非對稱成形的后緣冷卻孔的制作方法
【專利摘要】一種渦輪翼型件(12)包括壓力側壁和吸力側壁(42,44)，它們沿著從基部(34)至頂端(36)的翼展(S)延伸。壓力側壁(42)中的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻孔(30)終止于相對應的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口(66)處，后緣冷卻槽口(66)沿弦向基本延伸至后緣(TE)。各個冷卻孔(30)包括穿過通向槽口(66)的一個或多個非對稱的中間段(101)的非對稱的流動橫截面(74)。流動橫截面(74)相對于中間平面(75)是非對稱的，中間平面沿軸向且沿翼展方向穿過中間段(101)而延伸。不同的后緣冷卻孔(30)可包括不同的非對稱的流動橫截面(74)。槽脊(50)可在冷卻槽口(66)之間延伸。隆起底面(88)可遠離壓力側壁或吸力側壁(42,44)中的至少一個而延伸，至少部分地穿過一個或多個非對稱的中間段(101)且可選地至少部分地穿過冷卻槽口(66)。隆起底面(88)可包括上斜坡和下斜坡(90,94)和在斜坡(90,94)之間的平坦的過渡段(92)。
【專利說明】非對稱成形的后緣冷卻孔
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求享有于2012年5月9日提交的題名為“非對稱成形的后緣冷卻孔”的美國臨時專利申請N0.61/645/008的優先權，其公開通過引用而結合在本文中。
【技術領域】
[0002]本發明大體涉及燃氣渦輪發動機渦輪翼型件冷卻，并且更具體地說，涉及通向后緣冷卻槽口的渦輪翼型件后緣冷卻孔。
【背景技術】
[0003]在燃氣渦輪發動機中，空氣在壓縮機中進行壓縮，并在燃燒器中與燃料進行混合，以用于產生熱的燃燒氣體。熱的氣體被引導穿過渦輪的各個級，渦輪從中抽取能量，以用于驅動壓縮機和做功，例如在典型的飛機渦輪風扇發動機應用中驅動上游風扇。
[0004]渦輪級包括固定的渦輪噴嘴，其具有一排空心的導葉，導葉將燃燒氣體引導至相對應的從支承性轉子盤沿徑向向外延伸的一排轉子葉片中。導葉和葉片具有相對應的空心的翼型件，翼型件里面具有相對應的冷卻回路。
[0005]冷卻空氣典型地是從燃燒過程轉移過來的壓縮機排出空氣，并從而降低了發動機的總效率。為了最大限度地增加發動機的效率，必須最大限度地減小冷卻空氣的數量，但盡管如此，必須使用足夠的冷卻空氣來充分地冷卻渦輪翼型件，以便最大限度地增加其在運行期間的有效壽命。各個翼型件包括大體凹入的壓力側壁和相對的大體凸起的吸力側壁，它們沿著從翼型件基部至翼型件頂端的翼展沿縱向或沿徑向向外延伸，并且沿軸向在弦向方向上在前緣和后緣之間延伸。對于渦輪葉片，翼型件翼展從徑向內側平臺處的根部延伸至與周圍渦輪護罩間隔開的徑向外側頂端。對于渦輪導葉，翼型件從與徑向內帶構成整體的根部延伸至與外帶構成整體的徑向外側頂端。
[0006]各個渦輪翼型件的厚度最初還在前緣后面增加，然后厚度向相對較薄的或尖銳的后緣減小，在后緣處，壓力側壁和吸力側壁連接在一起。翼型件較寬的部分具有足夠的內部空間，用于容納各種形式的內部冷卻回路和紊流器，以便增強翼型件內部的熱傳遞冷卻，而相對較薄的后緣具有相對有限的內部冷卻空間。
[0007]各個翼型件典型地包括各種穿過其側壁而延伸成排的薄膜冷卻孔，其從內部回路排出使用過的冷卻空氣。薄膜冷卻孔典型地在向后方向朝著后緣傾斜，并且在翼型件的外表面上產生冷卻空氣薄膜，其為抵抗在運行期間在翼型件表面上流過的熱的燃燒氣體提供了用于額外保護的隔熱氣毯。
[0008]薄的后緣典型地受到一排后緣冷卻孔的保護，后緣冷卻孔在后緣上游的破口(breakout)不遠處突破壓力側壁，以將薄膜冷卻空氣排出到后緣冷卻槽口中。各個后緣冷卻孔在壓力側中具有出口孔，其開始于破口處，并且在徑向方向上可由或不由沿軸向延伸的間壁的后端處暴露的槽脊來界定邊界，沿軸向延伸的間壁限定了冷卻槽口。
[0009]軸向間壁可與翼型件的壓力側和吸力側整體地成形，并且自身必須通過由其限定的冷卻槽口所排出的空氣進行冷卻。間壁典型地在向后方向上朝著后緣收斂，使得冷卻槽口朝著后緣以淺發散角進行發散，這促進了排出的冷卻空氣進行擴散，而沿著間壁的側部很少有(如果有的話)流分離。
[0010]后緣冷卻槽口的空氣動力學性能和冷卻性能直接與冷卻槽口和中間間壁的具體配置相關。冷卻槽口的流動面積調節通過冷卻槽口排出的冷卻空氣的流量，并且冷卻槽口的幾何結構影響其冷卻性能。
[0011]冷卻槽口的發散角或擴散角可使排出的冷卻空氣出現不符合要求的流分離，這將降低排出空氣的性能和冷卻效率。這還增加了損失，這對渦輪效率產生負面影響。直接位于單獨的冷卻槽口下面的薄后緣的部分通過排出的冷卻空氣進行有效地冷卻，其中在間壁的后端，排出的空氣還分布在中間的暴露的槽脊上。槽脊是與吸力側壁整體成形的壓力側壁的實心部分，并且必須依賴于從相鄰的后緣冷卻槽口排出的空氣進行冷卻。
[0012]盡管這些出口槽脊具有小的尺寸且后緣冷卻槽口具有顯著的冷卻性能，但是在燃氣渦輪發動機的惡劣環境中，由于其高的運行溫度，渦輪翼型件的薄的后緣典型地限制了那些翼型件的壽命。
[0013]冷卻空氣對渦輪流道中的主流氣體的壓力比典型地在后緣是最高的，所以將冷卻流調節至所需水平通常是困難的。薄膜冷卻效率必須在槽口底面或露臺和槽脊上都足夠高，以保持可接受的金屬溫度。這對于槽脊是極大的挑戰，槽脊必須依賴于側向冷卻流遷移，以達到頂表面。
[0014]因此，需要提供一種渦輪翼型件，其具有改進的后緣冷卻和冷卻槽口，以改善翼型件耐用性和發動機性能。還需要最大限度地減小用于后緣冷卻的冷卻流，從而最大限度增加渦輪和發動機的燃料效率。還需要提供一種冷卻空氣計量方法，從而最大限度地減小槽口的冷卻孔出口的吹送比，以便在與槽脊邊緣有良好的流對準以及有較小的槽脊面積的條件下，保持良好的槽口底面薄膜效率、低的冷卻流和在槽脊上的冷卻薄膜效率。
【發明內容】
[0015]一種燃氣渦輪發動機渦輪翼型件(12)包括沿橫向間隔開的壓力側壁和吸力側壁(42，44)，它們沿著從翼型件基部(34)至翼型件頂端(36)的翼展(S)向外延伸，并且沿弦向(C)在相反的前緣和后緣(LE，TE)之間延伸。在壓力側壁和吸力側壁(42，44)之間包在翼型件(12)中的沿翼展方向成排(13)的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻孔(30)終止于相對應的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口(66)處，后緣冷卻槽口沿弦向基本延伸至后緣(TE)。各個冷卻孔(30)包括通向后緣冷卻槽口(66)的一個或多個非對稱的中間段(101)，以及非對稱的流動橫截面(74)。非對稱的流動橫截面(74)相對于中間平面(75)是非對稱的，中間平面沿軸向和沿翼展方向穿過一個或多個非對稱的中間段(101)而延伸。
[0016]排(13)中不同的翼型件(12)后緣冷卻孔(30)可包括不同的非對稱的流動橫截面(74)。至少一個隆起底面(88)可遠離壓力側壁或吸力側壁(42，44)中的一個或兩者而延伸，并且在一個或多個非對稱的中間段(101)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過一個或多個非對稱的中間段(101)，或者在一個或多個非對稱的中間段(101)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過一個或多個非對稱的中間段(101)并且至少部分地穿過冷卻槽口(66)。隆起底面(88)按照下游串聯關系可包括上斜坡(90)、下斜坡(94)和位于上斜坡和下斜坡(90，94)之間的平坦的過渡段(92)。
[0017]翼型件(12)可還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊
(50)以及在槽脊(50)之間位于后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。槽脊(50)可圍繞各個冷卻槽口(66)而與壓力側壁(42)的外表面(43)共面或齊平。
[0018]各個冷卻孔30可按照下游(D)串聯冷卻流關系包括冷卻孔(30)的入口(70)、一個或多個非對稱的中間段(101)以及后緣冷卻槽口(66)和上斜坡(90)。
[0019]一個或多個非對稱的中間段(101)可為單個中間段(101)以及包括非對稱的流動橫截面(74)的計量段(100)。
[0020]翼型件(12)的一個實施例可包括冷卻孔(30)的入口(70)，并且一個或多個非對稱的中間段(101)可包括計量段(100)和發散段(102)。各個冷卻孔30按照下游(D)串聯冷卻流關系包括入口(70)、計量段(100)和發散段(102)。至少一個隆起底面(88)可遠離壓力側壁或吸力側壁(42，44)中的一個或兩者而延伸，并且在計量段(100)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過計量段并且至少部分地穿過發散段(102)。或者隆起底面(88)可在計量段(100)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過計量段，穿過發散段(102)且至少部分地穿過冷卻槽口(66)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]在以下描述中結合附圖來解釋本發明的前述方面和其它特征，其中:
圖1是渦輪導葉和轉子葉片翼型件的一個示例性實施例的縱向截面圖，翼型件具有非對稱成形的冷卻孔，冷卻孔在沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口上達到頂點。
[0022]圖2是圖1中所示葉片的放大圖。
[0023]圖3是通向圖2中所示的后緣冷卻槽口的冷卻孔的壓力側截面圖。
[0024]圖4是通過圖3中的4-4得到的后緣孔邊緣冷卻孔和槽口中的一個的橫截面示意圖。
[0025]圖5是圖3中所示的后緣冷卻孔和槽口的上游透視圖。
[0026]圖6是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的橫截面示意圖。
[0027]圖7是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的第一備選橫截面不意圖。
[0028]圖8是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的第二備選橫截面示意圖。
[0029]圖9是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的第三備選橫截面示意圖。
[0030]圖10是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的第四備選橫截面示意圖。
[0031]圖11是通過圖3中的6-6得到的恒定寬度的計量段中的非對稱的流動橫截面的第五備選橫截面示意圖。
[0032]圖12是從圖3中所示的冷卻孔延伸到槽口中的隆起底面的透視圖。
[0033]圖13是非對稱的冷卻孔的壓力側截面圖，冷卻孔具有發散段，發散段通向圖2中所示的后緣冷卻槽口。
【具體實施方式】
[0034]在圖1中顯示了一種示例性的燃氣渦輪發動機高壓渦輪級10，其限定成圍繞發動機中心軸線8，并且定位在燃燒器20和低壓渦輪(LPT) 24之間。燃燒器20使燃料與壓縮空氣混合，用于產生熱的燃燒氣體19，燃燒氣體19穿過渦輪而流向下游D。
[0035]高壓渦輪級10包括位于高壓渦輪(HPT) 22上游的渦輪噴嘴28，通過該渦輪噴嘴將熱的燃燒氣體19排出到燃燒器20中。這里所示的高壓渦輪22的示例性實施例包括至少一排沿周向間隔開的高壓渦輪葉片32。各個渦輪葉片32包括與平臺14和軸向入口鳩尾榫16整體成形的渦輪翼型件12，軸向入口鳩尾榫16用于將渦輪葉片安裝在支承的轉子盤17的周邊上。
[0036]參照圖2，翼型件12沿著從葉片平臺14上的翼型件基部34至翼型件頂端36的翼展S沿徑向向外延伸。在運行期間，在發動機中產生熱的燃燒氣體19，并且熱的燃燒氣體19向下游D流過渦輪翼型件12，渦輪翼型件從中抽取能量，用于使支承葉片的盤旋轉，從而驅動壓縮機(未顯示)。在運行期間，壓縮空氣18的一部分經過合適的冷卻，并被引導至葉片，以用于其冷卻目的。
[0037]翼型件12包括沿橫向間隔開的大體凹入的壓力側壁42和凸起的吸力側壁44。壓力側壁42和吸力側壁44沿縱向或徑向向外沿著從翼型件基部34至翼型件頂端36的翼展S延伸。側壁還沿軸向在弦向方向C上，在相對的前緣LE和后緣TE之間延伸。翼型件12是空心的，其中壓力側壁42和吸力側壁44沿橫向或側向在前緣LE和后緣TE之間間隔開，從而在其中限定內部冷卻空腔或回路54，以便在運行期間使加壓的冷卻空氣或冷卻劑流52循環。加壓的冷卻空氣或冷卻劑流52來自從壓縮機分流的加壓空氣18的一部分。
[0038]渦輪翼型件12在寬度W方面或者沿橫向從前緣LE增加至其后部的最大寬度，然后收斂至相對較薄的或尖銳的后緣TE。內部冷卻回路54的尺寸因此隨翼型件的寬度W而變化，并且在后緣TE的前面不遠處相對較薄，在此處兩個側壁整體地連接在一起，并形成翼型件12的薄的后緣部分56。沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口 66設于翼型件12的這個薄的后緣部分56處或其附近，以便冷卻它。
[0039]參照圖3，一排38沿翼展方向間隔開非對稱的后緣冷卻孔30被包在或埋置和成形于翼型件12中，位于壓力42和吸力側壁44之間，終止于相對應的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口 66處。后緣冷卻槽口 66沿弦向基本延伸至后緣TE。后緣冷卻孔30沿著后緣TE的翼展S進行設置，以便與內部冷卻回路54保持流連通，用于在運行期間從中排出冷卻劑流52。
[0040]在圖3中更具體地顯示了后緣冷卻孔30。各個冷卻孔30按照下游D串聯冷卻流關系包括入口 70、通向后緣冷卻槽口 66的一個或多個非對稱的中間段101。圖3中所示的冷卻孔30的實施例具有向下游D收斂的或喇叭口形狀的彎形入口 70。圖3中所示的冷卻孔30的實施例具有單個中間段101，其是具有非對稱的恒定面積的流動橫截面74的計量段100。冷卻孔30為槽口供給冷卻空氣或冷卻劑流52。后緣冷卻槽口 66開始于計量段100的下游端69處的破口 58，并且這里所示的實施例是沿翼展方向發散的。冷卻孔30沿著翼展S通過相對應的軸向間壁68而彼此沿徑向分隔開，間壁向下游D朝著后緣TE延伸。彎形入口 70這里顯示為向下游收斂的或更具體地說喇叭口形狀的入口。
[0041]入口 70被限定在間壁68的前端72上和其之間。間壁68包括半圓形的前端72，其具有直徑73，該直徑限定了喇叭口入口 70。各個冷卻孔30沿著軸向間壁68中的相對應的相鄰成對的上間壁25和下間壁26包括沿翼展方向間隔開的上孔表面46和下孔表面48。如圖3中所示，孔30的沿翼展方向的高度H被限定在軸向間壁68中的上間壁25和下間壁26的上孔表面46和下孔表面48之間。入口 70、計量段100和后緣冷卻槽口 66具有分別如圖3中所示的向下游延伸的第一長度L1、第二長度L2和第三長度L3。
[0042]參照圖3-5，孔30的孔最大寬度MW相應地在孔30中被限定在壓力側壁42和吸力側壁44的壓力側壁表面39和吸力側壁表面40之間，如圖4中所示。后緣冷卻槽口 66包括槽口底面51，其是開放的并暴露于穿過高壓渦輪22的熱的燃燒氣體19中。槽口底面51沿著吸力側壁44而延伸達整個第三長度L3。
[0043]軸向間壁68的相鄰成對的上間壁25和下間壁26以及壓力側壁42和吸力側壁44沿翼展方向限定了孔30的邊界。參照圖6和圖7，冷卻孔30具有非對稱的流動橫截面74，其可大體是沿翼展方向伸長的，并且沿翼展方向的高度H基本上大于孔最大寬度MW。冷卻孔30可具有在大約2:1至10:1 (見圖4-10)范圍內的示例性的高度對最大寬度比H/MW。壓力側壁42和吸力側壁44的壓力側壁表面39和吸力側壁表面40分別沿橫向限定了孔30的邊界。
[0044]在非對稱的冷卻孔30內部是隆起底面88，其在計量段100中提供了非對稱的恒定面積的流動橫截面74。恒定面積的流動橫截面74相對于中間平面75是非對稱的，中間平面如圖4-11中所示沿軸向和沿翼展方向穿過冷卻孔30的一個或多個非對稱的中間段101而延伸。隆起底面88向下游D延伸，開始于入口 70，并至少部分地穿過計量段100，并且如圖12中所示可至少部分地穿過冷卻槽口 66而延伸。隆起底面88按照下游串聯關系包括位于入口 70中的上斜坡90、位于計量段100的末端的下斜坡94、以及在計量段100中處于上斜坡90和下斜坡94之間的平坦的過渡段92，過渡段92提供了非對稱的恒定面積的流動橫截面74。如圖12中所示，包括下斜坡94的隆起底面88可延伸到后緣冷卻槽口 66中。
[0045]參照圖4，隆起底面88遠離吸力側壁44的吸力側壁表面40而隆起或延伸，如圖4中所示，或者遠離壓力側壁42的壓力側壁表面39而隆起或延伸。上斜坡90向上傾斜，并在計量段100的末端處從吸力側壁表面40向下游D延伸。下斜坡94向下傾斜，并向下游D從過渡段92延伸至后緣TE。圖4中所示的冷卻孔30的實施例在冷卻孔30中具有固定的或恒定的最大寬度MW，并且壓力側壁表面39和吸力側壁表面40在冷卻孔30的整個第二長度LI，L2中平行。在冷卻孔30的整個入口 70和計量段100以及它們相對應的第一長度LI和第二長度L2中，壓力側壁表面39都是平坦的或平直的。在冷卻孔30的這個實施例中，在冷卻孔30的整個入口 70和計量段100和它們相對應的第一長度LI和第二長度L2中，吸力側壁表面40都是平坦的或平直的。槽口底面51與孔30中的吸力側壁表面40是共面的。
[0046]冷卻孔30的計量段100通向后緣冷卻槽口 66，后緣冷卻槽口 66在后緣TE前面或上游間隔開的破口唇部49處突破壓力側壁42的外表面43。各個后緣冷卻槽口 66沿徑向或沿翼展方向由暴露的槽脊50來界定邊界，槽脊50形成了相對應的間壁68的后端，其中間壁的前端從相對應的破口唇部49向前或向上游朝著前緣延伸。圖4中實線所示的槽脊50的一個實施例圍繞各個暴露的冷卻槽口 66與壓力側壁42的外表面43是共面的或齊平的，包括在它們之間沿徑向延伸的公共破口唇部49。這最大限度增加了翼型件的壓力側的流動連續性。
[0047]參照圖5，槽口表面60在槽脊50和槽口底面51之間沿橫向延伸。位于槽口表面60和槽口底面51之間的槽口轉角64中的圓角62具有圓角半徑RF，其可與計量段100的流動橫截面74的底部轉角半徑RT在底部轉角半徑RT附近基本相同尺寸。圓角半徑RF有助于后緣冷卻槽口 66的鑄造性。圓角半徑RF有助于通過將在后緣冷卻槽口中的冷卻劑流52從槽口底面51重新分布至槽脊50上而改善槽脊50的冷卻，從而使冷卻劑流52薄膜更均勻地覆蓋在槽口底面51和槽脊50上。
[0048]圖4中的虛線所示的槽脊50的另一實施例包括槽脊50，其圍繞各個暴露的冷卻槽口 66與壓力側壁42的外表面43不是共面的或齊平的。這些較短的槽脊50朝著槽口底面51成更大角度，且更遠離壓力側壁42的外表面43。槽脊50可遠離外表面43以在0_5度之間的范圍內的槽脊角度A3成角度，并且槽脊50可在后緣TE上游與槽口底面51相交。翼型件的這個較短的槽脊實施例還包括露臺130，其則為槽口底面51提供了結構和表面。露臺130沿弦向或向下游從冷卻孔30的計量段100經過槽口底面51而基本延伸至后緣TE。
[0049]在圖6和圖7中顯示了冷卻孔30中的計量段100的非對稱的流動橫截面74。圖6中所示的隆起底面88從壓力側壁42的壓力側壁表面39隆起。圖7中所示的隆起底面88從吸力側壁44的吸力側壁表面40隆起。冷卻孔30具有非對稱的橫截面孔面積AH，并且隆起底面88具有橫截面隆起底面面積AP。在隆起底面88和冷卻孔30之間的流動橫截面74具有流動截面積AF，其等于在孔面積AH和隆起底面面積AP之差。在圖8，9和10中顯示了其它示例性的非對稱的流動橫截面74。圖10中所示的計量段100的非對稱的流動橫截面74具有中間段71和上部隆起底面88U和下部隆起底面88L以及隆起底面上部面積APl和隆起底面下部面積AP2。
[0050]圖6-10中所示的流動橫截面74的實施例大體可被描述為具有位于中間段124的遠端122處的兩個或多個凸瓣120，中間段124可為相對較窄的矩形中間段124。圖11中所示的流動橫截面74的實施例具有三個凸瓣120。流動橫截面74的高度H在計量段100的整個長度上增加。
[0051]在這排38沿翼展方向間隔開的非對稱的后緣冷卻孔30中的不同的非對稱的后緣冷卻孔30在非對稱的中間段101中可具有相對應的不同的非對稱的流動橫截面74。這容許翼型件22和后緣TE的冷卻適應局部的加熱和冷卻要求。
[0052]冷卻孔30、后緣冷卻槽口 66和槽脊50是鑄造的冷卻特征。鑄造這些特征為翼型件和葉片及導葉提供了良好的強度、低的制造成本和耐用性。非對稱成形的流動橫截面74提供了良好的冷卻流特征，這減少了冷卻翼型件所需要的冷卻劑流52的數量。底部轉角半徑RT有助于這些冷卻特征的良好的冷卻、可鑄造性和強度，并且特別有助于冷卻槽脊50，因而減少了所使用的冷卻劑流52的數量。
[0053]在圖13中顯示了后緣冷卻孔30具有兩個中間段101，其包括基本恒定面積的計量段100和沿翼展方向發散段102。各個后緣冷卻孔30按照下游串聯冷卻流關系包括向下游聚合的或喇叭口形狀的彎形入口 70、基本恒定面積的非對稱的流動橫截面計量段100和通向后緣冷卻槽口 66中的沿翼展方向發散段102。各個后緣冷卻孔30為槽口 66供給冷卻空氣或冷卻劑流52。隆起底面88在計量段100和發散段102中提供了非對稱的恒定面積的流動橫截面74。隆起底面88按照下游串聯關系包括位于入口 70中的上斜坡90、位于計量段100末端的下斜坡94、以及在計量段100和發散段102中處于上斜坡90和下斜坡94之間的平坦的過渡段92，過渡段92提供了非對稱的恒定面積的流動橫截面74。如圖12中所示，包括下斜坡94的隆起底面88可延伸到邊緣冷卻槽口 66中。
[0054]隆起底面88有助于強制將冷卻流從槽口底面分布到槽脊上。這非對稱的計量段100產生了冷卻節流作用，這能夠顯著冷卻流動區域和滿足冷卻流需求。冷卻孔的非對稱成形的計量段可發生極大地變化，以滿足設計需要，并可置于冷卻孔的頂部或底部。冷卻孔的非對稱成形的計量段可通過引進工字梁作用而改善芯部強度，以減少彎曲。在計量段中具有不同的非對稱形狀的流動橫截面74。
[0055]冷卻孔的非對稱成形的計量段解決了有效地計量翼型件后緣冷卻流的問題，并且同時改善了翼型件后緣薄膜效率。在冷卻孔入口 70處實現了冷卻流計量，在通向槽口 66的冷卻孔出口處減少了吹送比，從而在減少冷卻流的條件下保持良好的槽口底面薄膜效率。槽口底面上的冷卻薄膜效率通過與槽脊邊緣更好的流對準以及更小的槽脊面積而得以改善。冷卻孔的非對稱成形的計量段有助于減少渦輪冷卻流，這產生更好的發動機性能和更低的SCF，以及更低的峰值后緣金屬溫度。
[0056]具有恒定寬度W的計量段100的尺寸設置成控制冷卻劑流52的數量，從而有利于發動機循環。計量段100擴展破口 58處的流覆蓋范圍，使后緣冷卻槽口 66中的冷卻劑流52從槽口底面51重新分布到槽脊50上，從而使冷卻劑流52薄膜更均勻地覆蓋在槽口底面51和槽脊50上。位于孔30的發散段102上游的恒定寬度W的計量段100有助于冷卻劑流52完全粘附在發散段102中。
[0057]這則容許增加槽口底面51的表面面積，并減少槽脊50的表面面積。恒定寬度W的計量段100和發散段102有助于在破口處相對于槽脊50建立更有利的流動角A2，從而使更多的冷卻劑流52到達槽脊上。在冷卻孔30的整個第一長度LI和第二長度L2上平直的壓力側壁表面39還有助于在破口處相對于槽脊50建立更有利的流動角，從而使更多的冷卻劑流52到達槽脊上。
[0058]冷卻孔30的恒定寬度和單獨的平坦壓力側壁表面39幫助將在破口處的冷卻劑流52的冷卻劑速度以及沿壓力側壁42的外部表面43的熱燃燒氣體的氣體速度保持為大約相等，以最小化氣動損失，氣動損失可對渦輪效率導致不利作用。這兩個特征還幫助使冷卻劑流52保持附著在槽口 66的擴張段中。
[0059]本發明已經以說明性方式描述。應當理解，所使用的術語意圖具有詞語的描述而非限制的性質。雖然已經在本文中描述了被認為是本發明的優選且示例性的實施例，但是從本文的教導，本發明的其他修改將對本領域技術人員顯而易見，并且因此，期望在所附權利要求中保護落在本發明的真正精神和范圍內的所有這種修改。
[0060]因此，期望通過美國專利特許證所保護的是在所附權利要求書中限定和區分的本發明。
【權利要求】
1.一種燃氣渦輪發動機渦輪翼型件(12)，包括: 沿橫向間隔開的壓力側壁和吸力側壁(42，44)，它們沿著從翼型件基部(34)至翼型件頂端(36)的翼展(S)向外延伸； 所述壓力側壁和吸力側壁(42，44)沿弦向(C)在相對的前緣和后緣(LE，TE)之間延伸； 沿翼展方向成排(13)的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻孔(30)，其在所述壓力側壁和吸力側壁(42，44)之間包在所述翼型件(12)中，并終止于相對應的沿翼展方向間隔開的后緣冷卻槽口 ￠6)處，所述后緣冷卻槽口 ￠6)沿弦向基本延伸至所述后緣(TE)； 所述冷卻孔(30)中的各個包括通向所述后緣冷卻槽口 ￠6)的一個或多個非對稱的中間段(101)； 在所述一個或多個非對稱的中間段(101)中的非對稱的流動橫截面(74):以及 所述非對稱的流動橫截面(74)相對于中間平面(75)是非對稱的，所述中間平面沿軸向且沿翼展方向穿過所述一個或多個非對稱的中間部段(101)而延伸。
2.根據權利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述排(13)中的不同的后緣冷卻孔(30)在所述不同的后緣冷卻孔(30)中的對應的后緣冷卻孔的一個或多個非對稱的中間段(101)中包括不同的非對稱的流動橫截面(74)。
3.根據權利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括至少一個隆起底面(88)，其可遠離所述壓力側壁或所述吸力側壁(42，44)中的一個或兩者而延伸，并且在所述一個或多個非對稱的中間段(101)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過所述一個或多個非對稱的中間段(101)，或者在所述一個或多個非對稱的中間段(101)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過所述一個或多個非對稱的中間段(101)并且至少部分地穿過所述冷卻槽口(66)。
4.根據權利要求3所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述隆起底面(88)按照下游串聯關系包括上斜坡(90)、下斜坡(94)和位于所述上斜坡和下斜坡(90，94)之間的平坦的過渡段(92)。
5.根據權利要求4所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊(50)，以及在所述槽脊(50)之間位于所述后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。
6.根據權利要求5所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述槽脊(50)圍繞所述冷卻槽口(66)中的各個而與所述壓力側壁(42)的外表面(43)是共面的或齊平的。
7.根據權利要求4所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述冷卻孔(30)中的各個按照下游(D)串聯冷卻流關系包括所述冷卻孔(30)的入口(70)、所述一個或多個非對稱的中間段(101)以及所述后緣冷卻槽口(66)和在所述入口(70)中的上斜坡(90)。
8.根據權利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述一個或多個非對稱的中間段(101)是單個中間段(101)以及包括所述非對稱的流動橫截面(74)的計量段(100)。
9.根據權利要求8所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊(50)以及在所述槽脊(50)之間位于所述后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。
10.根據權利要求9所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述槽脊(50)圍繞所述冷卻槽口(66)中的各個而與所述壓力側壁(42)的外表面(43)是共面的或齊平的。
11.根據權利要求8所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括: 所述冷卻孔(30)的入口(70)， 所述冷卻孔(30)中的各個按照下游(D)串聯冷卻流關系包括所述入口(70)和所述計量段(100)，以及 至少一個隆起底面(88)，其遠離所述壓力側壁或吸力側壁(42，44)中的一個或兩者而延伸，并且在所述一個或多個非對稱的中間段(100)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過所述一個或多個非對稱的中間段(100)，或者隆起底面(88)在所述計量段(100)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過所述計量段(100)并且至少部分地穿過所述冷卻槽口(66)。
12.根據權利要求11所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述隆起底面(88)按下游串聯關系包括上斜坡(90)、下斜坡(94)和在所述上斜坡和下斜坡(90，94)之間的平坦的過渡段(92)。
13.根據權利要求12所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊(50)以及在所述槽脊(50)之間位于所述后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。
14.根據權利要求13所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述槽脊(50)圍繞所述冷卻槽口 ￠6)中的各個而與所述壓力側壁(42)的外表面(43)是共面的或齊平的。
15.根據權利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括: 所述冷卻孔(30)的入口(70)， 所述一個或多個非對稱的中間段(101)包括計量段(100)和發散段(102)， 所述冷卻孔(30)中的各個按照下游(D)串聯冷卻流關系包括所述入口(70)、所述計量段(100)和所述發散段(102)， 至少一個隆起底面(88)，其遠離所述壓力側壁或吸力側壁(42，44)中的一個或兩者而延伸，并且在所述計量段(100)中向下游(D)延伸且至少部分地穿過所述計量段(100)并且至少部分地穿過所述發散段(102)，或者隆起底面(88)在所述計量段(100)中向下游(D)延伸，并且至少部分地穿過所述計量段(100)，穿過所述發散段(102)且至少部分地穿過所述冷卻槽口(66)。
16.根據權利要求15所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊(50)以及在所述槽脊(50)之間位于所述后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。
17.根據權利要求16所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述槽脊(50)圍繞所述冷卻槽口 ￠6)中的各個而與所述壓力側壁(42)的外表面(43)是共面的或齊平的。
18.根據權利要求15所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述隆起底面(88)按下游串聯關系包括上斜坡(90)、下斜坡(94)和在所述上斜坡和下斜坡(90，94)之間的平坦的過渡段(92)。
19.根據權利要求18所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括設置在沿翼展方向相鄰的后緣冷卻槽口 ￠6)之間的槽脊(50)以及在所述槽脊(50)之間位于所述后緣冷卻槽口(66)中的槽口底面(51)。
20.根據權利要求19所述的翼型件(12)，其特征在于，還包括，所述槽脊(50)圍繞所 述冷卻槽口 ￠6)中的各個而與所述壓力側壁(42)的外表面(43)是共面的或齊平的。
【文檔編號】F01D5/18GK104487658SQ201380024123
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月9日 優先權日:2012年5月9日
【發明者】F. 小伯格霍爾斯 R., L. 杜爾斯托克 D. 申請人:通用電氣公司