涡轮喷嘴部段和包括这种涡轮喷嘴部段的涡轮喷嘴

摘要

一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴部段，包括：外带，其包括冷却空气入口；内带，其包括第一冷却空气出口；至少一个喷嘴翼型件，其包括压力侧壁、吸力侧壁、前缘和后缘；冷却流动通路，其至少布置在喷嘴翼型件内；第一一体肋，其从内带突出并布置成与前缘间隔开，用于在冷却流动通路内限定第一通道和第二通道；偏转器，其布置在第一一体肋的端部处，且构造成用于将冷却空气流分成第一冷却空气流和第二冷却空气流，第一冷却空气流和第二冷却空气流分别是第一冷却空气射流和第二冷却空气射流。偏转器构造成将第一冷却空气射流倾斜地偏转到冷却流动通路的第一通道中的吸力侧壁，且第一通道构造成使第一冷却空气射流以涡流的形式沿着所述第一通道输送。

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月10日提交的欧洲专利申请No. 20461510.8的优先权和权益，该申请以其整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴部段。更具体地，本发明特别地涉及一种用于包括高压涡轮的燃气涡轮发动机的喷嘴部段。本发明还涉及一种燃气涡轮发动机的高压涡轮的第二级涡轮喷嘴，尤其是用于小型燃气涡轮发动机。本发明还涉及一种包括这种涡轮喷嘴部段的涡轮喷嘴。更具体地，本发明涉及一种包括这种高压涡轮喷嘴部段的高压涡轮喷嘴。

背景技术

简而言之，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机设置成将周围空气吸入发动机中、压缩所述空气并将压缩空气供给到燃烧器。压缩空气然后在燃烧器中与燃料混合，以提供空气-燃料混合物。空气-燃料混合物在燃烧器中燃烧，提供热的高能量燃烧气体。燃烧气体进一步从燃烧器供给到涡轮，用于从热的高能量燃烧气体中提取能量来为燃气涡轮发动机提供动力。能量耗尽的燃烧气体然后被排放到涡轮下游的大气环境中。

现代燃气涡轮发动机中的涡轮包括高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)。HPT正好在燃烧器的下游，并且适于从燃烧气体中提取能量，以用于为压缩机提供动力。LPT布置在HPT的更下游，并且所述LPT适于从燃烧气体中提取更多的能量以产生输出功，诸如例如经由齿轮箱为涡轮风扇发动机中的上游风扇、涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨或直升机旋翼提供动力。

涡轮包括固定喷嘴，该固定喷嘴具有一排喷嘴翼型件，用于将燃烧气体引导到从支撑转子盘径向向外延伸的对应的一排涡轮转子叶片中。在大多数情况下，一排喷嘴翼型件被提供为一排喷嘴部段。喷嘴翼型件和对应的转子叶片协作以从燃烧气体中提取能量。能量用于旋转支撑转子盘。涡轮的支撑转子盘经由对应的轴与压缩机转子或风扇转子接合，以用于通过旋转涡轮的支撑盘来旋转其对应的叶片。

燃气涡轮发动机的上述部件限定燃烧气体的环形流动路径。环形流动路径在对应的喷嘴翼型件排和涡轮的转子叶片之间向下游延伸。由于从燃烧器供给的燃烧气体是热的，限定流动路径的部件在发动机的操作期间必须被冷却，以确保涡轮的预期操作寿命。因为HPT基本上作为燃烧器下游的涡轮的第一部件布置在燃气涡轮发动机中，所以所述HPT接收最热的燃烧气体。结果，HPT的部件受到极端温度的影响。因此，HPT的部件必须被充分地构造成用于增强冷却，以确保HPT的所述部件的预期操作温度。因此，当设计HPT时，在冷却方面存在需要实现特定的目标。

燃气涡轮发动机的涡轮的部件(尤其是限定燃烧气体的流动路径的部件，特别是喷嘴)用空气冷却。用于冷却涡轮的部件的空气在现代燃气涡轮发动机中由压缩机提供，空气作为压缩机空气从所述压缩机放出。由压缩机提供的用于冷却涡轮的部件的空气不在燃料的燃烧中使用。因此，从压缩机中放出空气来冷却涡轮的部件降低了燃气涡轮发动机的整体效率。因此，为了最小化燃气涡轮发动机的效率的降低，需要最小化从压缩机放出的用于冷却涡轮(尤其是限定燃烧气体的流动路径的部件)的压缩机空气的体积。

用于冷却涡轮的压缩机空气由压缩机在最大压力下提供。所述压缩机空气必须分别被导引通过燃气涡轮发动机的涡轮的部件，以冷却所述部件，从而确保它们的预期操作温度。冷却空气流过待冷却的涡轮的部件导致压缩机空气的压力损失。换句话说，离开待冷却部件的冷却空气的压力低于进入所述部件的空气的压力。如上文所讨论，需要将压力损失最小化，以确保回流余量。这意味着离开待冷却的涡轮的部件进入燃烧气体的流动路径中的冷却空气的压力必须大于所述流动路径中的所述燃烧气体的压力。确保回流余量防止燃烧气体流回到涡轮的部件中，干扰燃气涡轮发动机的涡轮的所述部件的冷却，从而降低它们的操作寿命。

因此，在开发燃气涡轮发动机的涡轮的部件(尤其是涡轮喷嘴)时，需要实现特定的设计目标，这些目标通常是相互矛盾的。一个目标是提供具有增加的操作寿命的涡轮的部件。实现提高的操作寿命的尝试之一是改善所述部件(尤其是冷却涡轮喷嘴)的冷却。矛盾的目标是最小化作为压缩机空气从压缩机放出的冷却空气的量，以便最小化燃气涡轮发动机的效率的降低。另一个目标是提供同样充足的回流余量，以防止燃烧气体回流到待冷却的涡轮的部件中，尤其是防止所述燃烧气体回流到涡轮喷嘴中。由于上述原因，设计涡轮的部件的平衡的态度是必要的。

已经做出一些努力来解决涡轮的部件的上面指明的冷却问题。

文献No. US 5,772,397公开了一种燃气涡轮导叶或叶片，其具有允许在不同压力比下冷却的内部结构。导叶包括入口通路，该入口通路与定位在空气通路和导叶的后缘之间的内部冷却空腔连通。设置在空腔内的是偏转器、转动构件、肋和偏转销，其布置成以最小化压力损失的方式引导冷却空气通过空腔。

文献No. US 3,807,892公开了一种用于燃气涡轮的冷却导向叶片。所述叶片的主体设置有在叶片的前部处的第一冷却剂流动路径和在第一流动路径后面的第二曲折的冷却剂流动路径。两个流动路径都终止于叶片的后缘处。第一路径经受低压降，并且具有窄的横截面，允许冷却剂以高速流过，以获得快速的热传递。第二路径也经受低压降，但是具有在叶片主体的中部的较大横截面和在后缘处的限流器，这也允许以高速排放。

文献No. US 6,884,036公开了一种互补的冷却涡轮喷嘴。涡轮喷嘴包括一体地接合到导叶的外带和内带，该导叶在相对的压力侧壁和吸力侧壁之间具有三通道蛇形流动回路。外带包括用于将冷却空气导引到位于导叶的前缘后面的回路的第一通道中的入口。第一出口在第一通道的底部处设置在内带中，在那里它接合回路的第二通道。第二出口也在回路的第三通道的底部处设置在内带中，该第三通道设置成与第二通道流动连通。除了横向间隔开的对应的第一和第二湍流器排之外，前缘后面的第一通道是平滑的。第一湍流器直接在前缘后面桥接压力侧壁和吸力侧壁，并且第二湍流器设置在吸力侧壁后面。

然而，如在上述文献中公开的技术方案在性能上仍然不足，尤其是在小型燃气涡轮发动机中。

因此，仍然需要一种用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴的喷嘴部段，尤其是用于针对小型燃气涡轮发动机的HPT的喷嘴部段，其解决或至少减少现有技术的技术方案的问题。

发明内容

在一个方面，本发明提供了一种如独立权利要求1中限定的用于燃气涡轮发动机的喷嘴部段。

在从属权利要求2至7中限定了喷嘴部段的优选实施例。

在另一个方面，本发明提供了一种如权利要求8中限定的用于燃气涡轮发动机的喷嘴，其包括至少一个这样的喷嘴部段。

在又一个方面，本发明提供了一种如权利要求9中限定的包括这样的喷嘴的燃气涡轮发动机。

附图说明

在阅读了对本发明的优选但不排他的实施例的以下详细描述之后，将更好地理解本发明，这些实施例在附图中以非限制性示例方式图示，在附图中：

图1示出了根据本发明的涡轮喷嘴部段的透视图，

图2示出了图1的涡轮喷嘴部段的俯视图，

图3示出了沿着图2中的线A-A截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的横截面视图，

图4示出了来自图3的涡轮喷嘴部段的横截面视图，图示了偏转角β的限定(为了清楚起见，省略了部件的附图标记)，

图5示出了沿着图3中的线F-F截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的横截面视图，

图6示出了来自图5的涡轮喷嘴部段的横截面视图，图示了偏转角α的限定(为了清楚起见，省略了部件的附图标记)，

图7示出了沿着图3中的线G-G截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的横截面视图，

图8示出了沿着图3中的线E-E截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的第一通道的横截面视图，

图9示出了沿着图3中的线D-D截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的第一通道的横截面视图，

图10示出了沿着图3中的线C-C截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的第二通道的第三空腔的横截面视图，

图11示出了沿着图3中的线B-B截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的第二通道的第三空腔的横截面视图，

图12示出了沿着入口截取的根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的透视横截面视图，

图13示出了根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的芯部的透视图，其呈现了面向压力侧壁的蛇形冷却路径前壁，

图14示出了根据优选实施例的涡轮喷嘴部段的芯部的侧视图，其呈现了第一和第二冷却空气射流流线的可视化，

图15示出了在后缘侧观察的根据本发明的涡轮喷嘴组件的前视图。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出了用于燃气涡轮发动机的HPT的第二级喷嘴部段1。喷嘴部段1包括外带2、内带3以及在外带2和内带3之间延伸的至少一个喷嘴翼型件10，如图1所示。外带2和内带3分别形成喷嘴部段1的上部和下部。外带2和内带3限定用于从燃气涡轮发动机的燃烧器向下游输送燃烧气体的流动路径。HPT的喷嘴翼型件10布置在燃烧气体的所述流动路径内。喷嘴翼型件10包括在喷嘴部段1的内带3和外带2之间的展向上延伸的压力侧壁7和吸力侧壁8，如图1所示。压力侧壁7和吸力侧壁8也在弦向上延伸，并且在形成前缘4的一侧处和形成喷嘴翼型件10的后缘6的相对侧处接合在一起，如图1、图5和图7所示。喷嘴翼型件10包括分别在所述喷嘴翼型件10的两侧上的前缘4和后缘6之间延伸的中弦区域5。喷嘴翼型件10是喷嘴部段1的主要工作部分。HPT的喷嘴翼型件10提供流过喷嘴的燃烧气体的动量的所需角分量，以便在布置在喷嘴下游的转子叶片上产生有用的扭矩。

喷嘴部段1包括用于冷却所述喷嘴部段1的内部冷却系统。内部冷却系统包括冷却流动通路12，用于输送冷却空气通过喷嘴部段1。冷却流动通路12包括在外带2、喷嘴翼型件10和内带3内，如图3所示。内部冷却系统还包括冷却空气入口9，用于将冷却空气供给到所述系统中。冷却空气入口9与冷却流动通路12流体连通，以将冷却空气供给到所述通路12中，如图2、图3和图12至图14所示。冷却空气入口9构造成将冷却空气作为冷却空气射流13供给到冷却流动通路12中。冷却空气入口9构造成将冷却空气以等于或大于约0.1马赫的速度(优选地以约0.2至约0.3马赫的范围内的速度)供给到冷却流动通路12中。冷却空气入口9布置在外带2中，如图1和图2所示。冷却空气入口9具有适于将冷却空气以冷却空气射流13的形式供给到冷却流动通路12中的形状。在一个优选实施例中，冷却空气入口9具有圆柱形形状。在另一个优选实施例中，冷却空气入口9具有圆锥形形状，如图3所示。冷却空气入口9包括延伸穿过所述入口9的主轴线O。冷却空气入口9构造成将冷却空气沿着所述入口9的所述主轴线O供给到冷却流动通路12中。

喷嘴部段1包括第一一体肋15，该第一一体肋15从内带3突出并在喷嘴翼型件10内部朝向外带2延伸，如图3和图12所示。第一一体肋15在冷却流动通路12内限定第一通道18。换句话说，第一通道18限定在第一一体肋15、压力侧壁7、吸力侧壁8和前缘4之间，并且沿着所述前缘4朝向内带3延伸，如图3、图8和图12所示。第一通道18与冷却空气入口9流体连通，用于将冷却空气供给到所述第一通道18中。内部冷却系统还包括第一冷却空气出口24。第一冷却空气出口24靠近前缘4布置在喷嘴部段1的内带3中，如图3所示。第一冷却空气出口24与第一通道18流体连通，用于将冷却空气排出冷却流动通路12的所述第一通道18，并且因此排出内部冷却系统的冷却流动通路12。第一通道18导引冷却空气射流13的第一冷却空气射流，用于冷却前缘4，以及喷嘴翼型件10的所述前缘4附近的压力侧壁7和吸力侧壁8。

第一一体肋15还在冷却流动通路12内限定第二通道19。换句话说，第二通道19限定在第一一体肋15、压力侧壁7、吸力侧壁8和后缘6之间。第二通道19与冷却空气入口9流体连通，用于将冷却空气供给到所述第二通道19中。第二通道19导引冷却空气射流13的第二冷却空气射流，用于冷却喷嘴翼型件10的剩余部分。喷嘴部段1包括第二一体肋16，该第二一体肋16在朝向后缘6的方向上布置在第一一体肋15旁边。第二一体肋16从外带2突出，并且在喷嘴翼型件10内部朝向内带3延伸，如图3和图12所示。第二一体肋16在冷却流动通路12的第二通道19内限定第一空腔19a。换句话说，第二通道19的第一空腔19a限定在第一一体肋15、压力侧壁7、吸力侧壁8和第二一体肋16之间，并且沿着所述第一肋15和第二肋16朝向内带3延伸，如图3、图8和图12所示。第一空腔19a在外带2处与冷却空气入口9流体连通，用于将冷却空气供给到第二通道19的所述第一空腔19a中。第二通道19的第一空腔19a导引冷却空气射流13的第二冷却空气射流，用于冷却位于更远离前缘4处的喷嘴翼型件10的中弦区域。喷嘴部段1包括第三一体肋17，该第三一体肋17在朝向后缘6的方向上布置在第二一体肋16旁边。类似于第一一体肋15，第三一体肋17从内带3突出，并且在喷嘴翼型件10内部朝向外带2延伸，如图3和图12所示。第三一体肋17在冷却流动通路12的第二通道19内限定第二空腔19b。换句话说，第二通道19的第二空腔19b限定在第二一体肋16、压力侧壁7、吸力侧壁8和第三一体肋17之间，并且沿着所述第二肋16和第三肋17朝向外带2延伸，如图3、图8和图12所示。第二空腔19b在内带3处与第一空腔19a流体连通，用于将另外的冷却空气传送到第二通道19的所述第二空腔19b中。第二通道19的第二空腔19b 导引冷却空气射流13的第二冷却空气射流，用于冷却基本上位于喷嘴翼型件10的中部的喷嘴翼型件10的中弦区域5。第三一体肋17还在冷却流动通路12的第二通道19内部限定第三空腔20。换句话说，第二通道19的第三空腔限定在第三一体肋17、压力侧壁7、吸力侧壁8和后缘6之间，并且沿着所述后缘6朝向内带3延伸，如图3、图8和图12所示。第三空腔20在外带2处与第二空腔19b流体连通，用于将另外的冷却空气传送到第二通道19的所述第三空腔20中。第二通道19的第三空腔20导引冷却空气射流13的第二冷却空气射流，用于冷却位于后缘附近的喷嘴翼型件10的中弦区域5，并因此冷却所述后缘6。喷嘴部段1的内部冷却系统还包括冷却内孔(bore)26。冷却内孔26与第二通道19流体连通，用于将冷却空气排出冷却流动通路12的所述第二通道19，并且因此排出内部冷却系统。更具体地，冷却内孔26与第二通道19的第三空腔20流体连通。冷却内孔26被提供用于利用来自通过所述冷却内孔26排出的第二空气流的冷却空气来冷却后缘6。冷却内孔26沿着后缘6布置。在优选实施例中，冷却内孔26沿着后缘6一个接一个地布置成一行，如图3和图11所示。冷却内孔26的这种布置提供了冷却空气通过后缘6的均匀排放，从而增强了所述后缘6的均匀冷却。在另一个实施例中，第二空气流通过狭槽(未示出)排放。狭槽以与上面针对冷却内孔26描述的相同方式布置。如有必要，狭槽用于排放更多量的冷却空气，以增强对喷嘴翼型件10的后缘6的冷却。

如上所述，包括第一空腔19a、第二空腔19b和第三空腔20的冷却流动通路12的第二通道19以蜿蜒形式布置，如图3、图13和图14所示。第二通道19的所述蜿蜒形式为冷却空气流提供了长路径，用于高效地冷却喷嘴翼型件10的中弦区域5和后缘6。

喷嘴翼型件10包括偏转器14，用于将冷却空气射流13分成第一冷却空气射流和第二冷却空气射流，并且用于将所述第一和第二冷却空气射流分别引导到冷却流动通路12的第一通道18和第二通道19中。偏转器14布置在第一一体肋15的远端上，如图3和图12所示。偏转器14优选地在压力侧壁7和吸力侧壁8之间在展向上延伸，如图5所示。偏转器14布置在冷却空气入口9附近。特别地，偏转器14基本上定位在冷却空气入口9的前方并与冷却空气入口9隔开一段距离，如图3和图12所示。换句话说，偏转器14构造成面朝通过冷却空气入口9进入冷却流动通路12的冷却空气射流13。偏转器14包括向内带3向下倾斜的表面，如图3所示。偏转器14的表面也面朝吸力侧壁8和前缘4，如图3、图5和图6所示。在本发明的一个优选实施例中，偏转器14的表面是凹形的，如图3和图12所示。在另一个优选实施例中，偏转器14的表面是平的。在本发明的又一个实施例中，偏转器14的表面是凸形的。偏转器14的表面也可具有由上述几何形状的子表面组成的复杂的几何形状。在又一个优选实施例中，偏转器14的表面包括若干倾斜的子表面。偏转器14的表面为所述偏转器14提供偏转冷却空气射流13的第一冷却空气射流的功能。

偏转器14使第一冷却空气射流偏转，以撞击前缘4并冲击喷嘴翼型件10的吸力侧壁8。第一冷却空气射流在偏转器14上相对于通过冷却空气入口9进入喷嘴翼型件10的冷却空气射流13的流动方向倾斜地偏转。不受任何理论的约束，第一冷却空气射流偏转的几何形状也在下文中在两个维度上(即，在喷嘴翼型件10的横向方向和纵向方向上)进行常规讨论。横向方向在本公开的上下文中被理解为在涡轮喷嘴部段1的喷嘴翼型件10的前缘4和后缘6之间限定的大体方向。喷嘴翼型件10的横向方向也可被理解为包括这样的喷嘴翼型件10的涡轮的径向方向的法向。纵向方向在本公开的上下文中被理解为涡轮喷嘴部段1的外带2和内带3之间限定的大体方向。喷嘴翼型件10的纵向方向也可被理解为包括这样的喷嘴翼型件10的涡轮的径向方向。考虑偏转的横向方向，第一冷却空气射流在偏转器14上以角度α朝向前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8偏转，如图6所示。第一冷却空气射流的偏转的横向分量的角度α在从约5°至约60°的范围内，优选地在从约15°至约40°的范围内，并且更优选地为约30°。角度α被限定在分型线PL的切线和代表第一冷却空气射流的预期流动方向的线之间，切线的起点被限定在偏转器14的表面的最前边缘EE处，如在喷嘴翼型件10的横向横截面中限定的，并且如在图6中详细所示的。分型线PL是在喷嘴翼型件10的内部从压力侧壁7和吸力侧壁8两者等距离延伸的几何线，如图6所示。分型线PL与围绕前缘4的喷嘴翼型件10的壁的相交在几何上限定交点LE。本领域的专家知道如何确定喷嘴翼型件10中的分型线PL和相关交点LE。考虑偏转的纵向方向，第一冷却空气射流在偏转器14上还以角度β朝向前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8偏转，如图4所示。第一冷却空气射流的偏转的纵向分量的角度β在从约5°至60°的范围内，优选地在从约10°至50°的范围内，更优选地为约30°。角度β被限定在垂直于冷却空气入口9的主轴线O的线和代表第一冷却空气射流的流动方向的线之间，垂直线的起点被限定在偏转器14的表面的最前边缘EE处，如在喷嘴翼型件10的纵向横截面中限定的，并且如在图4中详细所示的。结果，第一冷却空气射流至少在与偏转器14相同的水平处被引导至前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8。在优选实施例中，第一冷却空气射流在偏转器14下方偏转，如图14所示。偏转器14偏转第一冷却空气射流，使得所述第一冷却空气射流撞击涡轮喷嘴部段1的区域周围，其中外带2与喷嘴翼型件10接合。如上文所讨论，第一冷却空气射流的撞击区域在冷却流动通路12的第一通道18的下游提供了第一冷却空气射流的高效流动。在优选实施例中，偏转器14偏转第一冷却空气射流，使得所述第一冷却空气射流撞击涡轮喷嘴部段1的正下方的区域，其中外带2与喷嘴翼型件10接合，如图14所示。

喷嘴翼型件10包括布置在冷却流动通路12的第一通道18内的湍流器21。湍流器被提供用于沿着所述第一通道18的内壁剥离边界层，并且用于加速和涡旋所述第一通道18内的第一冷却射流的冷却空气，从而进一步提高喷嘴翼型件10的冷却效率。湍流器21的数量和取向根据需要来选择。当确定第一通道18中湍流器21的数量时，考虑的一个参数是间隔率(spacing)S。间隔率S被限定为p/e，其中p是两个相邻湍流器21之间的距离，并且e是所述湍流器21的高度。一般来说，湍流器21的数量随着间隔率S的减小而增加。当确定第一通道18中湍流器21的数量时，考虑的另一个参数是阻塞率(blockage)B。阻塞率B被限定为e/Dh，其中e是湍流器21的高度，并且Dh是用于湍动的第一通道18的水力直径。再一次(andagain)，一般来说，如果阻塞率B增加，则冷却的效率增加，并且第一通道18中冷却空气的压降增加。对于根据本发明的涡轮喷嘴部段1的第一通道18，间隔率S在从约4%至约14%的范围内，优选地在从约6%至约12%的范围内，而阻塞率B在从约20%至约40%的范围内，优选地为约30%。对于根据本发明实施例的喷嘴翼型件10的第一通道18的湍流器21的数量在从2至6的范围内。在优选实施例中，第一通道18包括四个湍流器21，如图3、图8和图13所示。湍流器21以倾斜模式布置在第一通道18中，如图3、图8和图13所示。湍流器21相对于第一一体肋15以在从约40°至约90°的范围内的角度倾斜。在一个优选实施例中，湍流器21以约45°的角度倾斜，如图3所示。在另一个实施例中，湍流器21以约60°的角度倾斜。在又一个实施例中，湍流器21以约90°的角度倾斜。湍流器21以交错模式布置在第一通道18中，如图8和图13所示。在其它实施例中，湍流器21以直列模式(图中未示出)布置在第一通道18中。湍流器21以这样的模式布置在第一通道18中，使得所述湍流器21至少部分地彼此重叠。在一个优选实施例中，相邻的湍流器21以重叠模式布置，如图8和图13所示。在其它优选实施例中，每两个湍流器21以重叠模式布置。湍流器21在第一通道18中的布置进一步增加了第一冷却空气射流中的湍流，从而提高了冷却效率。

冷却流动通路12的第二通道19的第一空腔19a和第二空腔19b设置有销状翅片23，用于消散所述第二通道19中的第二冷却空气射流，以进一步提高喷嘴翼型件10的冷却效率。销状翅片23是从压力侧壁7的弯曲内壁11a和/或吸力侧壁8的弯曲内壁11b基本上垂直地延伸的纵向突起，如图7所示。在优选实施例中，销状翅片23分别在压力侧壁7的内壁11a和吸力侧壁8的内壁11b之间在展向上延伸。销状翅片23彼此平行布置，如图5和图7所示。在本发明的优选实施例中，销状翅片23进一步平行于第一一体肋15、第二一体肋16和第三一体肋17布置，如图5和图7所示。销状翅片23的横截面选自包括圆形、椭圆形、矩形、五边形、六边形横截面的组。销状翅片23具有基本上圆形的横截面，如图3和图12所示。在优选实施例中，销状翅片23以交错的模式布置，如图3所示。销状翅片23的交错布置提供了第二通道19中第二冷却空气射流的均匀消散，并且防止在所述第二通道19中形成死区。在本发明的另一个优选实施例中，销状翅片23也以直列模式(图中未示出)布置。

冷却流动通路12的第二通道19的第一空腔19a和第二空腔19b还设置有半销状(half-pin)翅片23a。半销状翅片23a布置在第一一体肋15、第二一体肋16和第三一体肋17的内壁上，如图3和图12所示。半销状翅片23a被提供用于分别在第一空腔19a和第二空腔19b中剥离第一一体肋15、第二一体肋16和第三一体肋17的内壁的第二冷却空气射流，从而进一步提高喷嘴翼型件10的冷却效率。类似于销状翅片23，半销状翅片23a是纵向突起，其分别沿着第一空腔19a和第二空腔19b中的第一一体肋15、第二一体肋16和第三一体肋17的内壁，从压力侧壁7的弯曲内壁11a和/或吸力侧壁8的弯曲内壁11b基本上垂直地延伸。在优选实施例中，半销状翅片23a分别在压力侧壁7的内壁11a和吸力侧壁8的内壁11b之间在展向上延伸，如图13所示。半销状翅片23a的半横截面选自包括圆形、椭圆形、矩形、五边形、六边形半横截面的组。半销状翅片23a具有基本上半圆形的横截面，如图3和图12所示。在优选实施例中，半销状翅片23a和销状翅片23以交错的模式布置，如图3所示。在本发明的另一个优选实施例中，销状翅片23a与销状翅片23以直列模式(图中未示出)布置。

喷嘴翼型件10包括布置在流动冷却通路12的第二通道19的第三空腔20内的湍流器22。类似于第一通道18的湍流器21，第二通道19的湍流器22被提供用于沿着第三空腔20的内壁剥离边界层，并且用于加速和涡旋第二通道19内的第二冷却射流的冷却空气，从而进一步提高喷嘴翼型件10的冷却效率。湍流器21的数量和取向根据需要来选择。当确定第二通道19的第三空腔20中的湍流器22的数量时，考虑的参数是间隔率S和阻塞率B。间隔率S和阻塞率B以上文针对第一通道18的湍流器21详细描述的相同的方式限定，并遵循相同的关系。对于根据本发明的涡轮喷嘴部段1的第二通道19的第三空腔20，间隔率S在从约4%至约14%的范围内，优选地在从约6%至约12%的范围内，而阻塞率B在从约30%至约40%的范围内，优选地为约30%。根据本发明实施例的喷嘴翼型件10的第二通道19的第三空腔20的湍流器22的数量在8至16的范围内，更优选地在从10至14的范围内。在优选实施例中，第二通道19的第三空腔20包括十二个湍流器22，如图3、图8和图13所示。湍流器22以倾斜模式布置在第二通道19的第三空腔20中，如图3、图8和图13所示。湍流器22相对于第三一体肋17以在从约40°至约90°的范围内的角度倾斜。在一个优选实施例中，湍流器22以约60°的角度倾斜，如图3所示。在另一个实施例中，湍流器22以约45°的角度倾斜。在又一个实施例中，湍流器22以约90°的角度倾斜。湍流器22以交错模式布置在第三空腔20中，如图10和图13所示。在其它实施例中，湍流器22以直列模式(图中未示出)布置在第二通道19的第三空腔20中。湍流器22以这样的模式布置在第三空腔20中，使得所述湍流器22至少部分地彼此重叠。在一个优选实施例中，相邻的湍流器22以重叠模式布置，如图10所示。在其它优选实施例中，每两个湍流器22以重叠模式布置。湍流器22在第二通道19的第三空腔20中的布置进一步增加了第二冷却空气射流中的湍流，从而提高了喷嘴翼型件10的冷却效率。

在优选实施例中，喷嘴翼型件10设置有竖直湍流器29。竖直湍流器29布置在内部冷却系统的第二通道19中。竖直湍流器29分别在第二通道19的第二空腔19b和第三空腔20之间从第三一体肋17朝向喷嘴部段1的外带2延伸，如图3所示。竖直湍流器29布置在吸力侧壁8的内壁上。竖直湍流器29被提供用于在第二通道19的第二空腔19b的末端和第三空腔20的开始处内湍动第二冷却空气射流，从而提高竖直湍流器29内的吸力侧壁8的冷却效率。

在优选实施例中，第一冷却空气出口24是喷射器，用于向级间盘(图中未示出)的空腔提供净化空气，以冷却涡轮的旋转部件。该喷射器包括成一角度的出口，该角度被优化以控制转子空腔中冷却空气流的周向速度，从而减少被称为“风阻损失”的摩擦损失。

在优选实施例中，喷嘴翼型件10包括一组出口孔。出口孔布置在前缘4、压力侧壁7和吸力侧壁8上。出口孔分别与冷却流动通路12的第一通道18和/或第二通道19流体连通。通过出口孔排放的冷却空气分别在前缘4、压力侧壁7和吸力侧壁8上形成冷却空气的薄膜，从而增强对喷嘴翼型件10的外表面的冷却。在优选实施例中，出口孔布置在前缘4上，并且提供“淋浴头冷却”。

通常，用于冷却涡轮喷嘴部段1的冷却空气由燃气涡轮发动机的压缩机提供。冷却空气通过用于递送冷却空气的供给系统被提供到外带2，该供给系统布置在涡轮喷嘴部段1(图中未示出)的上游。冷却空气入口9与冷却空气供给系统流体连通。在一个实施例中，冷却空气在冷却空气入口9处提供，其中所述冷却空气入口9构造成将冷却空气以如上文指定的速度供给到冷却流动通路12中。在另一个实施例中，冷却空气已经作为具有如上文指定的速度的冷却空气射流被提供。在优选实施例中，冷却空气供给系统是在本申请人的美国专利申请No. US 2019/0071994 A1中公开的系统，该申请的公开内容通过引用方式而以其整体并入本文中。

当涡轮喷嘴部段1组装在燃气涡轮发动机的涡轮中并操作时，冷却空气被提供到外带2中的冷却空气入口9，用于将所述冷却空气供给到所述涡轮喷嘴部段1中。在一个实施例中，冷却空气作为冷却空气流被供给到冷却空气入口9，并且被所述冷却空气入口9加速到高速，形成冷却空气射流。在另一个实施例中，冷却空气已经作为具有高速的冷却空气射流被提供到冷却空气入口9。

冷却空气以等于或大于约0.1马赫的速度(优选地以约0.2至约0.3马赫的范围内的速度)作为冷却空气射流13通过冷却空气入口9输送到内部冷却系统的冷却流动通路12中。冷却空气射流13基本上沿着主轴线O通过冷却空气入口9被供给到冷却流动通路12中。在优选实施例中，冷却空气射流13沿着冷却空气入口9的主轴线O被供给到冷却流动通路12中，所述主轴线O平行于喷嘴翼型件10的纵向方向。冷却空气射流13在偏转器14上被引导。冷却空气射流13撞击偏转器14，并且被分成第一冷却空气射流和第二冷却空气射流。

第一冷却空气射流被引导到涡轮喷嘴部段1的冷却流动通路12的第一通道18中。第一冷却空气射流在偏转器14的表面上偏转，并且被引导到第一通道18中，使得所述第一冷却空气射流撞击前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8。第一冷却空气射流在偏转器14上以角度α偏转，并且在喷嘴部段1的冷却流动通路12的第一通道内部撞击前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8。结果，按照在喷嘴翼型件10的横向横截面中考虑的并且如图6所示的，第一冷却空气射流以锐角撞击吸力侧壁8。角度α在从约5°至约60°的范围内，优选地在从15°至约40°的范围内，更优选地为约30°。同时，第一冷却空气射流在偏转器14上以角度β偏转，并且至少在偏转器14的水平处在喷嘴部段1的冷却流动通路12的第一通道18内部撞击前缘4和所述前缘4附近的吸力侧壁8。结果，按照在喷嘴翼型件10的纵向横截面中考虑的并且如图4所示的，第一冷却空气射流也以锐角撞击吸力侧壁8。角度β在从约5°至约60°的范围内，优选地在从10°至约50°的范围内，更优选地为约30°。因此，第一冷却空气射流倾斜地撞击吸力侧壁8，如图4和图6中可见。在优选实施例中，第一冷却空气射流因此倾斜地撞击吸力侧壁8和偏转器14下方，如图4、图6和图14中可见。第一冷却空气射流的冲击的构造促进了所述第一冷却空气射流在喷嘴部段1的冷却流动通路12的第一通道18下游的进一步流动。以高速冲击前缘4和吸力侧壁8的第一冷却空气射流进一步沿着第一通道18以涡旋运动被输送，如图14所示。换句话说，如上所述，将第一冷却空气射流供给到第一通道18中沿着所述第一通道18产生冷却空气的湍流和涡流，从而高效地冷却喷嘴翼型件10的热区域，即位于前缘4、相邻的压力侧壁7和吸力侧壁8上的热区域。第一冷却空气射流在第一通道18中提供冷却空气的强烈且均匀的混合，从而提供高效的冷却。沿着第一通道18流动的第一冷却空气射流也在布置在所述第一通道18中的湍流器21上湍动。湍流器21导致冷却空气的边界层剥离第一通道18的内壁，从而进一步提高所述第一通道18内的冷却效率。

第一冷却空气射流的冷却空气通过内带3中的第一冷却空气出口24离开冷却流动通路12的第一通道18。第一冷却空气射流的冷却空气被引导至燃气涡轮发动机的涡轮的其它部件。在一个优选实施例中，如上所述，第一冷却射流通过作为喷射器的第一冷却空气出口24排放，并且作为冷却空气流被引导至转子空腔，以在其中减少风阻损失。

第二冷却空气射流被引导到涡轮喷嘴部段1的冷却流动通路12的第二通道19中，如图14所示。第二冷却空气射流首先进入第二通道19的第一空腔19a。第二冷却空气射流在第一空腔19a中在销状翅片23和半销状翅片23a上消散。在第二射流中进入第一空腔19a并围绕销状翅片23和半销状翅片23a流动的冷却空气沿着所述第一空腔19a被输送，其中在第二冷却空气射流中的所述冷却空气具有局部涡旋和流动方向的改变，从而提供位于更远离前缘4的喷嘴翼型件10的中弦区域5的高效冷却。半销状翅片23a还导致冷却空气的边界层剥离第一一体肋15和第二一体肋16的内壁，从而进一步提高第二通道19的所述第一空腔19a内的冷却效率。

第二冷却空气射流离开第一空腔19a，并且蜿蜒进入冷却流动通路12的第二通道19的第二空腔19b。第二冷却空气射流以与在第一空腔19a中相同的方式在第二空腔19b中在销状翅片23和半销状翅片23a上消散。也就是说，在第二冷却空气射流中进入第二空腔19b并围绕销状翅片23和半销状翅片23a流动的冷却空气沿着所述第二空腔19b被输送，其中在第二冷却空气射流中的所述冷却空气具有局部涡旋和流动方向的改变，从而提供基本上位于喷嘴翼型件10的中部的喷嘴翼型件10的中弦区域5的高效冷却。类似地，半销状翅片23a还导致冷却空气的边界层剥离第二一体肋16和第三一体肋17的内壁，从而进一步提高第二通道19的所述第二空腔19b内的冷却效率。

冷却空气射流离开第二空腔19b，并且进一步蜿蜒进入冷却流动通路12的第二通道19的第三空腔20。第二冷却空气射流以比所述第二冷却空气射流在第二通道19的第一空腔19a入口处的速度低的速度进入第三空腔20。因此，进入内部冷却系统的第二通道19的第二冷却空气射流的正式(formally)冷却空气作为第二冷却空气流进入所述第二通道19的第三空腔20。第二冷却流的冷却空气沿着第二通道19的第三空腔20流动得更远。沿着第二通道19的第三空腔20流动的第二冷却空气流也在布置在所述第三空腔20中的湍流器22上湍动。类似于第一通道18中的湍流器21，第二通道19的湍流器22导致冷却空气的边界层剥离第三空腔20的内壁，从而提高所述第三空腔20内的冷却效率。

第二冷却空气流的冷却空气通过布置在后缘6中的冷却内孔26离开喷嘴翼型件10的第二通道19的第三空腔20，从而高效地冷却所述喷嘴翼型件10的另一个热区域，即位于后缘6以及相邻的压力侧壁7和吸力侧壁8上的热区域。

如上所述，内部冷却系统的冷却流动通路12的蜿蜒的第二通道19在所述第二通道19内提供流动的冷却空气的均匀分布，从而提供了涡轮喷嘴部段1(尤其是喷嘴翼型件10)的高效冷却。

在包括竖直湍流器29的优选实施例中，如上所述，从第二通道19的第二空腔19b行进到第三空腔20的冷却空气在所述竖直湍流器29上湍动，从而进一步增强了竖直湍流器29周围的吸力侧壁8的冷却效率。

在包括一组出口孔的另一个优选实施例中，如上所述，冷却空气通过所述出口孔从冷却流动通路12的第一通道18和/或第二通道19排放，并且在喷嘴翼型件10的外壁上形成薄膜。冷却空气的薄膜在喷嘴翼型件10的外壁上基本上呈层状流动，防止所述外壁与热燃烧气体接触，并且为喷嘴翼型件10提供淋浴头冷却。

在一个实施例中，涡轮喷嘴部段1被制造为单翼型组件(singlet)。单翼型组件包括外带2、内带3和喷嘴翼型件10，如上文所述和图中所示。在另一个实施例中，涡轮喷嘴部段1被制造成双翼型组件(doublet)(图中未示出)。双翼型组件包括外带2、内带3和两个喷嘴翼型件10。外带2和内带3分别对于双翼型组件中的两个翼型件10是公共的。双翼型组件中的喷嘴翼型件10以相邻布置在外带2和内带3之间径向地延伸。在又一个实施例中，涡轮喷嘴部段1被制造成三翼型组件(triplet)(图中未示出)。三翼型组件包括外带2、内带3和三个喷嘴翼型件10。外带2和内带3分别对于三翼型组件中的所有喷嘴翼型件10是公共的。类似地，三翼型组件中的喷嘴翼型件10以相邻布置在外带2和内带3之间径向地延伸。双翼型组件和三翼型组件中的喷嘴翼型件10如上文所述和图中所示那样。

根据本发明的涡轮翼型件10被组装成用于HPT的涡轮喷嘴。图15中示出了包括根据本发明的涡轮喷嘴部段1的用于HPT的涡轮喷嘴。根据本发明的涡轮喷嘴在燃气涡轮发动机中在HPT的第二级中使用。

如上所述，将冷却空气以冷却空气射流13的形式提供到涡轮喷嘴部段1的冷却流动通路12中和将从其分出的第一冷却空气射流引导到所述部段的第一通道18的区域(其中，如上所述，第一冷却空气射流的冷却空气以涡流的形式沿着所述第一通道18被输送)提供了涡轮喷嘴的高效冷却，尤其是喷嘴翼型件10的高效冷却。涡轮喷嘴部段1可有效地用于与从燃烧器排出的最热燃烧气体接触的涡轮喷嘴中。因此，涡轮喷嘴部段1尤其可用于HPT的涡轮喷嘴。根据本发明的涡轮喷嘴部段1被有效地冷却到操作温度，从而确保燃气涡轮发动机的涡轮的预期操作寿命。由于改善了涡轮喷嘴部段1的冷却，维持涡轮喷嘴(尤其是所述涡轮喷嘴的喷嘴翼型件10)的操作温度需要更少量的冷却空气。因此，需要从压缩机中放出更少的用于冷却涡轮的冷却空气，从而降低燃气涡轮发动机的效率损失。由于改善了涡轮喷嘴部段1的冷却，涡轮喷嘴成功地缩小了尺寸，并且可用于小型燃气涡轮发动机中。

本发明在说明书中通过在此以示例的方式提供的实施例被公开。基于本公开，燃气涡轮发动机领域的专家认识到修改、变型和等同方案是可能的，所有这样的修改、变型和等同方案都遵循本发明的精神和发明思想，并且被下面的专利权利要求书覆盖。

在本发明的上述实施例中(尤其是在本发明的优选实施例中)公开的技术特征可以任何程度和任何组合进行组合和改变，并且所有可能的新颖连接和/或组合都在本发明的描述中被完全公开，只要技术特征的这种连接和组合不相互矛盾或排斥。

本公开的各种特征、方面和优点也可体现在本公开的方面的任何排列中，包括但不限于如在列举的方面中限定的以下技术方案：

一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴部段，包括：外带，其包括冷却空气入口；内带，其包括第一冷却空气出口；至少一个喷嘴翼型件，其包括压力侧壁、吸力侧壁、前缘和后缘，其中，压力侧壁和吸力侧壁间隔开并在外带和内带之间在展向上以及在前缘和后缘之间在弦向上延伸，该喷嘴翼型件包括布置在后缘内的冷却内孔；冷却流动通路，其至少布置在喷嘴翼型件内，以用于利用冷却空气冷却所述喷嘴翼型件，其中，冷却流动通路与冷却空气入口流体连通，用于将冷却空气作为冷却空气流递送到冷却流动通路中；第一一体肋，其从内带突出并布置成与前缘间隔开，用于在冷却流动通路内限定第一通道和第二通道，第一通道沿着前缘布置，并且与第一冷却空气出口流体连通，用于从冷却流动通路的第一通道排放冷却空气，第二通道至少部分地沿着后缘布置，并且与冷却内孔流体连通，用于从冷却流动通路的第二通道排放冷却空气；偏转器，其布置在第一一体肋的端部处，并且构造成用于将通过冷却空气入口接收的冷却空气流分成第一冷却空气流和第二冷却空气流，并且分别用于将第一冷却空气流引导到第一通道中和将第二冷却空气流引导到第二通道中，其特征在于，通过冷却空气入口接收的冷却空气流是冷却空气射流，其中，由偏转器分开的第一冷却空气流和第二冷却空气流分别是第一冷却空气射流和第二冷却空气射流，其中，偏转器构造成将第一冷却空气射流倾斜地偏转到喷嘴部段的冷却流动通路的第一通道中的吸力侧壁，并且第一通道构造成使第一冷却空气射流以涡流的形式沿着所述第一通道输送。

根据前述条款所述的喷嘴部段，其中，第一冷却空气射流被偏转器偏转，以分别以锐角横向地和以锐角纵向地冲击第一通道中的吸力侧壁。

根据前述条款中任一项所述的喷嘴部段，其中，第一冷却空气射流由偏转器以相对于偏转器的纵向角度(α)并独立地以相对于偏转器的横向角度(β)朝向第一通道中的吸力侧壁偏转。

根据前述条款中任一项所述的喷嘴部段，其中，角度(α)在从约5°至约60°、优选地从约15°至约40°的范围内，更优选地为约30°，并且独立地，角度(β)在从约5°至约60°、优选地10°至约50°的范围内，更优选地为约30°。

根据前述条款中任一项所述的喷嘴部段，其中，冲击偏转器的冷却空气射流的速度等于或大于约0.1马赫，优选地在约0.2至约0.3马赫的范围内。

根据前述条款中任一项所述的喷嘴部段，还包括：第二一体肋，其从外带突出并且布置成与第一一体肋间隔开，在第二通道中限定第一空腔，第一空腔与冷却空气入口流体连通；和第三一体肋，其从内带突出，限定第二空腔和第三空腔，第二空腔与第一空腔流体连通，第三空腔与第二空腔流体连通，并且第三空腔与喷嘴翼型件的后缘上的冷却内孔流体连通。

根据前述条款中任一项所述的喷嘴部段，其中，第一空腔(19a)、第二空腔和第三空腔在第二通道内布置成曲折布置。

一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴，其包括根据前述条款中任一项所述的至少一个喷嘴部段。

一种燃气涡轮发动机，其包括根据前一条款所述的喷嘴。