CN1971010A - 涡轮叶片的微型冷却回路 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机部件例如涡轮叶片具有一个由负压侧壁和压力侧壁构成的翼面部分和一条设置在上述的负压侧壁和压力侧壁中的至少一个壁内的微型冷却回路。该微型冷却回路包含：一条可让冷却流体流过的流道；至少一个用于使冷却流体分布在涡轮叶片表面上的排出孔；和多个设置在上述流道内用于使上述冷却流体在流过上述的至少一个排出孔之前加速的内部细节。

Description

涡轮叶片的微型冷却回路
技术领域
本发明涉及涡轮发动机部件内的微型冷却回路中包含的多个内部细节。
背景技术
迄今已采用各种各样的冷却循环系统来使冷却流体流遍涡轮发动机部件的表面。但是，这些冷却系统的效率都不高。图4和5示出现有的过冷的涡轮叶片结构。这类结构使气膜和内部冷却受到限制。通常，这些限制导致叶片在热运转期间的较短时间内开裂，如图4和5所示，在叶片的压力侧和负压侧处出现有裂纹。目前的冷却回路排出槽口的形状也倾向于限制冷却气膜的作用范围。在一些叶片结构中，来自这些槽口的气膜垂直于主热燃气流道排出，而这些槽口的出口面积由于叶片涂以涂层而显著减小。
因此，需要设计更有效的冷却系统。
本发明概述
按照本发明，提供一种用于涡轮发动机部件例如涡轮叶片的微型冷却回路系统，该通路系统以高的对流冷却效率(传热效率)对涡轮叶片进行对流冷却。
按照本发明，提供一种用于涡轮发动机部件的微型冷却回路系统，该微型冷却回路主要具有一条冷却流体流过的流道、至少一个用于分配冷却流体使之流遍涡轮发动机部件的表面的排出孔、和一种被设置在上述流道内用以使冷却流体在流过上述的至少一个排出孔之前加速的装置。
按照本发明，还提供一种用于涡轮发动机的涡轮叶片。该涡轮叶片具有一个由负压侧壁、压力侧壁和设置在上述负压侧壁和压力侧壁中的至少一个壁内的微型冷却回路构成的翼面部分。上述的微型冷却回路具有：一条冷却流体流过的流道；至少一个用于分配冷却流体使之流遍涡轮叶片外表面的排出孔；和一种设置在上述的流道内用来使冷却流体在流过上述的至少一个排出孔之前加速的装置。
在下面的详细说明和附图中将阐明本发明的涡轮叶片的微型冷却回路的其他细节以及所伴随的其他目的和优点，所述附图中，同样的标号表示相同的部件。
附图简单说明
图1示出一种带有微型冷却回路的涡轮发动机部件的翼面部分；
图2是设置在微型冷却回路内的一套内部细节的示意图；
图3是沿图2的3-3线剖切的微型冷却回路的剖视图；
图4是一种现有的在翼面的负压侧上的气膜冷却孔作用范围不足的过冷涡轮叶片结构的照片；和
图5是一种现有的在翼面的压力侧和前缘上的气膜冷却孔作用范围不足的过冷涡轮叶片结构的照片。
优选实施例的详细说明
参看附图，图1示出一种涡轮发动机部件12例如涡轮叶片的翼面部分10。由于难熔金属型芯技术的进步，现已有可能在翼面部分10的壁16内做出微型冷却回路14，该微型冷却回路可以以高的对流效率(传热效率)对涡轮叶片实行对流冷却。对流效率是冷却剂传热能力的一种度量。通过调整设计参数可提高对流效率，调整设计参数包括：用高的纵横比增大润湿表面区的面积，诸如横截面积的周长和/或借助于叶片内部细节，诸如各种形状(圆形、椭圆形、菱形、翼面形等)的凸台来提高内部的传热系数。
采用难熔金属芯工艺带来的优点之一是可将难熔金属薄片制成符合翼面的芯件形状。这就可做成以大的气膜作用范围进行气膜冷却的排气翼缝18，这样的冷却气膜层就会紧靠在叶片外壁上，形成一种保护性气膜冷却层，从而避免气膜爆裂和过早的衰败。
图2示出微型冷却回路14的冷却流道11内含有的内部细节，这些细节具有十分重要的传热特性。来自任何合适的流体源(未示出)的冷却流体通过一个或多个入口(未示出)流入上述的冷却流道11。
在微型冷却回路14内含有的上述内部细节包括第一组内部细节例如一对折线形的凸台20和22，该凸台20和22做出并排列成可使冷却流体在区域24加速流过通路。对于流速马赫数小于1的亚音速流动规范来说，流道面积减小会使流速增大。当冷却流体在区域24内的流速增大时，其传热系数也增大。当冷却流加速并达到最大速度时，最好尽可能长时间保持在该高速度。因此，将凸台20和22布局成可形成区域26来起到上述作用。由凸台20和22形成的区域28用来体现由于涡轮发动机部件例如涡轮叶片的转动而产生抽吸效应的优点。
最好是在冷却流体离开区域28后又遭遇到第二组内部细节例如一对成形的凸台30和32。当离开区域28的流体加速时，会冲击到每个凸台30和32的前缘34。传热系数的增大与前缘34的直径有关，小的直径将增大内部传热系数。
凸台30和32的形状及其设置形成一个面积变化小的逐渐收缩部分36，这种变化迫使流速再次增大从而使传热系数提高。凸台30和32的形状及设置还形成一个区域38，该区域38可用来保持冷却流的高速度，并可在冷却流体流至冷却系统的下一部分之前矫直其流动方向。
微型冷却回路14可具有许多种布局，上述的内部细节20、22、30和32可在翼面部分10的长度上沿轴向依次重复排列。
在微型冷却回路14的端部有多个通常是水滴状的内部细节40。这些内部细节40可导引冷却流体使之在翼面部分10的外表面上形成更好的气膜冷却层。
如图3所示，在内部细节20、22、30和32的端部，其尾缘像一个楔形，楔形的两个顶角和底角是与轴线方向呈在约4°的角度。如上所述，当冷却流体离开区域42时所形成的冷却气膜将紧贴在涡轮发动机部件12的外表面上。通过设置在每个内部细节20和22内的冷却孔44的外面所形成另一排气膜层可以进一步提高气膜冷却的效果。每个冷却孔44可按任何合适的方式例如从叶片内部充气腔来供给冷却流体流。由于正好穿过内部细节20和22以及翼面的壁加工出每个冷却孔44，故可形成重叠膜层和内部细节的对流冷却，这对于保护压力侧尾缘使之不受到叶片转动时产生的高的热负荷是十分重要的。
上述的内部细节可采用难熔金属芯片来制成，所述的芯片是经过激光加工而在内部细节的形状内带有小孔的薄片。
虽然上面只在单条微型冷却回路范围内说明本发明，但是，熟悉本技术的人们都会明白，在翼面部分10的外壁内形成的每条微型冷却回路都可以采用上面所述的内部细节。
虽然上面只在涡轮叶片的范围内说明本发明，但是，本发明的微型冷却回路也可以用于其他的涡轮发动机部件。

Claims (22)

1.一种用于涡轮发动机部件的微型冷却回路，具有：
一条冷却流体流过的流道；
至少一个用以使冷却流体分布在上述涡轮发动机部件表面上的排出孔；和
一种在上述流道内用以使冷却流体在流过上述至少一个排出孔之前加速的装置。
2.根据权利要求1的微型冷却回路，其特征在于，上述的加速装置包含一被设置在上述流道内的第一组内部细节，该第一组内部细节的形状及彼此相对位置造成一个第一流体加速区。
3.根据权利要求2的微型冷却回路，其特征在于，上述的第一流体加速区包含一个由上述第一组内部细节造成的渐缩区，其中，上述的第一组内部细节造成一个用以保持冷却流体流速的区域。
4.根据权利要求3的微型冷却回路，其特征在于，上述的第一组内部细节造成一个利用由上述涡轮发动机部件的转动产生的抽吸效应的区域。
5.根据权利要求4的微型冷却回路，其特征在于，上述的第一组内部细节包含一对折线形的内部细节。
6.根据权利要求2的微型冷却回路，其特征在于，上述的加速装置包含被设置在上述第一组内部细节尾缘部分的附近的第二组内部细节，其中，该第二组内部细节包含一对内部细节，该对内部细节分别具有一个其直径提高，内部传热系数的前缘。
7.根据权利要求6的微型冷却回路，其特征在于，上述的第二组内部细节的形状和位置造成了一个邻近上述的前缘的渐缩区，从而加速该冷却流体的流速。
8.根据权利要求7的微型冷却回路，其特征在于，上述的第二组内部细节的形状和位置造成一个邻近上述渐缩区的区域，在该区域内，该冷却流体保持其流速，并矫直该冷却流体的流动方向。
9.根据权利要求6的微型冷却回路，其特征在于，还包含一个用以在上述冷却流体流出上述至少一个排出孔之前矫直其流动方向的装置，其中，上述的矫直装置包含多个水滴状的内部细节。
10.根据权利要求2的微型冷却回路，其特征在于，还包含一排附加的气膜冷却孔，以便于形成气膜迭加和上述第一组内部细节的对流冷却。
11.根据权利要求10的微型冷却回路，其特征在于，上述附加的一排气膜冷却孔是由经每一个上述的内部细节加工出的孔构成的。
12.一种涡轮叶片，具有：
一个由负压侧壁和压力侧壁构成的翼面部分；
一条被包含在上述负压侧壁和压力侧壁中的至少一个壁内的微型冷却回路；
上述的微型冷却回路具有：一条冷却流体流过的流道；至少一个用以使冷却流体分布在上述涡轮叶片表面上的排出孔；和一种在上述流道内用以使冷却流体在流过上述的至少一个排出孔之前加速的装置。
13.根据权利要求12的涡轮叶片，其特征在于，上述的加速装置包含一被设置在上述流道内的第一组内部细节，该第一组内部细节的形状和彼此相对位置造成了第一流体加速区。
14.根据权利要求13的涡轮叶片，其特征在于，上述的第一流体加速区包含一个由上述第一组内部细节造成的渐缩区，其中，上述的第一组内部细节造成一个用以保持冷却流体流速的区域。
15.根据权利要求14的涡轮叶片，其特征在于，上述的第一组内部细节造成一个利用由上述涡轮部件的转动产生的抽吸效应的区域。
16.根据权利要求15的涡轮叶片，其特征在于，上述的第一组内部细节包含一对折线形内部细节。
17.根据权利要求13的涡轮叶片，其特征在于，上述的加速装置包含被设置在上述第一组内部细节的尾缘部分附近的第二组内部细节，其中，上述的第二组内部细节包含一对内部细节，该对内部细节分别具有一个其直径提高了内部传热系数的前缘。
18.根据权利要求17的涡轮叶片，其特征在于，上述的第二组内部细节的形状和位置造成一个邻近上述前缘的渐缩区，以便加速该冷却流体流速，其中，上述的第二组内部细节的形状和位置造成了一个靠近上述渐缩区的区域，在该区域内该冷却流体保持其流速，并矫直该冷却流体的流动方向。
19.根据权利要求17的涡轮叶片，其特征在于，还包含一种用以在上述冷却流体流出上述至少一个排出孔之前矫直其流动方向的装置。
20.根据权利要求19的涡轮叶片，其特征在于，上述的矫直流动方向的装置包含多个水滴状的内部细节。
21.根据权利要求13的涡轮叶片，其特征在于，还包含一排附加的气膜冷却孔，以便于形成气膜迭加和上述第一组内部细节的对流冷却。
22.根据权利要求21的涡轮叶片，其特征在于，上述附加的一排气膜冷却孔是由经每个上述的内部细节加工出的孔构成的。
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