CN106014645A

CN106014645A - 发动机构件

Info

Publication number: CN106014645A
Application number: CN201610151920.2A
Authority: CN
Inventors: R.S.班克; F.A.巴克; R.D.布里格斯; G.S.布赖恩奇; K.R.费尔德曼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2016-10-12
Also published as: JP2016173106A; US11313235B2; US20160273363A1; BR102016005740A2; EP3070406A1; CA2923279A1

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机(10)的发动机构件(80)包括膜冷却的基底(82)，该基底(82)具有面对热燃烧气体的热表面(84)和面对冷却流体流的冷却表面(86)。该基底(82)包括一个或更多个膜孔(90、130、160)，膜孔具有限定计量直径的计量区段(98、138、168)和限定罩盖长度的扩散区段(100、140、170)。

Description

发动机构件

背景技术

涡轮发动机，且特别是燃气或燃烧涡轮发动机，是从穿过发动机流至多个涡轮叶片上的燃烧气体获取能量的旋转发动机。燃气涡轮发动机用于陆地和航海移动和发电，但最常用于航空应用，诸如飞行器，包括直升机。在飞行器中，燃气涡轮发动机用于飞行器的推进。在陆地应用中，涡轮发动机通常用于发电。

用于飞行器的燃气涡轮发动机设计成在高温下操作，以使发动机效率最大化，所以可能需要某些发动机构件如高压涡轮和低压涡轮的冷却。一些发动机构件包括膜孔，膜孔在发动机构件的热表面上提供冷却流体的薄层或膜，以相对于热燃烧气体保护发动机构件。

发明内容

本发明的实施例宽泛地涉及膜冷却发动机构件，具体而言是在燃气涡轮发动机中的。

一方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，具有：基底，其具有面对热燃烧气流的热表面，以及面对冷却流体流的冷却表面，热燃烧气体大体上相对于热表面限定上游方向和下游方向；和膜孔，其延伸穿过基底且限定中心线。膜孔包括限定计量直径D的计量区段和具有下游边界表面和上游边界表面的扩散区段，其中，扩散区段作为计量区段的下游端与热表面之间沿上游边界表面的距离限定罩盖长度(hooded length)L，且其中，1≤L/D≤6。

另一方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，具有：基底，其具有面对热燃烧气流的热表面，以及面对冷却流体流的冷却表面，热燃烧气流大体上相对于热表面限定上游方向和下游方向；和膜孔，其延伸穿过基底且限定中心线。膜孔包括具有设在冷却表面上的入口限定计量直径D的计量区段，以及具有下游边界表面、上游边界表面、和设在热表面上的出口的扩散区段，其中，扩散区段作为计量区段的下游端与设在热表面上的出口之间沿上游边界表面的距离限定罩盖长度L，且其中，罩盖长度L与计量直径D之比近似等于膜孔的吹送比(blowing ratio)。

一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件，所述燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，包括：

基底，其具有面对所述热燃烧气流的热表面和面对冷却流体流的冷却表面，所述热燃烧气流大体上相对于所述热表面限定上游方向和下游方向；和

膜孔，其延伸穿过所述基底且限定中心线，且包括：

计量区段，其限定计量直径D；和

扩散区段，其具有下游边界表面和上游边界表面；

其中，所述扩散区段作为在所述计量区段的下游端与所述热表面之间沿所述上游边界表面的距离限定罩盖长度L；且

其中，1≤L/D≤6。

优选地，2≤L/D≤4。

优选地，所述扩散区段在所述热表面处限定所述膜孔的出口。

优选地，所述计量区段在所述冷却表面处限定所述膜孔的入口。

优选地，所述下游边界表面在所述出口的下游边缘处与所述热表面相交，且所述上游边界表面在所述出口的上游边缘处与所述热表面相交，且所述罩盖长度L为在所述计量区段的下游端与所述上游边缘之间沿所述上游边界表面的距离。

优选地，所述上游边界表面基本上平行于所述中心线。

优选地，所述下游边界表面远离所述中心线而发散。

优选地，所述上游边界表面远离所述中心线而发散。

优选地，所述上游边界表面相对于所述中心线基本上为平面的。

优选地，所述上游边界表面沿所述中心线在轴向方向上基本上为直线的。

优选地，所述计量直径D沿所述计量区段基本上为恒定的。

优选地，所述计量区段基本上为圆柱形的。

优选地，所述中心线向下游方向倾斜，使得所述中心线不正交于所述冷却表面和所述热表面。

优选地，发动机构件还包括限定上涂层表面的所述热表面上的涂层，其中，所述罩盖长度L为在所述计量区段的下游端与所述上涂层表面之间的距离。

优选地，所述发动机构件包括叶片、导叶、围带、燃烧器偏转器、或燃烧器衬套中的一者。

优选地，所述基底包括限定内部的所述发动机构件的外部壁，所述冷却流体流被供应到该内部。

优选地，L/D近似等于所述膜孔的吹送比。

膜孔，其延伸穿过所述基底且限定中心线，且包括：

计量区段，其具有设在所述冷却表面上的入口，限定计量直径D；和

扩散区段，其具有下游边界表面、上游边界表面、和设在所述热表面上的出口；

其中，所述扩散区段作为在所述计量区段的下游端与设在所述热表面上的出口之间沿所述上游边界表面的距离限定罩盖长度L；且

其中，所述罩盖长度L与所述计量直径D之比近似等于所述膜孔的吹送比。

优选地，1≤L/D≤6。

优选地，2≤L/D≤4。

技术方案1：一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件80，所述燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，包括：

基底82，其具有面对所述热燃烧气流的热表面84和面对冷却流体流的冷却表面86，所述热燃烧气流大体上相对于所述热表面84限定上游方向和下游方向；和

膜孔90、130、160，其延伸穿过所述基底82且限定中心线102、142、172，且包括：

计量区段98、138、168，其限定计量直径D；和

扩散区段100、140、170，其具有下游边界表面110、150、180和上游边界表面108、148、178；

其中，所述扩散区段100、140、170作为在所述计量区段98、138、168的下游端106、146、176与所述热表面84之间沿所述上游边界表面108、148、178的距离限定罩盖长度L；且

其中，1≤L/D≤6。

技术方案2：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，2≤L/D≤4。

技术方案3：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述扩散区段100、140、170在所述热表面84处限定所述膜孔90、130、160的出口94、134、164。

技术方案4：根据技术方案3所述的发动机构件80，其中，所述计量区段98、168在所述冷却表面86处限定所述膜孔90、160的入口92、162。

技术方案5：根据技术方案3所述的发动机构件80，其中，所述下游边界表面110、150、180在所述出口94、134、164的下游边缘118、158、188处与所述热表面84相交，且所述上游边界表面108、148、178在所述出口94、134、164的上游边缘116、156、186处与所述热表面84相交，且所述罩盖长度L为在所述计量区段98、138、168的下游端106、146、176与所述上游边缘116、156、186之间沿所述上游边界表面108、148、178的距离。

技术方案6：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述上游边界表面108基本上平行于所述中心线108或者远离所述中心线142、172而发散。

技术方案7：根据技术方案6所述的发动机构件80，其中，所述下游边界表面110、180远离所述中心线102、172而发散。

技术方案8：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述上游边界表面108相对于所述中心线102基本上为平面的，并且/或者其中，所述上游边界表面108沿所述中心线102在轴向方向上基本上为直线的。

技术方案9：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述计量直径D沿所述计量区段98、138、168基本上为恒定的。

技术方案10：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述中心线102、142、172向下游方向倾斜，使得所述中心线102、142、172不正交于所述冷却表面86和所述热表面84。

技术方案11：根据技术方案1所述的发动机构件80，且还包括限定上涂层表面128的所述热表面84上的涂层126，其中，所述罩盖长度L为在所述计量区段98的下游端106与所述上涂层表面128之间的距离。

技术方案12：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述发动机构件80包括叶片68、70、导叶72、74、围带78、燃烧器偏转器76、或燃烧器衬套77中的一者。

技术方案13：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，所述基底82包括限定内部88的所述发动机构件80的外部壁，所述冷却流体流被供应到该内部88。

技术方案14：根据技术方案1所述的发动机构件80，其中，L/D近似等于所述膜孔90、130、160的吹送比。

技术方案15：一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件80，所述燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，包括：

膜孔90、160，其延伸穿过所述基底82且限定中心线102、172，且包括：

计量区段98、168，其具有设在所述冷却表面86上的入口92、162，限定计量直径D；和

扩散区段100、170，其具有下游边界表面110、180、上游边界表面108、178、和设在所述热表面84上的出口94、164；

其中，所述扩散区段100、170作为在所述计量区段98、168的下游端106、176与设在所述热表面84上的出口94、164之间沿所述上游边界表面108、178的距离限定罩盖长度L；且

其中，所述罩盖长度L与所述计量直径D之比近似等于所述膜孔90、160的吹送比。

附图说明

在附图中：

图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意截面图。

图2为图1中的发动机的燃烧器和高压涡轮的侧截面图。

图3为根据本发明的第一实施例的穿过图1中的发动机的发动机构件的膜孔的示意截面图。

图4为图3中的发动机构件的热表面的平面图。

图5为根据本发明的第二实施例的穿过图1中的发动机的发动机构件的膜孔的示意截面图。

图6为根据本发明的第三实施例的穿过具有膜孔的图1中的发动机的发动机构件的示意截面图。

图7为根据本发明的第四实施例的穿过具有膜孔的图1中的发动机的发动机构件的示意截面图。

部件列表

10 燃气涡轮发动机

12 中心线

14 前部

16 后部

18 风扇区段

20 风扇

22 压缩机区段

24 LPC

26 HPC

28 燃烧区段

30 燃烧器

32 涡轮区段

34 HPT

36 LPT

38 排气区段

40 风扇壳

42 风扇叶片

44 核心

46 核心壳

48 HP转轴

50 LP转轴

52 LPC级

54 HPC级

56 LPC叶片

58 HPC叶片

60 LPC导叶(LPC vane)

62 HPC导叶

64 HPT级

66 LPT级

68 HPT叶片

70 LPT叶片

72 HPT导叶

74 LPT导叶

76 偏转器

77 燃烧器衬套

78 围带组件(shroud assembly)

80 发动机构件

82 基底/壁

84 热表面

86 冷却表面

88 内腔

90 膜孔

92 入口

94 出口

96 通路

98 计量区段

100 扩散区段

102 中心线

104 计量入口

106 过渡件

108 上游边界表面

110 下游边界表面

112 上游方向

114 下游方向

116 上游边缘

118 下游边缘

120 侧表面

122 侧表面

124 中点

126 涂层

128 涂层的上表面

130 膜孔

132 入口

134 出口

136 通路

138 计量区段

140 扩散区段

142 中心线

144 计量入口

146 过渡件

148 上游边界表面

150 下游边界表面

152 上游方向

154 下游方向

156 上游边缘

158 下游边缘

160 膜孔

162 入口

164 出口

166 通路

168 计量区段

170 扩散区段

172 中心线

174 计量入口

176 过渡件

178 上游边界表面

180 下游边界表面

182 上游方向

184 下游方向

186 上游边缘

188 下游边缘

H 热燃烧气流

C 冷却流体流

L 罩盖长度。

具体实施方式

本发明的所述实施例涉及膜冷却的发动机构件，具体而言是在燃气涡轮发动机中的。为了例示，将参照飞行器燃气涡轮发动机来描述本发明的方面。然而，将理解的是，本发明不由此受限，且可在非飞行器应用中得到通用应用，诸如其他移动应用和非移动的工业、商业和住宅应用。

图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意截面图。发动机10具有从前部14延伸到后部16的大体上纵向地延伸的轴线或中心线12。发动机10以向下游依次流过的关系包括：包括风扇20的风扇区段18、包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32，以及排气区段38。

风扇区段18包括包绕风扇20的风扇壳40。风扇20包括围绕中心线12径向地配置的多个风扇叶片42。

HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，该核心44生成燃烧气体。核心44由核心壳46包绕，核心壳46可与风扇壳40联接。

围绕发动机10中心线12同轴地配置的HP轴或转轴48将HP涡轮34驱动地连接到HP压缩机26。在较大直径环形HP转轴48内围绕发动机10中心线12同轴地配置的LP轴或转轴50将LP涡轮36驱动地连接到LP压缩机24和风扇20。

LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中，一组压缩机叶片56、58相对于对应的一组的静止压缩机导叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压穿过级的流体射流。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以以环的形式提供，且可从叶片平台到叶片末梢相对于中心线12沿径向向外延伸，而对应的静止压缩机导叶60、62定位在旋转叶片56、58的下游且在其附近。应注意的是，图1中所示的叶片、导叶和压缩机级的数目仅是为了例示目的而选择的，且其他数目是可能的。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中，一组涡轮叶片68、70相对于对应的一组静止涡轮导叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从穿过级的流体射流获取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可以以环的形式提供，且可从叶片平台到叶片末梢相对于中心线12沿径向向外延伸，而对应的静止涡轮导叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游且在其附近。应注意的是，图1中所示的叶片、导叶和涡轮级的数目仅是为了例示目的选择的，且其他数目是可能的。

在操作中，旋转的风扇70将环境空气供应至LP压缩机24，LP压缩机24然后将加压环境空气供应至HP压缩机26，HP压缩机26进一步加压环境空气。来自HP压缩机26的加压空气在燃烧器30中与燃料混合且点燃，从而生成燃烧气体。由HP涡轮34从这些气体获取一些功，涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体被排放到LP涡轮36中，LP涡轮36获取额外的功来驱动LP压缩机24，且排出气体最终经由排气区段38从发动机10排放。LP涡轮36的驱动对LP转轴50进行驱动，以使风扇20和LP压缩机24旋转。

由风扇20供应的环境空气中的一些可绕过发动机核心44，且用于发动机10的部分(尤其是热的部分)的冷却，并且/或者用于对飞行器的其他方面进行冷却或供能。在涡轮发动机的背景下，发动机的热的部分一般在燃烧器30的下游，尤其是涡轮区段32，其中HP涡轮34为最热的部分，因为其在燃烧区段28的正下游。其他冷却流体源可为但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。

图2为图1中的发动机10的燃烧器30和HP涡轮34的侧截面图。燃烧器30包括偏转器76和燃烧器衬套77。在轴向方向上邻近涡轮34的涡轮叶片68的是成组的沿径向间隔的静止涡轮导叶72，其中相邻的导叶72在其间形成喷嘴。喷嘴使燃烧气体转向，以更好地流入旋转叶片中，以便可由涡轮34获取最大能量。在热燃烧气流H沿导叶72的外部经过时，冷却流体流C穿过导叶72以冷却导叶72。围带组件78邻近旋转叶片68以使涡轮34中的流动损失最小化。类似的围带组件也可与LP涡轮36、LP压缩机24、或HP压缩机26相关联。

发动机10的发动机构件中的一个或更多个包括膜冷却的基底，其中可提供在本文进一步公开的实施例的膜孔。具有膜冷却基底的发动机构件的一些非限制性实例可包括图1-2中所述的叶片68、70、导叶或喷嘴72、74、燃烧器偏转器76、燃烧器衬套77、或围带组件78。使用膜冷却的其他非限制性实例包括涡轮过渡导管和排气喷嘴。

图3为根据本发明的第一实施例的示出发动机构件80的一部分的示意截面图。发动机构件80可为图1中的发动机10的发动机构件，且可配置在由箭头H表示的热气流中。可供应由箭头C表示的冷却流体流来冷却发动机构件。如上文参照图1-2所述的，在涡轮发动机的背景下，冷却空气可为绕过发动机核心44的由风扇20供应的环境空气、来自HP压缩机24的流体、或来自HP压缩机26的流体。

发动机构件80包括基底82，基底82具有面对热燃烧气流H的热表面84，以及面对冷却流体C的冷却表面86。基底82可形成发动机构件82的壁；该壁可为发动机构件80的外部或内部壁。第一发动机构件80可限定包括冷却表面86的至少一个内部腔88。热表面84可为发动机构件80的外部表面。在燃气涡轮发动机的情况下，热表面84可暴露于具有在1000℃到2000℃的范围中的温度的气体。用于基底82的适合的材料可包括但不限于钢、耐热金属如钛，或基于镍、钴或铁的超级合金，以及陶瓷基质复合物。超级合金可包括等轴的定向凝固且单晶的结构中的那些。

发动机构件80还包括延伸穿过基底82的一个或更多个膜孔90，其提供内部腔88与发动机构件80的热表面84之间的流体连通。在操作期间，冷却流体流C供应至内部腔88，且流出膜孔90，以在热表面84上形成冷却空气的薄层或膜，从而相对于热燃烧气流H保护其。尽管图3中示出了仅一个膜孔90，但应理解的是，发动机构件80可设有多个膜孔90。

膜孔90可具有设在基底82冷却表面86上的入口92、设在热表面84上的出口94，以及连接入口92和出口94的通路96。通路96可包括用于计量冷却流体流C的质量流速的计量区段98，以及扩散区段100，冷却流体C可在扩散区段100中膨胀来形成较宽的冷却膜。扩散区段100相对于穿过通路96的冷却流体流C的方向在计量区段98的下游。扩散区段100可与计量区段98依次流过地连通。计量区段98可设在入口92处或附近，而扩散区段100可限定在出口94处或附近。在操作中，冷却流体流C穿过入口92进入膜孔90，且在沿热表面84在出口94处离开膜孔90之前穿过计量区段98和扩散区段100。

计量区段98为通路96的一部分，该部分具有与穿过通路96的冷却流体流C的方向垂直的最小截面面积。计量区段98可为分立的位置，在该位置处通路可具有最小截面面积，或通路96的细长区段。计量区段98的截面面积限定通路96的计量直径D。

应注意的是，在本文中关于本发明的该实施例或任何其他实施例的计量区段98使用的用语“计量直径D”不意图将计量区段98限于任何特定截面，其中计量区段98的截面垂直于穿过通路96的冷却流体流C的方向来确定。在该实施例中，计量区段98在截面方面大体上为圆形的。然而，计量区段98的特定截面形状可与本发明的其他实施例不同；例如，计量区段98的截面形状可为矩形或椭圆形的。对于非圆形的计量区段98，计量直径D可为截面的液压直径，其通常定义为四倍的截面面积除以截面周长。对于仍大体上为圆形的非常不规则的计量区段98，诸如通常由冲击激光加工产生的那些，计量直径D可为可穿过计量区段98而不造成破坏的最大圆形销的直径。对于还具有不规则表面的非圆形区段，计量直径D可为可穿过而不造成破坏的适当地定形的最大销的液压直径。对于扩散区段100之前的非直的或非恒定的截面长度，相同的总体定义可用于最小截面面积位置处。

穿过通路96的冷却流体流C沿通路96的纵轴线，该纵轴线在本文中也称为中心线102，其穿过计量区段98的截面面积的几何中心。膜孔90可向穿过通路96的冷却流体流C的下游方向倾斜，使得中心线102不正交于热表面和冷却表面84、86。如在本文中参照膜孔90所述的，用语“轴向方向”及其变型指从冷却表面86到热表面84的沿中心线102的冷却流体流C的方向。

计量区段98的入口104与通路96的入口92连通，且从其接收冷却流体流C。扩散区段100的出口与通路96的出口94重合。在本发明的某些实施例中，包括图3的实施例，计量区段98的入口104还可与通路96的入口92重合。

计量区段98的出口与扩散区段100的入口重合，且重合的出口和入口限定计量区段98与扩散区段100之间的过渡件106，在该处，冷却流体流C可开始膨胀。在所示实施例中，计量区段98为通路96的细长区段，且过渡件106位于计量区段98的远端或下游端处。过渡件106由假想线限定，该假想线在计量区段98的出口或下游端处垂直于中心线102。在计量区段98为通路96具有最小截面面积的分立位置的实施例中，计量区段98的上游端和下游端可重合，使得过渡件106和计量区段98的下游端可为同一个。将注意的是，尽管过渡件106示为线，但将理解的是，过渡件106不必位于平面内。在其他情况中，可存在计量区段98与扩散区段100之间的不位于通路96的平面区段内的更为渐变的过渡区段。

扩散区段100包括一对间隔开的边界表面108、110。边界表面108、110可大体上相对于热燃烧气流H的方向限定，其中热燃烧气流H大体上相对于热表面84限定上游方向112和下游方向114，即，经过出口94。上游边界表面108大体上面对下游方向114，且下游边界表面110大体上面对上游方向112。上游边界表面108在出口94的上游边缘116处与基底82的热表面84相交，且下游边界表面110在出口94的下游边缘118处与基底82的热表面84相交。

上游和下游边界表面108、110可沿轴向方向基本上平行于中心线102、从中心线102发散，或朝中心线102会聚。在所示实施例中，上游边界表面108基本上平行于中心线102，而下游边界表面110远离中心线102发散。此外，上游和下游边界表面108、110当如图3中的截面中看时，可限定用于扩散区段100的直线或弯曲的边界线。弯曲的边界线可朝向或远离中心线102弯曲。在所示实施例中，上游和下游边界表面108、110限定直线边界线。

扩散区段100限定罩盖长度L，该罩盖长度L大体上对应于由上游边界表面108对冷却流体流C提供的覆盖量。较长的罩盖长度L意味着冷却流体流C可在暴露于热燃烧气流H之前扩散较长距离。罩盖长度L与膜孔的扩散长度的不同之处在于，其比扩散区段100的总长度更能表现冷却流体流扩散，因为一旦热燃烧气流H到达出口94的上游边缘116，则热燃烧气流H可开始与冷却流体流C相互作用。对于如所示实例中的膜孔，其中计量区段98从入口92延伸至扩散区段100，扩散区段100的总长度仅仅是计量区段98的长度与入口92和出口94之间沿中心线102的总膜孔长度之间的差异。

罩盖长度L可限定为沿上游边界表面108在计量区段98的下游端或过渡件106与热表面84之间的距离。在所示实施例中，罩盖长度L确定为沿直线上游边界表面108在过渡件106与上游边缘116之间。

膜孔90的罩盖比L/D为扩散区段的罩盖长度L与计量直径D之比。罩盖比L/D为膜孔90的膜冷却有效性的指示。例如，如果膜孔90具有相对于计量直径D太小的罩盖长度L(即，小罩盖比L/D)，则大量的冷却流体流C可在不充分地扩散的情况下流过膜孔90。同样，如果膜孔90具有相对于计量直径D太大的罩盖长度L(即，大罩盖比L/D)，则冷却流体流C可在发动机构件80的基底82内逗留足够长，以在形成热表面84上的膜之前被加热。

罩盖比L/D可取决于膜孔90的流动参数而变化。在一个实例中，罩盖比L/D可基于吹送比BR，其为离开膜孔90出口94的冷却流体流的动量与膜孔90出口94本地的热燃烧气流H的动量。依照“本地”，动量测量为刚好接近出口94的自由流热燃烧气流H。吹送比BR如下地限定：

BR=(ρ×V)冷却剂ρ×V)热气体

其中：

ρ=流体密度

V=本地体积流体速度。

罩盖比L/D优选随吹送比BR增大，使得罩盖比L/D近似等于吹送比BR；这允许冷却流体流C在其首先与热燃烧气流相互作用之前在扩散区段100的上游边界表面108的覆盖下扩散。如果罩盖比L/D相对于吹送比BR太小，则冷却流体流C不会充分地扩散或散开，且冷却流体流C的核心部分将与热燃烧气流H相互作用，从而导致非期望的混合和膜冷却有效性的损失。如果罩盖比L/D相对于吹送比BR太大，则冷却流体流C将在膜孔90内被过度地加热，这也降低了膜冷却有效性。作为示例，膜孔90可具有与在下面的表1中给出的吹送比BR范围对应的罩盖比L/D。

因此，罩盖比L/D优选落入以下范围内：

1≤L/D≤6。

燃气涡轮发动机的吹送比BR的典型值的范围从0.5到5。所以，对于燃气涡轮发动机，罩盖比L/D可更具体地为：

2≤L/D≤4。

图4为沿膜孔90的中心线102看的图3中的发动机构件80的热表面84的俯视图。如图4所示，扩散区段100的上游和下游边界表面108、110位于中心线102的相反侧上，且基本上为平面的。扩散区段100还包括相反的侧表面120、122，它们也基本上为平面的，在边界表面108、110之间延伸。类似于下游边界表面110，侧表面120、122中的一者或二者可远离中心线102发散。侧表面120、122可与边界表面108、110融合为平滑的曲线而非尖锐的转角或圆角。备选地，上游和下游表面108、110中的一者或二者可围绕中心线102弯曲，且或者与彼此汇合或者与中间的侧表面汇合。

扩散区段100可具有圆形截面或非圆形截面，诸如但不限于矩形、椭圆形、或梯形截面。图4中所示的扩散区段100的总体形状基本上类似于斜棱锥，使得在轴向方向上，扩散区段100大体上从中心线102发散，但具有基本上梯形的截面。备选地，扩散区段100的总体形状可为圆锥形，具有基本上圆形的截面。

对于所示的膜孔90，其中扩散区段100围绕中心线102基本上轴对称，沿上游边界表面108的中线124限定罩盖长度L。在所示视图中，由于上游边界表面108平行于中心线102，故中线124示为点。对于具有不对称扩散区段形状的膜孔，罩盖长度L可限定为过渡件106与热表面84之间沿上游边界表面108的最小长度。

图5为根据本发明的第二实施例的示出发动机构件80的一部分的示意截面图。发动机构件80基本上类似于第一实施例的发动机构件，且相似的元件标有相似的参考标号。在第二实施例中，涂层126被应用到基底82的热表面84的至少一部分。涂层126限定与热表面84相反的上涂层表面128。在涉及涂布的发动机构件的本发明的实施例中，罩盖长度L可限定为计量区段98的远端与上涂层表面128之间的距离。涂层126的一些非限制性实例包括热障涂层、氧化保护涂层、或它们的组合。涂层126可包括单层涂层或多层涂层。应注意的是，一些涂层还可应用到膜孔90的内表面。在此种情况中，计量直径D和罩盖长度L可在应用涂层之后测量。

图6为根据本发明的第三实施例的穿过具有膜孔130的图1中的发动机的发动机构件80的示意截面图。发动机构件80还包括延伸穿过基底82的一个或更多个膜孔130，膜孔130提供内部腔88与发动机构件80的热表面84之间的流体连通。在操作期间，冷却流体流C供应至内部腔88且离开膜孔130，以在热表面84上形成冷却空气的薄层或膜，以相对于热燃烧气流H保护其。尽管图6中示出了仅一个膜孔130，但应理解的是，发动机构件80可设有多个膜孔130。

膜孔130可具有设在基底82冷却表面86上的入口132、设在热表面84上的出口134，以及连接入口132和出口134的通路136。通路136可包括用于计量冷却流体流C的质量流速的计量区段138，以及冷却流体C可在其中膨胀来形成较宽冷却膜的扩散区段140。扩散区段140关于穿过通路136的冷却流体流C的方向在计量区段138的下游。扩散区段140可与计量区段138依次流过地连通。在操作中，冷却流体流C通过入口132进入膜孔130，且在沿热表面84在出口134处离开膜孔130时穿过计量区段138和扩散区段140。

计量区段138为通路136的一部分，该部分具有与穿过通路136的冷却流体流C的方向垂直的最小截面面积。在例示的实施例中，计量区段138为分立的位置，在该处，通路具有最小截面面积，其中计量区段138的截面面积限定通路136的计量直径D。

穿过通路136的冷却流体流C沿通路136的纵轴线，该纵轴线在本文中也称为中心线142，其穿过计量区段138的截面面积的几何中心。膜孔130可向穿过通路136的冷却流体流C的下游方向倾斜，使得中心线142不正交于热表面和冷却表面84、86。

计量区段138的入口144与通路136的入口132连通，且从其接收冷却流体流C。扩散区段140的出口与通路136的出口134重合。在本发明的某些实施例中，包括图3的实施例，计量区段138的入口144还可在通路136的入口136的下游。

计量区段138的出口与扩散区段140的入口重合，且重合的出口和入口限定计量区段138与扩散区段140之间的过渡件146，在该处，冷却流体流C可开始膨胀。在所示实施例中，计量区段138为通路136的分立的位置，且过渡件146位于计量区段138处。过渡件146由假想线限定，该假想线在计量区段138处垂直于中心线142。

扩散区段140包括一对间隔开的边界表面148、150。边界表面148、150可大体上相对于热燃烧气流H的方向限定，其中热燃烧气流H相对于热表面84大体上限定上游方向152和下游方向154，即，经过出口134。上游边界表面148大体上面对下游方向154，且下游边界表面150大体上面对上游方向152。上游边界表面148在出口134的上游边缘156处与基底82的热表面84相交，且下游边界表面150在出口134的下游边缘158处与基底82的热表面84相交。

在所示实施例中，上游边界表面148远离中心线142发散，而下游边界表面150基本上平行于中心线142。此外，在所示实施例中，上游边界表面148限定远离中心线142弯曲的弯曲边界线，且下游边界表面150限定直线边界线。

对于该实施例，由于上游边界表面148限定弯曲的边界线，故作为在计量区段138的下游端或过渡件146与热表面84之间沿上游边界表面148的距离而限定的罩盖长度L将沿曲线确定，而非例如为过渡件146与热表面84之间的最短直线距离。在所示实施例中，罩盖长度L确定为沿弯曲的上游边界表面148在过渡件146与上游边缘156之间。罩盖比L/D可处于以上关于第一实施例(包括关于吹送比BR)所述的各种范围中。

图7为根据本发明的第四实施例的穿过具有膜孔的图1中的发动机的发动机构件80的示意截面图。发动机构件80还包括延伸穿过基底82的一个或更多个膜孔160，膜孔160提供内部腔88与发动机构件80的热表面84之间的流体连通。在操作期间，冷却流体流C被供应至内部腔88且离开膜孔160，以在热表面84上形成冷却空气的薄层或膜，从而相对于热燃烧气流H保护其。尽管图6中示出了仅一个膜孔160，但应理解的是，发动机构件80可设有多个膜孔160。

膜孔160可具有设在基底82冷却表面86上的入口162、设在热表面84上的出口164，以及连接入口162和出口164的通路166。通路166可包括用于计量冷却流体流C的质量流速的计量区段168，以及冷却流体C可在其中膨胀来形成较宽冷却膜的扩散区段170。扩散区段170关于穿过通路166的冷却流体流C的方向在计量区段168的下游。扩散区段170可与计量区段168依次流过地连通。计量区段168可设在入口162处或附近，而扩散区段170可限定在出口164处或附近。在操作中，冷却流体流C通过入口162进入膜孔160，且在沿热表面84在出口164处离开膜孔160之前穿过计量区段168和扩散区段170。

计量区段168为通路166的一部分，该部分具有与穿过通路166的冷却流体流C的方向垂直的最小截面面积。在所示实施例中，计量区段168为通路166的细长区段。计量区段168的截面面积限定通路166的计量直径D。

穿过通路166的冷却流体流C沿通路166的纵轴线，该纵轴线在本文中也称为中心线172，其穿过计量区段168的截面面积的几何中心。膜孔160可向穿过通路166的冷却流体流C的下游方向倾斜，使得中心线172不正交于热表面和冷却表面84、86。

计量区段168的入口174与通路166的入口162连通，且从其接收冷却流体流C。扩散区段170的出口与通路166的出口164重合。在本发明的一些实施例中，包括图3的实施例，计量区段168的入口174还可与通路166的入口162重合。

计量区段168的出口与扩散区段170的入口重合，且重合的出口和入口限定计量区段168与扩散区段170之间的过渡件176，在该处，冷却流体流C可开始膨胀。在所示实施例中，计量区段168为通路166的细长区段，且过渡件176位于计量区段168的远端或下游端处。过渡件176由假想线限定，该假想线在计量区段168的出口或下游端处垂直于中心线172。

扩散区段170包括一对间隔开的边界表面178、180。边界表面178、180可大体上相对于热燃烧气流H的方向限定，其中热燃烧气流H大体上相对于热表面84限定上游方向182和下游方向184，即，经过出口164。上游边界表面178大体上面对下游方向184，且下游边界表面180大体上面对上游方向182。上游边界表面178在出口164的上游边缘186处与基底82的热表面84相交，且下游边界表面180在出口164的下游边缘188处与基底82的热表面84相交。

在所示实施例中，上游和下游边界表面178、180远离中心线172发散。此外，在所示实施例中，上游和下游边界表面178、180限定弯曲的边界线。

对于该实施例，由于上游边界表面178限定弯曲的边界线，故作为在计量区段168的下游端或过渡件176与热表面84之间沿上游边界表面178的距离限定的罩盖长度L将沿曲线确定，而非例如为过渡件176与热表面84之间的最短直线距离。在所示实施例中，罩盖长度L确定为沿弯曲的上游边界表面178在过渡件176与上游边缘186之间。罩盖比L/D可处于以上参照第一实施例(包括关于吹送比BR)所述的各种范围中。

在上述实施例中的任一者中，本发明都可与膜孔90的计量区段和/或扩散区段的形状或轮廓组合。本发明的实施例还可适用于槽道类型膜冷却，在该情况下，出口94设在热表面84上的槽道内。

此外，在上述实施例中的任一者中，涂层可应用到基底82的热表面84。涂层的一些非限制性实例包括热障涂层、氧化保护涂层、或它们的组合。

此外，在上述实施例中的任一者中，尽管基底82示为大致为平面的，但应理解的是，对于许多发动机构件80而言，基底82可弯曲。然而，基底82的曲率与膜孔的尺寸相比可能是微小的，且因此出于论述和例示的目的，基底82示为平面的。

在本文中公开的发明涉及的装置和方法的各种实施例提供用于(特别是在具有膜孔的涡轮构件中的)发动机结构的改善的冷却。在所述***的一些实施例的实践中可实现的一个优点是，膜孔具有罩盖长度L，该罩盖长度L允许冷却流体流C在暴露于热燃烧气流H之前扩散。罩盖长度L可与膜孔的计量直径D相关，使得罩盖比L/D落入预定范围内以用于有效地膜冷却。在所述装置的一些实施例的实践中可实现的另一优点是罩盖比L/D还可基于膜孔的吹送比BR来确定。

本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或***，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims

1. 一种用于燃气涡轮发动机的发动机构件(80)，所述燃气涡轮发动机生成热燃烧气流，包括：

基底(82)，其具有面对所述热燃烧气流的热表面(84)和面对冷却流体流的冷却表面(86)，所述热燃烧气流大体上相对于所述热表面(84)限定上游方向和下游方向；和

膜孔(90、130、160)，其延伸穿过所述基底(82)且限定中心线(102、142、172)，且包括：

计量区段(98、138、168)，其限定计量直径D；和

扩散区段(100、140、170)，其具有下游边界表面(110、150、180)和上游边界表面(108、148、178)；

其中，所述扩散区段(100、140、170)作为在所述计量区段(98、138、168)的下游端(106、146、176)与所述热表面(84)之间沿所述上游边界表面(108、148、178)的距离限定罩盖长度L；且

其中，1≤L/D≤6。

2.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，2≤L/D≤4。

3.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，所述扩散区段(100、140、170)在所述热表面(84)处限定所述膜孔(90、130、160)的出口(94、134、164)。

4.根据权利要求3所述的发动机构件(80)，其中，所述计量区段(98、168)在所述冷却表面(86)处限定所述膜孔(90、160)的入口(92、162)。

5.根据权利要求3所述的发动机构件(80)，其中，所述下游边界表面(110、150、180)在所述出口(94、134、164)的下游边缘(118、158、188)处与所述热表面(84)相交，且所述上游边界表面(108、148、178)在所述出口(94、134、164)的上游边缘(116、156、186)处与所述热表面(84)相交，且所述罩盖长度L为在所述计量区段(98、138、168)的下游端(106、146、176)与所述上游边缘(116、156、186)之间沿所述上游边界表面(108、148、178)的距离。

6.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，所述上游边界表面(108)基本上平行于所述中心线(108)或者远离所述中心线(142、172)而发散。

7.根据权利要求6所述的发动机构件(80)，其中，所述下游边界表面(110、180)远离所述中心线(102、172)而发散。

8.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，所述上游边界表面(108)相对于所述中心线(102)基本上为平面的，并且/或者其中，所述上游边界表面(108)沿所述中心线(102)在轴向方向上基本上为直线的。

9.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，所述计量直径D沿所述计量区段(98、138、168)基本上为恒定的。

10.根据权利要求1所述的发动机构件(80)，其中，所述中心线(102、142、172)向下游方向倾斜，使得所述中心线(102、142、172)不正交于所述冷却表面(86)和所述热表面(84)。