帶有具有降低的壓降的分離條的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的渦輪翼面的制作方法
【專利摘要】在渦輪發(fā)動機(jī)中可使用的并且具有帶有高效的分離條（16）的至少一個冷卻系統(tǒng)（14）的渦輪翼面（10）被公開。至少部分冷卻系統(tǒng)（14）可以包括一個或多個冷卻通道（18），該冷卻通道（18）具有從形成該冷卻通道（18）的內(nèi)表面（20）突出的一個或多個分離條（16）。分離條（16）可以具有改進(jìn)的操作特性，包括增強(qiáng)的傳熱能力以及典型地與傳統(tǒng)的分離條（16）相關(guān)聯(lián)的壓降的大幅降低。在至少一種實(shí)施方式中，分離條（16）可以具有橫截面區(qū)域，其帶有該分離條（16）的上游表面（26）的第一部段（24）以及至少一個分離條（16）的凹形形狀的下游表面（28），該第一部段（24）被定位成不平行且不正交于形成從至少一個分離條（16）的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道（18）的表面（20），該凹形形狀的下游表面（28）能夠使得被分離的流再附接至冷卻流體流。
【專利說明】
帶有具有降低的壓降的分離條的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的渦輪翼面
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]這個發(fā)明總地指向渦輪翼面，并且更特別地指向中空的渦輪翼面，其具有用于傳遞諸如空氣的流體的冷卻通道以冷卻該翼面。
【背景技術(shù)】
[0002]典型地，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括用于壓縮空氣的壓縮機(jī)、用于混合壓縮空氣與燃料并且點(diǎn)燃該混合物的燃燒室以及用于產(chǎn)生功率的渦輪葉片(blade)組件。燃燒室經(jīng)常在可能超過2500華氏度的高溫下操作。典型的渦輪燃燒室構(gòu)造將渦輪靜葉(vane)和葉片組件暴露于這些高溫。因此，渦輪靜葉和葉片必須由能夠承受這樣的高溫的材料制成。此外，渦輪靜葉和葉片經(jīng)常包含冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)用于延長靜葉和葉片的壽命以及降低由于過度的溫度導(dǎo)致的失效的可能性。
[0003]典型地，渦輪葉片由伸長部分形成，形成的葉片具有被構(gòu)造成被聯(lián)接至渦輪葉座的一個端部以及被構(gòu)造成形成葉尖的相對端部。葉片通常由前緣、后緣、吸入側(cè)和壓力側(cè)組成。大多數(shù)渦輪葉片的內(nèi)部空間(aspects)典型地包含形成冷卻系統(tǒng)的錯綜復(fù)雜的冷卻回路迷宮。在葉片中的冷卻回路從渦輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)接收空氣，并且傳遞該空氣通過葉片的端部，該葉片的端部適于被聯(lián)接至葉座。冷卻回路經(jīng)常包括多個流動路徑，該多個流動路徑被設(shè)計成維持渦輪葉片的所有方面處于相對地均勻的溫度。經(jīng)過這些冷卻回路的至少一些空氣通過在葉片的前緣、后緣、吸入側(cè)和壓力側(cè)中的孔排出。冷卻流體在分離條(tripstrip)上經(jīng)過，這增加冷卻系統(tǒng)的傳熱。大多數(shù)分離條通常由方形或矩形橫截面形成，如在圖1中所示。這樣的構(gòu)造增加冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，但是具有固有的限制，如由在圖1中所示的損失區(qū)域5所示。盡管在渦輪葉片中的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)取得了進(jìn)步，但是對于具有增加的冷卻效率用于消散熱量并且通過葉片傳遞足量的冷卻空氣的渦輪葉片的需求仍然存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在渦輪發(fā)動機(jī)中可使用的、并且具有帶有有效的分離條的至少一個冷卻系統(tǒng)的渦輪翼面被公開。至少部分冷卻系統(tǒng)可以包括一個或多個冷卻通道，該冷卻通道具有從形成冷卻通道的內(nèi)表面突出的一個或多個分離條。分離條可以具有改進(jìn)的操作特性，其包括增強(qiáng)的傳熱能力以及典型地與傳統(tǒng)的分離條相關(guān)聯(lián)的壓降的大幅降低。在至少一種實(shí)施方式中，分離條可以具有橫截面區(qū)域，其帶有該分離條的上游表面的第一部段以及至少一個分離條的凹形形狀的下游表面，該第一部段被定位成不平行且不正交于形成從至少一個分離條的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道的表面，該凹形形狀的下游表面能夠使得被分離的流再附接至冷卻流體流。
[0005]在至少一種實(shí)施方式中，渦輪翼面可以由大體上伸長的中空翼面形成，該中空翼面由外壁形成，并且具有前緣、后緣、壓力側(cè)、吸入側(cè)、位于翼面的第一端部處的根部以及位于與第一端部相對的第二端部處的尖端、以及被定位在大體上伸長的中空翼面的內(nèi)部空間內(nèi)的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)可以包括從內(nèi)表面突出的一個或多個分離條，該內(nèi)表面限定冷卻系統(tǒng)的通道。分離條可以由大體上伸長的主體形成，并且分離條可以具有橫截面區(qū)域，該橫截面區(qū)域帶有該分離條的上游表面的至少第一部段以及該分離條的凹形形狀的下游表面，該至少第一部段被定位成不平行且不正交于形成從分離條的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道的表面。
[0006]分離條的下游表面可以由形成大體上1/4圓的凹形表面形成。分離條的下游表面的最上游點(diǎn)可以被定位在位于分離條的頂部表面處的下游表面的交點(diǎn)的上游。分離條的下游表面的最上游點(diǎn)可以被定位在下游表面和限定冷卻系統(tǒng)的通道的內(nèi)表面的交點(diǎn)的上游。分離條包括非線性頂部表面。在至少一種實(shí)施方式中，非線性頂部表面具有凸形形狀的外表面。非線性頂部表面具有前緣，該前緣被定位成比非線性頂部表面的后緣更靠近限定冷卻系統(tǒng)的通道的內(nèi)表面。
[0007]分離條的上游表面可以包括與第一部段不平行且不正交的第二部段。上游表面的第二部段可以被定位成大體上正交于形成從分離條的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道的表面。上游表面的第二部段可以被定位成大體上正交于冷卻系統(tǒng)的通道的縱向軸線，分離條存在于該冷卻系統(tǒng)的通道中。分離條可以貫穿該至少一個分離條的整個長度具有一致的橫截面區(qū)域。
[0008]在使用期間，冷卻流體被傳遞至冷卻系統(tǒng)中，該冷卻系統(tǒng)包括冷卻通道。至少部分冷卻流體接觸分離條。特別地，至少部分冷卻流體接觸上游表面的第一部段，在此處冷卻流體以一角度被向上導(dǎo)向，該角度不平行且不正交于形成冷卻通道的內(nèi)表面。冷卻流體然后撞擊上游表面的第二部段，這導(dǎo)致冷卻流體以甚至更陡峭的角度被導(dǎo)向遠(yuǎn)離內(nèi)表面。冷卻流體然后流動經(jīng)過第二部段并且沿頂部表面流動。當(dāng)經(jīng)過第一部段、第二部段以及頂部表面時，熱量正被從分離條經(jīng)由對流傳遞至冷卻流體。冷卻流體流動經(jīng)過頂部表面，并且然后部分冷卻流體形成靠著凹形的下游表面流動的冷卻流體的環(huán)形流動。當(dāng)相比于在傳統(tǒng)的方形或矩形橫截面的分離條中的低速回流時，在下游表面上的渦流(eddies)的形成被減弱，這是通過容納主要的漩渦(vortex)或渦流并且確保更高的速度以及因此在下游表面上的更高的傳熱。這個獨(dú)特形狀的分離條橫截面區(qū)域為渦輪葉片冷卻通道創(chuàng)建更高的內(nèi)部對流冷卻潛力，因此產(chǎn)生高比率的內(nèi)部對流傳熱和有效的總的冷卻系統(tǒng)性能。這個性能等同于冷卻需求的降低以及更好的渦輪發(fā)動機(jī)性能。
[0009]渦輪翼面冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)被構(gòu)造成冷卻冷卻通道，并且由于它的構(gòu)造該系統(tǒng)特別好地適合于冷卻工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的冷卻通道。
[0010]該冷卻系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)在于分離條的橫截面區(qū)域的構(gòu)造降低了典型地與分離條相關(guān)聯(lián)的壓降的數(shù)量。
[0011 ]這些實(shí)施方式和其他實(shí)施方式在下面被更詳細(xì)地描述。
【附圖說明】
[0012]被結(jié)合在說明書中并且形成說明書的一部分的附圖圖示了當(dāng)前公開的發(fā)明的實(shí)施方式，并且與說明書一起公開了本發(fā)明的原理。
[0013]圖1是定位在渦輪翼面中的冷卻通道內(nèi)并且用空氣流向量顯示的傳統(tǒng)的分離條的橫截面視圖，該空氣流向量顯示關(guān)于傳統(tǒng)的分離條的冷卻流體流的詳細(xì)視圖；
圖2是具有根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的特征的渦輪翼面的透視圖； 圖3是沿截面線3-3截取的在圖2中顯示的渦輪翼面的橫截面視圖；
圖4是沿截面線4-4截取的在圖2中顯示的渦輪翼面的橫截面的切片視圖；
圖5是沿在圖4中的截面線5-5截取的本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的單個分離條的橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如在圖2-5中所顯示，在渦輪發(fā)動機(jī)12中可使用的并且具有帶有高效的分離條16的至少一個冷卻系統(tǒng)14的渦輪翼面10被公開。至少部分冷卻系統(tǒng)14可以包括一個或多個冷卻通道18，該冷卻通道18具有從形成冷卻通道18的內(nèi)表面20突出的一個或多個分離條16，如在圖3和圖4中所示。分離條16可以具有改進(jìn)的操作特性，其包括增強(qiáng)的傳熱能力以及典型地與傳統(tǒng)的分離條相關(guān)聯(lián)的壓降的大幅降低。在至少一種實(shí)施方式中，如在圖5中所示，分離條16可以具有橫截面區(qū)域22，該橫截面區(qū)域22帶有該分離條16的上游表面26的第一部段24以及該分離條16的凹形形狀的下游表面28，該第一部段24被定位成不平行且不正交于形成從分離條16的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道18的表面20，該凹形形狀的下游表面28能夠使得被分離的流再附接至冷卻流體流。
[0015]在至少一種實(shí)施方式中，如在圖2和圖4中所示，渦輪翼面10可以由大體上伸長的中空翼面30形成，該中空翼面30由外壁32形成，并且具有前緣34、后緣36、壓力側(cè)38、吸入側(cè)40、位于翼面30的第一端部44處的根部42以及位于與第一端部44相對的第二端部48處的尖端46、以及被定位在大體上伸長的中空翼面30的內(nèi)部空間內(nèi)的冷卻系統(tǒng)14。渦輪翼面10可以包括全部的這些部件或少于所列出的這些部件的每一個。此外，渦輪翼面10可以包括少于這些部件的每一個。
[0016]冷卻系統(tǒng)14可以包括從內(nèi)表面20突出的一個或多個分離條16，該內(nèi)表面20限定冷卻系統(tǒng)14的通道18。分尚條16可以由大體上伸長的主體50形成。如在圖5中所不，分尚條16可以具有橫截面區(qū)域，該橫截面區(qū)域帶有該分離條16的上游表面26的至少第一部段24以及該分離條16的凹形形狀的下游表面28，該至少第一部段24被定位成不平行且不正交于形成從分離條16上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道18的表面20。分離條16的下游表面28可以由形成大體上1/4圓的凹形表面形成。在其他實(shí)施方式中，下游表面28不限于是1/4圓，而也可以是由其他大小的局部圓形形成，諸如但不限于在1/16圓和1/2圓之間。分離條16的下游表面28的最上游點(diǎn)52可以被定位在位于分離條16的頂部表面56處的下游表面28的交點(diǎn)54的上游。分離條16的下游表面28的該最上游點(diǎn)52可以被定位在下游表面28和限定冷卻系統(tǒng)14的通道18的內(nèi)表面20的交點(diǎn)58的上游。
[0017]在至少一種實(shí)施方式中，分離條16可以包括非線性頂部表面56。非線性頂部表面56可以具有凸形形狀的外表面。非線性頂部表面56可以具有前緣60，該前緣60被定位成比非線性頂部表面56的后緣62更靠近限定冷卻系統(tǒng)14的通道18的內(nèi)表面20。
[0018]分離條16的上游表面26可以包括與第一部段24不平行且不正交的第二部段64。上游表面26的第二部段64可以被定位成大體上正交于形成從分離條16的上游延伸的冷卻系統(tǒng)通道18的表面20。上游表面26的第二部段64可以被定位成大體上正交于冷卻系統(tǒng)14的通道18的縱向軸線66，分離條16存在于該冷卻系統(tǒng)14的通道18中。
[0019]在至少一種實(shí)施方式中，分離條16可以貫穿該分離條16的整個長度具有一致的橫截面區(qū)域。在另一種實(shí)施方式中，分離條16的橫截面區(qū)域的形狀可以貫穿它的長度變化，尤其當(dāng)分離條16不正交于在該分離條16之上的冷卻流體的流時，諸如當(dāng)分離條16不正交于冷卻通道18的縱向軸線時。分離條16可以從形成冷卻通道18的第一側(cè)壁68延伸至第二側(cè)壁70。在另一種實(shí)施方式中，分離條16可以在第一和第二側(cè)壁68、70之間延伸，但僅接觸側(cè)壁68、70的一個或者不會接觸任一側(cè)壁68、70。仍在另一種實(shí)施方式中，分離條16可以被定位成大體上正交于冷卻通道18的縱向軸線66。分離條16還可以被定位成不平行且不正交于冷卻通道18的縱向軸線66。分離條16的高度(e)能夠根據(jù)在上游和下游分離條16之間的相對距離(間距P)變化。對于冷卻通道18，一致的p/e比可以被維持或者該p/e比可以沿冷卻通道18的一部分或沿冷卻通道18的整個長度變化。
[0020]在使用期間，冷卻流體被傳遞至冷卻系統(tǒng)14中，該冷卻系統(tǒng)14包括冷卻通道18。至少部分冷卻流體接觸分離條16。特別地，至少部分冷卻流體接觸上游表面26的第一部段24，此處冷卻流體以一角度被向上導(dǎo)向，該角度不平行且不正交于形成冷卻通道18的內(nèi)表面26。冷卻流體然后撞擊上游表面26的第二部段64，這導(dǎo)致冷卻流體以甚至更陡峭的角度被導(dǎo)向遠(yuǎn)離內(nèi)表面26。冷卻流體然后流動經(jīng)過第二部段64并且沿頂部表面56流動。當(dāng)經(jīng)過第一部段24、第二部段64以及頂部表面56時，熱量正被從分離條16經(jīng)由對流傳遞至冷卻流體。冷卻流體流動經(jīng)過頂部表面56，并且然后部分冷卻流體形成靠著凹形的下游表面28流動的冷卻流體的環(huán)形流。冷卻流體流靠著凹形的下游表面28流動，而沒有形成任何渦流，該渦流將會降低傳熱并且因此負(fù)面地影響分離條16的傳熱效率。這個獨(dú)特形狀的分離條橫截面區(qū)域為渦輪葉片冷卻通道18創(chuàng)建更高的內(nèi)部對流冷卻潛力，因此產(chǎn)生高比率的內(nèi)部對流傳熱和高效的總的冷卻系統(tǒng)性能。這個性能等同于冷卻需求的降低以及更好的渦輪發(fā)動機(jī)性會K。
[0021]為了圖示、解釋和描述這個發(fā)明的實(shí)施方式的目的提供了前述內(nèi)容。對這些實(shí)施方式的修改和改裝對于被領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的，并且其可以在不脫離這個發(fā)明的范圍或精神的情況下作出。
【主權(quán)項】
1.一種渦輪翼面，包括: 由外壁形成的大體上伸長的中空翼面，并且具有前緣、后緣、壓力側(cè)、吸入側(cè)、位于所述翼面的第一端部處的根部以及位于與所述第一端部相對的第二端部處的尖端，以及被定位在所述大體上伸長的中空翼面的內(nèi)部空間內(nèi)的冷卻系統(tǒng)； 至少一個分離條，其從限定所述冷卻系統(tǒng)的通道的內(nèi)表面突出，其中，所述至少一個分離條由大體上伸長的主體形成，并且其中，所述至少一個分離條具有橫截面區(qū)域，所述橫截面區(qū)域帶有所述至少一個分離條的上游表面的至少第一部段以及所述至少一個分離條的凹形形狀的下游表面，所述至少第一部段被定位成不平行且不正交于形成從所述至少一個分離條的上游延伸的所述冷卻系統(tǒng)通道的所述內(nèi)表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面由形成大體上四分之一圓的凹形表面形成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面的最上游點(diǎn)被定位在位于所述至少一個分離條的頂部表面處的所述下游表面的交點(diǎn)的上游。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面的最上游點(diǎn)被定位在所述下游表面和限定所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的所述內(nèi)表面的交點(diǎn)的上游。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條包括非線性頂部表面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪翼面，其中，所述非線性頂部表面具有凸形形狀的外表面。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪翼面，其中，所述非線性頂部表面具有前緣，所述前緣被定位成比所述非線性頂部表面的后緣更靠近限定所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的所述內(nèi)表面。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述上游表面包括第二部段，所述第二部段與所述第一部段不平行且不正交。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪翼面，其中，所述上游表面的所述第二部段被定位成大體上正交于形成所述冷卻系統(tǒng)通道的所述表面，所述冷卻系統(tǒng)通道從所述至少一個分離條的上游延伸。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪翼面，其中，所述上游表面的所述第二部段被定位成大體上正交于所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的縱向軸線，所述至少一個分離條存在于所述通道中。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條貫穿所述至少一個分離條的整個長度具有一致的橫截面區(qū)域。12.—種渦輪翼面，包括: 由外壁形成的大體上伸長的中空翼面，并且具有前緣、后緣、壓力側(cè)、吸入側(cè)、位于所述翼面的第一端部處的根部以及位于與所述第一端部相對的第二端部處的尖端，以及被定位在所述大體上伸長的中空翼面的內(nèi)部空間內(nèi)的冷卻系統(tǒng)； 至少一個分離條，其從限定所述冷卻系統(tǒng)的通道的內(nèi)表面突出，其中，所述至少一個分離條由大體上伸長的主體形成，并且其中，所述至少一個分離條具有橫截面區(qū)域，所述橫截面區(qū)域帶有所述至少一個分離條的上游表面的至少第一部段以及所述至少一個分離條的凹形形狀的下游表面，所述至少第一部段被定位成不平行且不正交于形成從所述至少一個分離條的上游延伸的所述冷卻系統(tǒng)通道的所述內(nèi)表面； 其中，所述至少一個分離條包括非線性頂部表面；以及 其中，所述至少一個分離條的所述上游表面包括第二部段，所述第二部段與所述第一部段不平行且不正交。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面由形成大體上四分之一圓的凹形表面形成。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面的最上游點(diǎn)被定位在位于所述至少一個分離條的頂部表面處的所述下游表面的交點(diǎn)的上游。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的渦輪翼面，其中，所述至少一個分離條的所述下游表面的最上游點(diǎn)被定位在所述下游表面和限定所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的所述內(nèi)表面的交點(diǎn)的上游。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪翼面，其中，所述非線性頂部表面具有凸形形狀的外表面。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪翼面，其中，所述非線性頂部表面具有前緣，所述前緣被定位成比所述非線性頂部表面的后緣更靠近限定所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的所述內(nèi)表面。18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪翼面，其中，所述上游表面的所述第二部段被定位成大體上正交于形成所述冷卻系統(tǒng)通道的所述表面，所述冷卻系統(tǒng)通道從所述至少一個分離條的上游延伸。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪翼面，其中，所述上游表面的所述第二部段被定位成大體上正交于所述冷卻系統(tǒng)的所述通道的縱向軸線，所述至少一個分離條存在于所述通道中。20.—種渦輪翼面，包括: 由外壁形成的大體上伸長的中空翼面，并且具有前緣、后緣、壓力側(cè)、吸入側(cè)、位于所述翼面的第一端部處的根部以及位于與所述第一端部相對的第二端部處的尖端，以及被定位在所述大體上伸長的中空翼面的內(nèi)部空間內(nèi)的冷卻系統(tǒng)； 至少一個分離條，其從限定所述冷卻系統(tǒng)的通道的內(nèi)表面突出，其中，所述至少一個分離條由大體上伸長的主體形成，并且其中，所述至少一個分離條具有橫截面區(qū)域，所述橫截面區(qū)域帶有所述至少一個分離條的上游表面的至少第一部段以及所述至少一個分離條的凹形形狀的下游表面，所述至少第一部段被定位成不平行且不正交于形成從所述至少一個分離條的上游延伸的所述冷卻系統(tǒng)通道的所述內(nèi)表面； 其中，所述至少一個分離條包括非線性頂部表面； 其中，所述非線性頂部表面具有凸形形狀的外表面； 其中，所述至少一個分離條的所述上游表面包括第二部段，所述第二部段與所述第一部段不平行且不正交；以及 其中，所述上游表面的所述第二部段被定位成大體上正交于形成從所述至少一個分離條的上游延伸的所述冷卻系統(tǒng)通道的所述表面。
【文檔編號】F01D5/18GK105849368SQ201480070965
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】J.L.羅德里格斯, M.J.戈爾森
【申請人】西門子公司