用於先進膜冷卻的具有小複雜特徵的CMC製品的製作方法
2023-08-05 19:15:26
本發明大體上涉及陶瓷基質渦輪發動機構件，且更具體而言，涉及具有小複雜特徵的陶瓷基質複合物燃氣渦輪發動機構件。
背景技術：
為了提高燃氣渦輪發動機的效率和性能，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，渦輪發動機被指派在較高的溫度下操作。較高的溫度達到且超過發動機的熱區段(且具體而言發動機的渦輪區段)中構件的材料的極限。由於現有的材料不可耐受較高的操作溫度，故需要開發用於在高溫環境中使用的新材料。
由於發動機操作溫度已提高，故已開發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，將陶瓷熱屏障塗層(tbc)應用到燃燒的熱流出氣體的射流中的構件的表面，以降低熱傳遞速率，對下面的金屬提供熱保護，且允許構件耐受較高的溫度。這些改善有助於降低構件的峰值溫度和熱梯度。還引入冷卻孔來提供膜冷卻，以改善熱能力或熱保護。同時，開發了陶瓷基質複合物以作為高溫合金的替代物。在許多情況中，陶瓷基質複合物(cmc)提供優於金屬的改善的溫度和密度優點，使得它們為當期望較高的操作溫度和/或減輕的重量時的材料選擇。
cmc具有相對低的導熱性，且因此非常適於在高溫環境中長時間使用。熱氣體中的cmc構件被猛烈地膜冷卻，特別是在具有不同地未冷卻的後緣的設計中。然而，改善的膜冷卻性能可減少所需的冷卻膜流量並且/或者提高cmc構件的耐用性。
技術實現要素：
本發明的方面和優點將在以下描述中部分地闡述，或可從描述中而是顯而易見的，或可通過本發明的實踐而習得。
一般提供發動機構件以用於生成熱燃燒氣流的燃氣渦輪發動機。在一個實施例中，發動機構件包括基底，該基底由cmc材料構成，且具有面對熱燃燒氣流的熱表面和面對冷卻流體流的冷卻表面。熱燃燒氣流相對於熱表面大體上限定上遊方向和下遊方向。基底限定膜孔，該膜孔延伸穿過基底且具有設在冷卻表面上的入口和設在熱表面上的出口、以及連接入口和出口的通路。發動機構件還包括流動調節結構，該流動調節結構在熱表面上設在出口的上遊。在一個特定實施例中，流動調節結構包括從熱表面延伸的凸脊。
技術方案1：一種用於生成熱燃燒氣流的燃氣渦輪發動機的發動機構件，包括：
基底，其由cmc材料構造且具有面對所述熱燃燒氣流的熱表面和面對冷卻流體流的冷卻表面，所述熱燃燒氣流大體上限定相對於所述熱表面的上遊方向和下遊方向，且其中，所述基底限定膜孔，所述膜孔延伸穿過所述基底且具有設在所述冷卻表面上的入口、設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
流動調節結構，其在所述熱表面上設在所述出口的上遊，其中，所述流動調節結構包括在所述熱表面的切線上方延伸的凸脊。
技術方案2：根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上遊邊緣的至少50%延伸。
技術方案3：根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述凸脊圍繞所述出口的上遊邊緣的至少75%延伸。
技術方案4：根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述凸脊由緩衝區與所述出口分開。
技術方案5：根據技術方案4所述的發動機構件，其中，所述緩衝區包括臺肩，所述臺肩在所述凸脊的下遊延伸且凹入所述熱表面的切線的下方，其中，所述臺肩限定在臺肩深度處從其延伸的臺肩深度切線。
技術方案6：根據技術方案5所述的發動機構件，其中，所述凸脊具有沿所述熱表面的切線從上遊邊緣到下遊邊緣限定的長度，所述長度為所述臺肩深度的大約0.5到大約2倍。
技術方案7：根據技術方案5所述的發動機構件，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，所述高度大於0直到所述臺肩深度。
技術方案8：根據技術方案5所述的發動機構件，其中，所述臺肩限定直到所述臺肩深度的大約3倍的長度。
技術方案9：根據技術方案5所述的發動機構件，其中，所述臺肩限定直到所述臺肩深度的大約0.5到大約3倍的長度。
技術方案10：根據技術方案5所述的發動機構件，其中，所述膜孔包括計量區段，所述計量區段限定與穿過所述通路的冷卻流體流的方向正交的最小截面面積。
技術方案11：根據技術方案10所述的發動機構件，其中，所述膜孔還包括擴散區段，所述擴散區段相對於穿過所述通路的冷卻流體流的方向在所述計量區段的下遊。
技術方案12：根據技術方案11所述的發動機構件，其中，所述擴散區段側向地擴張，使得所述冷卻流體在所述熱表面處形成更寬的冷卻膜。
技術方案13：根據技術方案12所述的發動機構件，其中，所述擴散區段包括架。
技術方案14：根據技術方案12所述的發動機構件，其中，所述架具有直到所述臺肩深度的5倍的長度。
技術方案15：根據技術方案12所述的發動機構件，其中，所述架提供較淺區，以用於所述冷卻流體在與所述熱流體相互作用之前側向地擴張。
技術方案16：根據技術方案12所述的發動機構件，其中，出口限定與所述熱表面的區域合併的下遊邊緣，所述下遊邊緣具有由相對於所述架的中心線的側向擴散角度限定的在所述下遊邊緣處的所述中心線的任一側上的寬度，其中，所述側向擴散角度大於0°到大約15°。
技術方案17：根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述膜孔的通路限定在上遊內表面與下遊內表面之間的截面面積，其中，所述上遊內表面基本上平行於穿過所述通路的中心線。
技術方案18：根據技術方案17所述的發動機構件，其中，下遊內表面具有相對於穿過所述通路的中心線的擴散角度，其中，所述擴散角度為0°到大約15°。
技術方案19：根據技術方案17所述的發動機構件，其中，下遊內表面具有相對於穿過所述通路的中心線的擴散角度，其中，所述擴散角度大於0°到大約15°。
技術方案20：根據技術方案17所述的發動機構件，其中，所述擴散區段相對於穿過所述通路的冷卻流體流在所述計量區段的下遊，且限定在所述出口處或其附近。
通過參照以下說明和所附權利要求，本發明的這些和其他特徵、方面和優點將變得更好理解。併入本說明書中且構成其一部分的附圖例示出了本發明的實施例，且與說明一起用於解釋本發明的原理。
附圖說明
本發明的針對本領域的技術人員的完整且能夠實現的公開內容，包括其最佳模式，在參照附圖作出的說明書中闡述，在附圖中：
圖1示出了根據本主題的方面的可用於飛行器內的燃氣渦輪發動機的一個實施例的截面圖；
圖2示出了圖1的發動機的燃燒器和高壓渦輪的側截面圖；
圖3為根據一個實施例的穿過圖1中的發動機的發動機構件的膜孔的示意截面圖；
圖4為沿中心線向下穿過圖3的膜孔的透視圖；
圖5為根據一個實施例的穿過圖1中的發動機的發動機構件的膜孔的另一示意截面圖；
圖6為沿中心線向下穿過圖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為在上遊架點(upstreamshelfpoint)處與圖3和5中的截面圖垂直地截取的截面圖。
參考標號在本說明書和附圖中的重複使用旨在表示本發明的相同或相似的特徵或元件。
部件列表
10燃氣渦輪發動機
12中心線軸線
14核心燃氣渦輪發動機
16風扇區段
18外殼體
20環形入口
22增壓壓縮機
24壓縮機
26燃燒器
28高壓渦輪
30高壓驅動軸
32低壓渦輪
34低壓驅動軸
36排氣噴嘴
37減速裝置
38風扇轉子
40風扇殼體
42出口導嚮導葉
44風扇轉子葉片
46下遊區段
48副空氣流導管
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燃燒產物
68渦輪葉片
72渦輪導葉
76偏轉器
77燃燒襯套
78護罩組件
80發動機構件
82基底
84熱表面
85局部外表面切線
86冷卻表面
88內部腔
90膜孔
94出口
95上遊內表面
96通路
97下遊內表面
98計量區段
99中心線
100擴散區段
101架
102中心線
103上遊架點
104上遊邊緣
106下遊邊緣
107a,b最外點
108上遊方向
109a,b側向擴散線
110下遊方向
112流動調節結構
114緩衝區
115臺肩
116上遊邊緣
117臺肩深度切線
118下遊邊緣
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擴散角度
l1長度
l2架長度
l3長度
d深度
h高度
d計量直徑
lm計量長度
ld擴散長度
β側向擴散角度
b開孔深度
db開孔直徑。
具體實施方式
現在將詳細地參照本發明的實施例，其一個或更多個實例在附圖中例示出。各實例是作為本發明的解釋而非本發明的限制來提供的。實際上，對本領域的技術人員而言將是顯而易見的是，可在本發明中作出各種改型和變型，而不脫離本發明的範圍或精神。例如，例示為或描述為一個實施例的一部分的特徵可與另一實施例一起使用，以產生又一個實施例。因此，期望本發明覆蓋在所附權利要求和它們的等同物的範圍內的此類改型和變型。
如在本文中使用的，用語「第一」、「第二」、和「第三」可以可互換地使用，以將一個構件與另一個區分開，且不旨在表示單獨構件的位置或重要性。
用語「上遊」和「下遊」指相對於流體通路中的流體流的相對方向。例如，「上遊」指流體從其流動的方向，且「下遊」指流體流至其的方向。
如在本文中使用的，短語「由cmc構造」和「由cmc構成」應當意指基本上由cmc構造的構件。更具體而言，cmc構件應當包括比僅是cmc材料的層或塗層多的cmc材料。例如，由cmc構造的構件可基本上或完全由cmc材料構成或構造，包括大於大約百分之50,60,70,80,90或100的cmc材料。
現在參看附圖，圖1例示出了根據本主題的方面的可用於飛行器內的燃氣渦輪發動機10的一個實施例的截面圖，其中發動機10出於參照目的示為具有延伸穿過發動機10的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，發動機10可包括核心燃氣渦輪發動機(大體上由參考標號14指出)和定位在其上遊的風扇區段16。核心發動機14可大體上包括限定環形入口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22，以用於將進入核心發動機14的空氣的壓力增大到第一壓力水平。高壓多級軸流式壓縮機24然後可從增壓壓縮機22接收加壓空氣，且進一步增大此種空氣的壓力。離開高壓壓縮機24的加壓空氣然後可流至燃燒器26，燃料在該燃燒器26內噴射到加壓空氣流中，其中所得的混合物在燃燒器26內燃燒。高能燃燒產物被從燃燒器26沿發動機10的熱氣體路徑引導至第一(高壓，hp)渦輪28，以用於經由第一(高壓,hp)驅動軸30來驅動高壓壓縮機24，且然後被引導至第二(低壓，lp)渦輪32，以用於經由與第一驅動軸30大體上同軸的第二(低壓，lp)驅動軸34來驅動增壓壓縮機22和風扇區段16。在驅動渦輪28和32中的各個之後，燃燒產物可從核心發動機14經由排氣噴嘴36排出，以提供推進噴氣推力。
應當認識到的是，各渦輪28,30可大體上包括一個或更多個渦輪級，其中各級包括渦輪噴嘴和下遊渦輪轉子。如將在下面描述的那樣，渦輪噴嘴可包括圍繞發動機10的中心線軸線12以環形陣列的形式設置的多個導葉，以用於通過渦輪級朝形成渦輪轉子的一部分的轉子葉片的對應環形陣列使燃燒產物流轉向或以其他方式引導燃燒產物流。如一般理解的那樣，轉子葉片可聯接到渦輪轉子的轉子盤，轉子盤又旋轉地聯接到渦輪的驅動軸(例如，驅動軸30或34)。
此外，如圖1中所示，發動機10的風扇區段16可大體上包括可旋轉的軸流式風扇轉子38，風扇轉子38構造成由環形風扇殼體40包繞。在特定實施例中，(lp)驅動軸34可諸如以直接驅動構造直接地連接到風扇轉子38。在備選構造中，(lp)驅動軸34可經由減速裝置37(如，處於間接驅動或齒輪驅動構造的減速齒輪齒輪箱)來連接到風扇轉子38。此種減速裝置可如期望或需要的那樣包括在發動機10內的任何適合的軸/轉軸之間。
本領域技術人員將認識到，風扇殼體40可構造成相對於核心發動機14由多個基本上徑向地延伸、周向地間隔的出口導嚮導葉42支承。因此，風扇殼體40可包圍風扇38和其對應的風扇轉子葉片44。而且，風扇殼體40的下遊區段46可在核心發動機14的外部分上延伸，以便限定提供額外的推進噴氣推力的副或旁通空氣流導管48。
在發動機10的操作期間，應當認識到的是，初始空氣流(由箭頭50指出)可穿過風扇殼體40的相關入口52進入發動機10。空氣流50然後行進通過風扇葉片44，且分成移動穿過導管48的第一壓縮空氣流(由箭頭54指出)和進入增壓壓縮機22的第二壓縮空氣流(由箭頭56指出)。第二壓縮空氣流56的壓力然後增大，且進入高壓壓縮機24(如箭頭58指出的)。在與燃料混合且在燃燒器26內燃燒之後，燃燒產物60離開燃燒器26，且流過第一渦輪28。此後，燃燒產物60流過第二渦輪32，且離開排氣噴嘴36，以對發動機10提供推力。
圖2為圖1中的發動機10的燃燒器26和第一渦輪28(即，高壓(hp)渦輪)的側截面圖。燃燒器26包括偏轉器76和燃燒器襯套77。成組的徑向地間隔的靜止渦輪導葉72在軸向方向上鄰近渦輪28的渦輪葉片68，其中相鄰導葉72在其間形成噴嘴。噴嘴使燃燒氣體轉向，以更好流入旋轉的葉片中，以便可由渦輪28提取最多的能量。當熱燃燒氣流h沿導葉72的外部經過時，冷卻流體流c穿過導葉72來冷卻導葉72。護罩組件78鄰近旋轉葉片68，以使渦輪28中的流動損失最小化。類似的護罩組件也可與lp渦輪32、lp壓縮機22、或hp壓縮機24相關。
發動機10的發動機構件中的一個或更多個包括膜冷卻的基底，在該基底中可提供在本文中進一步公開實施例的膜孔。具有膜冷卻基底的發動機構件的一些非限制性實例可包括在圖1-2中描述的葉片68、導葉或噴嘴72、燃燒器偏轉器76、燃燒器襯套77、或護罩組件78。使用膜冷卻的其他非限制性實例包括渦輪過渡導管和排氣噴嘴。
圖3為根據本發明的第一實施例的示出發動機構件80的一部分的示意截面圖。發動機構件80可為圖1中的發動機10的發動機構件，且可設置在由箭頭h表示的熱氣流中。可供應由箭頭c表示的冷卻流體流，以冷卻發動機構件。如上文關於圖1-2論述的，在渦輪發動機的背景下，冷卻空氣可為繞過發動機核心14的第一壓縮空氣流54，來自lp壓縮機22的流體、或來自hp壓縮機24的流體。
發動機構件80包括基底82，該基底82具有面對熱燃燒氣流h的熱表面84和面對冷卻流體c的冷卻表面86。基底82可形成發動機構件82的壁；壁可為發動機構件80的外部壁或內部壁。第一發動機構件80可限定包括冷卻表面86的至少一個內部腔或通道88。熱表面84可為發動機構件80的外側表面。在燃氣渦輪發動機的情況下，熱表面84可暴露於具有在1000℃到2000℃的範圍中的溫度的氣體。用於基底82的適合的材料可包括但不限於鋼、耐熱金屬如鈦，或基於鎳、鈷、或鐵的超級合金，以及陶瓷基質複合物。超級合金可包括處於等軸、定向凝固、且單晶的結構的那些。
在一個特定實施例中，基底82由陶瓷基質複合物(cmc)材料構造，該材料是具有高溫能力的非金屬材料。用於此種基底82的示範cmc材料可包括碳化矽、矽、二氧化矽、或氧化鋁基質材料以及它們的組合。陶瓷纖維可埋入基質內，如，包括單絲如藍寶石或碳化矽(例如，textron的scs-6)的氧化穩定增強纖維，以及粗紗和紗，該粗紗和紗包括碳化矽(例如，nipponcarbon的nicalon®、ubeindustries的tyranno®和dowcorning的sylramic®)、矽酸鋁(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)和無機填料(例如，葉臘石、鈣矽石、雲母、滑石、藍晶石和蒙脫土)。在一個實施例中，cmc材料在其厚度中由多個層(例如，大約4層到大約10層)形成。
當由cmc材料製成時，環境屏障塗層(ebc)可存在於基底82的表面上(圖中未示出)。例如，ebc可包括接合塗層(例如，包括矽或二氧化矽)、由一種或更多種稀土矽酸鹽形成的一個或更多個層(例如，多鋁紅柱石層、多鋁紅柱石-鹼土鋁矽酸鹽混合物層、單矽酸釔(yms)層、鐿摻雜的二矽酸釔(ybyds)層等中的一個或更多個)，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於使用的纖維束(絲束)的尺寸規定，且板層的厚度可隨纖維直徑而變化。對於本文中考慮的大多數應用，板層形成為二維織造織物，但也可使用一維纖維定向。然而，製造板層、鋪疊板層來形成構件部分的方法和用於複合物行業中的其他零件製造技術不意在限制本發明。鋪疊板層來形成的製品的形狀，相鄰板層的角度可取決於所需的平面強度而改變。可使用這些cmc材料製成的構件包括但不限於渦輪葉片、渦輪導葉、渦輪護罩和燃燒器襯套、殼體、熱屏蔽件和熱擴散器。這些熱區段構件都受益於使用冷卻空氣來提供足夠的冷卻，以在發動機操作期間實現熱傳遞，從而擴大它們的使用範圍。
發動機構件80還包括延伸穿過基底82的一個或更多個膜孔90，膜孔90提供內部腔88與發動機構件80熱表面84之間的流體連通。在操作期間，冷卻流體流c被供應至內部腔88且到膜孔90外，以在熱表面84上形成冷卻流體(例如，從壓縮機抽吸的空氣)的薄層或膜，從而相對於熱燃燒氣流h保護其。儘管圖3中示出了僅一個膜孔90，但應當理解的是，發動機構件80可設有以任何期望的構造布置在發動機構件80上的多個膜孔90。
應注意的是，在本文中所述的任一實施例中，儘管基底82示為大體上平面的，但應理解的是，基底82對於許多發動機構件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，且因此出於論述和例示目的，基底82示為平面的。不管基底82對於膜孔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於彼此，或可位於非平行平面中。
膜孔90可具有設在基底82的冷卻表面86上的入口92、設在熱表面84上的出口94，和連接入口92和出口94的通路96。通路96大體上限定在上遊內表面95與下遊內表面97之間，且可包括用於計量冷卻流體流c的質量流速的計量區段98，和冷卻流體c可擴張來形成更寬的冷卻膜的擴散區段100。計量區段98可為通路96的具有正交於穿過通路96的冷卻流體流c的方向的最小截面面積的一部分。計量區段98可為通路具有最小截面面積的不連續位置(discretelocation)，或通路96的細長區段。擴散區段100相對於穿過通路96的冷卻流體流c的方向在計量區段98的下遊。擴散區段100可與計量區段98串行流動連通。計量區段98可設在入口92處或其附近，而擴散區段100可限定在出口94處或其附近。如圖3中所示，計量區段98具有計量長度lm，且擴散區段100具有擴散長度ld。在某些實施例中，擴散長度ld比計量長度lm長(例如，ld≥2lm)。
穿過通路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，其穿過計量區段98的截面面積的幾何中心。在所示的實施例中，上遊內表面95基本上平行於中心線102。中心線102限定相對於局部外部表面切線85的中心線角度α。在特定實施例中，中心線角度α為大約15°到大約50°。下遊內表面97相對於中心線102以擴散角度φ延伸，從而有效地加寬通路96，以允許冷卻空氣擴散到熱表面84上。在某些實施例中，擴散角度φ為0°到大約15°(例如，大於0°到大約15°)。
膜孔90可向穿過通路96的冷卻流體流c的下遊方向傾斜，使得中心線102不正交於熱表面84且不正交於冷卻表面86。備選地，膜孔90可具有中心線102，該中心線102正交於中心線102穿過的基底82的局部區域中的熱表面和冷卻表面84,86中的一者或兩者。在其他實施例中，膜孔90的中心線102可不沿熱燃燒氣流h的方向定向，使得冷卻流體流c的向量不同於熱燃燒氣流h的向量。例如，具有複合角度的膜孔限定冷卻流動向量，該向量不但在截面中，而且在自上而下看熱表面84的的視圖中不同於熱燃燒氣流向量。
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可包括擴散器形狀(例如，側開孔)或在下面更詳細地論述的其他特徵。
出口94包括上遊邊緣104和下遊邊緣106，在上遊邊緣104和下遊邊緣106處，通路96與基底82的熱表面84相交。邊緣104,106可大體上相對於熱燃燒氣流h的方向限定，其中熱燃燒氣流h相對於熱表面84大體上限定上遊方向108和下遊方向110，即，經過出口94。上遊邊緣104大體上面對下遊方向110，且下遊邊緣110大體上面對上遊方向108。
發動機構件80還設有在基底82的熱表面84上的流動調節結構112。流動調節結構112在出口94上遊且與其物理地間隔，且構造成中斷跨過出口94的熱流體流h，以允許冷卻流體流c從出口94出現，以更有效地附著於熱表面84。
在所例示的實施例中，流動調節結構112包括在熱表面84中的至少一個凸脊。凸脊112不緊鄰出口94，而是由緩衝區114與出口94分開，使得凸脊112不與膜孔90物理地連接。當在截面中觀察時，如圖3中所示，凸脊112具有上遊邊緣116和下遊邊緣118，從而相對於熱燃燒氣流h的方向在其間限定長度l3。在一個實施例中，如下文參照圖3論述的，長度l3為大約0.5d到大約2d，其中d為從熱表面切線85到臺肩深度切線117的距離。
凸脊112可相對於膜孔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前方的上遊邊緣104的至少大約50%延伸(例如，圍繞上遊邊緣104的至少大約75%)。換言之，凸脊可圍繞出口94的上遊部分的至少大約90°(即，180°的至少大約50%)延伸，諸如圍繞上遊部分的至少大約135°。參看圖4，凸脊112圍繞中心線102前方的上遊邊緣104的大約100%延伸，以便完全地防護熱表面84上的膜孔90的上遊邊緣104。如圖所示，下遊邊緣106沒有在熱表面切線85上方圍繞中心線102下遊的下遊邊緣106的至少50%(例如，圍繞下遊邊緣106的至少大約75%)延伸的任何凸脊。
凸脊112可圍繞出口94的上遊部分沿其高度具有變化的高度。在大多數實施例中，如下文參照圖3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大於0直到大約d，其中d為從熱表面切線85到臺肩深度切線117的距離。
用於導致從出口94出現的冷卻流體流c附著於熱表面84的凸脊112的構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具有在上遊邊緣與下遊邊緣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恆定或可變化。
緩衝區114在出口94的上遊邊緣104與凸脊112的下遊邊緣118之間延伸。在所示的實施例中，緩衝區114包括在凸脊112下遊延伸的臺肩115。臺肩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下方的臺肩深度d處延伸。在基底82由層合cmc材料形成的一個實施例中，臺肩深度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)。臺肩115限定臺肩深度切線117。
臺肩115限定在出口94的上遊邊緣104與凸脊112的下遊邊緣118之間的長度l1。臺肩115的長度l1可從非常小使得凸脊112接近出口94變為更大，使得凸脊112與出口94間隔更遠。臺肩115保持膜孔90的出口94及其引出口形狀在功能上分開且與凸脊112間隔。這允許冷卻流體流c在遇到可改變此流動的熱氣體h之前在膜孔90的出口94處完全地形成或散開。在可能的長度l1範圍的最大端上，緩衝區114可能不是很遠以致於使其對流體流的調節效果無效；因此，最大可能長度l1可取決於冷卻流體流c的動量。因此，臺肩115的長度l1大體上達到大約3d(例如，大約0.5d到大約3d)，其中d是如參照圖3論述的從熱表面切線85到臺肩深度切線117的距離。
不希望受到任何特定理論的限定，相信臺肩11相對於在其最脆弱點處(為膜孔上遊邊緣)與熱流體流h的初始相互作用5屏蔽冷卻流體流c。臺肩115還可在冷卻流體c接近出口94時迫使以更表面切向的方式引導冷卻流體c，改變檢查員說其不滲透到熱流體流h中太遠。
將注意的是，本文中關於本發明的該實施例或任何其他實施例的計量區段98使用的用語「計量直徑d」不旨在將計量區段98限於任何特定的截面，其中計量區段98的截面是與穿過通路96的冷卻流體流c的方向垂直地確定的。在該實施例中，計量區段98大體上為圓形截面。然而，計量區段98的特定截面形狀對於本發明的其他實施例可不同；例如，計量區段98的截面形狀可為矩形或橢圓形。對於非圓形計量區段98，計量直徑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。對於仍大體上為圓形的每個非常不規則的計量區段98(諸如通常通過衝擊雷射加工(percussionlasermachining)產生的那些)，計量直徑d可為可穿過計量區段98而不損壞的最大圓形銷的直徑。對於也具有不規則表面的非圓形區段，計量直徑d可為可穿過而不損壞的適當地定形的最大銷的液力直徑。對於擴散區段100之前的非直的或非恆定的截面長度，相同的總體限定可用於最小截面面積位置處。
如所述，擴散區段100相對於穿過通路96的冷卻流體流c的方向在計量區段98的下遊，且限定在出口94處或其附近。擴散區段100大體上包括架101，該架101是從上遊架點103(限定在下遊內表面97與臺肩深度切線117相交處)到下遊邊緣106限定的，在下遊邊緣106處，架101與熱表面84(以大於擴散角度φ的相對於中心線102的角度)合併。架101大體上具有從上遊架點103延伸至下遊邊緣106的長度l2。如參照圖3所論述的，架101的長度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，以用於冷卻流體流c在與熱流體流h相互作用之前不久沿側向地擴張。
如圖4中所示，出口94的下遊邊緣106由架101與熱表面84的合併區域限定。大體上，下遊邊緣106處的架101的中心線99的任一側上的寬度可由相對於中心線99的側向擴散角度β限定。具體而言，側向擴散角度β從中心線99處的下遊邊緣106延伸至下遊邊緣106的各側上的側向擴散線109a,109b。各側向擴散線109a,109b從凸脊112的上遊邊緣116延伸至下遊邊緣106的最外點107a,107b。在大多數實施例中，側向擴散角度β大於0°到大約15°。
現在參看圖5和6，存在限定在膜孔90的擴散區段100中的兩個外葉120a,120b。外葉120a,120b中的各個用作擴散機構，從而允許冷卻流體流c在從計量區段98至擴散區段100中的過渡部分中側向地擴張。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中的各個具有沿相應的側向擴散線109a,109b作為開孔深度b測量的深度，該深度是沿中心線102向下至各外葉120a,120b的相應基部123a,123b測得的。開孔深度b可與總體擴散長度ld比較，其在大多數實施例中在長度ld的大約01.到大約0.75之間(即，b為長度ld的大約10%到大約75%)。
圖6示出了外葉120a,120b中的各個具有小於或等於計量直徑d的開孔有效直徑db。在大多數實施例中，開孔有效直徑db在計量直徑d的大約0.5到大約1之間(即，db為計量直徑d的大約50%到大約100%)。
圖7和8更具體地示出了限定在擴散區段100中的外葉120a,120b的輪廓，其中架101位於外葉120a,120b中的各個之間。注意，相應的開孔基部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的上遊架點103處截取的擴散區段100的截面圖，外葉120a,120b定位在擴散區段100的相反端部上，其中架101定位在其間。外葉120a,120b大體上限定沿擴散區段100的側部的開孔，該開孔比架101深。在特定實施例中，對於各外葉120a,120b的至少大約150°，諸如大約180°到大約270°，外葉120a,120b沿它們的相應直徑由擴散區段100的表面限定(例如，各外葉120a,120b的大於180°由表面物理地限定)。
在特定實施例中，膜孔是利用脈衝雷射器，使用連續的螺線運動來產生形狀，隨後使用衝擊鑽產生計量來產生的。例如，雷射鑽孔過程可使用nd:yag雷射器，但可使用可適於產生期望結果的任何其他雷射器。雷射器可產生具有預定計量直徑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，可相對於構件的表面以產生中心線角度α相稱的角度鑽取孔口(例如，大約15°到大約50°)。
在一個實施例中，膜孔是在雷射的點尺寸與期望的孔尺寸的計量直徑d相關的情況下產生的。使雷射以螺線運動的形式移動允許如期望那樣形成膜孔的截面。雷射燒蝕剛好在焦點正下方的cmc材料，從而形成孔口。同時，雷射能足以熔化緊鄰其的sic或sin基質材料。鑽孔操作的進行快速地發生，以致於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很短的距離，因為來自雷射器噴嘴的加壓空氣有助於冷卻其。重鑄材料基本上是二氧化矽，二氧化矽沿新形成的孔口的表面形成氧化屏障，以便不會發生沿該表面的cmc材料的退化，因為冷卻空氣被引入通路中。本領域技術人員將認識到的是，被引入構件中以將其溫度維持低於周圍環境溫度的「冷卻空氣」可具有超過1700℉的高溫。
本書面描述使用了實例來公開本發明，包括最佳模式，且還使本領域的任何技術人員能夠實施本發明，包括製作和使用任何裝置或系統，以及執行任何合併的方法。本發明的專利範圍由權利要求限定，且可包括本領域的技術人員想到的其他實例。如果此類其他實施例包括並非不同於權利要求的書面語言的結構元件，或如果它們包括與權利要求的書面語言無實質差別的等同結構元件，則期望此類其他實例在權利要求的範圍內。