CN110359966A

CN110359966A - 发动机构件

Info

Publication number: CN110359966A
Application number: CN201910525903.4A
Authority: CN
Inventors: R.F.伯格霍尔斯; A.E.史密斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2019-10-22
Also published as: US20160186660A1; EP3040516A1; CN105736063A; JP2016128687A; US9777635B2; CA2915460A1; BR102015032771A2

Abstract

一种发动机构件(68)，其包括与热燃烧气体流处于热连通的热表面(90)，以及与热表面(90)相对的冷却流体沿着其流动的冷却表面(104)。至少一个旋涡发生器(102)设在冷却表面(104)上，且可响应于与流动冷却流体的接触在冷却流体中引起旋涡。

Description

发动机构件

本申请是申请日为2015年12月31日的发明专利申请“发动机构件”(申请号：201511014281.7，申请人：通用电气公司)的分案申请。

技术领域

涡轮发动机以及特别地燃气或燃烧涡轮发动机是旋转发动机，其从通过发动机到多个涡轮叶片上的燃烧气体流取得能量。燃气涡轮发动机已经用于陆地和海上运动以及动力产生，但是最常用于航空应用，诸如用于飞行器，包括直升机。在飞行器中，燃气涡轮发动机用于飞行器的推进。在地面应用中，涡轮发动机通常用于动力产生。

背景技术

用于飞行器的燃气涡轮发动机设计为在高温下操作以使发动机效率尽可能高，因此特定发动机构件(诸如高压涡轮和低压涡轮)的冷却可能是必需的。典型地，冷却通过从高压和/或低压压缩机到需要冷却的发动机构件的管道输送的较冷流体实现。高压涡轮中的温度在1000℃到2000℃左右，而来自压缩机的冷却流体在500℃到700℃左右。虽然压缩机空气处于高温，但是其相对于涡轮空气较冷，且可用于冷却涡轮。

发动机构件的接收冷却流体的内部腔已设有紊流器，以便在冷却流体中产生湍流且提高传热。

发明内容

本发明涉及发动机构件，其用于产生热燃烧气体流的燃气涡轮发动机。

在一个方面，本发明涉及一种发动机构件，其具有：热表面，其与热燃烧气体流处于热连通；冷却表面，其与热表面相对，且限定具有截面宽度的冷却区域，冷却流体在流动方向上沿着该冷却表面流动；以及至少一个旋涡发生器，其从冷却表面延伸且位于冷却区域中，且具有本体长度、本体宽度和本体轴线。本体长度大于本体宽度，且沿着本体轴线延伸。本体轴线与流动方向大致对准。本体宽度小于冷却区域的截面宽度。旋涡发生器成形为响应于与流动冷却流体的接触在冷却流体中引起旋涡。

在另一方面，本发明涉及一种发动机构件，其具有：至少部分地限定冷却表面的腔，冷却流体在流动方向上沿着该冷却表面流动，该腔具有长度、截面宽度和截面高度，其中，长度大于截面宽度；热表面，其与冷却表面相对，与热燃烧气体流处于热连通；以及至少一个旋涡发生器，其从冷却表面延伸且具有本体长度、本体宽度、本体高度和本体轴线。本体长度大于本体宽度且沿着本体轴线延伸。本体轴线与流动方向大致对准。本体长度是腔的长度的5-15%。本体宽度是腔的截面宽度的10-35%。本体高度是腔的截面高度的20-75%。

技术方案1. 一种发动机构件，其用于产生热燃烧气体流的燃气涡轮发动机，所述发动机构件包括：

热表面，其与所述热燃烧气体流处于热连通；

冷却表面，其与所述热表面相对，且限定具有截面宽度的冷却区域，冷却流体在流动方向上沿着所述冷却表面流动；以及

至少一个旋涡发生器，其从所述冷却表面延伸且位于所述冷却区域中，且具有本体长度、本体宽度和本体轴线，其中：

所述本体长度大于所述本体宽度且沿着所述本体轴线延伸；

所述本体轴线与所述流动方向大致对准；以及

所述本体宽度小于所述冷却区域的截面宽度；

其中，所述旋涡发生器成形为响应于与所述流动冷却流体的接触在所述冷却流体中引起旋涡。

技术方案2. 根据技术方案1所述且还包括至少部分地由所述冷却区域限定的内部腔的发动机构件，其中，所述至少一个旋涡发生器位于所述内部腔内。

技术方案3. 根据技术方案2所述的发动机构件，其中，所述内部腔具有截面高度，且所述至少一个旋涡发生器具有为所述截面高度的20-75%的本体高度。

技术方案4. 根据技术方案2所述的发动机构件，其中，所述内部腔具有大于所述截面宽度的长度。

技术方案5. 根据技术方案4所述的发动机构件，其中，所述至少一个旋涡发生器的本体长度是所述内部腔的长度的5-15%。

技术方案6. 根据技术方案1所述的发动机构件，其中，所述本体宽度是所述截面宽度的10-35%。

技术方案7. 根据技术方案1所述的发动机构件，其中，所述至少一个旋涡发生器包括相对于所述流动方向面向上游的前表面、相对于所述流动方向面向下游的后表面，以及接合所述前表面和所述后表面的相对的侧表面，其中，所述本体长度由所述前表面和所述后表面之间的距离限定，且所述本体宽度由所述侧表面之间的距离限定。

技术方案8. 根据技术方案1所述的发动机构件，其中，所述至少一个旋涡发生器包括位于所述冷却区域中的多个旋涡发生器。

技术方案9. 根据技术方案8所述的发动机构件，其中，所述多个旋涡发生器配置成沿着与所述流动方向大致相同的方向延伸的多个排，其中每个排具有至少一个旋涡发生器。

技术方案10. 根据技术方案9所述且还包括至少部分地由所述冷却区域限定的内部腔的发动机构件，其中，所述多个排位于所述内部腔内。

技术方案11. 根据技术方案9所述的发动机构件，其中，一个排相对于另一排沿着所述流动方向交错。

技术方案12. 根据技术方案9所述的发动机构件，其中，一个排中的至少一个旋涡发生器的本体轴线不平行于另一排中的至少一个旋涡发生器的本体轴线。

技术方案13. 根据技术方案9所述的发动机构件，其中，每个排包括多个旋涡发生器。

技术方案14. 根据技术方案13所述的发动机构件，其中，所述多个排中的至少一排的旋涡发生器沿着大致垂直于所述流动方向的方向相对于彼此交错。

技术方案15. 根据技术方案1所述的发动机构件，其中，所述本体轴线与所述冷却流体流形成15度或更小的角度。

技术方案16. 一种发动机构件，其用于产生热燃烧气体流的燃气涡轮发动机，所述发动机构件包括：

腔，其至少部分地限定冷却表面，冷却流体沿着流动方向沿着所述冷却表面流动，所述腔具有长度、截面宽度和截面高度，其中，所述长度大于所述截面宽度；

热表面，其与所述冷却表面相对，与所述热燃烧气体流处于热连通；以及

至少一个旋涡发生器，其从所述冷却表面延伸且具有本体长度、本体宽度、本体高度和本体轴线，其中：

所述本体长度大于所述本体宽度且沿着所述本体轴线延伸；

所述本体轴线与所述冷却流体流形成15度或更小的角度；

所述本体长度是所述腔的长度的5-15%；

所述本体宽度是所述腔的截面宽度的10-35%；以及

所述本体高度是所述腔的截面高度的20-75%。

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截面视图。

图2是来自图1的发动机的燃烧器和高压涡轮的侧截面视图。

图3是具有来自图1的发动机的涡轮叶片的形式的发动机构件的透视图。

图4是沿着图3的线IV-IV截取的涡轮叶片的截面视图。

图5是来自图4的涡轮叶片的冷却通路的局部放大图。

图6是来自图4的涡轮叶片的冷却通路的局部放大透视图。

图7是来自图6的冷却通路的内部的一部分的透视图，其中为了清楚起见移除了冷却通路的壁以示出旋涡发生器。

图8是示出用于图7的冷却通路内的旋涡发生器的一些示例性定向的顶视图。

图9是沿着图7的线VIII-VIII截取的截面视图。

图10-图11示出设有图7的旋涡发生器的冷却通路与设有常规紊流器的冷却通路的比较。

图12是示出旋涡发生器的进一步的实施例的透视图。

部件列表

10 燃气涡轮发动机

12 中心线

14 前方

16 后方

18 风扇区段

20 风扇

22 压缩机区段

24 LPC

26 HPC

28 燃烧区段

30 燃烧器

30a 导流器

30b 燃烧器衬套

32 涡轮区段

34 HPT

36 LPT

38 排气区段

40 风扇外壳

42 风扇叶片

44 核心

46 核心外壳

48 HP线轴

50 LP线轴

52 LPC级

54 HPC级

56 LPC叶片

58 HPC叶片

60 LPC静叶

62 HPC静叶

64 HPT级

66 LPT级

68 HPT叶片

70 LPT叶片

72 HPT静叶

74 LPT静叶

76 导流器

77 衬套

78 护罩组件

80 柄部

82 翼型叶片

84 叶片平台

86 燕尾件

88 压力侧

90 吸力侧

92 纵向轴线

94 叶片梢部

96 叶片根部

98 冷却通路

102 旋涡发生器

104 壁

106 壁

108 壁

110 壁

112 本体

114 前表面

116 后表面

118 侧表面

120 顶表面

122 紊流器

124 冷却表面

126 发动机构件

C 冷却流体流动方向

L1 旋涡发生器的长度

W1 旋涡发生器的宽度

H1 旋涡发生器的高度

X 本体轴线

L2 通路长度

W2 通路宽度

H2 通路高度

SA 传热表面区域

FA 流动区域。

具体实施方式

所描述的本发明的实施例涉及冷却发动机构件，尤其是在涡轮发动机中。为了说明的目的，本发明将关于飞行器燃气涡轮发动机描述。然而应理解，本发明不限于此，且可在非飞行器应用中具有普遍的适用性，诸如其他移动应用以及非移动的工业的、商业的和住宅应用。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性截面视图。发动机10具有大体纵向延伸的轴线或中心线12，其从前方14延伸到后方16。发动机10沿着朝下游的连续流动关系包括：包括风扇20的风扇区段18、包括升压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32，以及排气区段38。

风扇区段18包括环绕风扇20的风扇外壳40。风扇20包括在中心线12周围径向地布置的多个风扇叶片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可由可与风扇外壳40联接的核心外壳46环绕。

在发动机10的中心线12周围同轴布置的HP轴或线轴48将HP涡轮34驱动连接到HP压缩机26。在发动机10的中心线12周围在更大直径的环状HP线轴48内同轴布置的LP轴或线轴50将LP涡轮36驱动连接到LP压缩机24和风扇20。

LP压缩机24和HP压缩机26相应地包括多个压缩机级52、54，在其中成组的压缩机叶片56、58相对于对应组的静态压缩机静叶60、62(也称为喷嘴)旋转以使通过级的流体流压缩或增压。在单个压缩机级52、54中，可在环中提供多个压缩机叶片56、58，且可从叶片平台到叶片梢部相对于中心线12朝外径向延伸，而对应的静态压缩机静叶60、62定位在旋转叶片56、58的下游且邻近旋转叶片56、58。应当注意到，在图1中示出的叶片、静叶和压缩机级的数目仅为了说明的目的而选定，且其他数目是可能的。

HP涡轮34和LP涡轮36相应地包括多个涡轮级64、66，在其中成组的涡轮叶片68、70相对于对应组的静态涡轮静叶72、74(也称为喷嘴)旋转以从通过级的流体流提取能量。在单个涡轮级64、66中，可在环中提供多个涡轮叶片68、70，且可从叶片平台到叶片梢部相对于中心线12朝外径向延伸，而对应的静态涡轮静叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游且邻近旋转叶片68、70。应当注意到，图1中示出的叶片、静叶和涡轮级的数目仅为了说明的目的而选定，且其他数目是可能的。

在操作中，旋转风扇20将环境空气供应到LP压缩机24，其然后将加压的环境空气供应到HP压缩机26，其进一步加压环境空气。来自HP压缩机26的加压空气在燃烧器30中与燃料混合且点燃，从而产生燃烧气体。通过HP涡轮34从这些燃气中提取一些功，其驱动HP压缩机26。燃烧气体排出到LP涡轮36内，其提取额外的功以驱动LP压缩机24，且排气最终经由排气区段38从发动机10排出。对LP涡轮36的驱动使LP线轴50驱动以使风扇20和LP压缩机24旋转。

由风扇20供应的一些环境空气可旁通发动机核心44且用于冷却发动机10的部分，尤其是热的部分，和/或用于冷却飞行器的其他方面或为飞行器的其他方面提供动力。在涡轮发动机的背景中，发动机的热的部分通常在燃烧器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。冷却流体的其他源可以是(但是不限于)从LP压缩机24或HP压缩机26排出的流体。

图2是来自图1的发动机10的燃烧器30和HP涡轮34的侧截面视图。燃烧器30包括导流器76和燃烧器衬套77。成组的静态涡轮静叶72沿轴向方向邻近涡轮34的涡轮叶片68，其中相邻的静叶72形成在其间的喷嘴。喷嘴使燃烧气体转向以便可通过涡轮34提取尽可能多的能量。当热燃烧气体H沿着静叶72的外部传送时，冷却流体流C通过静叶72以冷却静叶72。护罩组件78邻近旋转叶片68以使涡轮34中的流损耗尽可能小。类似的护罩组件还可与LP涡轮36、LP压缩机24或HP压缩机26关联。

发动机10的发动机构件中的一个或多个具有表面，在其中可利用本文进一步公开的各种冷却实施例。发动机构件的具有冷却表面的一些非限制示例可包括翼型件，诸如在图1-图2中描述的叶片68、70，静叶或喷嘴72、74，燃烧器导流器76，燃烧器衬套77或护罩组件78。

图3是具有来自图1的发动机10的涡轮叶片68中的一个的形式的发动机构件的透视图。涡轮叶片68包括柄部80和翼型叶片82。柄部80还包括叶片平台84和燕尾件86，叶片平台84帮助径向容纳涡轮空气流，燕尾件86附连到涡轮转子盘(未示出)。翼型叶片82具有凹形压力侧88和凸形吸力侧90，其接合在一起以限定翼型形状。纵向轴线92朝叶片梢部94向外径向延伸以及朝附连到柄部80的叶片根部96向内径向延伸。叶片68沿使得压力侧88跟随吸力侧90的方向旋转。因此，如图3中所示，叶片68可旋转到页面内。

图4是沿着图3的线IV-IV截取的涡轮叶片68的翼型叶片82的截面视图。翼型叶片82包括多个大体纵向延伸的内部腔，其具有引导通过其的冷却流体流的冷却通路98的形式。冷却通路98可互连以限定通过叶片68的冷却剂回路的至少一部分。在图4中将看到，冷却通路98中的每一个可具有独特的截面，范围从大致矩形到接近梯形，尽管这种冷却通路98的截面可具有任何形状。在操作期间，冷却剂回路从柄部80中的入口接收冷却流体，且在穿过冷却通路98之后，冷却流体通过膜孔(film hole)离开翼型叶片82。

根据本发明的一个实施例，至少一个旋涡发生器102设在冷却通路98中的至少一个内。旋涡发生器102可从冷却通路98的冷却表面延伸，以在流动通过冷却通路98的冷却流体中引起旋涡。在图4中，仅一个冷却通路98示出为具有旋涡发生器102，但是应当理解，更多或所有的冷却通路98可设有旋涡发生器102。而且，虽然旋涡发生器102示出为在翼型叶片82的吸力侧90上，但是应当理解，旋涡发生器102可设在翼型叶片82的内部壁或压力侧88上。

图5是来自图4的冷却通路98中的一个的局部放大图。旋涡发生器102可从冷却通路98的冷却表面延伸，以响应于与流动的冷却流体的接触而在流动通过冷却通路98的冷却流体中引起旋涡，其大体通过图5中的箭头指示。如上文所述，冷却通路98可具有各种截面形状；如所示出和描述的那样，本冷却通路98为大致四边形的形状，其带有限定截面形状的四个侧壁104、106、108、110。在本示例中，第一壁104可由叶片68的吸力侧90限定，其中吸力侧90限定叶片68的与热燃烧气体流处于热连通的热表面，且壁104、106、108、110的内部限定叶片68的与热表面相对的冷却流体沿着其流动的冷却表面。在燃气涡轮发动机的情形中，热表面可经受具有在1000℃到2000℃的范围中的温度的气体。用于壁104、106、108、110的合适材料包括但是不限于钢、诸如钛的耐热金属、或者基于镍、钴或铁的超级合金，以及陶瓷基质复合物。

旋涡发生器102设在冷却通路98的一个或多个壁104、106、108、110上。在所示实施例中，旋涡发生器102设在与吸力侧90直接相对的内部壁104上，其中，内部壁104限定旋涡发生器102位于其中的冷却区域。应当理解，旋涡发生器102也可与冷却通路98的壁104、106、108、110组合。

图6是图5的透视图。旋涡发生器102可具有三维本体112，其具有本体长度L1、本体宽度W1和本体高度H1。本体112限定本体轴线X，且本体长度L1可沿着本体轴线X测量。本体宽度W1可垂直于本体轴线X测量。本体高度H1可从内部壁104测量。

冷却通路98可具有截面宽度W2和截面高度H2。截面宽度W2可在壁104、106之间测量，而截面高度H2可在壁108、110之间测量。

旋涡发生器102的本体112可在轮廓上变化。如图所示，本体112具有在前表面114、后表面116，以及接合前表面114和后表面116的相对的侧表面118。侧表面118还可由顶表面120接合。在所示实施例中，本体112成型为使得侧表面118朝顶表面120朝彼此渐缩。侧表面118可大致相同，使得当沿本体轴线X向下观察时本体112是对称的，或者其可不同，使得当沿本体轴线X向下观察时本体112是不对称的。而且，前表面114和后表面116可大致相同，使得本体112沿着本体轴线X是对称的，或者其可不同，使得本体112沿着本体轴线X是不对称的。

对于图示的本体112，本体长度L1由前表面114和后表面116之间的距离限定，本体宽度W1由侧表面118之间的距离限定，而本体高度H1限定为从内部壁104到顶表面120的距离。更具体地，本体长度L1可为在前表面114和后表面116之间的最大距离，本体宽度W1可为侧表面118之间的最大距离，且本体高度H1可为从内部壁104到顶表面120的最大距离。

应当注意到，冷却通路98可包括多个旋涡发生器102；在所示实施例中，示出两个并排的旋涡发生器102。在其中多个旋涡发生器102设在冷却通路98中的实施例中，旋涡发生器102可各自具有大致恒定的本体高度H1，以便其延伸到冷却通路98内大致恒定的量。而且，这种旋涡发生器102具有大致恒定的本体长度L1、本体宽度W1、定向和/或本体轮廓。备选地，旋涡发生器102可在这些方面的一个或多个中彼此不同。

图7是冷却通路98的内部的一部分的透视图，其中，为了清楚起见移除了限定冷却通路98的壁106。冷却通路98可包括多个旋涡发生器102，其位于由通路98限定的冷却区域内且沿着通路98的长度配置。冷却通路98还具有通路长度L2。通路长度L2可沿着通过冷却通路98的冷却流体的流动方向测量，该流动方向大体由箭头C指示。在本实施例中，冷却通路98是伸长的，使得通路长度L2大于截面宽度W2以及截面高度H2(参见图6)；应当注意，图7中未示出冷却通路98的全部高度H2。

参考图5和图6，旋涡发生器102的形状(包括旋涡发生器102相对于冷却通路98的定向和尺寸)影响旋涡发生器102在冷却流体中引起旋涡的性能。例如，旋涡发生器102还可沿流动方向C伸长，使得本体长度L1大于本体宽度W1。更进一步，旋涡发生器102不跨越冷却区域，使得旋涡发生器102的本体宽度W1小于冷却通路98的截面宽度W2。同样地，旋涡发生器102的本体高度H1小于冷却通路98的截面高度H2。

在一个更具体的实施例中，旋涡发生器102可具有为冷却通路98的截面高度H2的20-75%的本体高度H1、为冷却通路98的长度的5-15%的本体长度L1、为冷却通路98的截面宽度W2的10-35%的本体宽度W1，或者这些尺寸的任何组合。在这些范围内的旋涡发生器可在冷却流中产生足够的旋涡以增大传热，同时避免高压损失和局部高马赫数。应当注意，这些尺寸代表飞行器发动机涡轮叶片，且该尺寸在旋涡发生器的其他应用中可变化。

图8是示出用于冷却通路98内的旋涡发生器102的一些示例性定向的顶视图。在每个示出的示例中，旋涡发生器102配置成沿着与流动方向C大致相同的方向延伸的两个排，其中每个排具有多个旋涡发生器102。然而，在其他示例中，冷却通路98可设有更多或更少排的旋涡发生器102。

在第一示出的示例(a)中，与在图5和图6中示出的相同，旋涡发生器102可与流动方向C大致一致地定向，使得本体轴线X可与流动方向C大致对准。通过“大致对准”，本体轴线X可从流动方向C偏移15度或更少。更具体地，在示例(a)中，本体轴线X平行于流动方向C；换言之，本体轴线X从流动方向C偏移0度。因此，单排中的旋涡发生器102沿着共线的本体轴线X置放。此外，不同排中的旋涡发生器102彼此对准。

在第二示出的示例(b)中，每个旋涡发生器102的本体轴线X平行于流动方向C，但是沿着流动方向C交错，使得单排中的交替的旋涡发生器102沿着平行但是不共线的本体轴线X置放。因此，这些排沿着大致垂直于流动方向C的方向相对于彼此交错。不同的排中的旋涡发生器102彼此对准。

在第三示出的示例(c)中，每个旋涡发生器102的本体轴线X从流动方向C偏移大约10度。因此，单排中的每个旋涡发生器102沿着平行但是不共线的本体轴线X置放。此外，不同排中的旋涡发生器102彼此对准；然而，一个排中的旋涡发生器102的本体轴线X不平行于另一排中对准的旋涡发生器102的本体轴线X。

在第四示出的示例(d)中，每个旋涡发生器102的本体轴线X平行于流动方向C，且旋涡发生器102沿着流动方向C沿着共线的本体轴线X对准，但是不同排中的旋涡发生器102沿着流动方向C交错，使得这些排彼此偏移。

图9是沿着图7的线VIII-VIII截取的旋涡发生器102的截面视图。前表面114相对于流动方向C面向上游，且后表面116相对于流动方向C面向下游。前表面114和后表面116从壁104以某个角度延伸以与顶表面120会聚。在所示实施例中，本体112具有翼型形状且成型为使得由前表面114限定的角度比由后表面116限定的角度更陡。

在冷却发动机构件的领域中，现有技术专利已经合并了用语旋涡发生器和紊流器，即使在这样做是不正确的时候。为了本公开的目的，重要的是澄清旋涡发生器与紊流器之间的差异且适当地定义旋涡发生器，因为本公开涉及旋涡发生器而不是紊流器。图10-图11示出分别设有旋涡发生器102的冷却通路98与设有常规紊流器122的冷却通路98的比较。紊流器122典型地是矩形的形状，越过冷却通路98定向，且沿冷却流体流的方向间隔开。在本实施例中，紊流器122垂直于流动方向，但是还可与流动方向成某个角度，诸如45度。相比于紊流器122，旋涡发生器102可增加内部传热表面区域SA。传热表面区域SA可限定为冷却通路98中的冷却表面的表面区域；在本实施例中，传热表面区域SA是壁104、106、108、110的组合表面区域和旋涡发生器或紊流器122的表面区域。为了说明的目的，每个通路98在图10-图11中示出为带有大体指示传热表面区域SA的虚线，但是应当理解，截面并不示出通路98的整个传热表面区域SA。通过旋涡发生器102提供的更大传热表面区域SA产生比紊流器122更高的传热性能。

冷却通路98还限定流动区域FA，其中，流动区域FA是冷却流体可流动通过的冷却通路98的开放截面区域。为了说明的目的，每个通路98在图10-图11中示出为带有大体指示流动区域FA的点状图案。在本文中示出的示例中，包含旋涡发生器102的冷却通路98具有与包含紊流器122的冷却通路98相同的流动区域FA，然而，用于带有旋涡发生器102的冷却通路98的传热表面区域SA可比用于紊流器122的传热表面区域SA大40-60%，因为旋涡发生器102的轴向定向允许旋涡发生器102到冷却流体流内的更大渗透。紊流器122不能构造成匹配旋涡发生器102的渗透，因为这会影响流动区域FA。

紊流器122首先通过在冷却空气流过紊流器122中的每个时维持冷却空气的湍流来增加冷却通路98内的传热效率。因为紊流器122大体横向于流动方向，所以冷却流中的微粒倾向于收集在紊流器122的正上游和下游的再循环流动区域中。与紊流器122相比，旋涡发生器102倾向于通过利用冷却流产生朝下游延伸的旋涡来增加传热效率。冷却流中夹带的微粒倾向于跟随旋涡的流线且不像其在带有紊流器的情况中那样积聚。此外，旋涡发生器102不大体横向于冷却空气流，这进一步减少了任何夹带的微粒在特定区域中积聚的可能性。最后，旋涡发生器102倾向于具有更多的空气动力形状，其中，本体轴线大体平行于冷却空气流。

旋涡发生器的本体轮廓还可影响旋涡发生器的性能。根据本发明的进一步的实施例，用于旋涡发生器的不同本体轮廓的一些非限制性示例在图12中示出。旋涡发生器的本体轮廓可通过其截面形状和/或其平面形状(planform)限定。截面形状可在与旋涡发生器的本体轴线X正交的平面中观察。平面形状是当从旋涡发生器从其凸出的发动机构件126的冷却表面124上方观察时旋涡发生器的轮廓。应当理解，图12中示出的旋涡发生器的尺寸和定向可与上文参考图5-图9论述的那些一致，或者可不同。此外，如上文关于图2论述的那样，发动机构件可包括翼型件、喷嘴、静叶、叶片、护罩、燃烧器衬套或燃烧器导流器中的一个。

截面形状的一些非限制示例包括矩形、三角形和梯形，且可至少部分地由旋涡发生器的前表面和后表面的形状限定。用于前表面、后表面的形状的一些非限制性示例包括倾斜的、楔形或圆形。例如，旋涡发生器128、136、140、142的前表面是倾斜的；旋涡发生器130、132、134、138的那些是楔形的；且旋涡发生器144、148的那些是圆形的。旋涡发生器128、130、134、136、138、140的后表面是倾斜的；旋涡发生器132、142的那些是楔形的；且旋涡发生器144、148的那些是圆形的。倾斜的、楔形的或圆形的表面帮助维持沿着冷却表面124的高的冷却流体速度，其可减少灰尘在冷却表面124上积聚的倾向。

平面形状的一些非限制性示例包括矩形、梯形、菱形、鹞形(kite-shaped)、泪珠形、卵形、椭圆形、五边形、六边形和七边形。例如，旋涡发生器128具有大体梯形的平面形状，旋涡发生器130、134具有大体五边形的平面形状，旋涡发生器132具有大体六边形的平面形状，旋涡发生器136、142具有大体七边形的平面形状，旋涡发生器138具有大体鹞形的平面形状，旋涡发生器140具有大体矩形的平面形状，旋涡发生器144具有大体泪珠形的平面形状，且旋涡发生器146具有大体椭圆形的平面形状。

在一个实施例中，具有大体鹞形的平面形状的带有楔形的前表面和倾斜的后表面的旋涡发生器138允许更小的旋涡在前表面处发起且沿着与冷却表面124相交的发散和展开的侧壁发展。鹞形平面形状给予冷却流体流小的初始湍流，其自然地发展成在两个侧壁上的旋涡。

在上述实施例的任一个中，应当理解，虽然为了说明的目的附图可示出旋涡发生器具有关于冷却表面的锐利的转角、边缘或者过渡部的，但是可能更实际的是，转角、边缘和/或过渡部平滑地倒圆或倒角。此外，示出为具有关于冷却表面的平滑倒圆或倒角的转角、边缘和/或过渡部的旋涡发生器的实施例可改为具有锐利的转角、边缘和/或过渡部。

在上述实施例中的任一个中，虽然旋涡发生器主要示出在限定冷却区域的一个表面上，但是旋涡发生器的定位不限于此。旋涡发生器可位于限定冷却区域的多个表面上。例如，就此而言，其可定位在相对表面、相邻表面或者所有表面上。旋涡发生器还可位于延伸到限定冷却区域的表面中的表面上或者位于从限定冷却区域的表面延伸的表面上。旋涡发生器不限于位于限定冷却区域的表面上。例如，旋涡发生器中的一些可既在不限定冷却区域的区域中又在冷却区域中。

涉及本文中公开的发明的系统、方法和其他装置的各种实施例提供用于涡轮发动机构件的改善的冷却。在所描述的系统的一些实施例的实践中可实现的一个优点是，旋涡发生器提供用于发动机构件的壁和/或内部腔，以便改善发动机构件的冷却。旋涡发生器在冷却流体流中引起强烈的旋涡，其除了提供大的内部传热区域外，继而还产生高的内部传热效率增加。这种效果可增加用于涡轮发动机的在翼时间(TOW)，且这些部分的使用寿命可增加。

在本发明的进一步优点中，旋涡发生器可代替常规紊流器使用，且可产生与常规紊流器相当的内部传热效率，但是带有高得多的冷却剂侧区域增强。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims

1.一种发动机构件，其用于产生热燃烧气体流的燃气涡轮发动机，所述发动机构件包括：

热表面，其与所述热燃烧气体流处于热连通；

所述本体长度大于所述本体宽度且沿着所述本体轴线延伸；

所述本体轴线与所述流动方向大致对准；以及

所述本体宽度小于所述冷却区域的截面宽度；

其中，所述旋涡发生器成形为响应于与所述流动冷却流体的接触在所述冷却流体中引起旋涡；

其中，所述至少一个旋涡发生器包括位于所述冷却区域中的多个旋涡发生器；

其中，所述多个旋涡发生器配置成沿着与所述流动方向大致相同的方向延伸的多个排，其中每个排具有至少一个旋涡发生器；且

其中，一个排中的至少一个旋涡发生器的本体轴线不平行于另一排中的至少一个旋涡发生器的本体轴线。

2.根据权利要求1所述且还包括至少部分地由所述冷却区域限定的内部腔的发动机构件，其特征在于，所述至少一个旋涡发生器位于所述内部腔内。

3.根据权利要求2所述的发动机构件，其特征在于，所述内部腔具有截面高度，且所述至少一个旋涡发生器具有为所述截面高度的20-75%的本体高度。

4.根据权利要求2所述的发动机部件，其特征在于，所述内腔具有大于所述截面宽度的长度。

5.根据权利要求4所述的发动机构件，其特征在于，所述至少一个旋涡发生器的本体长度是所述内部腔的长度的5-15%。

6.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述本体宽度是所述截面宽度的10-35%。

7.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述至少一个旋涡发生器包括相对于所述流动方向面向上游的前表面、相对于所述流动方向面向下游的后表面，以及接合所述前表面和所述后表面的相对的侧表面，其中，所述本体长度由所述前表面和所述后表面之间的距离限定，且所述本体宽度由所述侧表面之间的距离限定。

8.根据权利要求1所述且还包括至少部分地由所述冷却区域限定的内部腔的发动机构件，其特征在于，所述多个排位于所述内部腔内。

9.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，一个排相对于另一排沿着所述流动方向交错。

10.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，每个排包括多个旋涡发生器。

11.根据权利要求10所述的发动机构件，其特征在于，所述多个排中的至少一排的旋涡发生器沿着大致垂直于所述流动方向的方向相对于彼此交错。

12.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述本体轴线与所述冷却流体流形成15度或更小的角度。