具有菱形湍流器的渦輪翼型件冷卻通道的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片中的冷卻通道內(nèi)提供湍流空氣流的瑞流器(turbulator)，并且更具體地涉及其中瑞流器具有菱形(diamond-shaped)構(gòu)型的在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片中的冷卻通道內(nèi)提供湍流空氣流的湍流器。
【背景技術(shù)】
[0002]世界的能源需求持續(xù)上升，這產(chǎn)生了對(duì)可靠、可支付、高效和環(huán)境相容的功率生成的需求。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一種已知的機(jī)器，其提供高效的功率并且常常具有用于發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)或飛行器或船舶中的發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。典型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)段、燃燒段和渦輪段。壓縮機(jī)段將壓縮的空氣流提供至燃燒段，空氣在這里與諸如天然氣的燃料混合，并且點(diǎn)燃以形成熱工作氣體。工作氣體膨脹通過(guò)渦輪段并且由相關(guān)的翼片(vane)導(dǎo)向越過(guò)渦輪段中的葉片的排。隨著工作氣體穿過(guò)渦輪段，其致使葉片旋轉(zhuǎn)，這繼而致使軸旋轉(zhuǎn)，從而提供機(jī)械功。
[0003]工作氣體的溫度被嚴(yán)格地控制，從而使其不超過(guò)特定渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的某個(gè)預(yù)定溫度，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪段中的各種零件和部件。然而，希望允許工作氣體的溫度盡可能高，因?yàn)楣ぷ鳉怏w的溫度越高，氣體的流動(dòng)就越快，這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的更高效操作。
[0004]在某些燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，壓縮空氣流的一部分也用來(lái)為渦輪段中的某些部件(典型地翼片、葉片和環(huán)段)提供冷卻。可提供給這些部件的更多冷卻和/或更高效的冷卻使部件能保持較低的溫度，從而使工作氣體的溫度可以更高。例如，通過(guò)降低壓縮氣體的溫度，需要較少的壓縮氣體來(lái)將零件保持在所需的溫度，從而導(dǎo)致更高的工作氣體溫度和來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的更大功率和效率。此外，通過(guò)在渦輪段中的一位置處使用較少的冷卻空氣，可以在渦輪段中的另一位置處使用更多的冷卻空氣。在一種已知的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，壓縮空氣流的80%與燃料混合以提供工作氣體，并且壓縮空氣流的20%用來(lái)冷卻渦輪段零件。如果由于冷卻空氣處于較低溫度而在一個(gè)特定位置處使用較少的該冷卻空氣，則可以在渦輪段中的其它區(qū)域使用更多冷卻空氣以增加冷卻。
[0005]本領(lǐng)域已經(jīng)知道在禍輪段中的葉片內(nèi)提供蛇形(serpentine )冷卻空氣流動(dòng)通道，在這里，在冷卻空氣離開(kāi)葉片之前，空氣在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中沿一個(gè)通道向上并沿相鄰的通道向下流動(dòng)。在一種已知的冷卻空氣流動(dòng)通道設(shè)計(jì)中，一系列特殊構(gòu)造的湍流器或擾流條(tripstrip)定位在流動(dòng)通道內(nèi)，致使擾流條上的空氣流變成瑞流的。由擾流條提供的空氣流中的擾動(dòng)增強(qiáng)了空氣的局部傳熱系數(shù)，并且因此提高冷卻性能。可以對(duì)擾流條做出改進(jìn)以進(jìn)一步提尚冷卻性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開(kāi)描述了一種具有菱形構(gòu)型的湍流器，其中，湍流器的前部部分是湍流器的后部部分的鏡像，并且其中，湍流器具有用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片中的流動(dòng)通道的應(yīng)用。菱形湍流器的陣列相對(duì)于冷卻空氣流定位成排，以使得在各排中的一排中的湍流器相對(duì)于在相鄰排中的兩個(gè)湍流器之間的間隙定位，以分散在湍流器之間流動(dòng)的空氣流。
[0007]根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的另外的特征將變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的剖開(kāi)的等軸視圖；
圖2是從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一排葉片分離的一個(gè)葉片的剖視圖，并且示出了其中的空氣冷卻流動(dòng)通道；
圖3是沿圖2中所示葉片的線3-3的剖視圖；
圖4是示出在圖2和圖3所示葉片中的流動(dòng)通道內(nèi)的多個(gè)已知的傾斜擾流條的圖示； 圖5是圖4中所示擾流條中的一個(gè)的剖視圖；
圖6是示出在圖2和圖3所示葉片中的流動(dòng)通道內(nèi)的一系列已知的山形擾流條的圖示;
圖7是示出在圖2和圖3所示葉片中的流動(dòng)通道內(nèi)的已知的分段且傾斜的擾流條的圖示;
圖8是示出在圖2和圖3所示葉片中的流動(dòng)通道內(nèi)的菱形湍流器的構(gòu)型的圖示；
圖9是圖8所示湍流器中的一個(gè)的側(cè)視圖；以及圖10是圖8中所示的兩個(gè)相鄰?fù)牧髌鞯母┮晥D。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明的實(shí)施例的以下描述涉及用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)的流動(dòng)通道的菱形湍流器，其在本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且決不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。
[0010]圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的剖開(kāi)的等軸視圖，其包括全部封閉在外部外殼或殼體30內(nèi)的壓縮機(jī)段12、燃燒段14和渦輪段16，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作致使中心的軸或轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械功。發(fā)動(dòng)機(jī)10以非限制性示例的方式示出和描述，以便為下文討論的本發(fā)明提供上下文。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其它燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)也將受益于本發(fā)明。轉(zhuǎn)子18的旋轉(zhuǎn)將空氣吸入壓縮機(jī)段12中，在這里，空氣被翼片(vane) 22導(dǎo)向并被旋轉(zhuǎn)的葉片20壓縮以遞送至燃燒段14，在這里，壓縮空氣與諸如天然氣的燃料混合并且燃料空氣混合物被點(diǎn)燃以形成熱工作氣體。更具體而言，燃燒段14包括多個(gè)周向設(shè)置的燃燒器26，每個(gè)燃燒器在燃燒器26中接收由噴射器(未示出)噴出的燃料，并且該燃料與壓縮空氣混合以由點(diǎn)火器24點(diǎn)燃，從而形成由過(guò)渡部28導(dǎo)向至渦輪段16中的工作氣體。工作氣體由渦輪段16中周向設(shè)置的靜止的翼片(未示出)導(dǎo)向，以流過(guò)周向設(shè)置的能旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片34，這致使渦輪葉片34旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)。一旦工作氣體穿過(guò)渦輪段16，其就通過(guò)輸出噴嘴36作為排氣從發(fā)動(dòng)機(jī)10輸出。
[0011]每一組周向設(shè)置的靜止的翼片限定一排翼片，而每一組周向設(shè)置的葉片34限定一排38葉片34。在該非限制性實(shí)施例中，渦輪段16包括呈交替的順序的四排38旋轉(zhuǎn)的葉片34和四排靜止的翼片。在其它燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，渦輪段16可包括更多排或更少排渦輪葉片34。應(yīng)當(dāng)指出，稱為第I排葉片的最前排渦輪葉片34和稱為第I排翼片的翼片接收最高溫度的工作氣體，其中工作氣體的溫度隨氣體流過(guò)渦輪段16而降低。
[0012]圖2是翼型件(airfoil)或葉片40的剖視圖，其旨在代表第2排葉片，但可以是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10中的各排葉片34中的任一排的一般表示，其中，葉片40包括下文詳細(xì)討論的冷卻流體流動(dòng)通道。圖3是沿圖2中的線3-3的葉片40的剖視圖。葉片40包括附接部分42，其構(gòu)造成允許葉片40以本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分理解的方式牢固地安裝到轉(zhuǎn)子18。葉片平臺(tái)44設(shè)置在附接部分42的遠(yuǎn)端處并且限定葉片40的漸縮的翼型件部分46的開(kāi)端。
[0013]翼型件部分46包括外部外殼48和限定蛇形流動(dòng)通道60的多個(gè)內(nèi)部肋50、52、54、56和58，流動(dòng)通道60包括在外部外殼48和肋50之間的通道部分62、在肋50和52之間的通道部分64以及在肋52和54之間的通道部分66?？諝馔ㄟ^(guò)附接部分42中的輸入開(kāi)口70流入葉片40，進(jìn)入通道部分62并且流向外殼48的端部部分78，在這里，空氣流中的一些通過(guò)端部部分中的孔口 80離開(kāi)流動(dòng)通道部分62?？諝饨又厝~片40向下回流通過(guò)通道部分64進(jìn)入附接部分42中的室72，附接部分42具有由覆蓋板74覆蓋的開(kāi)口?？諝饨又厝~片40向上回流通過(guò)通道部分66且通過(guò)葉片40的端部部分78中的孔口 76。肋54包括孔口 82的陣列，其允許一些空氣流入肋54和56之間的沖擊通道84，肋56包括孔口 86的陣列，其允許空氣流入肋56和58之間的通道88，并且肋58包括孔口 92的陣列，其允許空氣流入肋58和外部外殼48之間的沖擊通道94。外部外殼48中的孔口 96的陣列允許空氣流出葉片40?？梢悦黠@看出，肋54、56和58中的孔口 82、86和92相對(duì)于彼此交錯(cuò)，從而使空氣不直接從一個(gè)通道橫跨下一個(gè)通道流入隨后的通道中。這使流過(guò)孔口中的一個(gè)的空氣沖擊下一個(gè)通道中的肋的部段，從而形成增加冷卻效果的湍流。特別地，這種空氣流效應(yīng)在通道84、88和94內(nèi)部形成旋渦，其提供用于有效冷卻的湍流。
[0014]本領(lǐng)域已知提供安裝到通道部分62、64和66的內(nèi)壁的湍流器或擾流條的構(gòu)型，該湍流器或擾流條在圖2中大體上表示為附圖標(biāo)記100。應(yīng)當(dāng)指出，下文的討論將首先描述已知的擾流條，然后討論根據(jù)本發(fā)明的擾流條的新構(gòu)型，其中，附圖標(biāo)記100旨在在圖2中表示全部。如本領(lǐng)域已知的，用于該目的的擾流條是在相對(duì)于冷卻空氣流的橫向方向上形成到葉片40的外部外殼48的內(nèi)表面的金屬條。在該設(shè)計(jì)中，擾流條100示出為傾斜的擾流條，因?yàn)轶w面相對(duì)于冷卻空氣的流動(dòng)方向略微傾斜。在一個(gè)備選實(shí)施例中，擾流條100可垂直于空氣的流動(dòng)方向。傾斜的擾流條有時(shí)優(yōu)先于垂直的擾流條使用，以便使擾流條可以更長(zhǎng)，這提供了更紊亂的空氣流。
[0015]圖4是葉片40的一部分的圖示，示出了通道部分62 —部分。該圖示示出了三個(gè)已知的傾斜擾流