本發(fā)明大體上涉及陶瓷基質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，且更具體而言，涉及具有小復(fù)雜特征的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。

背景技術(shù)：

為了提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能，以便提供增大的推力與重量比、較低的排放和改善的比燃料消耗率，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)被指派在較高的溫度下操作。較高的溫度達(dá)到且超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱區(qū)段(且具體而言發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段)中構(gòu)件的材料的極限。由于現(xiàn)有的材料不可耐受較高的操作溫度，故需要開(kāi)發(fā)用于在高溫環(huán)境中使用的新材料。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)操作溫度已提高，故已開(kāi)發(fā)出了冷卻組成燃燒器和渦輪翼型件的高溫合金的新方法。例如，將陶瓷熱屏障涂層(tbc)應(yīng)用到燃燒的熱流出氣體的射流中的構(gòu)件的表面，以降低熱傳遞速率，對(duì)下面的金屬提供熱保護(hù)，且允許構(gòu)件耐受較高的溫度。這些改善有助于降低構(gòu)件的峰值溫度和熱梯度。還引入冷卻孔來(lái)提供膜冷卻，以改善熱能力或熱保護(hù)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了陶瓷基質(zhì)復(fù)合物以作為高溫合金的替代物。在許多情況中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(cmc)提供優(yōu)于金屬的改善的溫度和密度優(yōu)點(diǎn)，使得它們?yōu)楫?dāng)期望較高的操作溫度和/或減輕的重量時(shí)的材料選擇。

cmc具有相對(duì)低的導(dǎo)熱性，且因此非常適于在高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用。熱氣體中的cmc構(gòu)件被猛烈地膜冷卻，特別是在具有不同地未冷卻的后緣的設(shè)計(jì)中。然而，改善的膜冷卻性能可減少所需的冷卻膜流量并且/或者提高cmc構(gòu)件的耐用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下描述中部分地闡述，或可從描述中而是顯而易見(jiàn)的，或可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐而習(xí)得。

一般提供發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件以用于生成熱燃燒氣流的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件包括基底，該基底由cmc材料構(gòu)成，且具有面對(duì)熱燃燒氣流的熱表面和面對(duì)冷卻流體流的冷卻表面。熱燃燒氣流相對(duì)于熱表面大體上限定上游方向和下游方向。基底限定膜孔，該膜孔延伸穿過(guò)基底且具有設(shè)在冷卻表面上的入口和設(shè)在熱表面上的出口、以及連接入口和出口的通路。發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件還包括流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，該流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)在熱表面上設(shè)在出口的上游。在一個(gè)特定實(shí)施例中，流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括從熱表面延伸的凸脊。

技術(shù)方案1：一種用于生成熱燃燒氣流的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，包括：

基底，其由cmc材料構(gòu)造且具有面對(duì)所述熱燃燒氣流的熱表面和面對(duì)冷卻流體流的冷卻表面，所述熱燃燒氣流大體上限定相對(duì)于所述熱表面的上游方向和下游方向，且其中，所述基底限定膜孔，所述膜孔延伸穿過(guò)所述基底且具有設(shè)在所述冷卻表面上的入口、設(shè)在所述熱表面上的出口、和連接所述入口和所述出口的通路；和

流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其在所述熱表面上設(shè)在所述出口的上游，其中，所述流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括在所述熱表面的切線上方延伸的凸脊。

技術(shù)方案2：根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上游邊緣的至少50%延伸。

技術(shù)方案3：根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上游邊緣的至少75%延伸。

技術(shù)方案4：根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊由緩沖區(qū)與所述出口分開(kāi)。

技術(shù)方案5：根據(jù)技術(shù)方案4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述緩沖區(qū)包括臺(tái)肩，所述臺(tái)肩在所述凸脊的下游延伸且凹入所述熱表面的切線的下方，其中，所述臺(tái)肩限定在臺(tái)肩深度處從其延伸的臺(tái)肩深度切線。

技術(shù)方案6：根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊具有沿所述熱表面的切線從上游邊緣到下游邊緣限定的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度為所述臺(tái)肩深度的大約0.5到大約2倍。

技術(shù)方案7：根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述凸脊具有從所述凸脊的峰部到所述熱表面的切線限定的高度，所述高度大于0直到所述臺(tái)肩深度。

技術(shù)方案8：根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述臺(tái)肩限定直到所述臺(tái)肩深度的大約3倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案9：根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述臺(tái)肩限定直到所述臺(tái)肩深度的大約0.5到大約3倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案10：根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述膜孔包括計(jì)量區(qū)段，所述計(jì)量區(qū)段限定與穿過(guò)所述通路的冷卻流體流的方向正交的最小截面面積。

技術(shù)方案11：根據(jù)技術(shù)方案10所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述膜孔還包括擴(kuò)散區(qū)段，所述擴(kuò)散區(qū)段相對(duì)于穿過(guò)所述通路的冷卻流體流的方向在所述計(jì)量區(qū)段的下游。

技術(shù)方案12：根據(jù)技術(shù)方案11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述擴(kuò)散區(qū)段側(cè)向地?cái)U(kuò)張，使得所述冷卻流體在所述熱表面處形成更寬的冷卻膜。

技術(shù)方案13：根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述擴(kuò)散區(qū)段包括架。

技術(shù)方案14：根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述架具有直到所述臺(tái)肩深度的5倍的長(zhǎng)度。

技術(shù)方案15：根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述架提供較淺區(qū)，以用于所述冷卻流體在與所述熱流體相互作用之前側(cè)向地?cái)U(kuò)張。

技術(shù)方案16：根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，出口限定與所述熱表面的區(qū)域合并的下游邊緣，所述下游邊緣具有由相對(duì)于所述架的中心線的側(cè)向擴(kuò)散角度限定的在所述下游邊緣處的所述中心線的任一側(cè)上的寬度，其中，所述側(cè)向擴(kuò)散角度大于0°到大約15°。

技術(shù)方案17：根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述膜孔的通路限定在上游內(nèi)表面與下游內(nèi)表面之間的截面面積，其中，所述上游內(nèi)表面基本上平行于穿過(guò)所述通路的中心線。

技術(shù)方案18：根據(jù)技術(shù)方案17所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，下游內(nèi)表面具有相對(duì)于穿過(guò)所述通路的中心線的擴(kuò)散角度，其中，所述擴(kuò)散角度為0°到大約15°。

技術(shù)方案19：根據(jù)技術(shù)方案17所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，下游內(nèi)表面具有相對(duì)于穿過(guò)所述通路的中心線的擴(kuò)散角度，其中，所述擴(kuò)散角度大于0°到大約15°。

技術(shù)方案20：根據(jù)技術(shù)方案17所述的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，其中，所述擴(kuò)散區(qū)段相對(duì)于穿過(guò)所述通路的冷卻流體流在所述計(jì)量區(qū)段的下游，且限定在所述出口處或其附近。

通過(guò)參照以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。并入本說(shuō)明書(shū)中且構(gòu)成其一部分的附圖例示出了本發(fā)明的實(shí)施例，且與說(shuō)明一起用于解釋本發(fā)明的原理。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的針對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容，包括其最佳模式，在參照附圖作出的說(shuō)明書(shū)中闡述，在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本主題的方面的可用于飛行器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的截面圖；

圖2示出了圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器和高壓渦輪的側(cè)截面圖；

圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的穿過(guò)圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的膜孔的示意截面圖；

圖4為沿中心線向下穿過(guò)圖3的膜孔的透視圖；

圖5為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的穿過(guò)圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的膜孔的另一示意截面圖；

圖6為沿中心線向下穿過(guò)圖3的膜孔的另一透視圖；

圖7為圖3的膜孔的俯視圖；且

圖8為在上游架點(diǎn)(upstreamshelfpoint)處與圖3和5中的截面圖垂直地截取的截面圖。

參考標(biāo)號(hào)在本說(shuō)明書(shū)和附圖中的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明的相同或相似的特征或元件。

部件列表

10燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

12中心線軸線

14核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

16風(fēng)扇區(qū)段

18外殼體

20環(huán)形入口

22增壓壓縮機(jī)

24壓縮機(jī)

26燃燒器

28高壓渦輪

30高壓驅(qū)動(dòng)軸

32低壓渦輪

34低壓驅(qū)動(dòng)軸

36排氣噴嘴

37減速裝置

38風(fēng)扇轉(zhuǎn)子

40風(fēng)扇殼體

42出口導(dǎo)向?qū)~

44風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片

46下游區(qū)段

48副空氣流導(dǎo)管

50初始空氣流

52入口

54第一壓縮空氣流

56第二壓縮空氣流

58箭頭

60燃燒產(chǎn)物

68渦輪葉片

72渦輪導(dǎo)葉

76偏轉(zhuǎn)器

77燃燒襯套

78護(hù)罩組件

80發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件

82基底

84熱表面

85局部外表面切線

86冷卻表面

88內(nèi)部腔

90膜孔

94出口

95上游內(nèi)表面

96通路

97下游內(nèi)表面

98計(jì)量區(qū)段

99中心線

100擴(kuò)散區(qū)段

101架

102中心線

103上游架點(diǎn)

104上游邊緣

106下游邊緣

107a,b最外點(diǎn)

108上游方向

109a,b側(cè)向擴(kuò)散線

110下游方向

112流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

114緩沖區(qū)

115臺(tái)肩

116上游邊緣

117臺(tái)肩深度切線

118下游邊緣

120a,b外葉(outerlobe)

123a,b基部

h熱氣流

c冷卻流體

α中心線角度

φ擴(kuò)散角度

l1長(zhǎng)度

l2架長(zhǎng)度

l3長(zhǎng)度

d深度

h高度

d計(jì)量直徑

lm計(jì)量長(zhǎng)度

ld擴(kuò)散長(zhǎng)度

β側(cè)向擴(kuò)散角度

b開(kāi)孔深度

db開(kāi)孔直徑。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)地參照本發(fā)明的實(shí)施例，其一個(gè)或更多個(gè)實(shí)例在附圖中例示出。各實(shí)例是作為本發(fā)明的解釋而非本發(fā)明的限制來(lái)提供的。實(shí)際上，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的是，可在本發(fā)明中作出各種改型和變型，而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。例如，例示為或描述為一個(gè)實(shí)施例的一部分的特征可與另一實(shí)施例一起使用，以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。因此，期望本發(fā)明覆蓋在所附權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)的此類(lèi)改型和變型。

如在本文中使用的，用語(yǔ)“第一”、“第二”、和“第三”可以可互換地使用，以將一個(gè)構(gòu)件與另一個(gè)區(qū)分開(kāi)，且不旨在表示單獨(dú)構(gòu)件的位置或重要性。

用語(yǔ)“上游”和“下游”指相對(duì)于流體通路中的流體流的相對(duì)方向。例如，“上游”指流體從其流動(dòng)的方向，且“下游”指流體流至其的方向。

如在本文中使用的，短語(yǔ)“由cmc構(gòu)造”和“由cmc構(gòu)成”應(yīng)當(dāng)意指基本上由cmc構(gòu)造的構(gòu)件。更具體而言，cmc構(gòu)件應(yīng)當(dāng)包括比僅是cmc材料的層或涂層多的cmc材料。例如，由cmc構(gòu)造的構(gòu)件可基本上或完全由cmc材料構(gòu)成或構(gòu)造，包括大于大約百分之50,60,70,80,90或100的cmc材料。

現(xiàn)在參看附圖，圖1例示出了根據(jù)本主題的方面的可用于飛行器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，其中發(fā)動(dòng)機(jī)10出于參照目的示為具有延伸穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)10的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(大體上由參考標(biāo)號(hào)14指出)和定位在其上游的風(fēng)扇區(qū)段16。核心發(fā)動(dòng)機(jī)14可大體上包括限定環(huán)形入口20的基本上管狀的外殼體18。此外，外殼體18還可包圍和支承增壓壓縮機(jī)22，以用于將進(jìn)入核心發(fā)動(dòng)機(jī)14的空氣的壓力增大到第一壓力水平。高壓多級(jí)軸流式壓縮機(jī)24然后可從增壓壓縮機(jī)22接收加壓空氣，且進(jìn)一步增大此種空氣的壓力。離開(kāi)高壓壓縮機(jī)24的加壓空氣然后可流至燃燒器26，燃料在該燃燒器26內(nèi)噴射到加壓空氣流中，其中所得的混合物在燃燒器26內(nèi)燃燒。高能燃燒產(chǎn)物被從燃燒器26沿發(fā)動(dòng)機(jī)10的熱氣體路徑引導(dǎo)至第一(高壓，hp)渦輪28，以用于經(jīng)由第一(高壓,hp)驅(qū)動(dòng)軸30來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī)24，且然后被引導(dǎo)至第二(低壓，lp)渦輪32，以用于經(jīng)由與第一驅(qū)動(dòng)軸30大體上同軸的第二(低壓，lp)驅(qū)動(dòng)軸34來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)22和風(fēng)扇區(qū)段16。在驅(qū)動(dòng)渦輪28和32中的各個(gè)之后，燃燒產(chǎn)物可從核心發(fā)動(dòng)機(jī)14經(jīng)由排氣噴嘴36排出，以提供推進(jìn)噴氣推力。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，各渦輪28,30可大體上包括一個(gè)或更多個(gè)渦輪級(jí)，其中各級(jí)包括渦輪噴嘴和下游渦輪轉(zhuǎn)子。如將在下面描述的那樣，渦輪噴嘴可包括圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10的中心線軸線12以環(huán)形陣列的形式設(shè)置的多個(gè)導(dǎo)葉，以用于通過(guò)渦輪級(jí)朝形成渦輪轉(zhuǎn)子的一部分的轉(zhuǎn)子葉片的對(duì)應(yīng)環(huán)形陣列使燃燒產(chǎn)物流轉(zhuǎn)向或以其他方式引導(dǎo)燃燒產(chǎn)物流。如一般理解的那樣，轉(zhuǎn)子葉片可聯(lián)接到渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子盤(pán)，轉(zhuǎn)子盤(pán)又旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到渦輪的驅(qū)動(dòng)軸(例如，驅(qū)動(dòng)軸30或34)。

此外，如圖1中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)10的風(fēng)扇區(qū)段16可大體上包括可旋轉(zhuǎn)的軸流式風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38構(gòu)造成由環(huán)形風(fēng)扇殼體40包繞。在特定實(shí)施例中，(lp)驅(qū)動(dòng)軸34可諸如以直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)造直接地連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38。在備選構(gòu)造中，(lp)驅(qū)動(dòng)軸34可經(jīng)由減速裝置37(如，處于間接驅(qū)動(dòng)或齒輪驅(qū)動(dòng)構(gòu)造的減速齒輪齒輪箱)來(lái)連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子38。此種減速裝置可如期望或需要的那樣包括在發(fā)動(dòng)機(jī)10內(nèi)的任何適合的軸/轉(zhuǎn)軸之間。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，風(fēng)扇殼體40可構(gòu)造成相對(duì)于核心發(fā)動(dòng)機(jī)14由多個(gè)基本上徑向地延伸、周向地間隔的出口導(dǎo)向?qū)~42支承。因此，風(fēng)扇殼體40可包圍風(fēng)扇38和其對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片44。而且，風(fēng)扇殼體40的下游區(qū)段46可在核心發(fā)動(dòng)機(jī)14的外部分上延伸，以便限定提供額外的推進(jìn)噴氣推力的副或旁通空氣流導(dǎo)管48。

在發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作期間，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，初始空氣流(由箭頭50指出)可穿過(guò)風(fēng)扇殼體40的相關(guān)入口52進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10。空氣流50然后行進(jìn)通過(guò)風(fēng)扇葉片44，且分成移動(dòng)穿過(guò)導(dǎo)管48的第一壓縮空氣流(由箭頭54指出)和進(jìn)入增壓壓縮機(jī)22的第二壓縮空氣流(由箭頭56指出)。第二壓縮空氣流56的壓力然后增大，且進(jìn)入高壓壓縮機(jī)24(如箭頭58指出的)。在與燃料混合且在燃燒器26內(nèi)燃燒之后，燃燒產(chǎn)物60離開(kāi)燃燒器26，且流過(guò)第一渦輪28。此后，燃燒產(chǎn)物60流過(guò)第二渦輪32，且離開(kāi)排氣噴嘴36，以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)10提供推力。

圖2為圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃燒器26和第一渦輪28(即，高壓(hp)渦輪)的側(cè)截面圖。燃燒器26包括偏轉(zhuǎn)器76和燃燒器襯套77。成組的徑向地間隔的靜止渦輪導(dǎo)葉72在軸向方向上鄰近渦輪28的渦輪葉片68，其中相鄰導(dǎo)葉72在其間形成噴嘴。噴嘴使燃燒氣體轉(zhuǎn)向，以更好流入旋轉(zhuǎn)的葉片中，以便可由渦輪28提取最多的能量。當(dāng)熱燃燒氣流h沿導(dǎo)葉72的外部經(jīng)過(guò)時(shí)，冷卻流體流c穿過(guò)導(dǎo)葉72來(lái)冷卻導(dǎo)葉72。護(hù)罩組件78鄰近旋轉(zhuǎn)葉片68，以使渦輪28中的流動(dòng)損失最小化。類(lèi)似的護(hù)罩組件也可與lp渦輪32、lp壓縮機(jī)22、或hp壓縮機(jī)24相關(guān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)10的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中的一個(gè)或更多個(gè)包括膜冷卻的基底，在該基底中可提供在本文中進(jìn)一步公開(kāi)實(shí)施例的膜孔。具有膜冷卻基底的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的一些非限制性實(shí)例可包括在圖1-2中描述的葉片68、導(dǎo)葉或噴嘴72、燃燒器偏轉(zhuǎn)器76、燃燒器襯套77、或護(hù)罩組件78。使用膜冷卻的其他非限制性實(shí)例包括渦輪過(guò)渡導(dǎo)管和排氣噴嘴。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的示出發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的一部分的示意截面圖。發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可為圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)10的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，且可設(shè)置在由箭頭h表示的熱氣流中?？晒?yīng)由箭頭c表示的冷卻流體流，以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。如上文關(guān)于圖1-2論述的，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的背景下，冷卻空氣可為繞過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)核心14的第一壓縮空氣流54，來(lái)自lp壓縮機(jī)22的流體、或來(lái)自hp壓縮機(jī)24的流體。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80包括基底82，該基底82具有面對(duì)熱燃燒氣流h的熱表面84和面對(duì)冷卻流體c的冷卻表面86。基底82可形成發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件82的壁；壁可為發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的外部壁或內(nèi)部壁。第一發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可限定包括冷卻表面86的至少一個(gè)內(nèi)部腔或通道88。熱表面84可為發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80的外側(cè)表面。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，熱表面84可暴露于具有在1000℃到2000℃的范圍中的溫度的氣體。用于基底82的適合的材料可包括但不限于鋼、耐熱金屬如鈦，或基于鎳、鈷、或鐵的超級(jí)合金，以及陶瓷基質(zhì)復(fù)合物。超級(jí)合金可包括處于等軸、定向凝固、且單晶的結(jié)構(gòu)的那些。

在一個(gè)特定實(shí)施例中，基底82由陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(cmc)材料構(gòu)造，該材料是具有高溫能力的非金屬材料。用于此種基底82的示范cmc材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅、或氧化鋁基質(zhì)材料以及它們的組合。陶瓷纖維可埋入基質(zhì)內(nèi)，如，包括單絲如藍(lán)寶石或碳化硅(例如，textron的scs-6)的氧化穩(wěn)定增強(qiáng)纖維，以及粗紗和紗，該粗紗和紗包括碳化硅(例如，nipponcarbon的nicalon?、ubeindustries的tyranno?和dowcorning的sylramic?)、硅酸鋁(例如，nextel的440和480)、和短切晶須和纖維(例如，nextel的440和saffil?)、且可選地包括陶瓷顆粒(例如，si,al,zr,y的氧化物和它們的組合)和無(wú)機(jī)填料(例如，葉臘石、鈣硅石、云母、滑石、藍(lán)晶石和蒙脫土)。在一個(gè)實(shí)施例中，cmc材料在其厚度中由多個(gè)層(例如，大約4層到大約10層)形成。

當(dāng)由cmc材料制成時(shí)，環(huán)境屏障涂層(ebc)可存在于基底82的表面上(圖中未示出)。例如，ebc可包括接合涂層(例如，包括硅或二氧化硅)、由一種或更多種稀土硅酸鹽形成的一個(gè)或更多個(gè)層(例如，多鋁紅柱石層、多鋁紅柱石-堿土鋁硅酸鹽混合物層、單硅酸釔(yms)層、鐿摻雜的二硅酸釔(ybyds)層等中的一個(gè)或更多個(gè))，等。

cmc材料形成為具有大約0.001到大約0.018英寸且更典型是大約0.005到大約0.015英寸的厚度的材料板層。板層的厚度通常由選擇以用于使用的纖維束(絲束)的尺寸規(guī)定，且板層的厚度可隨纖維直徑而變化。對(duì)于本文中考慮的大多數(shù)應(yīng)用，板層形成為二維織造織物，但也可使用一維纖維定向。然而，制造板層、鋪疊板層來(lái)形成構(gòu)件部分的方法和用于復(fù)合物行業(yè)中的其他零件制造技術(shù)不意在限制本發(fā)明。鋪疊板層來(lái)形成的制品的形狀，相鄰板層的角度可取決于所需的平面強(qiáng)度而改變?？墒褂眠@些cmc材料制成的構(gòu)件包括但不限于渦輪葉片、渦輪導(dǎo)葉、渦輪護(hù)罩和燃燒器襯套、殼體、熱屏蔽件和熱擴(kuò)散器。這些熱區(qū)段構(gòu)件都受益于使用冷卻空氣來(lái)提供足夠的冷卻，以在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間實(shí)現(xiàn)熱傳遞，從而擴(kuò)大它們的使用范圍。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80還包括延伸穿過(guò)基底82的一個(gè)或更多個(gè)膜孔90，膜孔90提供內(nèi)部腔88與發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80熱表面84之間的流體連通。在操作期間，冷卻流體流c被供應(yīng)至內(nèi)部腔88且到膜孔90外，以在熱表面84上形成冷卻流體(例如，從壓縮機(jī)抽吸的空氣)的薄層或膜，從而相對(duì)于熱燃燒氣流h保護(hù)其。盡管圖3中示出了僅一個(gè)膜孔90，但應(yīng)當(dāng)理解的是，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80可設(shè)有以任何期望的構(gòu)造布置在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80上的多個(gè)膜孔90。

應(yīng)注意的是，在本文中所述的任一實(shí)施例中，盡管基底82示為大體上平面的，但應(yīng)理解的是，基底82對(duì)于許多發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80而言中為彎曲的。然而，基底82的曲率與膜孔90的尺寸相比可為很小的，且因此出于論述和例示目的，基底82示為平面的。不管基底82對(duì)于膜孔90局部是平面還是彎曲的，熱表面和冷卻表面84,86都可如本文中所示地平行于彼此，或可位于非平行平面中。

膜孔90可具有設(shè)在基底82的冷卻表面86上的入口92、設(shè)在熱表面84上的出口94，和連接入口92和出口94的通路96。通路96大體上限定在上游內(nèi)表面95與下游內(nèi)表面97之間，且可包括用于計(jì)量冷卻流體流c的質(zhì)量流速的計(jì)量區(qū)段98，和冷卻流體c可擴(kuò)張來(lái)形成更寬的冷卻膜的擴(kuò)散區(qū)段100。計(jì)量區(qū)段98可為通路96的具有正交于穿過(guò)通路96的冷卻流體流c的方向的最小截面面積的一部分。計(jì)量區(qū)段98可為通路具有最小截面面積的不連續(xù)位置(discretelocation)，或通路96的細(xì)長(zhǎng)區(qū)段。擴(kuò)散區(qū)段100相對(duì)于穿過(guò)通路96的冷卻流體流c的方向在計(jì)量區(qū)段98的下游。擴(kuò)散區(qū)段100可與計(jì)量區(qū)段98串行流動(dòng)連通。計(jì)量區(qū)段98可設(shè)在入口92處或其附近，而擴(kuò)散區(qū)段100可限定在出口94處或其附近。如圖3中所示，計(jì)量區(qū)段98具有計(jì)量長(zhǎng)度lm，且擴(kuò)散區(qū)段100具有擴(kuò)散長(zhǎng)度ld。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散長(zhǎng)度ld比計(jì)量長(zhǎng)度lm長(zhǎng)(例如，ld≥2lm)。

穿過(guò)通路96的冷卻流體流c沿著通路96的縱軸線，該縱軸線在本文中也稱為中心線102，其穿過(guò)計(jì)量區(qū)段98的截面面積的幾何中心。在所示的實(shí)施例中，上游內(nèi)表面95基本上平行于中心線102。中心線102限定相對(duì)于局部外部表面切線85的中心線角度α。在特定實(shí)施例中，中心線角度α為大約15°到大約50°。下游內(nèi)表面97相對(duì)于中心線102以擴(kuò)散角度φ延伸，從而有效地加寬通路96，以允許冷卻空氣擴(kuò)散到熱表面84上。在某些實(shí)施例中，擴(kuò)散角度φ為0°到大約15°(例如，大于0°到大約15°)。

膜孔90可向穿過(guò)通路96的冷卻流體流c的下游方向傾斜，使得中心線102不正交于熱表面84且不正交于冷卻表面86。備選地，膜孔90可具有中心線102，該中心線102正交于中心線102穿過(guò)的基底82的局部區(qū)域中的熱表面和冷卻表面84,86中的一者或兩者。在其他實(shí)施例中，膜孔90的中心線102可不沿?zé)崛紵龤饬鱤的方向定向，使得冷卻流體流c的向量不同于熱燃燒氣流h的向量。例如，具有復(fù)合角度的膜孔限定冷卻流動(dòng)向量，該向量不但在截面中，而且在自上而下看熱表面84的的視圖中不同于熱燃燒氣流向量。

膜孔90大體上具有在其中形成圓錐形狀的錐形截面。然而，應(yīng)理解的是，膜孔90可具有為圓形、橢圓形、圓錐形、和其他非矩形形狀的截面形狀。例如，膜孔90可包括擴(kuò)散器形狀(例如，側(cè)開(kāi)孔)或在下面更詳細(xì)地論述的其他特征。

出口94包括上游邊緣104和下游邊緣106，在上游邊緣104和下游邊緣106處，通路96與基底82的熱表面84相交。邊緣104,106可大體上相對(duì)于熱燃燒氣流h的方向限定，其中熱燃燒氣流h相對(duì)于熱表面84大體上限定上游方向108和下游方向110，即，經(jīng)過(guò)出口94。上游邊緣104大體上面對(duì)下游方向110，且下游邊緣110大體上面對(duì)上游方向108。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件80還設(shè)有在基底82的熱表面84上的流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112。流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112在出口94上游且與其物理地間隔，且構(gòu)造成中斷跨過(guò)出口94的熱流體流h，以允許冷卻流體流c從出口94出現(xiàn)，以更有效地附著于熱表面84。

在所例示的實(shí)施例中，流動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)112包括在熱表面84中的至少一個(gè)凸脊。凸脊112不緊鄰出口94，而是由緩沖區(qū)114與出口94分開(kāi)，使得凸脊112不與膜孔90物理地連接。當(dāng)在截面中觀察時(shí)，如圖3中所示，凸脊112具有上游邊緣116和下游邊緣118，從而相對(duì)于熱燃燒氣流h的方向在其間限定長(zhǎng)度l3。在一個(gè)實(shí)施例中，如下文參照?qǐng)D3論述的，長(zhǎng)度l3為大約0.5d到大約2d，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離。

凸脊112可相對(duì)于膜孔90的中心線102居中，且可圍繞出口94至少部分地延伸。例如，凸脊112可圍繞中心線102前方的上游邊緣104的至少大約50%延伸(例如，圍繞上游邊緣104的至少大約75%)。換言之，凸脊可圍繞出口94的上游部分的至少大約90°(即，180°的至少大約50%)延伸，諸如圍繞上游部分的至少大約135°。參看圖4，凸脊112圍繞中心線102前方的上游邊緣104的大約100%延伸，以便完全地防護(hù)熱表面84上的膜孔90的上游邊緣104。如圖所示，下游邊緣106沒(méi)有在熱表面切線85上方圍繞中心線102下游的下游邊緣106的至少50%(例如，圍繞下游邊緣106的至少大約75%)延伸的任何凸脊。

凸脊112可圍繞出口94的上游部分沿其高度具有變化的高度。在大多數(shù)實(shí)施例中，如下文參照?qǐng)D3論述的，凸脊112具有從凸脊11的峰部到熱表面切線85限定的高度h，該高度h大于0直到大約d，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離。

用于導(dǎo)致從出口94出現(xiàn)的冷卻流體流c附著于熱表面84的凸脊112的構(gòu)造可至少部分地由凸脊112的截面形狀限定。所例示的凸脊112具有在上游邊緣與下游邊緣116,118之間大體上凸出或向外彎曲的截面形狀。凸脊112的截面形狀可保持基本上恒定或可變化。

緩沖區(qū)114在出口94的上游邊緣104與凸脊112的下游邊緣118之間延伸。在所示的實(shí)施例中，緩沖區(qū)114包括在凸脊112下游延伸的臺(tái)肩115。臺(tái)肩115凹入到熱表面切線85下方，以便在由熱表面84限定的熱表面切線85下方的臺(tái)肩深度d處延伸。在基底82由層合cmc材料形成的一個(gè)實(shí)施例中，臺(tái)肩深度d可具有一層或更多層的厚度(例如，大約1層到大約5層或板層的厚度)。臺(tái)肩115限定臺(tái)肩深度切線117。

臺(tái)肩115限定在出口94的上游邊緣104與凸脊112的下游邊緣118之間的長(zhǎng)度l1。臺(tái)肩115的長(zhǎng)度l1可從非常小使得凸脊112接近出口94變?yōu)楦?，使得凸?12與出口94間隔更遠(yuǎn)。臺(tái)肩115保持膜孔90的出口94及其引出口形狀在功能上分開(kāi)且與凸脊112間隔。這允許冷卻流體流c在遇到可改變此流動(dòng)的熱氣體h之前在膜孔90的出口94處完全地形成或散開(kāi)。在可能的長(zhǎng)度l1范圍的最大端上，緩沖區(qū)114可能不是很遠(yuǎn)以致于使其對(duì)流體流的調(diào)節(jié)效果無(wú)效；因此，最大可能長(zhǎng)度l1可取決于冷卻流體流c的動(dòng)量。因此，臺(tái)肩115的長(zhǎng)度l1大體上達(dá)到大約3d(例如，大約0.5d到大約3d)，其中d是如參照?qǐng)D3論述的從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離。

不希望受到任何特定理論的限定，相信臺(tái)肩11相對(duì)于在其最脆弱點(diǎn)處(為膜孔上游邊緣)與熱流體流h的初始相互作用5屏蔽冷卻流體流c。臺(tái)肩115還可在冷卻流體c接近出口94時(shí)迫使以更表面切向的方式引導(dǎo)冷卻流體c，改變檢查員說(shuō)其不滲透到熱流體流h中太遠(yuǎn)。

將注意的是，本文中關(guān)于本發(fā)明的該實(shí)施例或任何其他實(shí)施例的計(jì)量區(qū)段98使用的用語(yǔ)“計(jì)量直徑d”不旨在將計(jì)量區(qū)段98限于任何特定的截面，其中計(jì)量區(qū)段98的截面是與穿過(guò)通路96的冷卻流體流c的方向垂直地確定的。在該實(shí)施例中，計(jì)量區(qū)段98大體上為圓形截面。然而，計(jì)量區(qū)段98的特定截面形狀對(duì)于本發(fā)明的其他實(shí)施例可不同；例如，計(jì)量區(qū)段98的截面形狀可為矩形或橢圓形。對(duì)于非圓形計(jì)量區(qū)段98，計(jì)量直徑d可為截面的液力直徑，其通常限定為四倍的截面面積除以截面周長(zhǎng)。對(duì)于仍大體上為圓形的每個(gè)非常不規(guī)則的計(jì)量區(qū)段98(諸如通常通過(guò)沖擊激光加工(percussionlasermachining)產(chǎn)生的那些)，計(jì)量直徑d可為可穿過(guò)計(jì)量區(qū)段98而不損壞的最大圓形銷(xiāo)的直徑。對(duì)于也具有不規(guī)則表面的非圓形區(qū)段，計(jì)量直徑d可為可穿過(guò)而不損壞的適當(dāng)?shù)囟ㄐ蔚淖畲箐N(xiāo)的液力直徑。對(duì)于擴(kuò)散區(qū)段100之前的非直的或非恒定的截面長(zhǎng)度，相同的總體限定可用于最小截面面積位置處。

如所述，擴(kuò)散區(qū)段100相對(duì)于穿過(guò)通路96的冷卻流體流c的方向在計(jì)量區(qū)段98的下游，且限定在出口94處或其附近。擴(kuò)散區(qū)段100大體上包括架101，該架101是從上游架點(diǎn)103(限定在下游內(nèi)表面97與臺(tái)肩深度切線117相交處)到下游邊緣106限定的，在下游邊緣106處，架101與熱表面84(以大于擴(kuò)散角度φ的相對(duì)于中心線102的角度)合并。架101大體上具有從上游架點(diǎn)103延伸至下游邊緣106的長(zhǎng)度l2。如參照?qǐng)D3所論述的，架101的長(zhǎng)度l2大體上直到大約5d(例如，大約0.5d到大約5d)，其中d為從熱表面切線85到臺(tái)肩深度切線117的距離。不希望受到任何特定理論的限定，相信架101提供較淺區(qū)，以用于冷卻流體流c在與熱流體流h相互作用之前不久沿側(cè)向地?cái)U(kuò)張。

如圖4中所示，出口94的下游邊緣106由架101與熱表面84的合并區(qū)域限定。大體上，下游邊緣106處的架101的中心線99的任一側(cè)上的寬度可由相對(duì)于中心線99的側(cè)向擴(kuò)散角度β限定。具體而言，側(cè)向擴(kuò)散角度β從中心線99處的下游邊緣106延伸至下游邊緣106的各側(cè)上的側(cè)向擴(kuò)散線109a,109b。各側(cè)向擴(kuò)散線109a,109b從凸脊112的上游邊緣116延伸至下游邊緣106的最外點(diǎn)107a,107b。在大多數(shù)實(shí)施例中，側(cè)向擴(kuò)散角度β大于0°到大約15°。

現(xiàn)在參看圖5和6，存在限定在膜孔90的擴(kuò)散區(qū)段100中的兩個(gè)外葉120a,120b。外葉120a,120b中的各個(gè)用作擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，從而允許冷卻流體流c在從計(jì)量區(qū)段98至擴(kuò)散區(qū)段100中的過(guò)渡部分中側(cè)向地?cái)U(kuò)張。不期望由任何特定理論限定，相信外葉120a,120b在與冷卻流體流c相關(guān)的渦旋與熱流體流h相互作用之前改變它們。

外葉120a,120b中的各個(gè)具有沿相應(yīng)的側(cè)向擴(kuò)散線109a,109b作為開(kāi)孔深度b測(cè)量的深度，該深度是沿中心線102向下至各外葉120a,120b的相應(yīng)基部123a,123b測(cè)得的。開(kāi)孔深度b可與總體擴(kuò)散長(zhǎng)度ld比較，其在大多數(shù)實(shí)施例中在長(zhǎng)度ld的大約01.到大約0.75之間(即，b為長(zhǎng)度ld的大約10%到大約75%)。

圖6示出了外葉120a,120b中的各個(gè)具有小于或等于計(jì)量直徑d的開(kāi)孔有效直徑db。在大多數(shù)實(shí)施例中，開(kāi)孔有效直徑db在計(jì)量直徑d的大約0.5到大約1之間(即，db為計(jì)量直徑d的大約50%到大約100%)。

圖7和8更具體地示出了限定在擴(kuò)散區(qū)段100中的外葉120a,120b的輪廓，其中架101位于外葉120a,120b中的各個(gè)之間。注意，相應(yīng)的開(kāi)孔基部123a和123b可延伸到孔中，使得它們被從圖7中的視圖隱藏。參看圖8，其為在圖3和5的上游架點(diǎn)103處截取的擴(kuò)散區(qū)段100的截面圖，外葉120a,120b定位在擴(kuò)散區(qū)段100的相反端部上，其中架101定位在其間。外葉120a,120b大體上限定沿?cái)U(kuò)散區(qū)段100的側(cè)部的開(kāi)孔，該開(kāi)孔比架101深。在特定實(shí)施例中，對(duì)于各外葉120a,120b的至少大約150°，諸如大約180°到大約270°，外葉120a,120b沿它們的相應(yīng)直徑由擴(kuò)散區(qū)段100的表面限定(例如，各外葉120a,120b的大于180°由表面物理地限定)。

在特定實(shí)施例中，膜孔是利用脈沖激光器，使用連續(xù)的螺線運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生形狀，隨后使用沖擊鉆產(chǎn)生計(jì)量來(lái)產(chǎn)生的。例如，激光鉆孔過(guò)程可使用nd:yag激光器，但可使用可適于產(chǎn)生期望結(jié)果的任何其他激光器。激光器可產(chǎn)生具有預(yù)定計(jì)量直徑d(例如，從大約0.010到大約0.030英寸)的冷卻孔口。如圖3中所示，可相對(duì)于構(gòu)件的表面以產(chǎn)生中心線角度α相稱的角度鉆取孔口(例如，大約15°到大約50°)。

在一個(gè)實(shí)施例中，膜孔是在激光的點(diǎn)尺寸與期望的孔尺寸的計(jì)量直徑d相關(guān)的情況下產(chǎn)生的。使激光以螺線運(yùn)動(dòng)的形式移動(dòng)允許如期望那樣形成膜孔的截面。激光燒蝕剛好在焦點(diǎn)正下方的cmc材料，從而形成孔口。同時(shí)，激光能足以熔化緊鄰其的sic或sin基質(zhì)材料。鉆孔操作的進(jìn)行快速地發(fā)生，以致于熔化的材料在沿新形成的表面作為重鑄材料重新凝固之前僅流動(dòng)很短的距離，因?yàn)閬?lái)自激光器噴嘴的加壓空氣有助于冷卻其。重鑄材料基本上是二氧化硅，二氧化硅沿新形成的孔口的表面形成氧化屏障，以便不會(huì)發(fā)生沿該表面的cmc材料的退化，因?yàn)槔鋮s空氣被引入通路中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，被引入構(gòu)件中以將其溫度維持低于周?chē)h(huán)境溫度的“冷卻空氣”可具有超過(guò)1700℉的高溫。

本書(shū)面描述使用了實(shí)例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的專(zhuān)利范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其他實(shí)例。如果此類(lèi)其他實(shí)施例包括并非不同于權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元件，或如果它們包括與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則期望此類(lèi)其他實(shí)例在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。