專利名稱：用于冷卻燃?xì)廨啓C噴嘴的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及燃?xì)廨啓C噴嘴，更具體地涉及用于冷卻燃?xì)廨啓C噴嘴的方法和設(shè)備。
燃?xì)廨啓C包括燃燒燃料-空氣混合物的燃燒器，該混合物然后通過一個渦輪噴嘴裝置向著渦輪機形成通道。至少一些已知的渦輪噴嘴裝置包括多個在發(fā)動機內(nèi)燃燒器的下游沿周邊排列的噴嘴。每個噴嘴包括一個在整體形成的內(nèi)外區(qū)平臺之間延伸的翼面葉片。這些噴嘴是通過內(nèi)部對流冷卻和燃?xì)鈧?cè)薄膜式冷卻的聯(lián)用而冷卻的。
每個噴嘴包括一對側(cè)壁，它們在前緣和后緣處連接。一個典型的葉片翼面的金屬溫度分布是這樣的，就是后緣的溫度顯著地高于翼面整體的溫度。所產(chǎn)生的溫度梯度造成葉片后緣處的高的壓縮應(yīng)力，而高溫高壓的聯(lián)合作用通常造成葉片后緣成為限制噴嘴壽命的部位。因此，在至少一些已知的噴嘴內(nèi)，翼面葉片的后緣是通過從一個內(nèi)部界定的葉片空腔中排出的一層冷卻空氣薄膜來冷卻的。更確切地說，該冷卻空氣薄膜是通過在翼面葉片壓力側(cè)上形成的并位于翼面葉片后緣上游的后緣槽來排出的。
人們試圖對供給每個噴嘴葉片的空氣量進(jìn)行最優(yōu)化來減少可能與冷卻氣流分離有關(guān)的對發(fā)動機性能降低的影響。通常，將這些槽做成其長度便于使供給該后緣的冷卻氣流量最優(yōu)化。由于槽的長度，這些槽通常利用放電機械加工(EDM)工藝制造。但是，這樣一種制造工藝可能增加制造費用和時間，而且由于任務(wù)的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致重新加工翼面葉片。一種包含內(nèi)部冷卻的幾何尺寸的可比得上失蠟鑄造工藝的噴嘴設(shè)計相對于需要EDM工藝來生產(chǎn)這些槽的噴嘴設(shè)計通常費用要少些。
發(fā)明概要按照本發(fā)明的一個方面，提供一種用于制造燃?xì)廨啓C的噴嘴的方法。該噴嘴包括一個翼面。該方法包括將翼面制成包括一個負(fù)壓側(cè)和一個與其在前緣和后緣處連接的壓力側(cè)，在翼面的壓力側(cè)中形成多個伸向后緣的槽，并在翼面負(fù)壓側(cè)和壓力側(cè)之間延伸多個排列成行的柱，使得第一排柱的每一個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位于剩余排柱和翼面壓力側(cè)的槽之間。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種燃?xì)鉁u輪機的渦輪噴嘴。該噴嘴包括一個翼面葉片，該葉片包括一個第一壁、一個第二壁和多個在兩壁之間延伸的柱。該第一壁和第二壁在前緣和后緣處連接。該第二壁包括多個向后緣延伸的槽。這多個槽包括至少一個具有基本上橢圓形橫截面的第一排柱。該第一排柱安置在剩余的多個柱和該第二壁的槽之間。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種燃?xì)廨啓C噴嘴的翼面。該翼面包括一個根部、一個頂部、多個槽、一個凸面?zhèn)缺诤鸵粋€與其在后緣處連接的凹面?zhèn)缺?。每個側(cè)壁延伸在根部和頂部之間。該凹面?zhèn)缺谛纬梢砻娴膲毫?cè)，并包括多個伸向后緣的槽。該多個柱包括至少一個第一排柱和一個第二排柱。該第一排柱是沿徑向同心地準(zhǔn)直的，第一排柱的每個具有基本上橢圓形的橫截面輪廓并漸漸變窄，使得每個第一排柱的上游側(cè)的寬度大于其下游側(cè)的寬度。這些槽鄰接第一排柱并在其下游。
附圖簡述

圖1是一個燃?xì)廨啓C的示意圖；圖2是一種可以與圖1中所示的燃?xì)廨啓C一起使用的渦輪噴嘴裝置的透視圖；以及圖3是圖2中所示的渦輪噴嘴的放大的示意橫截面圖。
發(fā)明詳述圖1是燃?xì)廨啓C10的示意圖，該發(fā)動機10包括一個風(fēng)扇裝置12、一個高壓壓氣機14和一個燃燒器16。發(fā)動機10還包括一個高壓渦輪18和一個低壓渦輪20。發(fā)動機10有一個進(jìn)氣側(cè)或上游側(cè)28和一個排氣側(cè)或下游側(cè)30。在一個實施例中，發(fā)動機10是一種可從美國俄亥俄州辛辛那提市通用電氣航空發(fā)動機公司買到的CF6-80型發(fā)動機。
在運轉(zhuǎn)中，空氣流過風(fēng)扇裝置12，而壓縮空氣供給高壓壓氣機14。高度壓縮的空氣輸送到燃燒器16。從燃燒器16來的空氣流通過一個包括多個噴嘴(圖1中未示出)的渦輪噴嘴裝置(圖1中未示出)排出，并用于驅(qū)動渦輪18和20。渦輪20又驅(qū)動風(fēng)扇裝置12，而渦輪18驅(qū)動高壓壓氣機14。
圖2是可以與燃?xì)廨啓C如發(fā)動機10(圖1中示出)一起使用的渦輪噴嘴裝置50的透視圖。噴嘴裝置50包括多個在發(fā)動機10內(nèi)沿周邊伸出的噴嘴51。圖3是與噴嘴裝置50一起使用的渦輪噴嘴51的一部分的放大的示意橫截面圖。每個噴嘴51包括一個延伸在徑向外區(qū)或平臺54和徑向內(nèi)區(qū)或平臺56之間的翼面葉片52。更確切地說，在示例的實施例中，每個帶54和56與每個翼面葉片52整體形成。
每個翼面葉片52包括一個第一側(cè)壁60和一個第二側(cè)壁62。第一側(cè)壁60是凸面的并限定翼面葉片52的負(fù)壓側(cè)，而第二側(cè)壁62是凹面的，并限定翼面葉片52的壓力側(cè)。側(cè)壁60和62在翼面葉片52的前緣64處和沿軸向隔開的后緣66處互相結(jié)合。
第一和第二側(cè)壁60和62分別從徑向內(nèi)區(qū)56沿縱向或沿徑向向外沿葉展延伸到徑向外區(qū)54。一個翼面根部70被界定為鄰接內(nèi)區(qū)56，而一個翼面頂部72被界定為鄰接外區(qū)54。此外，第一和第二側(cè)壁60和62相應(yīng)地在翼面葉片52內(nèi)界定一個冷卻室(未示出)。更確切地說，該冷卻室是由每個相應(yīng)的側(cè)壁60和62的內(nèi)表面(未示出)界定的。
第二側(cè)壁62界定翼面葉片52的壓力側(cè)，并包括多個穿過該處且與冷卻室流體連通的冷卻孔80。在一個實施例中，噴嘴冷卻室接受從壓氣機如壓氣機14(圖1中示出)排出的冷卻空氣?？?0將冷卻空氣排到翼面葉片52的外表面81上。更確切地說，薄膜式冷卻孔80包括后緣擴散槽82和多個側(cè)壁薄膜式冷卻孔86。應(yīng)當(dāng)注意到，孔80的排列和數(shù)目是可變的。
擴散槽82延伸通過第二側(cè)壁62并伸向翼面后緣66，且包括一對鄰近每個相應(yīng)的平臺區(qū)54和56的相同的第一槽90和第二槽92以及多個在槽90和92之間沿徑向隔開的相同的主體槽94。相鄰的擴壓槽82由接合區(qū)98分開，使得對相鄰接合區(qū)98之間的每個槽82界定一個槽的徑向高度。因此，因為槽94是相同的，所以每個槽94的徑向高度100是相等的，而且因為槽90和92是相同的，所以每個槽90和92的徑向高度102是相等的，而且大于槽徑向高度100。更確切地說，每個槽90和92的徑向高度102是每個槽94的徑向高度100的近兩倍。在該示例性實施例中，每個槽90和92的徑向高度102等于近0.090英寸，而每個槽94的徑向高度100等于近0.045英寸。徑向高度102和100的差別由于翼面葉片52與區(qū)54和56之間熱增長的不匹配而便于釋放翼面后緣66處的熱應(yīng)變。其次，槽的幾何尺寸便于增強鄰近每個區(qū)54和56的翼面葉片52中的冷卻。
每個接合區(qū)98是漸擴的并包括一個上游部分120和一個下游部分122。上游部分120是彎曲的，延伸在前緣124和下游部分122之間。在該示例性實施例中，上游部分120基本上為半圓形。下游部分122從上游部分120延伸到后緣128處的頂點126。下游部分122基本上為三角形，對每個擴散槽82形成一個半擴散角129。在該示例性實施例中，每個槽82有一個等于近7度的半擴散角129。
每個接合區(qū)98也有在每個接合區(qū)前緣124和每個相應(yīng)的接合區(qū)后緣126之間測量的長度130。在該示例性實施例中，每個接合區(qū)的長度130為近似等于0.155英寸。接合區(qū)98還是等間距的，因此，每個槽82有一個中心線136。槽中心線136基本上是平行的。
翼面葉片52還包括一個柱排144，后者包括多個在側(cè)壁60和62之間通過冷卻室延伸的柱150。柱排144便于在流過冷卻室的冷卻空氣中產(chǎn)生擾動。更確切地說，在該示例性實施例中，每個葉片52包括至少一排第一柱152，它們在擴散槽82的緊上游，在其余柱150和槽82之間。柱152沿徑向在平臺帶54和56之間延伸，并且是沿徑向?qū)?zhǔn)的。
每個柱150有一個基本上橢圓形的橫截面，并向著翼面葉片的后緣66漸漸變窄。每個漸漸變窄的柱150便于提高向著擴散槽82流過冷卻室的冷卻空氣的局部速度，因此，便于提高翼面葉片52內(nèi)柱150和翼面葉片后緣66之間的冷卻效率。更確切地說，每個柱150在柱前緣156處的徑向?qū)挾?54大于柱后緣160處的徑向?qū)挾?58。漸漸變窄的柱150便于減少流過冷卻室的冷卻空氣的壓力損失。其次，噴嘴葉片52內(nèi)的幾何構(gòu)型使得每個接合區(qū)98被制造成具有比包括后緣擴散槽的其它已知噴嘴要短的長度130。每個接合區(qū)98的長度130較短便于每個翼面葉片52用失蠟鑄造工藝來制造。
每個柱150還有一根分別延伸在前后緣156和160之間的中心線170。在主體擴散槽94緊上游延伸的柱150被這樣安置，使得每根柱中心線170與每根槽中心線136基本上共直線，因此與經(jīng)槽90和92延伸的中心線136平行。
翼面葉片52是通過鑄造一個型芯(未示出)來制造的。該型芯是通過將一種液體陶瓷和石墨漿液注入一個型芯模具(未示出)而制成的，然后加熱該漿液而形成一個固體陶瓷翼面型芯。該翼面型芯懸掛在一個翼面葉片模具(未示出)中，然后將熱石蠟注入該翼面葉片模具中以包圍陶瓷翼面型芯。熱石蠟?zāi)潭纬梢粋€石蠟翼面葉片，陶瓷型芯就懸掛在該翼面葉片中。
然后將具有陶瓷型芯的石蠟翼面葉片插入翼面葉片模具并向模具中注入熔融金屬。該熔融金屬熔化石蠟翼面葉片，并取代其位置而形成一個具有留在位置中的陶瓷型芯的金屬翼面葉片。然后冷卻該翼面葉片，除去陶瓷型芯。因為噴嘴51能以失蠟鑄造工藝制造，所以與其它已知噴嘴相比，降低了與噴嘴51有關(guān)的制造費用。
在動轉(zhuǎn)中，冷卻空氣從一個高壓壓氣機供給每個翼面葉片冷卻室中。冷卻空氣被引導(dǎo)經(jīng)過可選擇紊流化的空腔(未示出)，并經(jīng)過在后緣擴散槽82上游的一組柱冷卻區(qū)144。冷卻空氣還經(jīng)翼面冷卻孔80排出，形成一個對翼面外表面81的冷卻空氣緩沖層。該緩沖層或薄膜層比通過噴嘴51的燃燒器排出的空氣要顯著地冷。翼面后緣66和周圍的后緣區(qū)，受流過柱排144和擴散槽82的冷卻空氣的冷卻。柱150和槽90、92及94的結(jié)合便于形成平衡的翼面冷卻，而同時將通過翼面葉片52的冷卻空氣流動損失減到最小。更確切地說，柱150和槽82便于降低噴嘴金屬溫度，從而延長噴嘴50的使用壽命。
上述渦輪噴嘴的幾何構(gòu)型便于延長渦輪噴嘴的使用壽命。每個噴嘴翼面葉片包括一排擴散槽，這些擴散槽包括一個鄰近每個平臺區(qū)的體積特大的槽。這些體積特大的槽便于冷卻翼面葉片的鄰近平臺的區(qū)域。其次，每個噴嘴的翼面葉片還包括一排漸漸變窄的柱，這些柱緊靠上游并與每個相應(yīng)的槽沿軸向?qū)?zhǔn)。這些柱便于以提高的冷卻空氣流量增強冷卻效果和氣流調(diào)節(jié)。結(jié)果，噴嘴的幾何構(gòu)型便于以成本低而可靠的方式延長了噴嘴的使用壽命。
雖然本發(fā)明是按照各種特定的實施例來描述的，但該技術(shù)的專業(yè)人員將會理解，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明的實施可以進(jìn)行修改。
部件清單10 燃?xì)廨啓C12 風(fēng)扇裝置14 高壓壓氣機16 燃燒器18 渦輪20 渦輪28 進(jìn)氣側(cè)
30 排氣側(cè)50 裝置51 渦輪噴嘴52 翼面葉片54 外區(qū)/平臺56 內(nèi)區(qū)/平臺60 第一側(cè)壁62 第二側(cè)壁64 前緣66 后緣70 翼面根部72 翼面頂部80 冷卻孔81 外表面82 后緣擴壓槽86 側(cè)壁薄膜式冷卻孔90 第一槽92 第二槽94 主體槽98 接合區(qū)100 徑向高度102 徑向高度120 上游部分122 下游部分124 前緣126 頂點128 后緣129 半擴壓角130 長度136 中心線144 柱排150 柱
152 第一柱154 徑向?qū)挾?56 柱前緣158 徑向?qū)挾?60 柱后緣170 中心線
權(quán)利要求
1.一種用于制造燃?xì)廨啓C(10)的噴嘴(51)的方法(50)，該噴嘴包括一個翼面(52)，所述方法包括將該翼面制造成包括一個負(fù)壓側(cè)(60)和一個壓力側(cè)(62)，這兩側(cè)在前緣(64)和后緣(66)處連接；在該翼面的壓力側(cè)中形成多個伸向后緣的槽(82)；以及在翼面的負(fù)壓側(cè)和和壓力側(cè)之間延伸多個排列成行的柱(150)，使得第一排柱(152)的每個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位于剩余排柱和翼面壓力側(cè)的槽之間。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法(50)，其特征在于，形成多個槽(82)的步驟還包括形成多個在翼面根部(70)和翼面頂部(72)之間沿徑向延伸的槽，使得一個第一槽(90)鄰近翼面頂部，一個第二槽(92)鄰近翼面根部，而多個相同的第三槽(94)延伸在第一槽和第二槽之間。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法(50)，其特征在于，在壓力側(cè)(62)中形成多個槽(82)的步驟還包括用相鄰接合區(qū)(98)界定這些槽，使得每個第三槽(94)的徑向高度(100)小于第一槽和第二槽(90、92)的徑向高度(102)。
4.一種如權(quán)利要求3所述的方法(50)，其特征在于，界定這些槽(82)的步驟還包括這樣界定這些槽，使得第一槽和第二槽(90、92)是相同的，其徑向高度(102)是多個第三槽(94)的每個高度的大約兩倍。
5.一種如權(quán)利要求3所述的方法(50)，其特征在于，界定這些槽(82)的步驟還包括用相鄰的接合區(qū)(98)界定這些槽，使得每個接合區(qū)有一個基本上半圓形的上游部分(120)和一個基本上三角形的下游部分(122)。
6.一種如權(quán)利要求1所述的方法(50)，其特征在于，制造翼面(52)的步驟還包括鑄造該翼面。
7.一種用于燃?xì)廨啓C(10)的渦輪噴嘴(51)，所述噴嘴包括一個翼面葉片(52)，葉片(52)包括一個第一壁(69)、一個第二壁(62)和多個延伸在兩壁之間的柱(150)，所述第一壁和第二壁在前緣(156)和后緣(160)處連接，所述第二壁包括多個向著所述后緣延伸的槽(94)，所述多個柱包括至少一個具有基本上橢圓形橫截面的第一排柱(152)，所述第一排柱位于所述其余的多個柱和所述第二壁的槽之間。
8.一種如權(quán)利要求7所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，所述翼面(52)的第一排柱(152)是漸漸變窄的，使得每個所述柱的下游側(cè)的寬度小于每個所述柱的上游側(cè)的寬度。
9.一種如權(quán)利要求7所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，所述翼面(52)還包括一個根部(70)、一個頂部(72)和多個接合區(qū)(98)，所述第一壁和第二壁(60、62)在所述根部和所述頂部之間沿徑向延伸，所述多個接合區(qū)隔開所述槽(82)，每個所述槽有一個在相鄰的所述接合區(qū)之間延伸的徑向高度(100、102)。
10.一種如權(quán)利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，所述翼面(52)的多個槽(82)還包括一個鄰近所述翼面根部(70)的第一槽、一個鄰近所述翼面頂部(72)的第二槽和多個在所述第一槽和第二槽之間延伸的相同的第三槽，每個所述第三槽的徑向高度(100)小于所述第一槽和所述第二槽的徑向高度。
11.一種如權(quán)利要求10所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，所述翼面(52)的第一槽和第二槽(90、92)是相同的，其徑向高度(102)近似于每個所述第三槽(94)的徑向高度的兩倍。
12.一種如權(quán)利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，每個所述槽(82)包括一根中心線(136)，每個所述第一排柱(152)包括一根中心線(170)，每根所述第一排柱的中心線基本上平行于每根所述槽的中心線。
13.一種如權(quán)利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，至少一個在相鄰的所述槽(82)之間的所述翼面接合區(qū)(98)包括一個基本上半圓形的上游側(cè)(120)和一個基本上三角形的下游側(cè)(122)。
14.一種如權(quán)利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特征在于，所述第二壁限定所述噴嘴的一個壓力側(cè)(62)，所述第一排柱(152)和所述第二壁的槽(90、92)的形狀做成向所述翼面(52)提供冷卻空氣，以便于延長所述噴嘴的使用壽命。
15.一種用于燃?xì)廨啓C噴嘴的翼面(52)，所述翼面包括一個根部(70)、一個頂部(72)、多個柱(150)、一個凸面?zhèn)缺?60)和一個與其在后緣(66)處連接的凹面?zhèn)缺?62)，每個所述側(cè)壁在所述根部和頂部之間延伸，所述凹面?zhèn)缺谙薅ㄋ鲆砻娴膲毫?cè)，并包括多個向著所述后緣延伸的槽(82)，所述多個柱包括至少一個第一排柱和一個第二排柱，所述第一排柱沿向同心地準(zhǔn)直，每個所述第一排柱有一個基本上橢圓形的橫截面輪廓，并漸漸變窄，使得每個所述第一排柱的上游側(cè)的寬度大于每個所述第一排柱的下游側(cè)的寬度，所述槽鄰近所述第一排柱并在其下游。
16.一種如權(quán)利要求15所述的翼面(52)，其特征在于，所述多個槽(82)由多個接合區(qū)(98)界定，使得每個所述槽包括一個徑向高度(100、102)，所述多個槽包括一個鄰近所述翼面頂部(72)的第一槽(90)、一個鄰近所述翼面根部(70)的第二槽(92)和多個在所述第一槽和第二槽之間延伸的第三槽(94)。
17.一種如權(quán)利要求16所述的翼面(52)，其特征在于，每個界定第三槽的所述接合區(qū)(98)包括一個基本上半圓形的上游部分(120)和一個從所述上游部分伸出的基本上三角形的下游部分(122)。
18.一種如權(quán)利要求16所述的翼面(52)，其特征在于，所述多個槽(82)的每個有一徑向高度(100、102)，所述多個第三槽(94)的每個有一徑向高度(100)，該高度(100)小于所述第一槽和第二槽(90、92)的每個的徑向高度。
19.一種如權(quán)利要求16所述的翼面(52)，其特征在于，所述多個槽(82)的每個有一徑向高度(100、102)，所述第一槽和第二槽(90、92)是相同的，并有一徑向高度，該徑向高度為所述多個第三槽(94)的徑向高度的近兩倍。
20.一種如權(quán)利要求16所述的翼面(52)，其特征在于，每個所述槽(82)包括一根中心線(136)，每個所述第一排柱(152)包括一根中心線(170)，每根所述第一排柱的中心線基本上平行于每根所述槽面積的中心線。
全文摘要
一種用于制造燃?xì)廨啓C(10)的噴嘴的方法(50)，便于延長噴嘴的使用壽命。噴嘴(51)包括一個翼面(52)。該方法包括將翼面做成包括一個抽吸側(cè)(60)和一個與其在前緣(64)和后緣(66)處連接的壓力側(cè)(62)，在翼面的壓力側(cè)中形成多個向后緣延伸的槽(82)，以及在翼面負(fù)壓側(cè)和壓力側(cè)之間延伸多個排列成行的柱(150)，使得第一排柱(152)的每個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位于其余排柱和翼面壓力側(cè)的槽之間。
文檔編號F01D5/18GK1429968SQ0310015
公開日2003年7月16日 申請日期2003年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月4日
發(fā)明者R·F·曼寧, R·B·呂德貝克, C·羅奇 申請人:通用電氣公司