使用非对称人字形薄膜孔来冷却翼型表面的方法和结构

摘要

本发明提供使用非对称人字形薄膜孔来冷却翼型表面的方法和结构。薄膜冷却式涡轮结构构造成具有用于改善用于多种翼型表面或翼型区域的薄膜冷却的一个或更多个非对称人字形薄膜冷却孔，尤其在表面流体的流线曲率是显著的区域和应用中。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及薄膜冷却式部件，更具体地涉及使用非对称人字形(chevron)薄膜孔来薄膜冷却翼型(airfoil)表面上的公共位置的方法。

背景技术

燃气涡轮和其它高温设备广泛使用薄膜冷却用于诸如涡轮叶片的热气通道构件的有效保护。薄膜冷却涉及用于冷却部件的技术，其中冷却空气通过该部件外壁中的多个小孔排出以提供沿着该部件的外表面的稀薄的冷却屏障并阻止或减少与热气的直接接触。

应用到薄膜冷却导叶和叶片翼型的公共位置包括其中的前缘、压力侧和吸入侧以及包括内外导叶的端壁和叶片平台的薄膜冷却的端壁。用于涡轮翼型的端壁区域的薄膜冷却不同于翼型自身的薄膜冷却，因为端壁经历通过翼型压力侧表面和吸入侧表面都观察到的全范围的静压分布。该全压力场驱动翼型表面未经历的影响喷射薄膜冷却的显著的二次流型。存在穿过流道的薄膜冷却的显著迁移，从而使喷射和有效冷却非常困难。

喷射薄膜孔通常为圆形或扩散器形。这些孔定向为具有沿着局部表面流线的大致方向的喷射以最小化混合损失。这经常导致某些区域中的薄膜冷却的积累和其它区域中的薄膜冷却的相关缺乏。

由上文看来，将有利的是，提供在存在试图移动薄膜冷却剂远离待保护的预定区域的强侧向压力梯度的情况下在表面上喷射薄膜冷却的结构和方法。该结构和方法将使薄膜冷却剂保持在期望的区域中，而不产生由简单地将流交叉地喷射到主要热气流所引起的不适当的混合损失。

发明内容

简要地，根据一个实施例，薄膜冷却式翼型或翼型区域构造成具有一个或更多个非对称人字形薄膜冷却孔。

根据另一个实施例，薄膜冷却式涡轮结构包括至少一个非对称人字形薄膜冷却孔，以便对于将喷射冷却剂的一部分引导到薄膜冷却式涡轮结构的表面上，人字形的一侧优于人字形的另一侧。

附图说明

当参考附图阅读下列详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更易理解，在整个附图中相同的符号代表相同的部件，其中：

图1是示出本领域已知的人字形薄膜冷却孔的顶视图；

图2是图1所示的薄膜冷却孔的侧视图；

图3是图1所示的薄膜冷却孔的前视图；

图4是示出布置在涡轮导叶的端壁区域中的薄膜冷却孔的透视图；

图5是示出布置在涡轮叶片的端壁区域中的薄膜冷却孔的透视图；

图6示出用于涡轮导叶的端壁区域的喷射薄膜孔，其定向为具有沿着局部表面流线的大致方向的喷射；

图7示出适用于翼型或端壁的非对称人字形薄膜孔；以及

图8示出两个非对称人字形区域，其中各人字形区域包括彼此相对具有不同几何形状的一对翼槽。

尽管上述附图提出可选的实施例，但是也设想本发明的其它实施例，如本文所述。在任何情况下，本公开通过展示而非限制介绍了本发明的实施例。许多其它的变更和实施例可由本领域技术人员设计，其属于本发明的原理的范围和精神内。

元件列表

10对称人字形薄膜冷却孔

12对称人字形薄膜冷却孔脊部

14对称人字形薄膜冷却孔翼槽

16对称人字形薄膜冷却孔进口孔

18薄膜冷却部件的外表面

20热气流

22涡轮导叶的端壁区域

24涡轮导叶

26薄膜冷却孔

28涡轮叶片

29涡轮导叶的端壁区域

30非对称人字形薄膜孔

32非对称人字形薄膜孔平坦脊部

34非对称人字形薄膜孔翼槽

36非对称人字形薄膜孔翼槽

38非对称人字形薄膜孔的进口孔

40薄膜冷却部件的外表面

50一对非对称薄膜孔区域

具体实施方式

人字形薄膜孔已经证明对于改善翼型表面上的薄膜有效性是有利的。现有的人字形薄膜孔总是基于围绕薄膜孔中心线的对称设计。

用于涡轮翼型的端壁区域的薄膜冷却不同于翼型自身的薄膜冷却，因为该端壁经历通过翼型压力侧表面和吸入侧表面都可观察到的全范围的静压分布，如前所述。该全压力场驱动翼型表面未经历的影响喷射薄膜冷却的显著的二次流型。然而，翼型表面的确经历这种二次流效应，但是除在翼型与端壁区域交会的区域中以外大体上处于非常低的程度。存在穿过流道的薄膜冷却的显著迁移，从而使喷射和有效冷却非常困难。

喷射薄膜孔通常为圆形或扩散器形。这些孔通常定向为具有沿着局部表面流线的大致方向的喷射以最小化混合损失。这经常导致某些区域中的薄膜冷却的积累和其它区域中的薄膜冷却的相关缺乏。

在表面流体的流线曲率是显著的区域和使用中，完成类似的流体流动益处的非对称人字形薄膜孔的实施例在本文中描述。这些实施例尽管仍使用单一的圆形通孔，但是将人字形足迹的两半改变成具有不同大小或定向的槽。对于将喷射冷却剂的一部分引导到待冷却表面上，这种非对称有利地使人字形的一侧优于另一侧。人字形的优势侧或主要侧应引导/定向成抵消由热气施加的流线曲率。

首先本文通过参考图1至图3介绍对称人字形薄膜冷却孔的说明以提供对下述非对称薄膜冷却孔的原理和实施例的更好理解。图1是示出本领域已知的对称人字形薄膜冷却孔10的顶视图。脊部12在两个翼槽14之间在深度上侧向地向外凸起。凸状脊部12是拱形的并且轮廓为大致三角形，并在进口孔16和其下游端与外表面18的接合点之间在下游方向上分叉。脊部12的后缘沿着人字形出口的侧向拱形下游端与外表面18齐平地融合，其中凸状后缘朝向进口孔16向上游弯曲。复合人字形薄膜冷却孔10的弯曲形状享有复合倾斜角A、B的优点，如图2中更详细地说明，图2示出人字形薄膜冷却孔10相对于热气流20的侧视图，其中人字形出口从以倾斜角A不同地倾斜的进口孔16向后分叉。更具体地，倾斜角A和B是两个极限角，一个沿着中心线，另一个在各槽中。

图3是图1所示的对称薄膜冷却孔10的前视图。该前视图是在图2所示的热气20的方向上。人字形薄膜孔10基于围绕图1所示的薄膜孔10的中心线的对称设计，并示出脊部12和翼槽14的进一步细节。

图4是示出布置在涡轮导叶24的端壁区域22中的薄膜冷却孔的透视图；而图5是示出布置在涡轮叶片28的端壁区域中的薄膜冷却孔26的透视图。如上所述，用于涡轮翼型的端壁区域的薄膜冷却不同于翼型自身的薄膜冷却，因为端壁经历通过翼型压力侧表面和吸入侧表面都可观察到的全范围的静压分布，如前所述。然而，翼型表面的确经历这种二次流效应，但是除在翼型与端壁区域交会的区域中之外大体上处于非常低的程度，也如上所述。该全压力场驱动翼型表面未经历的影响喷射薄膜冷却的显著的二次流型，导致穿过流道的薄膜冷却的显著迁移，从而使喷射和有效冷却非常困难。

图6示出用于涡轮导叶29的端壁区域的圆形喷射薄膜孔，其定向为具有沿着局部表面流线的大致方向的喷射。尽管圆形喷射薄膜孔在图6中示出，但是喷射薄膜孔通常是圆形或扩散器形。这些孔定向为具有沿着局部表面流线的大致方向的喷射以最小化混合损失。这经常导致某些区域中的薄膜冷却的积累，以及其它区域中的薄膜冷却的相关缺乏，如上所述。

图7是示出根据本发明的一个实施例的适用于图4和图5所示的端壁区域中的非对称人字形薄膜孔30的顶视图。平坦脊部32在宽度方向上在两个翼槽34、36之间侧向增加。脊部32是平坦的并且轮廓为大致三角形，并在进口孔38和其下游端与外表面40的接合点之间在下游方向上分叉。该脊部32的后缘沿着人字形出口的侧向平坦下游端与外表面40齐平地融合。翼槽34的尺寸与翼槽36的尺寸不同，以便翼槽34、36各彼此相对不同地融合至进口孔38的环绕部分。

具有人字形出口以其从进口孔38向后分叉的复合倾斜角的非对称人字形薄膜冷却孔30的弯曲形状(未示出)将享有与用于对称人字形薄膜冷却孔10的图2所示的复合倾斜角B、C的那些上述优点相似的优点。

非对称人字形薄膜冷却孔30显著地不同于对称薄膜冷却孔10，因为特殊的非对称薄膜冷却孔30的实施例可包括诸如图8所示的不同的槽深、不同的槽宽、不同的槽扩散角、不同的槽形等等。图8示出两个非对称人字形区域，其中各人字形区域包括彼此相对具有不同几何形状的一对翼槽。

根据一个实施例，例如翼槽34具有不同于翼槽36的深度的深度。根据另一个实施例，翼槽34具有不同于翼槽36的宽度的宽度。根据又一个实施例，翼槽34具有不同于扩散角C的扩散角B。根据又一个实施例，翼槽34具有不同于翼槽36的形状的形状。

然后，前述的翼槽34、36之间的非对称性变成与对称人字形相似的过渡区，其中特殊实施例在形状上为平坦的或多平面的或非对称拱形的。根据一个实施例，非对称人字形薄膜冷却孔30采用单一圆形通孔将冷却剂供给到人字形区域。

总之，本文描述非对称人字形薄膜冷却孔，用于改善各种翼型表面的薄膜冷却，尤其在表面流体的流线曲率是显著的区域和应用中。非对称薄膜冷却孔的使用在存在试图移动薄膜冷却剂远离待保护的预定区域的强侧向压力梯度的情况下允许表面上的薄膜冷却的更有效的喷射，并将薄膜冷却剂保持在期望的(多个)区域中而不产生不适当的混合损失。较高的混合损失起因于简单地将流交叉地喷射到主热气以试图抵消压力梯度的传统薄膜孔。更有效的冷却剂的使用导致诸如具有较长寿命的工业发动机的更高效率的发动机。

非对称人字形薄膜冷却孔提供除如下优点以外的优点，使用薄膜孔的已知的反复试验布置直到找到冷却充分性和损失的折中方案可实现的那些优点，或简单地通过将扩散器成形添加到圆形薄膜孔和可能地添加扩散器上的复合角以在期望的方向上帮助指引冷却剂可实现的那些优点。非对称人字形薄膜冷却孔还提供除如下优点以外的优点，通过简单地改变端壁自身的形状以帮助缓和二次流和压力梯度而不是修改薄膜孔可实现的那些优点。

尽管仅仅本发明的某些特征已经在本文中示出和描述，但是本领域技术人员将想到许多变更和变化。因此，应理解的是，权利要求意图覆盖属于本发明的真正精神内的所有这种变更和变化。