发动机构件的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件(80)包括膜冷却式衬底(82)，膜冷却式衬底(82)具有面向热的燃烧气体流的热表面(84)和面向冷却流体流的冷表面(86)。膜孔(90)延伸通过衬底到达热表面(84)上的出口(94)。在出口(94)的下游提供流调节结构(112，142)。
【专利说明】
发动机构件
技术领域
[0001]涡轮发动机且特别是燃气涡轮发动机或燃烧涡轮发动机是旋转式发动机，其从燃烧气体流中抽取能，燃烧气体流通过发动机传送到多个涡轮叶片上。燃气涡轮发动机已经用于陆地和航海移动和功率产生，但最普遍的是用于航空应用，诸如用于航空器，包括直升机。在航空器中，燃气涡轮发动机用于推进航空器。在陆地应用中，涡轮发动机通常用于产生功率。
【背景技术】
[0002]用于航空器的燃气涡轮发动机设计成在高温下工作，以最大程度地提高发动机效率，所以冷却诸如高压涡轮和低压涡轮的某些发动机构件可能是必要的。一些发动机构件包括膜孔，膜孔将冷却流体的薄层或膜供应到发动机构件的热表面上，以保护发动机构件免受热的燃烧气体的影响。典型地，通过将较冷的空气从高压和/或低压压缩机输送到需要膜冷却的发动机构件来实现冷却。来自压缩机的冷却空气为大约500°C至700°C。虽然压缩机空气的温度高，但比传送通过燃烧室的空气(可1000°C至2000°C)更冷。
【发明内容】
[0003]—方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，发动机构件具有:衬底，其具有面向热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，热的燃烧气体流大体相对于热表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通过衬底，并且具有设置在冷表面上的入口、设置在热表面上的出口，以及连接入口和出口的通道;在热表面上设置在出口的下游的流调节结构，其中，流调节结构构造成促使从出口流出的冷却流体流粘附到热表面上；以及缓冲区，其在出口和流调节结构之间，使得流调节结构在物理上不与膜孔连接。
[0004]另一方面，本发明一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，发动机构件具有:衬底，其具有面向热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，热的燃烧气体流大体相对于热表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通过衬底，并且具有设置在冷表面上的入口、设置在热表面上的出口，以及连接入口和出口的通道;流调节结构，其包括在热表面中的凹部，凹部在热表面上设置在出口的下游，其中，凹部构造成促使从出口流出的冷却流体流粘附到热表面上；以及缓冲区，其在出口和凹部之间，使得凹部在物理上不与膜孔连接。
[0005]又一方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，发动机构件具有:衬底，其具有面向热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，热的燃烧气体流大体相对于热表面限定上游方向和下游方向；膜孔，其延伸通过衬底，并且具有设置在冷表面上的入口、设置在热表面上的出口，以及连接入口和出口的通道;流调节结构，其包括从热表面凸出的凸出部，凸出部在热表面上设置在出口的下游，其中，凸出部构造成促使从出口流出的冷却流体流粘附到热表面上；以及缓冲区，其在出口和凸出部之间，使得凸出部在物理上不与膜孔连接。
[0006]技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，所述燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，所述发动机构件包括:
衬底，其具有面向所述热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，所述热的燃烧气体流大体相对于所述热表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通过所述衬底，并且具有设置在所述冷表面上的入口、设置在所述热表面上的出口，以及连接所述入口和所述出口的通道；
在所述热表面上设置在所述出口的下游的流调节结构，其中，所述流调节结构构造成促使从所述出口流出的冷却流体流粘附到所述热表面上；以及
缓冲区，其在所述出口和所述流调节结构之间，使得所述流调节结构在物理上不与所述膜孔连接。
[0007]技术方案2.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述缓冲区包括所述热表面的在所述出口和所述流调节结构之间的区域。
[0008]技术方案3.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述流调节结构包括在所述热表面中的凹部。
[0009]技术方案4.根据技术方案3所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部由具有至少一个弯曲或笔直节段的周缘限定。
[0010]技术方案5.根据技术方案3所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部包括弯曲横截面形状。
[0011 ]技术方案6.根据技术方案5所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部进一步包括与所述热表面合并的渐缩下游部分。
[0012]技术方案7.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述流调节结构包括从所述热表面凸出的凸出部。
[0013]技术方案8.根据技术方案7所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部由具有至少一个弯曲或笔直节段的周缘限定。
[0014]技术方案9.根据技术方案7所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部包括弯曲横截面形状。
[0015]技术方案10.根据技术方案9所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部进一步包括与所述热表面合并的渐缩下游部分。
[0016]技术方案11.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述通道包括限定所述入口的计量区段和限定所述出口的扩散区段。
[0017]技术方案12.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述通道限定中心线，所述中心线沿所述下游方向倾斜，使得所述中心线不垂直于所述冷表面和所述热表面。
[0018]技术方案13.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述发动机构件包括叶片、导叶、护罩或燃烧器衬套中的一个。
[0019]技术方案14.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述衬底包括所述发动机构件的外壁，所述外壁限定内部，所述冷却流体流供应到所述内部。
[0020]技术方案15.根据技术方案I所述的发动机构件，其特征在于，所述流调节结构进一步在所述热表面上在所述出口附近沿侧向延伸。
[0021]技术方案16.根据技术方案15所述的发动机构件，其特征在于，所述缓冲区进一步围绕所述出口的下游边缘延伸。
[0022]技术方案17.—种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，所述燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，所述发动机构件包括:
衬底，其具有面向所述热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，所述热的燃烧气体流大体相对于所述热表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通过所述衬底，并且具有设置在所述冷却表面上的入口、设置在所述热表面上的出口，以及连接所述入口和所述出口的通道；
流调节结构，其包括在所述热表面中的凹部，所述凹部在所述热表面上设置在所述出口的下游，其中，所述凹部构造成促使从所述出口流出的冷却流体流粘附到所述热表面上；以及
缓冲区，其在所述出口和所述凹部之间，使得所述凹部在物理上不与所述膜孔连接。
[0023]技术方案18.根据技术方案17所述的发动机构件，其特征在于，所述缓冲区包括所述热表面的在所述出口和所述凹部之间的区域。
[0024]技术方案19.一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，所述燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，所述发动机构件包括:
衬底，其具有面向所述热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，所述热的燃烧气体流大体相对于所述热表面限定上游方向和下游方向；
膜孔，其延伸通过所述衬底，并且具有设置在所述冷表面上的入口、设置在所述热表面上的出口，以及连接所述入口和所述出口的通道；
流调节结构，其包括从所述热表面凸出的凸出部，其在所述热表面上设置在所述出口的下游，其中，所述凸出部构造成促使从所述出口流出的冷却流体流粘附到所述热表面上；以及
缓冲区，其在所述出口和所述凸出部之间，使得所述凸出部在物理上不与所述膜孔连接。
[0025]技术方案20.根据技术方案19所述的发动机构件，其特征在于，所述缓冲区包括所述热表面的在所述出口和所述凸出部之间的区域。
[0026]技术方案21.一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件(80)，所述燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，所述发动机构件(80)包括:
衬底(82)，其具有面向所述热的燃烧气体流的热表面(84)和面向冷却流体流的冷表面(84)，所述热的燃烧气体流大体相对于所述热表面(84)限定上游方向和下游方向；
膜孔(90)，其延伸通过所述衬底(82)，并且具有设置在所述冷表面(84)上的入口(92)、设置在所述热表面(84)上的出口(94)，以及连接所述入口(92)和所述出口(94)的通道(96);
在所述热表面(84)上设置在所述出口(94)的下游的流调节结构(112，142)，其中，所述流调节结构(112，142)构造成促使从所述出口(94)流出的冷却流体流粘附到所述热表面
(84)上；以及
缓冲区(114，144)，其在所述出口(94)和所述流调节结构(112，142)之间，使得所述流调节结构(112，142)在物理上不与所述膜孔(90)连接。
[0027]技术方案22.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述缓冲区(114，144)包括所述热表面(84)的在所述出口(94)和所述流调节结构(112，142)之间的区域。
[0028]技术方案23.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述流调节结构(112)包括在所述热表面(84)中的凹部(112)或凸出部(142)中的一个。
[0029]技术方案24.根据技术方案23所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述流调节结构(112，142)由具有至少一个弯曲节段或线性节段的周缘限定。
[0030]技术方案25.根据技术方案23所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述流调节结构(112，142)包括弯曲横截面形状。
[0031]技术方案26.根据技术方案23所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述流调节结构(112，142)进一步包括与所述热表面(84)合并的渐缩下游部分(140，166)。
[0032]技术方案27.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述通道(96)包括限定所述入口(92)的计量区段(98)和限定所述出口(94)的扩散区段(100)。
[0033]技术方案28.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述通道
(96)限定中心线(102)，所述中心线(102)沿所述下游方向倾斜，使得所述中心线(102)不垂直于所述冷表面(84)和所述热表面(84)。
[0034]技术方案29.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述流调节结构(112，142)进一步在所述热表面(84)上在所述出口(94)附近沿侧向延伸。
[0035]技术方案30.根据技术方案21所述的发动机构件(80)，其特征在于，所述缓冲区(114，144)进一步围绕所述出口(94)的下游边缘(106)延伸。
【附图说明】
[0036]在图中:
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
[0037]图2是图1的发动机的燃烧器和高压涡轮的侧视截面图。
[0038]图3是通过根据本发明的第一实施例的图1的发动机的发动机构件的膜孔的示意性透视图。
[0039]图4是图3的发动机构件的热表面的透视图。
[0040]图5-6是分别类似于图3-4的视图，并且相对于发动机构件显示热的燃烧气体流和冷却流体流。
[0041]图7是通过根据本发明的第二实施例的图1的发动机的发动机构件的膜孔的示意性透视图。
[0042]图8是类似于图7的视图，并且相对于发动机构件显示热的燃烧气体流和冷却流体流。
[0043]图9是通过根据本发明的第三实施例的图1的发动机的发动机构件的膜孔的示意性透视图。
[0044]图10是图9的发动机构件的热表面的透视图。
[0045]图11-12是分别类似于图9-10的视图，并且相对于发动机构件显示热的燃烧气体流和冷却流体流。
[0046]图13是通过根据本发明的第四实施例的图1的发动机的发动机构件的膜孔的示意性透视图。
[0047]图14是类似于图13的视图，并且相对于发动机构件显示热的燃烧气体流和冷却流体流。
[0048]部件列表
10燃气涡轮发动机；12中心线；14前部；16后部；18风扇区段;20风扇；22压缩机区段；24LPC; 26HPC; 28燃烧区段；30燃烧器；32涡轮区段；34HPT; 36LPT; 38排气区段;40风扇壳；42风扇叶片；44核心；46核心壳；48HP轴筒；50LP轴筒；52LPC级；54HPC级；56LPC叶片；58HPC叶片；60LPC导叶；62HPC导叶；64HPT级；66LPT级；68HPT叶片；70LPT叶片；72HPT导叶；74LPT导叶；76偏转器;77燃烧器衬套;78护罩组件;80发动机构件;82衬底/壁;84热表面;86冷表面；88内部腔体;90膜孔;92入口； 94出口； 96通道;98计量区段；100扩散区段；102中心线；104上游边缘；106下游边缘；108上游方向；110下游方向；112流调节结构；114缓冲区；116上游边缘；118下游边缘；120出口侧边缘；122出口侧边缘;124中间部分;126侧向部分；128侧向部分；130端部；132端部；134中间区；136侧向区；138侧向区；140渐缩部；142凸出部；144缓冲区；146上游边缘；148下游边缘；150中间部分；152侧向部分；154侧向部分；156端部；158端部；160中间区；162侧向区；164侧向区；166渐缩部；168;H热的燃烧气体流;C冷却流体流;W缓冲区的宽度;D计量直径。
【具体实施方式】
[0049]本发明的描述实施例涉及特别是燃气涡轮发动机中的膜冷却式发动机构件。为了说明，将关于航空器燃气涡轮发动机来描述本发明的各方面。但将理解的是，本发明不受此限制，而是一般可适用于非航空器应用，诸如其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。
[0050]图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有大体纵向延伸的轴线或从前部14延伸到后部16的中心线12。发动机10包括成下游串联流关系的:风扇区段18，其包括风扇20;压缩机区段22，其包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26;燃烧区段28，其包括燃烧器30;涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36和排气区段38。
[0051 ] 风扇区段18包括风扇壳40，风扇壳40包围风扇20。风扇20包括围绕中心线12沿径向设置的多个风扇叶片42。
[0052]HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，核心44产生燃烧气体。核心44由核心壳46包围，核心壳46可与风扇壳40联接。
[0053]围绕发动机10的中心线12同轴地设置的HP轴或轴筒48驱动地将HP涡轮34连接到HP压缩机26上。LP轴或轴筒50围绕发动机10的中心线12在较大直径的环形HP轴筒48内同轴地设置，LP轴或轴筒50驱动地将LP涡轮36连接到LP压缩机24和风扇20上。
[0054]LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中压缩机叶片56、58相对于对应的一组静态压缩机导叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以使传送通过级的流体流压缩或加压。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可设置成环，并且可相对于中心线12沿径向向外从叶片平台延伸到叶片尖部，而对应的静态压缩机导叶60、62则定位在旋转叶片56、58的下游和附近。注意，选择图1中显示的数量的叶片、导叶和压缩机级的仅仅是为了说明目的，而且其它数量是可行的。
[0055]HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中一组涡轮叶片68、70相对于对应的一组静态涡轮导叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从传送通过级的流体流中抽取能。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可设置成环，而且可相对于中心线12沿径向向外从叶片平台延伸到叶片尖部，而对应的静态涡轮导叶72、74则定位在旋转叶片68、70的上游和附近。注意，选择图1中显示的数量的叶片、导叶和涡轮级仅仅是为了说明目的，而且其它数量是可行的。
[0056]在运行中，旋转风扇20将周围空气供应到LP压缩机24，然后LP压缩机24将加压的周围空气供应到HP压缩机26，HP压缩机26进一步对周围空气加压。来自HP压缩机26的加压空气与燃烧器30中的燃料混合，并且点燃，从而产生燃烧气体。HP涡轮34从这些气体中抽取一些功，HP涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体排到LP涡轮36中，LP涡轮36抽取额外的功来驱动LP压缩机24，并且排气最终通过排气区段38从发动机10中排出。LP涡轮36的驱动会驱动LP轴筒50使风扇20和LP压缩机24旋转。
[0057]由风扇20供应的一些周围空气可绕过发动机核心44，并且用于冷却发动机10的一部分，尤其是热的部分，并且/或者用来冷却航空器的其它方面，或者对航空器的其它方面提供功率。在涡轮发动机的语境中，发动机的热的部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮区段32，HP涡轮34是最热的部分，因为它在燃烧区段28的下游不远处。其它冷却流体源可为(但不限于)从LP压缩机24或HP压缩机26中排出的流体。
[0058]图2是图1的发动机10的燃烧器30和HP涡轮34的侧面截面图。燃烧器30包括偏转器76和燃烧器衬套77。沿轴向方向在涡轮34的涡轮叶片68附近的是沿径向间隔开的成组的静态涡轮导叶72，其中相邻导叶72在它们之间形成喷嘴。喷嘴使燃烧气体转动，以使其较好地流到旋转叶片中，使得涡轮34可最大程度地抽取能。冷却流体流C传送通过导叶72，以在热的燃烧气体流H沿着导叶72的外部传送时冷却导叶72。护罩组件78在旋转叶片68附近，以最大程度地减小涡轮34中的流损失。类似的护罩组件也可与LP涡轮36、LP压缩机24或HP压缩机26相关联。
[0059]发动机10的一个或多个发动机构件包括膜冷却式衬底，其中可提供本文进一步公开的实施例的膜孔。具有膜冷却式衬底的发动机构件的一些非限制性示例包括图1-2中描述的叶片68、70、导叶或喷嘴72、74、燃烧器偏转器76、燃烧器衬套77或护罩组件78。其中使用膜冷却的其它非限制性示例包括涡轮过渡管和排气喷嘴。
[0060]图3是显示根据本发明的第一实施例的发动机构件80的一部分的示意性透视图。发动机构件80可为图1的发动机10的发动机构件，并且可设置在由箭头H表示的热气流中。冷却流体流由箭头C表示，可供应冷却流体流来冷却发动机构件。如上面关于图1-2所论述的那样，在涡轮发动机的语境中，冷却空气可为由风扇20供应的周围空气(其绕过发动机核心44)、来自LP压缩机24的流体或来自HP压缩机26的流体。
[0061 ]发动机构件80包括衬底82，衬底82具有面向热的燃烧气体流H的热表面84和面向冷流体C的冷表面86。衬底82可形成发动机构件80的壁;壁可为发动机构件80的外壁或内壁。第一发动机构件80可限定至少一个内部腔体88，内部腔体88包括冷表面86。热表面84可为发动机构件80的外表面。在燃气涡轮发动机的情况下，热表面84可暴露于温度范围为100 °C至2000 °C的气体。适合衬底82的材料包括(但不限于)钢、耐火金属，诸如钛，或者基于镍、钴或铁的超合金，以及陶瓷基质复合材料。超合金可包括等轴、定向凝固且单晶的结构中的那些。
[0062]发动机构件80进一步包括一个或多个膜孔(一个或多个)90，其延伸通过衬底82，衬底82在内部腔体和发动机构件80的热表面84之间提供流体连通。在运行期间，冷却流体流C供应到内部腔体88且离开膜孔90，以在热表面84上产生冷却空气薄层或薄膜，从而保护热表面84免受热的燃烧气体流H的影响。虽然图3中显示了仅一个膜孔90，但要理解的是，发动机构件80可设有多个膜孔90，膜孔90按任何期望构造布置在发动机构件80上。
[0063]注意，在本文论述的任何实施例中，虽然显示了衬底82是大体平坦的，但要理解的是，许多发动机构件80，衬底82可弯曲。但是，衬底82的曲率可略微小于膜孔90的大小，而且因此为了论述和说明，显示了衬底82是平坦的。不管衬底82在膜孔90的局部是平坦还是弯曲的，热表面84和冷表面86都可如本文显示的那样是彼此平行的，或者可位于非平行平面中。
[0064]膜孔90可具有设置在衬底82的冷表面86上的入口92、设置在热表面84上的出口94，以及连接入口 92和出口 94的通道96。通道96可包括用于计量冷却流体流C的质量流率的计量区段98，以及扩散区段100，冷却流体C在扩散区段100中可膨胀，以形成较宽的冷却膜。计量区段98可为通道96的一部分，该部分具有垂直于冷却流体流C通过通道96的方向的最小横截面积。计量区段98可为离散位置，通道在此处具有最小横截面积，或者计量区段98可为通道96的伸长区段。扩散区段100相对于通过通道96的冷却流体流C的方向在计量区段98的下游。扩散区段100可与计量区段98处于串联流连通。计量区段98可设置在入口 92处或其附近，而扩散区段100则可限定在出口 94处或其附近。
[0065]通过通道96的冷却流体流C沿着通道96的纵向轴线，在本文也称为中心线102，中心线102穿过计量区段98的横截面区域的几何中心。膜孔90可沿通过通道96的冷却流体流C的下游方向倾斜，使得中心线102不垂直于热表面84和冷表面86。备选地，膜孔90可具有中心线102，其在衬底82的中心线102穿过其中的局部区域中垂直于热表面84和冷表面86中的一个或两者。在其它实施例中，膜孔90的中心线102不可沿热的燃烧气体流H的方向定向，使得冷却流体流C的矢量不同于热的燃烧气体流H的矢量。例如，具有复合角的膜孔限定冷却流矢量，它不仅在横截面上不同于热的燃烧气体流矢量，而且在从热表面84处看到的自上而下的视图中也是不同的。
[0066]出口 94包括上游边缘104和下游边缘106，通道96在上游边缘104和下游边缘106处与衬底82的热表面84相交。边缘104、106可大体相对于热的燃烧气体流H的方向限定，其中热的燃烧气体流H大体相对于热表面84限定上游方向108和下游方向110，即，经过出口94。上游边缘104大体面向下游方向110，而下游边缘106则大体面向上游方向108。
[0067]发动机构件80进一步设有在衬底82的热表面84上的流调节结构112。流调节结构112在出口 94的下游，并且在物理上与出口 94间隔开，而且构造成促使从出口 94流出的冷却流体流C以较有效地粘附到热表面84上。
[0068]在示出的实施例中，流调节结构112包括在热表面84中的至少一个凹部。凹部112不在出口 94附近，而是与出口 94被缓冲区114分开，使得凹部112在物理上不与膜孔90连接。当在横截面中看时，如图3中那样，凹部112具有大体相对于热的燃烧气体流H的方向限定的上游边缘116和下游边缘118。上游边缘116大体面向下游方向110，而下游边缘118则大体面向上游方向108。凹部112可相对于膜孔90的中心线102居中，并且可至少部分地围绕出口 94延伸。
[0069]缓冲区114在出口 94的下游边缘106和凹部112的上游边缘116之间延伸。缓冲区114可包括热表面84的在出口 94和凹部112之间的区域，其中该区域不包括膜孔90或凹部112的任何部分。
[0070]缓冲区114在出口 94的下游边缘106和凹部112的上游边缘116之间限定宽度W。缓冲区114的宽度W可从非常小而使得凹部112接近出口 94，变得较大而使得凹部112与出口 94分得更开。在可行宽度W的范围的最小端处，缓冲区114可足够大，以允许膜孔90和凹部112形成而不损伤彼此。缓冲区114使膜孔90的出口 94及其出口形状在功能和空间上保持与凹部112分开。这不仅保持精准地制造各个元件，包括允许所需容差，而且还允许冷却流体流C在遇到凹部112或修改这个流的其它流调节特征之前在膜孔90的出口 94处完全形成或散布。在可行宽度W的范围的最大端处，缓冲区114可离得不那么远而使其对流体流的调节作用无效；因而，最大可行宽度W可取决于冷却流体流C的动量。因而，缓冲区114的宽度W优选落在以下范围:0.5D至f5D内，其中D是由膜孔90的计量区段98限定的计量直径。也就是说，缓冲区114的宽度W优选介于计量直径D的一点五倍和五倍之间。
[0071]注意，关于本发明的这个或任何其它实施例的计量区段98所使用的用语“计量直径(D)”不表示将计量区段98局限于任何特定横截面，其中垂直于通过通道96的冷却流体流C的方向而确定计量区段98的横截面。在这个实施例中，计量区段98的横截面大体为圆形。但是计量区段98的特定横截面形状对于本发明的其它实施例可为不同的；例如，计量区段98的横截面形状可为长方形或椭圆形。对于非圆形计量区段98，计量直径D可为横截面的液力直径，它通常限定为四倍的横截面积除以横截面周长。对于仍然大体为圆形的非常不规则的计量区段98，诸如通常用撞击激光加工生产的那些，计量直径D可为可毫无损伤地穿过计量区段98的最大圆形销的直径。对也具有不规则表面的非圆形区段，计量直径D可为可毫无损伤地穿过的形状合适的最大销的水力直径。对于扩散区段100前面的非笔直或非恒定横截面长度，可在最小横截面积位置处使用相同的总定义。
[0072]用于促使从出口94流出的冷却流体流C粘附到热表面84上的凹部112的构造可至少部分地由凹部112的横截面形状限定。示出的凹部112具有横截面形状，它大体为凹形，或者在上游边缘116和下游边缘118之间向内弯曲，其中边缘116、118与热表面84会合或汇合到热表面84中。凹部112的横截面形状可保持基本恒定，或者可如下面更详细地描述的那样改变。
[0073]图4是图3的发动机构件80的热表面84的透视图。出口94在周缘处与热表面84会合，周缘包括出口 94的上游边缘104和下游边缘106。凹部112还在周缘处与热表面84会合，周缘包括凹部112的上游边缘116和下游边缘118。由于缓冲区114的原因，凹部周缘与出口周缘不邻接。
[0074]用于促使从出口94流出的冷却流体流C粘附到热表面84上的凹部112的构造还可至少部分地由凹部112的周缘形状限定，而且可取决于用于膜孔90的出口 94的形状。更特别地，凹部112的周缘可相对于出口 94的周缘构造而成。示出的出口 94具有大体长方形的周缘。相应地，示出的凹部112包括包括一个或多个线性节段的周缘。其它出口 94可具有圆形周缘形状，并且相应地，凹部112可具有一个或多个弯曲节段。凹部112可进一步具有围绕出口 94的线性节段和弯曲节段的组合。
[0075]更特别地，出口94具有基本梯形的周缘，其中基本线性上游边缘104通过基本线性侧边缘120、122与基本线性下游边缘106连结，基本线性侧边缘120、122沿下游方向彼此发散。侧边缘120、122可作为平滑曲线而非尖角或圆角与上游边缘104和下游边缘106汇合。
[0076]凹部112具有基本遵从出口94的形状的周缘，并且包括多个线性节段，包括中间部分124和从中间部分124的端部延伸的两个侧向部分126、128。中间部分124可大体在出口 94的下游边缘106的下游，并且侧向部分126、128可相对于中心线102大体在出口 94的侧边缘120、122附近。各个侧向部分126、128具有自由端130、132，它们分别渐缩或汇合到热表面84中。
[0077]在示出的实施例中，中间和侧向部分124、126、128彼此是连续的，并且共同限定单个凹部112。在其它实施例中，侧向部分126、128中的一个或它们两者可与中间部分124分开，以形成不止一个凹部。因而，流调节结构可由热表面84中的多个凹部共同限定。
[0078]对于示出的膜孔90，其中凹部112关于中心线102是基本轴线对称的，中间部分124相对于中心线102居中，并且侧向部分126、128围绕出口 94等距地延伸。在本发明的其它实施例中，凹部112可不关于中心线102对称。另外在示出的实施例中，侧向部分126、128基本延伸到出口94的上游边缘104。在其它实施例中，侧向部分126、128可仅部分地沿着侧边缘120、122延伸，或者凹部112可没有任何侧向部分。
[0079]凹部112的横截面形状可沿着中间和侧向部分124、126、128保持基本恒定。例如，横截面形状可如图3中显示的那样在侧向部分126、128和中间部分124处为大体凹形或向内弯曲。在其它实施例中，横截面形状可沿着部分124、126、128中的一个或多个改变，以补偿这些位置处的变化的流体状况。例如，凹部112可在中间部分124处较深，而在侧向部分126、128处较浅，以沿上游方向108渐缩。在其它非限制性示例中，凹部112可具有锯齿状或周期性横截面形状。
[0080]缓冲区114还遵从出口 94和凹部112的形状，并且围绕出口 94的下游和侧向边缘106、120、122延伸。缓冲区114包括在出口 94的下游边缘106和凹部112的中间部分124之间延伸的中间区134，以及分别在出口94的侧边缘120、122和凹部112的侧向部分126、128之间延伸的两个侧向区136、138。
[0081]图5-6是分别类似于图3-4的视图，并且相对于发动机构件80显示热的燃烧气体流和冷却流体流。在运行中，冷却流体流C通过入口 92进入膜孔90，并且传送通过计量区段98和扩散区段100，然后在出口 94处沿着热表面84离开膜孔90。在冷却流体流C离开出口 94时，冷却流体流C过多地渗透到热的燃烧气体流H中可导致冷却流体流C立即被扫离衬底82的热表面84，这会降低来自膜孔90的流体的冷却效率。凹部112促使从出口 94流出的冷却流体流C粘附到热表面84上。特别地，凹部112帮助冷却流体流C在出口 94下游作为冷却流体膜保持附连到衬底82的热表面84上。沿着出口 94的下游和侧边缘延伸的凹部112充当边界层陷阱，它通过下者减小冷却流体流C与热的燃烧气体流H的过度相互作用的有害影响:调节膜孔90的外部不远处的区域，以促使冷却流体流C保持接近热表面84，以及与热的燃烧气体流H不那么混合。凹部112调节出口94下游及其附近的热表面84，以使冷却流体流C成形，从而在冷却边界层在热表面84上形成时操纵它，以防止较多热的燃烧气体流H在出口区附近与冷却流体混合。
[0082]图7是显示根据本发明的第二实施例的具有流调节结构的发动机构件80的示意性透视图。发动机构件80与第一实施例的发动机构件基本相同，并且相同元件由相同参考标号指示。第二实施例与第一实施例的不同在于，凹部112相对于热的燃烧气体流H沿下游方向渐缩。示出的凹部112具有大体凹形或相对于上游边缘116向内弯曲的横截面形状，并且包括在下游方向上的渐缩部140，使得下游边缘118汇合到热表面84中。
[0083]图8相对于发动机构件80显示热的燃烧气体流和冷却流体流。热的燃烧气体流H与冷却流体流C的流型可基本类似于上面针对图5-6中的第一实施例所描述的那些。在凹部112上提供渐缩部140会在某些情形下减少或消除凹部112产生的流体旋涡，这可抵消凹部112提供的冷却效用的一些好处。
[0084]图9是显示根据本发明的第三实施例的具有流调节结构的发动机构件80的示意性透视图。发动机构件80与第一实施例的发动机构件基本相同，并且相同元件由相同参考标号指示。第三实施例与第一实施例的不同在于，流调节结构包括从热表面84凸出的至少一个凸出部142。凸出部142不在出口 94附近，而是与出口 94被缓冲区144分开，使得凸出部142在物理上不与膜孔90连接。当在横截面上看时，如在图9中那样，凸出部142具有大体相对于热的燃烧气体流H的方向限定的上游边缘146和下游边缘148 ο上游边缘146大体面向上游方向108，而下游边缘148则大体面向下游方向110。凸出部142可相对于膜孔90的中心线102居中，并且可至少部分地围绕出口 94延伸。
[0085]缓冲区144在出口 94的下游边缘106和凸出部142的上游边缘146之间延伸。缓冲区144可包括热表面84的在出口 94和凸出部142之间的区域，其中该区域不包括膜孔90或凸出部142的任何部分。
[0086]缓冲区144在出口 94的下游边缘106和凸出部142的上游边缘146之间限定宽度W。缓冲区144的宽度W可从非常小而使得凸出部142接近出口 94，变得较大而使得凸出部142与出口 94分得更开。在可行宽度W的范围的最小端上，缓冲区144可足够大，以允许膜孔90和凸出部142在彼此无损伤的情况下形成。缓冲区144使膜孔90的出口 94及其出口形状在功能和空间上保持与凸出部142分开。这不仅保持精准地制造各个元件，包括允许所需容差，而且还允许冷却流体流C在遇到凸出部142或修改这个流的其它流调节特征之前在膜孔90的出口 94处完全形成或散布。在可行宽度W的范围的最大端处，缓冲区144可离得不那么远而使其对流体流的调节作用无效；因而，最大可行宽度W可取决于冷却流体流C的动量。因而，缓冲区144的宽度W优选落在以下范围:0.至内，其中D是由膜孔90的计量区段98限定的计量直径。也就是说，缓冲区144的宽度W优选介于计量直径D的一点五倍和五倍之间。
[0087]用于促使从出口94流出的冷却流体流C粘附到热表面84上的凸出部142的构造可至少部分地由凸出部142的横截面形状限定。示出的凸出部142具有横截面形状，它大体为凹形，或者在上游边缘146和下游边缘148之间向内弯曲，其中边缘146、148与热表面84会合或汇合到热表面84中。凸出部142的横截面形状可保持基本恒定，或者可如下面更详细地描述的那样改变。
[0088]图10是图9的发动机构件80的热表面84的透视图。第三实施例的出口94可具有不同于第一实施例的周缘形状。示出的出口 94具有大体圆形的周缘。相应地，示出的凸出部142包括周缘，周缘包括一个或多个弯曲节段。其它出口 94可具有长方形周缘形状，并且相应地，凸出部142可具有一个或多个线性节段。凸出部142可进一步具有围绕出口94的线性节段和弯曲节段的组合。由于缓冲区144的原因，凸出部周缘与出口周缘不邻接。
[0089]更特别地，出口 94具有基本椭圆形的周缘，其中上游边缘104和下游边缘106弯曲以彼此会合。凸出部142具有周缘，周缘基本遵从出口94的形状，并且以马蹄形弯曲，包括中间部分150和从中间部分150的端部延伸的两个侧向部分152、154。中间部分150可大体在出口 94的下游边缘106的下游，并且侧向部分152、154可相对于中心线102大体在出口 94附近。各个侧向部分152、154分别具有自由端156、158，它们渐缩或汇合到热表面84中。
[0090]在示出的实施例中，中间和侧向部分150、152、154彼此是连续的，并且共同限定单个凸出部142。在其它实施例中，侧向部分152、154中的一个或两者可与中间部分150分开，以形成不止一个凸出部。因而，流调节结构可由热表面84中的多个凸出部限定共同。
[0091]对于示出的膜孔90，其中凸出部142关于中心线102基本轴线对称，中间部分150相对于中心线102居中，并且侧向部分152、154围绕出口 94等距地延伸。在本发明的其它实施例中，凸出部142可不关于中心线102对称。另外在示出的实施例中，侧向部分152、154基本延伸到出口94的上游边缘104。在其它实施例中，侧向部分152、154可仅部分地沿着出口94延伸，或者凸出部142可没有任何侧向部分。
[0092]凸出部142的横截面形状可沿着中间和侧向部分150、152、154保持基本恒定。例如，横截面形状可如图9中显示的那样在侧向部分152、154和中间部分150处大体为凸形或向外弯曲。在其它实施例中，横截面形状可沿着部分150、152、154中的一个或多个而改变，以补偿这些位置处的变化的流体状况。例如，凸出部142可在中间部分150处较深，以及在侧向部分152、154处较浅，以沿上游方向108渐缩。在其它示例中，凸出部142可具有锯齿状或周期性横截面形状。
[0093]缓冲区144还遵从出口 94和凸出部142的形状，并且围绕出口 94延伸。缓冲区144包括中间区160，中间区160在出口 94的下游边缘106和凸出部142的中间部分150之间延伸，并且两个侧向区162、164分别在侧部出口 94和凸出部142的侧向部分152、154之间延伸。
[0094]图11-12是分别类似于图9-10的视图，并且相对于发动机构件80显示热的燃烧气体流和冷却流体流。在运行中，冷却流体流C通过入口 92进入膜孔90，并且传送通过计量区段98和扩散区段100，然后在出口 94处沿着热表面84离开膜孔90。如上面关于图5-6所描述的那样，在冷却流体流C离开出口 94时，冷却流体流C过多地渗透到热的燃烧气体流H中可导致冷却流体流C立即被扫离衬底82的热表面84，这会降低来自膜孔90的流体的冷却效率。凸出部142促使从从出口 94流出的冷却流体流C粘附到热表面84上。特别地，凸出部142帮助冷却流体流C在出口 94下游作为冷却流体膜保持附连到衬底82的热表面84上。凸出部142调节出口94下游及其附近的热表面84，以使冷却流体流C成形，从而在冷却边界层在热表面84上形成时操纵它，以防止较多热的燃烧气体流H与出口区附近的冷却流体混合。凸出部142进一步用来使主燃烧气体流H偏转远离冷却流体流C。通过允许冷却流体流C向上移动且在凸出部142上移动，防止热的燃烧气体流H侵入冷却流体流C之下。
[0095]图13是显示根据本发明的第四实施例的具有流调节结构的发动机构件80的示意性透视图。发动机构件80与第三实施例的发动机构件基本相同，并且相同元件由相同参考标号指示。第四实施例与第三实施例的不同在于，凸出部142相对于热的燃烧气体流H沿下游方向渐缩。示出的凸出部142具有大体凸形或者相对于上游边缘146向外弯曲的横截面形状，并且包括在下游方向上的渐缩部166，使得下游边缘148汇合到热表面84中。
[0096]图14相对于发动机构件80显示热的燃烧气体流和冷却流体流。热的燃烧气体流H与冷却流体流C的流型可基本类似于上面针对图11-12中的第三实施例所描述的那些。在凸出部142上提供渐缩部166会减少或消除流在凸出部142处分离的可能性。
[0097]本发明的实施例可与膜孔90的计量区段和/或扩散区段的成形和轮廓结合起来。本发明的实施例还可应用于无扩散区段的膜孔。本发明的实施例也可应用于槽口型膜冷却，在这种情况下，出口94设置在热表面84上的槽口内。另外，在任何以上实施例中，涂层可施用到衬底82的热表面84上。涂层的一些非限制性示例包括热障涂层、氧化保护涂层或者它们的组合。
[0098]涉及本文公开的发明的装置和方法的各种实施例对发动机结构提供改进的冷却，尤其是具有膜孔的涡轮构件。在实践所描述的系统的一些实施例时可实现的一个优点是，可在膜孔出口的下游提供流调节结构，以便调节从出口流出的冷却流体流，以便使其粘附到热表面上，从而提高冷却效率。在实践所描述的装置的一些实施例中可实现的另一个优点在于，提供将流调节结构与出口分开的缓冲区容许膜孔和流调节结构在发动机构件上形成，而不牺牲或妨碍任何设计特征。
[0099]本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
【主权项】
1.一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，所述燃气涡轮发动机产生热的燃烧气体流，所述发动机构件包括: 衬底，其具有面向所述热的燃烧气体流的热表面和面向冷却流体流的冷表面，所述热的燃烧气体流大体相对于所述热表面限定上游方向和下游方向； 膜孔，其延伸通过所述衬底，并且具有设置在所述冷表面上的入口、设置在所述热表面上的出口，以及连接所述入口和所述出口的通道； 在所述热表面上设置在所述出口的下游的流调节结构，其中，所述流调节结构构造成促使从所述出口流出的冷却流体流粘附到所述热表面上；以及 缓冲区，其在所述出口和所述流调节结构之间，使得所述流调节结构在物理上不与所述膜孔连接。2.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述缓冲区包括所述热表面的在所述出口和所述流调节结构之间的区域。3.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述流调节结构包括在所述热表面中的凹部。4.根据权利要求3所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部由具有至少一个弯曲或笔直节段的周缘限定。5.根据权利要求3所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部包括弯曲横截面形状。6.根据权利要求5所述的发动机构件，其特征在于，所述凹部进一步包括与所述热表面合并的渐缩下游部分。7.根据权利要求1所述的发动机构件，其特征在于，所述流调节结构包括从所述热表面凸出的凸出部。8.根据权利要求7所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部由具有至少一个弯曲或笔直节段的周缘限定。9.根据权利要求7所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部包括弯曲横截面形状。10.根据权利要求9所述的发动机构件，其特征在于，所述凸出部进一步包括与所述热表面合并的渐缩下游部分。
【文档编号】F02C7/12GK105927285SQ201610106269
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】R.S.班克
【申请人】通用电气公司