TWI257447B - Microcircuit cooling for a turbine blade tip - Google Patents

Description

1257447 狄、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ，本發明係關於應用於諸如燃氣渦輪機發動機之高温旋轉 式機器類型之可冷卻流線形體’特定言之，係關於一改良 之用於流線形體末端冷卻之方案。 【發明背景】 在任何燃氣渦輪機發動機之設計中，效率是最基本之考 量:在過去，用於增加效率之—種主要方法引擎内 部氣體通路中之溫度。使用具有高耐熱能力之合金製成内 冷部件以適應增加之溫度。渦輪機定子翼片和葉片，例如 ’通常使用作用於較高麼力下之I缩機空氣進行冷卻，作 是該葉片或翼片温度卻仍比掠過該葉片或者該翼片之中心 氣流溫度低。應瞭解用於如此冷卻之壓縮機排氣將不能支 持燃燒室中之燃燒。該較高虔力提供推動空氣通過該部件 所必需之能量。然而作用於壓縮機排氣之相當大百分比之 功卻在冷卻過程中損失掉了。損失的功沒有用於該㈣機 之推力之中’從而降低了該引擎之總效率。熟習此項技術 者因此s忍識到，在較高之中心氣路溫度和相應需要冷卻之 渴輪機部件巾獲得之效能與由排氣到執行冷卻過程中 之效能之間有-應力。因此’凡是使用空氣進行冷卻，最 大化该冷卻效率都有彳艮高之價值。 這樣，由於不能利用冷卻氣流來支持燃燒，所以爲了把 引擎性能之損失最小化’任何用於冷卻葉片和翼片:設呀 O:\90\90913-941223.DOC4 1257447 必須充分利用壓縮機排放之冷卻空氣。流線形體冷卻同時 伴有外部薄膜冷卻，内部空氣衝擊和強制對流之單一方式 或者伴有所有冷卻方式之組合。 在強制對流冷卻過程中，壓氣機排氣流過該等葉片和翼片 内部腔，持續地带走該處之熱量。壓氣機排放空氣通過一個 或多個排入到該等内部腔之入口流注到該等内部腔38中。 薄膜冷卻已證明非常有效，但是需需要從壓縮機中排放 出大量流體來進行冷卻。此外，薄膜冷卻控制複雜且昂貴 。帶有薄膜冷卻孔的流線形體之製造和加工同樣增加了複 雜耘度，XI是相當昂貴的。也可以理解一旦冷卻空氣排出 該流線形體之内部孔穴並與熱氣體混合，由於混合過程及 ，合過程中之不同流體之溫度水平差異而産生嚴重之性能 扣失。因此，由於該流線形體之外部表面冷卻可能不充分 ’ 5亥薄膜冷卻需要更大量冷卻空氣。 先前技術中可冷卻之流線形體一般地包括複數個内部腔 (冷卻回路），於其中供給冷卻空氣。該冷卻空氣流過該流線 形體之壁(或者台板)並在該過程中把熱能從該流線形體傳 走。-般地在該先前技術中’葉片末端薄臈冷卻孔提供發 生在該葉片末端壓力面側之半徑方向上和軸向方向上之 缚膜冷卻。一些設計在可用之有限空間中盡可能多使用薄 膜孔二試圖在壓力側之末端部分注滿冷卻劑。想使薄膜冷 卻接著繼續作用到外部末端表 个％衣面以實現該部位之冷卻，並 且也月b作用到末端之吸入相丨本 〜 及人側表面。由於絕大多數之主流氣 體在末端部分趨向於沿半徑 干k方向向外流動，薄膜孔也如此 O:\90\90913-941223.DOC4 1257447 定位。以這種方式冷卻葉片 因A A 、末‘仍然很困難且複雜多變， 口為φ冷部流與主流流體八 時其狀態很複雜。 70王斷變化之熱氣體相混合 前技術方案中，冷卻流排出薄膜孔並穿過熱燃 ::體w向流線形體之葉片後緣並遠離端蓋。一般地，這 將産生一種混合效應，_此 人 一々部工虱破吸入並與熱空氣混 b，一些達到端蓋，一肚 、二 一 /σ翼面軸向運動到達葉片後緣。 這^致端蓋之冷卻不充分， ./L 並取終由於溫度過高造成端蓋 老化。 渦輪機擎葉片設計者和卫程師們不斷力求開發更有效 2方法以冷卻渦輪機葉片之末端，來延長渦輪機葉片之 可》P和減少引擎之生產費用。過去常用來完成此任務之冷 部空氣就所有之燃料消耗而言是昂貴的。因此，在執行冷 部：輪機葉片末端過程中，更顯著及更有效利用已有之冷 卻：氣是合乎需要的’不但可延長渦輪機葉片壽命而且可改 動機之效率，因此進一步降低發動機生産費用。因此， 不斷而要有更顯著和更有效利用冷卻空氣之冷卻設計。 务月將克服或減輕以上所論述之缺點和不足以及其他 之缺點和不足。 【發明内容】 本發明提供一微管路冷卻系統，其使用一種新穎有效之 方法、σ 5薄膜冷卻方式以對流冷卻流線形體之末端。詳言 之’ &種結合提供一種優於先前技術中之末端冷卻方法， 其中/、用較少之冷卻壓縮機空氣冷卻末端便可達成相同之

O:\90\90913-941223.DOO 1257447 末端金屬溫度。較少之壓氣機排氣流量得到了增加的渴輪 機效率這一附加之收益。 本發明之冷卻系統至少使用一橫向佈置在流線形體之壓 力側壁和吸入側壁之間之一充氣室。複數個入口和出口與 該充氣室流體連通。來自於流線形體冷卻回路之冷卻空氣進 入孩入口且轉入该充氣室，最後由出口排出至流線形體外部 。最好该充氣室包括複數個使冷卻空氣通過之微管路。 如上所述，本發明可以在許多可選擇的流線形體（葉片和 翼片）結構中實施和使用。與習用和現代之設計相比，由約 由微管路提供有效之對流冷卻及…在末端表面上由於薄膜 冷卻形成之有效熱絕緣所構成之組合來提供一冷卻末端。 因此，使用本發明之流線形體末端之有益之冷卻設計不僅 會延長使用壽命而且會改良渦輪機總體效率。 本發明同樣設想把用於冷卻渦輪機葉片末端之方法適用 於燃氣渦輪機，其包括以下步驟，a)在末端之一表面下方 製造一微管路b)將來自冷卻流體源之冷卻流經由複數個微 官路而提供至微管路之入口過，並且由微管路之一出口離 開而排進葉片末端之氣流中。 【實施方式】 圖不一燃氣渦輪機發動機1 〇，諸如一用來產生動力或者 驅動之燃氣輪機，其設置在發動機中心線或軸向中心軸線 12周圍。該發動機1〇包括一鼓風機14，一壓縮機16(圖υ， 一燃燒室段1 8和一渦輪機20。此項技術已爲吾人所熟知， 在壓縮機16内之壓縮空氣（圖1}與在燃燒室段18中燃燒並在 O:\90\90913-941223.DOC4 -9- 1257447 屑輪機20中膨張之燃料混合。在壓縮機16内之壓縮空氣（圖 1)及在渦輪機2〇中膨脹之燃料混合物都可以被稱爲熱氣流 (熱燃燒氣體，氣流）28。該渦輪機20包括轉子22,該等轉子 隨膨脹過程而旋轉驅動壓縮機16(圖丨）和鼓風機14。該涡輪 機20包括交又排列之旋轉流線形體或者葉片24和靜態流線 形體或者翼片26。圖1所示系統之使用僅爲了說明目的，但 不用於侷限本發明，其可用來發電和用在飛行器中之燃氣 滿輪機上。 現在參考圖2，圖2顯示了一種典型之葉片24。每一葉片 24有一楔形榫頭30，其用於把葉片24嚙合在一轉動盤”之 周邊上之一楔形槽中（圖1}。一般地，複數個葉片末端之薄 膜冷卻孔34佈置在外端部或者在該葉片24之外端部分刊上 並且至少藉由一内部冷卻腔（腔）38提供。壓縮機Μ把冷卻 空氣供給該内部腔（圖1} ^該薄膜冷卻孔34通常沿徑向方向 提供在該末端36形成之薄膜冷卻。—些設計盡可能使用許 多薄膜冷卻孔盡力使冷卻^主滿該末端區❹使該末端 36冷卻。實際上’由於由該等膜孔排出之冷卻空氣與穿過 渴輪機20之熱燃燒氣體28混合之狀態很複雜，很難得到該 末端36均勻冷卻（圖”。 人 現在參考圖3Α，其中顯示本發明之葉片末端冷卻設計。 與圖！中顯示之葉片末端冷卻設計㈣，本發明在葉片Μ 末端36中使m式微，以提供末端之對流冷卻 和薄膜冷卻：應注意圖3A中圖解了冷卻空氣(冷卻流川在 轉移進入微管路40時之流動路徑。 O:\90\909l 3-941223.DOC4 -10- 1257447 現在參考附圖3A，3B和3C，本發明之特徵將参照葉片μ 之一流線形體進一步地描述。圖3B是圖 ^ 口八中所不之流線形 體末端之一局部透視圖。圖3C顯示出圖3b巾> ^ 口 之流線形體末 端之一放大透視圖。 該葉片24是鑄件並且具有一中空流線形體54，—㈣位 於該流線形體54中。該葉片24沿徑向佈置於該換_頭川 上面。該内腔38可以是任何習用形式之多程迁迴通道卜卻 回路）’如上文所述，冷卻空氣41 —般是發動機之壓縮機Μ 所放空氣之-部分(圖D。較佳地，該流線形體“有複數個 内部冷卻腔（冷卻回路）38’該内部冷卻腔連接到—冷卻空氣 源，比如壓縮機16(圖1)。該葉片24包括一羽 7二虱 白用凹面，第 一或是壓力側壁42絕大部分沿橫向或圓周方向盘第二或曰 吸：侧壁44部分之凸面間隔開。該側壁42、44在軸：二 之前、後緣46、48分別連接在—起，並沿縱向或者徑向從 根部50延伸，在該根部50處，該流線形體54與一整體平真 56相交並到達封閉該流線形體54之末端％或者末端部/ 因此，該流線形體Μ具有-佈置在葉片中曲面界_兩側 之吸入側壁44和壓力側壁42組成之外壁58。該等侧壁& 44分別在葉片前、後緣46、48之間沿翼弦方向延伸並且在 平臺和末端之間沿翼展方向延伸。更進—步地，外壁獅 括一/卜表面66’其一部分是上表面（末端表面）67。熱燃燒氣 體（氣流）28沿流線形體54之外表面66流過。 微管路提供可調適的、高效率對流冷卻。隨著對流效率 之提商，需要更好之冷卻結構來提高薄膜冷卻效能。圖3α O:\90\90913-94I223.DOC4 -11- 1257447

圖解本發明位於該等腔38外側之微管路。微管路可以是 機械加工製成或者在-元件内部模製而成。在一較佳實施 例中，微管路由高溶點金屬型板製成並且在漁禱成型之前 封閉在部分模具中。幾種高熔點金屬包括翻(M〇)和鶴(w) ，熔點超過一般之鎳基超級合金之澆鑄成型溫度。這些高 熔點金屬τ以在锻造過程中產生或形成必需之尺寸，以形 成渴輪機和燃燒製冷設備設計所需必要特徵之冷卻溝槽。 特定言之’這種微管路可以分成幾部㈣製造，包括但不 限於燃燒室襯套，渦輪機翼片’渦輪機葉片，渦輪機殼體 ’翼片端壁’及流線形體邊緣。較佳地，這些部分或部分 地或完全地由錄基合金或者始基合金形成。薄而耐溶之全 屬板和金屬薄片具有充足之延展性，可以彎曲並形成複雜 :形狀°延展性可以實現—能經受增大/深拉伸迴圈之耐用 设计。在淹鑄成型以後，該耐炫金屬可以諸如通過化學除 去’ j理’或氧化方法除去’從而留下一形成如圖3Α所 7Γ之微s路40之腔。需要指出本發明之冷卻設計也可使用 帶有陶兗芯之熔模鑄造方法來加工。 用於一葉片24末端冷卻之本發明包括：使用在如旧所亍 之橫向佈置在葉片24末端％内部之微管路40。腔38内裝於 該微管路4〇中。該微管路4〇包括至少-入口孔70,較佳地 。括複數们入口孔或者入口’與至少一出口孔72，較佳地 包括複數個出口孔或者出口。 :路4〇同樣包括至少-充氣室或者室78，較佳地包 括刀離之充氣至’與入口 7〇和出口 Μ流動相通。在較佳 O:\90\90913-941223.DOC4 -12- 1257447 實施例中，有二充氣室， 穿該末端3 6。因此該等充 由一肋83分開。該等充氣室78橫 氣室78沿徑向藉由一頂端内表面 82和一底端内表面84限定或形成 這樣，入口 70引導冷卻 空乳4 1彳文各個腔3 8進入到各 空氣41撞擊到該末端3 6之一 自之充氣室7 8中，從而使冷卻 内側表面。同樣且較佳地，每 個充氣室78包括複數個冷卻通道或者微管路，通過它們引 導該冷卻空氣41。如圖3錢示’微管路⑼，位於各自之充 氣室則冑，較佳地互相連接以在人口 7()過渡到出口㈣ 間形成混合冷卻空氣’從而增強穿過流線形體^末端⑽ 傳熱。較佳地’如圖从所示，該微管路8()通常位於與中曲 面線6〇斜向交又位置，並從前緣46到葉片後緣崎蓋該末 端3卜這樣’在微管路80中之冷卻空氣41整體來說是沿與 熱燃燒氣體28溢出流線形體54外表面相對之方向流動。同 樣’最好微管路從入口 70朝出口 72彙集。這些特徵之優點 將在以下詳述。 冷卻空氣41通過出口 72排出流線形體54外表面之一區域 。較佳地，並如圖3B，該出口 72形狀爲矩形，端部向外張 開，以在該處排氣時使冷卻空氣慢慢擴散。如圖3β所示， 擴散角度α較佳地大約等於或小於12度。同樣最好該等出口 72朝向末端36之方向向上成一角度，更佳地，該等出口 72 向與末端36從末端表面之法線方向算起大約〇度到45度之 方向上傾斜。較佳地，該等出口 72靠近壓力側壁42佈置， 在葉片前、後緣46、48之間在整個長度上定間距排列並延 伸。較佳地，該等入口 70緊貼吸入側壁44並整體沿周向延 〇A9〇\9〇913-941223.D〇C4 -13 - 1257447 伸’所以冷卻空氣41直接從各個腔38中供給到入口 7〇中。 4冷卻空氣41是該等出口 72最冷之下游側，由於内部對流 ’當它通過出口 72時被加熱。當冷卻空氣通過該等出口 72 時熱i由末端36中排除，因而加熱了冷空氣4i。一旦冷 卻空氣41從微管路8〇中排出，其可部分地與上游熱燃燒氣 體28摻此，並且由於它固有之動量，因此可以溢出到末端 36之頂端。因此噴射冷卻空氣41通過形成一層薄膜幕來薄 膜冷卻末端36外部，薄膜幕保護葉片24之末端36不受熱燃 、7〇氣體2 8彳又餘，也減少了在末端3 6上之熱燃燒氣體2 8之滲 漏。這樣，流線形體54之末端36既使用内部對流又使用薄 膜冷卻來實現冷卻。 本發明亦結合使用在末端36之後緣區域之一通路86，該 L路通4 k δ亥等充氣室78之一開始沿著該流線形體Μ之中 曲面線6〇延伸’並截止於貼近後緣48處。較佳地，該通路86 :二間有限，彳之流線形體54之後緣48開始，該通路％被限 定在大約0.3英寸左右。同樣較佳地該通路“呈波浪形以促進 形成迴圈單元從而增加在末端36之後緣部位之傳熱。 圖3C所不，位於充氣室78内部和在充氣室π内部之流 動冷卻空氣41之通路中至少有一台座，並且較佳地複數個 台座88在微管路4〇内部延伸。較佳地，該等台座μ從微管 路：之頂端内表面82伸出到達微管路40之底端内表面84。 ^佳地’該等台座88是與金屬鑄成-體並在充氣室78内部 整體沿周向方向佈置，該方向與冷卻空氣41之流動方向垂 直。該等台座88與葉片24保持結構完整性，以及藉由使冷 〇A90\9〇913-941223.D〇C4 - 1257447 伸空氣4 1産生湍流之方式增強微管路40内部之傳熱，同時 提供熱傳導通路。較佳地，該等台座88可以是規則或者不 規則之形狀，以促進湍流和增加熱傳導。更佳地，該等台 座88較佳之形狀是那些像苜稽之設計[三或四小葉]，較佳地 是如圖3C所示之四葉形設計。在四小葉形設計中，該等台 座88有一橫截面，該橫截面藉由四個朝台座中心方向向内 4延伸之弓形側嵌板組成。熟悉此項技術者可以理解，在 本發明之範圍内，可以根據需要把該等台座88製成各種不 同之形狀以增強傳熱。進一步地，熟悉此項技術者可以理 解本發明之範圍内，同樣可以藉由使用通常位於該等微管 路80之間或内部之台座88來實現如上所述之好處和優點。 在較佳實施例中，該微管路40之高度Η，較佳地大約在 12英寸到大約〇 · 〇25奂寸左右，並且最佳地在小於〇. 〇7 央寸左右。在微管路40之頂側内表面82和末端36之頂表面 之間之距離D，較佳地大約在〇 〇15英寸到〇 〇25英寸左右， 並且最佳地在大約小於〇.〇2〇英寸左右。該高度11，該距離〇 ’如圖3C所示沿徑向測量。 現在參考圖4 ’至少有一排污孔9〇，較佳地有複數個排污 孔，貫穿末端36和一位於末端表面67内部之錐口孔部分94 以保持該等腔38不被碎屑阻塞。該等排污孔9〇不影響在微 &路40内σ卩之冷部空氣4丨，並且只僅與該等腔％流動連通 ’以排除其中之任何碎屑。 繼績爹考圖 3八，33，3(^，Ju ^ no ns 3 C本赉明之優點在此將舉例說明 和洋、、、田^述。本發明優於先前技術之增加之益處在於能使 O:\90\90913-94I223.DOC4 -15- 1257447 經過末端36之熱燃燒氣體之滲漏最小化。葉片末端之滲漏 量是流線形體54壓力側和吸入側之間壓差和流向末端刊之 熱燃燒氣體28加速度之一函數。葉片末端渗漏是由於熱燃 燒氣體28進入到葉片24末端36和葉片外氣封（未示出）之間 的工隙引；^ ^熱燃燒氣體2 8沒有通過渴輪機2 0産生功是 不恰當的。在本發明中，該冷卻空氣41以冷卻喷流形式排 出出口 72。該射流促進該熱燃燒氣體28流動以在末端36上 形成一薄膜幕從而防止熱燃燒氣體28從葉片24之末端36向 外泄露。 進步地’本發明也限制從葉片24之内部空腔3 8中取出 之冷卻二氣41之1以得到合乎需要和最理想之末端冷卻效 果。如上文提到，該冷卻空氣從壓縮機16中産生（圖U並最 、、s机入渦輪機2〇中一區域。此是從壓縮機丨6中取出（圖丨）之 工氣並用於製造有用之渦輪機功。因此本設計之此些入口 之尺寸比自由氣流之尺寸小〇·5%左右以減少渦流之損失。 冷部效率比率定義爲：熱燃燒氣體28和整體金屬溫度之 間之溫差與熱燃燒氣體28和冷卻劑（冷卻空氣）之間溫差之 比值車乂佺地，渦輪機工程師和設計者設法使冷卻效率比 率超過70%左右，因爲金屬溫度越低，葉片24之總耐用性 越好。在本發明中用兩種方式來實現。第一，採用薄膜冷 部減少熱燃燒氣體28之溫度。當冷卻空氣41從該等出口 72 出進入到熱燃燒氣體流中時，由於冷卻空氣41之混合熱 燃燒乳體之溫度降低。但是，完全依靠這種方法是不理想 的，如上提到，從壓縮機16中取走越多之冷卻空氣41 (圖i) 〇^〇\9〇913.941223 d〇c4 1257447 ，壓縮機16産生之功越少（圖丨）。因此，如上所述，本發明· 採用一種新穎之内部對流之方式來冷卻末端36以達到一理 想之冷卻效率比率。應注意傳統之流線形體末端冷卻不採 用廷方法來達到一高而可靠之效率值。當冷卻空氣通過微 g路40之内部時，對流冷卻效率測量是冷卻空氣* 1之熱吸 收之一函數，如下： η叫T冷卻劑’，-τ冷卻劑，入]/ [τ金屬_丁冷卻劑，入] 其中·. Τ · hΑ =排出出口之冷卻空氣溫度 Τ冷入=進入入口之冷卻空氣溫度 τ金屈==流線形體之整體金屬溫度 在上面之方程式中，渦輪機工程師和設計者尋找一種高 水準之熱吸收設計，從而冷卻該流線形體54末端36。本設 十由成個方面實現這種高水準之熱吸收，現將要詳細描述 第 "亥專σ座88是微管路40内部之微管路80内部之湍 促進器第一，該等台座88也用來增加在其附近之表面 泰 積彳文而柘加導熱通路。第三，當冷卻空氣4 1從該等入 口 7〇各自之微管路8〇經過時，該等入口 7()形成一末端織 擊、Ί7源較侄地，該等入口 70撞擊緊鄰流線形體54吸入 側之末端36。由於該流線形體54之吸入侧之易於產生外部 走尚〆、將使葉片24之吸入侧壁44負擔很高之熱負荷，因 M A #i 4擊是非常理想的。此些旋渴是由氣體織動 至J抓線幵少體54末端’並跌落到吸入侧主氣流所引起。此些 旋涡有一特定角動量和方向，此時它們喷流和落在吸入側 O:\90\90913-94I223.DOC4 -17- 1257447 之上，然後與主氣流相接觸時將會産生渦旋效應。因此， 本t明不完全地依賴於薄膜冷卻來冷卻末端3 6。 本發明還具有由於會聚微管路80而增加之好處。冷卻空 氣41疋久曰速的，因此在該等入口 和該等出口 u之間之 微管路會聚起來可用來有效地促進流動和提高傳熱係數。 口此，本發明微官路4〇還提供另一方式來提高熱吸收。 更進一步地，本發明具有調適該等出口 72之間之弦線距之 力月b該等出口 72爲末端36提供薄膜冷卻。在先前技術中 ，在薄膜冷卻孔之間形成適度的薄膜冷卻有效距離，在該 區域内之金屬冷卻取決於金屬内部傳導以使末端表面冷卻 ，亚且同樣地，該金屬經歷之溫度比平均膜層溫度高。本 毛明之设計允許此些孔之間隔在末端36之區域更加靠近， 该處也是頂部漏氣比較嚴重之處。不同於先前技術，本發 明提供該等出口 72之形狀可方便地採用長方形，並且具有 -橫截面積，當流體傳送通過該等出口 72時橫截面積增加 。橫截面積之增加或者該等出口 72之擴大方便地使冷卻空 氣41擴散。當冷卻空氣排出出口 72時，通過擴散冷卻空氣 4!，提高了冷卻液膜之作用範圍。這增加了在末端％之薄 膜幕之效率。因此使不希望之頂部漏氣量減到最少。在先 別技術设計中，由於製造時使用鑽孔技術，因此孔之形狀 是圓形。因此，在本發明中，通過薄膜冷卻形成之覆蓋與 先觔技術比較起來顯著而有效。 現芩照圖4，其顯示了根據本發明之另一實施例之流線形 體末端36局部表面透視圖。在這替代實施例中，較佳地在 〇\90\9〇913-941223.D〇C4 18- 1257447 鄰近該流線形體54壓力側面末端36之表面67上使用一支架 92。因此，該等出口 72可以交替佈置到支架92上，這樣冷 卻空氣41從出口 72排出到末端36之頂面上’如圖3人所示^ 流線形體5 4之麼力側面之方向相反。 如上所述，本發明可以在許多與替代流線形體（葉片和翼 片）有關之結構中實施和使用。進一步地，熟悉此項技術者 可以理解在本發明之範圍内，該等微管路8〇之排列和它們 之間之間隔，該等台座88之尺寸，出口和入口之尺寸和方 位都可以有不同變化，以使一給定流線形體設計之末端冷 卻達到最優化。 因此，本發明提供一種冷卻系統，該系統啓用一新穎之方 式來覆膜並對流冷卻一流線形體。特定言之，這種結合提 供一優於先前技術之末端冷卻方案，在冷卻末端36需要較 少之壓縮機冷空氣，在末端36上達到同樣之金屬溫度。減 少了壓縮機排出流體’實現了涡輪機效率之增加這一附加 之好處。正如與先前技術相比，本發明提供了一種新穎的 微管路末端冷卻設計，以協同地提高了性能並且延長了葉 片壽命。本發明所述之微管路40提供了一種改良的、以覆 膜冷卻方式冷卻末端36之方法，同時也是一種有效地對流 冷卻末端36之新方法。與習用和現有之设计相比較，a)由 微管路80提供之有效之對流冷卻b)由於薄模冷卻在末端表 面之有效熱絕緣之結合提供一冷卻末端。因此，本發明中 採用有利之冷卻設計之一末端36將不僅具有使用壽命較長 ’而且渦輪機整體效率得到提高。 〇：^〇913-941223.d〇C4 1257447 雖然本發明參照—較佳實施例已經詳細 術者應瞭解，可以在其中做各種不同之改變並且 == Π:相應元件而沒有背離本發明之範圍。此外，可以根 ,, 二修改以適用於特別之情況或者材 1斗=沒有fr本發明之本f範圍。因此，本發明並非由 义丁毛月之取仏預期模式之公開實施例所限制，而是本 發明中將包括所有落入所附申請專利範圍内之實施例。 【圖式簡單說明】

本發明現將參照附圖通過舉例來說明，其中·· 圖疋利用本發明之渦輪機流線形體之類型之燃氣渦 輪機發動機之簡化剖視圖； 圖2疋典型之渴輪機葉片透視圖，顯示用以冷卻葉片末 端之現行薄膜冷卻方式； 圖3 A疋合併本發明之該微管路冷卻方式之一流線形體之 一透視圖； 圖3叹圖3A流線形體末端之—局部透視圖； 圖C疋放大之局部透視圖，顯示圖3B中鄰近流線形體 前緣之末端；和 圖4疋依照本發明 ^ A都本 月之另一貫施例之流線形體之局邛表 面透視圖。 【圖式代表符號說明】 燃氣/1%輪機發動機 12 軸向中心線 14 鼓風機 O:\90\90913-94I223.DOC4 -20 - 1257447 16 壓縮機 18 燃燒室段 20 滿輪機 22 轉子 24 葉片 26 翼片 28 熱燃燒氣體 30 楔形榫頭 32 轉動盤 34 薄膜冷卻孔 36 末端 38 内腔 40 微管路 41 冷卻空氣 42 壓力側壁 44 吸入側壁 46 葉片前緣 48 葉片後緣 50 根部 54 流線形體 56 平臺 58 夕卜壁 60 中曲面線 66 外表面

O:\90\90913-941223.DOC4 -21 - 1257447 67 末端表面 70 入口 72 出口 78 充氣室 80 微管路 82 頂端内表面 83 肋 84 底端内表面 86 通路 88 台座 90 排污孔 92 支架 94 錐口孔部分 O:\90\90913-941223.DOC4

Claims (1)

1257447 拾、申請專利範圍： 1. 一種渦輪機葉片，其包括： 一中空流線形體，可流動的冷卻流從該流線形體之一 端流入，該流線形體包括壓力側壁和吸入側壁，兩者在 蓟緣和後緣處連在一起，且從一根部延伸至一末端； 至少一設置在該末端之微管路，該微管路包括一入口 和一出口，該入口和該出口與該微管路形成流體連通； 以及 一壓縮機，該壓縮機用來使冷卻流流到該流線形體， 其中該冷卻流從該流線形體轉移通過該微管路進入該入 口並且離開該出口而進入到該流線形體之一外部區域。 2·如申請專利範圍第1項之葉片，進一步包括至少—台座， 該台座至少部分徑向延伸於在該微管路中流動之該冷卻 流通道中。 3.如申請專利範圍第2項之葉片’其中該台座之形狀設計成 當該冷卻流在該微管路中流動時，可促進湍流並且可增 加該端部傳熱之表面。 4. 5. 如申請專利範圍第3項之葉片，其中該台座爲苜蓿型。 如申請專利範圍第2項之葉片’其中該入口與位於：流線 形體中之-冷卻回路流體連通，並且該出口從延伸穿過 該等側壁之-，並且被導向該末端以撞擊相對方向之冷 卻流。 7 其中該等出口佈置於該壓 6.如申請專利範圍第5項之葉片 O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 力側壁内，並且該等出口朝向該末端向上傾斜，傾斜角 爲從該末端上部外表面之一法線方向算起大約〇度到c 度的範圍。 & 7.如申請專利範圍第5項之葉片’其中該微管路大體上定位 於橫越過位於該吸入側壁和該壓力側壁之間的該末端部 分。 ^ 8·如申請專利範圍第5項之葉片，其中該微管路朝向該出口 聚歛，且該出口擴張以使其中之冷卻流擴散。 9·如申請專利範圍第旧之葉片，其中該末端包括一具有錐 口孔的上表面部分，至少部分地來自該等側壁之一，並且 該出口延伸穿過該埋頭孔上表面部分以薄膜冷卻該末端。 10·如申清專利範圍第7項之葉片，進一步包括： 至少一微管路，其大約沿接近該後緣之該流線形體之 中曲面線定向，並且和大體上位於穿過吸入側壁和壓 力側壁之間的末端之微管路流體連通； 其中，來自该至少一大體上位於穿過該吸入側壁和壓 力侧i之間该末端之微管路之冷卻流，進人大體上位於 口著接近4後緣之该流線形體中曲面線之微管路，並且 紅由佈置在鄰近該後緣之壓力側壁之一外部表面内之 一出口排出。 11 ·如申请專利範圍第5項之葉片，其中該冷卻流在與氣體流 通方向相反之方向轉移通過該微管路，該氣流流過該葉 片外部表面。 O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 12. 13. 14. 15. 16. 17. 一種流線形體，其包括： 壓力側壁和吸入側壁，二者在前緣和後緣處連接在一 起並且彼此間隔分開，以形成一在流線形體之根部和之 末端之間縱向延伸之内部腔，其中冷卻空氣可由該内部 腔之一端流入該流線形體； 至少一充氣室橫向佈置在該第一和第二側壁之間； 複數個入口與該充氣室形成流體連通，該等入口彼此 間隔並且定位於接近該末端和鄰近該吸入側壁； 複數個出口與該充氣室流通連接；以及 用來提供冷卻空氣之一壓縮機，其中冷卻空氣進入該 等入口 ’轉移進入到該充氣室中並離開該出口而進入到 該流線形體之一外部區域。 如申睛專利範圍第12項之流線形體，其中該等入口與位 於孩机線形體中之一冷卻回路中之冷卻空氣流體連通，該 等入口直接朝向該末端用於撞擊相對方向之冷卻空氣。 如申請專利範圍第12項之流線形體，進—步包括至少一 口座痃Ό座至少部分徑向延伸至在該充氣室中流動之 冷卻空氣通路中。 如申明專利範圍第i 4項之流線形體，纟中該台座之形狀 係.又计成可促進在该充氣室内之冷卻空氣形成湍流，並 且增加該端部之傳熱表面。 如申清專利範圍第15項之流線形體，纟中台座爲苜着型。 如申明專利圍第！ 3項之流線形體，其中該等出口位於 該壓力側壁内 並且向该末端向上傾斜，傾斜角爲同該 O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 末端之一上部外表面之法線方向成大約0度到45度之範 圍。 如申明專利範圍第丨2項之流線形體，其中該末端包括一 具有錐形孔之上表面部分，其至少部分地由該等側壁之 一形成，且該等出口延伸通過該埋頭孔上表面部分以薄 膜冷卻該末端。 如申請專利範圍第13項之流線形體，其中該充氣室包括 複數個整體定向於橫越過位於該吸入側壁和壓力側壁之 該末端間，並且與該等人口及該等出口流體連通之微管 路，該等微管路佈置成可將冷卻空氣由該等入口送入， 並經由該等出口排出。 2〇_如申請專利範圍第19項之流線形體，進一步包括： 至少一沿鄰近後緣之該流線形體之中曲面線的方向定 位的微管路，並與該至少一微管路形成流體連通； 其中由至少-微管路中流動的冷卻空氣進入該沿鄰近 後緣的流線形體中曲面線定向的微管路進入，並由佈置 在臨近後緣之該壓力侧壁之一外表面中之一出口排出。 η.如申請專利範圍第19項之流線形體，其中該冷卻空氣沿 與氣流方向相反的方向轉移進入該微管路，該氣流流動 通過該流線形體之一外表面。 22. 如申請專利範圍第19項中之流線形體，其中該微管路互 相連接亚且該充氣室之軸向高度大約不超過〇 密爾。 23. -種用於在-中空流線形體之—末端之嵌入式微管路， 該中空流線形體具有-壓力側壁和一吸入側壁，該壓力 O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 側壁和吸入側壁在前緣和後緣處連接在一起，並且由 根部延伸至一末端，該微管路包括： 複數個用來使冷卻空氣進入之入口； 複數個與該等入口形成流體連通之相互連接之微管路 ，冷卻空氣可以經由該等入口進入； 複數個與該微管路流體連通之出口，該等出口佈置於 該等壓力側壁内，並且使冷卻空氣從該等微管路中轉移 到該流線形體末端之一外部區域；以及 用來長：供冷卻空氣進入該等入口之壓縮機 24·如申請專利範圍第23項之微管路，進一步包括至少一台 座，該台座佈置在微管路與冷卻空氣通道中，以使在微 管路中流動的冷卻空氣産生湍流。 25.如申請專利範圍第24項之微管路，其中該台座之形狀係 設計成爲可促進該微管路中之冷卻流產生滿流，並且增 加該端面傳熱表面。 26. 如申請專利範圍第25項之微管路，其中該台座爲苜稽型。 27. 如申請專利範圍第23項之微管路，其中該等入口與位於該 流線形體中之-冷卻回路中之冷卻空氣流體連通，該等入 口被直接導向該末端，以撞擊相對方向之冷卻空氣。 28. 如申請專利範圍第27項之微管路，其中該等出口向該末 端上方傾斜’傾斜角在與該末端上部外表面之法線方向 成大約0度到45度之範圍。 29·如申請專利範圍第23項中之微管路，其中該等微管路大 體上橫穿位於該吸人側壁和壓力側壁之間之末端，該等 O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 微管路佈置成能由該等入口送入冷卻空氣，且由該等出 口排出冷卻空氣。 30. 31. 32. 33. 如申請專利範圍第29項之微管路，進一步包括： 至少一微管路大體上沿鄰近後緣之流線形體之中曲面 線定向，並與至少一該等微管路之一形成流體連通； 其中冷卻空氣從互相連接的微管路中進入，沿鄰近後 緣之流線形體中曲面線定向該微管路，然後經由位於鄰 近後緣之壓力側壁之一外表面内的出口排出。 如申清專利範圍第29項之微管路，其中冷卻空氣沿與氣 流方向相反之方向轉移進入該微管路，該氣流流動通過 流線形體之一外表面。 如申明專利範圍第2 3項之微管路，其中該等出口向該末 端向上傾斜，傾斜角在同該末端上部之一外表面之法線 方向大約0度到45度之範圍。 一種用於冷卻燃氣渦輪機上渦輪機葉片之一末端之方法 ，其包括以下步驟： 在该末端之一表面下方製造一微管路，該微管路包括： 一入口，其可使葉片内之一冷卻流體源之冷卻流通 入； 複數個與該等入口流體連通之互相連接之微管路， 冷卻空氣可經由該等入口流入；以及 一與該等微管路流體連通之出口，該等出口可將由 该等微管路中流出之冷卻流轉移進入到該流線形體之 末端一外部區域；且 0 :\90\90913-941223.DOC5 1257447 將由冷卻流源流出的冷卻流經由該複數個微管路而提 供至該等入口，並且從該等出口排出並排進葉片末端的 氣流中。 34.如申請專利範圍第33項之方法，其中製造該微管路包括 以下步驟： 將一耐火金屬塑造成該微管路之形狀； 將該耐火金屬插入模具中以鑄造葉片；及 鑄造後從葉片上移走該耐火金屬。 35. 如中請專利範圍第33項之方法，其中該葉片由—金 成’該金屬選自由錄基合金或銘基合金組成之群。、 36. 如申料㈣圍f33項之方法，其巾料微管 距離該葉片之表面下方不大於0.03英寸的位置。成在

O:\90\90913-941223.DOC5 1257447 柒、指定代表圖z (一） 本案指定代表圖為：第（3A)圖。 (二） 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 24 葉片 36 末端 38 内腔 41 冷卻空氣 42 壓力側壁 44 吸入側壁 46 葉片前緣 48 葉片後緣 50 根部 54 流線形體 56 平臺 58 外壁 60 中曲面線 66 外表面 67 末端表面 70 入口 72 出口 78 充氣室 80 微管路 86 通路 88 台座

捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） O:\90\90913-941223.DOC3