專利名稱：渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件的內(nèi)部腔中的熱傳遞增強(qiáng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)翼型件，并且更具體而言，涉及在翼型件的內(nèi)部腔內(nèi)的熱傳 遞的增強(qiáng)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件以升高的溫度運(yùn)行，從而需要主動(dòng)冷卻，以便保護(hù)構(gòu)件不受苛刻的 環(huán)境的影響。傳統(tǒng)上，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件由壓縮空氣冷卻，或者在一些情況下由可從聯(lián)合 蒸汽/燃?xì)庋h(huán)中獲得的蒸汽冷卻。但是，出于冷卻的目的而使用壓縮空氣是以降低的發(fā) 動(dòng)機(jī)性能和效率為代價(jià)的。因此，仍然有確定減少冷卻劑流、同時(shí)將構(gòu)件溫度保持在嚴(yán)格的 要求內(nèi)的方式的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，通過(guò)對(duì)流冷卻和隔熱涂層來(lái)將燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件的溫度保持在要求內(nèi)。應(yīng)用 了若干種技術(shù)來(lái)增強(qiáng)冷卻劑和內(nèi)部金屬表面之間的對(duì)流熱傳遞。在它們之中，廣泛地使用 了針式翅片組和湍流器。在這點(diǎn)上，已知隨著邊界層的高度發(fā)展和增長(zhǎng)，熱傳遞會(huì)減少。針 式翅片組和湍流器在邊界層中產(chǎn)生允許邊界層重新開始的中斷。因?yàn)檫吔鐚痈叨仍谥匦麻_ 始時(shí)大大地降低，熱傳遞相對(duì)于重新開始之前的熱傳遞會(huì)增加。通過(guò)添加若干個(gè)針式翅片 組或湍流器，與平滑的表面相比，總的熱傳遞增加。這種熱傳遞增加裝置在專利文獻(xiàn)中被充 分地描述。例如，美國(guó)專利6，464，462描述了在輪葉的后緣上使用分流器肋來(lái)增加熱傳遞。 美國(guó)專利No. 6，406，254描述了在噴嘴的后緣上使用湍流器，而美國(guó)專利No. 5，609，466描 述了在噴嘴的后緣上使用針式翅片組。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件內(nèi)且尤其是在翼型件的受限的、難以接近的區(qū)域(例如內(nèi)部 后緣腔)中，仍然存在對(duì)于更有效的熱傳遞增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施例中，提供了一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件，包括前緣， 后緣，吸力側(cè)和壓力側(cè)；在翼型件內(nèi)沿徑向延伸的多個(gè)內(nèi)部冷卻腔，該多個(gè)內(nèi)部腔中的一 個(gè)沿著后緣而延伸，后緣設(shè)有沿其而延伸的多個(gè)冷卻劑出口孔；以及形成于翼型件的壓力 側(cè)和吸力側(cè)中的至少一個(gè)的內(nèi)表面上的多個(gè)旋渦發(fā)生器，該多個(gè)旋渦發(fā)生器以沿徑向隔開 的關(guān)系布置在該多個(gè)內(nèi)部冷卻腔中的一個(gè)中，基本平行于且接近該多個(gè)冷卻劑出口孔而延 伸。在另一方面，提供了一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件，包括前緣，后緣，吸力側(cè)和壓力側(cè)； 翼型件內(nèi)的內(nèi)部冷卻腔；以及在內(nèi)部冷卻腔內(nèi)形成于壓力側(cè)和所述吸力側(cè)中的至少一個(gè)的 內(nèi)表面上的多個(gè)旋渦發(fā)生器，該多個(gè)旋渦發(fā)生器成形為以便放出沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻?至少一個(gè)冷卻空氣旋渦。在又一方面，提供了一種翼型件，包括前緣，后緣，吸力側(cè)和壓力側(cè)；翼型件內(nèi)的內(nèi) 部冷卻腔；以及在內(nèi)部冷卻腔內(nèi)形成于壓力側(cè)和吸力側(cè)中的至少一個(gè)的內(nèi)表面上的多個(gè)旋 渦發(fā)生器，該多個(gè)旋渦發(fā)生器布置成至少一個(gè)沿徑向延伸的排且成形為以便放出沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻闹辽僖粋€(gè)冷卻流體旋渦；該多個(gè)旋渦發(fā)生器各自具有選自由全三角翼、半 三角翼、肋小翼、肋小翼對(duì)和楔形組成的組的構(gòu)造?，F(xiàn)在將結(jié)合下面標(biāo)示的圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。


圖1是渦輪翼型件的截面圖，示出了形成于其中的內(nèi)部腔；
圖2是結(jié)合了本發(fā)明的示例性但非限制性實(shí)施例的、圖1所示的渦輪翼型件的后緣部 分的放大細(xì)節(jié)；
圖3是通過(guò)在暴露于冷卻流的表面上使用旋渦發(fā)生器而產(chǎn)生的旋渦的示意圖； 圖4是根據(jù)另一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施例的、可用于渦輪翼型件的腔的內(nèi)表面上的 一族旋渦發(fā)生器的簡(jiǎn)化示意圖5是根據(jù)又一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施例的、可用于渦輪翼型件的腔的內(nèi)表面上的 另一族旋渦發(fā)生器的簡(jiǎn)化示意圖；以及
圖6是根據(jù)又一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施例的、可用于渦輪翼型件的腔的內(nèi)表面上的 另一族旋渦發(fā)生器的簡(jiǎn)化示意圖。
具體實(shí)施例方式最初參看圖1，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件10典型地包括前緣12、后緣14，以及分別在前緣 和后緣之間延伸的凸的吸力表面16和凹的壓力表面18。內(nèi)部腔20、22和M形成于翼型 件10中，主要是為了容許和控制冷卻劑(典型地是空氣，但有時(shí)是蒸汽或其它流體)通過(guò) 翼型件的流動(dòng)。在“打開”的冷卻回路構(gòu)造中，冷卻空氣通過(guò)后緣腔M和沿著后緣14定位 (如在圖2中最佳地看到的那樣)的多個(gè)出口孔沈離開翼型件10。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施例，旋渦發(fā)生器可在后緣出口孔沈附 近或接近后緣出口孔26而位于翼型件10的面向內(nèi)部的表面觀，30中的一個(gè)或兩者上，以 增強(qiáng)后緣腔內(nèi)的熱傳遞。在一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，多個(gè)旋渦發(fā)生器32可為“三角翼”的形式(在圖2和3中 示出)。在此實(shí)例中，“全”三角翼旋渦發(fā)生器32形成為包括向上傾斜的三角形入口斜坡表 面34，一對(duì)向內(nèi)傾斜的側(cè)面36 (在圖3中可看到一個(gè))在該三角形入口斜坡表面34的側(cè) 面，向內(nèi)傾斜的側(cè)面36會(huì)聚到后面的基本豎直的頂點(diǎn)38。旋渦發(fā)生器32布置在后緣腔M 的內(nèi)表面30上，例如，其中入口斜坡表面面向流動(dòng)箭頭40所描繪的冷卻流。在圖2中顯示 旋渦發(fā)生器成一排，平行于后緣14且接近出口孔沈，并且在相對(duì)的或相向的內(nèi)表面觀、30 兩者上。如圖3所示，各個(gè)旋渦發(fā)生器32在旋渦發(fā)生器后面產(chǎn)生一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的旋渦42、 44，從而防止邊界層增長(zhǎng)，并且因此增強(qiáng)后緣腔M內(nèi)的熱傳遞。圖4更充分地闡述了圖3，示出了旋渦發(fā)生器32，圖2和3的“全”三角翼構(gòu)造的 變型在該旋渦發(fā)生器32的側(cè)面。在旋渦發(fā)生器32的左邊(如在冷卻劑流的方向上看到的 那樣)的是一對(duì)基本相同的“半”三角翼旋渦發(fā)生器46和48，它們各自主要包括旋渦發(fā)生 器32的左半部，而在旋渦發(fā)生器32的右邊的是另一對(duì)基本相同的“半”三角翼旋渦發(fā)生器 50、52，它們主要包括旋渦發(fā)生器32的右半部(為了方便起見(jiàn)，在旋渦發(fā)生器32上顯示了 中心線，以示出“全”三角翼旋渦發(fā)生器如何分開來(lái)形成左“半”和右“半”三角翼旋渦發(fā)生器)。更具體而言，入口斜坡表面34分開來(lái)在相應(yīng)的旋渦發(fā)生器46、48上形成相背向的直 角三角形的入口斜坡表面M和56，從而使得各個(gè)旋渦發(fā)生器46、48的一側(cè)基本是豎直的 (在58處顯示了一個(gè)豎直側(cè))，而剩余的各側(cè)(在60處顯示了一個(gè))傾斜，并且會(huì)聚到相 應(yīng)的后頂點(diǎn)62、64。“半”旋渦發(fā)生器50、52基本上是“半”旋渦發(fā)生器46、48的鏡像。在 使用中，冷卻空氣將沿流動(dòng)箭頭66所指示的方向接近翼型件的后緣，并且將沿著各入口斜 坡表面34、討和56(以及“半”三角翼旋渦發(fā)生器50、52上的鏡像入口斜坡表面)向上行 進(jìn)，并且下降，從而從“全”三角翼旋渦發(fā)生器32(見(jiàn)圖幻放出一對(duì)旋渦，而從各個(gè)“半”三 角翼旋渦發(fā)生器46、48、50和52放出單個(gè)旋渦。將理解，“半”三角翼旋渦發(fā)生器46、48會(huì) 產(chǎn)生沿CCW放出的旋渦，而“半”三角翼旋渦發(fā)生器50、52會(huì)產(chǎn)生沿CW放出的旋渦。將理解，圖3和4所示的旋渦發(fā)生器還可旋轉(zhuǎn)180°，使得頂點(diǎn)38、62、64等面向冷 卻流，而且它們將仍然基本如以上所述的那樣放出旋渦。將進(jìn)一步理解，取決于具體應(yīng)用， 旋渦發(fā)生器的模式和布置以及它們相應(yīng)的角度、長(zhǎng)度和高度可有所改變，以在旋渦發(fā)生和 壓力損耗之間實(shí)現(xiàn)期望的平衡。圖5示出了也可位于翼型件后緣(或者其它)腔內(nèi)的、接近翼型件后緣的旋渦發(fā) 生器的另外的示例性但非限制性實(shí)例。在此實(shí)例中，各個(gè)旋渦發(fā)生器由一個(gè)或兩個(gè)肋或小 翼68組成。各個(gè)肋或小翼68由包括基部70和一對(duì)邊緣72、74的相對(duì)薄的直角三角形金 屬件限定?；?0可接合內(nèi)部后緣腔表面30 (圖幻，基本豎直的邊緣72 (也稱為旋渦發(fā)生 器的前緣)面向流動(dòng)箭頭76所指示的冷卻流，而成角度的邊緣74沿下游方向向下傾斜直 到其與基部70交會(huì)。一對(duì)肋小翼68可共同用來(lái)形成面向后的箭頭形旋渦發(fā)生器80，肋小 翼會(huì)聚到點(diǎn)或頂點(diǎn)82。在旋渦發(fā)生器80的(兩側(cè)中的)任一側(cè)上，布置了單獨(dú)的肋小翼 68 (如上所述)，該對(duì)肋小翼68相應(yīng)地沿遠(yuǎn)離箭頭形旋渦發(fā)生器80的相反方向成角度。在 此實(shí)施例中，冷卻空氣將接近例如布置在渦輪翼型件后緣腔M的內(nèi)表面30上的肋小翼的 前緣72，撞擊該前緣且在肋頂部邊緣74上溢出，從而在肋小翼80的左側(cè)放出沿CW方向的 單個(gè)旋渦，以及在小翼80的右側(cè)放出沿CCW方向的單個(gè)旋渦。溢出中心肋小翼80的冷卻 空氣將放出沿CCW方向和CW方向兩者的一對(duì)旋渦。此處，再次，肋小翼68的角度、長(zhǎng)度和高度可有所改變，以在旋渦發(fā)生和壓力損耗 之間實(shí)現(xiàn)期望的平衡。另外，肋小翼可從圖5所示的定向旋轉(zhuǎn)180 °，并且基本如所描述的 那樣放出旋渦。圖6示出了根據(jù)另一個(gè)示例性但非限制性的實(shí)施例的旋渦發(fā)生器構(gòu)造。在此實(shí)例 中，多個(gè)楔形旋渦發(fā)生器84沿著渦輪翼型件后緣腔表面30而布置。各個(gè)楔形旋渦發(fā)生器 88大體類似于圖3和4中的“全”三角翼旋渦發(fā)生器32，但是旋轉(zhuǎn)了 180度，并且形成有更 小的細(xì)長(zhǎng)形狀。這里，鈍的頂點(diǎn)邊緣92面向冷卻流，而向下漸縮側(cè)94、96分叉到相對(duì)較寬 的后邊緣98，后邊緣98形成上部的向下傾斜和分叉的頂部表面100的基部。在使用中，冷 卻空氣將沿流動(dòng)箭頭102所指示的方向接近前緣或頂點(diǎn)邊緣92，并且左右分開，從而形成 反向旋轉(zhuǎn)的旋渦。與三角翼旋渦發(fā)生器32的描述一致，旋渦發(fā)生器84也可分半，并且按需 要布置成以便沿取決于旋渦發(fā)生器的定向的方向放出單個(gè)旋渦。如在之前的實(shí)施例中，楔 形旋渦發(fā)生器的角度、長(zhǎng)度和高度可有所改變，以在旋渦發(fā)生和壓力損耗之間實(shí)現(xiàn)期望的 平衡，且如以上結(jié)合其它實(shí)例所描述的那樣，旋渦發(fā)生器84可旋轉(zhuǎn)180°。在所有情況下，放出的旋渦在邊界層的邊界和腔壁或表面之間交換流體，這又允許重新附連邊界層且使邊界層變薄。這種作用增強(qiáng)了旋渦發(fā)生器位于其中的腔或多個(gè)腔內(nèi) 的熱傳遞。本文描述的旋渦發(fā)生器在減小邊界層的高度上比針式翅片組和湍流器更有效， 并且因此在增強(qiáng)熱傳遞方面也更有效。此外，可通過(guò)例如已知的熔模鑄造工藝將三角翼的 肋型或楔型突起制造在翼型件后緣類型的難以到達(dá)的內(nèi)部腔的表面上，以減少開發(fā)成本和 制造時(shí)間。但是，將理解，本文描述的旋渦發(fā)生器的使用不限于渦輪翼型件中的后緣腔，而是 可用于各種各樣的渦輪構(gòu)件冷卻應(yīng)用中。另外，可在特定腔內(nèi)的相對(duì)的表面中的一個(gè)或兩 者上采用旋渦發(fā)生器，成單排或多排或單個(gè)縱列或多個(gè)縱列。旋渦發(fā)生器可布置成彼此成 對(duì)準(zhǔn)、交錯(cuò)或隨機(jī)關(guān)系，以及/或者與在腔內(nèi)的相對(duì)或相向的表面上的旋渦發(fā)生器成對(duì)準(zhǔn)、 交錯(cuò)或隨機(jī)的關(guān)系。雖然結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例的內(nèi)容來(lái)描述了本發(fā)明，但是將理 解，本發(fā)明不限于公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求書的精神 和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種翼型件(10)，包括前緣(12)，后緣(14)，吸力側(cè)(16)和壓力側(cè)(18)；在所述翼型件內(nèi)沿徑向延伸的多個(gè)內(nèi)部冷卻腔00，22，M)，所述多個(gè)內(nèi)部腔中的一 個(gè)內(nèi)部腔04)沿著所述后緣而延伸，所述后緣(1 設(shè)有沿該后緣(1 而延伸的多個(gè)冷卻 劑出口孔(26)；以及形成于所述翼型件的所述壓力側(cè)和吸力側(cè)中的至少一個(gè)的內(nèi)表面(30)上的多個(gè)旋渦 發(fā)生器(32)，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)以沿徑向隔開的關(guān)系布置在所述多個(gè)內(nèi)部冷卻腔 中的所述一個(gè)內(nèi)部冷卻腔04)中，基本平行于且接近所述多個(gè)冷卻劑出口孔06)而延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)中的至少一 些具有全三角翼構(gòu)造。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器中的至少一些旋 渦發(fā)生器G6，48)具有半三角翼構(gòu)造。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)包括分別形 成于所述翼型件的所述壓力側(cè)和吸力側(cè)兩者的內(nèi)表面上的第一組和第二組，各個(gè)組包括單 排或多排旋渦發(fā)生器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)在所述內(nèi)表 面(30)上布置成單個(gè)或多個(gè)縱列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件的所述壓力側(cè)(18)上的所 述第一組與所述翼型件的所述吸力側(cè)(16)上的所述第二組基本沿徑向?qū)?zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件的所述壓力側(cè)(18)上的所 述第一組相對(duì)于所述翼型件的所述吸力側(cè)(16)上的所述第二組沿徑向交錯(cuò)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型件，其特征在于，各個(gè)全三角翼構(gòu)造包括向上傾斜的入 口斜坡表面(34)，在后頂點(diǎn)(38)處會(huì)聚的一對(duì)向內(nèi)成角度的側(cè)面(36)在所述向上傾斜的 入口斜坡表面(34)的側(cè)面。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的翼型件，其特征在于，各個(gè)半三角翼構(gòu)造06，48)包括向上 傾斜的入口斜坡表面(M)，在后頂點(diǎn)(6 處會(huì)聚的向內(nèi)傾斜的側(cè)面(60)和豎直側(cè)面(58) 在所述向上傾斜的入口斜坡表面(54)的側(cè)面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(3 包括一個(gè)或 多個(gè)三角形肋(68)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)中的各個(gè)包 括一個(gè)或多個(gè)楔形構(gòu)件(88)。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件的內(nèi)部腔中的熱傳遞增強(qiáng)。一種翼型件(10)包括前緣(12)，后緣(14)，吸力側(cè)和壓力側(cè)(18)；在翼型件內(nèi)沿徑向延伸的多個(gè)內(nèi)部冷卻腔(20,22,24)，該多個(gè)內(nèi)部腔中的一個(gè)內(nèi)部腔(24)沿著后緣(12)而延伸。后緣設(shè)有沿其而延伸的多個(gè)冷卻劑出口孔(26)。多個(gè)旋渦發(fā)生器(32)形成于翼型件的壓力側(cè)和吸力側(cè)中的至少一個(gè)的內(nèi)表面上。該旋渦發(fā)生器(32)以沿徑向隔開的關(guān)系布置在多個(gè)內(nèi)部冷卻腔中的一個(gè)內(nèi)部冷卻腔(24)中，基本平行于且接近該多個(gè)冷卻劑出口孔(26)而延伸。
文檔編號(hào)F01D5/18GK102116177SQ201110000959
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者J·馬爾多納多 申請(qǐng)人:通用電氣公司