本發(fā)明大體上涉及陶瓷基質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，并且更具體地涉及具有小的復(fù)雜特征的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。

背景技術(shù)：

為了提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能以便提供增大的推力與重量比、較低排放和改善的耗油率，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)是在較高溫度下操作。較高溫度達(dá)到且超過發(fā)動(dòng)機(jī)的熱區(qū)段且特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段中的構(gòu)件的材料的極限。由于現(xiàn)有材料可能經(jīng)不起較高的操作溫度，故必須開發(fā)出用于高溫環(huán)境中的新材料。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)操作溫度提高時(shí)，開發(fā)出了冷卻包括燃燒器和渦輪翼型件的高溫合金的新方法。例如，陶瓷熱障涂層(tbc)應(yīng)用到熱的流出氣體的流中的構(gòu)件的表面來降低傳熱速率，對(duì)下面的金屬提供熱保護(hù)，且使構(gòu)件能夠經(jīng)得起較高溫度。這些改善有助于降低構(gòu)件的峰值溫度和熱梯度。還引入了冷卻孔來提供膜冷卻，以改善熱能力或保護(hù)。同時(shí)，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物已開發(fā)作為高溫合金的替換物。在許多情況中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(cmc)提供優(yōu)于金屬的改善的溫度和密度益處，使得它們?yōu)槠谕^高操作溫度和/或減輕的重量時(shí)選擇的材料。

cmc具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱性，且因此在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)良好適于高溫環(huán)境。熱氣體中的cmc構(gòu)件猛烈地膜冷卻，特別是在具有另外未冷卻的后緣的設(shè)計(jì)中。然而，改善的膜冷卻性能可減少所需的冷卻膜流和/或提高cmc構(gòu)件的耐用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下描述中部分地提出，或可從描述中清楚，或可通過實(shí)施本發(fā)明學(xué)習(xí)到。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件大體上設(shè)置成用于生成熱燃燒氣流的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件包括由cmc材料構(gòu)造且具有面向熱燃燒氣流的熱表面和面向冷卻流體流的冷卻表面的基底。熱燃燒氣流大體上限定相對(duì)于熱表面的上游方向和下游方向。基底還限定膜孔，其延伸穿過基底且具有設(shè)在冷卻表面上的入口和設(shè)在熱表面上的出口以及連接入口和出口的通路。通路包括計(jì)量區(qū)段；以及擴(kuò)散區(qū)段，其中擴(kuò)散區(qū)段包括架、第一外凸耳和第二外凸耳。

技術(shù)方案1.一種用于生成熱燃燒氣流的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，包括：

基底，其由cmc材料構(gòu)造且具有面向所述熱燃燒氣流的熱表面和面向冷卻流體流的冷卻表面，所述熱燃燒氣流大體上限定相對(duì)于所述熱表面的上游方向和下游方向，且其中所述基底限定膜孔，所述膜孔延伸穿過所述基底且具有設(shè)在所述冷卻表面上的入口、設(shè)在所述熱表面上的出口以及連接所述入口和所述出口的通路，其中所述通路包括：

計(jì)量區(qū)段；以及

擴(kuò)散區(qū)段，其中所述擴(kuò)散區(qū)段包括架、第一外凸耳和第二外凸耳。

技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述第一外凸耳和所述第二外凸耳允許所述冷卻流體流在所述計(jì)量區(qū)段下游在所述擴(kuò)散區(qū)段內(nèi)沿側(cè)向擴(kuò)張。

技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述架在與所述熱表面的會(huì)合區(qū)域處限定下游邊緣，其中側(cè)向擴(kuò)散線從所述出口的上游邊緣至所述架的最外側(cè)點(diǎn)限定，且其中側(cè)向擴(kuò)散角限定在所述側(cè)向擴(kuò)散線和所述熱燃燒氣流中的中心線之間，其中所述側(cè)向擴(kuò)散角為大于0°到大約15°。

技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，側(cè)向擴(kuò)散線從所述出口的上游邊緣至所述架的最外側(cè)點(diǎn)限定，且其中所述擴(kuò)散區(qū)段具有從所述計(jì)量區(qū)段內(nèi)的計(jì)量直徑位置至局部外表面切線的交點(diǎn)限定的長(zhǎng)度，所述外凸耳中的每一個(gè)具有沿其相應(yīng)側(cè)向擴(kuò)散線測(cè)量的開孔深度，所述開孔深度為所述長(zhǎng)度的大約10%到大約75%。

技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，各個(gè)開孔具有有效直徑，所述有效直徑為限定在所述計(jì)量區(qū)段內(nèi)的計(jì)量直徑的大約0.5倍到大約1倍。

技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述膜孔的通路限定上游內(nèi)表面和下游內(nèi)表面之間的截面面積，其中所述上游內(nèi)表面大致平行于穿過所述通路的中心線。

技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，下游內(nèi)表面具有相對(duì)于穿過所述通路的所述中心線的擴(kuò)散角，其中所述擴(kuò)散角為0°到大約15°。

技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，下游內(nèi)表面具有相對(duì)于穿過所述通路的所述中心線的擴(kuò)散角，其中所述擴(kuò)散角為大于0°到大約15°。

技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件還包括：

緩沖區(qū)域，其在所述出口的上游且包括向下游延伸且在所述熱表面的切線下方凹入的臺(tái)肩，其中所述臺(tái)肩限定在臺(tái)肩深度處從其延伸的臺(tái)肩深度切線。

技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述架具有達(dá)到所述臺(tái)肩深度的5倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件還包括：

流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其在所述熱表面上設(shè)在所述出口的上游，其中所述流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括從所述熱表面延伸的凸脊。

技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上游邊緣的至少50%延伸。

技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上游邊緣的至少75%延伸。

技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊通過緩沖區(qū)域與所述出口分開。

技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述緩沖區(qū)域包括向所述凸脊的下游延伸且在所述熱表面的切線下方凹入的臺(tái)肩，其中所述臺(tái)肩限定在臺(tái)肩深度處從其延伸的臺(tái)肩深度切線。

技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊具有沿所述熱表面的切線從上游邊緣至下游邊緣限定的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度為所述臺(tái)肩深度的大約0.5倍到大約2倍。

技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊具有從所述凸脊的峰部至所述熱表面的切線限定的高度，所述高度為大于0至所述臺(tái)肩深度。

技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述臺(tái)肩限定達(dá)到所述臺(tái)肩深度的大約3倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案15所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述臺(tái)肩限定為所述臺(tái)肩深度的大約0.5倍到大約3倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，各個(gè)外凸耳對(duì)于各個(gè)外凸耳的至少大約150°由所述擴(kuò)散區(qū)段的表面沿其相應(yīng)直徑限定。

本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將參照以下描述和所附權(quán)利要求變得更好理解。并入且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，且連同描述用于闡釋本發(fā)明的原理。

附圖說明

包括針對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的其最佳模式的本發(fā)明的完整且開放的公開內(nèi)容在參照附圖的說明書中提出，在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本主題的方面的可用于飛行器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的截面視圖；

圖2示出了圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器和高壓渦輪的側(cè)部截面視圖；

圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的穿過圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的膜孔的示意性截面視圖；

圖4為沿中心線向下穿過圖3的膜孔的透視圖；

圖5為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的穿過圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的膜孔的另一個(gè)示意性截面視圖；

圖6為沿中心線向下穿過圖3的膜孔的另一個(gè)透視圖；

圖7為圖3的膜孔的頂視圖；以及

圖8為垂直于圖3和圖5的在上游架點(diǎn)處截取的截面視圖。

本說明書和附圖中的參考標(biāo)號(hào)的重復(fù)使用意在表示本發(fā)明的相同或相似的特征或元件。

構(gòu)件清單

10燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

12中心線軸線

14核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

16風(fēng)扇區(qū)段

18外殼

20環(huán)形入口

22增壓壓縮機(jī)

24壓縮機(jī)

26燃燒器

28高壓渦輪

30高壓傳動(dòng)軸

32低壓渦輪

34低壓傳動(dòng)軸

36排氣噴嘴

37減速裝置

38風(fēng)扇轉(zhuǎn)子

40風(fēng)扇殼

42出口導(dǎo)向?qū)~

44風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片

46下游區(qū)段

48副空氣流管道

50初始空氣流

52入口

54第一壓縮空氣流

56第二壓縮空氣流

58箭頭

60燃燒產(chǎn)物

68渦輪葉片

72渦輪導(dǎo)葉

76偏轉(zhuǎn)器

77燃燒襯套

78護(hù)罩組件

80發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件

82基底

84熱表面

85局部外表面切線

86冷卻表面

88內(nèi)腔

90膜孔

92入口

94出口

95上游內(nèi)表面

96通路

97下游內(nèi)表面

98計(jì)量區(qū)段

99中心線

100擴(kuò)散區(qū)段

101架

102中心線

103上游架點(diǎn)

104上游邊緣

106下游邊緣

107a,107b最外點(diǎn)

108上游方向

109a,109b側(cè)向擴(kuò)散線

110下游方向

112流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

114緩沖區(qū)域

115臺(tái)肩

116上游邊緣

117臺(tái)肩深度切線

118下游邊緣

120a,120b外凸耳

123a,123b基部

h熱氣流

c冷卻流體

α中心線角度

φ擴(kuò)散角

l1長(zhǎng)度

l2架長(zhǎng)度

l3長(zhǎng)度

d深度

h高度

d計(jì)量直徑

lm計(jì)量長(zhǎng)度

ld擴(kuò)散長(zhǎng)度

β側(cè)向擴(kuò)散角

b開孔深度

db開孔直徑。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)示例在附圖中示出。各個(gè)示例通過闡釋本發(fā)明的方式提供，而不限制本發(fā)明。實(shí)際上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚的是，可在本發(fā)明中作出各種改型和變型而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。例如，示為或描述為一個(gè)實(shí)施例的一部分的特征可結(jié)合另一個(gè)實(shí)施例使用以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。因此，期望本發(fā)明覆蓋如落入所附權(quán)利要求和其等同物的范圍內(nèi)的此類改型和變型。

如本文使用的用語"第一"、"第二"和"第三"可互換使用以將一個(gè)構(gòu)件與另一個(gè)區(qū)分開，且不意在表示獨(dú)立構(gòu)件的位置或重要性。

用語"上游"和"下游"是指相對(duì)于流體通路中的流體流的相對(duì)方向。例如，"上游"是指流體從其流動(dòng)的方向，且"下游"指流體流至的方向。

如本文使用的短語"由cmc構(gòu)成"和"包括cmc"應(yīng)當(dāng)意指大致由cmc構(gòu)成的構(gòu)件。更具體而言，cmc構(gòu)件應(yīng)當(dāng)包括多于cmc材料的層或涂層的cmc材料。例如，由cmc構(gòu)成的構(gòu)件可大致或完全由cmc材料組成或構(gòu)成，包括大于大約百分之50、60、70、80、90或百分之100的cmc材料。

現(xiàn)在參看附圖，圖1示出了根據(jù)本主題的方面的可用于飛行器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的一個(gè)實(shí)施例的截面視圖，其中發(fā)動(dòng)機(jī)10示為具有出于參照目的在其間延伸的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(大體上由參考標(biāo)號(hào)14指出)和定位在其上游的風(fēng)扇區(qū)段16。核心發(fā)動(dòng)機(jī)14大體上可包括限定環(huán)形入口20的大致管狀的外殼18。此外，外殼18還可包圍和支撐增壓壓縮機(jī)22，以用于將進(jìn)入核心發(fā)動(dòng)機(jī)14的空氣的壓力升高到第一壓力水平。高壓的多級(jí)軸流式壓縮機(jī)24然后可從增壓壓縮機(jī)22接收加壓空氣，且進(jìn)一步升高此空氣的壓力。離開高壓壓縮機(jī)24的加壓空氣然后可流至燃燒器26，燃料在燃燒器26內(nèi)噴射到加壓空氣流中，其中所得的混合物在燃燒器26內(nèi)燃燒。高能燃燒產(chǎn)物從燃燒器26沿發(fā)動(dòng)機(jī)10的熱氣體通路引導(dǎo)至第一(高壓，hp)渦輪28以用于經(jīng)由第一(高壓，hp)傳動(dòng)軸30驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī)24，且然后引導(dǎo)至第二(低壓，lp)渦輪32以用于經(jīng)由大體上與第一傳動(dòng)軸30同軸的第二(低壓，lp)傳動(dòng)軸34驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)22和風(fēng)扇區(qū)段16。在驅(qū)動(dòng)各個(gè)渦輪28和32之后，燃燒產(chǎn)物可從核心發(fā)動(dòng)機(jī)14經(jīng)由排氣噴嘴36排出以提供推進(jìn)噴氣推力。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，各個(gè)渦輪28、30大體上可包括一個(gè)或多個(gè)渦輪級(jí)，其中各個(gè)級(jí)均包括渦輪噴嘴和下游渦輪轉(zhuǎn)子。如下文將描述的那樣，渦輪噴嘴可包括圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10的中心線軸線12成環(huán)形陣列設(shè)置的多個(gè)導(dǎo)葉，以用于使通過渦輪級(jí)的燃燒產(chǎn)物的流朝形成渦輪轉(zhuǎn)子的部分的轉(zhuǎn)子葉片的對(duì)應(yīng)環(huán)形陣列轉(zhuǎn)向或另外引導(dǎo)。如大體上理解的那樣，轉(zhuǎn)子葉片可聯(lián)接到渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子盤，其繼而又旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到渦輪的傳動(dòng)軸(例如，傳動(dòng)軸30或34)。

此外，如圖1中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)10的風(fēng)扇區(qū)段16可大體上包括可旋轉(zhuǎn)的軸流式風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38，其構(gòu)造成由環(huán)形風(fēng)扇殼40包繞。在特定實(shí)施例中，(lp)傳動(dòng)軸34可直接地連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38，諸如在直接傳動(dòng)構(gòu)造中。在備選實(shí)施例中，(lp)傳動(dòng)軸34可經(jīng)由減速裝置(諸如間接傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)構(gòu)造中的減速齒輪箱)來連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38上。如期望或需要的那樣，此減速裝置可包括在發(fā)動(dòng)機(jī)10內(nèi)的任何適合的軸/轉(zhuǎn)軸之間。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，風(fēng)扇殼40可構(gòu)造成相對(duì)于核心發(fā)動(dòng)機(jī)14由多個(gè)大致沿徑向延伸的周向間隔開的出口導(dǎo)向?qū)~42支撐。因此，風(fēng)扇殼40可包圍風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38和其對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片44。此外，風(fēng)扇殼40的下游區(qū)段46可在核心發(fā)動(dòng)機(jī)14的外部上延伸，以便限定提供額外推進(jìn)噴氣推力的副或旁通空氣流管道48。

在發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作期間，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，初始空氣流(由箭頭50指出)可通過風(fēng)扇殼40的相關(guān)聯(lián)的入口52進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10?？諝饬?0然后穿過風(fēng)扇葉片44，且分成移動(dòng)穿過管道48的第一壓縮空氣流(由箭頭54指出)和進(jìn)入增壓壓縮機(jī)22的第二壓縮空氣流(由箭頭56指出)。第二壓縮空氣流56的壓力然后增大且進(jìn)入高壓壓縮機(jī)24(如箭頭58指出)。在與燃料混合且在燃燒器26內(nèi)燃燒之后，燃燒產(chǎn)物60離開燃燒器26且流過第一渦輪28。此后，燃燒產(chǎn)物60流過第二渦輪32且離開排氣噴嘴36，以提供用于發(fā)動(dòng)機(jī)10的推力。

圖2為圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃燒器26和第一渦輪28(即，高壓(hp)渦輪)的側(cè)部截面視圖。燃燒器26包括偏轉(zhuǎn)器76和燃燒器襯套77。成組的沿徑向間隔開的靜止渦輪導(dǎo)葉72在軸向方向上鄰近渦輪28的渦輪葉片68，其中相鄰導(dǎo)葉72在其間形成噴嘴。噴嘴使燃燒氣體轉(zhuǎn)向以更好地流入旋轉(zhuǎn)葉片中，使得可通過渦輪28獲得最大能量。當(dāng)熱燃燒氣流h沿導(dǎo)葉72的外部穿過時(shí)，冷卻流體流c穿過導(dǎo)葉72以冷卻導(dǎo)葉72。護(hù)罩組件78鄰近旋轉(zhuǎn)葉片68以最大限度減少渦輪28中的流動(dòng)損失。類似的護(hù)罩組件也可與lp渦輪32、lp壓縮機(jī)22或hp壓縮機(jī)24相關(guān)聯(lián)。

發(fā)動(dòng)機(jī)10的一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件包括膜冷卻的基底，其中可提供本文進(jìn)一步公開的實(shí)施例的膜孔。具有膜冷卻的基底的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的一些非限制性示例可包括圖1-圖2中所述的葉片68、導(dǎo)葉或噴嘴72、燃燒器偏轉(zhuǎn)器76、燃燒器襯套77或護(hù)罩組件78。其中使用膜冷卻的其它非限制性示例包括渦輪過渡導(dǎo)管和排氣噴嘴。

圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的一部分的示意性截面視圖。發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可為圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)10的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，且可設(shè)置在由箭頭h表示的熱氣流中?？晒?yīng)由箭頭c表示的冷卻流體流來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。如上文參照?qǐng)D1-圖2所論述，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的背景下，冷卻空氣可為旁通發(fā)動(dòng)機(jī)核心14的第一壓縮空氣流24，來自lp壓縮機(jī)22的流體或來自hp壓縮機(jī)24的流體。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80包括基底82，其具有面向熱燃燒氣流h的熱表面84以及面向冷卻流體c的冷卻表面86?；?2可形成發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件82的壁；壁可為發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的外壁或內(nèi)壁。第一發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可限定包括冷卻表面86的至少一個(gè)內(nèi)腔或通道88。熱表面84可為發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的外表面。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，熱表面84可暴露于具有1000℃到2000℃的范圍中的溫度的氣體。用于基底82的適合材料可包括但不限于鋼、耐熱金屬(諸如鈦)，或基于鎳、鈷或鐵的超級(jí)合金，以及陶瓷基質(zhì)復(fù)合物。超級(jí)合金可包括等軸的定向凝固且單晶的結(jié)構(gòu)中的那些。

在一個(gè)特定實(shí)施例中，基底82由陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(cmc)材料構(gòu)造，其為具有高溫能力的非金屬材料。用于此基底82的示例性cmc材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化鋁基質(zhì)材料，以及它們的組合。陶瓷纖維可嵌入基質(zhì)內(nèi)，諸如包括如藍(lán)寶石或碳化硅(例如，textron的scs-6)的單絲的氧化穩(wěn)定增強(qiáng)纖維，以及包括碳化硅(例如，nipponcarbon的nicalon?、ubeindustries的tyranno?和dowcorning的sylramic?)、硅酸鋁(例如，nextel的440和480)，以及短切晶須和纖維(例如，nextel的440和saffil?)，以及可選的陶瓷顆粒(例如，si、al、zr、y的氧化物和它們的組合)，以及無機(jī)填料(例如，葉臘石、鈣硅石、云母、滑石、藍(lán)晶石和蒙脫土)的粗砂和紗。在一個(gè)實(shí)施例中，cmc材料在其厚度中由多個(gè)層(例如，大約4層到大約10層)形成。

當(dāng)由cmc材料制成時(shí)，環(huán)境阻隔涂層(ebc)可存在于基底82(附圖中未示出)的表面上。例如，ebc可包括粘結(jié)涂層(例如，包括硅或二氧化硅)，由一種或多種稀土硅酸鹽形成的一個(gè)或多個(gè)層(例如，一個(gè)或多個(gè)莫來石層、莫來石-堿土鋁硅酸鹽混合物層、單硅酸釔(yms)層、摻雜鐿的二硅酸釔(ybyds)層，等)，等等。

cmc材料形成為具有大約0.001到大約0.018英寸且更典型是大約0.005到大約0.015英寸的厚度的材料的層片。層片的厚度通常由選擇用于使用的纖維束(絲束)的尺寸規(guī)定，且層片的厚度可隨纖維直徑變化。對(duì)于本文考慮的大多數(shù)應(yīng)用，層片形成為二維織造織物，但也可使用一維纖維定向。然而，制造層片的方法、使層片層疊來形成構(gòu)件部分和用于復(fù)合物行業(yè)的其它零件制造技術(shù)不意在限制本發(fā)明。使層片層疊來形成待形成的制品的形狀，相鄰層片的角度可取決于所需的平面強(qiáng)度改變。可使用這些cmc材料制成的構(gòu)件包括但不限于渦輪葉片、渦輪導(dǎo)葉、渦輪護(hù)罩和燃燒器襯套、殼、隔熱罩和擴(kuò)散器。這些熱區(qū)段構(gòu)件全部都受益于冷卻空氣的使用來提供足夠的冷卻，以在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間實(shí)現(xiàn)熱傳遞，從而延伸其使用范圍。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80還包括延伸穿過基底82的一個(gè)或多個(gè)膜孔90，其提供了內(nèi)腔88與發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的熱表面84之間的流體連通。在操作期間，冷卻流體流c供應(yīng)至內(nèi)腔88，且流出膜孔90以在熱表面84上產(chǎn)生冷卻流體(例如，從壓縮機(jī)取出的空氣)的薄層或膜，以保護(hù)其免受熱燃燒氣流h。盡管圖3中僅示出了一個(gè)膜孔90，但應(yīng)當(dāng)理解的是，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可設(shè)有以任何其它期望的構(gòu)造布置在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80上的多個(gè)膜孔90。

將注意的是，在本文所述的任何實(shí)施例中，盡管基底82示為大體上為平面，但將理解的是，基底82可對(duì)于許多發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80為彎曲的。然而，基底82的曲率可相比于膜孔90的尺寸很小，且因此出于論述和圖示目的，基底82示為平面。不論基底82對(duì)于膜孔90局部是平面或彎曲的，熱表面84和冷卻表面86都可如本文所示平行于彼此，或可位于非平行平面中。

膜孔90可具有設(shè)在基底82的冷卻表面86上的入口92、設(shè)在熱表面84上的出口94以及連接入口92和出口94的通路96。通路96大體上限定在上游內(nèi)表面95與下游內(nèi)表面97之間，且可包括用于計(jì)量冷卻流體流c的質(zhì)量流率的計(jì)量區(qū)段98，以及冷卻流體c可擴(kuò)張來形成較寬的冷卻膜的擴(kuò)散區(qū)段100。計(jì)量區(qū)段98可為通路96的一部分，其中最小截面面積正交于穿過通路96的冷卻流體流c的方向。計(jì)量區(qū)段98可為通路在該處具有最小截面面積的離散位置，或通路96的伸長(zhǎng)區(qū)段。擴(kuò)散區(qū)段100相對(duì)于穿過通路96的冷卻流體流c的方向在計(jì)量區(qū)段98的下游。擴(kuò)散區(qū)段100可與計(jì)量區(qū)段98串流連通。計(jì)量區(qū)段98可設(shè)在入口92處或附近，而擴(kuò)散區(qū)段100可限定在出口94處或附近。如圖3中所示，計(jì)量區(qū)段98具有計(jì)量長(zhǎng)度lm，且擴(kuò)散區(qū)段100具有擴(kuò)散長(zhǎng)度ld。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散長(zhǎng)度ld比計(jì)量長(zhǎng)度lm更長(zhǎng)(例如，ld≥2lm)。

穿過通路96的冷卻流體流c沿著通路96的縱軸線，本文中也稱為中心線102，其穿過計(jì)量區(qū)段98的截面面積的幾何中心。在所示實(shí)施例中，上游內(nèi)表面95大致平行于中心線102。中心線102限定相對(duì)于局部外表面切線85的中心線角度α。在特定實(shí)施例中，中心線角度α為大約15°到大約50°。下游內(nèi)表面97相對(duì)于中心線102成擴(kuò)散角φ延伸，以有效加寬通路96來允許冷卻空氣擴(kuò)散到熱表面84上。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散角φ為0°到大約15°(例如，大于0°到大約15°)。

膜孔90可沿穿過通路96的冷卻流體流c的下游方向傾斜，使得中心線102不正交于熱表面84和冷卻表面86。作為備選，膜孔90可具有中心線102，其正交于中心線102穿過的基底82的局部區(qū)域中的熱表面84和冷卻表面86中的一者或兩者。在其它實(shí)施例中，膜孔90的中心線102可不沿?zé)崛紵龤饬鱤的方向定向，使得冷卻流體流c的向量不同于熱燃燒氣流h的向量。例如，具有復(fù)合角的膜孔限定冷卻流向量，其不但在截面上而且在看向熱表面84的自上而下的視圖中不同于熱燃燒氣流向量。

膜孔90大體上具有漸縮截面，其形成其中的圓錐形形狀。然而，將理解的是，膜孔90可具有圓形、橢圓形、圓錐形和其它非規(guī)則形狀的截面形狀。例如，膜孔90可包括擴(kuò)散器形狀(例如，側(cè)開孔)或如下文更詳細(xì)論述的其它特征。

出口94包括上游邊緣104和下游邊緣106，在該處，通路96與基底82的熱表面84相交。邊緣104、106可大體上相對(duì)于熱燃燒氣流h的方向限定，其中熱燃燒氣流h大體上相對(duì)于熱表面84限定上游方向108和下游方向110，即，越過出口94。上游邊緣104大體上面向下游方向110，且下游邊緣106大體上面向上游方向108。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80還在基底82的熱表面84上設(shè)有流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112。流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112在出口94上游且與其物理間隔開，且構(gòu)造成中斷跨越出口94的熱流體流h，以允許冷卻流體流c從出口94出現(xiàn)來更有效地附著至熱表面84。

在所示實(shí)施例中，流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112包括熱表面84中的至少一個(gè)凸脊。凸脊112并不緊鄰出口94，而是通過緩沖區(qū)域114與出口94分開，使得凸脊112并不與膜孔90物理連接。在截面中查看時(shí)，如圖3中所示，凸脊112具有上游邊緣116和下游邊緣118，以相對(duì)于熱燃燒氣流h的方向在其間限定長(zhǎng)度l3。在一個(gè)實(shí)施例中，如下文參照?qǐng)D3所述，長(zhǎng)度l3為大約0.5d到大約2d，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離。

凸脊112可相對(duì)于膜孔90的中心線102定心，且可圍繞出口94至少部分地延伸。例如，凸脊112可圍繞中心線102前方的上游邊緣104的至少大約50%延伸(例如，圍繞上游邊緣104的至少大約75%)。換言之，凸脊可圍繞出口94的上游部分的至少大約90°(即，180°的至少大約50%)延伸，諸如圍繞上游部分的至少大約135°。參看圖4，凸脊112圍繞中心線102前方的上游邊緣104的大約100%延伸，以便完全防護(hù)熱表面84上的膜孔90的上游邊緣104。如圖所示，下游邊緣106沒有在熱表面切線85上方圍繞中心線102下游的下游邊緣106的至少大約50%延伸的任何凸脊(例如，圍繞下游邊緣106的至少大約75%)。

凸脊112可具有沿其圍繞出口94的上游部分的長(zhǎng)度的變化的高度。在大多數(shù)實(shí)施例中，凸脊112具有從凸脊112的峰部到熱表面切線85限定的高度h，其為大于0到大約d，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離，如下文參照?qǐng)D3所論述的那樣。

用于引起從出口94出現(xiàn)的冷卻流體流c附著至熱表面84的凸脊112的構(gòu)造可至少部分地由凸脊112的截面形狀限定。所示的凸脊112具有在上游邊緣116與下游邊緣118之間大體上成凸形或向外彎曲的截面形狀。凸脊112的截面形狀可保持大致恒定或可變化。

緩沖區(qū)域114在出口94的上游邊緣104與凸脊112的下游邊緣118之間延伸。在所示實(shí)施例中，緩沖區(qū)域114包括在凸脊112下游延伸的臺(tái)肩115。臺(tái)肩115在熱表面切線85下方凹入，以便在由熱表面84限定的熱表面切線85下方的臺(tái)肩深度d處延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，其中基底82由層合的cmc材料形成，臺(tái)肩深度d可具有一個(gè)或多個(gè)層的厚度(例如，大約1個(gè)到大約5個(gè)層或?qū)悠暮穸?。臺(tái)肩115限定臺(tái)肩深度切線117。

臺(tái)肩115限定出口94的上游邊緣104與凸脊112的下游邊緣118之間的長(zhǎng)度l1。臺(tái)肩115的長(zhǎng)度l1可從很小而使得凸脊112接近出口94變?yōu)檩^大而使得凸脊112與出口94間隔更遠(yuǎn)。臺(tái)肩115保持膜孔90的出口94和其出口形狀在功能和空間上與凸脊112分開。這允許了冷卻流體流c在遇到可改變此流的熱氣體h之前在膜孔90的出口94處完全形成或擴(kuò)散。在可能的長(zhǎng)度l1范圍的最大端部上，緩沖區(qū)域114可能不是很遠(yuǎn)，以便抵消其在流體流上的調(diào)節(jié)效果；因此，最大可能長(zhǎng)度l1可取決于冷卻流體流c的動(dòng)量。因此，臺(tái)肩115的長(zhǎng)度l1大體上達(dá)到大約3d(例如，大約0.5d到大約3d)，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離，如關(guān)于圖3所論述的那樣。

不期望由任何特定理論限定，相信臺(tái)肩115保護(hù)冷卻流體流c免于與熱流體流h在膜孔的上游邊緣處的其最弱點(diǎn)處的初始相互作用。臺(tái)肩115還可迫使冷卻流體c在其接近出口94時(shí)引導(dǎo)至更表面切向方式，改變檢查員所說的其并未滲透到熱流體流h中太遠(yuǎn)。

將注意的是，如本文相對(duì)于本發(fā)明的該實(shí)施例或任何其它實(shí)施例的計(jì)量區(qū)段98使用的用語"計(jì)量直徑d"不意在將計(jì)量區(qū)段98限于任何特定截面，其中計(jì)量區(qū)段98的截面垂直于穿過通路96的冷卻流體流c的方向確定。在該實(shí)施例中，計(jì)量區(qū)段98大體上為圓形截面。然而，計(jì)量區(qū)段98的特定截面形狀可對(duì)于本發(fā)明的其它實(shí)施例不同；例如，計(jì)量區(qū)段98的截面形狀可為矩形或橢圓形。對(duì)于非圓形計(jì)量區(qū)段98，計(jì)量直徑d可為截面的液力直徑，其通常限定為截面面積除以截面周長(zhǎng)的四倍。對(duì)于仍大體上為圓形的很不規(guī)則的計(jì)量區(qū)段98，諸如通常由沖擊激光加工產(chǎn)生的那些，計(jì)量直徑d可為可穿過計(jì)量區(qū)段98而沒有破壞的最大圓形銷的直徑。對(duì)于也具有不規(guī)則表面的非圓形區(qū)段，計(jì)量直徑d可為可穿過而沒有破壞的大致定形的最大銷的液力直徑。對(duì)于擴(kuò)散區(qū)段100之前的非直的或非恒定的截面長(zhǎng)度，相同的總體限定可用于最小截面面積位置處。

如上所述，擴(kuò)散區(qū)段100相對(duì)于穿過通路96的冷卻流體流c的方向在計(jì)量區(qū)段98下游，且限定在出口94處或附近。擴(kuò)散區(qū)段100大體上包括從上游架點(diǎn)103(限定在下游內(nèi)表面97與臺(tái)肩深度切線117相交的位置)到下游邊緣106(在該處，架101與熱表面84會(huì)合(相對(duì)于中心線102成大于擴(kuò)散角φ的角度))限定的架101。架101大體上具有從上游架點(diǎn)103延伸至下游邊緣106的長(zhǎng)度l2。架101的長(zhǎng)度l2大體上達(dá)到大約5d(例如，大約0.5d到大約5d)，其中d為從表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離，如參照?qǐng)D3所論述的那樣。不期望由任何特定理論限定，相信架101提供用于冷卻流體流c的較淺區(qū)域以在與熱流體流h相互作用之前不久沿側(cè)向擴(kuò)張。

如圖4中所示，出口94的下游邊緣106由架101與熱表面84的會(huì)合區(qū)域限定。大體上，下游邊緣106處的架101的中心線99的任一側(cè)上的寬度可由相對(duì)于中心線99的側(cè)向擴(kuò)散角β限定。具體而言，側(cè)向擴(kuò)散角β從中心線99處的下游邊緣106延伸至下游邊緣106的各側(cè)上的側(cè)向擴(kuò)散線109a、109b。各個(gè)側(cè)向擴(kuò)散線109a、109b從凸脊112的上游邊緣116延伸至下游邊緣106的最外點(diǎn)107a、107b。在大多數(shù)實(shí)施例中，側(cè)向擴(kuò)散角β為大于0°到大約15°。

現(xiàn)在參看圖5和圖6，存在限定在膜孔90的擴(kuò)散區(qū)段100中的兩個(gè)外凸耳120a、120b。外凸耳120a、120b中的每一個(gè)用作擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，從而允許冷卻流體流c在從計(jì)量區(qū)段98過渡至擴(kuò)散區(qū)段100期間沿側(cè)向擴(kuò)張。不期望由任何特定理論限定，相信外凸耳120a、120b在其與熱流體流h相互作用之前改變與冷卻流體流c相關(guān)聯(lián)的渦旋。

外凸耳120a、120b中的每一個(gè)具有沿相應(yīng)側(cè)向擴(kuò)散線109a、109b測(cè)量為開孔深度b的深度，其沿中心線102向下至各個(gè)外凸耳120a、120b的相應(yīng)基部123a、123b測(cè)得。開孔深度b可與總擴(kuò)散長(zhǎng)度ld比較，其在大多數(shù)實(shí)施例中在長(zhǎng)度ld的大約0.1到大約0.75之間(即，b為長(zhǎng)度ld的大約10%到大約75%)。

圖6示出了外凸耳120a、120b中的每一個(gè)具有小于或等于計(jì)量直徑d的開孔有效直徑db。在大多數(shù)實(shí)施例中，開孔有效直徑db在計(jì)量直徑d的大約0.5到大約1之間(即，db為計(jì)量直徑d的大約50%到大約100%)。

圖7和圖8更具體地示出了限定在擴(kuò)散區(qū)段100中的外凸耳120a、120b的輪廓，其中架101位于各個(gè)外凸耳120a、120b之間。注意，相應(yīng)的開孔基部123a和123b可延伸到孔中，使得它們從圖7中的視圖隱藏。參看圖8，其為在圖3和圖5的上游架點(diǎn)103處截取的擴(kuò)散區(qū)段的截面視圖，外凸耳120a、120b定位在擴(kuò)散區(qū)段100的相對(duì)端上，其中架101定位在其間。外凸耳120a、120b大體上限定沿?cái)U(kuò)散區(qū)段100的側(cè)部的開孔，其比架101更深。在特定實(shí)施例中，外凸耳120a、120b對(duì)于各個(gè)外凸耳120a、120b的至少大約150°(諸如大約180°到大約270°)由擴(kuò)散區(qū)段100的表面沿其相應(yīng)直徑限定(例如，各個(gè)外凸耳120a、120b的大于180°由表面物理地限定)。

在特定實(shí)施例中，膜孔利用脈沖激光器使用連續(xù)螺線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生形狀，隨后使用沖擊鉆產(chǎn)生計(jì)量來產(chǎn)生。例如，激光鉆孔過程可使用nd:yag激光器，但可使用產(chǎn)生期望結(jié)果的任何其它激光器。激光器可產(chǎn)生具有預(yù)定計(jì)量直徑d(例如，從大約0.010到大約0.030英寸)的冷卻孔口。如圖3中所示，孔口可相對(duì)于構(gòu)件的表面成相當(dāng)于產(chǎn)生中心線角度α的角度鉆取(例如，大約15°到大約50°)。

在一個(gè)實(shí)施例中，膜孔以關(guān)于期望的孔尺寸的計(jì)量直徑d的激光的點(diǎn)尺寸產(chǎn)生。以螺線運(yùn)動(dòng)移動(dòng)激光器允許膜孔的截面如期望的那樣形成。激光燒蝕在其焦點(diǎn)正下方的cmc材料，從而產(chǎn)生孔口。同時(shí)，激光器能量足以熔化緊鄰其的sic或sin基質(zhì)材料。鉆孔操作的進(jìn)行很快發(fā)生，使得熔化材料在沿新產(chǎn)生的表面再凝固作為重鑄材料之前僅流動(dòng)很短距離，因?yàn)閬碜约す馄鲊娮斓募訅嚎諝庥兄趯⑵淅鋮s。重鑄材料大致為二氧化硅，其形成沿新產(chǎn)生的孔口的表面的氧化屏障，以便沿此表面的cmc材料的退化將不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槔鋮s空氣引入了通路中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，引入構(gòu)件中以保持其溫度低于周圍環(huán)境的溫度的"冷卻空氣"可具有超過1700℉的高溫。

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