專利名稱：用于冷卻系統(tǒng)的沖擊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)大體而言涉及用于改進(jìn)沖擊冷卻的效率和/或操作的設(shè)備和/或系統(tǒng)。更具體而言(但以非限制性方式)，本申請(qǐng)涉及利用新穎配置的沖擊套筒和更特定而言用于燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(combustion turbineengine)的燃燒系統(tǒng)中的改進(jìn)的沖擊套筒經(jīng)由冷卻劑流動(dòng)的循環(huán)和沖擊來(lái)冷卻燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)(combustion engine)部件的設(shè)備和/或系統(tǒng)。(應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然本發(fā)明在下文關(guān)于其在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)中的優(yōu)選用途之一提出，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將了解本文所述的本發(fā)明的用途并不限于此，因?yàn)槠淇蓱?yīng)用于在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它構(gòu)件中的沖擊冷卻應(yīng)用以及在其它類型的工業(yè)機(jī)器或燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中的沖擊冷卻系統(tǒng))。
背景技術(shù)：
許多類型的工業(yè)機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)已接近構(gòu)造它們所用材料的溫度限制。但通常，如果機(jī)器/發(fā)動(dòng)機(jī)可被制成耐受更高的操作溫度，可實(shí)現(xiàn)性能益處。舉例而言，在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，如同任何熱力發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，更高的焚燒溫度與更高的發(fā)動(dòng)機(jī)操作效率相關(guān)。 實(shí)現(xiàn)這種更高溫度的一種方式是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)部件，使得這些部件可耐受更高溫度。 廣泛地用于燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一種冷卻方法采用加壓冷卻劑流，其被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)內(nèi)部通路到需要它的構(gòu)件。在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，冷卻劑通常為從壓縮機(jī)提取的加壓空氣。冷卻劑在遞送后可以若干方式用于冷卻部件。一種常見情形包括沿著部件的內(nèi)壁施加冷卻劑，該部件在其外側(cè)上經(jīng)受極高溫度。部件的壁可相對(duì)較窄，使得施加到內(nèi)表面上的冷卻劑維持壁的外表面在可接受的溫度。即，冷卻劑從壁移除熱，其通常允許部件保持相對(duì)較冷且有效地耐受更高溫度。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了解的那樣，如果冷卻劑作為高壓高速射流施加到壁上，將提高冷卻劑的效能。這種類型的冷卻劑通常被稱作沖擊冷卻，且如在下文中更詳細(xì)地討論的那樣包括沖擊結(jié)構(gòu)，其也可被稱作沖擊插件或套筒。一般而言，沖擊套筒是接收加壓冷卻劑流動(dòng)且然后通過(guò)多個(gè)窄孔口沖擊該流動(dòng)而以所需方式將冷卻劑施加于熱表面上的結(jié)構(gòu)，多個(gè)較窄孔口通常被稱作沖擊孔口。但是，沖擊結(jié)構(gòu)的常規(guī)布置和配置使中擊的冷卻劑的冷卻效果受到已排出的冷卻劑(即，已施加于熱表面上且朝向出口流動(dòng)的沖擊后冷卻劑)的橫流的不利影響。如在下文中更詳細(xì)地討論的那樣，已排出的冷卻劑的流動(dòng)通過(guò)重新引導(dǎo)或中斷新到達(dá)的冷卻劑朝向部件表面的流動(dòng)使得其并不以關(guān)于冷卻效能理想的方式撞擊表面而使新到達(dá)的冷卻劑的效能降級(jí)。已排出的冷卻劑也可形成邊界層，邊界層進(jìn)一步不利地影響新到達(dá)的新鮮冷卻劑的 冷卻效果?？傊Ｒ?guī)沖擊冷卻通常由于沖擊后橫流降級(jí)效果而不利。因此，需要一種改進(jìn)的沖擊冷卻設(shè)備和系統(tǒng)，其減少這種類型的冷卻系統(tǒng)降級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請(qǐng)描述了一種沖擊冷卻系統(tǒng)中的沖擊結(jié)構(gòu)，其中該沖擊結(jié)構(gòu)包括多個(gè)沖擊孔口，這些沖擊孔口被配置成沖擊冷卻劑流動(dòng)(af low of coolant)且引導(dǎo)因而產(chǎn)生的冷卻劑射流穿過(guò)沖擊腔到目標(biāo)表面，目標(biāo)表面與沖擊結(jié)構(gòu)相對(duì)(oppose)，沖擊腔形成在目標(biāo)表面與沖擊結(jié)構(gòu)之間，沖擊結(jié)構(gòu)包括波狀配置。沖擊結(jié)構(gòu)與目標(biāo)表面成間隔開關(guān)系。在一些實(shí)施例中，目標(biāo)表面包括襯套外表面且沖擊結(jié)構(gòu)包括在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的流動(dòng)套筒。在一些實(shí)施例中，目標(biāo)表面包括過(guò)渡件的外表面且沖擊結(jié)構(gòu)包括在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的沖擊套筒。在沖擊結(jié)構(gòu)的冷卻劑側(cè)，可存在冷卻劑腔，在操作中，引導(dǎo)冷卻劑流動(dòng)經(jīng)過(guò)冷卻劑腔從而迫使冷卻劑到?jīng)_擊結(jié)構(gòu)的冷卻劑側(cè)且由此通過(guò)沖擊孔口而沖擊。在沖擊結(jié)構(gòu)的沖擊側(cè)，可存在沖擊腔。

波狀配置可包括多個(gè)平行或交替的脊和凹槽。脊可包括朝向目標(biāo)表面延伸的波狀配置的一部分。凹槽可包括相對(duì)于目標(biāo)表面在凹陷位置的波狀配置的一部分，使得脊位于比凹槽更靠近目標(biāo)表面處。至少大部分沖擊孔口可安置在脊上。沿著沖擊結(jié)構(gòu)的沖擊側(cè)，脊可包括脊面，其中脊面可包括在脊的外部區(qū)域(outer reach)處形成的寬面，該寬面延伸該脊的長(zhǎng)度且近似平行于目標(biāo)表面。沿著沖擊結(jié)構(gòu)的冷卻劑側(cè)，脊可包括脊通道，脊通道通過(guò)入口開口與冷卻劑腔流動(dòng)連通，脊通道從入口開口到脊面朝向目標(biāo)表面延伸。沿著沖擊結(jié)構(gòu)的沖擊側(cè)，凹槽可包括凹槽通道，凹槽通道包括始于外流開口且遠(yuǎn)離目標(biāo)表面延伸到底板的通道，該底板可定位于比脊面距目標(biāo)表面更遠(yuǎn)的距離處。脊通道可被配置成使得在操作期間，冷卻劑在入口開口處進(jìn)入脊通道，朝著脊面流動(dòng)，且經(jīng)由沖擊孔口從脊通道離開。凹槽通道可被配置成在冷卻劑撞擊目標(biāo)表面后收集已排出的冷卻劑使得已排出的冷卻劑在外流開口處進(jìn)入凹槽通道，收集到凹槽通道內(nèi)且然后沿著凹槽通道的縱向軸線朝向出口流動(dòng)。凹槽的縱向軸線可與朝向出口的點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。側(cè)壁可從入口開口的每一側(cè)向脊面的相對(duì)應(yīng)側(cè)延伸，側(cè)壁限定從入口開口到脊面的脊通道。 側(cè)壁可從外流開口的每一側(cè)向底板的相對(duì)應(yīng)側(cè)延伸，側(cè)壁限定從外流開口到底板的凹槽通道。在一些實(shí)施例中，基本上所有沖擊孔口安置在脊面上。脊面可基本上為平坦的或略微彎曲的。底板可基本上為平坦的或略微彎曲的。脊可被配置為使得脊面與目標(biāo)表面緊鄰。波狀配置可包括外展的配置(flared configuration)使得脊通道在入口開口處較窄且脊通道的側(cè)壁從窄入口開口向外外展使得脊通道隨著其靠近脊面的背側(cè)表面而變寬；以及，凹槽通道在外流開口處較窄且凹槽通道的側(cè)壁從窄外流開口向外外展使得凹槽通道隨著其靠近底板而變寬。波狀配置可包括矩形配置或正弦曲線配置。如果波狀配置包括正弦曲線配置，那么脊面可向沖擊腔呈現(xiàn)彎曲凸表面且底板可向凹槽通道呈現(xiàn)彎曲凹表面。當(dāng)結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求來(lái)理解時(shí)，通過(guò)閱讀下文的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述， 本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)將會(huì)變得明顯。


通過(guò)仔細(xì)學(xué)習(xí)下面的本發(fā)明示范性實(shí)施例的更詳細(xì)的描述，并結(jié)合附圖理解，本發(fā)明的這些和其它方面將會(huì)更全面地理解和了解，在附圖中
圖1是其中可使用本申請(qǐng)的實(shí)施例的示范性渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2是可用于圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示范性壓縮機(jī)的截面圖；圖3是可用于圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示范性渦輪的截面圖；圖4是可用于圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示范性筒形燃燒器的截面圖；圖5是常規(guī)沖擊冷卻布置的截面圖； 圖6是根據(jù)本申請(qǐng)的示范性實(shí)施例的沖擊結(jié)構(gòu)的截面圖；圖7是圖6的沖擊結(jié)構(gòu)的透視圖；圖8是圖6的沖擊結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖9是根據(jù)本申請(qǐng)的替代實(shí)施例的沖擊結(jié)構(gòu)的截面圖；圖10是圖9的沖擊結(jié)構(gòu)在其可用于過(guò)渡件和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的筒形燃燒器的透視圖， 以及圖11是根據(jù)本申請(qǐng)的替代實(shí)施例的沖擊結(jié)構(gòu)的截面圖。部件列表燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100壓縮機(jī)106渦輪110燃燒器112壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120壓縮機(jī)定子葉片122渦輪轉(zhuǎn)子葉片126渦輪定子葉片128筒形燃燒器130頭端134端蓋136燃料噴嘴138前殼體140后殼體142流動(dòng)套筒144襯套146過(guò)渡件148沖擊套筒150過(guò)渡件后框架152常規(guī)沖擊冷卻布置200壁202沖擊結(jié)構(gòu)204箭頭(熱氣體)2oe熱表面208目標(biāo)表面210沖擊腔212
沖擊孔口214冷卻劑腔216箭頭(冷卻劑供應(yīng))218箭頭(冷卻劑射流)220 腔出口222箭頭(已排出的冷卻劑)224沖擊結(jié)構(gòu)302脊304凹槽306脊通道310入口開口312脊面316側(cè)壁318凹槽通道320外流開口322底板32具體實(shí)施例方式如上文所述和下文所述，關(guān)于本發(fā)明在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)中的優(yōu)選用途之一提出了本發(fā)明。在下文中，雖然主要關(guān)于此用途描述了本發(fā)明，但此描述只是示范性的且預(yù)期并無(wú)限制意義(除非具體地做出限制)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可能了解到本發(fā)明的用途可適用于在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它構(gòu)件中的沖擊冷卻應(yīng)用，以及在其它類型的工業(yè)機(jī)器或燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中的沖擊冷卻系統(tǒng)?，F(xiàn)參看附圖，圖1示出燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100的示意圖。一般而言，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)從熱氣體的加壓流動(dòng)提取能量而操作，通過(guò)在壓縮空氣流中燃燒燃料而產(chǎn)生熱氣體的加壓流動(dòng)。如圖1所示，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100可被配置為具有軸向壓縮機(jī)106和燃燒系統(tǒng) 112，軸向壓縮機(jī)106由共同軸桿或轉(zhuǎn)子機(jī)械地聯(lián)接到下游渦輪部段或渦輪110，且燃燒系統(tǒng)112如圖所示是位于壓縮機(jī)106與渦輪110之間的筒形燃燒器。圖2示出可用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100中的軸向壓縮機(jī)106的視圖。如圖所示，壓縮機(jī)106可包括多個(gè)級(jí)。每個(gè)級(jí)可包括一行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120，之后為一行壓縮機(jī)定子葉片122。因此，第一級(jí)可包括可繞中央軸桿旋轉(zhuǎn)的一行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120，之后為在操作期間保持固定的一行壓縮機(jī)定子葉片122。壓縮機(jī)定子葉片122大體上彼此在周向間隔開且繞旋轉(zhuǎn)軸線固定。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120繞轉(zhuǎn)子軸線在周向間隔開且在操作期間繞軸桿旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120被配置成使得當(dāng)繞軸桿自旋時(shí)，它們將動(dòng)能賦予流過(guò)壓縮機(jī)106的空氣或工作流體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解壓縮機(jī)106可具有圖2所示的級(jí)之外的許多其它級(jí)。每個(gè)額外的級(jí)可包括多個(gè)周向間隔開的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120，之后為多個(gè)周向間隔開的壓縮機(jī)定子葉片122。圖3示出可用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100中的示范性渦輪部段或渦輪110的局部視圖。渦輪110可包括多個(gè)級(jí)。示出三個(gè)示范性級(jí)，但更多或更少的級(jí)可存在于渦輪110中。第一級(jí)包括可在操作期間繞軸桿旋轉(zhuǎn)的多個(gè)渦輪輪葉或渦輪轉(zhuǎn)子葉片126和在操作期間保持固定的多個(gè)噴嘴或渦輪定子葉片128。渦輪定子葉片128大體上彼此在周向間隔開且繞旋轉(zhuǎn)軸線固定。渦輪轉(zhuǎn)子葉片126可安裝于渦輪轉(zhuǎn)輪(未圖示)上以繞軸桿(未圖示) 旋轉(zhuǎn)。還示出渦輪110的第二級(jí)。第二級(jí)同樣包括多個(gè)周向間隔開的渦輪定子葉片128， 之后為多個(gè)周向間隔開的渦輪轉(zhuǎn)子葉片126，渦輪轉(zhuǎn)子葉片126也安裝于渦輪輪上以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。還示出第三級(jí)，且其同樣包括多個(gè)周向間隔開的渦輪定子葉片128和渦輪轉(zhuǎn)子葉片 126。應(yīng)了解渦輪定子葉片128和渦輪轉(zhuǎn)子葉片126位于渦輪110的熱氣體路徑中。熱氣體通過(guò)熱氣體路徑的流動(dòng)方向以箭頭示出。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解渦輪110可具有圖 3所示的級(jí)之外的許多其它級(jí)。每個(gè)額外的級(jí)可包括多個(gè)周向間隔開的渦輪定子葉片128， 之后為多個(gè)周向間隔開的渦輪轉(zhuǎn)子葉片126。具有大體上如上所述性質(zhì)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可如下操作。在軸向壓縮機(jī)106內(nèi)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片120的旋轉(zhuǎn)壓縮空氣流動(dòng)。如在下文更詳細(xì)地描述的那樣，在燃燒器112 中，當(dāng)壓縮空氣與燃料混合并點(diǎn)燃時(shí)釋放能量。因而產(chǎn)生的來(lái)自燃燒器112的熱氣體流動(dòng)然后可被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)渦輪轉(zhuǎn)子葉片126，其可引起渦輪轉(zhuǎn)子葉片126繞軸桿旋轉(zhuǎn)，因此將熱氣體流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)軸桿的機(jī)械能。軸桿的機(jī)械能然后可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片 120的旋轉(zhuǎn)，使得產(chǎn)生所需的壓縮空氣供應(yīng)，且也例如使得發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖4示出可用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的示范性筒形燃燒器130。如在下文中更詳細(xì)地描述的那樣，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可用于筒形燃燒器130的方面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解，燃燒器環(huán)管130可包括頭端134和端蓋136，頭端134通常包括各種歧管，歧管供應(yīng)必需的空氣和燃料到筒形燃燒器。多個(gè)燃料噴嘴138可固定到端蓋136上。燃料噴嘴138 提供燃料與空氣的混合物用于燃燒。燃料例如可為天然氣且空氣可為自軸向壓縮機(jī)(在圖 4中未示出)供應(yīng)的壓縮空氣，軸向壓縮機(jī)為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。燃料噴嘴138可位于前殼體140內(nèi)，前殼體140可附連到端蓋136且圍繞燃料噴嘴138。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解在燃料噴嘴138的下游，后殼體142可圍繞流動(dòng)套筒144。而流動(dòng)套筒144可圍繞襯套146，襯套146在流動(dòng)套筒144與襯套146之間形成通道。自襯套146，隨著流動(dòng)向下游行進(jìn)到渦輪110 (在圖4中未示出)，過(guò)渡件148使流動(dòng)自襯套的圓形截面過(guò)渡到環(huán)形截面。過(guò)渡件沖擊套筒150 (在下文中“沖擊套筒150”)圍繞過(guò)渡件148，在沖擊套筒150與過(guò)渡件148之間形成通道。在過(guò)渡件148的下游端，過(guò)渡件后框架152可將工作流體的流動(dòng)導(dǎo)向翼面，翼面可位于渦輪110的第一級(jí)中。應(yīng)了解流動(dòng)套筒144和沖擊套筒150可具有穿過(guò)它們形成的沖擊孔口(在圖4中未示出)，沖擊孔口允許來(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣的沖擊流動(dòng)進(jìn)入在流動(dòng)套筒144與襯套146 之間和在沖擊套筒150與過(guò)渡件148之間形成的腔。如在下文中更詳細(xì)地討論的那樣，壓縮空氣的流動(dòng)可用于對(duì)流地冷卻襯套146和過(guò)渡件148的外表面。在使用中，筒形燃燒器130可如下操作。來(lái)自壓縮機(jī)106的壓縮空氣供應(yīng)可被引導(dǎo)至流動(dòng)套 筒144和沖擊套筒150周圍的空間。然后壓縮空氣通過(guò)沖擊孔口沖擊，從而進(jìn)入筒形燃燒器130，沖擊孔口穿過(guò)流動(dòng)套筒144和沖擊套筒150形成。壓縮空氣的沖擊流動(dòng)被引導(dǎo)至流動(dòng)套筒144和過(guò)渡件148的外表面，其冷卻這些構(gòu)件。壓縮空氣然后移動(dòng)經(jīng)過(guò)在沖擊套筒150和過(guò)渡件148之間形成的通道，且從那里在頭端134的方向上經(jīng)過(guò)在流動(dòng)套筒144與襯套146之間形成的通道。然后壓縮空氣流入到由前殼體140界定的體積且通過(guò)入口流動(dòng)調(diào)節(jié)器進(jìn)入燃料噴嘴138。在燃料噴嘴138，壓縮空氣的供應(yīng)通常可與燃料的供應(yīng)混合，燃料的供應(yīng)由燃料歧管提供，燃料歧管通過(guò)端蓋136連接到燃料噴嘴138。壓縮空氣與燃料的供應(yīng)在其從燃料噴嘴138離開時(shí)燃燒，燃燒形成快速移動(dòng)的極熱氣體流動(dòng)，這些熱氣體流動(dòng)在下游引導(dǎo)經(jīng)過(guò)襯套146和過(guò)渡件148到渦輪110，在渦輪110中熱氣體的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的機(jī)械能。參看圖5，示出常規(guī)沖擊冷卻布置200。這種布置通常包括經(jīng)由沖擊冷卻劑流動(dòng)而冷卻的結(jié)構(gòu)(該被冷卻結(jié)構(gòu)由壁202代表)。存在與202成間隔開關(guān)系的沖擊結(jié)構(gòu)204。應(yīng)了解壁202可代表在一側(cè)向極高溫度暴露且在另一側(cè)冷卻的任何部件或結(jié)構(gòu)，且沖擊結(jié)構(gòu) 204可代表接受冷卻劑流動(dòng)且沖擊該冷卻劑并將沖擊流動(dòng)引導(dǎo)至壁202的部件或結(jié)構(gòu)。舉例而言，如上文所討論的那樣，壁202可代表過(guò)渡件148且沖擊結(jié)構(gòu)可代表沖擊套筒150。 在另一實(shí)施例中，壁202可代表襯套146且 沖擊結(jié)構(gòu)204可代表流動(dòng)套筒144。在任一情況下，箭頭206將代表經(jīng)過(guò)燃燒器130的熱氣體流動(dòng)。應(yīng)了解壁202可被描述為具有熱表面 208和目標(biāo)表面210，熱表面208為向極高熱氣體溫度暴露的側(cè)部，目標(biāo)表面210通常為壁 202的與熱表面208相反的側(cè)部，且該表面與沖擊結(jié)構(gòu)204相對(duì)，冷卻劑朝向該表面。在常規(guī)布置中，如圖5所示，沖擊結(jié)構(gòu)204是平坦的或基本上平坦的，且通常被配置成使得其位于距壁202近似恒定距離處。以此方式，沖擊結(jié)構(gòu)204在其本身與壁202之間形成沖擊腔212。如圖所示，沖擊結(jié)構(gòu)204包括多個(gè)沖擊孔口 214。應(yīng)了解在沖擊結(jié)構(gòu) 204的另一側(cè)上設(shè)有冷卻劑腔216。冷卻劑腔216是其中加壓制冷劑供應(yīng)(其流動(dòng)由箭頭 218表示)被引導(dǎo)從而可迫使或沖擊加壓冷卻劑經(jīng)過(guò)沖擊孔口 214的腔。以此方式強(qiáng)化的冷卻劑轉(zhuǎn)變成多個(gè)高速冷卻劑射流(其流動(dòng)由箭頭220表示)，這些高速冷卻劑射流朝向壁 202。應(yīng)了解此冷卻技術(shù)的中心構(gòu)思是使用高傳熱系數(shù)(HTC)，當(dāng)冷卻劑射流為對(duì)著附近目標(biāo)表面使得熱以高速率從目標(biāo)表面對(duì)流時(shí)得到高傳熱系數(shù)。在冷卻劑射流排向壁202之后，應(yīng)了解已排出的冷卻劑然后流向出口，可向沖擊腔212提供出口。在圖5中，腔開口 222代表到?jīng)_擊腔212的出口。已排出的冷卻劑的此整體橫流(其流動(dòng)由箭頭224表示)如已描述的那樣使進(jìn)來(lái)的新鮮冷卻劑的冷卻效能降級(jí)。 更特定而言，如圖5所示，由描繪冷卻劑射流的箭頭方位和描繪已排出的冷卻劑橫流的箭頭大小所示，已排出的冷卻劑橫流的強(qiáng)度隨著其靠近腔出口 222而大體上加強(qiáng)。加強(qiáng)的橫流可重新引導(dǎo)冷卻劑射流使得冷卻劑射流不再以垂直角度或接近垂直的角度撞擊壁202。 應(yīng)了解此對(duì)冷卻劑射流的冷卻效能具有不利影響。這種類型的降級(jí)通常被稱作射流矢量更改。已排出的冷卻劑橫流更改冷卻劑射流的方向使得射流不再以垂直方式撞擊目標(biāo)表面， 這降低其冷卻效能。此外，給定如圖5所示的常規(guī)沖擊冷卻布置的整體流動(dòng)模式，應(yīng)了解隨著已排出的冷卻劑試圖朝向腔出口 222且特別地隨著該流動(dòng)靠近出口 222，大量已排出的冷卻劑在其它沖擊孔口 214前方橫過(guò)(即，在沖擊孔口 215與壁202之間)，形成更高溫冷卻劑邊界層，其進(jìn)一步使冷卻效能降級(jí)。更具體而言，由于已排出的冷卻劑已從壁202吸熱，已排出的冷卻劑橫流在高于沖擊射流之一中進(jìn)入腔216的新鮮冷卻劑的溫度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解已排出的冷卻劑橫流通過(guò)與新鮮冷卻劑混合且由此升高冷卻劑射流的溫度和降低壁202與流向壁202的冷卻劑流動(dòng)之間的溫差而阻礙對(duì)壁202進(jìn)行冷卻。這種邊界層效果降低了冷卻劑與壁202之間的傳熱系數(shù)，且由此使冷卻效能降級(jí)。
如果已排出的冷卻劑橫流在冷卻劑腔216內(nèi)減少或者重新引導(dǎo)使得其并不阻礙新鮮冷卻劑直接流向壁202且并不形成新鮮冷卻劑必須穿透的已排出的冷卻劑的邊界層， 那么大體上將改進(jìn)流體冷卻劑與壁之間的熱交換。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解的那樣， 這種冷卻效能的改進(jìn)將減少維持壁202在所需溫度所需要的冷卻劑量。在諸如使用壓縮空氣來(lái)冷卻渦輪定子葉片的某些應(yīng)用中，應(yīng)了解使用冷卻劑對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率具有不利影響。因此，其使用的減少將會(huì)增加發(fā)動(dòng) 機(jī)的效率。現(xiàn)參看圖6至圖8，示出了根據(jù)本申請(qǐng)的示范性實(shí)施例的包括波狀配置的沖擊結(jié)構(gòu)302的若干視圖。如圖所示，對(duì)于每個(gè)波狀配置，沖擊結(jié)構(gòu)302包括多個(gè)平行且交替的脊 304和凹槽306。如本文所用的那樣，脊304是朝向目標(biāo)表面210延伸的波狀形式的部分。 相比較而言，凹槽306是相對(duì)于目標(biāo)表面210在凹陷位置的波狀形式的部分。應(yīng)了解脊304 通常位于比凹槽306更靠近目標(biāo)表面210處。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多個(gè)沖擊孔口 214可位于沖擊結(jié)構(gòu)302的脊304上。沖擊結(jié)構(gòu)302可被描述為具有冷卻劑側(cè)和沖擊側(cè)，冷卻劑的供應(yīng)施加到冷卻劑側(cè) (如由箭頭218所示)，冷卻劑射流220從沖擊孔口 214自沖擊側(cè)排出(如由箭頭220所示)。應(yīng)了解沖擊結(jié)構(gòu)302的沖擊側(cè)朝向目標(biāo)表面210且在它們之間形成沖擊腔212。沿著沖擊結(jié)構(gòu)302的冷卻劑側(cè)，脊304可形成為包括脊通道310，冷卻劑經(jīng)過(guò)脊通道流向沖擊孔口 214。更特定而言，脊通道310可被配置成使得在操作期間，冷卻劑在入口開口 312進(jìn)入脊通道310且流向脊通道的相對(duì)端，在那里，其然后經(jīng)由沖擊孔口 214離開。 沿著沖擊孔口 302的沖擊側(cè)，應(yīng)了解脊304可形成為包括脊面316。脊面316通常包括形成在脊304的外部區(qū)域(outer reach)的寬面，其近似平行于目標(biāo)表面210。脊面316可為平坦的(如圖6所示)或者略微彎曲(其一實(shí)例在圖11中示出)。一般而言，脊304被配置為使得脊面316位于緊鄰目標(biāo)表面210處。因此，大部分或所有沖擊孔口 214可位于脊面316上，如圖6所示。側(cè)壁318從入口開口 312的每一側(cè)延伸到脊面316的相對(duì)應(yīng)側(cè)。 側(cè)壁318大體上限定在入口開口 312與脊面316之間的脊通道304。沿著沖擊結(jié)構(gòu)302的沖擊側(cè)，凹槽306可形成為包括凹槽通道320。應(yīng)了解凹槽通道320包括始于外流開口 322且遠(yuǎn)離目標(biāo)表面210向底板322延伸的通道。應(yīng)了解，給定沖擊結(jié)構(gòu)的波狀配置，底板324定位于比脊面316距目標(biāo)表面210更遠(yuǎn)距離處。如圖6所示，凹槽通道320通常被配置成在冷卻劑撞擊目標(biāo)表面210之后收集已排出的冷卻劑(其流動(dòng)由箭頭224描繪)。更具體而言，已排出的冷卻劑在外流開口 322進(jìn)入凹槽通道320， 收集到凹槽通道320內(nèi)，且然后沿著凹槽通道320的縱向軸線流向與出口 222相關(guān)的較低壓力(如在圖8中所示)。應(yīng)了解在某些優(yōu)選實(shí)施例中，脊304和凹槽306的縱向軸線對(duì)準(zhǔn)使得它們大體上指向出口 222，如在圖7和圖9中所示。底板324可大體上為平坦的或略微彎曲的。側(cè)壁318大體上限定在入口開口 322與底板324之間的凹槽通道306。在一些實(shí)施例中，沖擊孔口 214的位置構(gòu)成在脊面316上的圖案。在一些實(shí)施例中，如圖7和圖8所示，兩行沖擊孔口 214可沿著脊面316定位。在此情況下，兩行沖擊孔口 214可位于脊面316的邊緣處使得一行沖擊孔口 214鄰接兩個(gè)相鄰凹槽306中的每一個(gè)。 艮口，一行沖擊孔口 214位于脊面316的一側(cè)上使得沖擊孔口 214緊鄰位于脊面316該側(cè)上凹槽306的外流開口 322，同時(shí)另一行定位于脊面316的另一側(cè)上使得沖擊孔口 214靠近位于該側(cè)上的凹槽306的外流開口 322。以此方式，每個(gè)沖擊孔口 214大體上位于外流開口322附近。在一些實(shí)施例中，沖擊孔口 214的行可基本上平行于相鄰?fù)饬鏖_口的邊緣且位于其相對(duì)緊鄰處，其一實(shí)例在圖8中最明顯地示出。應(yīng)了解在此類型的實(shí)施例中，與每行沖擊孔口 214相關(guān)的沖擊后流動(dòng)(即，已 排出的冷卻劑流動(dòng))可流向外流開口 322而不會(huì)在自另一行沖擊孔口 214流動(dòng)前方橫過(guò)，在操作期間，這將減少發(fā)生的橫流量且減輕因此發(fā)生的橫流降級(jí)。在一些實(shí)施例中，沖擊孔口 214的額外行可定位于使相鄰凹槽306與每一側(cè)毗接的兩行之間。在此情況下，與僅具有兩行沖擊孔口 214的實(shí)施例相比，可發(fā)生增加量的排出冷卻劑橫流。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解這種類型的實(shí)施例仍具有優(yōu)于常規(guī)設(shè)計(jì)的性能優(yōu)點(diǎn)。此外，單行沖擊孔口 214也是可能的。在此情況下，沖擊孔口 214可定位于脊面 316的大約中部。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，單行實(shí)施例(未圖示)也可導(dǎo)致減少的排出的冷卻劑橫流水平。如圖8所示，在這些行中的每一行中，沖擊孔口 214可規(guī)則地間隔開且對(duì)于這些行中的兩行或所有行，間距可相同。在諸如此類的情況下，在行之間的沖擊孔口 214可彼此同步(clocked against) 0在一實(shí)施例中，如在圖8的脊304a上所示，兩個(gè)相鄰行的沖擊孔口 214可直接對(duì)準(zhǔn)。在此情況下，在一行中沿著沖擊孔口 214的脊304a的縱向軸線的位置可大約與相鄰行中的相對(duì)應(yīng)沖擊孔口 214相同。在另一實(shí)施例中，如在圖8的脊304b上所示，兩個(gè)相鄰行的沖擊孔口 214可交錯(cuò)。在此情況下，相對(duì)應(yīng)沖擊孔口 214的縱向位置不同。 舉例而言，在一優(yōu)選實(shí)施例中，如在脊304上所示，沖擊孔口 214的縱向位置出現(xiàn)在另一行中相對(duì)應(yīng)對(duì)的大約中點(diǎn)處。圖9示出根據(jù)本申請(qǐng)的示范性實(shí)施例的包括替代波狀配置的沖擊機(jī)構(gòu)302。在此實(shí)施例中，波狀配置是外展的，即，形成為使得脊面316寬且外流開口 322窄。如圖所示，脊通道310在入口開口 312處窄。脊通道310的側(cè)壁318自窄入口開口 312外展或者向外成角度使得脊通道310隨著其靠近脊面316的背側(cè)而變寬。凹槽通道320的配置類似，但方位相反。即，凹槽通道320在外流開口 322處窄。凹槽通道320的側(cè)壁318自窄外流開口 322外展或者向外成角度使得凹槽通道320隨著其靠近底板324而變寬。應(yīng)了解與圖6至圖8的波狀配置相比，類似于圖9所示配置的配置允許增加的脊面316表面積，其允許放置沖擊孔口 214的更大表面積，同時(shí)也形成可收集已排出的冷卻劑且流向出口的通道。在類似于圖9中配置的波狀配置的設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)關(guān)于脊面316寬度與外流開口 322 寬度的特定比例提供增強(qiáng)的性能。舉例而言，如果脊面316的寬度與外流開口 322的寬度相比太大，那么外流開口 322可不足以容納足量的已排出冷卻劑流動(dòng)到凹槽306內(nèi)。應(yīng)了解這可導(dǎo)致增加的已排出冷卻劑橫流水平。在設(shè)計(jì)譜的另一端，太窄的脊面316可不具有用于足量沖擊孔口 214的面積，其可導(dǎo)致目標(biāo)表面210的面積被不充分地冷卻。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，確定脊面316的寬度應(yīng)在外流開口 322的寬度的2倍與5倍之間。在更優(yōu)選實(shí)施例中，脊面316的寬度應(yīng)在外流開口 322的寬度的3倍與4倍之間。圖10提供了剖視圖，其示出圖9的實(shí)施例可如何用作到燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡件 148的沖擊套筒150。如圖所示，沖擊套筒150可與過(guò)渡件148的外表面成間隔開的關(guān)系。 脊304和凹槽306的縱向軸線可對(duì)準(zhǔn)使得它們與經(jīng)過(guò)過(guò)渡件148的流動(dòng)方向平行。以此方式，凹槽306允許已排出的冷卻劑流動(dòng)有效地朝向在過(guò)渡件148的上游邊緣處的出口行進(jìn)。
圖11示出可包括替代波狀配置的沖擊結(jié)構(gòu)302。圖7示出矩形的波狀配置。如圖 11所示，本發(fā)明的波狀配置也可具有彎曲的、蛇形或正弦曲線配置。在此實(shí)施例中，應(yīng)了解脊面316略微彎曲且大體上向沖擊腔呈現(xiàn)凸表面。在此類型的實(shí)施例中，凹槽306的底板 324也可略微彎曲，但應(yīng)了解底板324通常向沖擊腔呈現(xiàn)凹表面。在其它實(shí)施例中，可擴(kuò)大曲率使得產(chǎn)生與圖9的實(shí)施例類似的實(shí)施例(即，具有寬脊面316和窄外流開口 322的實(shí)施例)。
通過(guò)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的上文描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到改進(jìn)、變化和修改。在本領(lǐng)域內(nèi)的這些改進(jìn)、變化和修改預(yù)期涵蓋于所附權(quán)利要求中。另外，顯然前文的描述僅關(guān)于所描述的本申請(qǐng)的實(shí)施例且在不偏離由所附的權(quán)利要求和其等效物所限定的申請(qǐng)的精神和范圍的情況下可對(duì)本發(fā)明做出許多變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種在沖擊冷卻系統(tǒng)中的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其中，所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)包括多個(gè)沖擊孔口(214)，所述多個(gè)沖擊孔口(214)被配置成沖擊冷卻劑流動(dòng)且引導(dǎo)因而產(chǎn)生的冷卻劑射流穿過(guò)沖擊腔(212)到目標(biāo)表面，所述目標(biāo)表面與所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)相對(duì)，所述沖擊腔 (212)形成在所述目標(biāo)表面與所述沖擊結(jié)構(gòu)之間，所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)包括波狀配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖擊結(jié) 構(gòu)(302)，其特征在于，所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)與所述目標(biāo)表面(210)成間隔開的關(guān)系；并且所述目標(biāo)表面包括襯套(146)的外表面且所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)包括在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的流動(dòng)套筒(144)；或者所述目標(biāo)表面包括過(guò)渡件(148)的外表面且所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)包括在燃燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的沖擊套筒(150)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于，在所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)的冷卻劑側(cè)存在冷卻劑腔(216)，在操作中，所述冷卻劑流動(dòng)被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)所述冷卻劑腔(216)從而迫使所述冷卻劑到所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)的冷卻劑側(cè)且由此通過(guò)所述沖擊孔口(214)沖擊； 并且在所述沖擊機(jī)構(gòu)(302)的沖擊側(cè)存在沖擊腔(212)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于所述波狀配置包括多個(gè)平行且交替的脊(304)和凹槽(306)；所述脊(304)包括朝向所述目標(biāo)表面延伸的所述波狀配置的一部分；所述凹槽(306)包括相對(duì)于所述目標(biāo)表面在凹陷位置的所述波狀配置的一部分使得所述脊(304)處在比所述凹槽(306)更靠近所述目標(biāo)表面(210)處；并且至少大部分所述沖擊孔口(214)安置在所述脊上(304)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于沿著所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)的沖擊側(cè)，所述脊(304)包括脊面(316)，所述脊面(316)包括在所述脊(304)的外部區(qū)域形成的寬面，所述寬面延伸所述脊(304)的長(zhǎng)度且近似平行于所述目標(biāo)表面；沿著所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)的冷卻劑側(cè)，所述脊(304)包括脊通道(310)，所述脊通道 (310)通過(guò)入口開口(312)與所述冷卻劑腔(216)流動(dòng)連通，所述脊通道(310)從所述入口開口(312)到所述脊(316)朝向所述目標(biāo)表面延伸；并且沿著所述沖擊結(jié)構(gòu)(302)的沖擊側(cè)，所述凹槽(306)包括凹槽通道(320)，所述凹槽通道(320)包括始于外流開口(322)且遠(yuǎn)離所述目標(biāo)表面延伸到底板(324)的通道，所述底板(324)定位于比所述脊面(316)距所述目標(biāo)表面更遠(yuǎn)的距離處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于所述脊通道(310)被配置成使得在操作期間，所述冷卻劑在所述入口開口(312)處進(jìn)入所述脊通道(310)，流向所述脊面(316)，且經(jīng)由所述沖擊孔口(214)從所述脊通道(310) 罔開；所述凹槽通道(320)被配置成在所述冷卻劑撞擊所述目標(biāo)表面后收集已排出的冷卻齊U，使得所述已排出的冷卻劑(320)在所述外流開口(322)處進(jìn)入所述凹槽通道(320)，收集到所述凹槽通道(320)內(nèi)且然后沿著所述凹槽通道(320)的縱向軸線流向出口(222)； 并且所述凹槽(306)的縱向軸線與朝向所述出口(222)的點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于，所述側(cè)壁(318)從所述入口開口(312)的每一側(cè)延伸到所述脊面(316)的相對(duì)應(yīng)側(cè)，所述側(cè)壁(318)限定從所述入口開口(312)到所述脊面(316)的所述脊通道(310)；并且所述側(cè)壁(318)從所述外流開口 (322)的每一側(cè)延伸到所述底板(324)的相對(duì)應(yīng)側(cè)，所述側(cè)壁(318)限定從所述外流開口 (322)到所述底板(324)的凹槽通道(320)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于基本上所有的沖擊孔口(214)都安置在所述脊面(316)上； 所述脊面(316)為基本上平坦的或略微彎曲中的一種情況； 所述底板(324)為基本上平坦的或略微彎曲中的一種情況；以及所述脊被配置為使得所述脊面(316)與所述目標(biāo)表面緊鄰。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于，所述波狀配置包括外展配置使得所述脊通道(310)在所述入口開口(312)處窄且所述脊通道(310)的側(cè)壁(318)從所述窄的入口開口(312)處外展，使得所述脊通道(310)隨著其靠近所述脊面(316)的背側(cè)表面而變寬；以及所述凹槽通道(320)在外流開口(322)處窄且所述凹槽通道(320)的側(cè)壁(318)從所述窄的外流開口(322)處外展，使得所述凹槽通道(320)隨著其靠近所述底板(324)而變覓ο
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊結(jié)構(gòu)(302)，其特征在于，所述波狀配置包括矩形配置或正弦曲線配置；并且如果所述波狀配置包括所述正弦曲線配置，那么所述脊面(316)向所述沖擊腔(212) 呈現(xiàn)彎曲的凸表面，且所述底板(324)向所述凹槽通道(320)呈現(xiàn)彎曲的凹表面。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及用于冷卻系統(tǒng)的沖擊結(jié)構(gòu)。一種在沖擊冷卻系統(tǒng)中的沖擊結(jié)構(gòu)(204)，其中，該沖擊結(jié)構(gòu)(204)包括多個(gè)沖擊孔口(214)，這些沖擊孔口(214)被配置成沖擊冷卻劑流動(dòng)且引導(dǎo)因而產(chǎn)生的冷卻劑射流穿過(guò)沖擊腔(212)到目標(biāo)表面(210)，該目標(biāo)表面(210)與沖擊結(jié)構(gòu)(204)相對(duì)，該沖擊腔(212)形成在目標(biāo)表面(210)與沖擊結(jié)構(gòu)(204)之間，該沖擊結(jié)構(gòu)(204)包括波狀配置。
文檔編號(hào)F02C7/12GK102200056SQ201110082148
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者S·A·斯特里亞普寧, S·A·梅什科夫 申請(qǐng)人:通用電氣公司