涡轮发动机构件及冷却方法
技术领域
本公开涉及用于涡轮发动机的翼型件及冷却方法。
背景技术
涡轮发动机以及特别地燃气或燃烧涡轮发动机是从通过发动机传递到旋转的涡轮叶片上的加压的燃烧气体流提取能量的旋转式发动机。
涡轮发动机通常设计成在高温下操作，以改进发动机效率。能够为有益的是，提供用于发动机构件(诸如，在高温环境下的翼型件)的冷却措施，其中，这样的冷却措施能够减少这些构件上的材料磨损，并且提供发动机操作期间的提高的结构稳定性。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种用于涡轮发动机的翼型件。翼型件包括：外壁，其具有外表面并且界定内部，外壁在前缘与后缘之间轴向地延伸，以限定弦向方向，并且还在根部与末梢之间径向地延伸，以限定展向方向；至少一个冷却导管，其设于翼型件的内部中，冲击区，其位于至少一个冷却导管内，并且包括具有至少一个入口通路和至少一个出口通路的冲击室；以及紊流部，其位于冲击室内。
技术方案1. 一种用于涡轮发动机的翼型件，所述翼型件包括：
外壁，其具有外表面并且界定内部，所述外壁在前缘与后缘之间轴向地延伸，以限定弦向方向，并且还在根部与末梢之间径向地延伸，以限定展向方向；
至少一个冷却导管，其设于所述翼型件的所述内部中；
冲击区，其位于所述至少一个冷却导管内，并且包括具有至少一个入口通路和至少一个出口通路的冲击室；以及
紊流部，其位于所述冲击室内。
技术方案2. 根据技术方案1所述的翼型件，其中，所述紊流部沿着所述入口通路的中心流线定位。
技术方案3. 根据技术方案1中的任一项所述的翼型件，其中，所述冲击区包括在所述冲击室处与所述入口通路形成公共汇合部的至少两个出口通路，并且，所述紊流部位于所述公共汇合部内。
技术方案4. 根据技术方案3所述的翼型件，进一步包括成网路的流通地互连的冷却通路。
技术方案5. 根据技术方案4所述的翼型件，其中，所述入口通路和所述至少两个出口通路形成所述网路的部分。
技术方案6. 根据技术方案4所述的翼型件，其中，所述网路位于所述外壁内，以形成近壁冷却结构的至少部分。
技术方案7. 根据技术方案1-6中的任一项所述的翼型件，其中，所述紊流部至少部分地延伸到所述冲击室中。
技术方案8. 根据技术方案1-6中的任一项所述的翼型件，其中，所述冲击室限定室表面面积。
技术方案9. 根据技术方案8所述的翼型件，其中，所述室表面面积大于由所述至少一个入口通路限定的入口表面面积。
技术方案10. 根据技术方案1-6中的任一项所述的翼型件，其中，所述冲击室进一步包括沿中心流线方向位于所述紊流部的后面并且与其隔开的后部部分。
技术方案11. 根据技术方案1-6中的任一项所述的翼型件，进一步包括位于所述至少一个冷却导管内的空气流调节部。
技术方案12. 根据技术方案11所述的翼型件，其中，所述紊流部或所述冲击室中的至少一个限定所述空气流调节部。
技术方案13. 根据技术方案12所述的翼型件，其中，所述空气流调节部进一步包括销、凹凸部分、缩窄部分、表面粗糙部或倾斜部分中的一个。
技术方案14. 一种用于涡轮发动机的构件，包括：
外壁，其界定内部；
至少一个冷却导管，其设于所述内部中；
冲击区，其位于所述至少一个冷却导管内，并且包括具有至少一个入口通路和至少一个出口通路的冲击室；以及
紊流部，其位于所述冲击室内。
技术方案15. 根据技术方案14所述的构件，其中，所述至少一个冷却导管进一步包括成三维网路的流通地互连的冷却通路。
技术方案16. 根据技术方案15所述的构件，其中，所述冲击区形成所述三维网路的部分。
技术方案17. 一种使涡轮发动机中的构件冷却的方法，所述方法包括：
通过所述构件的内部内的冷却导管供应冷却流体；
使所述冷却流体流动到位于所述冷却导管内的冲击室；
将所述冷却流体冲击于位于所述冲击室内的紊流部上；以及
使所述冷却流体从所述冲击室流动到至少一个出口通路，以使所述构件冷却。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，进一步包括使所述冷却流体流动到所述冲击室的沿中心流线方向位于所述紊流部的后面并且与其向下游隔开的后部部分。
技术方案19. 根据技术方案17-18中的任一项所述的方法，其中，所述通过冷却导管供应冷却流体进一步包括通过成网路的流通地互连的冷却通路供应冷却流体。
技术方案20. 根据技术方案17-18中的任一项所述的方法，进一步包括使所述冷却流体在所述紊流部的多个表面周围流动。
附图说明
在附图中：
图1是用于飞行器的涡轮发动机的示意横截面图。
图2是根据本文中所描述的各种方面的呈包括冷却通路网路的翼型件的形式的能够在图1的涡轮发动机中利用的构件的透视图。
图3A是示出网路中的相交部的图2的翼型件的沿着线III-III的横截面图。
图3B是图3A的相交部的示意图。
图4是图2的翼型件的部分的透视图，其示出网路中的另一相交部。
图5是图2的翼型件中的包括空气流调节部的冷却通路的侧视横截面图。
图6是图2的翼型件中的包括另一空气流调节部的另一冷却通路的侧视横截面图。
图7是图2的翼型件中的包括另一空气流调节部的另一冷却通路的侧视横截面图。
图8A是在第一构造中的图7的冷却通路和空气流调节部的俯视横截面图。
图8B是在第二构造中的图7的冷却通路和空气流调节部的俯视横截面图。
图9是能够在图2的翼型件中利用的另一冷却通路网路的截面图。
图10是能够在图2的翼型件中利用的另一冷却通路网路的截面图。
图11是能够在图2的翼型件中利用的另一冷却通路网路的截面图。
图12是根据本文中所描述的各种方面的呈包括至少一个冷却通路网路的另一翼型件的形式的能够在图1的涡轮发动机中利用的另一构件的透视图。
图13是图12的翼型件的另一透视图。
具体实施方式
本公开的各方面涉及受冷却的构件。出于描述目的，受冷却的构件将描述为受冷却的涡轮发动机构件(诸如，受冷却的翼型件)。将理解，本公开可以普遍适用于任何发动机构件(包括涡轮和压缩机以及非翼型件发动机构件)以及非飞行器应用(诸如，其它移动应用和非移动工业、商业以及住宅应用)中。
如本文中所使用的，术语“前部”或“上游”指沿朝向发动机入口或与另一构件相比而相对地更接近发动机入口的构件的方向移动。联合“前部”或“上游”而使用的术语“后部”或“下游”指朝向发动机的后方或出口或与另一构件相比而相对地更接近发动机出口的方向。
如本文中所使用的，“一组”能够包括任何数量的相应地描述的元件(包括仅一个元件)。另外，如本文中所使用的术语“径向的”或“径向地”指在发动机的中心纵轴与发动机外周之间延伸的维度。
所有的方向参考(例如，径向、轴向、近端、远端、上部、下部、向上、向下、左边、右边、侧向、前面、背面、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前部、后部等)都仅出于标示目的而使用，以帮助读者理解本公开，而不造成限制(具体地，关于本公开的位置、取向或使用的限制)。除非另外指示，否则连接参考(例如，附接、联接、连接以及联结)将被广义地解释，并且能够在一批元件之间包括中间部件和在元件之间包括相对移动。因此，连接参考不一定推断出两个元件直接地连接并且彼此处于固定关系。示范性的附图仅出于示出目的，并且，附图中所反映的尺寸、位置、顺序以及相对大小可能变化。
图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意横截面图。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以下游串行流的关系包括风扇区段18(包括风扇20)、压缩机区段22(包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26)、燃烧区段28(包括燃烧器30)、涡轮区段32(包括HP涡轮34和LP涡轮36)以及排气区段38。
风扇区段18包括环绕风扇20的风扇外壳40。风扇20包括关于中心线12径向地设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30以及 HP涡轮34形成发动机10的芯部44，芯部44生成燃烧气体。芯部44被芯部外壳46环绕，芯部外壳46能够与风扇外壳40联接。
关于发动机10的中心线12同轴地设置的HP轴或转轴48将HP涡轮34驱动地连接到HP压缩机26。在直径较大的环形HP转轴48内关于发动机10的中心线12同轴地设置的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。转轴48、50可围绕发动机中心线旋转，并且联接到多个可旋转元件，这些可旋转元件能够共同地限定转子51。
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相对于对应的一组静压缩机导叶60、62而旋转，以使经过该级的流体流压缩或加压。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58能够设置成环，并且能够相对于中心线12而从叶片平台径向地向外延伸到叶片末梢，而对应的静压缩机导叶60、62定位于旋转叶片56、58的上游并且定位成与其相邻。注意到，图1中所显示的叶片、导叶以及压缩机级的数量仅出于说明性目的而选择，并且其它数量是可行的。
用于压缩机的级的叶片56、58能够安装到盘61(或与盘61形成一体)，盘61安装到HP和LP转轴48、50中的对应的一个。用于压缩机的级的导叶60、62能够按周向布置安装到芯部外壳46上。
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涡轮导叶72、74(也称为喷嘴)而旋转，以从经过该级的流体流提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70能够设成环，并且能够相对于中心线12而径向地向外延伸，而对应的静涡轮导叶72、74定位于旋转叶片68、70的上游并且定位成与其相邻。注意到，图1中所显示的叶片、导叶以及涡轮级的数量仅出于说明性目的而选择，并且其它数量是可行的。
用于涡轮的级的叶片68、70能够安装到盘71，盘71安装到HP和LP转轴48、50中的对应的一个。用于压缩机的级的导叶72、74能够按周向布置安装到芯部外壳46。
与转子部分互补，发动机10的固定部分(诸如，压缩机中的静导叶60、62、72、74、以及涡轮区段22、32)也单独地或共同地被称为定子63。因此，定子63能够指整个发动机10中的非旋转元件的组合。
在操作中，离开风扇区段18的空气流被分割，使得空气流的一部分被导引到LP压缩机24中，LP压缩机24然后将加压的空气76供应到HP压缩机26，HP压缩机26进一步使空气加压。来自HP压缩机26的加压的空气76在燃烧器30中与燃料混合并且被点燃，由此生成燃烧气体。由HP涡轮34从这些气体提取一些功，这些功驱动HP压缩机26。燃烧气体排放到LP涡轮36中，LP涡轮36提取额外的功，以驱动LP压缩机24，并且，排出气体最后从发动机10经由排气区段38来排放。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。
加压的空气流76的一部分能够作为放出空气77而从压缩机区段22抽出。放出空气77能够从加压的空气流76抽出，并且提供给要求冷却的发动机构件。进入燃烧器30的加压的空气流76的温度显著地提高。因此，由放出空气77提供的冷却对于在升高的温度环境下操作这样的发动机构件是必要的。
空气流的剩余部分78绕过LP压缩机24和发动机芯部44，并且在风扇排气侧84处通过包括多个翼型件导向导叶82的固定导叶排(以及更具体地，出口导向导叶组件80)而离开发动机组件10。更具体地，周向的一排径向地延伸的翼型件导向导叶82与风扇区段18相邻而利用，以对空气流78施加一定程度的方向控制。
由风扇20供应的一些空气能够绕过发动机芯部44，并且用于发动机10的多部分(尤其是热部分)的冷却，和/或用于使飞行器的其它方面冷却或给其提供动力。在涡轮发动机的情境下，发动机的热部分一般位于燃烧器30(尤其是涡轮区段32)的下游，HP涡轮34是最热部分，因为，HP涡轮34位于燃烧区段28的正下游。其它冷却流体源能够是(但不限于)从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。
现在参考图2，显示能够在图1的涡轮发动机10中利用的呈翼型件组件95的形式的受冷却的构件。翼型件组件95包括翼型件100，翼型件100能够如期望那样是诸如风扇区段18、压缩机区段22或涡轮区段32中的叶片或导叶之类的任何翼型件。将理解，受冷却的构件还能够呈涡轮发动机内的任何合适的构件(在非限制性示例中，包括护罩、吊架、支柱、平台、内带或外带)的形式。
翼型件100包括限定外表面103并且界定内部104的外壁102(以虚线显示)。外壁102限定压力侧106和吸力侧108，并且，横向方向R能够限定于其间。外壁102还在前缘110与后缘112之间轴向地延伸以限定弦向方向C，并且还在根部114与末梢116之间径向地延伸以限定展向方向S。
翼型件组件95还能够包括平台118(以虚线显示)，平台118在根部114处联接到翼型件100。在一个示例中，翼型件100呈从燕尾件117(以虚线表示)延伸的叶片(诸如，图1的HP涡轮叶片68)的形式。在这样的情况下，平台118能够形成燕尾件117的至少部分。在另一示例中，翼型件100能够呈导叶(诸如，LP涡轮导叶72)的形式，并且，平台118能够形成联接到根部114的内带或外带(未显示)的至少部分。
燕尾件117能够配置成安装到发动机10上的涡轮转子盘71。燕尾件117包括至少一个入口通路119(其示范性地显示为三个入口通路119)，这些入口通路119各自延伸穿过燕尾件117，以提供与翼型件100的内部流体连通。应当意识到，燕尾件117以横截面显示，使得入口通路119容纳于燕尾件117的主体内。
翼型件100进一步包括至少一个冷却空气供应导管125(在本文中也被称为“导管125”)。导管125包括成至少一个三维网路120(在本文中也被称为“网路120”)的流通地互连的冷却通路122。网路120以“扁平”通路和区域用实线示意性地示出。应当理解，网路120表示翼型件100的内侧的三维开放空间或空腔。网路120能够在流通地联接到位于翼型件内部104内的冷却空气源(诸如，至少一个入口通路119)的至少一个入口124与流通地联接到网路120的至少一个出口126之间延伸。出口126能够位于前缘110、后缘112、根部114、末梢116或平台118中的任一个或全部处。入口124能够如期望那样包括狭槽、孔或其组合。预期到，入口124能够从翼型件组件95内的任何期望位置(诸如，平台118的内部通路或位于翼型件内部104内的中心供应通路(未显示))接收冷却流体。另外，虽然网路120示出为接近翼型件100的后缘112，但网路120能够延伸到翼型件100 的任何部分(包括前缘110、根部114、末梢116或沿着压力侧106或吸力侧108的其它位置)。也能够在翼型件100内设有多个网路。
预期到，网路120的冷却通路122能够沿箭头123所指示的下游方向分叉(包括递归地(recursively)分叉)至少两次。例如，递归地分叉的网路120能够限定分形图案。另外，导管125能够进一步包括在网路120的上游的非分叉的通路或非分叉的部分121。在所示出的示例中，多个出口126位于外表面103上，沿着后缘112延伸。出口126能够沿着前缘110、后缘112、压力侧106或吸力侧108定位。出口126还能够流通地联接到网路120。应当理解，出口126能够包括顺列式扩散器、扩散狭槽、膜孔、喷射孔、通道以及类似物或以上项的组合。出口126能够位于任何合适的位置(包括前缘110、根部114、末梢116或沿着压力侧106或吸力侧108的其它位置)处。出口126也能够形成于翼型件组件95的其它部分(诸如，平台118)中，并且流通地联接到网路120。
成三维网路120的冷却通路122能够使用各种各样的方法来形成，在非限制性示例中，这些方法包括增材制造、铸造、电铸或直接金属激光熔融。预期到，具有网路120的翼型件100能够是增材制造的构件。如本文中所使用的，“增材制造的”构件将指通过增材制造(AM)过程而形成的构件，其中，该构件通过材料连续沉积而逐层构建。AM是适于描述通过材料逐层添加(不论该材料是塑料还是金属)而构建3D物体的技术的名称。AM技术能够利用计算机、3D建模软件(计算机辅助设计或CAD)、机器设备以及层铺材料。一旦产生CAD草图，AM设备就能够从CAD文件读入数据，并且以逐层方式铺设或添加连续的多层液体、粉末、片材或其它材料，以制备3D物体。应当理解，术语“增材制造”包含包括如3D印刷、快速原型开发(RP)、直接数字制造(DDM)、分层制造以及增材制备那样的子集的许多项技术。能够被利用来形成增材制造的构件的增材制造的非限制性示例包括粉末床融合、光聚合固化、粘结剂喷射、材料挤制、定向能沉积、材料喷射或片材层压。另外，网路120能够包括任何期望的几何轮廓(包括分形几何轮廓、轴向蜿蜒轮廓或径向蜿蜒轮廓)。
图3A以横截面示出翼型件100，其中更详细地显示网路120。预期到，网路120能够沿展向方向S延伸(如图2中所看到的)，并且还能够沿弦向方向C以及横向方向R延伸。例如，网路120能够具有与身体中的静脉网路或网络的总体轮廓或形式类似的总体轮廓或形式。网路120能够包括延伸穿过外壁102的壁内冷却通路、近壁冷却通路或适合于翼型件100的其它冷却结构。参考图2和图3A，应当理解，在图3A中表示为冷却通路122的每条线表示以如图2中所看到的径向地向内或向外的方式“堆叠”的多个冷却通路122。
网路120能够包括在流通地互连的冷却通路122之间的多个相交部。还应当理解，在从线III-III径向地向内或向外穿过翼型件100的其它横截面图中，网路120能够具有其它外形、分支或相交部。能够意识到，具有多个互连的冷却通路122的三维网路120能够被利用来针对翼型件100的内部或外部内的各种各样的位置而定制的冷却空气供应。
在所示出的示例中，翼型件100包括冷却通路122的第一平面组131、第二平面组132以及第三平面组133。如本文中所使用的，冷却通路的“平面组”能够指在限定平面的两个维度上延伸或分支的任何冷却通路组。在另一示例中，冷却通路的“平面组”能够指形成在两个维度上延伸并且包括在第三维度上的厚度的三维结构的任何冷却通路组。在再另一示例中，冷却通路的“平面组”能够指具有在限定第一平面的两个维度上延伸的第一局部区域并且具有在限定与第一平面不同的第二平面的两个维度上延伸的第二局部区域的任何冷却通路组(诸如，在一个示例中，冷却通路的S形平面组)。换句话说，如本文中所使用的“平面”能够指如下的结构：是遍于给定区域上局部地“扁平”或二维的，但能够包括总体弯曲部(诸如，弯曲平面)，其包括带有三维厚度的弯曲结构。冷却通路的平面组能够包括末梢向取向的通路、弦向取向的通路或展向取向的通路或以上项的任何组合。
第一、第二以及第三平面组131、132、133示出为在第一相交部135处彼此流通地联接。另外，如所显示的，第一组出口126A能够流通地联接到第一平面组131，并且，第二组出口126B能够流通地联接到第二平面组132。如在吸力侧108处显示的，翼型件100还能够包括延伸穿过外壁102的壁内冷却通路137。壁内冷却通路137能够使第二平面组132流通地联接到第二组出口126B。预期到，壁内冷却通路137能够是非分叉的冷却通路。还应当理解，翼型件100能够包括流通地联接到网路120的其它壁内冷却通路(未显示)。
另外，第二相交部145示出第二和第三平面组132、133能够流通地联接到冷却通路122的第四平面组134。第四平面组134被沿着部分地沿着翼型件100的中弧线107延伸的平面示出，并且还预期到，第四组134能够沿任何方向形成。
冷却空气源150能够定位于翼型件100内。源150示出为径向冷却通路，并且应当理解，如期望那样，冷却空气源150能够具有各种各样的取向或形状，并且能够定位于翼型件100内或定位于翼型件组件95中的包括平台118的其它位置处。如所显示的，网路120能够经由至少一个入口124来流通地联接到冷却空气源150。
图3B示出网路120的放大图140，其带有冷却通路122的第一、第二以及第三平面组131、132、133的第一相交部135。第一平面组131能够沿着第一平面141延伸，第一平面141在侧面(edge-on)图中查看。第二平面组132能够沿着与第一平面141不同的第二平面142(在侧面查看)延伸，并且，第三平面组133沿着与第一和第二平面141、142未对准的第三平面143(在侧面查看)延伸。在所示出的示例中，第一平面141部分地朝向弦向方向C延伸，第二平面142部分地朝向吸力侧108沿横向方向R延伸，并且，第三平面143部分地朝向压力侧106沿横向方向R延伸。
现在参考图4，沿着后缘112和平台118显示冷却通路网路120的部分128(图2)，其中，第三相交部152位于翼型件100的根部114处。显示展向方向S和弦向方向C以及朝向压力侧106和吸力侧108的方向。应当理解，在所示出的示例(其中，翼型件100包括叶片)中，根部114与联接到叶片的平台118相邻。在备选示例(其中，翼型件100包括导叶)中，根部114能够与联接到导叶的内带或外带(未显示)相邻。
在所示出的示例中，第三相交部152使冷却通路的第四平面组154沿着展向方向流通地联接到冷却通路的第五平面组155和第六平面组156。第五平面组155限定第五平面157并且从第三相交部152朝向吸力侧108和平台118分支。第六平面组156限定第六平面158并且从第三相交部152朝向压力侧106和平台118分支。箭头示出流过网路120并且经由出口126离开的冷却空气。出口126中的一些能够沿着后缘112定位，并且，出口126中的一些也能够位于平台118内。以此方式，成三维网路120的流通地互连的冷却通路122能够沿第一、第二以及第三方向(诸如，展向方向S、弦向方向C以及横向方向R)延伸。
转到图5，显示翼型件100的示范性的截面图，示出展向方向S和弦向方向C。进一步预期到，空气流调节部160能够被包括在网路120的至少一个冷却通路122内。空气流调节部160能够构造成在至少一个冷却通路122内使空气流(以箭头示出)改向、加快、减慢、紊乱、混合或平滑。一个示范性的空气流调节部160能够包括紊流部。如本文中所使用的，“紊流部”将指能够生成紊乱的空气流的任何构件(在非限制性示例中，包括凹部、销或冲击区)。能够利用的空气流调节部160的其它非限制性示例包括表面粗糙部、可变通路宽度或凹凸壁部分。
在一个示例中，空气流调节部160包括与流通地联接的冷却通路122之间的相交部处的表面粗糙部162组合的冲击区161。另一空气流调节部160能够呈冷却通路122的缩窄部分163的形式；能够意识到，冷却通路122的这样的缩窄可能引起空气流通过部分163而速率增大。在再另一示例中，空气流调节部160能够包括在一个冷却通路122中的第一宽度164和在另一冷却通路122中的比第一宽度164更大的第二宽度165。
图6示出翼型件100的另一示范性的截面图，显示弦向方向C和横向方向R。应当理解，图6的截面图沿着与图5的方向垂直的方向。
空气流调节部160能够进一步包括凹凸部分166，其中，相邻的凹面和凸面可能引起通过冷却通路122的局部空气流的涡流或紊流。在再另一示例中，空气流调节部160还能够包括带有尖锐拐角的倾斜部分167。
转到图7，显示翼型件100内的另一冷却导管125A的俯视横截面图。冷却导管125A还包括带有冲击室161C的冲击区161A，冲击室161C具有至少一个入口通路180和至少一个出口通路181，出口通路181示出为分叉成两个出口通路181。公共汇合部186能够限定于入口通路180和出口通路181的相交部处。在非限制性示例中，冷却导管125A能够形成网路120的部分，其中，入口通路180和出口通路180能够形成网路120内的冷却通路122。
紊流部168能够在冲击室161C内定位于公共汇合部186处。如所显示的，紊流部168能够沿着入口通路180的中心流线方向189定位。例如，紊流部168能够与冲击室161C的后壁187隔开，以限定冲击室161C的后部部分188。
在图7的示例中，紊流部168示出为销。应当理解，紊流部168能够具有任何合适的几何结构或形式(包括圆柱形销、扁平化 翅片、翅片、翼型件、人字形件或不规则几何轮廓)。紊流部168还能够限定表面面积168S以及第一和第二表面169A、169B。冲击室161C还能够限定包括表面面积168S的室表面面积161S。另外，入口通路180能够限定入口表面面积180S。预期到，室表面面积161S能够大于入口表面面积180S。例如，当沿中心流线方向189移动时(例如，当从入口通路180移动到冲击室161C时)，冷却导管125A的表面面积能够增大。在另一示例中，室表面面积161S能够大于入口表面面积180S或由至少一个出口通路181限定的出口表面面积181S。
进一步预期到，紊流部168或冲击室161C中的至少一个能够形成冷却导管125A内的空气流调节部160。任选地，其它空气流调节部(诸如，上文中所描述的紊流部、凹凸部分、缩窄部分、表面粗糙部或倾斜部分)也能够被包括在冷却导管125A中。
图8A在与图7的视图垂直的视图中示出冷却导管125A的第一构造。在所示出的示例中，紊流部168沿与中心流线方向189未对准(例如，垂直)的方向完全地跨越冲击室161C的范围延伸。流过该构造中的冷却导管125A的冷却空气能够冲击紊流部168，生成沿着后壁187的紊乱的空气流，并且将热通过紊流部168传递到冲击室161C的多个壁，以提供冷却。
图8B在与图7的视图垂直的视图中示出冷却导管125A的第二构造。在所示出的示例中，如所显示的，紊流部168能够沿与中心流线方向189未对准(例如，垂直)的方向部分地跨越冲击室161C延伸。在该构造中，流过冷却导管125A的冷却空气能够冲击紊流部168以及流过多个表面(诸如，紊流部168的第一和第二表面169A、169B)，由此将热通过紊流部168传递到冲击室161C的一个壁。
在操作中，流过冷却导管125、125A(包括网路120和冷却通路122)的空气可能遇到或冲击空气流调节部160。空气流调节部160(诸如，凹凸部分166、或带有表面粗糙部162的冲击区161、161A、或冲击室161C)可能引起局部空气流的涡流或其它紊流。空气流调节部160还能够被利用来诸如经由冲击室161C的倾斜部分167或后部部分188来使局部空气流改向。空气流调节部160还能够诸如经由缩窄部分163来改变局部空气流速率。还能够意识到，示范性的空气流调节部中的任一个都能够调节一个或多个空气流特性(诸如，速率、速度、涡流或紊流)，并且，给定的空气流调节部还可以调节冷却导管或通路内的多个空气流特性。
将理解，上文中所描述的空气流调节部160的各方面能够在翼型件100内针对三维网路120的任何期望部分以及沿任何期望方向组合或定制。空气流调节部160能够取向成引导或调节沿展向方向S、弦向方向C、横向方向R或以上项的任何组合(包括在不具有三维网路的冷却通路中)移动的空气流。在一个非限制性示例中，如在图3A的视图中显示的，冲击室161C能够位于网路120的形成近壁冷却结构的部分内(诸如，网路120的定位成与压力侧106或吸力侧108相邻的部分中)。
现在参考图9，示出能够在翼型件100中利用的冷却通路的另一个三维网路220。网路220类似于网路120；因此，相似部分将用增大100的相似标号标示，理解到，除了特别提到的地方之外，网路120的相似部分的描述都适用于网路220。
为了清楚起见，显示网路220，而不带周围的翼型件。应当理解，网路220能够定位于翼型件的内部(诸如，针对翼型件100内的网路120而显示的内部(参见图2))内。另外，应当理解，虽然以“扁平”通路和区域示出，但网路220表示翼型件100内的三维开放空间或空腔。示出展向方向S和弦向方向C以供参考。应当理解，网路220能够在翼型件100内沿任何合适方向(包括沿着展向方向S、弦向方向C或横向方向R的任何组合)取向。
冷却通路222的网路220能够包括至少一个入口224，其中，冷却空气能够供应到网路220。入口224以狭槽和入口孔的组合示出。网路220还包括能够沿着翼型件的后缘定位的多个出口226。
网路220能够包括分形几何轮廓。如本文中所使用的，“分形”将指冷却通路的递归或自类似的图案或布置。更具体地，沿着第一弦向位置281的线性冷却通路222的第一群280能够具有第一通路大小282。沿着第一弦向位置281下游的第二弦向位置284 的线性冷却通路222的第二群283具有能够比第一通路大小282更小的第二通路大小285。预期到，线性冷却通路222或线性冷却通路222的群的通路大小能够在第一弦向位置281与第二弦向位置284之间减小。而且，能够意识到，第二群283具有在不同的大小尺度上与第一群280类似的外形或图案。应当理解，网路220还能够沿翼型件的压力侧与吸力侧之间的方向延伸(包括如期望那样具有可变通路大小的线性冷却通路群)。以此方式，网路220能够持续地沿下游方向递归地分叉，直到流通地连接到出口226并且还能够限定分形图案为止，如上文中所描述的那样。网路220还能够包括非扩大的横截面，其为沿流动方向恒定或减小中的至少一种(诸如，第二通路大小285小于第一通路大小282)。
现在参考图10，示出能够在翼型件100中利用的另一冷却通路网路320。网路320类似于网路120、220；因此，相似部分将用进一步增大100的相似标号标示，理解到，除了特别提到的地方之外，网路120、220的相似部分的描述都适用于网路320。
为了清楚起见，显示网路320，而不带周围的翼型件。应当理解，网路320能够定位于翼型件的内部(诸如，针对翼型件100内的网路120而显示的内部(参见图2))内。另外，应当理解，虽然以“扁平”通路和区域示出，但网路320表示翼型件100内的三维开放空间或空腔。示出展向方向S和弦向方向C以供参考。应当理解，网路320能够在翼型件100内沿任何合适方向(包括沿着展向方向S、弦向方向C或横向方向R的任何组合)取向。
冷却通路322的网路320能够包括至少一个入口324(其示出为多个入口孔)，其中，冷却空气能够供应到网路320。网路320还包括能够沿着翼型件的后缘定位的多个出口326。
冷却通路322显示为带有在入口324与出口326之间流动的示范性的冷却空气流390。一个差异是，网路320能够包括径向蜿蜒轮廓。更具体地，如所显示的，冷却通路322能够包括：第一部分391，其中，冷却空气流390沿下游弦向方向移动；以及第二部分392，其从第一部分391沿展向方向偏移(例如，径向地偏移)，其中，冷却空气流390沿上游弦向方向移动。冷却通路322能够进一步包括第三部分393，其中，冷却空气流390沿下游弦向方向移动，并且在流过多个出口326之前分叉、分裂或分割。以此方式，第一部分391、第二部分392以及第三部分393能够至少部分地限定网路320的径向蜿蜒轮廓。
现在参考图11，示出能够在翼型件100中利用的冷却通路的另一个三维网路420。网路420类似于网路120、220、320；因此，相似部分将用进一步增大100的相似标号标示，理解到，除了特别提到的地方之外，网路120、220、320的相似部分的描述都适用于网路420。
为了清楚起见，显示网路420，而不带周围的翼型件。应当理解，网路420能够定位于翼型件的内部(诸如，针对翼型件100内的网路120而显示的内部(参见图2))内。另外，应当理解，虽然以“扁平”通路和区域示出，但网路220表示翼型件100内的三维开放空间或空腔。示出展向方向S和弦向方向C以供参考。应当理解，网路420能够在翼型件100内沿任何合适方向(包括沿着展向方向S、弦向方向C或横向方向R的任何组合)取向。
冷却通路422的网路420能够包括至少一个入口424(其示出为多个入口孔)，其中，冷却空气能够供应到网路420。网路420还包括能够沿着翼型件的后缘定位的多个出口426。
冷却通路422显示为带有在入口424与出口426之间流动的示范性的冷却空气流490。一个差异是，网路420能够包括轴向蜿蜒轮廓。更具体地，冷却通路422能够包括第一部分491，其中，冷却空气流490沿下游弦向方向移动以及沿展向方向径向地向外移动。冷却通路422还包括第二部分492，其中，冷却空气流490在沿展向方向径向地向内移动的同时，继续沿下游弦向方向移动。流通地联接到第二部分491的第三部分493在冷却空气流490流过多个出口426之前对冷却空气流490进行分割。以此方式，第一、第二以及第三部分491、492、493能够至少部分地限定网路420的轴向蜿蜒轮廓。
任选地，冷却通路422能够包括提供第一和第二部分491、492之间的额外的流体联接的第四部分494。备选地，第四部分494能够为轴向蜿蜒状冷却通路422提供刚度或支撑，而不提供额外的流体联接。
转到图12，显示能够在图1的涡轮发动机10中利用的呈翼型件组件495的形式的另一发动机构件。翼型件组件495类似于翼型件组件95；因此，相似部分将用增大400的相似标号标示，理解到，除了特别提到的地方之外，翼型件组件95的相似部分的描述都适用于翼型件组件495。
翼型件组件495包括翼型件500，如期望那样，翼型件500能够是任何翼型件(诸如，涡轮发动机10的任何区段(包括压缩机区段22或涡轮区段32)中的叶片或导叶)。
翼型件500包括限定外表面503并且界定内部504的外壁502(以虚线显示)。外壁502限定压力侧506和吸力侧508，横向方向R限定于其间。外壁502还在前缘510与后缘512之间轴向地延伸，以限定弦向方向C，并且还在根部514与末梢516之间径向地延伸，以限定展向方向S。另外，如所显示的，翼型件500能够从具有至少一个入口通路519的燕尾件517延伸。
翼型件500能够包括流通地联接到位于内部504内的至少一个通路的至少一个冷却空气供应导管。在所示出的示例中，翼型件500包括第一、第二以及第三冷却空气供应导管581、582、583。后缘通路591能够沿着后缘512延伸并且流通地联接到第一供应导管581。前缘通路592能够沿着前缘510延伸并且流通地联接到第二供应导管582。末梢通路593能够沿着翼型件500的末梢516延伸并且流通地联接到第三供应导管583。
翼型件还能够包括位于外表面503中的多个出口。例如，多个后缘出口596、前缘出口597以及末梢出口598能够分别设于外表面503中并且流通地联接到后缘通路591、前缘通路592以及末梢通路593。应当理解，供应导管581、582、583和通路591、592、593以及出口596、597、598是示范性的，并且，翼型件500能够包括比所显示的那些供应导管或通路更多或更少的供应导管或通路。
至少一个三维网路也能够被包括在翼型件500中。在所示出的示例中，与网路120、220、320、420 类似的第一网路520A被包括在第一供应导管581中并且流通地联接到后缘通路591和后缘出口596。第二网路520B和第三网路520C(其两者都类似于网路120、220、320、420)被包括在第三供应导管583中。第二网路520B能够流通地联接到末梢通路593和末梢出口598。第三网路520C能够流通地联接到第一网路520A或末梢通路593中的任一个或两者。另外，第一网路520A能够定位成沿弦向方向C与第二网路520B相邻(诸如，第二网路520B位于第一网路520A的上游)。为了清楚起见，第三网路520C以轮廓实线形式示意性地示出。应当理解，第三网路520C还包括未在该视图中显示的流通地互连的冷却通路。还将理解，虽然如此，但未显示的其它冷却通路、孔或出口能够设于翼型件500中。
在另一示例中，表面通道590能够设于外壁502的外表面503中，表面通道590被示出为与翼型件500的末梢516相邻。表面通道590能够流通地联接到第二网路120B和末梢出口598中的任一个或两者。例如，末梢出口598中的至少一些能够设于表面通道590中。在另一示例(其中，未利用末梢通道)中，末梢出口598能够直接地设于外表面503中。
还预期到，冷却空气供应导管中的至少一个能够包括至少一个非分叉的通路585。例如，第二供应导管582能够包括流通地联接到前缘通路592的非分叉的通路585。在另一示例中，第一供应导管581能够包括流通地联接到第一网路520A并且位于第一网路520A上游的非分叉的通路585。
还预期到，冷却空气供应导管中的至少一个能够至少部分地与至少一个三维网路径向地对准。在所示出的示例中，第一冷却空气供应导管581至少部分地与第一网路520A径向地对准，并且，第三冷却空气供应导管583与第二网路520B和第三网路520C径向地对准。
图13示出面向压力侧506的翼型件500。在该视图中，第二网路520B以轮廓实线形式示意性地示出，并且应当理解，第二网路520B能够包括如图13中所显示的流通地互连的冷却通路。进一步预期到，第二网路520B和第三网路520C能够定位成沿横向方向R彼此相邻，第二网路定位成与压力侧506相邻，并且，第三网路定位成与吸力侧508相邻。另外，第二网路520B和第三网路520C能够流通地联接并且任选地由燕尾件517内的公共入口通路供应。额外的末梢出口598能够流通地联接到末梢通路593；在所示出的示例中，表面通道590能够设于压力侧506上(图12)，而末梢出口598能够直接地设于吸力侧508上的外表面上(图13)。
在操作中，从燕尾件517供应的冷却空气能够通过第一供应导管581、第二供应导管582以及第三供应导管583径向地向外(例如，沿着展向方向S)流动。冷却空气在通过前缘510、后缘512、末梢516或外表面503上的其它位置上的至少一个出口放出之前，能够在流过翼型件500内的至少一个三维网路的同时，沿展向方向S、弦向方向C、横向方向R或以上项的任何组合流动。冷却空气能够在流过三维网路之前，流过至少一个非分叉的通路585，如上文中所描述的那样。
在再另一示例(未显示)中，多个网路能够设于翼型件内，使得第一网路的冷却通路能够通过第二网路的冷却通路而交织。第一网路能够任选地流通地联接到第二网路，或第一和第二网路能够以独立的冷却空气源供应。例如，第一网路能够包括沿展向方向的冷却通路的平面组，并且，第二网路能够包括沿弦向方向的冷却通路的平面组，其中，第一网路的冷却通路被引导在第二网路的冷却通路周围，而未流通地联接到第二网路。
在另一非限制性示例(未显示)中，至少一个网路能够在不存在介于中间的喷射孔的情况下直接地流通地联接到外表面中的出口(诸如，末梢出口)。在这样的情况下，至少一个网路能够完全地延伸到翼型件的末梢并且流通地联接到出口。网格部分还能够直接地流通地联接到位于翼型件的压力侧或吸力侧上的其它出口(包括在不存在介于中间的喷射孔的情况下)，包括经由伸长的喷射孔或通过在不存在这样的喷射孔的情况下直接地流通地联接到出口。
在又另一非限制性示例(未显示)中，网路能够进一步包括各自由单独的冷却导管流通地供应的冷却通路的多个离散的群。多个离散的群中的每个能够包括冲击区、网格部分或伸长的喷射孔中的任一个或全部。多个离散的群能够例如通过单个连接流体通路而流通地联接，或多个离散的群能够在翼型件内部内分离。另外，多个离散的群能够形成径向地布置于翼型件内的多个冲击区，使得从冷却导管供应的冷却空气能够冲击第一区、冲击第二区、冲击第三区等等，直到经由冷却孔出口离开为止。
各方面提供使涡轮发动机翼型件冷却的方法，该方法包括：通过三维网路(诸如，翼型件内的流通地互连的冷却通路的网路120、220、320、420)供应冷却流体；和通过至少一个出口放出冷却流体。如上文中所描述的那样，出口能够位于前缘、后缘、末梢或表面通道中的任一个或全部上。任选地，该方法能够包括在相交部(诸如，沿第一方向141延伸的冷却通路的第一平面组131与沿第二方向142延伸的冷却通路的第二平面组132的第一相交部135)处对冷却流体进行分割。任选地，该方法能够包括在第二相交部145处使来自第一和第二平面组131、132的冷却流体重组。第一方向141能够沿翼型件100的压力侧106与吸力侧108之间的横向方向R，并且，第二方向142能够沿展向方向S或弦向方向C。预期到，第一、第二以及第三方向中的任一个能够沿展向方向S、弦向方向C、横向方向R或以上项的任何组合中的任一个。该方法能够进一步包括将冷却流体冲击于三维网路120的冷却通路122内的冲击区161上。另外，放出冷却流体能够进一步包括通过多个出口(诸如，在后缘112处设置于压力侧106或吸力侧108之一中的多个凹形部分170之间的出口126)放出。
所描述的结构(诸如，各种网路)提供使涡轮发动机中的翼型件冷却的方法，该方法包括通过翼型件的内部内的冷却导管供应冷却流体。该方法还包括：使冷却流体流动到位于冷却导管内的冲击室；将冷却流体冲击于位于冲击室内的销上；以及使冷却流体从冲击室流动到至少一个出口通路，以使翼型件冷却。冷却流体能够流动到冲击室的位于销的后面并且与其隔开的后部部分，如上文中所描述的那样，并且，冷却流体然后能够从冲击室流动到至少一个出口通路。任选地，冲击室能够位于流通地互连的冷却通路的网路内，如上文中所描述的那样。
所描述的结构和方法提供若干益处，包括使冷却通路的三维网路分裂并且对其进行定制的能力能够如期望那样提供针对多个翼型件位置的指定的冷却。三维结构允许紧密地依随翼型件内的多个轮廓，实现重量减轻，提供可制造性改进以及提供针对定制的位置的改进的冷却。三维网路内的定制的几何结构(诸如，蜿蜒或分形部分或以上项的组合)还提供局部化的在承温能力上的提高，其中，应力或温度场导致在翼型件上或翼型件内的具体位置处需要更高度的冷却。这样的定制能够通过改变通路大小、长度或横截面宽度或通过使网路的部分在相交部处分岔以使冷却空气改向到翼型件的所需要的部分而实现。改进冷却性能导致来自发动机的专用冷却流减少，改进发动机性能和效率。另外，定制的冷却能够减小构件应力并且改进构件的工作寿命，导致更好的发动机耐久性。
分形或分叉的几何结构的一个益处是，使用较大的通路到较小的通路的过渡能够以较少的所供应的空气实现相同或改进的冷却性能。另外，诸如在蜿蜒几何轮廓中从下游通路径向地或轴向地偏移的较大或上游通路能够允许冷却空气增加做功，这能够进一步改进冷却性能。这样的分形、分叉、网格或蜿蜒几何结构能够在操作期间使冷却空气遍于翼型件的更大的区域上扩散或使翼型件内部的更大的表面面积暴露于冷却空气，这与传统的冷却结构相比而提高高温冷却性能。
还能够意识到，使用冲击区(包括将销定位于冲击室中)能够为翼型件的冷却提供增大的表面面积。空气流调节部能够允许冷却空气在翼型件内(包括在三维网路内)混合、改向、做功或紊乱，这与传统的冷却方法相比而能够改进冷却性能。
能够进一步意识到，将后缘出口处的凹形部分与冷却通路和空气流调节部的网路组合使用能够引导、定制并且高效地利用作为通过翼型件100和出自翼型件100的冷却空气流而供应的冷却空气。经由凹形部分来定制或制定通过出口的离开空气流方向的能力能够改进各种各样的制造方法(包括铸造或增材制造)中的可生产性。凹形部分能够有效地提供与传统的翼型件相比而更薄的后缘，这改进膛孔冷却性能并且减轻翼型件的重量，由此改进耐久性和发动机效率。还能够意识到，在期望的情况下，凹形部分或其它锯齿状表面特征的使用能够改进或定制翼型件周围的流动流或增强混合并且推动紊流。
应当理解，所公开的设计的应用不限于带有风扇和增压器区段的涡轮发动机，而是同样地可适用于涡喷发动机和涡轴发动机。
在尚未描述的范围内，能够如期望那样将各种实施例的不同的特征和结构彼此组合或替代而使用。未在所有的实施例中示出一个特征不旨在被解释为其不可能如此示出，而是为了使描述简洁而这样做。因而，能够如期望那样使不同的实施例的各种特征混合并且匹配，从而形成新的实施例，无论是否明确地描述新的实施例。本公开涵盖本文中所描述的特征的所有的组合或置换。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
1. 一种用于涡轮发动机的翼型件，翼型件包括：外壁，其具有外表面并且界定内部，外壁在前缘与后缘之间轴向地延伸，以限定弦向方向，并且还在根部与末梢之间径向地延伸，以限定展向方向；至少一个冷却导管，其设于翼型件的内部中；冲击区，其位于至少一个冷却导管内，并且包括具有至少一个入口通路和至少一个出口通路的冲击室；以及紊流部，其位于冲击室内。
2. 根据任何前述条款的翼型件，其中，紊流部沿着入口通路的中心流线定位。
3. 根据任何前述条款的翼型件，其中，冲击区包括至少两个出口通路，其在冲击室处与入口通路形成公共汇合部，并且，紊流部位于公共汇合部内。
4. 根据任何前述条款的翼型件，进一步包括成网路的流通地互连的冷却通路。
5. 根据任何前述条款的翼型件，其中，入口通路和至少两个出口通路形成网路的部分。
6. 根据任何前述条款的翼型件，其中，网路位于外壁内，以形成近壁冷却结构的至少部分。
7. 根据任何前述条款的翼型件，其中，紊流部至少部分地延伸到冲击室中。
8. 根据任何前述条款的翼型件，其中，冲击室限定室表面面积。
9. 根据任何前述条款的翼型件，其中，室表面面积大于由至少一个入口通路限定的入口表面面积。
10. 根据任何前述条款的翼型件，其中，冲击室进一步包括沿中心流线方向位于紊流部的后面并且与其隔开的后部部分。
11. 根据任何前述条款的翼型件，进一步包括位于至少一个冷却导管内的空气流调节部。
12. 根据任何前述条款的翼型件，其中，紊流部或冲击室中的至少一个限定空气流调节部。
13. 根据任何前述条款的翼型件，其中，空气流调节部进一步包括销、凹凸部分、缩窄部分、表面粗糙部或倾斜部分中的一个。
14. 一种用于涡轮发动机的构件，包括：外壁，其界定内部；至少一个冷却导管，其设于内部中；冲击区，其位于至少一个冷却导管内，并且包括具有至少一个入口通路和至少一个出口通路的冲击室；以及紊流部，其位于冲击室内。
15. 根据任何前述条款的构件，其中，至少一个冷却导管进一步包括成三维网路的流通地互连的冷却通路。
16. 根据任何前述条款的构件，其中，冲击区形成三维网路的部分。
17. 一种使涡轮发动机中的构件冷却的方法，该方法包括：通过构件的内部内的冷却导管供应冷却流体；使冷却流体流动到位于冷却导管内的冲击室；将冷却流体冲击于位于冲击室内的紊流部上；以及使冷却流体从冲击室流动到至少一个出口通路，以使构件冷却。
18. 根据任何前述条款的方法，进一步包括使冷却流体流动到冲击室的沿中心流线方向位于紊流部的后面并且与其向下游隔开的后部部分。
19. 根据任何前述条款的方法，其中，通过冷却导管供应冷却流体进一步包括通过成网路的流通地互连的冷却通路供应冷却流体。
20. 根据任何前述条款的方法，进一步包括使冷却流体在紊流部的多个表面周围流动。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还允许本领域任何技术人员实践本发明(包括制作并且使用任何装置或系统和执行任何合并的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有并非与权利要求书的字面语言不同的结构元件，或如果这些示例包括相对于权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等同结构元件，则这些示例旨在属于权利要求书的范围内。
