TWI279479B - Heat transferring cooling features for an airfoil - Google Patents

Description

1279479 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上有關至一翼片用之冷卻通道。更特別地 是，本發明有關一用於形成翼片用之冷卻通道的組芯1 成。 〜 【先前技術】 一燃氣渦輪發動機典型包含複數渦輪槳葉，其將來自燃 燒氣體主流之能量轉變成旋轉及驅動一壓縮機之機械式 能量。每一渦輪槳葉包含一產生所相要 展王所心晋之鉍轉式能量的翼 片部件’以由主要燃燒氣體之流動驅動該壓縮機。、 抑該渦輪槳葉總成係暴露至由該燃氣渦輪發動機之燃燒 器所排出之熱燃燒氣體。經過及在該渴輪紫葉總成上;ς 出之燃燒氣體的溫度能減少一渦輪槳葉總成之使用壽 命。為此緣故，$一渦輪槳葉係設有複數冷卻空氣之: 道。冷卻空氣係進給經過每—渦輪樂葉，及排出該渦輪竿 葉表面上之薄膜孔洞。該渴輪紫葉上之薄膜孔洞的位置在 吞亥渦輪槳葉表面上方建立一 ； 令部空軋層。該冷卻空氣使該 渦輪槳葉由該熱燃燒氣體隔離。藉著隔離該渦輪樂苹不暴 露至該熱燃燒氣體，該渦輪禁葉可靠性及使用壽命係大幅 地延長。 屑輪槳葉内之冷卻通道业】 、 、型係稭者一陶瓷組芯所形 成’該組芯等係設有熔化之材 何竹及以该纟谷化之材料所圍 繞，該材料係用於形成該渦輪將 將一 取々輪名葉。一旦用於形成該渦輪 木茶之熔化材料已凝固，移去 秒云σ亥組心材料。移去該組芯材 105902.doc 1279479 料將留下該等想要之冷卻空氣通道，並伴隨著薄膜冷卻孔 洞之想要架構。 如所了解者，每一渦輪槳葉總成代表一冷卻氣流路徑之 盡頭或末端。這是因為冷卻空氣由該渦輪槳葉之一内側面 或平台徑向地朝外流動至該渦輪槳葉之一尖部。該渦輪槳 葉之尖部被封閉形成該冷卻空氣通道之末端。因此，用於 經過該渦輪槳葉之冷卻空氣的唯一出口，係經過設置繞著 该渴輪槳葉之表面及在該满輪槳葉表面上之複數薄膜冷 卻孔洞。決定用於冷卻該渦輪槳葉的薄膜孔洞之架構及數 量’以產生冷卻空氣之想要流速。 該渦輪槳葉之形狀遍及該橫截面由該渦輪槳葉之一前 緣至一後緣變化。該前緣大部分通常係遠比該後緣更厚。 然而’該後緣中之冷卻需求通常係比該前緣較大，且因此 需要配置在該後緣之一近接距離内的冷卻通道。如應了解 者’在該較薄邊緣部件内之冷卻通道係遠較小的。該較小 之冷部通道需要較小之組芯總成，以形成那些冷卻通道。 當該組芯總成之尺寸減少時，於該模製操作期間對損壞之 敏感性增加。於該渦輪槳葉之較薄部件中，該想要冷卻通 這所需之較小組芯總成係對製造期間之損壞更敏感。 因此，其想要的是發展一足夠堅固之組芯總成，以提供 可罪之製程結果，同時仍於該渦輪槳葉總成之較薄部件中 提供較小冷卻空氣通道之形成。 八冷卻空氣通道的設計及架構中之另一利害關係是在該 々部通逼内側上之冷卻空氣方向。該冷卻通道典型由一主 105902.doc 1279479 要組芯部件承接空氣。該渦輪槳葉之主要組芯部件依序係 與一冷卻來源相通。因此，該冷卻空氣通道包含_鄰接該 主要組芯之内表面及一鄰接該渦輪槳葉的外部表面之外 表面。在該冷卻空氣通道内之衝擊孔由該主要組芯傳播空 氣進入該冷卻空氣通道及抵靠著該外表面。 因此’其想要的是開發一組芯總成’以在一渦輪紫葉總 成内形成一冷卻空氣通道’該組芯總成於各製程期間係皆

可靠的，並提供該想要之冷卻空氣流動十生質，卩最大化孰 傳導能力應用。 … 【發明内容】 本！X明之樣本具體實施例包含—具有冷卻通道之渦 輪紫葉總成，在此每一衝擊孔係由至少某些其他衝擊孔隔 離。該冷卻通道内之衝擊孔的_提供至特定之想要區域 的冷卻氣流之方向。再者，用於形成該冷卻空氣通道之组 芯總成提供一系列強化及改善可製造性之結構。 本發明之一範例渦輪禁葉總成係形成有二與主要組# 相通之冷卻空氣通道。該主要組芯依序係與來自： 之冷卻空氣相通。該冷卻通道係經過1特的^^成之 使用：形成’該組芯總成包含複數彼此隔離之衝擊孔。由 至少某些其他衝擊孔隔離每-衝擊孔防止衝擊二t 流/乂抵#㈣冷卻通道之外表面改善冷Μ氣流動/、 该組芯總成提供該等冷卻通加 八 該等衝擊開口之衝擊結構。每 Ζ ’且包含用於形成 由至少某些其他衝擊結構隔離。該==著分離結構 刀離結構在隔離該衝擊 105902.doc 1279479 開口之冷料道内形成該等槽道。藉”μ總 ^每一槽料在該冷料道之—側㈣祕室 = 因此，本發明之渦輪紫葉總成包含冷卻空氣通道 該渦輪槳葉提供想要之冷卻特性。 本發明之攻些及其他功能可由以下之說明書及 敢佳了解，其下文係一簡短之敘述。 【實施方式】 擴展室内者係提供用於在該冷卻空氣通道及該㈣= 總成的—外表面之間建立該薄膜開口的薄膜結構。 ’其對 圖面所

參考圖1Α&1Β，渦輪槳葉總成1〇包含一翼片部件12、 根心ΙΜ牛14、及-平台部件16。該根部部件工斗延伸進入 一轴心部份（未示出），如該技藝中所習知者。該根部部件 14延伸至該平台部件16。該翼片12由該平台部件16向上地 延伸。渦輪翼片部件12由該平台部件丨6延伸至一尖部丨8。 該渦輪槳葉總成10包含一前緣20及一後緣22。於該前緣2〇 及該後緣22之間者係該外表面24。該外表面24之形狀係設 計成可提供氣流流動至旋轉式機械能量之想要轉移或轉 換。如應了解者，如在圖1A所示之渦輪槳葉總成1〇係如熟 諸此技藝之工作者所已知。以此揭示内容之益處，熟諳此 技藝一之工作者將了解利用於不同應用中之其他翼片架 構將自該揭示内容及本發明之冷卻通道獲益。 该渴輪槳葉總成1 〇包含一冷卻通道3 〇。該冷卻通道3 0 係设置在該渦輪槳葉總成1 〇内。冷卻空氣經過該根部部件 14内之通道26進入該渦輪槳葉總成10。冷卻空氣經過該等 105902.doc 1279479 通道26進入一主要組芯28(圖1B)。主要組芯28係一在該渦 輪槳葉總成10之内部内之中空部份。經過該等通道26與該 主要組芯28相通及進入該主要組芯28之冷卻空氣，進入設 置在该渦輪槳葉總成1 〇内之冷卻通道3 0。冷卻空氣由該主 要組芯28經過複數衝擊開口 32進入該冷卻通道3〇。 來自該衝擊開口 32之冷卻氣流流向相向於該衝擊開口 32設置之擴展室42。然後冷卻氣流持續經過該渦輪槳葉總 成1〇之壁面、經過薄膜開口 34。經過該薄膜開口 34離開該 •冷卻通道30之冷卻空氣在該渦輪槳葉總成10之外表面24 上方流動，以提供一冷卻及隔離之空氣層。 本發明之渦輪槳葉總成丨〇包含該冷卻通道3 〇。每一冷卻 通道30包含該衝擊開口32。該衝擊開口 32藉由槽道3峨此 隔離。該等槽道36係藉著一系列分開之結構38所形成。每 一衝擊開口 32之分開及隔離提供用於衝擊在該冷卻通道 之外表面的冷卻流動之分離。再者，鄰接衝擊開口 3 2 之隔離防止及減少以典型之傳統先前技藝衝冑開口設計 ♦ 所遭遇之橫流問題。來自該衝擊開口32之流動通過該槽道 36至該複數薄膜孔洞34β薄膜孔洞34係與該擴展室仰 通。該擴展室42提供該冷卻通道之一部份，用於傳送至該 薄膜開口 34的冷卻空氣之累積。在該擴展室42内之冷卻空 氣的累積可降低與對應於衝擊開口32的後壁撞擊有關之 問題。 參考圖2’其顯示該翼片12之透視圖，以說明該主要組 芯28之架構。該主要組芯28提供用於向上傳送冷卻空氣經 105902.doc -10· 1279479 過该渦輪槳葉總成1 0之中心部份，並與冷卻通道3 〇相通。 圖2所說明的渦輪槳葉總成及該翼片丨2之特定形狀及架構 係為習知者。一藉著該揭示内容所幫助之工作者將了解該 翼片架構之很多不同型式將自此揭示内容内所說明及敘 述之冷卻通道架構獲益。 參考圖3，該冷卻通道30係經過組芯總成料之使用形成 在該渦輪槳葉總成10内。於該渦輪槳葉總成1〇之製造期 間，該組芯總成44提供用於各種結構及架構之形成，包含 開口、該冷卻通道之槽道。傳統上，該涡輪槳葉總成ι〇 係經過一傳統模造製程之使用所製成。該組芯總成4 4能由 習知組芯材料所製成，諸如特別組織之陶瓷及耐火金屬。 忒組芯總成44係放置在一模子内，且接著被將包含該渦輪 槳葉總成H)之熔化材料所圍繞。於形成該渦輪紫葉總成ι〇 之材料凝固時，該組芯總成44被移去。該組芯總成料之移 ，係為習知者’且能包含各種製程，包括吸附或氧化製 知’在此-化學品係用於分解及吸附出該組芯總成料。如 所了解者’藉著該揭示内容所幫助而精通於該技藝之工作 者將了解如所習知之其他模造製程及材料之使用係在本 ，明之考慮及範圍内。用於由該渦輪槳葉總成_除該組 移除製程型式將視各種因素而定。這些因素包含渦 輪木葉材料之型式、所使用組芯材料之型式、及該冷卻空 氣通這之特定架構。 芯總成44用於形成精巧之冷卻空氣通道，而該冷卻 工乳通這必需在該渦輪紫葉總成1〇内提供該想要之冷卻 105902.doc 1279479 性質。該組芯總成44包含衝擊結構46，該衝擊結構在一整 個渦輪總成10内延伸及提供該衝擊開口 32之形成。組芯總 成44亦包含形成該等槽道及壁面之分離結構48，該等槽道 及壁面係用於由至少另一衝擊開口 32隔離每一衝擊開口 32所需要者。 參考圖4，一翼片12係顯示具有 以說明在其中所形成的冷卻空氣通道之特定功能。該冷卻

空氣通道30包含在該冷卻空氣通道30的每一側面上之擴 展室42。該冷卻空氣通道30包含前緣側面及後緣侧面 52。該冷卻空氣通道3〇之每一侧面包含—擴展室42。鄰接 之衝擊開口 32與一設置在該冷卻空氣通道3〇的相向侧面 上之擴展室42相通。無二鄰接之衝擊開口傳送空氣至一共 通之擴展室42。以此方式，能被控制及調整該特定之冷卻 流動，以對該翼片12之特定區域及部件提供冷卻。 參考圖5 範例組芯總成44係顯示及包含該衝擊結構 46,用於在該翼片12内形成該衝擊開〇32。該衝擊開口 ^ 由該主要組㈣傳送冷卻线進人該冷卻通㈣。該組芯 總成44亦包含該分離結構48，其利用及提供用於分離經過 每一鄰接之衝擊開口 32的冷卻空氣。該組芯總成44包含一 反向結構，並將形成在該已完成之渦輪㈣翼片咖。因 此，該等衝擊結構46係延伸部份，苴 兵將延伸經過該翼片12 及&供牙過该翼片12至該主要组γ ^ ^ 心28之開口。該組芯總成 44之結構及空間提供用於該 間。 -成之翼片。内的開放空 105902.doc 12- 1279479 該組芯總成44亦包含複數熱傳導增強部件6〇。這些熱傳 導增強部件6G係如開口般形成在該組芯總成44中，使得在 該已完成之冷卻空氣通道3〇内，該熱傳導增強部件6〇將在 各種冷卻空氣通道30内形成複數向上延伸之背脊。一藉著 此揭示内容所幫助之工作者將了解異於所說明範例的熱 傳導增強部件60之不同形狀係在本發明之考慮内，該等說 明範例的部件干擾或引導氣流。 °

參考圖6’其說明一外部侧面56。該外部側面％係由圖4 所說明之翼片12切開。該外部側面56係典型非如圖6所示 般分割，但係該翼片12之一整體部份。該外部側㈣係鄰 接該翼片12之外表面。圖4說明該冷卻通道％之—内部側 面54。該内部側面係鄰接該主要組芯以。其係為此緣故， 该等背脊62係設在圖6所說明之外部側面“上。如所了解 者’熱能沿著該外部表面24輻射。 郇接該翼片12的外部通口之外部侧面％係設在冷卻* 氣流動可最大影響所想要之熱吸收及傳送處。經過該等： 擊開口 32之氣流由該衝擊開口 32越過時立即撞擊該外部 側面‘然後如藉由該等通道36所引導，氣流將持續前進 朝向该後緣或前緣側面朝向該擴展室42、經過該等槽道 36:空氣將被控制及調整，以建立增加熱傳導及吸收，:質 之亂流效果。一旦空氣已經抵達該擴展室“，其係聚隹及 排出該薄膜孔洞34。經過該薄膜孔洞34,該空氣將接：被 排出進入該主要燃燒氣流。該範例組芯總成44大體上係平 直的。然而，該組芯總成44可包括—彎曲之形狀，以順應 105902.doc -13 - 1279479 一應用之特定翼片形狀。 參考圖7，其顯示該組芯總成4 4之一部份，並提供用於 該冷卻空氣通道30之外部側面56的形成。該組芯總成44 包含該等形成該槽道36、薄膜孔洞34、及分開結構38之結 構該專衝擊結構4 6係以虛線所說明，並指示它們不會由 该組芯44之此側面向外延伸。替代地，該等衝擊開口係由 延伸部份或結構46所形成，該等結構由該組芯之一相向側 面延伸。該組芯總成44之側面在該已完成翼片12之冷卻空 • 氣通道30的外部側面％内產生這些功能。於此範例組芯總 成44中，每一衝擊結構46通入一分開之槽道刊。因此，每 一衝擊開口 32係由任一鄰接之衝擊開口 32隔離。複數熱傳 導結構60係在每一通道内，該熱傳導結構6〇將在該已完成 之槽道36内形成該想要之背脊及熱傳導背脊62。圖7所說 明之熱傳導結構60係於該模造製程期間承接材料之孔 腔，以形成該向外延伸之背脊。 參考圖8，該組芯總成44之一内部側面係顯示及包含該 ^ 衝擊結構46。該分離結構48係以虛線顯示，以指示它們將 不會由此側面延伸，但將由該相向之側面延伸。再者，為 清楚故，未顯示將由該内部側面M形成在該外部側面％ 上之其他結構。然而，如應了解者，那些部件將由該相向 侧面向外延伸，且亦可藉著此視圖中之虛線所代表。 參考圖9及10，根據本發明之另一範例組芯總成包含 複數設置在分開之通道36内的衝擊結構46。於此組芯婢成 中，三衝擊結構46係設置在每一分離通道36内。藉著在 105902.doc -14· 1279479 =一㈣提供數個衝擊開α，可調整該料氣流需求及在 特定區或上之冷部氣流衝擊’以容納特定區域之熱傳導 及吸收需求。雖然在此有數個設置在每—通道⑽之衝擊 開口 46。這些係仍由至少一 ^ 衝擊開口隔離，該衝擊開口係 由至少另一衝擊開口陪雜。 ^ 再者’该等衝擊開口係全部設 置繞著一中線40。

雖然每-衝擊開口 32係設置繞著一共用之中線4〇，它們 仍然由至）另-衝擊開口隔離。雖然、在該m组芯總成μ 中顯示該等衝擊開口及衝擊結構46係設置繞著一中線 40’衝擊開口之其他架構及位置係在本發明之考慮内。精 通於該技藝之工作纟將了解相對另—衝擊開口之至少一 衝擊開口的隔離在一通道冷卻中提供調整冷卻之 益。 參考圖10，该組芯總成70係顯示在與圖9所示相向之側 面上’且說明將形成該冷卻空氣通道30的外部側面56之組 怒總成70側面。該組芯總成70之側面說明將於該已完成之 翼片12中形成該薄膜孔洞34的薄臈結構58。再者，說明熱 =結構60’其將於該已完成之冷卻通道3()中形成該熱傳 導背脊64。再者，如所示’該衝擊結構姆以虛線顯示， 以相對該外部側面56上所形成之部件指示其位置。如能由 圖1〇看出者，該分離結構48及該熱傳導結構6〇提供用於建 立一由该衝擊開口至該薄膜開口之調整冷卻氣流。 因此，本發明之組芯總成44及翼片12提供用於在一渦輪 槳葉總成1 0内之冷卻空氣性質的調整及改善。再者，該組 105902.doc -15- 1279479 芯總成44包含可提供複數個別槽道之單一組芯，而為用於 分開經過每一衝擊孔開口之氣流所想要者。該等衝擊開口 之，離提供改善之氣流及調整能力，用於在一翼片内施行 及最佳化局部之冷卻及流動特性。 雖然已揭示本發明之一較佳具體實施例，普通熟諳此技 藝之工作者將認知某些修改將落在本發明之範圍内。為該 理由，應研究以下之申請專利，以決定本發明之真實範圍 及内容。 • 【圖式簡單說明】 圖1A係根據本發明的渦輪槳葉總成之一側視圖。 圖係該渦輪槳葉總成之一部份的橫截面視圖。 圖2係一翼片總成之透視圖。 圖3係根據本發明的組芯總成之一部份的透視圖。 圖4係根據本發明之翼片總成的透視圖，並具有一部份 破開’以說明該冷卻其通道。 圖5係根據本發明之組芯總成的一透視圖。 ® 圖6係一冷卻通道之外表面的視圖。 圖7係根據本發明之一組芯總成的側面之平面圖。 圖8係圖7所示組芯總成的另一側面之平面圖。 圖9係根據本發明之組芯總成的一側面之視圖。 圖10係圖9所說明組芯總成之一相向側面的視圖。 【主要元件符號說明】 10 渦輪槳葉總成 12 翼片部件 105902.doc 16- 1279479

14 根部部件 16 平台部件 18 尖部 20 前緣 22 後緣 24 外表面 26 通道 28 主要組芯 30 冷卻通道 32 衝擊開口 34 薄膜開口 36 槽道 38 分開之結構 40 中線 42 擴展室 44, 70 組芯總成 46 衝擊結構 48 分離結構 50 前緣側面 52 後緣側面 54 内部側面 56 外部側面 58 薄膜結構 60 熱傳導增強部件 105902.doc -17- 1279479 62 背脊 64 熱傳導背脊 參 105902.doc 18-

Claims (1)

1279479 十、申請專利範圍： 1. 一種在翼片内形成冷卻通道之組芯總成，該組芯總成包 含： 一第一側面，其包含複數個用於形成對應之複數個衝 擊開口之衝擊結構； 一第二側面，其包含複數個用於形成對應之複數薄膜 開口之薄膜冷卻結構；及 複數個分離結構，用於形成壁面，該等壁面係用以將 該對應複數個衝擊開口之至少一開口與該對應複數個衝 擊開口之另一開口分離。 2·如請求項1之總成，其中該第二側面包含複數渦流結構， 其用於形成渦流特徵以修改冷卻空氣之流動。 3·如請求項1之總成，其中該複數衝擊結構之每一結構於該 翼片内形成一衝擊開口，該衝擊開口係與該等對應衝擊 開口之任何其他開口隔離。 士明求項1之總成，其中§亥組芯總成包含一陶曼材料。 5. 如請求们之總成，其中該複數衝擊結構形成一對應之複 數衝擊開π，其用於在―内部㈣及料冷卻通道之間 傳送冷卻空氣。 6. 一種形成用於翼片總成之冷卻通道的方法，其包含以下 步驟： (a)形成第—組芯’其包含用於形成衝擊開口之衝擊結構 及用於形成槽道之分離結構，該等分離結構將該等衝 擊開口之每一個與任何其他衝擊開口隔離； 105902.doc 1279479 (b)禱造該翼片總成，並將步驟（a)之組芯設置在該翼片總 成中；及 (C)由該鑄造之翼片移去該組芯。 7’如μ求項6之方法，其中該步驟（a)包含形成複數薄膜孔洞 結構’其用於在該翼片總成中形成對應之複數薄膜孔洞。 8·如明求項6之方法，其中該步驟（a)包含形成該等分離結 籌/、用於幵> 成該等槽道，使得每一槽道之一部份交互 裝配在该等槽道之另一個内。 9·如明求項6之方法，其包含形成第二組芯之步驟，該第二 、且〜用於在該翼片内形成一主要孔腔以承接及傳送冷卻 空*1至藉由該第一孔腔所形成之冷卻通道。 1 〇 ·如請求工首&夕士、+ ^ , 、之方法，其中該步驟（a)包含形成複數渦流結 構’其用於在該翼片之冷卻通道㈣成對應之複數渴流 u · —種翼片總成，包含： _ 一主要組芯，其承接冷卻空氣； 一冷卻通道’其包含複數個與該主要組芯相通之衝擊 =螌其中該等冷卻通道包含槽道，該㈣道將該複數 開口之至少-開Π與該複數個衝擊開 口隔離。 開 12.2求項11之總成，其中該等槽道之每—個與—擴展室 13. 如請求項12之總成，其 該擴展室傳送冷卻空氣 包含複數個薄膜冷卻孔洞，其由 至该翼片總成之一外表面。 105902.doc 1279479 14.如請求項U之總成，其中該等槽道之每一個包含用於修 改經過該等槽道之氣流的渦流特徵。 15·如請求項丨丨之總成，其中該複數個衝擊開口之每一個係 設置鄰接一中心平面，且該等槽道彼此交互裝配，使得 該等槽道之每一個包含一與該中心平面相交之部份。 16_如請求項15之總成，其中具有至少二衝擊開口，其設置 在该等槽道之每一個内。 17·如請求項14之總成，其中該冷卻通道包含一鄰接該主要 組芯之内部側面及一鄰接該翼片總成之外表面的外部側 面’其中該等渦流特徵係設置在該外部側面上。 如明求項17之總成’其中該等槽道包含一延伸於該内部 側面及該外部側面間之壁面。 19.如明求項18之總成，其中空氣由該主要組芯流經該等衝 擊開口及向上抵靠著該外部側面。 月求項17之總成’其中該冷卻通道包含一前緣側面及 一後緣側面，且該等槽道相對該前緣側面及該後緣側面 橫向地延伸。 21·如請求項20之總成，其中該冷卻通道包含一鄰接該前緣 側面之前緣擴展室及一鄰接該後緣側面之後緣擴展室， 且该等槽道之鄰接槽道與該前緣側面及該後緣側面擴展 室之不同擴展室相通。 105902.doc