本发明大体上涉及涡轮，并且更具体地涉及对涡轮提供薄膜冷却。

涡轮用于各种航空、工业和发电应用中。 一般而言，涡轮可为利 用流体如一种或多种热气体对其自身作用来产生功的旋转装置。在常 规燃气涡轮机中， 一种或多种加压的高温气体通常用作燃气涡轮机的
驱动力。典型的燃气涡轮机包括三个主要构件：压缩机、燃烧器和涡 轮。在燃气涡轮机的典型工作中，压缩机将进入空气(或气体)压缩至 高压，而燃烧器点燃燃料并将燃料与高压空气相混合来产生高温高速 气体。然后，涡轮通常随着气体使一组或多组旋转的涡轮叶片旋转时 从高温高速气体中提取能量。
为了提高常规燃气涡轮机的功率和/或效率，通常会提高涡轮的工 作温度。在常规燃气涡轮机中使用温度较高的气体通常会产生较高的 能量潜力。然而，由于高温，位于热气体路径中或沿热气体路径定位 的燃气涡轮机的各种构件通常会经受极高的热负载。例如，连续暴露 于热气体中会使在涡轮中使用的涡轮叶片损坏或退化。在一些涡轮 中，气体温度高于与涡轮叶片构造中所使用的材料相关的熔点。
在使用较高工作温度的常规涡轮中，在试图控制和降低热气体路 径内或沿热气体路径的涡轮构件如涡轮叶片的温度时，可使用多种内 部冷却和外部冷却4支术。在内部冷却中，4支冷的空气通常从压缩才几、 其它涡轮构件绕过，或从外源接收并穿过热气体路径中的涡轮构件内 部的一个或多个中空通路。在外部冷却(也称为薄膜冷却）中，较冷的空气通常从压缩机、其它涡轮构件或外源中接收，并且经由沿热气体 路径内的涡轮构件表面的不连续位置上的小孔而穿出或流出。这种较 冷的空气产生保护层，其保护热气体路径内的涡轮构件免受高温环 境。
在薄膜冷却中，通常通过在涡轮构件内提供一个或多个内部通路
(或通过将构件构造成包括一个或多个中空隔间（compartment))且之后 在内部通路和暴露于热气体路径中的构件表面之间产生 一个或多个 槽口，对热气体路径中的涡轮构件进行冷却。较冷的冷却空气通常提 供到内部通路或中空隔间，然后从该内部通路或中空隔间经由 一个或 多个槽口而流出。
从一个或多个槽口流出的较冷空气通常处于远低于驱动涡轮的 热气体的温度。因此，引入较冷的空气通常会直接导致涡轮效率的下 降。因此，期望的是增大热气体路径内的涡轮构件上的薄膜覆盖面积， 而无需增加进入热气体路径中的较冷空气量。已经研发出用于调节穿 过槽口的空气量的多种常规计量开孔，用以增大薄膜覆盖范围。然而， 这些常规的计量开孔通常相对于槽口表面成一定角度，造成较冷的空 气冲击槽口的背面并导致槽口内的湍流增大。这种湍流使得较冷的空
气在流入热气体路径之前很难达到均匀。
因此，需要改进用于将冷却空气或冷却气体提供给热气体路径中 的涡轮构件的冷却通路。此外，需要用于提供冷却通路来对经受热气 体路径的涡轮构件进行更为有效地薄膜冷却的改进方法。

根据本发明的一个实施例，公开了 一种结合涡轮使用的冷却气流 通路。冷却气流通路包括至少一个供送开孔，该开孔可用于接收来自 于与涡轮构件相关联的至少一个冷却气体隔间的冷却气体。冷却气流 通路还包括具有收敛部分的至少一个槽口 ，该收敛部分具有第一开口 和第二开口，其中，第一开口接收来自于供送开孔的冷却气体，而第二开口将冷却气体提供给涡轮构件外表面的至少一部分。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种被冷却的涡轮构件。该 涡轮构件包括适于暴露在热气流中的外表面，以及适于限定用于接收 冷却气体的冷却气体隔间的至少一部分的内表面。至少一个开孔形成 在内表面与外表面之间。该至少一个开孔包括可用于接收来自于冷却 气体隔间的冷却气体的供送开孔。该至少 一个开孔还包括具有收敛部 分和发散部分的槽口，其中，收敛部分接收来自于供送开孔的冷却气 体，并且将至少一部分冷却气体提供给发散部分，以及其中，发散部 分接收来自于收敛部分的部分冷却气体，并且将该部分冷却气体"l是供 给外表面。
根据本发明的又一个实施例，公开了 一种用于将冷却气体提供给 暴露于热气流中的涡轮构件的方法。形成供送开孔，其中，供送开孔 可用于接收来自于与涡轮构件相关的冷却空气隔间的冷却气体。形成 槽口，该槽口包括具有第一开口和第二开口的收敛部分。第一开口接 收来自于供送开孔的冷却气体，而第二开口将至少一部分冷却气体提 供给涡轮构件的外表面。
通过如下详细说明、附图以及所附权利要求，本发明的其它实施 例、方面、特征和优点对于本领域的技术人员将变得清楚。

就此已大体上描述了本发明，现在将参照不必按比例绘制的附
图，并且在附图中：
图1为可结合本发明的多种实施例使用的涡轮构件的一个实例的 透视图。
图2a为根据本发明示范性实施例的冷却气体通路的截面图。 图2b为根据本发明示范性实施例的冷却气体通路的截面图。 图3为示出根据本发明示范性实施例的、用于将冷却气体提供给 涡轮构件的方法的一个实例的流程图。零件清单
100涡轮叶片
102外表面
104前缘
106后缘
108上表面
110冷却气体隔间
112冷却气流通^各
200冷却气流通路
202供送开孔
204扩展腔
206槽口
208收敛部分
210收敛部分的第一开口
212收敛部分的第二开口
214发散部分
216发散部分的第一开口
218发散部分的第二开口
300方法
305方框
310方框
315方框

现在将在下文中参照附图对本发明的示范性实施例进行更为充 分地描述，在附图中示出了本发明的一些但并非全部实施例。实际上， 本发明可以许多不同的类型实现，而不应当理解成仅限于本文所阐述 的实施例；相反，所提供的这些实施例是为了使本公开内容满足适用的法定要求。相似的标号表示所有相似的元件。
公开了用于将薄膜冷却或冷却气体提供给涡轮构件的方法和设 备。可根据本发明的多种实施例来利用冷却气流通路，以便冷却位于 热气体路径内的涡轮构件。涡轮构件可包括一个或多个内部隔间，也 称为冷却气体隔间，其接收来自于冷却气源的冷却气体。冷却气流通 路然后可促进涡轮构件的薄膜冷却。冷却气流通路可包括至少 一个供 送开孔和至少一个槽口 ，该供送开孔可用于接收来自于冷却气体隔间 的冷却气体。该至少一个槽口可包括具有第 一开口和第二开口的收敛 部分，其中，第一开口接收来自于供送开孔的冷却气体，以及其中， 第二开口将冷却气体提供给涡轮构件外表面的至少一部分。
图1为可结合本发明的多种实施例使用的涡轮构件的一个实例的 透视图。图1示出了可用于燃气涡轮发动机(未示出）的涡轮叶片100
的一个实例。燃气涡轮发动机可包括三个主要构件：压缩机、燃烧室
和涡轮(未示出）。在工作中，压缩机可将诸如空气的进入气体压缩至 较高的压力，而燃烧器可点燃燃料，并使燃料与压力较高的气体相混 合来产生较高温度、较高速度的气体，在此称为"热气体"。涡轮可包
括多个涡轮叶片，如涡轮叶片100，其安装在转子(未示出）的周边上。 从燃烧室中退出或流出并沖击多个涡轮叶片100的热气体的动量可引 起转子旋转。
图l还示出了涡轮叶片100的翼面102,其可为涡轮叶片100的 两个表面中的一个。涡轮叶片100的另一个表面(未示出）可与翼面102 相对。翼面102也可称为压力面或外表面，而涡轮叶片IOO的另一个 表面也可称为吸力面。对于本公开内容，用语"翼面"、"压力面"和"外 表面"可互换地使用。在燃气涡轮机工作期间，来自于燃烧室的相对较 热的气体可在前缘104处接触涡轮叶片100，并且流过涡轮叶片100 的压力面102和吸力面(未示出）。相对较热的气体然后从后缘106流 出。来自于燃烧器的相对较热的气流可在涡轮叶片100的前缘104处 分成两个单独路径，此后，气流分别流过涡轮叶片IOO的两个表面中的任一表面。流过吸力面的气流可比流过压力面102的气流行进更长 的距离。 一股气流相对于另一股的速度可取决于表面之间的长度差
异。因此，流过吸力面的气流可以比流过压力面102的气流更高的速
度流动。在本发明的一个实施例中，可根据伯努利原理假定两个表面 上的对应压力为逆向相关，与吸力面上的较低压力的区域相比，这可
引起在压力面102上的较高压力的区域。这种压差可引起施加到涡轮 叶片IOO上的净力。由于多个涡轮叶片IOO经受相似的流动，故这些 涡轮叶片IOO可以一定的方式围绕转子周向地设置，使得多个涡轮叶 片IOO上的分力合计达给予转子零净力和非零净转矩。该转矩可向转 矩给予动量，促进转子的旋转。在本发明的多种实施例中，在涡轮级处得到的动量可至少部分地 基于热气体的温度来确定。提高燃气涡轮机的工作温度可提高燃气涡 轮机的功率和效率。然而，沿热气体路径安置的涡轮叶片100可易受 热气体的损坏，并且在其暴露于连续的相对较热的气流时可经受较高 的热负载。例如，在本发明的一些实施例中，相对较热的气体可具有 大约850。C至大约1700。C之间的温度，但在本发明的其它实施例中， 可根据需要采用其它温度和/或温度范围。相对较热的气体温度可高于 用于构造热气体路径内的涡轮叶片100和/或其它涡轮构件的材料的炫点。
根据本发明的一个方面，薄膜冷却技术可用来减低、降低或以其
它方式控制热气体路径内的一个或多个涡轮构件如涡^^叶片100的温
度。在本发明的多种实施例中，涡轮构件的温度可根据需要进行控制。 例如，热气体路径内的涡轮构件温度可降低或减低到低于用以构造涡 轮的材料的熔点。
再次参看图1，示出了外部薄膜冷却的机理，其中，冷却气体如 冷却空气可提供给涡轮构件。在本发明的一些实施例中，压力相对高 于和/或温度相对低于流动穿过涡轮级的较热气体的冷却气体(例如空 气)可绕过涡轮机的压缩机通向涡轮级。该冷却气流可传递到涡轮构件如涡轮叶片100的中空隔间或冷却气体隔间中，在此该冷却气流经由 在涡轮构件中形成的其中 一条冷却气流通路喷射或喷出。喷射的冷却 气体可在暴露于较热气体中的涡轮构件表面上形成较冷气体的薄膜。 在这点上，喷射的冷却气体可有助于保护涡轮构件免受较热气体的极端温度。再次参看图1，上表面108可用作涡轮叶片IOO的基部并且可为 压力面102提供支承。在上表面108上可看到冷却气体隔间110。涡 轮叶片IOO可包括任意数目的冷却气体隔间110。各冷却气体隔间110 均可为位于或形成在涡轮叶片IOO内的内部中空隔间。 一个或多个冷 却气流通^各112可形成在冷却气体隔间110与位于热气体^各径内的涡 轮叶片100的一个或多个表面之间。在这点上，较冷的气体可从冷却 气体隔间UO喷到热气体路径上，以便为涡轮叶片IOO提供外部薄膜 冷却。根据本发明的一个方面，冷却气体隔间IIO可接收处于较低温度 的冷却气体。例如，气泵（图中未示出）可抽出冷却气体，例如直接来 自于压缩机的冷却空气。此外，冷却气体隔间IIO可便于对冷却气体 加压，以使冷却气体具有必需的能量用以经由一个或多个冷却气体通 路喷出并进入热气体路径中。如下文参照图2a和图2b更为详细地阐 述，可经由一个或多个供送开孔将冷却气体>^人冷却气体隔间110中抽 出。各供送开孔均可将冷却气体提供给扩展腔。在穿过或流过扩展腔 之后，冷却气体可提供给便于将冷却气体喷到热气体路径中的槽口 。图2a为根据本发明示范性实施例的冷却气流通路200的 一个实施 例的截面图。在本发明的多种实施例中，对于涡轮构件如图1中所示 的涡轮叶片100，可提供任意数目的冷却气流通路，如冷却气流通路 200。冷却气流通路200可包括供送开孔202、扩展腔204,以及槽口 206。供送开孔202可接收来自于冷却气体隔间如图1中所示的冷却气 体隔间IIO的冷却气体，而供送开孔202可将冷却气体提供给扩展腔204。供送开孔202可为计量和/或引导冷却气流的机械装置，该冷却 气流从冷却气体隔间110中接收并经由冷却气流通路200提供给热气 流路径。计量装置可以是一种具有有助于控制经由其流过的气体量的 最小面积的装置。因此，提供给涡轮构件的所有供送开孔202的所有 的这些最小面积之和可控制提供到用于涡轮构件的热气体路径上的 冷却气体的总量。才艮据本发明的一个方面， 一个或多个冷却气流通^^，如通路200,大致整个的表面如图1中所示的压力面102上均匀扩散。可提供扩展 腔204,以便于对从供送开孔202中接收到的冷却气体施加漩涡。漩 涡可促进扩展腔204内或内部的冷却气体的扩散。在本发明的一些实 施例中，冷却气体可沿扩展腔204的长度均匀地扩散。然而，均匀扩 展还可与扩展腔204内或内部的冷却气体的二次流动的形成相关。此 外，当冷却气体沖击扩展腔204的内表面时，可在冷却气流中产生和 /或观察到湍流。在本发明的一些实施例中，扩展腔可为不连续的，以 便减小或最大P艮度地减少冷却气体中的湍流。然而，在本发明的其它 实施例中，扩展腔204可为连续的，以便保持和/或控制冷却气体中的 均匀性。在本发明的一个实施例中，可将冷却气体乂人扩展腔204经由一个 或多个槽口 206提供到涡轮构件如涡轮叶片IOO的表面上。如果将较 为湍动的气体提供到热气体路径中，则可将湍流引入主气流的边界层 中，导致流动与涡轮构件的外表面如图1中所示的用于涡轮叶片100 的外表面102相分离。流动与外表面102的分离可降低流动的空气动 力，并且可导致薄膜冷却的效率下降。因此，根据本发明的一个方面， 收敛部分208可包括在形成于冷却气流通路200中的槽口 206内。收 敛部分208可包括第一开口 210和第二开口 212。第一开口 210可接 收来自于供送开孔202和/或扩展腔204的冷却气体。第二开口 212可 将接收到的冷却气体提供给槽口 206的另一部分、区段或构件，或者作为备选，提供给涡轮叶片100的外部表面或外表面如外表面102的 至少一部分。收敛部分208可至少部分地除去流经该收敛部分的冷却 气体中的湍流。收敛部分208还可提高冷却气体的速度。在这点上， 收敛部分208可从冷却气体中至少部分地除去一股或多股二次流，并 且^f更于冷却气流的归一化(normalization)。归一化的冷却气流可具有相 对较高的粘附外表面102的倾向，这继而又可提高薄膜冷却的效率。在本发明的一个实施例中，收敛部分208的第二开口 212可定位 在冷却气流通路200的端部，并且冷却气体可仅喷射到收敛部分208 端部处的热气体路径中。然而，在本发明的其它实施例中，发散部分 214可提供在冷却气流通路200中，并且发散部分214可接收来自于 收敛部分208的冷却气体，并且将冷却气体喷射到热气体路径中。发 散部分可包括第一开口 216和第二开口 218。第一开口 216可接收来 自于收敛部分208的第二开口 212中的冷却气体，而第二开口 218可 将冷却气体提供给热气流路径中的涡轮构件的外表面102。发散部分214可便于控制提供给热气体路径的冷却气体的速度或 速率。通过控制冷却气体在其提供给热气体路径时的速度，可在外表 面102上实现相对较大的薄膜覆盖范围。在本发明的一个实施例中， 发散部分214可将从收敛部分208接收到的冷却气体的速度降低至速 度近似等于在热气体路径中的气体速度。因此，如果从收敛部分208 接收到的冷却气体处于比热气体路径内的气体速度更高的速度，则发 散部分214可将冷却气体的速度降低至近似等于热气流路径中的气体 速度的速度。冷却气体速度的这种降低可通过将热气流路径中的热气 体与涡轮构件外表面102相分离来促进相对更为有效地薄膜冷却。图2b为根据本发明示范性实施例的冷却气流通路201的截面图。 图2b中所描绘的冷却气体通路201可包括与图2a中所示的冷却气流 通路200相似的构件。因此，相似的参考标号可用于描述两个冷却气 流通路200,201的构件。参看图2b，示出了冷却气流通路201的多种构件的尺寸的一个实例。尺寸参照供送开孔202的直径D来设置。冷却气体可进入具有直 径D的供送开孔202中。此外，供送开孔202可设置成相对于槽口206的方向成一定角度e。角度e可便于将适当的冷却气体流提供给扩展腔204。在本发明的一个实施例中，供送开孔202与槽口 206之 间的角度6可在大约30。与大约180°之间。冷却气体之后可进入扩 展腔204中。扩展腔204可具有比供送开孔202的直径相对较大的直 径。例如，扩展腔204的直径可比供送开孔202的直径大大约两倍至 大约八倍。根据本发明的一个实施例，扩展腔204的直径可为供送开 孔202直径的大约4倍，或大约4D。扩展腔204的相对较大的直径 可便于从供送开孔202中接收到的冷却气体的扩展和/或扩散。冷却气体然后可穿过收敛部分208，并且可选地穿过发散部分 214(如果包括在槽口 206的实施例中）。收敛部分208的第一开口 210 的第一开口直径可大于收敛部分208的第二开口 212或出口的直径。 例如，收敛部分208的第一开口 210的直径可为供送开孔202直径的 大约两倍至大约四倍。类似而言，收敛部分208的第二开口 212的直 径可为供送开孔202直径的大约0.5倍至大约1.5倍。根据本发明的 一个实施例，收敛部分208的第一开口 210的直径可为供送开孔202 直径的大约三倍，或3D，而收敛部分208的第二开口 212的直径可 为供送开孔202直径的大约0.6倍，或0.6D。与第一开口210直径相 比，第二开口 212相对较小的直径可便于使冷却气体加速，以及从冷 却气流中至少部分地除去湍流。在这点上，收敛部分208可便于冷却 气流的归一化。冷却气体还可穿过发散部分214。发散部分214可具有第一开口 216和第二开口 218。根据本发明的一些实施例，第一开口 216的直 径可近似等于或大致类似于收敛部分208的第二开口 212的直径。此 外，发散部分214的第二开口 218的直径可大于发散部分214的第一 开口216的直径。例如，第二开口 218的直径可为供送开孔202直径 的大约两倍至大约四倍。在本发明的一个实施例中，发散部分214的第二开口 218的直径可为供送开孔202直径的大约0.9倍，或0.9D。 假定第一开口 216的直径为大约0.6D，则第二开口 218的直径可大于 第一开口216的直径。在这点上，发散部分214可便于使冷却气体减 速和/或降低速度。在一些实施例中，冷却气体的速度可降低到大约为 热气流路径中的热气体速度。根据本发明的多种实施例，可根据需要对于收敛部分208和发散 部分214提供变化的长度。例如，收敛部分208的长度可为供送开孔 202长度的大约两倍至大约五倍，以及发散部分214的长度可为供送 开孔202长度的大约两倍至大约五倍。根据本发明的一个实施例，收 敛部分208的长度可近似等于发散部分214的长度。此外，根据本发明的多种实施例，对于槽口 206可提供变化的总 长度。例如，槽口 206的长度可为供送开孔202长度的大约七倍至大 约十倍。本领域的技术人员将清楚的是，在上述实施例中给定数值范围仅 出于示例性的目的，而并非意图限制或脱离本发明的范围。轮构件的方法300的一个实例的流程图。本领域的技术人员将清楚的 是，如下步骤实际上是机械性的，并且在本发明的多种实施例中，可 根据需要通过任何机械加工技术和/或机械加工技术的结合来进行和/ 或执行。通常，用于形成槽口 206的各种构件的机械加工技术可包括但不 限于激光打孔、喷水和EDM(放电加工）。设计成用以在更大的表面面 积上使气流或空气流扩散以便有效薄膜冷却的槽口 206、冷却气流通 路200和供送开孔202的特殊形状，可显示出由所涉及的构件的复杂 几何形状引起的主要铸造难题。诸如EDM的工艺可使用放电来快速 且精确地制作槽口，到达零件几何形状的难以接近的区域，并且使槽 口形成复杂的出口轮廓。同样，激光打孔可使用激光脉冲，而喷水加 工可使用水流来加工槽口 206的各种构件。该方法300可在方框305开始。在方框305，可形成供送开孔如 开孔202，该开孔202可用于接收来自于与涡轮构件相关联的冷却气 体隔间的冷却气体。供送开孔202可形成为具有期望的直径，该直径 便于计量和/或控制流入和穿过供送开孔202的冷却气体。在工作中， 穿过供送开孔202的冷却气体可进入扩展腔如腔体204中，在该处， 冷却气体可扩散。在本发明的一些实施例中，在方法300中可选择地 形成扩展腔。在方框305处形成供送开孔202之后，工作可进入方框 310。在方框310，可形成和/或提供槽口的收敛部分，如图2a中所示 的收敛部分208。在工作中，流出扩展腔204和/或供送开孔202的冷 却气体可进入收敛部分208中，并且冷却气体可被加速，并且可减小 和/或减少与冷却气体相关的湍流。在方框310处形成收敛部分208之 后，工作可在方框315继续进行。在方框315,这在本发明的一些实施例中是可选的，可形成和/或 设置槽口的发散部分，如图2a中所示的发散部分214。在工作中，发 散部分214可便于控制提供给热气体路径中的涡轮构件外表面的冷却 气体的速度。发散部分214可减小和/或降低从槽口的对应收敛部分接 收到的冷却气体的速度。冷却气体的速度可由发散部分控制成近似等 于热气流路径中较热气体的速度。因此，在本发明的可选实施例中， 在步骤315，可形成发散部分206。该方法300可在方框315之后结束。图3的方法300中所述的工作不必必须以图3中所示的顺序执行， 而作为替代，可以任何适合的顺序执行。此外，在本发明一些实施例 中，可执行多于或少于图3中所示的所有工作。薄膜冷却可用于保护涡轮的涡轮构件免受流出燃烧室的热气体 的高温。薄膜冷却的机理可涉及冷却气体如冷却空气从压缩机级流出 至涡轮中的构件。可容许流出可控量的较冷气体，以便保持涡轮的效 率。为了最大限度地增大薄膜冷却面积而不增加较冷气体的消耗量，特别制备的具有收敛部分的槽口可用来实现期望的薄膜冷却。收敛的 槽口可促进流出的较冷气体的均匀性，而同时保持规则流动，没有二 次涡流且粘附到涡轮构件的表面上。此外，槽口可包括发散部分，其 便于控制提供给涡轮构件表面的较冷气体的速度。本发明的一些实施例可适用于任何装置，这些装置暴露于热气流 中，并且可从暴露于热气体的表面背侧得到冷却。这些装置的一些实 例包括但不限于燃烧室、火箭喷嘴等。将会清楚的是，提供在前述说 明中所采用的任何实例仅提供来用于阐明目的，而不会以任何方式来 限制本发明的范围。尽管已经结合被认作是当前最实用的多种实施例来描述本发明， 但应当理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨 在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同装置。本书面说明使用了包括最佳方式的实例来公开本发明的实施例， 并且使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或 系统，以及执行任何合并的方法。本发明实施例的专利范围限定在权 利要求中，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果 这些其它实例与权利要求中的书面语言并无不同，或者如果这些其它 实例包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件，则将意 味着这些其它实例在权利要求的范围之内。