渦輪機部件的冷卻壁及冷卻該壁的方法與流程

2023-09-18 03:58:05 3

本發明涉及渦輪機部件的冷卻壁。

背景技術：

重型燃氣渦輪發動機研發的一般任務是增加效率、動力輸出和渦輪機的部件的壽命。現有技術的渦輪機入口部段處的溫度熱氣體水平是1800-1900k，這遠高於渦輪機材料的熱穩定性限制，並且僅使用高度複雜的冷卻系統才允許在合理的冷卻劑消耗的情況下達到需要的壽命。然而，冷卻系統的引入不可避免地提供穿過冷卻壁上的溫度梯度，並且因此引入熱應力，這是冷卻系統的任務是針對可接受的壽命提供最低溫度和最小的溫度不均勻性水平兩者的原因。

由於燃燒室中生成的最高入口溫度水平(由於不均勻燒燃條件而能夠遠高於質量平均)和湍流水平，如燃燒器火焰筒(liner)和第一級導葉的燃氣渦輪機的這種部件遭受最為嚴苛的熱條件。

因此，針對導葉和內燃機部件的現有技術的冷卻的十分常見的實踐是使用大量的衝擊冷卻並且隨後通過薄膜冷卻排將冷卻劑排放至流動路徑。

燃氣渦輪發動機的進一步研發集中在循環參數的提升：壓力比和熱氣體溫度，其相應地將引起渦輪機和燃燒器部件的熱學邊界條件惡化，這承擔研發新型的、高度有效的冷卻系統的任務，以保證在規定的維護間隔內的可靠工作。

在二十世紀九十年代的開始，已經發起了高效的近壁冷卻方案的活躍研發。基於整合於壁的冷卻特徵(衝擊、銷柱、漩渦或者帶肋通路)並進一步向流動路徑排放的多種冷卻方案提出了高的冷卻有效性和壁的外側(熱氣體衝刷)所需的溫度水平的實現。然而，這種冷卻方案具有缺點，因為壁的內側(冷卻劑衝刷)完全被冷卻劑圍繞並具有非常低的溫度。由於兩側是一體的，因此這種大的金屬溫度差異提供高的熱應力並且限制部件的壽命。因此，也應當特別地關注穿過冷卻壁的這種溫度梯度的減小。

大多數獲得專利的冷卻方案應對成熟的製造技術(鑄造、機加工、釺焊)以及常規的冷卻特徵(衝擊、銷柱和圓筒形孔)。更普及的方案是衝擊與薄膜冷卻的組合，比如ep2256297b1、us3767322a、us4297077a、us7118326b2、us7497655b1(導葉)及us20100037620a1、us6761031b2(火焰筒)。所有這些方案均是可靠並且強健的，但是限制於當前的冷卻技術水平，且渦輪機入口參數的進一步增加需要更加有效的冷卻方案。

us8608430b1、us8414263b1、us5215431a提出帶有整合於壁的衝擊特徵的近冷卻構思。儘管給定的冷卻方案具有相當的冷卻有效性，但是由於被冷卻空氣環繞的厚冷壁，這種部件的壽命是相當有限的。

us5993156a和us7563072b1展示在弦線中部區域中帶有整合於壁的銷柱域(field)和螺旋通道的冷卻系統。儘管在這種冷卻特徵中實現的高傳熱率能夠非常有效地使熱氣體衝刷的壁的部分降低到所需水平，但是壁的厚的冷的部分將產生高的熱應力並限制該部分的壽命。

us5328331a提出可冷卻的翼型，其設有一體地形成的雙殼冷卻系統，其中內殼和外殼與捆系元件(基座、杆或者肋)一體地形成，且該捆系元件將殼間隔分開並機械且熱學地捆系殼。該方案提出相當靈活的系統，但是過於簡單的對流冷卻特徵對於現有技術的第一級部件是不可行的。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決前述問題，即提供可靠的冷卻壁。

本公開和示例實施例能夠減小穿過冷卻壁的溫度梯度並由此減小熱應力；針對可接受的壽命提供最小的溫度以及最小的溫度不均勻水平，避免使用大量的衝擊冷卻並且隨後通過薄膜冷卻排將冷卻劑排放到流動通道；避免提高循環參數：壓力比和熱氣體溫度，其相應地將導致渦輪機和燃燒器部件的熱邊界條件的惡化，並且對應地，保證規定的維護間隔內的可靠工作；避免壁的內側(冷卻劑衝刷)被冷卻劑完全圍繞並具有非常低的溫度，且避免提供高熱應力和限制部件的壽命的大的金屬溫度差異，以及減小穿過冷卻壁的這種溫度梯度；避免渦輪機入口參數的增加需要更加有效的冷卻方案；避免厚冷壁被冷卻空氣圍繞以及壁的厚冷部分。

要求保護的裝置涉及在出於通過減小穿過壁的側面的溫度梯度來提高壽命的特定目標的情況下由對流通道形成的新穎的冷卻流動網絡。將本發明區別於其它方案的本發明的主要方面如下：

-基於雙層冷卻方案建構的內部冷卻系統的使用，以通過冷卻通道的第一層並且同時用來自第一層的「預熱的」空氣加熱通過第二層的冷卻劑衝刷的表面來有效地冷卻壁的外側。這種冷卻流動配置允許減小穿過壁的側面的溫度梯度，並且因此減小熱應力並且提高部件的壽命。

-就壽命的觀點而言，使用圓筒形冷卻通道作為冷卻特徵通過移除尖角而是有益的。

-使用帶有轉彎的蛇形流動配置提供流動重構、漩渦和湍流水平的增加，以增強傳熱率並提供外側的高效冷卻直到所需的溫度水平。

-使用所提出的冷卻方案通過在第二蛇形層中「預冷」的已用(spent)空氣，允許有效地組織外部冷卻。

-所提出的冷卻方案允許相對於外部因素(諸如可得的壓力比和局部薄膜冷卻有效性)設置非常局部優化的冷卻傳熱率(通過改變對流通道的大小、轉彎尺寸)，並且以達到所得的金屬溫度和所有位置中的應力的最大均勻性為目標，移除所有臨界區並提供最大壽命和/或冷卻劑節約。

-在需要最大的冷卻均勻性效果的情況下，冷卻節段(冷卻壁)能夠被設置為逆向流動。在熱氣體暴露驅動(hotgasexposuredriver)顯著改變的情況下，能夠使用調整為特定方向的單個流動節段。

此外，由於蛇形的設置，能夠實現部件表面的更好的覆蓋和在實際上所有位置處的表面冷卻。

根據本發明，提供渦輪機部件的冷卻壁，其包括：

用於冷卻劑的第一層通道，其面向熱氣體流，所述第一層具有蛇形形狀，所述第一層的每個通道均具有入口和出口；

用於冷卻劑的第二層通道，其布置成比所述第一層更遠離熱氣體流，所述第二層的每個通道均具有入口和出口，所述第一層的每一個所述通道的所述出口與所述第二層的相關聯的通道的對應入口流體連通，從而形成彎折部，以便當冷卻劑進入所述第二層的通道時改變離開所述第一層的所述通道的冷卻劑的方向。

所述第二層的通道中的至少一部分具有蛇形形狀。

所述第二層的通道中的至少一部分具有筆直的形狀。

所述第一層的通道的入口中的至少一部分具有大致90°的彎折部，以便供應冷卻劑。

所述第二層的通道的出口中的至少一部分具有大致90°的彎折部，以便排放冷卻劑。

通過所述第一層的每個所述通道的所述出口與所述第二層的相管理的通道的對應入口相關聯而形成的彎折部等於180°。

第一層的通道適於相對於第二層的通道中的流動使流動以逆流方式通過。

第一層的通道適於使得第一層的一個通道中的流動相對於第一層的其它通道中的流動以逆流方式流動。

第二層的通道適於使得第二層的一個通道中的流動相對於第二層的其它通道中的流動以逆流方式流動。

冷卻壁的側面覆蓋所述第一層和所述第二層。冷卻壁具有矩形形狀。第一層通道和第二層通道位於冷卻壁內側。

第一層的通道和第二層的通道彼此相對地定位，其中第一層的通道具有沿通道的軸向延伸部的重複的曲線圖案，並且第二層的通道具有沿通道的軸向延伸部的重複的曲線圖案，並且其中第一層的通道相對於第二層的相關聯的通道位移重複圖案的間距的一半。

此外，根據所要求保護的發明，提供一種用於相應地冷卻上文提及的壁，並減小所述壁中的熱梯度的方法，所述方法包括以下步驟：

將冷卻劑饋送至第一層通道內；

通過使冷卻劑流動通過所述第一層通道來冷卻所述壁；

從所述第一層通道將冷卻劑排放至第二層通道內；

使冷卻劑流動通過第二層通道，以便減小壁中的溫度梯度；及

從第二層通道排放冷卻劑。

冷卻劑能夠在第一層通道中被供應並從冷卻壁的一側處的第二層通道被排放。

冷卻劑能夠在第一層通道中被供應並從冷卻壁的相對側處的第二層通道被排放。

使第一層的通道中的流動相對於第二層的通道中的流動以逆流方式通過。

可能使第一層的一個通道中的流動相對於第一層的其它通道中的流動以逆流方式通過。

可能使流動通過，使得第二層的一個通道中的流動相對於第二層的其它通道中的流動以逆流方式流動。

此外，根據所要求保護的本發明，還提供一種渦輪機導葉，其包括上文提及的冷卻壁。

此外，根據所要求保護的本發明，還提供燃燒器火焰筒，其包括上文提及的冷卻壁。

本發明的目標和方面也可以從本發明的以下描述中看到。

由於最高的入口溫度水平(由於不均勻的燒燃條件而能夠遠高於質量平均)和燃燒室中生成的湍流水平，第一級導葉和燃燒器火焰筒承受最為嚴苛的熱學條件。燃氣渦輪發動機的進一步研發集中在循環參數的提升，所述循環參數為：壓力比和熱氣體溫度，其相應地將導致渦輪機和燃燒器部件的熱學邊界條件的惡化，這承擔研發新穎的、高度有效的冷卻系統的任務，以保證在規定的維護間隔內的可靠工作。活躍地研髮帶有一體式冷卻特徵(衝擊、銷柱、漩渦或者帶肋通路)的近壁冷卻方案是將冷卻部件的壁的外側(熱氣體衝刷)溫度降低到所需水平的突破性方式，然而，儘管其有非常高的冷卻有效性，但是這種方案在壽命方面有限制，原因在於非常低的壁的內側(冷卻劑衝刷)溫度(幾乎等於冷卻劑溫度)，這引起高的溫度梯度和熱應力。

所提出的冷卻流動配置的方案確保前述部件的所需的壽命。這種方案被稱為新型冷卻流動網絡，其由雙層對流通道構成，以由第一層冷卻通道有效地使壁的外側冷卻下來，同時用來自第一層的「預熱的」空氣通過第二層加熱壁的內側。這種冷卻流動配置允許減小穿過壁的側面的溫度梯度，並由此減小熱應力，並顯著地改進部件的壽命或者在以相同壽命為目標的情況下提供明顯的冷卻劑節約。

所提出的冷卻方案使用帶有蛇形流動配置的圓筒形冷卻通道，所述通道帶有轉彎以產生高的熱傳遞增強以及高度有效地將熱氣體衝刷的表面冷卻到所需的溫度水平。另外的冷卻劑能夠被引導到其它節段或者對流冷卻特徵，或藉助於薄膜冷卻(空氣已在第二蛇形層中「預冷」)被排放到流動路徑。所提出的方案相當強健，能夠調整並且通過在使用比如選擇性雷射熔化(slm)的高精度增材製造方法的情況下製造而最大程度地有益。所提出的冷卻方案具有大面積的應用性：除了導葉翼型和燃燒器火焰筒之外，也能夠針對第一級葉片翼型和導葉平臺的冷卻實現該方案。

本發明相比於最好的現有技術方案的優點在於壽命的改進(渦輪機葉片、燃燒器火焰筒)和/或冷卻劑節省。

附圖說明

圖1示出本發明的第一實施例的側視圖和流動設置。

圖2示出本發明的第一實施例的平面圖和流動設置。

圖3示出本發明的第一實施例的透視圖和流動設置。

圖4示出本發明的第二實施例的透視圖和流動設置。

圖5示出本發明的第三實施例的透視圖和流動設置。

具體實施方式

圖1、2和3示出所要求保護的發明的第一實施例，即，渦輪機部件的冷卻壁(用於渦輪機部件的熱交換裝置)，其包括第一層3用於冷卻劑的蛇形冷卻通道、第二層5用於冷卻劑的蛇形冷卻通道。這些通道是管。第一層3蛇形冷卻通道中的每個通道均包括入口1和出口8。第二層5蛇形冷卻通道中的每個通道均包括入口9和出口7。第一層的每個通道均包括定位成靠近第一層的每個通道的入口1的第一90度彎折部2。第一層的每個通道均包括定位成靠近第一層的每個通道的出口8的第二90度彎折部，並且第二層的每個通道均包括定位成靠近第二層的每個通道的入口9的第三90度彎折部。第二90度彎折部和第三90度彎折部相關聯(連接)並形成180度彎折部4。第二層的每個通道均包括定位成靠近第二層的每個通道的出口7的第四90度彎折部。從改進的壽命的觀點而言兩層的通道均被實現為圓筒形。第一層3的通道定位成彼此平行。第二層5的通道定位成彼此平行。第一層4的通道相對於第二層5的通道平行。第二層的出口7從第一層的入口1朝向180度彎折部4位移。如上文所述，這兩層的通道均具有蛇形形狀，即它們具有如圖2中所示的正弦形形狀。其中，第一層的每個正弦形通道均相對於第二層的相關聯的正弦形通道位移一半間距(半步)，如圖2中所示。換言之，第一層3的通道和第二層5的通道定位成彼此相對，其中第一層3的通道的蛇形形狀沿第一層3的縱向方向限定多個彎折部10，且第二層5的通道的蛇形形狀沿第二層5的縱向方向限定多個彎折部11，且第一層3的每個通道相對於第二層的相關聯的通道11位移正弦曲線(正弦線)的一半間距，即第一層中的第一蛇形冷卻通道和第二層中的第二蛇形冷卻通道位於彼此上方，並且其中第一蛇形和第二蛇形在蛇形的主要延伸部中偏移，使得第一蛇形中蛇形的一個方向上的轉彎位於第二蛇形相反方向上轉彎的某個位置上。這個特徵也可以以下方式說明，第一層的通道和第二層的通道彼此相反定位，其中第一層通道沿著通道軸向延伸具有重複曲線圖案，且第二層通道沿著通道的軸向延伸具有重複曲線圖案，並且其中第一層的通道相對於第二層的相應通道位移重複圖案的一半節距。可替換地，可以記載為，第一蛇形是第二蛇形沿著蛇形延伸的鏡像圖像。由於蛇形的這種設置，可以實現對部件表面的更好覆蓋以及實際上在對表面所有地方的冷卻。

第一層3面向渦輪機部件的壁的外側(熱氣體衝刷)且第二層面向部件的壁的內側(空氣衝刷)。冷卻的壁具有矩形形狀。通道的第一層和通道的第二層位於冷卻壁內側，即第一層通道和第二層通道由冷卻壁的側面覆蓋。

冷卻壁的內側上存在第一細長矩形凸起。所述第一凸起定位成穿過冷卻壁並鄰近其第一端側面。入口1定位成比凸起更接近冷卻壁的所述第一端側面，且出口7定位成比凸起更遠離所述第一側端面，即，凸起定位在入口1和出口7之間。

在第一層的通道的入口1中供應冷卻劑。冷卻劑流動通過彎折部2和第一層3的通道。當流動通過第一層的通道時，冷卻劑冷卻部件的壁的外側(熱氣體衝刷)，且對應地，冷卻劑在流動通過第一層的通道期間被加熱。然後，加熱的冷卻劑流動通過第二層5的通道中的彎折部4，以加熱部件的壁的內側(空氣衝刷)，並且目的在於減小穿過壁的金屬溫度梯度和已用的冷卻劑溫度，其中當冷卻劑離開所述第一層的所述通道並進入所述第二層的通道時，冷卻劑的方向被改變。此後，冷卻劑流動通過第二層的通道的出口7的第四90度彎折部6，並且冷卻劑從第二層的通道的出口7被排放出。進一步地，冷卻劑能夠被引導至其它冷卻壁或者對流冷卻特徵，或者藉助於薄膜冷卻被排放到流動通道。

圖1、2和3示出第一實施例，其中第一層的通道中的流動相對於第二層的通道中的流動以逆流方式經過。第一層的通道中的流動相對於彼此以並流方式(平行)經過。第二層的通道中的流動相對於彼此以並流方式(平行)經過。

圖4示出本發明的第二實施例，其中第二層5的通道是筆直的。第二實施例的其它特徵與第一實施例的上述特徵相同。在受限制的可得壓力比的情況下，通過實現第二層通道的筆直部段(第二層)5以降低冷卻節段(見圖4)中的整體壓力損失能夠提升冷卻通道的流量容力(flowcapacity)。然而，熱氣體衝刷的表面必須總是由蛇形冷卻通道(第一層)3冷卻以保持高的冷卻傳熱率。

圖5示出本發明的第三實施例的透視圖，其中第二層5的通道是筆直的。在該實施例中，第一層的通道適於使流體相對於彼此以逆流方式經過，並且第二層的通道適於使流體相對於彼此以逆流方式經過，即，第一層的通道中的流動相對於彼此以逆流方式經過，且第二層的通道中的流動相對於彼此以逆流方式經過。此外，第二層和第一層的通道的入口和出口在冷卻壁的相對端側面上交替，即在冷卻壁的第一端側面上，第一層的一個通道的入口1以及第二層的一個通道的出口7與第一層的其它通道的出口8以及第二層的其它通道的入口9等交替。不同地，在與第一端側面相對的冷卻壁的第二端側面上，第一層的一個通道的出口8和第二層的一個通道的入口9與第一層的其它通道的入口1和第二層的其它通道的出口7等交替。冷卻壁的內側上存在第二細長矩形凸起。第二凸起定位成鄰近冷卻壁的第二端側面，該第二端側面與第一端側面相對。第二凸起等同於第一凸起。第二實施例的其它特徵與第一實施例的上述特徵相同。

冷卻壁的進一步優化的更多示例在圖5中描繪。在此通道被引導為逆流向彼此，以提供冷卻暴露的最大的均勻性和因此壁溫度的最大均勻性。

所提出的冷卻壁具有大面積的應用性：除了導葉翼型和燃燒器火焰筒之外，也能夠針對第一級葉片翼型和導葉平臺的冷卻實現該方案。能夠通過使用比如選擇性雷射熔化(slm)的高精度增材製造方法來製造零件。各種基礎的冷卻壁被設置為冷卻透視性(perspective)第一級導葉翼型的弦線中部區域(壓力側和吸力側兩者)。不同的蛇形通道長度適於取決於冷卻劑排放位置的可得的壓力比。節段被引導為逆流，以便實現最均勻的冷卻效果。

就上文提及的內容而言，所提出的冷卻方案的基本構思是基於雙層實現的蛇形冷卻通道的組合。所提出的典型的冷卻節段的構思包括七個特徵(見圖1、2)。(「1」)為通向冷卻通道的饋送入口，其驅動冷卻劑朝向第一蛇形層(「3」)冷卻壁的外側(熱氣體衝刷)穿過第一90度彎折部(「2」)。在某個冷卻部段之後(取決於可得的壓力比)存在180度彎折部(「4」)以驅動「預熱的」冷卻劑進入第二蛇形層(「5」)，從而以減小穿過壁的金屬溫度梯度以及已用的冷卻劑溫度為目的設置壁的內側(空氣衝刷)的加熱。「6」是最後的90度彎折部，以將冷卻劑排出冷卻節段「7」。此外，冷卻劑能夠被引導至其它節段或者對流冷卻特徵，或者藉助於薄膜冷卻被排放至流動通道。從改進壽命的觀點而言，這兩層冷卻通道被實現為圓筒形。冷卻通道中的熱交換增強由其蛇形配置提供-90度轉彎提供流動重構、漩渦以及湍流水平的增加，其允許達到所需的熱交換強度水平，從而有效地使壁的外側冷卻下來。轉角的圓化的邊緣的實現允許控制壓力損失以及熱交換強度水平，以根據可得的壓力比調整系統。圖3描繪基礎冷卻節段的等距視圖。

在受限制的可得壓力比的情況下，通過實現第二層通道的筆直部段(「5」)以減小冷卻節段(見圖4)中的整體壓力損失能夠提升冷卻通道的流量容力。然而，熱氣體衝刷的表面必須總是由蛇形冷卻通道(「3」)冷卻，以保持高的冷卻換熱率。

冷卻節段的進一步優化的更多示例在圖5中繪出。在此冷卻蛇形通道被引導成相對於彼此逆流，以提供最大的冷卻暴露的均勻性及因此壁溫度的最大均勻性。