[发明专利]中空通道

说明书

技术领域

本申请一般地涉及用于改进机械部件或构件的中空通道内 的热交换或对流冷却特性的装置、方法、和/或系统。更具体而言，但 不具有限制性的是，本申请涉及关于对流冷却通道的装置、方法和/ 或系统，尤其当其可能在燃气涡轮发动机的热气路径构件中使用时。 注意到的是，在这部分，本发明将部分地描述成涉及冷却转缸式或燃 气涡轮发动机的翼片。这仅仅是示范性的。本领域中的普通技术人员 将懂得的是，本文中所描述的装置、方法、和/或系统可更一般地使用 例如在任何这样的应用中，即，在其中，所期望的是将热量从带有中 空通道的结构交换给正在流动穿过该中空通道的工作流体。当然，本 领域中的普通技术人员将懂得的是，存在许多需要这类热交换的工业 应用。

背景技术

涡轮机、压缩机、风扇等的翼片，以及尤其喷气发动机或燃 气涡轮发动机的转子叶片和定子叶片，通常形成有内部的中空通道， 冷却空气被引导穿过该通道至以对流地冷却该通道的内壁。一种用于 增加冷却流体和叶片的内壁之间的对流传热的现有技术途径是在内 部的冷却通道内提供湍流促进器，以在内壁附近中断冷却流体的边界 层增厚。通过在内壁表面附近产生湍流流动，可实现改进从这些表面 至冷却流体的传热。在美国专利No.4,627,480和5,704,763中公开了 湍流促进器的示例，通过引用将这些专利的说明书结合在本文中。

通常，本技术领域中的现有技术包括从冷却通道的壁部延伸 到流场中的湍流促进器。与传统的湍流促进器或湍流发生器相关的一 个缺点是，当冷却流体经过或穿过限定在冷却流体通道内的湍流发生 器挡板或端口时，产生大的压力损失。这些大的压降可通过提高冷却 流体压力和/或提高冷却流体流率而补偿。但是，这种补偿可降低涡轮 发动机的性能和效率，因为发动机必须提供附加的旁通空气，否则这 些空气将用于燃烧。再者，这些空气稀释并降低(dilute)离开燃烧器的 气体的温度并因此降低涡轮转子进口温度，这进一步降低发动机的性 能。

因此，需要这样的湍流发生器，即，当冷却流体流动经过正 在被冷却的壁部表面时，该湍流发生器避免产生大的冷却流体压力损 失。还需要这样的冷却剂流动路径构造，即，其聚集高速冷却流体沿 着流动路径壁部表面的限于局部的部分流动，以使得在冷却流体内促 进湍流流动的产生，从而干扰边界层增厚并增加传热。

发明内容

因此，本申请描述了一种机械元件中的中空通道，该中空通 道用于增强机械元件和流动穿过该中空通道的流体之间的热交换性 质；中空通道包括螺旋槽。在一些实施例中，机械元件包括受热的机 械元件，并且流体包括冷却剂。螺旋槽可包括中空通道的外壁中的凹 部，该凹部沿着中空通道轴向延伸以形成近似螺旋形或涡旋形路径。 在一些实施例中，机械元件可为燃气涡轮发动机的定子叶片或转子叶 片，并且冷却剂可为压缩空气。

在一些实施例中，中空通道可具有圆形、矩形、三角形、梯 形、以及椭圆形截面中的一种。在一些实施例中，螺旋槽可具有近似 半圆形轮廓、近似矩形轮廓、近似V形轮廓、以及近似U形轮廓中的 一种。螺旋槽可为连续的和间断的。

在一些实施例中，螺旋槽可包括近似恒定的螺距，其中，近 似恒定的螺距表示，螺旋槽包括随着螺旋槽围绕中空通道延伸而以大 体上固定的轴向距离重复的大体上一致的螺旋式样。

在一些实施例中，中空通道可具有圆形截面；并且螺旋槽的 螺距与圆形截面的直径的比值可在约0.1和10.0之间。螺旋槽可具有 深度，该深度表示从中空通道的外表面到螺旋槽的最深部分的径向距 离；和宽度，该宽度表示跨过螺旋槽的周边距离(circumferential distance)。在一些实施例中，螺旋槽的深度与圆形截面的直径的比值 可在约0.01和0.50之间；并且螺旋槽的宽度与圆形截面的直径的比 值可在约0.01和0.25之间。

在一些实施例中，螺旋槽的螺距与中空通道的水力直径的比 值可在约0.1和10.0之间。在一些实施例中，螺旋槽的深度与中空通 道的水力直径的比值可在约0.01和0.50之间；并且螺旋槽的宽度与 中空通道的水力直径的比值可在约0.01和0.25之间。

在一些实施例中，中空通道可包括多个以相对于彼此平行的 关系而沿着中空通道延伸的螺旋槽。