CN109931113B - 具有冷却孔的发动机部件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设备和方法，一种用于涡轮发动机的翼型，所述翼型包括外壁，外壁限定由压力侧和吸力侧约束的内部，压力侧和吸力侧在限定弦向方向的前缘和后缘之间轴向延伸，并在限定展向方向的根部和尖端之间径向延伸。翼型进一步包括至少一个冷却孔，至少一个冷却孔包括扩散区段且将所述发动机部件的外部以流体方式联接到所述发动机部件的外部。

Description

具有冷却孔的发动机部件
技术领域
本发明主要涉及涡轮发动机技术领域，特别是涡轮发动机部件的冷却领域。
背景技术
涡轮发动机，且特别是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。
涡轮叶片组合件包括涡轮翼型或叶片、平台和燕尾榫安装部分。涡轮叶片组合件包括作为平台和叶片中的蛇形回路的一部分的冷却入口通路，用于冷却平台和叶片。蛇形回路可延伸到沿着在尖端处包括的叶片的多个表面中的任一个定位的冷却孔。具有由静止轮叶和发动机的燃烧器周围的燃烧器衬垫形成的内部带和外部带的喷嘴也可利用冷却孔和/或蛇形回路。
发明内容
在一个方面中，本公开涉及一种用于涡轮发动机的部件，其产生热气体流体流且提供冷却流体流，所述部件包括：外壁，其使所述热气体流与所述冷却流体流分离且具有所述热气体流沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；以及至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从入口延伸的主干和从主干延伸到所述至少两个出口的分支，其中内部扩散区段在形成于主干中在分支的接合部处，且外部扩散区段限定所述至少两个出口。
在另一方面中，本公开涉及一种用于涡轮发动机的翼型，其产生热气体流体流且提供冷却流体流，所述翼型包括：外壁，其使所述热气体流与所述冷却流体流分离且具有所述热气体沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；以及至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从入口延伸的主干和从主干延伸到所述至少两个出口的分支，其中内部扩散区段形成于主干中在分支的接合部处，且外部扩散区段限定所述至少两个出口。
在又一方面中，本公开涉及一种利用至少一个冷却孔冷却发动机部件的方法，所述冷却孔在沿着朝向冷却流体流的冷却表面的入口和沿着热气体沿其流动的受热表面的至少两个出口之间延伸穿过发动机部件的外壁，所述方法包括：使冷却流体流流动穿过所述至少一个冷却孔的内部扩散区段以形成第一扩散气流；将第一扩散气流分为多个分支；在所述多个分支中的每一个中扩散第一扩散气流以形成第二扩散气流；以及将第二扩散气流发送到受热表面上。
具体地，
本申请技术方案1涉及一种用于涡轮发动机的部件，其产生热气体流体流，并且提供冷却流体流，所述部件包括：外壁，其使所述热气体流与所述冷却流体流分离且具有所述热气体沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；以及至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从所述入口延伸的主干和从所述主干延伸到所述至少两个出口的分支，并且还具有形成于所述主干中在所述分支的接合部处的内部扩散区段以及限定所述至少两个出口的外部扩散区段。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段限定第一中心线，且所述分支限定另外的中心线。
本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的部件，其特征在于：所述至少两个出口相对于所述分支中心线不对称。
本申请技术方案4涉及根据技术方案2所述的部件，其特征在于：所述分支中心线中的至少一个是弯曲的。
本申请技术方案5涉及根据技术方案2所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段和所述外部扩散区段共享至少一个连续侧壁。
本申请技术方案6涉及根据技术方案5所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段包括沿着所述连续侧壁相对于所述第一中心线测量的第一侧角，且所述外部扩散区段包括由侧壁和所述分支中心线之间的角度限定的第二侧角。
本申请技术方案7涉及根据技术方案6所述的部件，其特征在于：所述第一侧角大于所述第二侧角。
本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：所述至少两个出口为三个出口。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：进一步包括所述主干中的并且以流体方式联接到所述内部扩散区段的内部计量区段。
本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：进一步包括位于所述内部扩散区段和所述外部扩散区段之间的至少一个连接计量区段。
本申请技术方案11涉及根据技术方案10所述的部件，其特征在于：所述至少一个连接计量区段限定从所述内部扩散区段延伸到所述外部扩散区段的减小的横截面区域。
本申请技术方案12涉及根据技术方案10所述的部件，其特征在于：所述至少一个连接计量区段限定从所述内部扩散区段延伸到所述外部扩散区段的恒定的横截面区域。
本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：所述外壁包括靠近所述入口以延伸所述内部扩散区段的长度的加厚壁部分。
本申请技术方案14涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段和所述外部扩散区段具有在所述冷却流体流方向渐增的横截面区域。
本申请技术方案15涉及根据技术方案4所述的部件，其特征在于：所述渐增的横截面区域连续增大。
本申请技术方案16涉及根据技术方案1所述的部件，其特征在于：所述外部扩散区段的渐增横截面区域大于所述内部扩散区段相关的横截面区域。
本申请技术方案17涉及一种用于涡轮发动机的翼型，其产生热气体流并且提供冷却流体流，所述翼型包括：外壁，其使所述热气体流与所述冷却流体流分离并且具有所述热气体沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；以及至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从所述入口延伸的主干和从所述主干延伸到所述至少两个出口的分支，并且还具有形成于所述主干中在所述分支的接合部处的内部扩散区段以及限定所述至少两个出口的外部扩散区段。
本申请技术方案18涉及根据技术方案17所述的翼型，其特征在于：所述内部扩散区段限定第一中心线，且所述外部扩散区段限定第二中心线，且所述至少两个出口相对于所述第二中心线不对称。
本申请技术方案19涉及根据技术方案18所述的翼型，其特征在于：所述第一或第二中心线中的至少一个是弯曲的。
本申请技术方案20涉及根据技术方案17所述的翼型，其特征在于：所述至少两个出口为三个出口。
本申请技术方案21涉及根据技术方案17所述的翼型，其特征在于：进一步包括所述主干中的且以流体方式联接到所述内部扩散区段的内部计量区段。
本申请技术方案22涉及根据技术方案17所述的翼型，其特征在于：进一步包括位于所述内部扩散区段和所述外部扩散区段之间的至少一个连接计量区段。
本申请技术方案23涉及根据技术方案22所述的翼型，其特征在于：所述至少一个连接计量区段限定从所述内部扩散区段延伸到所述外部扩散区段的减小的横截面区域。
本申请技术方案24涉及根据技术方案17所述的翼型，其特征在于：所述外壁包括靠近所述入口以延伸所述内部扩散区段的长度的加厚壁部分。
本申请技术方案25涉及一种用至少一个冷却孔使发动机部件冷却的方法，所述至少一个冷却孔在沿着朝向冷却流体流的冷却表面的入口和沿着热气体沿其流动的受热表面的至少两个出口之间延伸穿过所述发动机部件的外壁；所述方法包括：使所述冷却流体流流动穿过所述至少一个冷却孔的内部扩散区段以形成第一扩散气流；将所述第一扩散气流分为多个分支；在所述多个分支中的每一个中扩散所述第一扩散气流以形成第二扩散气流；以及将所述第二扩散气流发送到所述受热表面上。
本申请技术方案26涉及根据技术方案25所述的方法，其特征在于：进一步包括使所述第一扩散气流在所述多个分支中的每一个中扩散之前使所述第一扩散气流流动穿过连接计量区段。
本申请技术方案27涉及根据技术方案26所述的方法，其特征在于：进一步包括在使所述冷却流体流流动穿过所述内部扩散区段之前，使所述冷却流体流流动穿过内部计量区段。
附图说明
在附图中：
图1是用于飞行器的涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是包括至少一个冷却孔的涡轮叶片的透视图。
图3是沿着线III-III截取的来自图2的涡轮叶片的横截面。
图4A是根据本文中论述的本公开的一方面来自图2的所述至少一个冷却孔的示意性侧部截面图。
图4B是图4A中的所述至少一个冷却孔的示意性顶部截面图。
图5A是根据本文中论述的本公开的另一方面来自图2的所述至少一个冷却孔的示意性侧部截面图。
图5B是图4A中的所述至少一个冷却孔的示意性顶部截面图。
图6A是根据本文中论述的本公开的又一方面来自图2的所述至少一个冷却孔的示意性侧部截面图。
图6B是图4A中的所述至少一个冷却孔的示意性顶部截面图。
具体实施方式
本文中所描述的本公开的方面涉及具有叉形冷却通路的至少一个冷却孔的形成，所述叉形冷却通路包括具有内部扩散区段的主干和具有外部扩散区段并限定至少两个出口的分支。出于说明的目的，将通过用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮来描述本公开。然而，应当理解，本文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，非飞行器应用例如其它移动应用以及非移动的工业、商业和住宅应用。
如本文中所使用，术语“前部”或“上游”是指在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，如本文中所使用，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。此外，如本文中所使用，术语“组”或一“组”元件可以是任何数量的元件，包括仅有一个。
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、横向、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、前部、后部等)仅用于识别目的以辅助读者理解本公开，并且尤其不对位置、取向或本文所描述的本公开的方面的用途形成限制。除非另外指明，否则连接参考(例如，附接、联接、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，连接参考不一定表示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延伸的基本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包括环绕风扇20的风扇壳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由核心壳46环绕，所述核心壳46可与风扇壳40联接。
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可围绕发动机中心线旋转且联接到多个可旋转元件，所述多个可旋转元件可以共同限定转子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相对于对应一组静止压缩机轮叶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可以设置成环，且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，同时对应的静止压缩机轮叶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中所示出的叶片、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外壳46。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中一组涡轮叶片68、70相对于对应一组静止涡轮轮叶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，且可从叶片平台相对于中心线12向外径向延伸到叶片尖端，同时对应的静止涡轮轮叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游且邻近于所述旋转叶片。应注意，图1中所示出的叶片、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外壳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和涡轮区段32当中的静止轮叶60、62、72、74，也个别地或共同地称为定子63。由此，定子63可指代整个发动机10中的非旋转元件的组合。
在操作中，离开风扇区段18的气流被分开，使得气流的一部分经通道进入LP压缩机24，所述LP压缩机24接着将加压空气76供应到HP压缩机26，所述HP压缩机26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，LP涡轮36提取额外的功以驱动LP压缩机24，并且废气最终经由排气区段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的温度显著提高。由此，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，且通过静止轮叶行、且更具体地说出口导叶组合件80退出发动机组合件10，所述出口导叶组合件80在风扇排气侧84处包括多个翼型导叶82。更具体来说，在风扇区段18附近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绕过发动机核心44，且用于冷却发动机10的部分，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，尤其是涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热的部分，因为其正好在燃烧区段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。
图2是具有发动机部件、特别是具有图1的发动机10的涡轮叶片70的涡轮叶片组合件86的透视图。替代地，发动机部件可以在非限制性实例中包括轮叶、护罩或燃烧衬垫，或者可能需要或利用冷却通路的任何其它发动机部件。
涡轮叶片组合件86包括燕尾榫90和翼型92。翼型92在尖端94和根部96之间延伸以限定展向(span-wise)方向。翼型92在根部96处的平台98上安装到燕尾榫90。平台98有助于径向地容纳涡轮发动机主流气流。燕尾榫90可以被构造成安装到发动机10上的涡轮转子圆盘71。燕尾榫90进一步包括至少一个入口通路100，示范性地示出为三个入口通路100，每个入口通路延伸穿过燕尾榫90以提供与翼型92的内部流体连通。应当理解，燕尾榫90以横截面示出，使得入口通路100被容纳在燕尾榫90的主体内。
翼型92包括凹形压力侧110和凸形吸力侧112，它们接合在一起以限定在前缘114和后缘116之间延伸的翼型形状，以限定弦向(chord-wise)方向。翼型92受外壁118约束且由压力侧110和吸力侧112限定。一组膜冷却孔120可沿着外壁118的任何部分定位，包括接近压力侧110上的前缘114。
转向图3，内部128受外壁118约束，且可包括多个冷却通路130。多个冷却通路130可与入口通路100中的至少一个流体联接(图2)。多个冷却通路130可由内壁132分离。内壁132可如所示出在压力侧和吸力侧之间延伸，且在其它非限制性实例中可以是在翼型内且限定多个冷却通路130的至少一部分的任何壁。至少一个冷却孔134可以流体方式将翼型92的内部128联接到翼型92的外部136。在本文的本公开的一方面中，冷却通路130的内部128上所述至少一个冷却134的位置附近的加厚壁部分138经形成以便拉长所述至少冷却孔134。
预期所述至少一个冷却孔134可以是任何一组冷却孔的一部分，作为非限制性实例，如本文所描述的一组膜冷却孔120。所述至少一个冷却孔134可通过基板，所述基板借助于说明为外壁118。然而，应理解，所述基板可以是发动机10内的任何壁，包括但不限于内壁132、尖端壁122或燃烧衬垫壁。用于形成基板的材料包括(但不限于)钢、例如钛等难熔金属，或者基于镍、钴或铁的超合金，以及陶瓷基质复合物。超合金可包括等轴结构、定向凝固结构和晶体结构中的超合金。基板可在非限制性实例中通过3D印刷、熔模铸造法或冲压形成。
所述至少一个冷却孔134在图4A中更详细地示出。外壁118在朝向热气体流(H)的外部或受热表面140和朝向冷却流体流(C)的内部或冷却表面142之间延伸。应理解，受热表面140和冷却表面142彼此相对，且可以是发动机操作期间的任何范围的温度。
应注意，如本文所描述的外壁118示出为大致平面，然而应了解，外壁118可用于弯曲的发动机部件。此实例中发动机部件的曲率与冷却孔134的尺寸相比可能是微小的，且因此出于论述和说明的目的示出为平面。不论外壁118在所述至少一个冷却孔134附近为平面还是弯曲，热表面和冷却表面140、142都可如本文所示彼此平行或可处于非平行平面中。
叉形冷却通路144具有带有多个分支162的主干160，(图4B)其中主干从设置在冷却表面142上的入口146延伸，且多个分支形成设置在受热表面140上的出口148以限定所述至少一个冷却孔134。如图4B所示，叉形是指冷却通路划分成两个或两个以上分支。叉形冷却通路144可包括具有圆形横截面区域(CA1)的内部计量区段150，但预期任何横截面形状。内部计量区段150可设置在入口146处或附近。
内部扩散区段152可位于内部计量区段150的下游。内部扩散区段152可由渐增的第二横截面区域(CA2)限定，作为非限制性实例，圆锥形区段。第一中心线(CL1)可通过内部扩散区段152的第二横截面区域(CA2)的几何中心。渐增的第二横截面区域(CA2)可在冷却流体流(C)方向中沿着第一中心线(CL1)增大。预期所述至少一个冷却孔134倾斜使得第一中心线(CL1)不正交于热表面140和冷却表面142。进一步预期第一中心线(CL1)正交于热表面140和冷却表面142中的一个或两个。中心线(CL1)的定向和几何形状仅出于说明性目的而示出，且不应具有限制性。
至少一个连接计量区段154可以流体方式联接到内部扩散区段152，且位于内部扩散区段152的下游。所述至少一个连接计量区段154可具有第三横截面区域(CA3)，作为非限制性实例，其为冷却流体流(C)方向中的减小的第三横截面区域(CA3)。更具体地说，连接计量区段154可经由比连接计量区段154以其开始的横截面区域(CA3)小的横截面区域(CA3)向外部扩散区段156排放。所述至少一个连接计量区段154可以是多个连接计量区段154，其各自具有小于内部扩散区段152以其结束的第二横截面区域(CA2)的第三横截面区域(CA3)。
作为非限制性实例，外部扩散区段156经由所述至少一个连接计量区段154以流体方式连接到内部扩散区段152。外部扩散区段156可由渐增的第四横截面区域(CA4)限定，作为非限制性实例，圆锥形区段。外部扩散区段156端接在出口148中，尽管呈现为仅一个出口，但为至少两个出口148。
应理解，横截面区域(CA1、CA2、CA3、CA4)可具有任何形状，且不限于本文中所描述的形状。叉形冷却通路144可限定横截面区域，作为非限制性实例，所述横截面区域具有圆形、卵形、椭圆形、跑道形或圆角矩形形状。每一横截面区域可具有不同形状。
图4B是沿着相对于外壁118的橫向平面朝受热表面140观察时所述至少一个冷却孔134的俯视图。为了清晰起见，热表面和冷却表面140、142已经移除。可较清楚地看到，叉形冷却通路144包括主干160，其中形成内部扩散区段152。进一步预期，内部计量区段150也形成于主干160中。侧壁161分叉以限定内部扩散区段152和渐增的第三横截面区域(CA3)。第一侧角θ可从第一中心线(CL)向侧壁161测量。
分支162，作为非限制性实例，第一分支162a和第二分支162b，在内部扩散区段152和外部扩散区段156之间的接合部164处从主干160延伸以限定外部扩散区段156的至少一部分。第一分支162a可包括第一外部扩散区段156a，且第二分支162b可包括第二外部扩散区段156b。进一步预期，所述至少一个连接计量区段154是两个连接计量区段154a、154b，其从接合部164延伸以将内部扩散区段152分别联接到第一和第二外部扩散区段156a、156b。侧壁161可以是限定主干160和分支162两者的部分的连续侧壁161。
第一和第二外部扩散区段156a、156b限定示出为第一和第二出口148a、148b的所述至少两个出口148。分支162可限定分支中心线，示出为第二中心线(CL2)，其可通过第一横截面区域(CA1)的几何中心和第三横截面区域(CA3)的几何中心。所述至少两个出口148相对于第二中心线(CL2)不对称。横截面区域(CA4)的几何中心不位于横截面区域(CA4)与分支中心线(CL2)的相交点处的分支中心线(CL2)中的对应一个上。第二侧角α，示出为两个第二侧角α1、α2，可从第二中心线(CL2)向侧壁161测量。预期第一侧角θ大于第二侧角α。作为非限制性实例，第一侧角θ为7°，且第二侧角α为5°。在两个分支156a、156b从主干160延伸的情况下，不对称性实现最小占据面积下的最大覆盖度。
在本公开的另一方面中，第三侧角β，示出为两个第三侧角β1、β2，可从第二中心线(CL2)向与连续侧壁161相对的侧壁166测量。预期第三侧角β等于第一侧角θ。
冷却流体流(C)可沿着第一中心线(CL1)流动穿过内部计量区段150，在所述内部计量区段150中可发生冷却流体流(C)的质量流率的计量。冷却流体流(C)随后在与内部计量区段150成串流连通的情况下在内部扩散区段152中扩散。冷却流体流(C)膨胀以形成较宽且较慢的第一扩散气流(Cd1)。第一扩散气流(Cd1)通过连接计量区段154，在所述连接计量区段154中可发生第一扩散气流(Cd1)的质量流率的计量。第一扩散气流(Cd1)可随后在外部扩散区段156中再次扩散以形成第二扩散气流(Cd2)。第二扩散气流(Cd2)在所述至少两个出口148处退出从而形成冷却流体膜(Cf)。
如本文所描述的冷却发动机部件的方法包括使冷却流体流(C)流动穿过内部扩散区段152以形成第一扩散气流(Cd1)，以及将第一扩散气流(Cd1)分为多个分支162。此外，第一扩散气流(Cd1)流动穿过外部扩散区段156以形成第二扩散气流(Cd2)。所述方法进一步包括将第二扩散气流(Cd2)发送到受热表面140上(图4A)。
所述方法可包括使第一扩散气流(Cd1)流动穿过连接计量区段154，随后使第一扩散气流(Cd1)在多个分支162中的每一个中扩散。另外，所述方法可包括使冷却流体流(C)流动穿过内部计量区段150，随后使冷却流体流(C)流动穿过内部扩散区段152。应理解，所述至少一个冷却孔134可包括如本文所描述的计量区段150、152。然而，还预期所述至少一个冷却孔134包括零个或仅一个计量区段，且如本文所描述的计量区段仅出于说明性目的且不意图具有限制性。
图5A是根据本公开的另一方面的冷却孔234。冷却孔234大体上类似于图4A的所述至少一个冷却孔134。因此，相同零件将用增加了100的相同编号表示，应了解，除非另外指明，否则至少一个冷却孔134的相同零件的描述适用于冷却孔234。
冷却孔234可包括成流体连通的内部计量区段250、内部扩散区段252、至少一个连接计量区段254和外部扩散区段256，所述外部扩散区段256限定冷却流体流(C)流经的至少两个出口248。每一区段可分别具有第一、第二、第三和第四横截面区域(CA1、CA2、CA3、CA4)。所述至少一个连接计量区段254可在冷却流体流(C)方向中以恒定的第三横截面区域(CA3)延伸，从而以流体方式将内部扩散区段252联接到外部扩散区段256。应理解，虽然示出为具有恒定横截面区域，但第三横截面区域(CA3)还可如本文相对于冷却孔134所论述为减小的，且恒定横截面区域(CA3)出于说明性目的且不意图具有限制性。同样，冷却孔134可包括如相对于冷却孔234所描述的恒定横截面区域(CA3)。
图5B较清楚地示出冷却孔234可以是分叉的冷却通路244，其终止于三个出口248a、248b、248c。主干260限定冷却孔234的一部分，内部扩散区段252和(作为非限制性实例)内部计量区段250可形成在其中。内部扩散区段252端接在分支262中，作为非限制性实例，三个分支262a、262b、262c，从而形成外部扩散区段256。进一步预期分支262形成连接计量区段254。分支262c可形成中间连接计量区段254，其限定的横截面区域(CA3c)可小于分支262a、262b中的其它计量区段254的横截面区域(CA3)。同样，由第三分支262c形成的外部扩散区段256可限定小于其它外部扩散区段256的横截面区域(CA4)的横截面区域(CA4c)。进一步预期每一分支262形成连接计量区段254和外部扩散区段256，其全部具有彼此类似的横截面区域。
叉形冷却通路244可包括从入口246延伸到外部出口248a、248b的连续侧壁261。第一侧角θ可从内部扩散区段252的第一中心线(CL)向连续侧壁261测量。第二侧角α，示出为两个第二侧角α1、α2，可从外部扩散区段256的第二中心线(CL2)向侧壁261测量。预期第一侧角θ大于第二侧角α。作为非限制性实例，第一侧角θ为7°，且第二侧角α为5°。
第一和第二分支262a、262b中的每一个可限定与连续侧壁261相对的内部侧壁266。第三侧角β，示出为两个第三侧角β1、β2，可从第二中心线(CL2)向侧壁266测量。预期第三侧角β小于第一侧角θ和第二侧角α1、α2两者。
第三分支262c可以是形成具有另一组内部侧壁268的第三外部扩散区段256的中间分支。第四侧角γ可从另一组内部侧壁268向第一中心线(CL1)测量。
图6A是根据本文中论述的本公开的另一方面的冷却孔334。冷却孔334类似于图4A的所述至少一个冷却孔134。因此，相同零件将用增加了100的相同编号表示，应了解，除非另外指明，否则所述至少一个冷却孔134的相同零件的描述适用于冷却孔334。
冷却孔334可包括成流体连通的内部计量区段350、内部扩散区段352、至少一个连接计量区段354和外部扩散区段356，所述外部扩散区段356限定冷却流体流(C)流经的至少两个出口348。预期冷却孔234包括具有主干360的叉形冷却通路344，所述主干360延伸到接合部364，分支362从接合部364延伸。至少一个分支362可形成从接合部364处的次级入口372延伸的次级冷却孔370。形成次级孔370的所述至少一个分支362可限定额外中心线，示出为曲线中心线(CL3)。
作为非限制性实例，次级入口372可流体联接到内部扩散区段352。次级冷却孔370可沿着曲线中心线(CL3)从次级入口372延伸到出口348c。进一步预期次级冷却孔370可包括限定恒定横截面区域(CA5)的次级计量区段374。次级计量区段374可以流体方式将内部扩散区段352联接到次级扩散区段376，所述次级扩散区段376具有渐增的横截面区域(CA6)且限定出口348c。
如图6B中可较清楚地看到，出口348c可相对于冷却流体流C位于出口348a、348b上游。还预期次级冷却孔370包括平行于第一中心线(CL)延伸的至少一部分，其至少部分由内部扩散区段352限定。
虽然示出为线性，但进一步预期如本文所描述的第一中心线(CL1)或第二中心线(CL2)还可为曲线的，比如本文中所描述的曲线中心线(CL3)。如本文所描述的叉形冷却通路144、244、344的曲率并不意图具有限制性，且可以是弯曲或线性的，这取决于冷却孔134、234、334的位置和功能。
如本文所描述的具有叉形冷却通路的冷却孔与单一出口冷却孔相比增加了冷却膜性能。在沿着如本文所描述的外壁的外部耗尽冷却流体之前多次扩散冷却流体流使射流穿透最小化。如本文所描述使冷却孔形成分支形成了出口，所述出口一起闭合从而使沿着发动机部件(作为非限制性实例，如本文所描述的叶片)的外部的覆盖度最大化。作为整体，发动机的耐久性和性能得以增强。
可利用增材制造技术或例如熔模铸造和3D印刷等其它先进的铸造制造技术来制造叉形冷却通路。可用的技术提供成本效益以及所描述的其它益处。应理解，还预期形成本文中所描述的冷却回路和冷却孔的其它方法，且所公开的方法仅出于示范性目的。
应理解，预期与第一和第二尖端部分相对于彼此和尖端通道的定向相关的几何形状的任何组合。本文中论述的本公开的不同方面是出于说明性目的，且并不意图为限制性的。
应了解，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发动机和涡轮增压发动机。
本书面描述使用实例来描述本文所描述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使所属领域的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实例。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要素，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要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种用于涡轮发动机的部件，其产生热气体，并且提供冷却流体流，所述部件包括：
外壁，其使所述热气体与所述冷却流体流分离且具有所述热气体沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；以及
至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从所述入口延伸的主干和从所述主干延伸到所述至少两个出口的分支，并且还具有形成于所述主干中在所述分支的接合部处的内部扩散区段以及限定所述至少两个出口的外部扩散区段；以及
位于所述内部扩散区段和所述外部扩散区段之间的至少一个连接计量区段，其具有沿着流方向穿过所述至少一个冷却孔的减小的横截面面积。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段限定第一中心线，且所述分支限定另外的中心线。
3.根据权利要求2所述的部件，其特征在于：所述至少两个出口相对于所述分支中心线不对称。
4.根据权利要求2所述的部件，其特征在于：所述分支中心线中的至少一个是弯曲的。
5.根据权利要求2所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段和所述外部扩散区段共享至少一个连续侧壁。
6.根据权利要求5所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段包括沿着所述至少一个连续侧壁相对于所述第一中心线测量的第一侧角，且所述外部扩散区段包括由所述至少一个连续侧壁和所述分支中心线之间的角度限定的第二侧角。
7.根据权利要求6所述的部件，其特征在于：所述第一侧角大于所述第二侧角。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述至少两个出口为三个出口。
9.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：进一步包括所述主干中的并且以流体方式联接到所述内部扩散区段的内部计量区段。
10.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述外壁包括靠近所述入口以延伸所述内部扩散区段的长度的加厚壁部分。
11.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述内部扩散区段和所述外部扩散区段具有在所述冷却流体流方向渐增的横截面面积。
12.根据权利要求11所述的部件，其特征在于：所述渐增的横截面面积连续增大。
13.根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述外部扩散区段的横截面面积大于所述内部扩散区段的横截面面积。
14.一种用于涡轮发动机的翼型，其产生热气体并且提供冷却流体流，所述翼型包括：
外壁，其使所述热气体与所述冷却流体流分离并且具有所述热气体沿其流动的受热表面和朝向所述冷却流体流的冷却表面；
至少一个冷却孔，其包括所述冷却表面处的入口和所述受热表面处的至少两个出口，叉形冷却通路具有从所述入口延伸的主干和从所述主干延伸到所述至少两个出口的分支，并且还具有形成于所述主干中在所述分支的接合部处的内部扩散区段以及限定所述至少两个出口的外部扩散区段；以及
位于所述内部扩散区段和所述外部扩散区段之间的至少一个连接计量区段，其限定恒定的横截面面积。
15.根据权利要求14所述的翼型，其特征在于：所述内部扩散区段限定第一中心线，且所述外部扩散区段限定第二中心线，且所述至少两个出口相对于所述第二中心线不对称。
16.根据权利要求15所述的翼型，其特征在于：所述第一或第二中心线中的至少一个是弯曲的。
17.根据权利要求14所述的翼型，其特征在于：所述至少两个出口为三个出口。
18.根据权利要求14所述的翼型，其特征在于：进一步包括所述主干中的且以流体方式联接到所述内部扩散区段的内部计量区段。
19.根据权利要求14所述的翼型，其特征在于：所述外壁包括靠近所述入口以延伸所述内部扩散区段的长度的加厚壁部分。
20.一种用至少一个冷却孔使发动机部件冷却的方法，所述至少一个冷却孔在沿着朝向冷却流体流的冷却表面的入口和沿着热气体沿其流动的受热表面的至少两个出口之间延伸穿过所述发动机部件的外壁；所述方法包括：
使所述冷却流体流流动穿过所述至少一个冷却孔的内部扩散区段以形成第一扩散气流；
将所述第一扩散气流分为多个分支；
在所述多个分支中的每一个中计量穿过连接计量区段的所述第一扩散气流，其在所述连接计量区段内具有减小的横截面面积；
使所述第一扩散气流流动穿过所述连接计量区段之后，在所述多个分支中的每一个中扩散所述第一扩散气流以形成第二扩散气流；以及
将所述第二扩散气流发送到所述受热表面上。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：进一步包括在使所述冷却流体流流动穿过所述内部扩散区段之前，使所述冷却流体流流动穿过内部计量区段。
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