带有在燃气涡轮翼型的翼弦中部冷却腔中形成近壁冷却通道的插入件的内部冷却系统

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机中的翼型的内部冷却系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于混合压缩空气与燃料且点燃混合物的燃烧器，以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧器通常在可以超过2,500华氏度的高温下操作。通常的涡轮燃烧器构造将涡轮导叶和叶片组件暴露于高温。因此，涡轮导叶和叶片必须由能够承受这样的高温的材料制成，或者必须包括冷却特征以使部件能够在超过材料的能力的环境中留存。涡轮发动机通常包括从壳径向向内延伸的多排静止涡轮导叶，且包括附接到转子组件以便使转子转动的多排可旋转涡轮叶片。

通常，涡轮导叶暴露于加热翼型的高温燃烧器气体。翼型包括内部冷却系统以便降低翼型的温度。翼型具有形成近壁冷却通道的内部插入件。然而，大部分插入件由普通的（plain）片材金属形成，其带有在其中的多个冲击孔以在翼型的压力侧和吸力侧上提供冲击冷却。上游快速（post）冲击空气向下游传递冲击射流，并且在通过薄膜孔离开之前形成横流。横流能够使冲击射流远离冲击目标表面弯曲，并减小冷却有效性。为了减少横流的量，快速冲击空气通过外部薄膜孔被放出。然而，薄膜冷却孔的数量越大，冷却空气的使用效率越低。冲击孔消耗冷却空气压力，且通常在前缘处造成问题，其中喷头孔在外部表面上经受高停滞气体压力。因此，存在对于用于燃气涡轮翼型的更有效的内部冷却系统的需要。

发明内容

公开了一种用于燃气涡轮发动机的翼型，其中，所述翼型包括内部冷却系统，其带有一个或多个内腔，所述一个或多个内腔具有包含在其中的形成具有增强的流动模式的近壁冷却通道的插入件。可经由从形成大体中空细长翼型的外壁延伸的多个冷却流体流动控制器控制冷却流体在近壁冷却通道中的流动。冷却流体流动控制器可以被集中成沿翼展向延伸的排，并且内部冷却系统可以包括一个或多个旁路减流器，其从插入件朝向外壁延伸，以引导冷却流体通过由冷却流体流动控制器形成的通道，由此增加内部冷却系统的有效性。

在至少一个实施例中，用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型可以由从外壁形成的大体细长的中空翼型形成，并且具有前缘、后缘、压力侧、吸力侧和在第一端部处的内端壁和大体在大体细长的中空翼型的第一端部的相对侧上的第二端部处的外端壁，和定位在大体细长的中空翼型的内部方面内的冷却系统。冷却系统可包括插入件定位在其中的一个或多个翼弦中部冷却腔，其形成压力侧近壁冷却通道和吸力侧近壁冷却通道。多个冷却流体流动控制器可从形成大体细长的中空翼型的外壁朝向插入件延伸，其中，冷却流体流动控制器形成向下游朝向后缘延伸的多个交错的曲折（zigzag）通道。一个或多个旁路减流器可从插入件朝向外壁延伸以减少冷却流体的流动。

冷却流体流动控制器中的一个或多个可具有由处于吸力侧的相对侧上的压力侧形成的横截面区域。压力侧和吸力侧可以经由前缘和后缘联接在一起，所述后缘处于冷却流体流动控制器的前缘的相对端部上。沿翼展方向延伸的第一排冷却流体流动控制器可以包括多个冷却流体流动控制器，其具有由处于吸力侧的相对侧的压力侧形成的横截面区域，由此压力侧和吸力侧经由前缘和处于至少一个冷却流体流动控制器的与前缘相对的端部上的后缘联接在一起。一个冷却流体流动控制器的压力侧可以邻近邻近的冷却流体流动控制器的吸入侧。在另一实施例中，沿翼展向延伸的第一排冷却流体流动控制器内的冷却流体流动控制器中的每一个均可以类似地定位，使得除了在沿翼展向延伸的第一排的端部处的冷却流体流动控制器之外，一个冷却流体流动控制器的压力侧邻近邻近的冷却流体流动控制器的吸力侧。内部冷却系统可以包括定位在沿翼展向延伸的第一排冷却流体流动控制器下游的沿翼展向延伸的第二排冷却流体流动控制器。沿翼展向延伸的第二排冷却流体流动控制器可具有一个或多个冷却流体流动控制器，其相比于沿翼展向延伸的第一排冷却流体流动控制器中的情况，压力侧处于冷却流体流动控制器的相对侧上，由此引起流动通过沿翼展向延伸的第二排冷却流体流动控制器的冷却流体以与由沿翼展向延伸的第一排冷却流体流动控制器施加在冷却流体上的翼展向矢量相对的翼展向矢量被向下游引导。因而，形成曲折的流动通道。

在至少一个实施例中，翼弦中部冷却腔可以包括将翼弦中部冷却腔分隔成前缘冷却腔和后缘冷却腔的一个或多个肋。一个或多个冲击支座（standoff）可以从形成吸力侧的外壁径向向内朝向插入件延伸。多个冷却流体流动控制器可以从形成大体细长的中空翼型的压力侧的外壁延伸。插入件可以包括指向大体细长的中空翼型的吸力侧的多个冲击孔。在至少一个实施例中，旁路减流器可以由多个旁路减流器形成。所述多个旁路减流器中的一个或多个可以定位在冷却流体流动控制器的邻近的沿翼展向延伸的排之间。

一个或多个前部支撑肋可以从插入件的上游端部延伸成与上游插入件支撑部接触，并且尾部支撑肋从插入件的下游端部延伸成与下游插入件支撑部接触。从插入件的上游端部延伸的前部支撑肋可以与上游插入件支撑部的压力侧接触，并且从插入件的下游端部延伸的尾部支撑肋可以与下游插入件支撑部的压力侧接触。

在使用期间，冷却流体可以从压缩机或其它这样的源供应到内部冷却系统的插入件的内室。冷却流体可以填充插入件并且大体贯穿插入件沿翼展向流动。冷却流体被传递通过冷却流体排出出口进入压力侧上的近壁冷却通道，并且通过冲击孔进入靠近吸力侧的近壁冷却通道。压力侧上的近壁冷却通道中的冷却流体被防止经由插入物和前部支撑肋和尾部支撑肋流入吸力侧上的近壁冷却通道内。从冲击孔流动进入靠近吸力侧的近壁冷却通道内的冷却流体冲击在形成吸力侧的外壁的内表面上。

压力侧上的近壁冷却通道中的冷却流体由第一旁路减流器被朝向形成压力侧的外壁的内表面引导，其中冷却流体流动通过第一排冷却流体流动控制器而不是在冷却流体流动控制器的近端部与插入件之间的小间隙之间中流动。旁路减流器朝向形成压力侧的外壁引导冷却流体，由此大致减少在冷却流体流动控制器的近端部和插入件之间形成的间隙之间的冷却流体的流动。此外，旁路减流器朝向形成压力侧的外壁引导冷却流体，这朝向外壁引导冷却流体，由于外壁直接暴露于燃烧器排出气体，因此最需要冷却。冷却流体流动通过相继的排的冷却流体流动控制器，其是往复曲折的，并且由于冷却流体从外壁和冷却流体流动控制器获取热，因此朝向后缘移动温度升高。冷却流体还可以流过一排或多排扰流柱，并且可以从薄膜冷却孔排出。冷却流体还可以经由被构造成形成喷头的前缘处的薄膜冷却孔和形成压力侧和吸力侧的外壁中的其它薄膜冷却孔在外壁的外表面上形成薄膜冷却。

内部冷却系统的优势在于，具有旁路减流器的插入件朝向外壁引导冷却流体以增加冷却，而不是在插入件中使用更高数量的冲击孔，更高数量的冲击孔将仅增大与横流相关联的问题。

本发明的另一个优点在于，独特的压力分布使插入件向外扩张并且将整个插入件推向前部支撑肋和尾部支撑肋。

在下文中更详细地描述这些和其它实施例。

附图说明

并入说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出当前公开的发明的实施例，且连同描述一起公开了本发明的原理。

图1是包括内部冷却系统的涡轮导叶的透视图。

图2是包括前缘和后缘冷却腔的内部冷却系统的图1中的截面线2-2处截取的涡轮导叶的横截面视图。

图3是在图2中截面线3-3处截取的涡轮导叶的横截面视图。

图4是在图3中的细节线4-4处截取的内部冷却系统的冷却流体控制器和扰流柱的详细视图。

图5是在图3中的细节线5-5处截取的内部冷却系统的插入件的详细视图。

图6是形成压力侧和吸力侧的外壁的内表面的横截面视图的透视图，以及在图3中的截面线6-6处截取的径向向内延伸的冷却流体控制器、扰流柱和冲击支座。

图7是在图3中的截面线7-7处截取的在内部冷却系统的吸入侧处形成近壁冷却通道的铸造型芯的横截面视图。

图8是在图7中的细节线8-8处截取的后缘冷却腔中的内部冷却系统的冷却流体控制器和扰流柱的详细视图。

图9是在图3中的截面线9-9处截取的在内部冷却系统的压力侧处形成近壁冷却通道的铸造型芯的横截面视图。

图10是在图9中的细节线10-10处截取的前缘冷却腔中的内部冷却系统的冷却流体控制器和扰流柱的详细视图。

图11是插入件的吸力侧侧视图。

图12是插入件的压力侧视图。

图13是在图1中的截面线13-13处截取的吸力侧内表面的横截面视图。

图14是在图13中的细节14-14处截取的抽吸侧的内表面的详细视图。

图15是插入件的透视图。

图16是插入件的端视图。

图17是内部冷却系统的插入件的详细的端视图，并且其中插入件示出在图3中的细节线5-5处截取的排出薄膜冷却孔。

具体实施方式

如图1-17中所示，公开了一种用于燃气涡轮发动机的翼型10，其中，翼型10包括带有一个或多个内腔16的内部冷却系统14，所述一个或多个内腔16具有包含在其中的插入件18，所述插入件18形成具有增强的流动模式的近壁冷却通道20。可经由从形成大体中空的细长翼型26的外壁24延伸的多个冷却流体流动控制器22控制冷却流体在近壁冷却通道20中的流动。

冷却流体流动控制器22可集中成沿翼展向延伸的排28，并且内部冷却系统14可以包括一个或多个旁路减流器30，其从插入件18朝向外壁24延伸以引导冷却流体通过由冷却流体流动控制器22形成的通道20，由此增大内部冷却系统14的有效性。

在至少一个实施例中，如图1中所示，翼型10可以是用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型10，且可以包括大体细长的中空翼型26，所述大体细长的中空翼型26由外壁24形成且具有前缘32、后缘34、压力侧36、吸力侧38和在第一端部42处的内端壁40和在大体在大体细长的中空翼型26的第一端部42的相对侧上的第二端部46处的外端壁44，和定位在大体细长的中空翼型26的内部方面内的冷却系统14。如图1、3、5和17中所示，冷却系统14可以包括一个或多个翼弦中部（midchord）冷却腔45，插入件18定位在其中，其形成压力侧近壁冷却通道48和吸力侧近壁冷却通道50。如图2、4和8-10中所示，多个冷却流体流动控制器22可从形成大体细长的中空翼型26的外壁24朝向插入件18延伸。冷却流体流动控制器22可形成朝向后缘34向下游延伸的多个交错的曲折通道52。冷却系统14也可以包括一个或多个旁路减流器30，其从插入件18朝向外壁24延伸以减少冷却流体的流动。

如图4中所示，冷却流体流动控制器22可形成朝向后缘34沿大体翼弦向方向向下游延伸的多个交错的曲折通道52。曲折通道52可由具有由压力侧54形成的横截面区域的一个或多个冷却流体流动控制器22形成，压力侧54处于吸力侧56的相对侧上，由此，压力侧54和吸力侧56可经由前缘58和后缘60联接在一起，其中后缘60处于冷却流体流动控制器22的前缘58的相对端部上。沿翼展向延伸的第一排64冷却流体流动控制器22可以包括多个冷却流体流动控制器22，其具有由处于吸力侧56的相对侧上的压力侧54形成的横截面区域，由此压力侧54和吸力侧56经由前缘58和处于冷却流体流动控制器22的前缘58的相对端部上的后缘60联接在一起。一个冷却流体流动控制器22的压力侧54可邻近邻近的冷却流体流动控制器22的吸力侧56。在至少一个实施例中，沿翼展向延伸的第一排64冷却流体流动控制器22内的冷却流体流动控制器22中的每一个均可以类似地定位，使得除了其中不存在邻近的冷却流体流动控制器22的在沿翼展向延伸的第一排64的端部处的冷却流体流动控制器22之外，一个冷却流体流动控制器22的压力侧54邻近邻近的冷却流体流动控制器22的吸力侧56。

内部冷却系统14还可以包括定位在沿翼展向延伸的第一排64冷却流体流动控制器22下游的沿翼展向延伸的第二排66冷却流体流动控制器22。沿翼展向延伸的第二排66冷却流体流动控制器22可具有一个或多个冷却流体流动控制器22，并且相比于沿翼展向延伸的第一排冷却流体流动控制器22中的情况，压力侧54处于冷却流体流动控制器22的相对侧上，由此引起流动通过沿翼展向延伸的第二排66冷却流体流动控制器22的冷却流体以与由沿翼展向延伸的第一排64冷却流体流动控制器22施加在冷却流体上的翼展向矢量70相对的翼展向矢量68被向下游引导。

在至少一个实施例中，如图3、5和17中所示，翼弦中部冷却腔45可以包括将翼弦中部冷却腔45分隔成前缘冷却腔74和后缘冷却腔76的一个或多个肋72。一个或多个冲击支座（standoff）77可以从形成吸力侧38的外壁24径向向内朝向插入件18延伸。多个冷却流体流动控制器32可以从形成大体细长的中空翼型26的压力侧36的外壁22延伸。插入件18可以包括指向大体细长的中空翼型26的吸力侧38的多个冲击孔78。在至少一个实施例中，插入件18可以包括指向大体细长的中空翼型26的吸力侧38的多个冲击孔78。冲击孔78可以形成多个沿翼展向延伸的排80，如图11中所示。

在至少一个实施例中，如图3、5、12、15和16中所示，内部冷却系统14可包括多个旁路减流器30。多个旁路减流器30中的一个或多个可定位在邻近的沿翼展向延伸的排28的冷却流体流动控制器22之间。旁路减流器30可延伸小于从插入件18到形成压力侧36的外壁24的内表面82的距离的一半的距离。在其它实施例中，旁路减流器30可延伸多于从插入件18到形成压力侧36的外壁24的内表面82的距离的一半的距离。插入件18可具有带有完全相同的高度和长度或不同的高度和长度的旁路减流器30。

如图3、5、15和17中所示，内部冷却系统14可包括前部支撑肋84，其从插入件18的上游端部86延伸成与上游插入件支撑部88接触，并且包括尾部支撑肋90，其从插入件18的下游端部92延伸成与下游插入件支撑部94接触。从插入件18的上游端部86延伸的前部支撑肋84可以与上游插入件支撑部88的压力侧96接触，并且从插入件18的下游端部92延伸的尾部支撑肋90可以与下游插入件支撑部94的压力侧98接触。在操作器件，靠近压力侧36的近壁冷却通道20中的高压迫使插入件18朝向吸力侧38运动，由此抵靠上游插入件支撑部88安置前部支撑肋84，并且抵靠下游插入件支撑部94安置尾部支撑肋90。

如图4和17中所示，内部冷却系统14可以包括一个或多个薄膜冷却孔100，其延伸穿过外壁24以从近壁冷却通道20排出冷却流体。薄膜冷却孔100可定位在前缘32处，以形成喷头并且可以延伸穿过压力侧36和吸力侧38。薄膜冷却孔100可以具有任何恰当的长度和横截面形状。最靠近将前缘冷却腔74与后缘腔76分隔开的肋72的压力侧36中的薄膜冷却孔可以由多个沿翼展向延伸的排（诸如但不限于两排）形成，并且可以定位成相对于压力侧36成锐角（诸如但不限于偏离正交大约30度）。薄膜冷却孔100也可以定位在前缘32处最高压力的区域处。

内部冷却系统14可以包括一排或多排扰流柱（pin fin）102，其在冷却流体流动控制器22下游的插入件18处从外壁24延伸。扰流柱102可以具有大体圆形的横截面区域或其它恰当的形状。在冷却流体流动控制器22下游的插入件18处从外壁24延伸的扰流柱102可以定位在一排或多排沿翼展向延伸的排28的扰流柱108中。在至少一个实施例中，扰流柱102可以具有约1.5毫米的彼此之间的最小距离或除外壁24之外的邻近结构之间的最小距离。插入件18可以包括在前缘32处的一个或多个冷却流体排出出口104，以便向形成在形成压力侧36的外壁24和插入件18之间的近壁冷却室20供应冷却流体。一个或多个旁路减流器30可以从处于前缘32处冷却流体排出出口104的紧接的下游的插入件18延伸，以便向形成在形成压力侧36的外壁24和插入件18之间的近壁冷却室20供应冷却流体。

后缘冷却腔76可以包括多个冷却流体流动控制器22。在至少一个实施例中，多个冷却流体流动控制器22可以定位在一个或多个大体沿翼展向延伸的排中。沿翼展向延伸的排可以大体彼此平行，并且可以平行于肋72，其中肋72将翼弦中部冷却腔45分隔成前缘冷却腔74和后缘冷却腔76。后缘冷却腔76中的冷却流体流动控制器22可以从形成压力侧36的外壁24延伸到形成吸力侧38的外壁24。一排或多排扰流柱102可以定位在沿翼展向延伸的排的冷却流体流动控制器22和后缘34之间。邻近排的扰流柱102内的扰流柱102可以沿翼展方向彼此偏移。

在使用期间，可从压缩机或其它这种源将冷却流体供应到内部冷却系统14的插入件18的内室106。冷却流体可填充插入件18，且贯穿插入件18大体沿翼展向流动。冷却流体被传递通过冷却流体排出出口104进入压力侧36上的近壁冷却通道20内，并且通过冲击孔78进入靠近吸入侧38的近壁冷却通道20内。压力侧36上的近壁冷却通道20中的冷却流体被防止经由插入件18和前部支撑肋84和尾部支撑肋90流入吸力侧38上的近壁冷却通道20内。从冲击孔78流入靠近吸力侧38的近壁冷却通道20内的冷却流体撞击在形成吸力侧38的外壁24的内表面上。

压力侧36上的近壁冷却通道20中的冷却流体由第一旁路减流器30被朝向形成压力侧36的外壁24的内表面引导，其中冷却流体流动通过第一排冷却流体流动控制器22，而不是在冷却流体流动控制器22的近端部108和插入件18之间的小间隙之间中流动。旁路减流器31朝向形成压力侧36的外壁24引导冷却流体，由此大致减小在冷却流体流动控制器22的近端部108和插入件18之间形成的间隙110之间的冷却流体的流动。由于组装（assembly），间隙的大小可以是大约0.2毫米。在任一侧上更严格的容差将有助于流动和H/T特性，同时增大的空隙将负面地影响流动和H/T。此外，旁路减流器30朝向形成压力侧36的外壁24引导冷却流体，其朝向外壁24引导冷却流体，其中由于其直接暴露于燃烧器排出气体，因此最需要冷却。冷却流体流动通过相继的排的冷却流体流动控制器22，其是往复曲折的，且由于冷却流体从外壁12和冷却流体流动控制器22获取热，因此朝向后缘34移动温度升高。冷却流体也可以流动经过一排或多排扰流柱102，且可从薄膜冷却孔100被排出。冷却流体也可以经由被配置为形成喷头的前缘32处的薄膜冷却孔100和形成压力侧36及吸力侧38的外壁24中的其它薄膜冷却孔在外壁24的外表面上形成薄膜冷却。

出于说明、解释和描述本发明的实施例的目的提供前述内容。对这些实施例的修改和调适对本领域技术人员而言将是显而易见的，且可在不脱离本发明的范围或精神的情况下做出。