CN101787904B - 用于冷却壁体的多冲击复合结构 - Google Patents

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Abstract

用于冷却壁体的多冲击复合结构，其能够面状地并且导热地与有待冷却的壁体的表面相接触并且具有多个孔板层和多个接片层，孔板层具有多个作为孔板构造的分布地布置在孔板层的表面上的直通孔，接片层与孔板层以交替堆放的方式来布置并且分别具有多个接片，接片分布地布置在孔板层的表面上并且相应地搭接孔板层，其中，一个接片层的每个接片分别与其它接片层的接片之一对齐布置并且一个孔板层的每个直通孔相对于相邻的孔板层的直通孔错开地布置，从而在对多冲击复合结构以其一个扁平侧用冷却流体进行压力加载时，冷却流体流过所述直通孔并且流经在接片与孔板层之间存在的中间空隙，由此在接片中从壁体中导出的热流能够随冷却流体排出。

Description

用于冷却壁体的多冲击复合结构
技术领域
本发明涉及一种用于对壁体进行冷却的多冲击复合结构、一种具有多冲击复合结构的壁体以及一种用于制造所述多冲击复合结构的方法。
背景技术
在内燃发动机尤其燃气涡轮机中存在着很高的工作温度，因而导引热气的部件经受很高的热负荷。如果热气在燃气涡轮机运行时达到高于导引热气的部件的最大允许的工作温度的温度，那就应该对所述导引热气的部件进行冷却，以便其不会受到损坏。传统上在燃气涡轮机中用从燃气涡轮机的压缩机中分支出来的冷却空气对导引热气的部件进行冷却。由此燃气涡轮机的效率变差，从而致力于尽可能低的冷却空气消耗，由此应该尽可能有效地利用冷却空气。目前，为达到燃气涡轮机的尽可能高的效率，致力于将目前常见的冷却空气消耗减半。
导引热气的部件具有壁体，该壁体在其一侧上与热气相接触并且在其另一侧上用冷却空气来冷却。借助于冷却空气从所述壁体上运走热流，使得所述壁体在其朝向热气的一侧上拥有低于热气温度的接触温度。已经知道，在所述壁体的背向热气的一侧上设置了多孔的结构，该结构被冷却空气流过。所述多孔的结构抵靠在所述壁体上，从而通过热传导和热辐射将热量从壁体传递到多孔的结构中。所述多孔的结构又在其整个容积内将热量散发给冷却空气，用冷却空气可以将热量从多孔的结构中运走。
借助于所述多孔的结构，比如可以对叶片端部壁体、动叶片上的环形段、过渡壁体和燃烧器壁体进行冷却，其中这些壁体基本上平坦地伸展。因此在这些壁体上所述结构仅仅需要拥有较小的容积，用于能够将所期望的热流从壁体传递给冷却空气。此外，已经知道，所述壁体可以具有多个薄膜冷却孔，通过所述薄膜冷却孔可以将冷却空气通过壁体导送到热气流中，由此在所述壁体的热气侧的表面上由冷却空气构成薄膜。通过多个薄膜冷却孔的设置，冷却空气从所述多孔的结构流出到热气流中，从而垂直于壁体均匀地流经所述多孔的结构。此外，通过冷却空气孔的设置可以实现这一点，即在热气侧薄膜冷却可以接近于其理想的极限情况也就是泄流冷却。由此同时在所述壁体的热气侧的表面上出现最佳地隔热的由冷却空气构成的薄膜。
所述多孔的结构比如可以由金属泡沫制成，所述金属泡沫由于其传统的制造过程仅仅拥有偶然的具有随机分布的孔径的结构。所述金属泡沫在其制造方面成本低廉，但是具有显著的缺点。因此，比如在金属泡沫中细孔可能部分被封闭，这些细孔由此具有太小的孔径，从而存在着这些细孔被堵塞的危险。此外，所述金属泡沫在其内部具有锐利的棱边，由此在冷却空气流经金属泡沫时会出现压力损失的增加。此外，所述金属泡沫在其内部具有多个与细孔邻接的接片，所述接片的随机恒定的直径对热传导来说是不利的。此外，在多孔的结构中没有在所述壁体上形成半径(Radienbildung)。
此外已知一种设计的多孔的结构，该结构原则上可以具有每种任意的最佳的几何形状。所设计的多孔的结构比如可以用制造方法“选择性激光熔化”或者“选择性烧结”来制造。但是，这些制造方法的缺点是，用它们只能制造最大6PPI(每英寸的细孔)的所设计的多孔的结构并且可以制造0.6到1毫米的最小接片厚度。不过，这些如此制造的设计结构不适合于前面所提到的平坦的并且有待冷却的壁体，因为为此需要40到50PPI的PPI率。此外，所述“选择性激光熔化”十分耗时并且费用很高。由此所设计的多孔的比如用于对叶片端部壁体、动叶片上面的环形段、过渡壁体和燃烧器壁体进行冷却的如目前可以制造的结构还具有明显的缺点。
在图4中示出了所设计的多孔的结构101。这个所设计的多孔的结构101具有多个细孔102，这些细孔102由接片103构成，所述接片103在节点104中汇合。所设计的多孔的结构101的高的传热基于在冷却空气流经所设计的多孔的结构101时形成的大量重复的滞点流。在此，通过所述细孔102中的一个具有在图4中绘出的角锥体的形状的细孔使冷却空气流加速，所述冷却空气流冲击到所述接片103之一上或者冲击到所述节点104之一上，其中产生高的局部热传导。冷却空气流从那里通过下一个开口再次得到加速，用于冲击到后面的节点104或者接片103上。不过，在所设计的多孔的具有6PPI结构的结构101上，所提供的每容积滞点流的数目太少，以至于在平坦的构件上受限制地提供的容积中将必需的热量传递给冷却空气。所述多孔的结构101的传热能力可以随冲击冷却状况的数目或者说随PPI率的上升而提高，直到在极端情况下所设计的多孔的结构101的整个容积还仅仅由微小的冲击冷却流构成。问题是，传统上所述多孔的结构101不能够以足够的精密度来制造。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于对壁体进行冷却的多冲击复合结构、一种具有多冲击复合结构的壁体以及一种用于制造所述多冲击复合结构的方法，其中在流经所述多冲击复合结构时能够产生很高数目的冲击冷却流，由此能够有效地用多冲击复合结构对所述壁体进行冷却。
所述按本发明的多冲击复合结构能够面状地并且导热地与有待冷却的壁体的表面相接触并且具有多个孔板层和多个接片层，其中所述孔板层具有多个作为孔板构成的分布地布置在孔板层的表面上的直通孔，所述接片层与所述孔板层以交替堆放的方式来布置并且分别具有多个接片，所述接片分布地布置在孔板层的表面上并且相应地搭接这些孔板层，其中，一个接片层的每个接片分别与另一个接片层的接片之一对齐布置，并且一个孔板层的每个直通孔相对于相邻的孔板层的直通孔错开地布置，从而在所述多冲击复合结构的一个扁平侧上向所述多冲击复合结构用冷却流体加载压力时，所述冷却流体通过所述直通孔流动并且而后流经在所述接片与孔板层之间存在的中间空隙，由此在接片中从壁体中导出的热流能够随冷却流体排出。
所述多冲击复合结构因而具有多层孔板层，这些孔板层上下叠放地布置并且具有彼此错开布置的直通孔。通过所述直通孔，冷却流体能够分别在其下面的平面中瀑布状地置于相应的冲击冷却流中。最后一个(热的)或第一个(冷的)平面代表着可能明显比冲击冷却平面厚的壁体。所述平面通过接片彼此相连接，所述接片构造为孔板层的连接元件。通过所述接片，将热量从有待冷却的壁体导送给另一个平面，从而同样可以在那里的冲击冷却流中传递热量。为此，所述接片对齐地上下叠放。所述接片分别具有尽可能大的横截面面积，使得沿所述接片的传热率很高。然而只是将所述接片的横截面面积选择得如此大小，使得冷却流体流中的通过接片引起的压力损失以及在此随之对冲击冷却流中的热传导的损害不会过高。所述接片的横截面面积的数量级也从所述直通孔的间距中获得。
随着与热的有待冷却的壁体之间的间距，被冷却介质所吸收的热流的份额减小。由此在远离所述壁体的冲击冷却层中被冷却介质吸收的热流的份额很小。由此将所述多冲击复合结构的厚度限制到最大必要的尺度上就已足够，使得所述多冲击复合结构为预先确定的传热管路且为确定的压力损失而具有足够数目的孔板层和接片层。所述多冲击复合结构的几何形状可以在其全部的热传导和其全部的压力损失方面得到优化。所述接片之间的间距以及所述直通孔之间的间距可以从小于1毫米直至数厘米。由此所述多冲击复合结构构造为所设计的多孔的结构的极端情况，其中所述多冲击复合结构具有高度的几何结构化程度。
在所述多冲击复合结构中，除了滞点流之外还出现了其它传热机制。在传统的所设计的多孔的结构中，所述滞点流的区域限制在很小的横截面上，该横截面由被冷却流体碰到的结构元件的区域所构成。由此需要前面所提到的每容积尽可能多的滞点的浓度，由此要求多孔的结构的高PPI率。在多冲击复合结构中，所述高的滞点热传导的区域延伸到限制性的接片层之间的整个中间空隙。由此，所述接片与直通孔之间的间距远远不必像在所设计的具有40到50PPI的多孔的结构中那样小。此外，通过侧面传播的冲击冷却流体碰撞到接片上这种方式产生涡流，所述涡流用于在所述接片上以及处于更下游的冲击表面上产生与在滞点区域中类似的高度热传导。由此向所述多冲击复合结构的整个内表面加载高程度的热传导，尽管所述接片与直通孔之间的间距会比40到50PPI大得多。
所述接片的纵向方向优选垂直于孔板层延伸。此外，所述接片优选在矩形网栅(Rechteckraster)中均匀地分布布置在孔板层的表面上。所述直通孔优选相对于四个直接相邻的接片分别以相同的间距来布置并且在四个接片之间形成的中间空隙优选要么在一个孔板层中要么在另一个孔板层中具有所述直通孔之一，使得所述直通孔处于空位上。
所述接片优选具有圆形的横截面。作为替代方案优选所述接片具有柳叶刀状的横截面，该横截面则具有两条对置的钝的棱边和两条对置的尖锐的棱边。此外，优选这样的相邻的孔板层的直通孔处于假想的与所述尖锐的棱边相交的线条上，在所述多冲击复合结构在其一个扁平侧上被加载冷却流体压力时，所述冷却流体通过该孔板层流出到在四个接片之间形成的中间空隙中。此外优选这样的相邻的孔板层的直通孔处于假想的与所述钝的棱边相交的线条上，在所述多冲击复合结构在其一个扁平侧上被加载冷却流体压力时，所述冷却流体通过该孔板层流入到在四个接片之间形成的中间空隙中。由此在钝的棱边上的冲击点与相应的平面的流出直通孔之间实现冷却流体流的均匀的加速。由此阻止冷却流体流的分离，所述冷却流体流的分离比如在具有圆形横截面的接片的情况在最窄的被流过的横截面的后面发生并且在热传导的下游在所述接片的处于“背风面”中的表面上会明显减少。所有的流动效应如冷却流体流的涡流在由接片形成的中间空隙中持续存在，使得所述接片的柳叶刀状的结构是所述多冲击复合结构的一种优化方案。
在所述直通孔上，优选孔板被倒圆或者倒棱。由此减少所述多冲击复合结构中的压力损失，从而可以降低冷却流体的压力，在此应该向所述多冲击复合结构加载该压力。通过所述孔板与接片之间的过渡区域的进一步倒圆来有利地如此分布所述孔板与接片中的应力，从而抑制过度的应力峰值。所述按本发明的壁体具有多冲击复合结构，该多冲击复合结构面状地并且导热地与所述壁体的表面相接触。所述多冲击复合结构优选以所述接片层之一抵靠在所述壁体上并且所述壁体优选具有多个直通孔，使得所述壁体构造为孔板层之一。所述直通孔在壁体中的分布密度可以有利地选择得刚好与直通孔在孔板层中的分布密度一样大，从而能够实现最佳的垂直于壁体指向的流动。此外，在壁体中的直通孔彼此紧挨的情况下可以最佳地利用泄流冷却效应。但是，壁体中的孔密度也可以不同于孔板中的孔密度。
所述按本发明的用于制造多冲击复合结构的方法具有这样的步骤：
用丝网印刷方法将多冲击复合结构的各个层上下印刷在一起，其中分别为两个孔板层和一个接片层制造丝网掩模(Siebmaske)，通过所述丝网掩模来挤压膏剂。优选所述膏剂具有金属粉末和胶合剂。优选对所述多冲击复合结构进行烧结。孔板的厚度优选和接片层的厚度具有相同的数量级。此外，优选所述丝网掩模由金属膜以光化学方法来制成。在丝网印刷方法中，所述多冲击复合结构的各个层上下印刷在一起，其中为每个层(总共两个孔板层和一个接片层)分别制造丝网掩模。对于印刷本身，为每个层将由金属粉末和胶合剂构成的膏剂挤压穿过所述丝网掩模的细孔，后来优选将所述膏剂作为整体进行烧结。如果知道过程参数如配方、干燥时间和收缩尺寸，那就可以以低廉的成本大批量地进行所述过程。
作为替代方案，另一种按本发明的用于制造多冲击复合结构的方法具有以下步骤：
由具有恒定的横截面的层来预加工多冲击复合结构的结构块对所述结构块进行预干燥并且将其上下堆放。在此优选对所述多冲击复合结构进行烧结。所述孔板的厚度优选具有和接片层的厚度相同的数量级。如果预加工所述多冲击复合结构的结构块，那就对其进行预干燥并且精确地将其上下堆放并且随后在烧结过程中彼此连接在一起。在制造多冲击复合结构时获得高加工精度的基础是高精度地制造用于所述结构块的模具。所述模具比如通过光化学方法来制成，该方法应用于所述模具的由金属膜制成的各个层。
此外，作为替代方案，所述另外的按本发明的用于制造多冲击复合结构的方法具有以下步骤：由薄金属膜来制造孔板层和接片层；在构成多冲击复合结构的情况下来堆放金属膜；借助于“瞬态液相粘接(transientliquidphasebonding)”来连接金属膜。由此将金属膜直接上下堆放并且借助于“瞬态液相粘接”来连接，其中所述金属膜以光化学方式成形为有待制造的多冲击复合结构的正片的各个层。
如果所述接片和直通孔的网栅尺寸为1毫米以下的数量级，那就可以有利地运用丝网印刷方法。但是在接片之间的间距较大时存在悬垂地印刷的薄膜会撕裂的危险。但是，用于用由预干燥的烧结材料/胶合剂材料预加工的结构块来制造多冲击复合结构的方法可以用于所述接片和直通孔的10毫米及更大的网栅尺寸。各个金属膜的“瞬态液相粘接”可以用在大于10毫米的网栅尺寸上。
附图说明
下面借助于随附的示意图对按本发明的多冲击复合结构的优选的实施方式进行解释。其中：
图1和3是所述多冲击复合结构的按本发明的第一实施方式的透视图，
图2是所述多冲击复合结构的按本发明的第二实施方式的横截面的俯视图，并且
图4是传统设计的多孔的结构的透视图。
具体实施方式
如可以从图1到3中看出，多冲击复合结构具有多个孔板层2，在所述孔板层2中以网栅方式设置了多个直通孔3。冷却流体通过直通孔2流动，因而所述直通孔分别具有流入侧4和流出侧5。
此外，所述多冲击复合结构1具有多个接片层6，所述接片层6分别布置在两个相邻的孔板层2之间，因而所述多冲击复合结构1具有由孔板层2和接片层4构成的夹层结构。所述接片层6由多个接片7构成，而所述接片7则类似于所述直通孔3同样网栅状地来布置并且以其纵向方向垂直于所述孔板层2。由此用每个接片7来搭接两个相邻的孔板层2之间的间距，从而可以通过接片7将热量从一个孔板层2传递给另一个孔板层2。
在所述接片层6之一中的相邻的接片7之间构造了中间空隙8，要么所述直通孔3之一的流入侧4要么所述直通孔3之一的流出侧5汇入所述中间空隙8中。由此直通孔3布置在空位上。
一个接片层6的接片7分别与另一个接片层6的与其直接相邻的接片对齐布置，其中所述接片7在按图1的多冲击复合结构的按本发明的第一实施方式中分别具有圆形的横截面9。相反，按图2的多冲击复合结构的按本发明的第二实施方式的接片7则具有柳叶刀状的横截面，该横截面由两条背向彼此的尖锐的棱边11和两条背向彼此的钝的棱边12所构成，其中所述尖锐的棱边11和钝的棱边12在环绕着所述柳叶刀状的横截面10的边界时彼此交替地布置。关于所述中间空隙8所述直通孔3以其朝向所述中间空隙8的流出侧5处于一条假想的与接片7之一的柳叶刀状的横截面10的两条尖锐的棱边11相交的线条上。类似地，所述直通孔3的流入侧4关于所述中间空隙8在朝向该中间空隙8的情况下处于一条假想的穿过所述接片7的柳叶刀状的横截面10的钝的棱边12延伸的线条上。
在图1和3的下面设置了多冲击复合结构1的能够面状地并且导热地与有待冷却的壁体相接触的扁平侧17。背向这个扁平侧17在所述多冲击复合结构1上设置了能够用冷却介质进行压力加载的扁平侧16。冷却介质流过直通孔3并且在流出侧5以主流13流入中间空隙8之一中。所述直通孔3的直径小于所述中间空隙8的跨度，由此在所述中间空隙8中出现冷却流体的涡流14。然后出现横向流14，该横向流14从主流13在孔板层2上的冲击点16流向在下一个平面中错开布置的直通孔3的流入口4。冷却流体然后在所述直通孔3的流入侧4上作为主流13又从所述中间空隙8中流出来并且通过直通孔3的流出侧5到达处于下面的中间空隙8。与主流13相反，通过所述接片7在从壁体传递的情况下出现热流15。该热流15沿主流13的方向看从中间空隙8到中间空隙8通过对流的热传导来传递给冷却流体，因而所述壁体能够用冷却流体来冷却，此外流入到每个孔板层2中的热流通过垂直地冲击到孔板层2上的主流13被冷却流体部分地吸收。总之，由此通过针鳍配置(Pin-Fin-Konfiguration)上的冲击冷却和对流冷却的组合来对所述多冲击复合结构1进行冷却。

Claims (12)

1.用于借助于冷却流体对壁体进行冷却的多冲击复合结构，其中该多冲击复合结构能够面状地并且导热地与所述壁体的表面相接触并且具有多个孔板层(2)和多个接片层(6)，其中所述孔板层具有多个作为孔板构造的分布地布置在孔板层(2)的表面上的直通孔(3)，所述接片层(6)与所述孔板层(2)以交替堆放的方式来布置并且分别具有多个接片(7)，所述接片分布地布置在孔板层(2)的表面上并且相应地搭接这些孔板层，其中，一个接片层(6)的每个接片(7)分别与其它接片层(6)的接片(7)之一对齐布置，并且一个孔板层(2)的每个直通孔(3)相对于相邻的孔板层(2)的直通孔(3)错开地布置，从而在对所述多冲击复合结构(1)在其一个扁平侧(16)上用冷却流体加载压力时，所述冷却流体流过所述直通孔(3)并且流经在所述接片(7)与孔板层(2)之间存在的中间空隙(8)，由此在接片(7)中从壁体中导出的热流(15)能够随冷却流体排出，
其中，所述接片(7)的纵向方向垂直于孔板层(2)延伸，并且所述接片(7)在矩形网栅中均匀分布地布置在所述孔板层(2)的表面上，并且所述直通孔(3)相对于四个直接相邻的接片(7)分别以相同的间距来布置并且在所述四个接片(7)之间形成的中间空隙(8)要么在一个孔板层(2)中要么在另一个孔板层(2)中具有所述直通孔(3)之一，使得所述直通孔(3)立于空位上，
其特征在于，所述接片(7)具有柳叶刀状的横截面(10)，该横截面具有两条对置的钝的棱边(12)和两条对置的尖锐的棱边(11)，
其中，这样的孔板层(2)的直通孔(3)处于假想的与所述尖锐的棱边(11)相交的线条上，在所述多冲击复合结构(1)在其一个扁平侧(16)上用冷却流体进行压力加载时，所述冷却流体通过该孔板层(2)流出到所述在四个接片(7)之间形成的中间空隙(8)中，
并且其中，这样的孔板层(2)的直通孔(3)处于假想的与所述钝的棱边(12)相交的线条上，在所述多冲击复合结构(1)在其一个扁平侧(16)上用冷却流体进行压力加载时，所述冷却流体通过该孔板层(2)流入到所述在四个接片(7)之间形成的中间空隙(8)中。
2.按权利要求1所述的多冲击复合结构，
其中，所述孔板层(2)在所述直通孔(3)处被倒圆。
3.具有按权利要求1到2中任一项所述的多冲击复合结构的壁体，
其中，所述多冲击复合结构(1)能够面状地并且导热地与所述壁体的表面相接触(17)。
4.按权利要求3所述的壁体，
其中，所述多冲击复合结构以所述接片层(6)之一抵靠在所述壁体上并且所述壁体具有多个直通孔(3)，从而所述壁体构造为所述孔板层(2)之一。
5.用于制造按权利要求1到2中任一项所述的多冲击复合结构(1)的方法，具有以下步骤：用丝网印刷方法将多冲击复合结构的各个层上下印刷在一起，其中分别为两个孔板层(2)和一个接片层(6)制造丝网掩模，通过所述丝网掩模来挤压膏剂。
6.按权利要求5所述的方法，
其中，所述膏剂具有金属粉末和胶合剂。
7.按权利要求5或6所述的方法，
其中，所述丝网掩模由金属膜以光化学方法来制成。
8.按权利要求5或6所述的方法，
其中，对所述多冲击复合结构(1)进行烧结。
9.按权利要求5或6所述的方法，
其中，所述孔板层(2)的厚度具有和所述接片层(6)的厚度相同的数量级。
10.用于制造按权利要求1所述的多冲击复合结构(1)的方法，具有以下步骤：
-由具有恒定的横截面的层来预加工多冲击复合结构(1)的结构块；
-对所述结构块进行预干燥并且将其上下堆放。
11.按权利要求10所述的方法，
其中，对所述多冲击复合结构(1)进行烧结。
12.按权利要求10或11所述的方法，
其中，所述孔板层(2)的厚度具有和所述接片层(6)的厚度相同的数量级。
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