部所述冷却孔上的横流。

Description

最小化横穿冷却孔的横流的方法和用于涡轮发动机的部件
技术领域
本申请涉及发动机领域，尤其涉及发动机部件的冷却技术。
背景技术
涡轮发动机，并且具体而言燃气或燃烧涡轮发动机，是旋转发动机，其将能量从通过发动机的燃烧气体流提取到多个旋转涡轮叶片上。
用于飞行器的燃气涡轮发动机被设计成在高温下操作以使发动机效率最大化，因此对诸如高压涡轮和低压涡轮之类的某些发动机部件进行冷却可能是有益的。通常，冷却是通过用管道将较冷空气从高压和/或低压压缩机送到需要冷却的发动机部件来完成的。高压涡轮中的温度为大约1000℃到2000℃并且来自压缩机的冷却空气为大约500℃到700℃。尽管压缩机空气处于高温，但是其相对于涡轮空气较冷，并且能够用于冷却涡轮。
现代的涡轮叶片大体包括一个或多个内部冷却回路，以用于通过叶片引导冷却空气，从而对叶片的不同部分进行冷却，并且能够包括专用冷却回路以用于对叶片的不同部分进行冷却。冷却回路可包括增强冷却的一个或多个气流元件，然而，这些元件可导致灰尘或特定物质的过多地聚集，降低使用寿命，或需要另外的维修。
发明内容
在一方面，本公开涉及一种用于涡轮发动机的翼型件，所述翼型件包括：外壁，所述外壁具有外表面和界定内部的内表面，所述外壁限定在前缘和后缘之间轴向地延伸以限定弦向方向并在根部和顶部之间径向地延伸以限定展向方向的压力侧和吸力侧。冷却回路至少部分地由位于所述内部中的冷却通路限定，所述冷却通路限定流动方向，并具有通路横截面面积。至少一个冷却孔通过所述外壁延伸，所述外壁具有在所述冷却通路处提供的入口和在所述外表面上提供的出口。所述冷却通路的横截面面积的尺寸确定为使通过所述冷却通路的流速与通过所述冷却孔的流速的比率保持小于0.50。
在另一方面，本公开涉及一种用于涡轮发动机的部件，所述部件包括外壁，所述外壁具有外表面和界定内部空间的内表面。冷却通路位于所述内部中并适于沿流动方向提供流体流，所述冷却通路具有第一壁和与所述第一壁间隔开横截面距离的第二壁。至少一个冷却孔通过所述外壁延伸，所述至少一个冷却孔具有在所述第一壁处提供的入口和在所述外表面上提供的出口。所述第一壁与所述第二壁间隔开以确定所述横截面距离的大小，从而使通过所述冷却通路的流速与通过所述冷却孔的流速的比率保持小于0.50。
在又一方面，本公开涉及一种最小化横穿冷却孔的横流的方法，所述冷却孔排出来自冷却通路的流体。所述方法包括在所述冷却通路中定位冷却孔，其中，通过所述冷却通路的流速与通过所述冷却孔的流速的比率小于0.50。
具体地，本申请技术方案1公开了一种用于涡轮发动机的翼型件，所述翼型件包括：外壁，所述外壁具有外表面和界定内部的内表面，所述外壁限定在前缘和后缘之间轴向地延伸以限定弦向方向并在根部和顶部之间径向地延伸以限定展向方向的压力侧和吸力侧；至少部分地由位于所述内部中的冷却通路限定的冷却回路，所述冷却通路限定流动方向，并具有通路横截面面积；以及通过所述外壁延伸的至少一个冷却孔，所述至少一个冷却孔具有在所述冷却通路处提供的入口和在所述外表面上提供的出口，所述冷却孔沿所述外壁定位以使通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率保持小于0.50。
本申请技术方案2根据技术方案1所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率小于0.25。
本申请技术方案3根据技术方案1所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的马赫数与通过所述冷却孔的流体流的马赫数的比率小于0.50。
本申请技术方案4根据技术方案3所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的所述马赫数在0.50和0.05之间。
本申请技术方案5根据技术方案1所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括增大的横截面面积，并且所述冷却孔定位在所述增大的横截面面积处。
本申请技术方案6根据技术方案5所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括至少一个凹口，所述至少一个凹口至少部分地限定所述增大的横截面面积。
本申请技术方案7根据技术方案1所述的翼型件，其中，所述冷却孔与通过所述冷却通路的所述流动方向互补地形成角度。
本申请技术方案8根据技术方案1所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括端壁，并且所述冷却孔邻近所述端壁定位。
本申请技术方案9根据技术方案8所述的翼型件，其中，对于通过所述冷却孔的流体流，所述冷却孔限定在基本上弦向方向上的冷却孔速度矢量，所述冷却孔速度矢量基本上垂直于通过所述冷却通路的冷却流体的通路速度矢量。
本申请技术方案10公开了一种用于涡轮发动机的部件，所述部件包括：外壁，所述外壁具有外表面和界定内部空间的内表面；冷却通路，所述冷却通路位于所述内部中并适于沿流动方向提供流体流，所述冷却通路具有第一壁和与所述第一壁间隔开横截面距离的第二壁；以及延伸通过所述外壁的至少一个冷却孔，所述至少一个冷却孔具有在所述第一壁处提供的入口和在所述外表面上提供的出口；其中，所述第一壁与所述第二壁间隔开以确定所述横截面距离的大小，从而使通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率保持小于0.50。
本申请技术方案11根据技术方案10所述的部件，还包括在所述第一壁和所述第二壁之间的接合处限定的拐角，所述入口定位在所述拐角处。
本申请技术方案12根据技术方案10所述的部件，其中，相对于所述第一壁以一角度设置所述第二壁。
本申请技术方案13根据技术方案12所述的部件，其中，所述角度小于90度。
本申请技术方案14根据技术方案10所述的部件，其中，所述第二壁成形为限定流体联接到所述冷却通路的子冷却通路。
本申请技术方案15根据技术方案14所述的部件，其中，所述入口定位在所述子冷却通路处。
本申请技术方案16根据技术方案10所述的部件，还包括突出部，所述突出部从所述第二壁延伸，最小化在所述突出部和所述第一壁之间限定的横截面距离。
本申请技术方案17根据技术方案16所述的部件，其中，所述入口与所述突出部相邻。
本申请还公开了技术方案18，一种最小化横穿冷却孔的入口的横流的方法，所述冷却孔排出来自冷却通路的流体，所述方法包括：定位所述冷却孔，其中，通过所述入口处的冷却通路的流速与通过所述冷却孔的流速的比率小于0.50。
本申请技术方案19根据技术方案18所述的方法，其中，成形还包括最大化所述冷却通路的横截面面积，以最小化通过所述冷却通路的流速。
本申请技术方案20根据技术方案19所述的方法，其中，最大化所述冷却通路的横截面面积包括成形具有比所述冷却通路的相邻部分更大的横截面面积的冷却通路的增大的横截面面积部分。
本申请技术方案21根据技术方案18所述的方法，其中，成形还包括形成在接合处接合的第一壁和第二壁，并限定朝向所述接合处的所述冷却通路的减小的横截面距离。
本申请技术方案22根据技术方案21所述的方法，还包括在所述第一壁和所述第二壁之间具有最小横截面距离的所述冷却通路的部分或者在所述第一壁和所述第二壁之间的所述接合处，定位用于所述冷却孔的入口。
本申请技术方案23根据技术方案18所述的方法，还包括相对于通过所述冷却通路所述流体的流动方向形成所述冷却孔的角度以提高通过所述冷却孔的流速。
本申请技术方案24根据技术方案18所述的方法，其中，成形还包括形成延伸到所述冷却通路中的突出部，并邻近所述突出部定位所述入口。
本申请技术方案25根据技术方案18所述的方法，其中，成形还包括在所述冷却通路内形成子冷却通路，并在所述子冷却通路处定位所述入口。
附图说明
在附图中：
图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是包括内部冷却通路的图1的燃气涡轮发动机的透视图。
图3是冷却通路的示意截面图，并包括图示通过沿截面A-A截取的冷却通路的流速的连接图形。
图4是另一示范性冷却通路的截面图，冷却通路具有在冷却通路的侧壁中形成的一组凹口。
图5是另一替代的示范性冷却通路的示意图，包括图示通过沿截面B-B截取的冷却通路的流速的图形。
图6是图示平均速度相对壁间隔的图形。
图7是又一替代的示范性冷却通路的示意图，冷却通路具有由延伸到冷却通路中的突出部形成的子冷却通路，并包括图示通过沿截面C-C截取的冷却通路的流速的图形。
具体实施方式
本文中描述的本公开的各方面涉及用于最小化横穿用于冷却孔(例如冷却孔或膜孔)的入口的横流的方法和设备。出于说明的目的，将关于用于飞行器燃气涡轮发动机的叶片来描述本公开。然而，应当理解，本说明书所描述的本公开的方面不限于此，并且可以在包括压缩机的发动机内以及在非飞行器应用中具有一般适用性，非飞行器应用为例如其它移动应用以及非移动的工业、商业和住宅应用。类似地，本文中描述的各方面对于具有膜冷却的其它发动机部件具有同等适用性，并不只局限于翼型件或叶片。
如本文所使用，术语“前部”或“上游”是指在相对于局部流体流(例如空气)的方向更靠近流体流的起源或朝向发动机入口的方向上移动，或一个部件与另一部件相比相对更靠近发动机入口。与“前部”或“上游”结合使用的术语“后部”或“下游”是指相对于局部流体流(例如空气)的方向离流体流的起源更远或朝向发动机的后部或出口的方向，或者与另一部件相比相对更靠近发动机出口。
另外，如本文所使用，术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线与外部发动机圆周之间延伸的尺寸。如本文所使用，术语“流体”指可以流体方式运动或动作的任何物质，例如液体或气体物质，气体物质例如气流。
所有方向性参考(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上部、下部、向上、向下、左、右、侧向、前方、后方、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的以辅助读者理解本公开，并且具体地关于位置、取向或本说明书所述本公开的方面的用途并不产生限制。除非另外指明，否则连接参考(例如，附接、耦合、连接和接合)应在广义上来解释，且可以包括一系列元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因此，连接参考不一定推断出两个元件直接连接且彼此成固定关系。示范性附图仅仅是出于说明的目的，且本发明的附图中反映的尺寸、位置、次序和相对大小可变化。
图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有从前部14向后部16延伸的大体上纵向延伸轴线或中心线12。发动机10以下游串联流动关系包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括升压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气区段38。
风扇区段18包括围绕风扇20的风扇外壳40。风扇20包括围绕中心线12径向安置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，其产生燃烧气体。核心44由核心外壳46包围，所述核心外壳46可与风扇外壳40连接。
围绕发动机10的中心线12同轴安置的HP轴或转轴48以传动方式将HP涡轮34连接到HP压缩机26。在较大直径环状HP转轴48内围绕发动机10的中心线12同轴安置的LP轴或转轴50以传动方式将LP涡轮36连接到LP压缩机24和风扇20。转轴48、50能够围绕发动机中心线旋转且耦合到多个可旋转元件，所述多个可旋转元件可以共同界定转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中一组压缩机叶片56、58相对于对应一组静态压缩机轮叶60、62(也被称为喷嘴)旋转以使通过所述级的流体流压缩或加压。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以成环提供，且可以从叶片平台到叶片顶端相对于中心线12径向向外延伸，同时对应的静态压缩机轮叶60、62定位于旋转叶片56、58的上游且邻近于所述旋转叶片。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和压缩机级的数目仅出于说明性目的而选择，且其它数目也是可能的。
用于压缩机的级的叶片56、58可以安装到圆盘61，所述圆盘安装到HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中每一级具有其自身的圆盘61。用于压缩机的级的轮叶60、62可以成圆周布置安装到核心壳体46。
HP涡轮机34和LP涡轮机36分别包括多个涡轮机级64、66，其中一组涡轮机叶片68、70相对于对应一组静态涡轮机轮叶72、74(也被称为喷嘴)旋转以从通过所述级的流体流提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可以成环提供，且可从叶片平台向叶片顶端相对于中心线12径向向外延伸，同时对应的静态涡轮轮叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游且邻近于所述旋转叶片68、70。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和涡轮级的数目仅出于说明性目的而选择，且其它数目也是可能的。
用于涡轮机的级的叶片68、70可以安装到圆盘71，所述圆盘安装到HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中每一级具有专用圆盘71。用于压缩机的级的轮叶72、74可以成圆周布置安装到核心壳体46。
与转子部分互补，发动机10的静止部分，例如压缩机区段22和涡轮机区段32当中的静态轮叶60、62、72、74，也个别地或共同地称为定子63。因此，定子63可以指代整个发动机10中的非旋转元件的组合。
在操作中，退出风扇区段18的空气流被分裂以使得空气流的一部分经通道进入LP压缩机24，所述LP压缩机随后将加压空气76供应到HP压缩机26，所述HP压缩机进一步使空气加压。来自HP压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合且被点燃，进而产生燃烧气体。HP涡轮34从这些气体提取一些功，从而驱动HP压缩机26。燃烧气体被排放到LP涡轮36中，所述LP涡轮36提取额外的功以驱动LP压缩机24，且废气最终通过排气区段38从发动机10排放出去。LP涡轮36的驱动驱动了LP转轴50以使风扇20和LP压缩机24旋转。
加压空气流76的一部分可以作为放气77从压缩机区段22汲取。放气77可以从加压空气流76汲取并且提供到需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压空气流76的温度显著增加。因此，由放气77提供的冷却对于这些发动机部件在高温环境中的操作是必要的。
空气流78的其余部分绕过LP压缩机24和发动机核心44，且通过静止叶片行、且更具体地说出口导叶总成80退出发动机总成10，所述出口导叶总成在风扇排气侧84处包括多个翼型导叶82。更具体来说，邻近于风扇区段18利用一行圆周径向延伸的翼型导叶82以对空气流78施加一些方向性控制。
由风扇20供应的空气中的一些可以绕过发动机核心44，且用于冷却发动机10的若干部分，尤其是热部分，和/或用以对飞行器的其它方面进行冷却或提供动力。在涡轮发动机的情形中，发动机的热部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮机区段32，其中HP涡轮机34是最热的部分，因为其直接在燃烧区段28的下游。冷却流体的其它源可以是但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。
现参照图2，以形式为涡轮叶片68图示的发动机部件包括燕尾榫90和翼型件92。翼型件92包括顶部94和根部96，在所述顶部94和所述根部96之间限定展向方向。在静止轮叶或喷嘴的情况下，顶部94可以是翼型件92的最远的径向跨度。翼型件92还包括外壁98，外壁98具有面向翼型件92的外部的外表面和面向翼型件92的内部的内表面，并限定连接于前缘104和后缘106处的压力侧100和吸力侧102，并在其之间限定弦向方向。外壁98将翼型件92的内部108与外部110分开。
翼型件92在根部96的平台120处安装到燕尾榫90。平台120有助于径向地容纳由叶片68驱动的涡轮发动机主流气流。燕尾榫90可以被构造成安装到图1的发动机10上的涡轮转子盘71。燕尾榫90还包括至少一个入口通路122，显示为三个示范性入口通路122，每个入口通路延伸通过燕尾榫90以在通路出口124处提供与翼型件92的内部流体连通。应当理解，燕尾榫90以横截面示出，使得入口通道122被容纳在燕尾榫90内。
提供冷却流体流C通过翼型件92的冷却回路128可包括在翼型件92中形成的在基本上展向方向延伸的一个或多个冷却通路130。如本文中结合方向称谓(例如展向、弦向、径向或轴向)使用的“基本上”例如可包括平行于该方向或者与其有稍微不同，例如有大约五度的不同。冷却通路130与通路出口124流体联接，并且可以与通路出口124互补。一个或多个冷却孔132，例如膜孔或排气孔可形成于外壁98中，并具有在冷却通路130处的入口134和在外壁98处的出口136。应了解，尽管发动机部件被图示为涡轮叶片68，但发动机部件可以是使用膜孔排出来自内部通路(例如冷却通路)的流体的任何适合部件。
参照图3，可形成具有圆角矩形形状的一个冷却通路130，并且所述冷却通路130可具有两个侧壁144和两个端壁146。两个示范性冷却孔132作为第一冷却孔132A和第二冷却孔132B将冷却通路130联接到翼型件92的外部110。应了解，如图示的冷却孔132A、132B只作为示例，其位置不应是对如本文中描述的翼型件或冷却通路的限制。在冷却通路130的弦向中心140处的一个侧壁144中提供第一冷却孔132A，在冷却通路130的后部的弦向端142处的一个侧壁144中提供第二冷却孔132B。
对于通过冷却孔132的流体流，冷却孔132可限定在基本上弦向方向上的冷却孔速度矢量。通过冷却通路130的流体流可限定基本上垂直于冷却孔速度矢量的通路速度矢量。
具有曲线152的图形150代表相对冷却通路130的截面A-A截取的相对弦向距离(x)绘制的单位为米/秒(m/s)的局部速度。应了解，如本文中使用的速度可以与具有或不具有幅值或方向性的速率或者距离相对时间的任何其它比率互换。曲线152代表在延伸进入如图3所示的页面或从页面出来的方向上通过冷却通路130的气流速度，示范性轴线代表翼型件92中的弦向距离(x)和图形150的1:1的比率。行进通过冷却通路130进入图3的页面或从图3的页面出来的局部速度在基本上正交于冷却孔132的路径中行进。曲线152图示在靠近冷却通路130的弦向中心140速度处于最大值。在沿侧壁144的端壁146处以及在冷却通路130的弦向端142处，速度处于最小值。与弦向中心140相比在后部弦向端142的局部速度较小，这是侧壁144和在后端142处的端壁146的局部接合的结果。在此接合处，相比第一冷却孔132A，第二冷却孔132B经历通过冷却通路130的较小的流速。
当以恒定的流量和压力向冷却通路130提供流体流时，通过冷却孔132的流体流F不管位置如何可基本上是恒定的。以通过冷却孔132的此恒定速率，可以限定通过邻近冷却孔132的冷却通路130的局部速度和通过冷却孔132的局部速度之间的比率。在后部的弦向端142处定位冷却孔132之一，例如定位第二冷却孔132B可提供通过邻近冷却孔的冷却通路130的局部速度与通过冷却孔132B的速度的降低的比率，如在图形150中表示的由通过冷却通路130的降低的局部速度限定的。此降低的比率可以小于50％即0.50，所述比率以通过邻近冷却孔132的冷却通路130的局部速度除以通过冷却孔132B的局部速度测量。因此，与第一冷却孔132A的位置相比，将冷却孔132中的一个定位在第二冷却孔132B的位置中，产生通过冷却通路130的速度与通过冷却孔132的速度的较小比率。替代性地，通过冷却通路130和冷却孔132的流速可以表示成马赫数。冷却通路130与冷却孔132的马赫数的比率可以是0.50或者更小。在一个非限制性实例中，通过冷却通路130的流的马赫数可以小于0.25。
最小化通过冷却通路130的流速与通过冷却孔132的流速的比率可最小化横穿冷却孔132的入口134的横流的负面影响。横流可以是基本上正交于冷却孔的中心线横穿冷却孔的入口行进的流，使得与通过或转向到入口处的冷却孔相反，所述流横贯入口。横流可产生通过冷却孔的流动分离以及湍流或不一致的流动，不利地影响冷却孔的效率和有效性，以及提高了灰尘聚集的发生率。最小化横穿冷却孔132的入口134的横流会最小化进入冷却孔132的流的流动分离或湍流，这提高了冷却效率和从膜孔132排出的有效性。因此，有利的是定位冷却孔，例如定位第二冷却孔132B，其中，通过冷却通路130的局部速率被最小化，或者通过冷却通路130的速度与通过冷却孔的速度的局部比率小于0.50。
此外，考虑了不与通过冷却通路130限定的横流正交地定位冷却孔132。因此，冷却孔132可与通过冷却通路130的流动方向互补地形成角度。如本文中使用的成角度的互补可意味着通过冷却孔限定的流动矢量的分量与冷却通路130的方向相同，但有些偏置，例如与正交偏置小于90度的角。因此，在冷却通路130和冷却孔132之间的局部流线之间限定的角度可以在91度和179度之间。
现参照图4，在两个相对侧壁156之间限定另一示范性冷却通路154，所述侧壁可以是例如翼型件或类似的发动机部件的外壁。可在至少一个侧壁156中形成凹口158，示范性冷却通路154具有沿相对的侧壁156对准的两个凹口158。可沿在侧壁156之间间隔开的冷却通路154的纵向长度限定通路中心线160。可在正交于通路中心线160的方向上在侧壁156之间测量横截面面积162。与没有凹口158的冷却通路154的横截面面积162相比，凹口158限定具有更大的横截面面积的增大的横截面面积部分164。一个或多个排气孔166可定位在凹口158处，形成增大的横截面面积部分164。
流167可通过冷却通路154，在冷却孔166处形成横流。可通过减小的横截面面积部分164最小化在冷却孔166处的横流。在凹口158处冷却通路154的增大的横截面面积部分164可提供通过冷却通路154的速度的局部降低。因此，最大化局部横截面面积可提供最小化邻近冷却孔166的局部速度，这可提供最小化通过冷却通路154的速度与通过冷却孔166的速度的比率，这可降低横穿冷却孔166的横流。
现参照图5，示范性部件168(例如翼型件)可包括围绕替代性冷却通路172的外壁170，冷却通路172具有圆角三角形的横截面形状。冷却通路172可由内部壁174(例如肋或其它适合结构元件)部分地限定，将冷却通路172与相邻的冷却通路175分开。外壁170可包括第一壁176，第一壁176具有面向冷却通路172的第一表面178，内部壁174可限定第二壁180，第二壁180具有面向冷却通路172的第二表面181。尽管第一壁176是外壁170，第二壁180是内壁174，但应了解，限定冷却通路172的任何两个壁可以是第一壁176和第二壁180。第一壁176和第二壁180可相交以限定接合182。接合182可以是圆形的或具有例如倒角，或者可以是两个壁176、180之间的拐角。接合182可限定第一壁176和第二壁180之间的角度184。在一个非限制性实例中，角度184可以小于四十五度，不过考虑了小于九十度的任何角度。
第一壁176和第二壁180可以彼此间隔开壁间隔或横截面距离ω。取决于沿第一壁176或第二壁180的位置和角度184，横截面距离ω可以是变化的。可在第一壁176和第二壁180之间限定平均线186作为中心，平均线在第一壁176和第二壁180之间等距离间隔开。可在垂直于平均线186的方向上限定横截面距离ω。
冷却孔188靠近接合182定位，或者可替代性定位在接合182处。冷却孔188具有靠近接合182的入口190和在外壁170上的出口192。在替代性实例中，入口190可以在接合182处。
具有曲线202的图形200代表对于通过冷却通路172的流体流沿截面B-B截取的单位为米/秒(m/s)的局部速度。可沿第一壁176和第二壁180之间的平均线186截取截面B-B。如图形200中表示的，第一壁176和第二壁180之间的横截面距离ω越大，直接与更大的局部速度有关。因此，靠近接合182的局部速度小于距离接合182较远的局部速度，因为从接合182延伸，横截面距离ω增大。
如由曲线202表示的，在拐角或接合182处或靠近拐角或接合182定位冷却孔188的入口190提供通过与入口190相邻并正交于入口190的冷却通路172的流的最小的局部流速。在入口190处的最小化的局部速度最小化了横穿冷却孔188的横流。最小化通过冷却通路172的速度还最小化通过邻近冷却孔188的冷却通路172的气流的速度与通过冷却孔188的气流的速度的比率。当作为通过入口190处的通路172的局部速度除以通过冷却孔188的气流的速度时，此最小化的比率可以小于50％即小于0.50。最小化所述比率降低横穿冷却孔188的横流，这改进冷却孔效率和冷却有效性。
尽管此几何形状在图5中被图示为圆角三角形形状，但应理解具有最小化或降低的局部壁间隔(ω)的任何几何形状可适于将通过冷却通路的速度与通过冷却孔的速度的比率降低到低于50％即0.50，这降低在冷却孔入口上的横流。
现参照图6，另一曲线210代表平均速度(m/s)相对壁间隔(ω)的关系。第一曲线212和第二曲线214代表基于壁间隔(ω)的速度范围，并包括在这两个曲线之间的平均线216。应了解，在壁间隔(ω)增大时，平均速度提高。因此，在具有较小壁间距(ω)的区域设置冷却孔或其入口提供较小的局部速度，这可提供在冷却孔处的降低的横流，提供提高的冷却孔效率。因此，可形成具有较小局部壁间隔的部分或面积的冷却通路几何形状以降低局部速度，这可通过降低在冷却孔入口上横流的负面影响，提高冷却孔的功能和效率。第一曲线212和第二曲线214之间的范围可代表可影响局部速度的其它因素，例如冷却通路的局部特征，例如湍流元件，或冷却通路的横截面面积的局部增大或减小。
现参照图7，在非限制性实例中，另一示范性发动机部件230(例如翼型件、轮叶、护罩或燃烧衬套)包括限定冷却通路234的外壁232。外壁232将发动机部件230的内部236与外部238分开。
一个或多个突出部240(图示为两个突出部240)可从外壁232延伸到冷却通路234中。子冷却通路242可由突出部240限定并被其部分地包围，并流体联接到冷却通路234。突出部240可以是分立的，使得只沿冷却通路234的一部分限定子冷却通路242，或者突出部240可以是细长的，沿冷却通路234延伸，使得子冷却通路242可形成为槽或通路。在突出部240是分立的情况下，可沿冷却通路234设置多个突出部240。尽管突出部240被显示为具有大致线性的取向，但应了解，突出部240可具有任何形状或几何形状，并且可至少部分地形成子冷却通路242。
可在外壁232中提供冷却孔250，并且冷却孔250可包括在内部236的入口252和在外部238的出口254。可在子冷却通路242或者邻近突出部240处提供入口252。
图形260包括代表速度(m/s)相对位置(x)的第一曲线262和第二曲线264，其中，沿通过一个突出部240延伸的截面C-C截取所述位置。第一曲线262代表子冷却通路242外部的冷却通路234内的局部速度。第二曲线264代表如由突出部240限定的子冷却通路242内的局部速度。如在图形260中可认识到，子冷却通路242中的局部速度小于子冷却通路外部的冷却通路234的局部速度。因此，在子冷却通路242或邻近突出部240处定位冷却孔250的入口252可提供入口252处的降低的局部速度，这可提供通过子冷却通路242的速度与通过冷却孔250的速度的最小比率，所述比率可小于50％即0.50。通过子冷却通路242的降低的速度在冷却孔250的入口252上提供最小的横流，这可提供冷却孔250的改进的效率和改进的冷却有效性。
替代性地，突出部240不一定限定子冷却通路242，但可限定第一壁，且突出部联接到的壁可以为第二壁。由突出部240限定的第一壁可以类似于如在图5中描述的第一壁176和第二壁180的方式提供局部降低的速度。因此，可邻近突出部设置用于冷却孔的入口，并且仍获得不必限定子冷却通路降低局部流速同时平衡最小化形成冷却通路的材料的需求以降低部件重量的好处。
一种最小化横穿排出来自冷却通路的流体的冷却孔的入口的横流的方法可包括定位冷却孔以使通过入口处的冷却通路的流速与通过冷却孔的流速的比率小于0.50。定位可包括沿具有冷却通路的增大局部横截面面积的冷却通路定位冷却孔，以便最小化通过冷却通路的流速。以对冷却通路的恒定流速，成形冷却通路以具有较大的横截面面积可降低通过冷却通路的流速，这可提供通过冷却通路的速度与通过冷却孔的速度的较小的比率。此外，冷却通路可成形为具有增大的横截面面积，例如由图5的凹口158限定的，其中，增大的横截面面积比冷却通路的相邻部分具有更大的横截面面积，其中，增大的横截面面积最小化通过冷却通路的局部速度。可在增大的横截面面积处提供冷却孔的入口，以提供通过冷却通路的速度与通过冷却孔的速度的减小的比率。
所述方法还可包括其中，成形还包括形成在接合处接合的第一壁和第二壁，朝所述接合限定冷却通路的减小的横截面距离。例如，在图5中，第一壁176和第二壁180在接合处接合，并提供朝所述接合的减小的横截面距离(ω)。所述方法还可包括在具有最小横截面距离的冷却通路的一部分处或邻近接合处定位入口，这里，通过冷却通路的局部速度降低。
所述方法还可包括相对于通过冷却通路的流动方向形成冷却孔的角度，以提高通过冷却通路的流速。形成冷却孔的角度以沿流动方向接收流，提供了最小化横流，并提供增大通过冷却孔的流速，这可最小化通过冷却通路的速度与通过冷却孔的速度的比率。
所述方法的成形还可包括形成从冷却通路延伸的突出部，并邻近所述突出部定位入口。通过邻近突出部的冷却通路的流速可局部降低。邻近突出部定位入口可充分利用通过冷却通路的局部降低的流速，这可降低通过冷却通路的流速与通过冷却孔的速度的比率。
成形还可包括在冷却通路内形成子冷却通路，并在子冷却通路处定位入口。子冷却通路可具有降低的局部流速，这可提供通过子冷却通路的流速与通过冷却孔的流速的最小化的比率。
在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可按需要组合使用。一个特征未在所有实施例中都说明并不意味着被解释为它不能这样，而是解释为是为了简化描述才这样。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。本发明涵盖本文所描述的特征的所有组合或排列。
应当理解，所公开设计的应用不限于具有风扇和升压器区段的涡轮发动机，而是还适用于涡轮喷气和涡轮发动机。如本文中描述的元件和部件可通增材制造(例如3D打印)制成，允许有复杂的几何形状以降低在冷却孔入口处的局部流速以最小化横流。
本书面描述使用示例来描述本说明书所述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本公开的方面的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构元件，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种用于涡轮发动机的翼型件，所述翼型件包括：
外壁，所述外壁具有外表面和界定内部的内表面，所述外壁限定在前缘和后缘之间轴向地延伸以限定弦向方向并在根部和顶部之间径向地延伸以限定展向方向的压力侧和吸力侧；
内壁，所述内壁从所述外壁延伸到所述内部中；
至少部分地由位于所述内部中的冷却通路限定的冷却回路，所述冷却通路限定流动方向，并具有通路横截面面积，其中所述冷却通路至少部分地由所述内壁限定；以及
通过所述外壁延伸的至少一个冷却孔，所述至少一个冷却孔具有在所述冷却通路处提供的入口和在所述外表面上提供的出口，所述冷却孔的入口沿所述外壁定位在所述内壁处以使通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率保持小于0.50；
其中将所述至少一个冷却孔定位在所述内壁处产生通过所述冷却通路的流体流的局部降低的流速，这产生小于0.50的比率。
2.根据权利要求1所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率小于0.25。
3.根据权利要求1所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的马赫数与通过所述冷却孔的流体流的马赫数的比率小于0.50。
4.根据权利要求3所述的翼型件，其中，通过所述冷却通路的流体流的所述马赫数在0.50和0.05之间。
5.根据权利要求1所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括增大的横截面面积，并且所述冷却孔定位在所述增大的横截面面积处。
6.根据权利要求5所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括至少一个凹口，所述至少一个凹口至少部分地限定所述增大的横截面面积。
7.根据权利要求1所述的翼型件，其中，所述冷却孔与通过所述冷却通路的所述流动方向互补地形成角度。
8.根据权利要求1所述的翼型件，其中，所述冷却通路还包括端壁，并且所述冷却孔邻近所述端壁定位。
9.根据权利要求8所述的翼型件，其中，对于通过所述冷却孔的流体流，所述冷却孔限定在弦向方向上的冷却孔速度矢量，所述冷却孔速度矢量垂直于通过所述冷却通路的冷却流体的通路速度矢量。
10.一种用于涡轮发动机的部件，所述部件包括：
外壁，所述外壁具有外表面和界定内部空间的内表面；
内壁，所述内壁从所述外壁的内表面延伸到内部中；
冷却通路，所述冷却通路位于所述内部中，至少部分地由所述内壁限定，并适于沿流动方向提供流体流；以及
延伸通过所述外壁的至少一个冷却孔，所述至少一个冷却孔具有邻近所述内壁提供的入口和在所述外表面上提供的出口；
其中，所述至少一个冷却孔的入口定位成邻近所述内壁但与所述内壁间隔开以使通过所述冷却通路的流体流的速度与通过所述冷却孔的流体流的速度的比率保持小于0.50；以及
其中将所述至少一个冷却孔定位在所述内壁处产生通过所述冷却通路的流体流的局部降低的流速，这产生小于0.50的比率。
11.根据权利要求10所述的部件，还包括在所述外壁和所述内壁之间的接合处限定的拐角，所述入口定位在所述拐角处。
12.根据权利要求10所述的部件，其中，相对于所述外壁以一角度设置所述内壁。
13.根据权利要求12所述的部件，其中，所述角度小于90度。
14.根据权利要求10所述的部件，其中，所述内壁成形为限定流体联接到所述冷却通路的子冷却通路。
15.根据权利要求14所述的部件，其中，所述入口定位在所述子冷却通路处。
16.根据权利要求10所述的部件，还包括突出部，所述突出部从所述内壁延伸，最小化在所述内壁和所述外壁之间限定的横截面距离。
17.根据权利要求16所述的部件，其中，所述入口与所述突出部相邻。
18.一种最小化横穿冷却孔的入口的横流的方法，所述冷却孔排出来自冷却通路的流体，所述方法包括：
将所述冷却孔定位在外壁中，邻近但与内壁间隔开，其中，通过所述入口处的冷却通路的流速与通过所述冷却孔的流速的比率小于0.50；以及
其中将所述冷却孔定位在所述内壁处产生通过所述冷却通路的流体流的局部降低的流速，这产生小于0.50的比率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法的成形还包括最大化所述冷却通路的横截面面积，以最小化通过所述冷却通路的流速。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，最大化所述冷却通路的横截面面积包括成形具有比所述冷却通路的相邻部分更大的横截面面积的冷却通路的增大的横截面面积部分。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法的成形还包括形成在接合处接合的第一壁和第二壁，并限定朝向所述接合处的所述冷却通路的减小的横截面距离。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在所述第一壁和所述第二壁之间具有最小横截面距离的所述冷却通路的部分或者在所述第一壁和所述第二壁之间的所述接合处，定位用于所述冷却孔的入口。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括相对于通过所述冷却通路所述流体的流动方向形成所述冷却孔的角度以提高通过所述冷却孔的流速。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法的成形还包括形成延伸到所述冷却通路中的突出部，并邻近所述突出部定位所述入口。
25.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法的成形还包括在所述冷却通路内形成子冷却通路，并在所述子冷却通路处定位所述入口。
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