流體機械的冷卻構件及其鑄造方法和有該構件的燃氣輪機的製作方法

2023-06-27 09:11:36

專利名稱：流體機械的冷卻構件及其鑄造方法和有該構件的燃氣輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種被熱工質流過的流體機械的冷卻構件，尤其是燃氣輪機的渦輪葉片，在其可受工質衝擊的外壁內設冷卻通道，它沿其縱軸線可以流過冷卻流體。此外，本發明涉及帶有該冷卻構件的燃氣輪機和鑄造該冷卻構件的方法。
背景技術：
由雜誌「Konstruktion」(Zeitschrift für Produktentwicklung undIngenieur-Werkstoffe，55，2003年，第9冊，第IW9頁)已知一種換熱管，它有沿其縱軸線延伸的位於內部並繞主流方向旋轉的肋。這些肋用於增大管的內表面並在流過管的介質內造成扭轉。由此與光滑管相比應達到增強傳熱的目的。
此外，例如已知燃氣輪機的渦輪葉片設計為冷卻構件。在燃氣輪機內通過燃料的燃燒產生的熱工質為了產生旋轉能量沿轉子的葉片流過。為了使葉片在高溫下得到保護，葉片藉助空氣或蒸汽冷卻。為此，燃氣輪機的葉片有一個在葉身內部的前緣區域內延伸以及沿轉子縱向延伸的通道。在此通道內流動的冷卻流體冷卻熱負荷特別高的前緣。例如由DE19738065A1已知這種葉片。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種燃氣輪機的冷卻構件，它能為了提高效率有效地冷卻。此外，本發明要解決的另一技術問題是提供一種燃氣輪機和一種鑄造冷卻構件的方法。
上述第一個技術問題通過一種被熱工質流過的流體機械的受冷卻構件來解決，尤其是燃氣輪機的渦輪葉片，在其可受工質衝擊的外壁內設有一冷卻通道，該冷卻通道供一種冷卻流體沿其縱軸線流過，其中，在該冷卻通道中設有一裝置，它賦予流動的冷卻流體一種扭轉，以及該用於賦予扭轉的裝置由至少一個設在冷卻通道內表面上的導引件構成，按照本發明，該導引件沿一條具有螺旋角為45°或45°以上的螺旋線延伸。
上述第二個技術問題則通過一種具有按照本發明的所述構件的燃氣輪機以及一種用於鑄造按照本發明所述冷卻構件的方法來解決，按照該方法，在一個具有一個可置入以構成所述冷卻通道的型芯的鑄模中鑄造出所述構件，其特點在於，在該型芯置入前，在該型芯上加工出所述導引件結構和/或湍流發生元件結構。
本發明以下列認識為出發點基於熱傳導，冷卻介質在冷卻通道內的流動過程中連續被加熱並與此同時膨脹。但體積的這種連續增大不斷降低冷卻流體的流速，因此冷卻通道的下遊段與上遊段相比有不同的熱傳導。為了補償這種效應，冷卻流體通過賦予扭轉而加速，以補償體積引起的減速。因此，通過賦予足夠大的扭轉，可以沿冷卻通道調整為均勻的熱傳導。通過在冷卻流體內的扭轉達到增強熱傳導。因此構件可以有效冷卻，這或可以利用來節省冷卻流體，或可以利用來排出更多熱量。在兩種情況下均提高冷卻效果，其結果是或通過提高熱燃氣溫度導致提高效率，或通過降低構件熱負荷導致提高經濟性。
當用於賦予扭轉的裝置設計為至少一個設在冷卻通道內表面上的導引件時，可以在冷卻流體上施加一角動量，導引件沿一條具有45°或45°以上螺旋角的螺旋線延伸。因此在冷卻流體流中在當地賦予另一個沿冷卻通道周向的分量，它意味著繞主流方向的扭轉。
按本發明的一項特別有利的設計，冷卻通道按多頭螺旋的形式有多個螺旋角一致的導引件。由此形成一個流入冷卻通道中心的核心流，由該核心流再構成一些橫向於主流方向定向的分流作為連續的支流。因此，所有在各導引件之間存在的流動通道分段可以互相連通。沿縱軸線經由導引件尖頂構成的受控制和有效的核心流，導致提高熱傳導方面的功率值。
當每個導引件以一個徑向高度伸入冷卻通道內以及這一徑向高度小於冷卻通道直徑的二分之一時，可以在冷卻通道內部的中央構成中心的核心流。因此，冷卻通道在中央沒有實心的核芯。
恰當地，每個導引件的徑向高度大體等於冷卻通道直徑的0.2倍。
按一項有利的建議，導引件以一個徑向高度伸入冷卻通道內，此徑向高度沿導引件的螺旋形延伸過程是不同的。因此橫向於冷卻流體主流方向流動的流入流動通道分段內的分流，可以與要冷卻的構件當地的熱力條件滿足需要地匹配。
當冷卻通道在其內表面上有至少一個湍流發生元件時，可以實現進一步提升熱傳導。尤其是當湍流發生元件設計為橫向於導引件螺旋線延伸的肋，或設計為一個肋的一些對齊或錯開的分段，或設計為榫舌時，可以達到提高熱傳導的目的。在冷卻流體內通過湍流發生元件引起的渦流，同樣可以使用於在局部匹配和提升熱傳導。
特別有利的設計是，湍流發生元件以一個徑向高度伸入冷卻通道內，以及此徑向高度小於導引件的徑向高度。因此，冷卻流體形成扭轉的分流不會受到過度的幹擾。在這裡，每個湍流發生元件的徑向高度大體等於冷卻通道直徑的0.1倍。
當導引件的螺旋角沿冷卻通道不同時，可以實現與當地的冷卻要求相匹配。因此，或多或少產生一個橫向於冷卻流體主流方向的分流。這可以根據設計實現冷卻流體加速或減速，由此可以有利的方式影響外壁向冷卻流體的熱傳導。
按一項有利的設計，用於賦予扭轉的裝置的橫截面按尖角螺紋的方式、按梯形螺紋的方式、按鋸齒螺紋的方式或按圓螺紋的方式成形。
恰當地，冷卻構件可以是渦輪導向葉片、渦輪工作葉片、導引環或燃燒室熱屏。
特別有利的設計是，構件是渦輪導向葉片或渦輪工作葉片，以及冷卻通道在葉片前緣區內沿葉片縱向延伸。
優選地，設在具有冷卻通道的渦輪工作葉片內的湍流發生器僅裝備在面朝吸力側外壁的冷卻通道周緣的區域或部分內。通過轉子和與之共同運動的渦輪工作葉片的旋轉，在冷卻通道內流動的冷卻流體中出現二次流，它們導致沿冷卻通道的周緣從葉片材料向冷卻流體不同的在通道方面的熱傳導。在面朝渦輪工作葉片壓力側外壁的冷卻通道周緣區內，通過所述的旋轉導致有比面朝吸力側外壁的區域內更高的流線密度(並因而更高的冷卻流體壓力)，所以在通道方面與吸力側的外壁相比，壓力側的外壁得到更好的冷卻。但是渦輪葉片的吸力側外壁基於熱燃氣繞流遭受比壓力側外壁更高的溫度。因此在渦輪工作葉片中與壓力側外壁相比希望吸力側外壁賦予不同的更強的冷卻。考慮到這一要求，有利地將湍流發生器僅設在面朝吸力側外壁的通道周緣區內。由此，在此部位可以達到比迄今更強的在通道方面的熱傳導。
此外，為了按鑄造工藝藉助鑄模製造構件，本發明建議在鑄造時製造用於賦予扭轉的裝置，為此在一個為構成冷卻通道應置入鑄模內的型芯中在其置入前，加工出相應的導引件結構和/或湍流發生元件結構。


下面藉助

本發明。其中圖1表示在前緣區有冷卻通道的渦輪葉片；圖2表示通過具有冷卻通道的渦輪葉片葉身的剖面；圖3表示用於帶有導引件和渦流發生元件的冷卻構件的冷卻通道；圖4表示用於燃氣輪機燃燒室具有冷卻通道的燃燒室熱屏；圖5表示用於燃氣輪機流動通道有冷卻通道的導向環；以及圖6表示按本發明的燃氣輪機。
具體實施例方式
燃氣輪機及其工作方式是眾所周知的。圖6表示一臺燃氣輪機11，包括壓氣機13、燃燒室15和透平單元17，它們沿燃氣輪機11的轉子19彼此相繼。在燃氣輪機11的轉子19上連接工作機械，例如發電機(未表示)。
不僅在壓氣機13內而且在透平單元17中，都彼此相繼地分別在葉片環21、25內裝備導向葉片23和工作葉片27。
在燃氣輪機11運行時，空氣L被壓氣機13吸入並壓縮。壓縮空氣接著供入燃燒室，以及在添加燃料B的情況下燃燒為熱的工質A。在透平單元17中熱工質A在工作葉片27上膨脹作功，工作葉片27驅動轉子19，以及轉子傳動壓氣機13和驅動圖中未表示的工作機械。
在這裡，透平單元17的導向葉片23和工作葉片27用一種冷卻流體KF，例如空氣或蒸汽冷卻，使它們能耐受在那裡存在的熱工質A的溫度。一個這種導向葉片23作為冷卻構件28表示在圖1中。導向葉片23沿葉片軸線29彼此相繼地有葉根31、平臺區33和葉身35。葉身35包括壓力側外壁36和吸力側外壁38從前緣37向出口邊39延伸。在前緣37的區域內設一個平行於葉片軸線29延伸的冷卻通道41，在其內表面設伸入冷卻通道41中的導引件43。
圖2表示通過渦輪葉片葉身35的剖面，此渦輪葉片可以設計為導向葉片23或工作葉片27。在前緣37的區域內設直徑D的冷卻通道41。按四頭螺旋形式的四個導引件43伸入冷卻通道41中。直徑D由冷卻通道橫截面的一個可以再分為分段的邊界描述，它屬於一個與冷卻通道橫截面面積相同的圓。
導引件43的橫截面朝冷卻通道41中心49的方向類似於鋸齒螺紋逐漸成尖的。按另一種方案，導引件的橫截面也可以是梯形、三角形。
圖3表示有一個處於螺旋線44上的導引件43的冷卻通道41。在這裡冷卻流體KF的主流方向沿冷卻通道41的縱軸線45延伸。導引件43的螺旋線44相對於每個垂直於縱軸線45的平面有一個等於或大於45°的螺旋角S。此外，導引件43以一個徑向高度h1伸入橫截面圓形的冷卻通道41內，徑向高度的數量級為直徑D的0.2倍。圖3還表示了橫向於導引件43的螺旋線44延伸的肋狀或榫舌狀湍流發生元件47，它沿徑向的高度h2小於導引件43的徑向高度，尤其數量級為直徑D的0.1倍。
在燃氣輪機11運行時，渦輪葉片的葉身35被工質A繞流。為了冷卻熱負荷特別高的外壁36、38，冷卻流體KF，例如壓縮空氣，沿縱軸線45的方向流過冷卻通道41。導引件43賦予冷卻流體KF一個橫向於主流方向，尤其沿周向定向的流動分量。由此造成一個流動到中心49內的被扭轉的核心流，它繞冷卻通道41的縱軸線45旋轉。如此在冷卻流體KF上施加的角動量，可使核心流朝冷卻通道41的外邊緣流入窩狀的流動通道分段50中。由此達到的冷卻流體更好地攪動，一方面導致均勻冷卻效果，以及另一方面導致加強從外壁向冷卻流體KF的熱傳導。因此實現渦輪葉片前緣37更有效的冷卻。
業已證實圖示的設計應用在工作葉片27中是特別有利的，因為工作葉片27隨同轉子19旋轉並因而使冷卻流體KF受離心力作用。按螺紋螺旋的形式繞卷的肋狀導引件43，造成冷卻流體KF橫向於主流方向定向的扭轉狀運動，所以這些也稱為二次流的分流使熱傳導的有效性得到提高。因此可以節省冷卻空氣以提高燃氣輪機的效率。取代降低冷卻空氣流量，通過改善當地的熱傳導以及加強通過冷卻流體的散熱，可以允許提高熱工質A的溫度，其結果是同樣導致燃氣輪機11提高效率。
在這裡，導引件43的徑向高度h1可以沿冷卻通道41的周緣和/或長度增大和減小地延伸，從而可以獲得不同大小的橫向分流。湍流發生元件47設在工作葉片27冷卻通道41部分圓周上的流動通道分段50中，這些分段沿轉子19的旋轉方向可認定是屬於冷卻流體流內在當地壓力較低的冷卻通道41周緣的超前部段，換句話說，湍流發生元件47被設在冷卻通道41面朝吸力側外壁38(見圖2)的那一側上。
隨著扭轉增強，冷卻流體流的體積流量變小，與此同時冷卻流體流量和激勵熱傳導的當地湍流增強。冷卻效果的湍流激勵，在當地通過在旋轉系統內超前的通道側上有目的地安置湍流發生元件47，通過在肋結構區內的流動導引得到支持，從而減小了離心力場對冷卻流體流的熱傳導不利的遙控作用，以及導致當地溫度梯度的平勻化和改善低周期疲勞特性。
圖4表示燃燒室熱屏55作為燃氣輪機的一個冷卻構件28。燃燒室熱屏55有一個可受熱工質衝擊的外壁36a，其中設多個用於冷卻它的冷卻通道41。為了在流過冷卻通道41的冷卻流體KF內造成角動量，通道41按四頭螺旋的方式各設計有四個導引件43。
圖5表示燃氣輪機11的轉子19和固定在轉子上的工作葉片27。沿工作葉片27的工質A流動方向相鄰地設一導向葉片23。工作葉片27的葉身35沿徑向的外端處，導向環61與葉尖52互相對置。導向環61構成透平單元17流動通道沿徑向對外的邊界。為了冷卻導向環61的外壁36b設多個冷卻通道41，其中可以流入冷卻流體KF，在這裡多個導引件43賦予冷卻流體KF一角動量或扭轉。
同樣可以在燃燒室熱屏55和/或導向環61的冷卻通道圓周區內使用湍流發生器47，它與可供入熱燃氣的外壁距離最近地彼此對置。
類似於圖2，按圖5在工作葉片27內在前緣37區中設冷卻通道41，其中導引件43賦予冷卻流體KF一種扭轉。在冷卻通道43沿徑向處於遠外部的區域65內，螺旋線44的螺旋角S與沿徑向在裡面的區域67相比增大，其結果是導致冷卻流體KF加速。因此，可以做到有針對性地影響冷卻流體KF的流速和熱傳導。
冷卻構件28，尤其是工作葉片27，眾所周知通過鑄造工藝製造。在這種情況下有利地將用於賦予扭轉的裝置，亦即導引件43和必要時湍流發生元件，在鑄造時便已經顧及，為此在一個應置入鑄模內以形成冷卻通道用的型芯上在其置入前加工出相應的導引件結構和/或湍流發生元件結構。
同樣可以設想，通過一種適用的蝕刻法或藉助一種分兩步的加工工藝如螺紋鑽孔法在實心葉片內製成所述肋狀導引件43。
權利要求
1.一種被熱工質(A)流過的流體機械的受冷卻構件(28)，尤其是燃氣輪機(11)的渦輪葉片，在其可受工質(A)衝擊的外壁(36、38)內設有一冷卻通道(41)，該冷卻通道(41)供一種冷卻流體(KF)沿其縱軸線(45)流過，其中，在該冷卻通道(41)中設有一裝置，它賦予流動的冷卻流體(KF)一種扭轉，以及該用於賦予扭轉的裝置由至少一個設在冷卻通道(41)內表面上的導引件(43)構成，其特徵為該導引件(43)沿一條具有螺旋角(S)為45°或45°以上的螺旋線(44)延伸。
2.按照權利要求1所述的構件(28)，其特徵為所述冷卻通道(41)按多頭螺旋的形式有多個螺旋角(S)一致的導引件(43)。
3.按照權利要求1或2所述的構件(28)，其特徵為每個導引件(43)以一個徑向高度(h1)伸入冷卻通道(41)內，這一徑向高度(h1)比冷卻通道(41)直徑(D)的二分之一小。
4.按照權利要求3所述的構件(28)，其特徵為所述導引件(43)的徑向高度(h1)大體是冷卻通道(41)直徑(D)的0.2倍。
5.按照權利要求1至4之一所述的構件(28)，其特徵為所述導引件(43)以一個徑向高度(h1)伸入冷卻通道(41)內，此徑向高度(h1)沿導引件(43)的螺旋狀延伸路徑是不同的。
6.按照權利要求1至5之一所述的構件(28)，其特徵為所述冷卻通道(41)在其內表面上有至少一個湍流發生元件(47)。
7.按照權利要求6所述的構件(28)，其特徵為所述湍流發生元件(47)設計為橫向於，尤其是垂直於所述導引件(43)的螺旋線(44)延伸的肋。
8.按照權利要求6所述的構件(28)，其特徵為所述湍流發生元件(47)以一個徑向高度(h2)伸入冷卻通道(41)內，這一徑向高度(h2)小於所述導引件(43)的徑向高度(h1)。
9.按照權利要求8所述的構件(28)，其特徵為所述湍流發生元件(47)的徑向高度(h2)大體是冷卻通道(41)直徑(D)的0.1倍。
10.按照權利要求1至4所述的構件(28)，其特徵為所述螺旋角(S)沿冷卻通道(41)是不同的。
11.按照權利要求1至10之一所述的構件(28)，其特徵為所述用於賦予冷卻流體扭轉的裝置的橫截面按尖角螺紋的方式，按梯形螺紋的方式，按鋸齒螺紋的方式或按圓螺紋的方式成形。
12.按照權利要求1至11之一所述的構件(28)，其特徵為該構件是渦輪導向葉片、渦輪工作葉片、導向環(41)或燃燒室熱屏(55)。
13.按照權利要求1至12之一所述的構件(28)，其特徵為在渦輪導向葉片或渦輪工作葉片的情況下，所述冷卻通道(41)在葉片前緣(37)的區域內沿葉片縱向(29)延伸。
14.按照權利要求6至13之一所述的構件(28)，其特徵為在渦輪工作葉片的情況下，所述設在冷卻通道(41)內的湍流發生器(47)僅設置在面朝吸力側外壁(38)的所述冷卻通道周緣的區域內。
15.一種具有按照權利要求1至14之一所述構件(28)的燃氣輪機(11)。
16.一種用於鑄造按照權利要求1至15之一所述冷卻構件(28)的方法，其中，在一個具有一個可置入以構成所述冷卻通道(41)的型芯的鑄模中鑄造出所述構件(28)，其特徵為在該型芯置入前，在該型芯上加工出所述導引件結構和/或湍流發生元件結構。
全文摘要
本發明涉及一種被熱工質(A)流過的流體機械的受冷卻構件(28)，尤其是燃氣輪機(11)的渦輪葉片，在其可受工質(A)衝擊的外壁(36、38)內設有一冷卻通道(41)，該冷卻通道(41)可供一種冷卻流體(KF)沿其縱軸線(45)流過。為了更加有效地冷卻燃氣輪機的該構件，建議，在冷卻通道(41)中設一種賦予流動的冷卻流體(KF)一扭轉的裝置。
文檔編號B22C9/22GK1727643SQ20051008476
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月20日 優先權日2004年7月26日
發明者于爾根·德爾曼, 格諾特·蘭 申請人:西門子公司