具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将引用多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。

除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数引用。

除非另外指示，否则如本文所使用的近似语言，诸如“大体地”、“基本上”和“约”指示如本领域普通技术人员将认识到的，如此修饰的术语可以仅适用于近似程度，而不是绝对或完美程度。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，可以识别范围限制。除非上下文或语言另有指示，否则这些范围可以组合和/或互换，并且包括其中包含的所有子范围。除此之外，除非另外指示，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并且不旨在对这些术语所涉及的项目施加顺序、位置或分级要求。此外，例如，对“第二”项目的引用不要求或排除存在例如“第一”或较低编号的项目或者“第三”或更高编号的项目。

如本文所用，术语“轴向”和“轴向地”是指基本上平行于旋转机械的纵向轴线延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”是指基本上垂直于旋转机械的纵向轴线延伸的方向和取向。此外，如本文所用，术语“周向”和“周向地”是指围绕旋转机械的纵向轴线弧形延伸的方向和取向。进一步地，如本文所用，术语“上游”是指旋转机械的前端或入口端，并且术语“下游”是指旋转机械的后端或排出口端。当讨论穿过部件的流体流时，流体从其流动的方向被描述为“上游”，并且流体在其上流动的方向被描述为“下游”。

本文所述的系统涉及用于冷却旋转机械中的热气体路径的部分的蛇形芯。具体地讲，在示例性实施方案中，旋转部件包括形成于旋转机械内的涡轮部分的喷嘴中的外端壁。外端壁包括用于冷却外端壁的芯。该芯包括蛇形通道，该蛇形通道包括入口部分、第一管程、第二管程和转弯。入口部分包括隔离壁、第一入口部分和第二入口部分。隔离壁将第一入口部分与第二入口部分隔开，使得限定分流式管程入口。第一管程、第二管程和转弯包括多个出口，这些出口将冷却流体从芯输送到热气体路径中以在外端壁上形成冷却膜。多个芯扎带将冷却流体从芯的上游部分输送到芯的下游部分，使得能够用较低温度的冷却流体来补充下游部分。

在示例性实施方案中，冷却流体被输送穿过第一管程、第二管程和转弯，以有利于从芯内冷却外端壁。第一管程、第二管程和转弯的蛇形构型使得冷却流体能够冷却外端壁的较大区域，从而增强冷却流体与外端壁之间的总体热传递。另外，蛇形构型使得冷却流体能够以基本上等于燃烧气体在喷嘴喉部处的压力的较低压力循环。此外，选择第一管程、第二管程和转弯中的每一者的宽度，以有利于修改或调谐穿过第一管程、第二管程和转弯的冷却流体的压降，并且增强冷却流体与外端壁之间的总体热传递。此外，出口将冷却流体输送到热气体路径中，以有利于在定子端壁上形成冷却膜。另外，芯扎带为芯的下游部分补充冷却流体，以及提供检查通路、芯形成期间的刚度以及套壳工艺之后用于陶瓷芯移除的可浸滤性。

图1为示例性旋转机械100(即，涡轮机)，并且更具体地涡轮发动机的示意图。在示例性实施方案中，旋转机械100为燃气涡轮发动机。另选地，旋转机械可以是任何其他涡轮发动机和/或旋转机械，包括但不限于蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮风扇飞机发动机、其他飞机发动机、风力涡轮机、压缩机和泵。在示例性实施方案中，燃气涡轮发动机100包括进气部分102、在进气部分102下游耦接的压缩机部分104、在压缩机部分104下游耦接的燃烧器部分106、在燃烧器部分106下游耦接的涡轮部分108，以及在涡轮部分108下游耦接的排气部分110。涡轮部分108经由转子轴112耦接到压缩机部分104。

应当注意，如本文所用，术语“耦接”不限于部件之间的直接机械、热、电气和/或流体连通连接，也可以包括多个部件之间的间接机械、热、电气和/或流体连通连接。在示例性实施方案中，燃烧器部分106包括多个燃烧器114。燃烧器部分106耦接到压缩机部分104，使得每个燃烧器114与压缩机部分104流体连通。转子轴112还耦接到负载116，诸如但不限于发电机和/或机械驱动应用。在示例性实施方案中，压缩机部分104和涡轮部分108中的每一者包括耦接到转子轴112的至少一个转子组件118。

在操作期间，进气部分102朝向压缩机部分104输送空气120。压缩机部分104将入口空气120压缩至更高的压力，然后朝向燃烧器部分106排放压缩空气122。压缩空气122被输送到燃烧器部分106，在该燃烧器部分中它与燃料(未示出)混合并燃烧以产生高温燃烧气体124。燃烧气体124向下游被朝向涡轮部分108输送并冲击涡轮叶片(未示出)，将热能转换为机械旋转能量，该能量用于驱动转子组件118围绕纵向轴线126旋转。通常，燃烧器部分106和涡轮部分108被称为涡轮发动机100的热气体部分。如果旋转机械100是作为联合循环发电厂的一部分的气体涡轮，则废气128随后穿过排气部分110排放到环境大气或蒸汽涡轮(未示出)。

图2为涡轮发动机100(示于图1)的示例性涡轮级200的放大示意图。级200包括围绕纵向轴线126周向地间隔开的多个径向延伸的固定翼片202，以及在固定翼片202的下游并且围绕纵向轴线126周向地间隔开的多个径向延伸的旋转翼片204。径向方向由箭头218指示。每个旋转翼片204经由盘230耦接到转子轴112(示于图1中)，并且朝壳体208径向地向外延伸。

在示例性实施方案中，每个固定翼片202沿径向方向218从耦接到涡轮部分108的壳体208的外端壁207的第一端部216径向向内延伸到耦接到内端壁209的第二端部214(外端壁208和内端壁209在图3中示出)。另外，每个固定翼片202从前缘222轴向地向下游延伸至相对的后缘224。在操作期间，外端壁207和内端壁209限定热气体流动路径232的径向边界，使得高温燃烧气体124的流被输送穿过其，从而使外端壁207和内端壁209的表面暴露于高温和潜在的热应力和/或热劣化。为了减轻此类热效应，在外端壁207和内端壁209内限定内部腔体或充气室236，以有利于外端壁207和内端壁209的内部表面的内部冲击冷却。

充气室236经由限定在外端壁207和内端壁209上的充气室入口234与冷却剂供应通道233流体连通。在示例性实施方案中，冷却剂供应通道233朝向充气室入口234输送冷却流体240，诸如来自压缩机部分104(示于图1中)的加压排放空气的流。另选地，冷却流体240可为除空气之外的任何合适流体。如本文所用，术语“流体”包括任何流动的介质或材料，包括但不限于空气或蒸汽。在示例性实施方案中，级200是涡轮部分108的第一级，并且固定翼片202、外端壁207和内端壁209限定紧邻燃烧器部分106(示于图1中)下游的第一级涡轮喷嘴。在另选的实施方案中，级200是涡轮部分108的任何其他级。在示例性实施方案中，充气室236轴向地向后延伸到外端壁207和内端壁209中。

图3是固定翼片202、外端壁207和内端壁209的透视图，并且示出了延伸穿过透明外端壁207和内端壁209的示例性芯300。图4是固定翼片202、外端壁207和内端壁209的透视顶视图。图5是示例性外端壁207的径向俯视剖面图。图6是示例性芯300的径向顶视图。如图3至图5所示，芯300限定在外端壁207和内端壁209的充气室236中，用于冷却外端壁207和内端壁209。更具体地讲，芯300设置在外端壁207和内端壁209内，以有利于用冷却流体240来冷却外端壁207和内端壁209。

如图3至图5所示，固定翼片202各自包括抽吸侧壁302和压力侧壁304(示于图5中)。相邻的固定翼片202、外端壁207和内端壁209限定燃烧气体124的速度最大化的喉部306(示于图5中)。外端壁207包括位于固定翼片202上游的上游部分308和位于固定翼片202下游的下游部分310。外端壁207还包括与旋转翼片204相邻的后缘312。在例示的实施方案中，芯300限定在抽吸侧壁302下游的外端壁207内。然而，芯300可定位在外端壁207内，使得芯300的上游部分314(示于图5中)位于喉部306的上游，并且芯300的下游部分316位于喉部306的下游。此外，芯300可定位在外端壁207内，使得芯300有利于冷却外端壁207和后缘312。

如图6所示，芯300包括至少一个通道600。在图6的示例性实施方案中，通道600为蛇形通道，该蛇形通道输送与外端壁207和内端壁209相邻的冷却流体240，以有利于冷却外端壁207和内端壁209。如图3和图4所示，类似的蛇形通道600可用于输送与内端壁209相邻的冷却流体240，以有利于冷却内端壁209。如本文所用，“蛇形通道”是具有至少一个转弯使得通道卷绕或扭曲的导管。即，蛇形通道不具有从入口到出口的仅基本上直的路径。相反，从入口到出口的路径形成至少一个转弯，使得蛇形通道不具有从入口到出口限定的直视线路径。在示例性实施方案中，蛇形通道600包括形成分流式管程入口区域610的至少一个入口602和604、第一入口部分606和第二入口部分608；第一管程612；第二管程614；设置在第一管程612与第二管程614之间的至少一个转弯616；以及至少一个出口618。第一管程612、第二管程614和转弯616被取向成使得通道600为蛇形通道。在例示的实施方案中，蛇形通道600包括多个入口602和604。

入口602和604从冷却剂供应通道233(图2)接收冷却流体240并将冷却流体240输送到第一入口部分606和第二入口部分608。具体地讲，至少一个第一入口602将冷却流体240输送到第一入口部分606，并且至少一个第二入口604将冷却流体240输送到第二入口部分608。图6示出了延伸到每个入口部分606和608中的单个入口602和604。然而，每个入口部分606和608可包括多个入口602和604。另外，蛇形通道600可包括多于两个入口部分606和608。例如，第一入口602可包括将冷却流体240输送到第一入口部分606的二个至二十个第一入口602，并且第二入口604可包括将冷却流体240输送到第二入口部分608的二个至二十个第二入口604。更具体地讲，第一入口602可包括将冷却流体240输送到第一入口部分606的八个至十个第一入口602，并且第二入口604可包括将冷却流体240输送到第二入口部分608的八个至十个第二入口604。

隔离壁620将第一入口部分606与第二入口部分608隔开以形成分流式管程入口区域610。隔离壁620减小分流式管程入口区域610的宽度622，使得穿过分流式管程入口区域610的冷却流体240的速度增加。更具体地讲，由于分流式管程入口区域610的宽度622从入口602和604向下游增加，因此冷却流体240穿过没有隔离壁620的分流式管程入口区域610的速度将降低。隔离壁620减小宽度622，使得冷却流体240的速度保持恒定或随着冷却流体240被输送穿过分流式管程入口区域610而增加。

另外，第一入口部分606限定第一宽度624，并且第二入口部分608限定第二宽度626。第一宽度624可与第二宽度626相同或不同，并且第一宽度624和第二宽度626的尺寸可被选择性地设定成使得特定体积的冷却流体240能够被输送穿过通道600。更具体地讲，第一宽度624和第二宽度626的尺寸可被设定成适于冷却流体240的特定体积流量，使得冷却流体240的热传递系数被调谐至外端壁207和/或内端壁209的特定热传递要求。

第一入口部分606和第二入口部分608合并成第一管程612，并且每个入口部分将冷却流体240输送到第一管程612中。第一管程612基本上平行于后缘312和第二管程614延伸穿过外端壁207。第一管程612限定第三宽度628，该第三宽度连同第一宽度624和第二宽度626的尺寸可被选择性地设定成使得冷却流体240的特定体积流量能够穿过其，使得冷却流体240的热传递系数被调谐至外端壁207和/或内端壁209的特定热传递要求。第一管程612从第一入口部分606和第二入口部分608接收冷却流体240并将冷却流体240输送到转弯616。

转弯616从第一管程612接收冷却流体240并将冷却流体240输送到第二管程614。第一管程612、第二管程614和转弯616被取向，使得第一管程612在第一方向630上输送冷却流体240，并且第二管程614在与第一方向630相反的第二方向632上输送冷却流体240。转弯616将冷却流体240的流动方向从第一方向630改变为第二方向632。在示例性实施方案中，转弯616是180°转弯，使得第一方向630与第二方向632沿直径相对。在另选的实施方案中，第一管程612、第二管程614和转弯616可被取向成使得第一管程612和第二管程614具有使芯300能够如本文所述进行操作的任何取向。转弯616从第一管程612接收冷却流体240，改变冷却流体240的流动方向，并将冷却流体240输送到第二管程614。

第二管程614基本上平行于后缘312和第一管程612延伸穿过外端壁207。第二管程614限定第四宽度634，该第四宽度连同第一宽度624、第二宽度626和第三宽度628的尺寸可被选择性地设定成实现冷却流体240的特定体积流量，使得冷却流体240的热传递系数被调谐至外端壁207和/或内端壁209的特定热传递要求。第二管程614从转弯616接收冷却流体240，并将冷却流体240输送到出口618。

在示例性实施方案中，芯300包括单个第一管程612、单个第二管程614和单个转弯616。在另选的实施方案中，芯300可包括使芯300能够如本文所述进行操作的任何数量的管程和/或转弯。例如，在另选的实施方案中，芯300可包括三个管程和两个转弯。在另一个另选的实施方案中，芯300可包括四个管程和三个转弯。

芯300包括位于喉部306下游的至少一个出口618。虽然芯300可仅包括单个出口618，但在示例性实施方案中，芯300包括将冷却流体从芯300输送到热气体流动路径232中的多个出口618。例如，芯300可包括从第一管程612延伸穿过外端壁207并进入热气体流动路径232的至少一个第一出口636。在示例性实施方案中，芯300包括多个第一出口636，该多个第一出口中的每个第一出口从第一管程612延伸穿过外端壁207并进入热气体流动路径232。从第一出口636排放到热气体流动路径232中的冷却流体240可在外端壁207上形成保护外端壁207的冷却膜(未示出)。

芯300还可包括从第二管程614延伸穿过外端壁207并进入热气体流动路径232的至少一个第二出口638。在示例性实施方案中，芯300包括多个第二出口638，该多个第二出口中的每个第二出口从第二管程614延伸穿过外端壁207并进入热气体流动路径232。从第二出口638排放到热气体流动路径232中的冷却流体240可在外端壁207上形成有利于保护外端壁207的冷却膜(未示出)。

芯300还可包括从第二管程614延伸穿过内端壁209的后缘312并进入热气体流动路径232的至少一个第三出口640(示于图4中)。在示例性实施方案中，芯300包括多个第三出口640，该多个第三出口中的每个第三出口从第二管程614延伸穿过外端壁207的后缘312并进入热气体流动路径232。从第三出口640排放到热气体流动路径232中的冷却流体240可在外端壁207的后缘312上形成保护外端壁207的后缘312的冷却膜(未示出)。

芯300还可包括从转弯616延伸穿过外端壁207并进入热气体流动路径232的至少一个第四出口642。在示例性实施方案中，芯300包括多个第四出口642，该多个第四出口中的每个第四出口从转弯616延伸穿过外端壁207的后缘312并进入热气体流动路径232。从第四出口642排放到热气体流动路径232中的冷却流体240可在外端壁207上形成有利于保护外端壁207的冷却膜(未示出)。芯300可在使芯300能够如本文所述进行操作的任何位置包括出口218。

第一出口636、第二出口638、第三出口640和第四出口642的尺寸、形状和相对位置的大小和布置可被设定成有利于调谐冷却流体240的特定/期望压降、体积流速和/或热传递系数。例如，第一出口636可具有第一尺寸，并且第二出口638的尺寸可被设定成具有小于第一出口636的第一尺寸的第二尺寸。因此，第一出口636在外端壁207上形成冷却膜(未示出)，并且第二出口638用另外的冷却流体240补充冷却膜。另外，更多出口636、638、640和642有利于减少穿过通道600的冷却流体240的体积流量，并且有利于减小穿过通道600的冷却流体240的压降。因此，第一出口636、第二出口638、第三出口640和第四出口642的尺寸、形状和位置的大小和布置可被设定成有利于调谐冷却流体240的压降、体积流速和/或热传递系数。

在示例性实施方案中，第一管程612和第二管程614各自包括在第一管程612和第二管程614内产生湍流的多个湍流器或脊644。具体地讲，湍流器644在冷却流体240内产生湍流，以有利于增大第一管程612和第二管程614内的冷却流体240的热传递系数。增大热传递系数增强了冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。在示例性实施方案中，湍流器644具有为第三宽度628和第四宽度634的高度的约10％的高度(未示出)。然而，湍流器644可具有使得芯300能够如本文所述进行操作的任意其他高度。

在示例性实施方案中，芯300包括从第一入口部分606延伸到第二入口部分608或从第一管程612延伸到第二管程614的多个中空芯扎带646。具体地讲，芯300包括从第一入口部分606延伸到第二入口部分608的至少一个第一芯扎带648和从第一管程612延伸到第二管程614的至少一个第二芯扎带650。更具体地讲，在示例性实施方案中，芯300包括单个第一芯扎带648和多个第二芯扎带650。在其中限定流体通道的第一芯扎带648和第二芯扎带650用冷却流体240补充通道600的下游部分。随着冷却流体240被输送穿过通道600，冷却流体240的温度升高，这有利于减小冷却流体240的热传递系数并减少冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。芯扎带646是“短切段”，其将冷却流体240从通道600的上游部分输送到通道600的下游部分，而冷却流体240与外端壁207之间没有热传递。因此，被输送穿过芯扎带646的冷却流体240的温度低于被输送穿过第一管程612、第二管程614和转弯616的冷却流体240的温度。因此，芯扎带646用具有较低温度的冷却流体240补充通道600的下游部分，这有利于增大冷却流体240的热传递系数并增强冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。芯扎带646也可用作检查孔口以检查芯300。

在操作期间，入口602和604从冷却剂供应通道233接收冷却流体240并将冷却流体240输送到第一入口部分606和第二入口部分608。第一入口部分606将冷却流体240的一部分输送穿过第一芯扎带648以补充第二入口部分608。第一入口部分606和第二入口部分608合并成第一管程612，并且各自将冷却流体240输送到第一管程612中。第一管程612将冷却流体240的一部分输送穿过第二芯扎带650以补充第二管程614，并且将冷却流体240的另一部分输送到转弯616。第一管程612还将冷却流体的一部分输送穿过第一出口636到热气体路径232中以在外端壁207上形成冷却膜。转弯616将冷却流体240的一部分输送穿过第四出口642到热气体路径232中以在外端壁207上形成冷却膜，并且将剩余的冷却流体240输送到第二管程614。第二管程614将冷却流体240输送穿过第二出口638和第三出口640以补充冷却膜并在后缘312上形成冷却膜。随着冷却流体240被输送穿过通道600，其与外端壁207交换热量。因此，冷却流体240有利于从芯300内冷却外端壁207并形成保护外端壁207的保护性冷却膜。

通道600的蛇形构型使得冷却流体240能够冷却外端壁207的更大区域，从而增强冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。另外，通道600的蛇形取向使得冷却流体240能够具有大约等于燃烧气体124在喉部306处的压力的较低压力。此外，宽度624、626、628和634的尺寸被设定成调谐冷却流体240穿过通道600的压降，并且有利于增强冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。此外，出口618将冷却流体240输送到热气体路径232中，以通过形成冷却膜来保护外端壁207。另外，芯扎带646用冷却流体240补充通道600的下游部分。因此，芯300的布置方式增强了冷却流体240与外端壁207之间的总体热传递。

尽管图3至图6结合外端壁207描述了芯300及其特征，但应当理解，芯300可与内端壁209中的类似特征一起使用以实现类似的结果和有益效果。

图7是冷却旋转机械的部件的示例性方法700的流程图。在示例性实施方案中，方法700包括将芯插入702部件内的充气室中。该芯包括通道，该通道包括入口部分、至少一个第一管程、至少一个第二管程、相应第一管程与第二管程之间的至少一个转弯。入口部分包括隔离壁，该隔离壁将第一入口部分与第二入口部分隔开，使得入口部分为分流式管程入口。方法700还包括将冷却流体流输送704到第一入口部分和第二入口部分中。方法700还包括将冷却流体流从第一入口部分和第二入口部分输送706到至少一个第一管程中。来自第一入口部分的冷却流体流与来自第二入口部分的冷却流体流合并，并且至少一个第一管程在第一方向上输送冷却流体流。方法700还包括将冷却流体流从至少一个第一管程输送708到至少一个转弯中。至少一个转弯将冷却流体的流动方向从第一方向改变为与第一方向相反的第二方向。方法700还包括将冷却流体流从至少一个转弯输送710到至少一个第二管程中。至少一个第一管程、至少一个第二管程和至少一个转弯被布置成使得通道为蛇形通道。

上述系统涉及用于冷却旋转机械中的热气体路径的部分的蛇形芯。具体地讲，在示例性实施方案中，旋转部件包括形成于旋转机械内的涡轮部分的喷嘴中的外端壁。外端壁包括用于冷却外端壁的芯。该芯包括蛇形通道，该蛇形通道包括入口部分、第一管程、第二管程以及第一管程与第二管程之间的转弯。入口部分包括隔离壁，该隔离壁将第一入口部分与第二入口部分隔开，使得限定分流式管程入口。第一管程、第二管程和转弯包括多个出口，这些出口中的每个出口将冷却流体从芯输送到热气体路径中以在外端壁上形成冷却膜。多个中空芯扎带将冷却流体从芯的上游部分输送到芯的下游部分，使得能够用较低温度的冷却流体来补充下游部分。

在示例性实施方案中，冷却流体被输送穿过第一管程、第二管程和转弯，以有利于从芯内对流冷却外端壁。第一管程、第二管程和转弯的蛇形构型使得冷却流体能够以对流方式冷却外端壁的较大区域，从而增强冷却流体与外端壁之间的总体热传递。另外，蛇形构型使得冷却流体能够以基本上等于燃烧气体在喷嘴喉部处的压力的较低压力循环。此外，选择第一管程、第二管程和转弯中的每一者的宽度，以有利于修改或调谐穿过第一管程、第二管程和转弯的冷却流体的压降，并且增强冷却流体与外端壁之间的总体热传递。此外，出口将冷却流体输送到热气体路径中，以有利于在定子端壁上形成冷却膜。另外，芯扎带用冷却流体补充芯的下游部分。因此，芯实现端壁的对流冷却和端壁的膜冷却两者。

另外，本文所述的系统和方法的示例性技术效果包括以下中的至少一者：(a)从旋转机械部件移除热量；(b)增大冷却流体的热传递系数；(c)增强冷却流体与旋转机械部件之间的总体热传递；以及(d)提高旋转机械效率。

上文详细描述了用于冷却旋转机械的热气体路径的部分的系统和方法的示例性实施方案。该系统和方法不限于本文描述的具体实施方案，而是系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，该方法也可与其他涡轮部件结合使用，并且不限于仅用如本文所述的旋转机械的热气体路径的部分的进行实践。而是，示例性实施方案可以结合许多其他旋转机械应用来实施和使用。

尽管本公开的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施方案的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用示例来公开本公开的实施方案，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本公开的实施方案，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本文描述的实施方案的可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想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。