本發(fā)明總體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機，并且更具體地涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機中的翼型的內部冷卻系統(tǒng)。

背景技術：

通常，燃氣渦輪發(fā)動機包括用于壓縮空氣的壓縮機、用于混合壓縮空氣與燃料且點燃混合物的燃燒器，以及用于產生動力的渦輪葉片組件。燃燒器通常在可以超過2,500華氏度的高溫下操作。通常的渦輪燃燒器構造將渦輪導葉和葉片組件暴露于高溫。因此，渦輪導葉和葉片必須由能夠承受這樣的高溫的材料制成，或者必須包括冷卻特征以使部件能夠在超過材料的能力的環(huán)境中留存。渦輪發(fā)動機通常包括從殼徑向向內延伸的多排靜止渦輪導葉，且包括附接到轉子組件以便使轉子轉動的多排可旋轉渦輪葉片。

通常，渦輪導葉暴露于加熱翼型的高溫燃燒器氣體。翼型包括內部冷卻系統(tǒng)以便降低翼型的溫度。翼型具有形成近壁冷卻通道的內部插入件。然而，大部分插入件由普通的（plain）片材金屬形成，其帶有在其中的多個沖擊孔以在翼型的壓力側和吸力側上提供沖擊冷卻。上游快速（post）沖擊空氣向下游傳遞沖擊射流，并且在通過薄膜孔離開之前形成橫流。橫流能夠使沖擊射流遠離沖擊目標表面彎曲，并減小冷卻有效性。為了減少橫流的量，快速沖擊空氣通過外部薄膜孔被放出。然而，薄膜冷卻孔的數(shù)量越大，冷卻空氣的使用效率越低。沖擊孔消耗冷卻空氣壓力，且通常在前緣處造成問題，其中噴頭孔在外部表面上經受高停滯氣體壓力。因此，存在對于用于燃氣渦輪翼型的更有效的內部冷卻系統(tǒng)的需要。

技術實現(xiàn)要素：

公開了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的翼型，其中，所述翼型包括內部冷卻系統(tǒng)，其帶有一個或多個內腔，所述一個或多個內腔具有包含在其中的形成具有增強的流動模式的近壁冷卻通道的插入件。可經由從形成大體中空細長翼型的外壁延伸的多個冷卻流體流動控制器控制冷卻流體在近壁冷卻通道中的流動。冷卻流體流動控制器可以被集中成沿翼展向延伸的排，并且內部冷卻系統(tǒng)可以包括一個或多個旁路減流器，其從插入件朝向外壁延伸，以引導冷卻流體通過由冷卻流體流動控制器形成的通道，由此增加內部冷卻系統(tǒng)的有效性。

在至少一個實施例中，用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪翼型可以由從外壁形成的大體細長的中空翼型形成，并且具有前緣、后緣、壓力側、吸力側和在第一端部處的內端壁和大體在大體細長的中空翼型的第一端部的相對側上的第二端部處的外端壁，和定位在大體細長的中空翼型的內部方面內的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)可包括插入件定位在其中的一個或多個翼弦中部冷卻腔，其形成壓力側近壁冷卻通道和吸力側近壁冷卻通道。多個冷卻流體流動控制器可從形成大體細長的中空翼型的外壁朝向插入件延伸，其中，冷卻流體流動控制器形成向下游朝向后緣延伸的多個交錯的曲折（zigzag）通道。一個或多個旁路減流器可從插入件朝向外壁延伸以減少冷卻流體的流動。

冷卻流體流動控制器中的一個或多個可具有由處于吸力側的相對側上的壓力側形成的橫截面區(qū)域。壓力側和吸力側可以經由前緣和后緣聯(lián)接在一起，所述后緣處于冷卻流體流動控制器的前緣的相對端部上。沿翼展方向延伸的第一排冷卻流體流動控制器可以包括多個冷卻流體流動控制器，其具有由處于吸力側的相對側的壓力側形成的橫截面區(qū)域，由此壓力側和吸力側經由前緣和處于至少一個冷卻流體流動控制器的與前緣相對的端部上的后緣聯(lián)接在一起。一個冷卻流體流動控制器的壓力側可以鄰近鄰近的冷卻流體流動控制器的吸入側。在另一實施例中，沿翼展向延伸的第一排冷卻流體流動控制器內的冷卻流體流動控制器中的每一個均可以類似地定位，使得除了在沿翼展向延伸的第一排的端部處的冷卻流體流動控制器之外，一個冷卻流體流動控制器的壓力側鄰近鄰近的冷卻流體流動控制器的吸力側。內部冷卻系統(tǒng)可以包括定位在沿翼展向延伸的第一排冷卻流體流動控制器下游的沿翼展向延伸的第二排冷卻流體流動控制器。沿翼展向延伸的第二排冷卻流體流動控制器可具有一個或多個冷卻流體流動控制器，其相比于沿翼展向延伸的第一排冷卻流體流動控制器中的情況，壓力側處于冷卻流體流動控制器的相對側上，由此引起流動通過沿翼展向延伸的第二排冷卻流體流動控制器的冷卻流體以與由沿翼展向延伸的第一排冷卻流體流動控制器施加在冷卻流體上的翼展向矢量相對的翼展向矢量被向下游引導。因而，形成曲折的流動通道。

在至少一個實施例中，翼弦中部冷卻腔可以包括將翼弦中部冷卻腔分隔成前緣冷卻腔和后緣冷卻腔的一個或多個肋。一個或多個沖擊支座（standoff）可以從形成吸力側的外壁徑向向內朝向插入件延伸。多個冷卻流體流動控制器可以從形成大體細長的中空翼型的壓力側的外壁延伸。插入件可以包括指向大體細長的中空翼型的吸力側的多個沖擊孔。在至少一個實施例中，旁路減流器可以由多個旁路減流器形成。所述多個旁路減流器中的一個或多個可以定位在冷卻流體流動控制器的鄰近的沿翼展向延伸的排之間。

一個或多個前部支撐肋可以從插入件的上游端部延伸成與上游插入件支撐部接觸，并且尾部支撐肋從插入件的下游端部延伸成與下游插入件支撐部接觸。從插入件的上游端部延伸的前部支撐肋可以與上游插入件支撐部的壓力側接觸，并且從插入件的下游端部延伸的尾部支撐肋可以與下游插入件支撐部的壓力側接觸。

在使用期間，冷卻流體可以從壓縮機或其它這樣的源供應到內部冷卻系統(tǒng)的插入件的內室。冷卻流體可以填充插入件并且大體貫穿插入件沿翼展向流動。冷卻流體被傳遞通過冷卻流體排出出口進入壓力側上的近壁冷卻通道，并且通過沖擊孔進入靠近吸力側的近壁冷卻通道。壓力側上的近壁冷卻通道中的冷卻流體被防止經由插入物和前部支撐肋和尾部支撐肋流入吸力側上的近壁冷卻通道內。從沖擊孔流動進入靠近吸力側的近壁冷卻通道內的冷卻流體沖擊在形成吸力側的外壁的內表面上。

壓力側上的近壁冷卻通道中的冷卻流體由第一旁路減流器被朝向形成壓力側的外壁的內表面引導，其中冷卻流體流動通過第一排冷卻流體流動控制器而不是在冷卻流體流動控制器的近端部與插入件之間的小間隙之間中流動。旁路減流器朝向形成壓力側的外壁引導冷卻流體，由此大致減少在冷卻流體流動控制器的近端部和插入件之間形成的間隙之間的冷卻流體的流動。此外，旁路減流器朝向形成壓力側的外壁引導冷卻流體，這朝向外壁引導冷卻流體，由于外壁直接暴露于燃燒器排出氣體，因此最需要冷卻。冷卻流體流動通過相繼的排的冷卻流體流動控制器，其是往復曲折的，并且由于冷卻流體從外壁和冷卻流體流動控制器獲取熱，因此朝向后緣移動溫度升高。冷卻流體還可以流過一排或多排擾流柱，并且可以從薄膜冷卻孔排出。冷卻流體還可以經由被構造成形成噴頭的前緣處的薄膜冷卻孔和形成壓力側和吸力側的外壁中的其它薄膜冷卻孔在外壁的外表面上形成薄膜冷卻。

內部冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，具有旁路減流器的插入件朝向外壁引導冷卻流體以增加冷卻，而不是在插入件中使用更高數(shù)量的沖擊孔，更高數(shù)量的沖擊孔將僅增大與橫流相關聯(lián)的問題。

本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，獨特的壓力分布使插入件向外擴張并且將整個插入件推向前部支撐肋和尾部支撐肋。

在下文中更詳細地描述這些和其它實施例。

附圖說明

并入說明書中并且形成說明書的一部分的附圖示出當前公開的發(fā)明的實施例，且連同描述一起公開了本發(fā)明的原理。

圖1是包括內部冷卻系統(tǒng)的渦輪導葉的透視圖。

圖2是包括前緣和后緣冷卻腔的內部冷卻系統(tǒng)的圖1中的截面線2-2處截取的渦輪導葉的橫截面視圖。

圖3是在圖2中截面線3-3處截取的渦輪導葉的橫截面視圖。

圖4是在圖3中的細節(jié)線4-4處截取的內部冷卻系統(tǒng)的冷卻流體控制器和擾流柱的詳細視圖。

圖5是在圖3中的細節(jié)線5-5處截取的內部冷卻系統(tǒng)的插入件的詳細視圖。

圖6是形成壓力側和吸力側的外壁的內表面的橫截面視圖的透視圖，以及在圖3中的截面線6-6處截取的徑向向內延伸的冷卻流體控制器、擾流柱和沖擊支座。

圖7是在圖3中的截面線7-7處截取的在內部冷卻系統(tǒng)的吸入側處形成近壁冷卻通道的鑄造型芯的橫截面視圖。

圖8是在圖7中的細節(jié)線8-8處截取的后緣冷卻腔中的內部冷卻系統(tǒng)的冷卻流體控制器和擾流柱的詳細視圖。

圖9是在圖3中的截面線9-9處截取的在內部冷卻系統(tǒng)的壓力側處形成近壁冷卻通道的鑄造型芯的橫截面視圖。

圖10是在圖9中的細節(jié)線10-10處截取的前緣冷卻腔中的內部冷卻系統(tǒng)的冷卻流體控制器和擾流柱的詳細視圖。

圖11是插入件的吸力側側視圖。

圖12是插入件的壓力側視圖。

圖13是在圖1中的截面線13-13處截取的吸力側內表面的橫截面視圖。

圖14是在圖13中的細節(jié)14-14處截取的抽吸側的內表面的詳細視圖。

圖15是插入件的透視圖。

圖16是插入件的端視圖。

圖17是內部冷卻系統(tǒng)的插入件的詳細的端視圖，并且其中插入件示出在圖3中的細節(jié)線5-5處截取的排出薄膜冷卻孔。

具體實施方式

如圖1-17中所示，公開了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的翼型10，其中，翼型10包括帶有一個或多個內腔16的內部冷卻系統(tǒng)14，所述一個或多個內腔16具有包含在其中的插入件18，所述插入件18形成具有增強的流動模式的近壁冷卻通道20?？山浻蓮男纬纱篌w中空的細長翼型26的外壁24延伸的多個冷卻流體流動控制器22控制冷卻流體在近壁冷卻通道20中的流動。

冷卻流體流動控制器22可集中成沿翼展向延伸的排28，并且內部冷卻系統(tǒng)14可以包括一個或多個旁路減流器30，其從插入件18朝向外壁24延伸以引導冷卻流體通過由冷卻流體流動控制器22形成的通道20，由此增大內部冷卻系統(tǒng)14的有效性。

在至少一個實施例中，如圖1中所示，翼型10可以是用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪翼型10，且可以包括大體細長的中空翼型26，所述大體細長的中空翼型26由外壁24形成且具有前緣32、后緣34、壓力側36、吸力側38和在第一端部42處的內端壁40和在大體在大體細長的中空翼型26的第一端部42的相對側上的第二端部46處的外端壁44，和定位在大體細長的中空翼型26的內部方面內的冷卻系統(tǒng)14。如圖1、3、5和17中所示，冷卻系統(tǒng)14可以包括一個或多個翼弦中部（midchord）冷卻腔45，插入件18定位在其中，其形成壓力側近壁冷卻通道48和吸力側近壁冷卻通道50。如圖2、4和8-10中所示，多個冷卻流體流動控制器22可從形成大體細長的中空翼型26的外壁24朝向插入件18延伸。冷卻流體流動控制器22可形成朝向后緣34向下游延伸的多個交錯的曲折通道52。冷卻系統(tǒng)14也可以包括一個或多個旁路減流器30，其從插入件18朝向外壁24延伸以減少冷卻流體的流動。

如圖4中所示，冷卻流體流動控制器22可形成朝向后緣34沿大體翼弦向方向向下游延伸的多個交錯的曲折通道52。曲折通道52可由具有由壓力側54形成的橫截面區(qū)域的一個或多個冷卻流體流動控制器22形成，壓力側54處于吸力側56的相對側上，由此，壓力側54和吸力側56可經由前緣58和后緣60聯(lián)接在一起，其中后緣60處于冷卻流體流動控制器22的前緣58的相對端部上。沿翼展向延伸的第一排64冷卻流體流動控制器22可以包括多個冷卻流體流動控制器22，其具有由處于吸力側56的相對側上的壓力側54形成的橫截面區(qū)域，由此壓力側54和吸力側56經由前緣58和處于冷卻流體流動控制器22的前緣58的相對端部上的后緣60聯(lián)接在一起。一個冷卻流體流動控制器22的壓力側54可鄰近鄰近的冷卻流體流動控制器22的吸力側56。在至少一個實施例中，沿翼展向延伸的第一排64冷卻流體流動控制器22內的冷卻流體流動控制器22中的每一個均可以類似地定位，使得除了其中不存在鄰近的冷卻流體流動控制器22的在沿翼展向延伸的第一排64的端部處的冷卻流體流動控制器22之外，一個冷卻流體流動控制器22的壓力側54鄰近鄰近的冷卻流體流動控制器22的吸力側56。

內部冷卻系統(tǒng)14還可以包括定位在沿翼展向延伸的第一排64冷卻流體流動控制器22下游的沿翼展向延伸的第二排66冷卻流體流動控制器22。沿翼展向延伸的第二排66冷卻流體流動控制器22可具有一個或多個冷卻流體流動控制器22，并且相比于沿翼展向延伸的第一排冷卻流體流動控制器22中的情況，壓力側54處于冷卻流體流動控制器22的相對側上，由此引起流動通過沿翼展向延伸的第二排66冷卻流體流動控制器22的冷卻流體以與由沿翼展向延伸的第一排64冷卻流體流動控制器22施加在冷卻流體上的翼展向矢量70相對的翼展向矢量68被向下游引導。

在至少一個實施例中，如圖3、5和17中所示，翼弦中部冷卻腔45可以包括將翼弦中部冷卻腔45分隔成前緣冷卻腔74和后緣冷卻腔76的一個或多個肋72。一個或多個沖擊支座（standoff）77可以從形成吸力側38的外壁24徑向向內朝向插入件18延伸。多個冷卻流體流動控制器32可以從形成大體細長的中空翼型26的壓力側36的外壁22延伸。插入件18可以包括指向大體細長的中空翼型26的吸力側38的多個沖擊孔78。在至少一個實施例中，插入件18可以包括指向大體細長的中空翼型26的吸力側38的多個沖擊孔78。沖擊孔78可以形成多個沿翼展向延伸的排80，如圖11中所示。

在至少一個實施例中，如圖3、5、12、15和16中所示，內部冷卻系統(tǒng)14可包括多個旁路減流器30。多個旁路減流器30中的一個或多個可定位在鄰近的沿翼展向延伸的排28的冷卻流體流動控制器22之間。旁路減流器30可延伸小于從插入件18到形成壓力側36的外壁24的內表面82的距離的一半的距離。在其它實施例中，旁路減流器30可延伸多于從插入件18到形成壓力側36的外壁24的內表面82的距離的一半的距離。插入件18可具有帶有完全相同的高度和長度或不同的高度和長度的旁路減流器30。

如圖3、5、15和17中所示，內部冷卻系統(tǒng)14可包括前部支撐肋84，其從插入件18的上游端部86延伸成與上游插入件支撐部88接觸，并且包括尾部支撐肋90，其從插入件18的下游端部92延伸成與下游插入件支撐部94接觸。從插入件18的上游端部86延伸的前部支撐肋84可以與上游插入件支撐部88的壓力側96接觸，并且從插入件18的下游端部92延伸的尾部支撐肋90可以與下游插入件支撐部94的壓力側98接觸。在操作器件，靠近壓力側36的近壁冷卻通道20中的高壓迫使插入件18朝向吸力側38運動，由此抵靠上游插入件支撐部88安置前部支撐肋84，并且抵靠下游插入件支撐部94安置尾部支撐肋90。

如圖4和17中所示，內部冷卻系統(tǒng)14可以包括一個或多個薄膜冷卻孔100，其延伸穿過外壁24以從近壁冷卻通道20排出冷卻流體。薄膜冷卻孔100可定位在前緣32處，以形成噴頭并且可以延伸穿過壓力側36和吸力側38。薄膜冷卻孔100可以具有任何恰當?shù)拈L度和橫截面形狀。最靠近將前緣冷卻腔74與后緣腔76分隔開的肋72的壓力側36中的薄膜冷卻孔可以由多個沿翼展向延伸的排（諸如但不限于兩排）形成，并且可以定位成相對于壓力側36成銳角（諸如但不限于偏離正交大約30度）。薄膜冷卻孔100也可以定位在前緣32處最高壓力的區(qū)域處。

內部冷卻系統(tǒng)14可以包括一排或多排擾流柱（pin fin）102，其在冷卻流體流動控制器22下游的插入件18處從外壁24延伸。擾流柱102可以具有大體圓形的橫截面區(qū)域或其它恰當?shù)男螤睢Ｔ诶鋮s流體流動控制器22下游的插入件18處從外壁24延伸的擾流柱102可以定位在一排或多排沿翼展向延伸的排28的擾流柱108中。在至少一個實施例中，擾流柱102可以具有約1.5毫米的彼此之間的最小距離或除外壁24之外的鄰近結構之間的最小距離。插入件18可以包括在前緣32處的一個或多個冷卻流體排出出口104，以便向形成在形成壓力側36的外壁24和插入件18之間的近壁冷卻室20供應冷卻流體。一個或多個旁路減流器30可以從處于前緣32處冷卻流體排出出口104的緊接的下游的插入件18延伸，以便向形成在形成壓力側36的外壁24和插入件18之間的近壁冷卻室20供應冷卻流體。

后緣冷卻腔76可以包括多個冷卻流體流動控制器22。在至少一個實施例中，多個冷卻流體流動控制器22可以定位在一個或多個大體沿翼展向延伸的排中。沿翼展向延伸的排可以大體彼此平行，并且可以平行于肋72，其中肋72將翼弦中部冷卻腔45分隔成前緣冷卻腔74和后緣冷卻腔76。后緣冷卻腔76中的冷卻流體流動控制器22可以從形成壓力側36的外壁24延伸到形成吸力側38的外壁24。一排或多排擾流柱102可以定位在沿翼展向延伸的排的冷卻流體流動控制器22和后緣34之間。鄰近排的擾流柱102內的擾流柱102可以沿翼展方向彼此偏移。

在使用期間，可從壓縮機或其它這種源將冷卻流體供應到內部冷卻系統(tǒng)14的插入件18的內室106。冷卻流體可填充插入件18，且貫穿插入件18大體沿翼展向流動。冷卻流體被傳遞通過冷卻流體排出出口104進入壓力側36上的近壁冷卻通道20內，并且通過沖擊孔78進入靠近吸入側38的近壁冷卻通道20內。壓力側36上的近壁冷卻通道20中的冷卻流體被防止經由插入件18和前部支撐肋84和尾部支撐肋90流入吸力側38上的近壁冷卻通道20內。從沖擊孔78流入靠近吸力側38的近壁冷卻通道20內的冷卻流體撞擊在形成吸力側38的外壁24的內表面上。

壓力側36上的近壁冷卻通道20中的冷卻流體由第一旁路減流器30被朝向形成壓力側36的外壁24的內表面引導，其中冷卻流體流動通過第一排冷卻流體流動控制器22，而不是在冷卻流體流動控制器22的近端部108和插入件18之間的小間隙之間中流動。旁路減流器31朝向形成壓力側36的外壁24引導冷卻流體，由此大致減小在冷卻流體流動控制器22的近端部108和插入件18之間形成的間隙110之間的冷卻流體的流動。由于組裝（assembly），間隙的大小可以是大約0.2毫米。在任一側上更嚴格的容差將有助于流動和H/T特性，同時增大的空隙將負面地影響流動和H/T。此外，旁路減流器30朝向形成壓力側36的外壁24引導冷卻流體，其朝向外壁24引導冷卻流體，其中由于其直接暴露于燃燒器排出氣體，因此最需要冷卻。冷卻流體流動通過相繼的排的冷卻流體流動控制器22，其是往復曲折的，且由于冷卻流體從外壁12和冷卻流體流動控制器22獲取熱，因此朝向后緣34移動溫度升高。冷卻流體也可以流動經過一排或多排擾流柱102，且可從薄膜冷卻孔100被排出。冷卻流體也可以經由被配置為形成噴頭的前緣32處的薄膜冷卻孔100和形成壓力側36及吸力側38的外壁24中的其它薄膜冷卻孔在外壁24的外表面上形成薄膜冷卻。

出于說明、解釋和描述本發(fā)明的實施例的目的提供前述內容。對這些實施例的修改和調適對本領域技術人員而言將是顯而易見的，且可在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下做出。