具有菱形湍流器的涡轮翼型件冷却通道的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及在燃气涡轮发动机的叶片中的冷却通道内提供湍流空气流的瑞流器(turbulator)，并且更具体地涉及其中瑞流器具有菱形(diamond-shaped)构型的在燃气涡轮发动机的叶片中的冷却通道内提供湍流空气流的湍流器。
【背景技术】
[0002]世界的能源需求持续上升，这产生了对可靠、可支付、高效和环境相容的功率生成的需求。燃气涡轮发动机是一种已知的机器，其提供高效的功率并且常常具有用于发电厂中的发电机或飞行器或船舶中的发动机的应用。典型的燃气涡轮发动机包括压缩机段、燃烧段和涡轮段。压缩机段将压缩的空气流提供至燃烧段，空气在这里与诸如天然气的燃料混合，并且点燃以形成热工作气体。工作气体膨胀通过涡轮段并且由相关的翼片(vane)导向越过涡轮段中的叶片的排。随着工作气体穿过涡轮段，其致使叶片旋转，这继而致使轴旋转，从而提供机械功。
[0003]工作气体的温度被严格地控制，从而使其不超过特定涡轮发动机设计的某个预定温度，因为过高的温度会损坏发动机的涡轮段中的各种零件和部件。然而，希望允许工作气体的温度尽可能高，因为工作气体的温度越高，气体的流动就越快，这导致发动机的更高效操作。
[0004]在某些燃气涡轮发动机设计中，压缩空气流的一部分也用来为涡轮段中的某些部件(典型地翼片、叶片和环段)提供冷却。可提供给这些部件的更多冷却和/或更高效的冷却使部件能保持较低的温度，从而使工作气体的温度可以更高。例如，通过降低压缩气体的温度，需要较少的压缩气体来将零件保持在所需的温度，从而导致更高的工作气体温度和来自发动机的更大功率和效率。此外，通过在涡轮段中的一位置处使用较少的冷却空气，可以在涡轮段中的另一位置处使用更多的冷却空气。在一种已知的涡轮发动机设计中，压缩空气流的80%与燃料混合以提供工作气体，并且压缩空气流的20%用来冷却涡轮段零件。如果由于冷却空气处于较低温度而在一个特定位置处使用较少的该冷却空气，则可以在涡轮段中的其它区域使用更多冷却空气以增加冷却。
[0005]本领域已经知道在祸轮段中的叶片内提供蛇形(serpentine )冷却空气流动通道，在这里，在冷却空气离开叶片之前，空气在往复运动中沿一个通道向上并沿相邻的通道向下流动。在一种已知的冷却空气流动通道设计中，一系列特殊构造的湍流器或扰流条(tripstrip)定位在流动通道内，致使扰流条上的空气流变成瑞流的。由扰流条提供的空气流中的扰动增强了空气的局部传热系数，并且因此提高冷却性能。可以对扰流条做出改进以进一步提尚冷却性能。
【发明内容】
[0006]本公开描述了一种具有菱形构型的湍流器，其中，湍流器的前部部分是湍流器的后部部分的镜像，并且其中，湍流器具有用于冷却燃气涡轮发动机的叶片中的流动通道的应用。菱形湍流器的阵列相对于冷却空气流定位成排，以使得在各排中的一排中的湍流器相对于在相邻排中的两个湍流器之间的间隙定位，以分散在湍流器之间流动的空气流。
[0007]根据结合附图的以下描述和所附权利要求，本发明的另外的特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0008]图1是燃气涡轮发动机的剖开的等轴视图；
图2是从燃气涡轮发动机中的一排叶片分离的一个叶片的剖视图，并且示出了其中的空气冷却流动通道；
图3是沿图2中所示叶片的线3-3的剖视图；
图4是示出在图2和图3所示叶片中的流动通道内的多个已知的倾斜扰流条的图示； 图5是图4中所示扰流条中的一个的剖视图；
图6是示出在图2和图3所示叶片中的流动通道内的一系列已知的山形扰流条的图示;
图7是示出在图2和图3所示叶片中的流动通道内的已知的分段且倾斜的扰流条的图示;
图8是示出在图2和图3所示叶片中的流动通道内的菱形湍流器的构型的图示；
图9是图8所示湍流器中的一个的侧视图；以及图10是图8中所示的两个相邻湍流器的俯视图。
【具体实施方式】
[0009]本发明的实施例的以下描述涉及用于冷却燃气涡轮发动机叶片内的流动通道的菱形湍流器，其在本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或用途。
[0010]图1是燃气涡轮发动机10的剖开的等轴视图，其包括全部封闭在外部外壳或壳体30内的压缩机段12、燃烧段14和涡轮段16，其中，发动机10的操作致使中心的轴或转子18旋转，从而产生机械功。发动机10以非限制性示例的方式示出和描述，以便为下文讨论的本发明提供上下文。本领域的技术人员应当理解，其它燃气涡轮发动机设计也将受益于本发明。转子18的旋转将空气吸入压缩机段12中，在这里，空气被翼片(vane) 22导向并被旋转的叶片20压缩以递送至燃烧段14，在这里，压缩空气与诸如天然气的燃料混合并且燃料空气混合物被点燃以形成热工作气体。更具体而言，燃烧段14包括多个周向设置的燃烧器26，每个燃烧器在燃烧器26中接收由喷射器(未示出)喷出的燃料，并且该燃料与压缩空气混合以由点火器24点燃，从而形成由过渡部28导向至涡轮段16中的工作气体。工作气体由涡轮段16中周向设置的静止的翼片(未示出)导向，以流过周向设置的能旋转的涡轮叶片34，这致使涡轮叶片34旋转，从而使转子18旋转。一旦工作气体穿过涡轮段16，其就通过输出喷嘴36作为排气从发动机10输出。
[0011]每一组周向设置的静止的翼片限定一排翼片，而每一组周向设置的叶片34限定一排38叶片34。在该非限制性实施例中，涡轮段16包括呈交替的顺序的四排38旋转的叶片34和四排静止的翼片。在其它燃气涡轮发动机设计中，涡轮段16可包括更多排或更少排涡轮叶片34。应当指出，称为第I排叶片的最前排涡轮叶片34和称为第I排翼片的翼片接收最高温度的工作气体，其中工作气体的温度随气体流过涡轮段16而降低。
[0012]图2是翼型件(airfoil)或叶片40的剖视图，其旨在代表第2排叶片，但可以是燃气涡轮发动机10中的各排叶片34中的任一排的一般表示，其中，叶片40包括下文详细讨论的冷却流体流动通道。图3是沿图2中的线3-3的叶片40的剖视图。叶片40包括附接部分42，其构造成允许叶片40以本领域的技术人员充分理解的方式牢固地安装到转子18。叶片平台44设置在附接部分42的远端处并且限定叶片40的渐缩的翼型件部分46的开端。
[0013]翼型件部分46包括外部外壳48和限定蛇形流动通道60的多个内部肋50、52、54、56和58，流动通道60包括在外部外壳48和肋50之间的通道部分62、在肋50和52之间的通道部分64以及在肋52和54之间的通道部分66。空气通过附接部分42中的输入开口70流入叶片40，进入通道部分62并且流向外壳48的端部部分78，在这里，空气流中的一些通过端部部分中的孔口 80离开流动通道部分62。空气接着沿叶片40向下回流通过通道部分64进入附接部分42中的室72，附接部分42具有由覆盖板74覆盖的开口。空气接着沿叶片40向上回流通过通道部分66且通过叶片40的端部部分78中的孔口 76。肋54包括孔口 82的阵列，其允许一些空气流入肋54和56之间的冲击通道84，肋56包括孔口 86的阵列，其允许空气流入肋56和58之间的通道88，并且肋58包括孔口 92的阵列，其允许空气流入肋58和外部外壳48之间的冲击通道94。外部外壳48中的孔口 96的阵列允许空气流出叶片40。可以明显看出，肋54、56和58中的孔口 82、86和92相对于彼此交错，从而使空气不直接从一个通道横跨下一个通道流入随后的通道中。这使流过孔口中的一个的空气冲击下一个通道中的肋的部段，从而形成增加冷却效果的湍流。特别地，这种空气流效应在通道84、88和94内部形成旋涡，其提供用于有效冷却的湍流。
[0014]本领域已知提供安装到通道部分62、64和66的内壁的湍流器或扰流条的构型，该湍流器或扰流条在图2中大体上表示为附图标记100。应当指出，下文的讨论将首先描述已知的扰流条，然后讨论根据本发明的扰流条的新构型，其中，附图标记100旨在在图2中表示全部。如本领域已知的，用于该目的的扰流条是在相对于冷却空气流的横向方向上形成到叶片40的外部外壳48的内表面的金属条。在该设计中，扰流条100示出为倾斜的扰流条，因为体面相对于冷却空气的流动方向略微倾斜。在一个备选实施例中，扰流条100可垂直于空气的流动方向。倾斜的扰流条有时优先于垂直的扰流条使用，以便使扰流条可以更长，这提供了更紊乱的空气流。
[0015]图4是叶片40的一部分的图示，示出了通道部分62 —部分。该图示示出了三个已知的倾斜扰流