CN1580519A - 用于涡轮叶片的微回路冷却 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括：冷却空气可流到其中的内腔、外壁和埋设在壁内的第一、第二和第三冷却回路。所述冷却回路包括使每一个相应的冷却回路与腔相连以提供冷却空气流入相应的冷却回路的流动通道的进气孔。冷却回路还包括出气孔，出气孔提供冷却空气从相应的冷却回路流出的流动通道。冷却回路能够当冷却空气从进气孔流到出气孔时提高冷却空气的温度。在该实施例中，进气孔与由流入腔内的冷却空气上的科里奥利流动效应在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向对准。
Description
根据由the United States Air Force，Wright Patterson AirForce Base裁定的合同号F33615-02-C-2202，政府可以具有本发明中的权利。
技术领域
本发明涉及燃气轮机，特别涉及一种改进的用于翼型的冷却方案。
背景技术
效率是在任何燃气轮机设计中的一个主要关心问题。在历史上，一种用于提高效率的基本技术是提高发动机内的气路温度。利用由耐高温合金制成的内部冷却部件能够适应高温。例如，通常利用在较高压力下工作但仍然处于比通过叶片或者定子叶片的芯部气流的温度低的温度的压缩机空气来冷却涡轮定子叶片和叶片。应该理解的是，用于这样的冷却的压缩机排出气体不能用于支持燃烧器中的燃烧。较高的温度提供将空气推过部件所需的能量。但是，在冷却过程中，传递到从压缩机排出的空气上的功的很大比例会损耗。损耗的功不增加发动机的推力并且对发动机的总效率产生不良影响。因此，本领域技术人员应该认识到，在由较高的芯部气路温度获得的效率和冷却发动机部件的伴随的要求以及执行冷却的排出空气所导致的效率损耗之间存在平衡。因此，无论那一种冷却空气的冷却效率最大化中的大数值被使用。因此，为了使由于冷却空气流不能支持燃烧而在发动机性能方面的牺牲达到最小，用于冷却叶片和定子叶片的任何方案必须使压缩机排出冷却空气的利用达到最佳。
如图13中所示，现有技术中可冷却的翼型通常包括多个被供给冷却空气的内腔。冷却空气通过翼型(或者平台)的壁并且在过程中将热能从翼型带走。冷却空气通过翼型壁的方式对于该过程的效率是重要的。在一些情况下，冷却空气通过直的或者散布的冷却孔以对流冷却该壁并且建立外冷却空气膜。穿过这些冷却孔通常需要最小压降，以使立即损失于经过翼型的自由流热芯部气体的冷却空气的量达到最小。最小压降通常是通过由多个限流孔连接的在翼型内的多个腔产生的。穿过翼型壁的压降太小会导致不希望的热芯部气体流入。在所有情况下，在冷却孔中的最小停留时间以及冷却孔的尺寸使得这种对流冷却效率较低。
已经发现，低效冷却的一个导致因素是在利用冷却空气膜以冷却壁的应用中的不良膜特性。但是，在许多情况下，希望沿着壁表面建立膜冷却。沿着壁表面移动的冷却空气膜增加冷却的均匀性并且使壁与通过的热芯部气体隔离。但是，本领域技术人员应该认识到，膜冷却难以建立和保持在燃气轮机的紊流环境中。在大多数情况下，用于膜冷却的空气从穿通壁的冷却孔排出。术语“排出”反映将冷却空气从翼型的内腔推出的小压力差。关于利用建立冷却空气膜的孔的一个问题是，膜对穿过孔的压力差的敏感性。穿过孔的压力差太大将使得空气喷射到通过的芯部气体中而不是有助于冷却空气膜的形成。压力差太小将形成可忽略的通过孔的冷却空气流，或者更糟的是，导致热芯部气体流入。两种情况都对膜冷却效率产生不良影响。关于利用建立冷却空气膜的孔的另一个问题是，冷却空气从间断点而不是沿着连续的线分配。暴露于孔间的间隙以及这些间隙下游的邻近区域的冷却空气少于暴露于孔和孔下游的邻近空间的冷却空气，因此孔间的间隙以及这些间隙下游的邻近区域更易于热降解。
涡轮机叶片设计者和工程师一直致力于开发更有效的翼型冷却方法以延长翼型的寿命并且降低发动机操作费用。用于实现这些目的的冷却空气对于总的燃料消耗是昂贵的。这样，在对涡轮叶片进行冷却过程中更有效地利用冷却空气是期望的，这不仅能够延长涡轮叶片的寿命而且还能够提高发动机的效率，从而能够降低发动机操作费用。因此，在本领域中，人们一直需要一种能够更有效地利用冷却空气的冷却设计，特别是能够提高转子进气口温度或者减少相同转子进气口温度所需的冷却流。在本领域中，人们还需要促使将热量从叶片带走所需的冷却空气进入新的和改进的冷却设计中。
发明内容
因此，本发明提供一种微回路冷却系统，该微回路冷却系统使用一种新的并且有效的手段以对需要冷却的暴露在高温环境下的壁进行冷却。在该实施例中，被冷却的壁在燃气轮机中，特别是所述壁是翼型壁。特别是，与现有技术的冷却方案相比，本发明提供这样的优点，需要较少的用于冷却壁的冷却压缩机空气能够在壁处达到相同的金属温度。较少的压缩机排出流带来的附加的优点是，提高了涡轮效率。
简要而言，提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括：冷却空气可流到其中的内腔、外壁和埋设在壁内的第一、第二和第三冷却回路。所述冷却回路包括使每一个相应的冷却回路与腔相连以提供冷却空气流入相应的冷却回路的流动通道的进气孔。冷却回路还包括出气孔，出气孔提供冷却空气从相应的冷却回路流出的流动通道。冷却回路能够当冷却空气从进气孔流到出气孔时提高冷却空气的温度。在该实施例中，进气孔与由流入腔内的冷却空气上的科里奥利力在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向对准。
本发明提供一种用于将冷却进气孔设置在涡轮叶片的壁内的方法的实施例，其中涡轮叶片具有冷却空气从与进气孔流体相通的腔的一端流入的内腔。所述方法包括：确定冷却空气在腔内流动的方向；考虑由于涡轮叶片的转动导致的冷却空气中的科里奥利流动效应；以及以对准由流入腔内的冷却空气上的科里奥利力在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向的方式设置进气孔。
附图说明
现将参照附图结合示例对本发明进行描述，在附图中：
图1是燃气轮机的简化横截面图；
图2是涡轮叶片的示意图，所述叶片包括翼型，其中示出了设置在翼型壁中的本发明的多个微回路；
图3是本发明的微回路冷却方案的一个实施例的放大示意图；
图4是本发明的微回路冷却方案的另一个实施例的放大示意图；
图5是沿着图2的5-5得到的图2的翼型的横截面图；
图6是图5中所示的翼型叶片的部分横截面图，其中空气流过冷却通道的方向是径向向外的，并且示出了供气段和在翼型壁中为微回路供给气体的进气孔；
图7是图5中所示的翼型叶片的部分横截面图，其中空气流过冷却通道的方向是径向向内的，并且示出了供气段和在翼型壁中为微回路供给气体的进气孔；
图8是沿着图6的8-8得到的图6中的冷却通道的部分横截面图，其中示出了关于进气孔的供气段；
图9是沿着图6的9-9得到的图6中的冷却通道的部分横截面图，其中示出了在翼型的吸气侧壁上的供气段和进气孔；
图10是沿着图7的10-10得到的图7中的冷却通道的部分横截面图，其中示出了关于进气孔的供气段；
图11是沿着图7的11-11得到的图7中的冷却通道的部分横截面图，其中示出了在翼型的吸气侧壁上的供气段和进气孔；
图12是冷却效率相对于如图4中所示的本发明的翼型所需的叶片冷却流的曲线图；以及
图13是现有技术的常规冷却翼型。
具体实施方式
参见图1，燃气轮机10包括风扇12、压缩机14、燃烧器16、涡轮18和喷嘴20。在燃烧器16中和后面，暴露在芯部气体下的大多数部件被冷却，这是由于芯部气体的温度极高。例如利用处于比流过涡轮18的芯部气体高的压力并且温度比流过涡轮18的芯部气体低的从压缩机14流出的冷却空气对涡轮18内的初始转子段和定子叶片段进行冷却。图1的系统的使用仅是说明性的，不是对本发明的限定，图1的系统可用于发电厂和飞行器所用的燃气轮机上。
参见图2，其中示出了涡轮叶片27，所述叶片具有翼型26，翼型26包括设置在翼型26的壁24中的本发明的多个微回路(冷却回路)22。叶片27铸有位于翼型26内的内腔(腔)32。叶片27被径向设置在枞木构件31上方并且具有压力侧壁28和吸气侧壁30。侧壁28、30分别在轴向相对的前缘和后缘34、36处接合在一起，并且从翼型26与整体平台40相交的根部38纵向或者径向延伸到包围翼型26的尖部42。内腔32可具有任何常规形式的多道蜿蜒沟道，冷却空气通常是从发动机10(图1)的压缩机14(图1)排出的一部分空气。最好，翼型26具有多个内部通道32a-e。通道32a-e纵向设置，相邻通道互连以限定至少一部分蜿蜒的冷却回路。应该注意的是，通道32a-e的每一个具有独特的横截面，但这样的冷却通道的横截面可具有任何形状。
为了给出具体的示例，本发明的微回路22这里将被描述为，被设置在壁24内，一侧暴露在芯部气流G下，另一侧暴露在诸如图2中所示的涡轮叶片27的翼型26中的冷却空气下。这样，微回路22将热能从壁24带到冷却空气。但是，本发明的微回路22不限于涡轮叶片并且可用于暴露在需要冷却的高温环境下的其他壁(例如，燃烧器和燃烧器衬、增压器衬、喷嘴、平台、叶片密封、叶片、转子叶片等)。
现参见图2和图3，对微回路22进行详细描述。图3是本发明的一种微回路冷却方案的放大图。微回路提供可设计的高对流效率的冷却。连同高对流效率，一种改进的冷却构造需要高薄膜效率。图2示出被埋设在翼型26的壁24中的本发明的微回路22。微回路可在一个部件内被机加工或者被模制。在一个优选实施例中，微回路是由耐火金属型板制成并且在铸造之前被封在部件模型中。几种耐火金属包括熔点高于镍基超级合金的典型浇注温度的钼(Mo)和钨(W)。这些耐火金属可被制成锻造薄片或者型板，具有制造适用于涡轮和燃烧器冷却设计中的冷却通道特征所需的尺寸。特别是，这样的微回路可被制造在部件中，这些部件包括但不限于燃烧器衬、涡轮定子叶片、涡轮叶片、涡轮罩、叶片端壁和翼型边缘。最好，这样的部件部分或者整体由镍基合金或者钴基合金制成。薄耐火金属片和箔具有足够的延展性以能够弯曲和形成复杂的形状。延展性带来能够经受上蜡/结壳循环的坚固设计。在铸造后，耐火金属可被除去，诸如通过化学去除、热浸析或者氧化方法，留下形成微回路22的腔(图3-4)。应该注意的是，本发明的冷却设计也可利用带有陶瓷芯的熔模铸造技术来制造。
冷却微回路22的实施例可占据大到0.1平方英寸的壁表面积。但是，微回路22通常占据小于0.06平方英寸的壁表面积，优选实施例的壁表面通常占据接近0.05平方英寸的壁表面积。在该实施例中，在壁中测量的微回路22的厚度t在约0.012英寸至约0.025英寸之间较好，最好小于约0.017英寸。
微回路22包括前端44、后端45、第一侧面46、第二侧面48和多排50、52、54、56的支柱或者支座60、62、64、66、68，这些排支座分别在任何一个侧壁28、30的第一壁部(内表面)65(图5)和第二壁部(外表面)67(图5)之间延伸。微回路22在宽度方向上在其前端44和后端45之间延伸，在长度方向上或者径向上，在其第一侧面46和第二侧面48之间延伸。进气孔61穿过第一壁部65并且位于微回路22的后端45的附近以提供从翼型26的腔32流到微回路22中的冷却空气流通道。出气孔63穿过第二壁部67并且位于微回路22的前端44的附近以提供从微回路22流到壁24外部的芯部气体通道G的冷却空气流通道。微回路22的取向通常为沿着芯部气流G的流线从前到后，但取向可改变以适应手边的应用。在该实施例中，具有在径向上沿着长度方向延伸的两个跑道形进气孔61。在该实施例中，出气孔63是在径向上在长度方向延伸的狭槽。进气孔61的示例性长度L入为约0.025英寸，而出气孔61的长度L出为约0.100英寸。
下面将对如图2中所示的示例性微回路22在冷却设计和所达到的优点方面进行进一步描述。
排50具有支座60，支座60基本上为细长的直矩形柱体。支座60具有约0.040英寸的长度L1(平行于该排测量的)、约0.020英寸的宽度W1(垂直于该排测量的)、约0.060英寸的间距P1和约0.020英寸的间隙S1。间距被定义为，在一排内的各个支座之间的径向中心间距。间隙被定义为，间距P的长度减去支座直径D的长度。沿着该排的支座尺寸L与该排的间距P的比值，限定了被支座阻塞的沿着特定排的面积百分比或者后面称之为限制因子或者阻塞因子。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为67％。
下一排52具有支座62，支座62也基本上为细长的直矩形柱体。该排的支座具有约0.025英寸的长度L2、约0.015英寸的宽度W2、约0.0615英寸的间距P2和约0.0365英寸的间隙S2。在该实施例中，L2和W2都远小于L1和W1。但是，间距P2基本上与P1相同并且也是完全异相交错的以使支座62通常落后于相关的间隙70。排50、52之间的排间距R1为约0.0375英寸。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为42％。
下一排54具有支座64，支座64也基本上为细长的直矩形柱体。支座64具有约0.025英寸的长度L3、约0.015英寸的宽度W3、约0.0615英寸的间距P3和约0.018英寸的间隙S3。在该实施例中，这些与上面的排52的相应尺寸基本相同，但完全异相以使每一个支座64直接落后于相关的间隙72。排52、54之间的排间距R2为约0.033英寸，与R1类似。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为42％。
下一排56具有支座66，支座66基本上为直圆柱体，支座64具有约0.0200英寸的直径D4、约0.038英寸的间距P4和约0.018英寸的间隙S4。在该实施例中，D4小于矩形支座长度。间距P4小于其他排的间距并且间隙S4小于除排50以外的排的间隔。另外，排54、56之间的排间距R3为约0.014英寸，与R1和R2类似。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为53％。
下一排58具有两个支座68，每一个支座68具有穿过支座体的纵向轴线71以使轴线71径向延伸，这样，支座68径向上的形状是细长的，并且如图3中所示，与出气孔63对准。支座68被与在微回路22的前端44中的出气孔63中心对准的间隙78分离。间隙78在径向上的长度Lg最好不大于约0.015英寸。支座68通常具有朝向出气孔63向外延伸的凸起或者顶点76，凸起或者顶点76与出气孔63对准。在该实施例中，支座68沿着径向的长度L5为约0.079英寸。
这样，前面已经对排50、52、54、56和58进行描述，现将对图3的微回路22所实现的优点进行描述。
第一排50的支座60以一种能够控制局部速度并且促使流过微回路22的冷却空气横向分散的方式彼此相互间隔。这种发散导致尾流形成并且提高冷却回路22内的热吸收。支座60与排52的支座62是偏离的或者错开的。类似地，排54的支座64与排52的支座62是偏离的。相应的偏离足以使得基本上不存在穿过微回路22的直线通道。当空气通过支座62和64时，对于更均匀的流动分布，尾流减少。由于排52、54的限制因子低于排50和56，因此能够达到这样的效果。这样，排52、54用于使得尾流扰动最小化并且在冷却回路22内提供尾流/紊流的逐渐过渡。当空气通过下一排56时，空气被限流，从而增加速度，还增加热交换。应该注意的是，排50的限制因子大于排52、54、56。这样，微回路22中的空气流没有在过大的压降下并且以使得热交换最大化的形式被分配。
当空气通过排50、52、54时，支座68使得由于空气紊流而产生的尾流达到最小。尾流扰动的最小化避免微回路22内的热流再循环并且有助于热吸收。当空气流被引导到支座68周围时，它被均匀分配通过出气孔63。现描述用作出气孔63的狭槽。当空气离开狭槽时，达到均匀的壁24的膜覆盖层(图2)，特别是分别为压力和吸气侧壁28、30(图2)的膜覆盖层。这样，支座68防止流动拖尾或者间断喷射并且通过出气孔63。拖尾不是有利的，这是由于通过出气孔63排出的相应的空气喷射将不提供金属的均匀覆盖率，导致壁24的可能的热点。最好将微回路22设置在壁24内以使排气孔63或者狭槽不是共线的，从而提高翼型26的结构整体性(图2)。
最好，如上所述，当空气通过出气孔63排出时，支座68的定位提供空气的很好限流控制。特别是，冷却空气流过间隙78和靠近第一和第二侧面46、48流经支座68的周围。这样，当流动通过排56被限流时，部分流动将通过间隙78，同时其余的空气流经支座68的周围。另外，以这种方式并且如图3的流线0、1、1’所示，通过出气孔63的空气流被均匀分配。中心流线0不使流线1横穿以影响流线1’，反之亦然。这样，支座68的取向提供直流同时确保精确限流控制，从而提高膜冷却和效率。
现参见图4，其中示出了微回路22的另一个实施例。在各个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。在该实施例中的微回路22具有流过出气孔63和三个进气孔61。下面将对如图4中所示的示例性微回路22在冷却设计和所达到的优点方面进行进一步描述。在该实施例中，具有在长度方向上径向延伸的三个跑道形进气孔61和也在长度方向上径向延伸的两个出气孔63，最好是狭槽。进气孔61的示例性长度L入为约0.025英寸，而出气孔61的长度L出为约0.100英寸。
微回路22分别具有多排80、82、84、86支座或者支柱90、92、94和96。排80具有支座90，支座90基本上为带圆角的三角形形柱体，其中具有第一侧面100和基本上带有圆角的覆盖侧面102，第一侧面100是平的并且基本上垂直于流动方向。支座90具有约0.033英寸的主轴长度L1、约0.058英寸的间距P1和约0.018英寸的间隙S1。排80促使流入微回路22中的冷却空气横向分散。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为52％。
下两排82和84分别具有支座92、94，支座92、94基本上为带圆角的直矩形柱体。支座92具有约0.020英寸的直径D2、约0.0148英寸的间隙S2和约0.035英寸的间距P2。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为57％。支座94具有约0.020英寸的直径D3、约0.0148英寸的间隙S3和约0.035英寸的间距P3。对于上述特定的尺寸，限制因子或者阻塞因子为57％。支座92、94基本上相互偏离或者错开并且用于对在它们之间通过的空气流限流。该流是由排82和84限流的以增加流速、局部雷诺数和相应的内热交换系数。这样，支座94的密集度导致大于排80中的支座90的限制因子。
最后一排86具有两个支座96，每一个支座96与两个相应的出气孔63中的任何一个对准。支座96具有径向延伸的纵向轴线99。这样，支座96径向上的形状是细长的。支座96通常具有朝向出气孔63向外延伸的凸起或者顶点97。每一个支座96与相应的出气孔63基本上是中心对准的。在该实施例中，支座94沿着径向的长度L3为约0.100英寸。
这样，前面已经对排80、82、84和86进行描述，现将对图4的微回路22所实现的优点进行描述。
第一排80的支座90彼此相互间隔并且具有上述的能够控制局部速度并且促使流过微回路22的冷却空气横向分散的形状。另外，支座90使得尾流扰动达到最小。冷却空气流撞击在侧面100上并且由于侧面102被迫围绕支座90，从而减少尾流形成并且避免支座90后面的热点。
下两排82、84的支座92、94彼此相互错开并且相对于第一排80的支座90是错开的。这样，基本上没有穿过微回路22的直线通道。当冷却空气通过它们的排时，对于更均匀的流动分布，尾流被减少。
最好，如上所述，当空气通过出气孔63排出时，支座96的定位提供空气的很好限流控制。特别是，当冷却空气流过排82和84时，空气撞击在支座96上并且被引导到支座周围以通过相应的出气孔63排出。另外，以这种方式并且由流线0、1、1’所示，主流线0提供通过出气孔63排出的均匀流动分配。即，流线1不横穿流线1’，反之亦然。与图3中所示的实施例类似，主流线0基本上与相应的出气孔63的中心对准。但是，在该备选实施例中，支座96与出气孔63对准以使支座96的长度L3的大部分暴露在出气孔63下。同样，当流线包围支座时，流线自由通过出气孔63排出。这样，支座9 6的取向提供直流同时确保精确限流控制，从而提高膜冷却和效率。
这样，当空气流被引导到支座96周围时，它被均匀分配通过出气孔63。现描述用作出气孔63的狭槽。当空气离开狭槽时，达到均匀的壁24的膜覆盖层(图2)，特别是分别为压力和吸气侧壁28、30(图2)的膜覆盖层。这样，支座96防止流动拖尾或者间断喷射并且通过出气孔63。拖尾不是有利的，这是由于通过出气孔63排出的相应的空气喷射将不提供金属的均匀覆盖率，导致壁24的可能的热点。最好将微回路22设置在壁24内以使排气孔63或者狭槽不是共线的，从而提高翼型26的结构整体性(图2)。当空气通过排80、82、84时，支座96还用于使得由于空气紊流而产生的尾流达到最小。尾流扰动的最小化避免微回路22内的热流再循环并且有助于热吸收。
现参见图5，对叶片27的微回路22(图3、4)的附加特征进行描述。图5示出了图2的叶片27的横截面图，叶片27具有多个通道32a-e。通道32a-e被纵向延伸分隔壁或者肋条116分离，并且每一个通道具有沿着压力和吸气侧壁的第一和第二端118、120。叶片27围绕转动轴线98转动。通道32a具有一个几何中心C，中心线或者弦向轴线124穿过该几何中心C，以使中心线124垂直于或者正交于转动轴线98。类似地，通道32b具有一个几何中心C，中心线或者弦向轴线126穿过该几何中心C，以使中心线126垂直于或者正交于转动轴线98。应该注意的是，通道32a-e的形状，特别是32a-b是说明性的。另外，为了后面的参照，应该注意的是，中心线124、126穿过压力和吸气侧壁28、30。箭头R表示转动方向。应该注意的是，图5示出了被埋设在压力和吸气侧壁28、30内的代表性微回路22和下面将详细描述的相应的进气孔61a-c。
在燃气轮机的操作过程中，冷却空气流入通道32a-e经受转动作用力。通过通道32a-e的径向流动和这种转动的相互作用产生所谓的科里奥利力，从而在通道32a-e中产生内部流动循环。基本上，科里奥利力与流过通道的冷却剂的速度矢量和转动叶片的角速度矢量的矢量积成比例。另外，应该认识到，通过通道32a-e的冷却空气流可是径向向内的或者径向向外的。
现参见图6和图7，对在翼型26(图2)的壁24内的微回路22的布置，特别是如图3和图4中所示的两个实施例的进气孔61进行描述。图6是图2中所示的翼型26的部分横截面图，其中示出了供气段128和为微回路供给气体的进气孔61a-c。图7是图2中所示的翼型26的部分横截面图，其中示出了供气段128和为微回路供给气体的进气孔61a-c。
如图6和图7中所示，流动循环的方向取决于径向流动的方向(即，径向向外或者径向向内)。为了便于说明，流过通道32a中的冷却空气流相对于流线124是在径向向外的方向(即，朝向尖部42，图2)；而流过通道32b的冷却空气相对于流线126是在径向向内的方向(即，远离尖部42)。图6示意性地示出了由通道32a中的科里奥利力所产生的一对反向转动循环104和106，使得流体从吸气侧壁30移动到压力侧壁28并且返回以完成循环。相反，图7示意性地示出了由通道32b中的科里奥利力所产生的一对反向转动循环108和110，使得流体从压力侧壁28移动到吸气侧壁30并且返回以完成循环。每一个通道还包括与侧壁28、30接合在一起的相对内壁112、114，以形成通道32a-e。内壁112、114是分隔腔32(图2)的肋条116的一部分。
在该实施例中，在压力和吸气侧壁28、30内分别设有多个微回路22(图5)。另外，每一个相应的微回路22的进气孔61相对于流过相应的通道32a-b的冷却空气的科里奥利力所产生的反向转动循环(涡流对)104和106、108和110是同向设置的。这样，反向转动循环104和106、108和110将用于辅助冷却空气吸入到进气孔61和微回路22中。应该理解的是，并且在本发明的保护范围内，以大于约0.25的很高的转数Ro，可能在转动通道内具有两个涡流对。如上所述，并且下面将进一步描述的，进气孔以与上述类似的方式被设置并且下面将进一步描述，以利用在侧壁28、30上的科里奥利力。转数在本领域是已知的。应该注意的是，进气孔61相对于压力和吸气侧壁28、30的设置将取决于与相应的进气孔相通的内部通道内的冷却空气的方向(即，径向向内或者径向向外)。下面将对本发明的这个特征进行详细描述。
在冷却流是径向向外的实施例中，如在冷却通道32a(图6)中设置的，吸气侧壁30上的相应的微回路22的进气孔61的位置对应于一个靠近肋条116并且远离通道32a的中部的区域，而在压力侧壁28上，相应的微回路22的进气孔61的位置靠近通道32a的中心线124。因此，进气孔61相对于压力和吸气侧壁28、30的这些位置将与其中的科里奥利力是同向的。
以与上述类似的方式和由于与上述类似的原因，在冷却流是径向向内的实施例中，如在冷却通道32b(图7)中设置的，吸气侧壁30上的相应的微回路22的进气孔61的位置靠近通道32b的中心线126，而在压力侧壁28上，相应的微回路22的进气孔61的位置对应于一个靠近肋条116并且远离通道32b的中部的区域。因此，进气孔61相对于压力和吸气侧壁28、30的这些位置将与其中的科里奥利力是同向的。从上述内容中可以看出，应该注意的是，由于在相应的压力和吸气侧壁内的微回路22的取向，如图2中所示，通道32a和32b的每一个进气孔61a-c是不同微回路的部分。
如图6和图7中所示，通道32a-b分别具有在第一端118和相对的第二端120之间延伸的长度L和L1。在该实施例中，当冷却流是径向向外的时，如在通道32a中所示，为通道32a供给气体的压力侧壁28内的微回路22的进气孔61安置在中心线124与压力侧壁28的内表面相交的任何一侧上沿着大约10％的压力侧壁28的跨度S1内。这相当于长度L的20％的距离。另外，为通道32a供给气体的吸气侧壁30内的微回路22的进气孔61沿着压力侧壁设置以使每一个微回路22的进气孔61安置在从第一端118的大约40％的跨度S2内和从第二端120的大约40％的跨度S2内。沿着压力侧壁28的各个跨度是从每一个端部118、120测量的，相当于长度L的40％的距离。
另外，在如通道32b中所示的冷却流是径向向内的实施例中，为通道32b供给气体的吸气侧壁30内的微回路22的进气孔61安置在中心线126与吸气侧壁30的内表面相交的任何一侧上沿着大约10％的吸气侧壁30的跨度S1内。这相当于长度L1的20％的距离。另外，为通道32b供给气体的压力侧壁28内的微回路22的进气孔61沿着压力侧壁28设置，以使每一个微回路的进气孔61在从第一端118的大约40％的跨度S2内和从第二端120的大约40％的跨度S2内。沿着压力侧壁28的各个跨度是从每一个端部118、120测量的，相当于长度L1的40％的距离。
还应该注意的是，在本发明的保护范围内，通道32a-b的中心线124、126分别可限定用于转动翼型内的任何形状的内部通道。这样，它遵循的是，如上面参照本发明所提供的并且在图6和图7中所示的中心线124、126描述的，进气孔61的设置可被实施和应用在许多不同形状的转动并且具有在它们之间流过的诸如空气的内部流体的可选择的内部通道构造中。应该注意的是，对于任何的内部通道的中心线124、126与压力和吸气侧壁28、30的相交部分将随着通道的形状和构造而改变。
现参见图8和图9，分别示出了与通道32a、32b中的进气孔61径向相邻的供气段或者紊流器128。图8是沿着图6的8-8得到的冷却通道32a的部分横截面图，其中示出了关于进气孔61的供气段128。图9是沿着图6的9-9得到的冷却通道32a的部分横截面图，其中示出了在吸气侧壁30上的供气段128和进气孔61。
类似地，在图10和图11中，分别示出了与通道32b中的进气孔61径向相邻的供气段或者紊流器128。图10是沿着图7的10-10得到的在图7中的冷却通道32b的部分横截面图，其中示出了关于进气孔61的供气段128。图11是沿着图7的11-11得到的在图7中的冷却通道32b的部分横截面图，其中示出了在吸气侧壁30上的供气段128和进气孔61。
供气段128在冷却流在通道32a-b内的流动方向上位于进气孔61的下游。这样，供气段128阻碍通道32a-b内的冷却流并且有助于冷却空气进入到微回路22中。尽管在图8、9、10和11中所示的供气段是倾斜的并且具有矩形横截面，但本发明的供气段不限于这样的横截面(例如为半椭圆形或者半球形)，可朝向前缘或者后缘倾斜或者开始曲线形或者直线形的。
当如上所述微回路22位于吸气侧壁30内时，进气孔61将垂直于转动轴线98，并且同样与科里奥利力的流动对准。类似地，当如上所述微回路22位于压力侧壁28内时，进气孔61将垂直于转动轴线98，并且同样与科里奥利力的流动对准。还应该注意的是，上述进气孔61的设置最好可用于多种埋设在需要冷却的壁中并且具有进口和出口的微回路冷却设计中。即，本发明的进气孔61的设置不限于如图3和图4中所提供的微回路冷却设计。还应该注意的是，尽管被定义为[Grashoff数/(雷诺数的平方)]的浮力可在通道内操作以减小科里奥利力的大小，但上述进气孔61的设置将提供进气孔61相对于通道的示例性位置。转动Grashoff数和雷诺数在本领域是已知的。
现参见图2、图12和图13，详细描述前面所述和所示的本发明的优点。图13是现有技术的常规冷却翼型。图12是所需的叶片冷却流相对于上述本发明的冷却方案和图13中所示的常规的现有技术所涉及的叶片构造的冷却效率的曲线图。曲线130表示图13中所示的现有技术所涉及的叶片构造的冷却效率。曲线132表示这里在图4中所披露的本发明的实施例的冷却效率。利用图3中的实施例将实现如曲线132所示的类似的冷却效率和相应的优点。
冷却效率比被定义为，相对热燃烧气体和金属平均温度的温度差与相对热燃烧气体和冷却剂(冷却空气)的温度差的比，如下限定：
Φ＝[T气体-T金属]/[T气体-T冷却剂]
其中：
T气体＝在翼型外部流过的气体温度；
T冷却剂＝冷却空气的温度；以及
T金属＝翼型的金属平均温度。
最好，涡轮工程师和设计者试图设计大于70％的冷却效率比，这是由于金属温度约低，叶片27的总持久性更好。在本发明中利用两种方式实现。第一，利用膜冷却以降低热燃烧气体的温度。由于当冷却空气从出气孔63喷射到热燃烧气流中时冷却空气的混合而使温度降低。但是，完全依赖于这种方法是不希望的，这是由于，如上所述，从压缩机14(图1)排出的冷却空气越多，压缩机14(图1)产生的功越少。因此，如上所述，本发明使用一种对壁24进行内部对流冷却的新的手段以达到所需的冷却效率比。应该注意的是，翼型的传统膜冷却没有使用这样的方法达到高的并且可靠水平的效率。对流冷却效率的测量是当冷却空气在微回路22内流动时冷却空气的热吸收的函数，限定如下：
ηc＝[T冷却剂，出口-T冷却剂，入口]/[T金属-T冷却剂，入口]
其中，
T冷却剂，出口＝离开出口的冷却空气的温度；
T冷却剂，入口＝进入入口的冷却空气的温度；
T金属＝翼型的金属平均温度。
在上述等式中，涡轮工程师和设计者寻求一种具有高热吸收的设计，从而冷却翼型26的壁24。如在图12的曲线132中所示，本发明以多种方式达到高的热吸收。第一，如图3中所示的支座60、62、64、66和如图4中所示的支座90、92、94是在微回路22内的紊流促进器。第二，支座还用于提高表面积，从而强化传导热交换路径。第三，支座在整个微回路22上发散流动。第四，在图3和图4中所示的两个实施例中的限流排限制流动以增加微回路22内的热交换吸收。
本领域技术人员应该理解的是，并且在本发明的保护范围内，支座的布置、支座的形状和尺寸都可改变以对于给定的翼型设计达到所需的热交换性能。
一旦冷却空气从微回路22喷射后，它可部分混合到热燃烧气流G中，并且由于其自身拥有的动量，它可流到侧壁28、30。这样，喷射的冷却空气膜通过提供保护叶片27免受热燃烧气流G的影响的薄膜幕对壁24冷却，特别是对压力和吸气侧壁28、30冷却。
这样，本发明提供了一种使用能够膜冷却和对流冷却翼型的新的手段的冷却系统。特别是，这种结合相对于现有技术的冷却方案具有这样的优点，即，需要较少的用于冷却壁24的冷却压缩机空气能够在壁24处达到相同的金属温度。较少的压缩机排出流带来的附加的优点是，提高涡轮效率。与现有技术相比，本发明提供一种协同提高性能和延长叶片寿命的新的微回路冷却设计。本发明的微回路22提供一种用于膜冷却翼型26的改进装置。这样，使用本发明的有益冷却设计的叶片将不仅具有较长的使用寿命，而且还提高涡轮总效率。
尽管已经对本发明的优选实施例和实施例进行了描述，但本领域技术人员根据以上教导对本发明进行各种变型是显而易见的，因此，所有落入本发明的精神和保护范围内的这样的变型都包含在附属的权利要求书中。
Claims (22)
1.一种涡轮转子叶片包括：
外壁，所述外壁包括内表面；
冷却空气可流入其中的内腔；
埋设在所述壁内的第一冷却回路，所述第一冷却回路包括：
第一进气孔，所述第一进气孔连接所述第一冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第一冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述出气孔提供冷却空气从所述第一冷却回路流出的流动通道，所述第一冷却回路配置成在冷却空气从所述进气孔流到所述出气孔时可提高冷却空气的温度；
埋设在所述壁内的第二冷却回路，所述第二冷却回路包括：
第一进气孔，所述第二冷却回路的第一进气孔连接所述第二冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第二冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述第二冷却回路的出气孔提供冷却空气从所述第二冷却回路流出的流动通道，所述第二冷却回路配置成在冷却空气从所述第二冷却回路的所述进气孔流到所述第二冷却回路的所述出气孔时可提高冷却空气的温度；以及
埋设在所述壁内的第三冷却回路，所述第三冷却回路包括：
第一进气孔，所述第三冷却回路的第一进气孔连接所述第三冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第三冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述第三冷却回路的出气孔提供冷却空气从所述第三冷却回路流出的流动通道，所述第三冷却回路配置成在冷却空气从所述第三冷却回路的所述进气孔流到所述第三冷却回路的所述出气孔时可提高冷却空气的温度；
其中，所述第一进气孔与由流入所述腔内的冷却空气上的科里奥利力在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向对准。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述第一、第二和第三冷却回路包括多个相互隔开的并且在第一和第二壁部之间延伸的支座以限定用于使通过它们之间的冷却空气产生紊流的通道。
3.一种涡轮转子叶片，包括：
以从根部到尖部的跨度纵向延伸并且在前缘和后缘之间的弦向延伸的第一和第二侧壁，所述侧壁在所述前缘和后缘之间横向隔开，并且被在所述根部和尖部之间纵向延伸的弦向隔壁接合在一起以限定冷却空气可流入其中的内腔；
埋设在所述壁内的第一冷却回路，所述第一冷却回路包括：
第一进气孔，所述第一进气孔连接所述第一冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第一冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述出气孔提供冷却空气从所述第一冷却回路流出的流动通道，所述第一冷却回路配置成在冷却空气从所述进气孔流到所述出气孔时可提高冷却空气的温度；
埋设在所述壁内的第二冷却回路，所述第二冷却回路包括：
第一进气孔，所述第二冷却回路的第一进气孔连接所述第二冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第二冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述第二冷却回路的出气孔提供冷却空气从所述第二冷却回路流出的流动通道，所述第二冷却回路配置成在冷却空气从所述第二冷却回路的所述进气孔流到所述第二冷却回路的所述出气孔时可提高冷却空气的温度；以及
埋设在所述壁内的第三冷却回路，所述第三冷却回路包括：
第一进气孔，所述第三冷却回路的第一进气孔连接所述第三冷却回路和所述腔并且提供空气流入所述第三冷却回路的流动通道；以及
出气孔，所述第三冷却回路的出气孔提供冷却空气从所述第三冷却回路流出的流动通道，所述第三冷却回路配置成在冷却空气从所述第三冷却回路的所述进气孔流到所述第三冷却回路的所述出气孔时可提高冷却空气的温度；
其中，所述第一进气孔与由流入腔内的冷却空气上的科里奥利力在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向对准。
4.如权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述第一侧壁是基本上凹入的压力侧壁，所述第二侧壁是基本上凸出的吸气侧壁，并且所述第一冷却回路的所述第一进气孔安置在沿着在横穿所述腔的中心线的任何一侧上的大约20％的所述压力侧壁的跨度内，所述中心线垂直于所述叶片的转动轴线并且穿过所述侧壁，以及
所述吸气侧壁包括第一端和相对的第二端，所述第二冷却回路的所述第一进气孔安置在从所述吸气侧壁的所述第一端沿着所述吸气侧壁的大约40％的跨度内并且所述第三冷却回路的所述第一进气孔安置在从所述吸气侧壁的所述第二端沿着所述吸气侧壁的大约40％的跨度内；
此时冷却空气流在所述腔中是径向向外的。
5.如权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述第一侧壁是基本上凸出的吸气侧壁，所述第二侧壁是基本上凹入的压力侧壁，并且所述第一冷却回路的所述第一进气孔安置在沿着在横穿所述腔的中心线的任何一侧上的大约20％的所述吸气侧壁的跨度内，所述中心线垂直于所述叶片的转动轴线并且穿过所述侧壁，以及
所述压力侧壁包括第一端和相对的第二端，所述第二冷却回路的所述第一进气孔安置在从所述压力侧壁的所述第一端沿着所述压力侧壁的大约40％的跨度内并且所述第三冷却回路的所述第一进气孔安置在从所述压力侧壁的所述第二端沿着所述压力侧壁的大约40％的跨度内；
此时冷却空气流在所述腔中是径向向内的。
6.如权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述叶片是由从包括镍基合金和钴基合金的组中选择的金属制成的。
7.如权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述第一冷却回路的所述出气孔是膜冷却狭槽，所述膜冷却狭槽径向穿过所述压力侧壁并且将所述冷却空气从中排出，以及
所述第二和第三冷却回路的所述出气孔是膜冷却狭槽，所述第二和第三冷却回路的所述膜冷却狭槽径向穿过所述吸气侧壁，所述第二冷却回路的所述膜冷却狭槽将所述冷却空气从中排出，并且所述第三冷却回路的所述膜冷却狭槽将所述冷却空气从中排出。
8.如权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述第二和第三冷却回路的所述膜冷却狭槽是径向交错的。
9.如权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述第一冷却回路的所述出气孔是膜冷却狭槽，所述膜冷却狭槽径向穿过所述吸气侧壁并且将所述冷却空气从中排出，以及
所述第二和第三冷却回路的所述出气孔是膜冷却狭槽，所述第二和第三冷却回路的所述膜冷却狭槽径向穿过所述压力侧壁，所述第二冷却回路的所述膜冷却狭槽将所述冷却空气从中排出，并且所述第三冷却回路的所述膜冷却狭槽将所述冷却空气从中排出。
10.如权利要求9所述的叶片，其特征在于，所述第二和第三冷却回路的所述膜冷却狭槽是径向交错的。
11.如权利要求5所述的叶片，其特征在于，还包括位于所述第二和第三冷却回路的第一进气孔附近和上游的所述压力侧壁的所述内表面上的第一紊流器和位于所述第一冷却回路的第一进气孔附近和上游的所述吸气侧壁的所述内表面上的第二紊流器。
12.如权利要求4所述的叶片，其特征在于，还包括位于所述第一冷却回路的第一进气孔附近和上游的所述吸气侧壁的所述内表面上的第一紊流器和位于所述第二和第三冷却回路的第一进气孔附近和上游的所述压力侧壁的所述内表面上的第二紊流器。
13.如权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述第一冷却回路包括第二进气孔，所述第一冷却回路的所述第一和第二进气孔径向间隔开。
14.如权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述第一冷却回路占据不大于约0.06平方英寸的壁表面积，所述第二冷却回路占据不大于约0.06平方英寸的壁表面积；以及所述第三冷却回路占据不大于约0.06平方英寸的壁表面积。
15.如权利要求13所述的叶片，其特征在于，所述第一和第二进气孔是跑道形的，其径向长度大于其与所述方向横交的宽度。
16.一种用于将冷却回路的进气孔设置在涡轮叶片的外壁内以有助于将冷却空气吸入所述冷却回路中的方法，所述壁具有内表面，并且所述涡轮叶片具有冷却空气从与进气孔相通的腔的一端流入的内腔，所述方法包括：
确定冷却空气在腔内的方向；
考虑由于涡轮叶片的转动导致的冷却空气中的科里奥利流动效应；以及
以对准由流入所述腔内的冷却空气上的科里奥利力在壁的内表面上产生的反向转动流动循环方向的方式设置进气孔。
17.如权利要求16所述的方法，还包括下列步骤：
将紊流器放置在其中一个所述进气孔上游并且附近的所述壁的所述内表面上。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，
所述壁包括以从根部到尖部的跨度纵向延伸并且在前缘和后缘之间的弦向延伸的第一和第二侧壁，所述侧壁在所述前缘和后缘之间横向隔开；并且被在所述根部和尖部之间纵向延伸的弦向隔壁接合在一起以限定冷却空气可流入其中的内腔；以及
所述第一侧壁是基本上凹入的压力侧壁，所述第二侧壁是基本上凸出的吸气侧壁，并且所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于沿着在横穿所述腔的中心线的任何一侧上的大约20％的所述压力侧壁的跨度内，所述中心线垂直于所述叶片的转动轴线并且穿过所述侧壁，以及
所述吸气侧壁包括第一端和相对的第二端，所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于从所述吸气侧壁的所述第一端沿着所述吸气侧壁的大约40％的跨度内，并且所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于从所述吸气侧壁的所述第二端沿着所述吸气侧壁的大约40％的跨度内；
此时冷却空气流在所述腔中是径向向外的。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，
所述壁包括以从根部到尖部的跨度纵向延伸、并且在前缘和后缘之间的弦向延伸的第一和第二侧壁，所述侧壁在所述前缘和后缘之间横向隔开；并且被在所述根部和尖部之间纵向延伸的弦向隔壁接合在一起以限定所述内腔；
所述第一侧壁是基本上凸出的吸气侧壁，所述第二侧壁是基本上凹入的压力侧壁，并且所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于沿着在横穿所述腔的中心线的任何一侧上的大约20％的所述吸气侧壁的跨度内，所述中心线垂直于所述叶片的转动轴线并且穿过所述侧壁；以及
所述压力侧壁包括第一端和相对的第二端，所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于从所述压力侧壁的所述第一端沿着所述压力侧壁的大约40％的跨度内，并且所述冷却回路中相应一个的所述进气孔中的一个安置于从所述压力侧壁的所述第二端沿着所述压力侧壁的大约40％的跨度内；
此时冷却空气流在所述腔中是径向向内的。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述叶片是由从包括镍基合金和钴基合金的组中选择的金属制成的。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中一个所述冷却回路占据不大于约0.06平方英寸的壁表面积。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述进气孔是跑道形的，其径向长度大于其与所述方向横交的宽度。
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