翼型件冷卻回路和相應(yīng)的翼型件的制作方法
【專利說(shuō)明】翼型件冷卻回路和相應(yīng)的翼型件
【背景技術(shù)】
[0001] 本說(shuō)明書(shū)中所描述的技術(shù)大體涉及用于翼型件的冷卻回路，并且更具體地涉及用 于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪翼型件中的這種冷卻回路。
[0002] 多種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件包括位于旋轉(zhuǎn)翼型件（例如高壓渦輪輪葉或低壓渦輪 輪葉）、以及/或者非旋轉(zhuǎn)靜止翼型件（例如高壓渦輪噴嘴或低壓渦輪噴嘴）中的冷卻回 路。
[0003]在操作期間，相對(duì)較冷的空氣被供給至翼型件，以便將制成翼型件的材料的溫度 保持在熔化溫度或軟化溫度以下。典型地，翼型件通過(guò)沖擊回路（其中后沖擊空氣軸向地 流出翼型件）或者蛇形回路（其中流動(dòng)方向主要沿徑向并且通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流來(lái)冷卻）被冷 卻。
[0004] 大多數(shù)產(chǎn)品渦輪翼型件冷卻回路具有由一系列單通或多通徑向冷卻通道構(gòu)成的 "蛇形"設(shè)計(jì)。這種回路通常對(duì)由于外部熱氣體溫度和傳熱系數(shù)的變化而造成的"熱點(diǎn)"的控 制是弱的。較新的近壁（near-wall)冷卻設(shè)計(jì)提供略微較好的控制，但是通常仍然存在顯 著的熱梯度和熱點(diǎn)?？傮w而言，例如擾流器、銷、或凸點(diǎn)的冷卻特征已被用于局部區(qū)域，以降 低峰值溫度，但是成果有限。能夠使用小得多的近壁腔或者微通道，但是這些對(duì)型芯（core) 和鑄造提出了相當(dāng)大的制造挑戰(zhàn)。
[0005] 仍然存在對(duì)將以穩(wěn)健并且經(jīng)濟(jì)的方式向翼型件提供冷卻的改進(jìn)的冷卻回路的需 要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件冷卻回路，該翼型件冷卻回路具有呈葉形橫截 面形狀的至少一個(gè)內(nèi)部腔。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件的橫截面圖；
[0008] 圖2是具有現(xiàn)有技術(shù)的冷卻回路的翼型件的橫截面圖；
[0009] 圖3是具有示例性冷卻回路的翼型件的橫截面圖；
[0010] 圖4是類似于圖3但是示出了另一個(gè)示例性冷卻回路的橫截面圖；以及
[0011] 圖5是一系列放大橫截面圖，其中示出了圖3中所示的壓力側(cè)區(qū)域P的多個(gè)示例 性實(shí)施例；
[0012] 圖6是一系列放大橫截面圖，其中示出了圖3中所示的吸力側(cè)區(qū)域S的多個(gè)示例 性實(shí)施例；以及
[0013] 圖7和圖8均包含一系列視圖，其中比較基線腔形狀81與示例性實(shí)施例82中的 多種程度的輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1是示例性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10的橫截面示意圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組 件10具有縱向軸線11。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10包括風(fēng)扇組件12和核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 13。該核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)13包括高壓壓縮機(jī)14、燃燒器16、和高壓渦輪18。在示例性實(shí) 施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10還包括低壓渦輪20、以及多級(jí)增壓壓縮機(jī)32、和基本限制 (circumscribe)增壓器32的分流器34。
[0015] 風(fēng)扇組件12包括從轉(zhuǎn)子盤26徑向向外地延伸的風(fēng)扇輪葉24的陣列，該陣列的前 部由流線型旋轉(zhuǎn)器25封裝（enclose)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10具有進(jìn)氣側(cè)28和排氣側(cè) 30。風(fēng)扇組件12、增壓器22、和渦輪20通過(guò)第一轉(zhuǎn)子軸21聯(lián)接在一起，并且壓縮機(jī)14和 渦輪18通過(guò)第二轉(zhuǎn)子軸22聯(lián)接在一起。
[0016] 在操作中，空氣流過(guò)風(fēng)扇組件12并且氣流的第一部分50被引導(dǎo)通過(guò)增壓器32。 從增壓器32排出的壓縮空氣被引導(dǎo)通過(guò)壓縮機(jī)14,其中氣流被進(jìn)一步壓縮并且輸送到燃 燒器16。來(lái)自燃燒器16的熱的燃燒產(chǎn)物（圖1中未示出）被用于驅(qū)動(dòng)渦輪18和20,并且 渦輪20被用于通過(guò)軸21來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇組件12和增壓器32。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10能夠在 設(shè)計(jì)操作條件與非設(shè)計(jì)操作條件之間的一定范圍的操作條件下操作。
[0017] 從風(fēng)扇組件12排出的氣流的第二部分52被引導(dǎo)通過(guò)旁通管道40,以使來(lái)自風(fēng)扇 組件12的氣流的一部分繞過(guò)核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)13的周圍。更具體地，旁通管道40在風(fēng) 扇殼體或護(hù)罩36與分流器34之間延伸。因此，來(lái)自風(fēng)扇組件12的氣流的第一部分50被 引導(dǎo)通過(guò)增壓器32并且隨后進(jìn)入壓縮機(jī)14中，如上文所描述的，并且來(lái)自風(fēng)扇組件12的 氣流的第二部分52被引導(dǎo)通過(guò)旁通管道40,以例如為飛行器提供推力。分流器34將進(jìn)入 氣流分別分為第一部分50和第二部分52。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10還包括風(fēng)扇框架組件 60,以為風(fēng)扇組件12提供結(jié)構(gòu)支承并且還用于將風(fēng)扇組件12聯(lián)接到核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 13。
[0018] 風(fēng)扇框架組件60包括多個(gè)出口引導(dǎo)葉片70,該多個(gè)出口引導(dǎo)葉片70在徑向外部 安裝凸緣與徑向內(nèi)部安裝凸緣之間基本徑向地延伸并且在旁通管道40內(nèi)周向地間隔開(kāi)。 風(fēng)扇框架組件60還可以包括多個(gè)支柱，該多個(gè)支柱聯(lián)接在徑向外部安裝凸緣與徑向內(nèi)部 安裝凸緣之間。在一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)扇框架組件60制造成弓狀段，其中凸緣聯(lián)接到出口引 導(dǎo)葉片70和支柱。在一個(gè)實(shí)施例中，出口引導(dǎo)葉片和支柱共軸地聯(lián)接在旁通管道40內(nèi)?？?選地，出口引導(dǎo)葉片70可以在旁通管道40內(nèi)聯(lián)接到支柱的下游。
[0019] 風(fēng)扇框架組件60是用于有利于保持各個(gè)部件在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10內(nèi)的取向 的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)組件10的多種框架和支承組件中的一種。更具體地，這種框架和支承組 件互連靜止部件并且提供轉(zhuǎn)子軸承支承件。風(fēng)扇框架組件60在旁通管道40內(nèi)聯(lián)接在風(fēng)扇 組件12的下游，使得出口引導(dǎo)葉片70和支柱圍繞風(fēng)扇組件12的出口周向地間隔開(kāi)且延伸 跨過(guò)從風(fēng)扇組件12排出的氣流路徑。
[0020] 如圖2至圖4中所示，翼型件80設(shè)置有蛇形冷卻回路，該蛇形冷卻回路向翼型件 的內(nèi)部并且通過(guò)翼型件的外部表面中的冷卻孔而供給冷卻空氣。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的傳 統(tǒng)冷卻回路設(shè)計(jì)，其中多個(gè)內(nèi)部腔81定位成鄰近翼型件的壓力側(cè)和/或吸力側(cè)。如圖2中 所示，這些腔81中的每一個(gè)都具有沿弦向方向截取的橫截面形狀，使得腔的外周呈具有兩 個(gè)相對(duì)的平行側(cè)以及兩個(gè)半圓形相對(duì)端部的傳統(tǒng)的"賽道"構(gòu)造。
[0021] 圖3示出了如本說(shuō)明書(shū)中所描述的示例性冷卻回路設(shè)計(jì)。在壓力側(cè)區(qū)域P和吸力 側(cè)區(qū)域S的背景下討論圖3中的翼型件80,并且該翼型件80設(shè)置有多個(gè)內(nèi)部腔82。至少 一些腔82可以包括整體膜冷卻孔83以將冷卻空氣排出到翼型件80的表面上。與圖2的 腔81的"賽道"構(gòu)造相比，圖3的腔82示出了沿弦向方向截取的"葉形"橫截面形狀。這 種構(gòu)造在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間對(duì)暴露于來(lái)自翼型件上方的流的傳熱的翼型件表面提 供增強(qiáng)的冷卻，同時(shí)管理冷卻空氣的消耗。每一個(gè)"葉"形腔82的流動(dòng)區(qū)域都等于其代替 的基線"賽道"形腔81的流動(dòng)區(qū)域。
[0022] 圖4示出了翼型件80的備選構(gòu)造，其中腔82具有多個(gè)葉形部，即具有多于圖3中 所示的兩個(gè)葉形部。
[0023] 圖5示出了圖3中所示的壓力側(cè)區(qū)域P的四個(gè)可能的實(shí)施例，其中的每一個(gè)都示 出了壓力側(cè)區(qū)域P中的冷卻腔82的數(shù)量、取向、和形狀上的變化，其中包括葉形部的數(shù)量的 變化。
[0024] 圖6示出了圖3中所示的吸力側(cè)區(qū)域S的五個(gè)可能的實(shí)施例，其中的每一個(gè)都示 出了吸力側(cè)區(qū)域S中的冷卻腔82的數(shù)量、取向、和形狀上的變化，其中包括葉形部的數(shù)量的 變化。
[0025] 本說(shuō)明書(shū)中所描述的冷卻回路的可能的商業(yè)優(yōu)點(diǎn)將是較低的翼型件冷卻流，這將 改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率（specificfuelconsumption)。該設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)將是跨過(guò)翼 型件的下降的溫度梯度，這將產(chǎn)生較低的發(fā)動(dòng)機(jī)操作翼型件應(yīng)力并且改進(jìn)部件壽命和耐久 性。
[0026] 新一代渦輪輪葉通常利用近壁冷卻腔。近壁冷卻腔被設(shè)計(jì)成具有如圖3和圖4中 所示的葉形，以控制沿翼型件的徑向翼展的冷卻通道流動(dòng)面積和內(nèi)部傳熱系數(shù)變化，并且 還通過(guò)增大的腔外周和來(lái)自熱壁上的葉形部或類似幾何形狀特征的高近壁散熱片有效性 來(lái)提供內(nèi)部傳熱增強(qiáng)。葉形部能夠具有不同的寬度和穿透到腔中的深度，以使響應(yīng)于外部 翼型件氣體溫度和傳熱系數(shù)分布的壁溫度梯度平滑。制造葉形部或其它的近壁腔型的獨(dú)特 方式是通過(guò)使用所謂的"廣義超形狀等式"。極坐標(biāo)形式的該等式的一種形式是：
[0027]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于燃?xì)獾溳啺l(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件冷卻回路，包括： 至少一個(gè)內(nèi)部腔； 其中所述腔具有葉形橫截面形狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述腔具有W廣義超形狀等 式為特征的橫截面形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，極坐標(biāo)形式的所述廣義超形 狀等式是：
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述冷卻回路具有多個(gè)內(nèi)部 腔，所述多個(gè)內(nèi)部腔每一個(gè)均具有W廣義超形狀等式為特征的橫截面形狀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述橫截面形狀沿弦向方向 被限定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述冷卻回路是蛇形冷卻回 路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述橫截面形狀具有多個(gè)葉 形部。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述橫截面形狀具有多于兩 個(gè)的葉形部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述冷卻回路具有多個(gè)內(nèi)部 腔，所述多個(gè)內(nèi)部腔中的每一個(gè)均具有帶不同數(shù)量的葉形部的橫截面形狀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件冷卻回路，其特征在于，所述至少一個(gè)腔包括至少一 個(gè)整體膜冷卻孔，W將冷卻空氣排出到翼型件的表面上。
11. 一種用于燃?xì)獾溳啺l(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件，所述翼型件包括： 翼型件表面，所述翼型件表面限定所述翼型件的外部表面和相對(duì)于所述外部表面向內(nèi) 的所述翼型件的內(nèi)部； 冷卻回路，所述冷卻回路向所述翼型件的所述內(nèi)部并且通過(guò)所述翼型件的所述外部表 面中的冷卻孔來(lái)供給冷卻空氣； 其中所述冷卻回路具有呈葉形橫截面形狀的至少一個(gè)內(nèi)部腔。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述腔具有W廣義超形狀等式為特 征的橫截面形狀。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的翼型件，其特征在于，極坐標(biāo)形式的所述廣義超形狀等式 是：

14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述冷卻回路具有多個(gè)內(nèi)部腔，所述 多個(gè)內(nèi)部腔具有W廣義超形狀等式為特征的橫截面形狀。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述橫截面形狀沿弦向方向被限定。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述冷卻回路是蛇形冷卻回路。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述橫截面形狀具有多個(gè)葉形部。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述橫截面形狀具有多于兩個(gè)的葉 形部。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述冷卻回路具有多個(gè)內(nèi)部腔，所述 多個(gè)內(nèi)部腔中的每一個(gè)均具有帶不同數(shù)量的葉形部的橫截面形狀。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼型件，其特征在于，所述至少一個(gè)腔包括至少一個(gè)整體 膜冷卻孔，W將冷卻空氣排出到所述翼型件表面上。
【專利摘要】一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件冷卻回路，該翼型件冷卻回路具有呈葉形橫截面形狀的至少一個(gè)內(nèi)部腔。
【IPC分類】F01D5-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104603399
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201380028607
【發(fā)明人】R.F.伯格霍爾斯
【申請(qǐng)人】通用電氣公司
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2013年5月28日
【公告號(hào)】CA2874618A1, EP2867474A1, US20150110611, WO2013181132A1