CN103046973A - 用于涡轮系统的热气路径构件 - Google Patents

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CN103046973A CN2012102839623A CN201210283962A CN103046973A CN 103046973 A CN103046973 A CN 103046973A CN 2012102839623 A CN2012102839623 A CN 2012102839623A CN 201210283962 A CN201210283962 A CN 201210283962A CN 103046973 A CN103046973 A CN 103046973A
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B.P.莱西
B.G.布热克
R.C.马利什
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及用于涡轮系统的热气路径构件。公开一种用于涡轮系统的热气路径构件。该热气路径构件包括具有外表面和内表面的壳体。热气路径构件进一步包括具有外表面和内表面的多孔介质，该外表面定位在壳体的内表面附近。多孔介质构造成使冷却介质流过其中。

Description

用于涡轮系统的热气路径构件
本发明是根据美国能源部授予的合同DE-FC26-05NT42643而在政府支持下作出的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本文公开的主题大体涉及涡轮系统，并且更具体而言，涉及用于涡轮系统的热气路径构件。
背景技术
涡轮系统广泛地用于诸如动力发生的领域中。例如，传统的燃气轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。在燃气轮机系统的运行期间，系统中的多种构件都会经受高温流，高温流可使构件失效。由于温度较高的流一般会导致燃气轮机系统的性能、效率和动力输出提高，经受高温流的构件必须被冷却，以允许燃气轮机系统以提高的温度、提高的效率和/或减少的排放运行。
在本领域中已知用于冷却多种燃气轮机系统构件的多种策略。例如，冷却介质可从压缩机中发送出，并且被提供给多种构件。在系统的压缩机和涡轮区段中，可利用冷却介质来冷却多种压缩机和涡轮构件。
喷嘴是必须被冷却的热气路径构件的一个示例。例如，喷嘴的多种部件(诸如翼型件)设置在热气路径中，并且暴露于较高的温度，并且从而需要冷却。
用于冷却喷嘴的一个解决方案是在翼型件的内部包括冲击套管。冷却介质流到喷嘴的内部，并且然后流过冲击套管且流到翼型件的内表面上。这个方法有利于翼型件的冲击冷却。但是，在冲击套管不对喷嘴提供充分的冷却时，提高的冷却效率是合乎需要的。这种提高的效率将允许减少冷却喷嘴所需的冷却介质，并且从而减少排放和/或提高燃烧温度。
因此，用于涡轮系统的改进的热气路径构件(诸如改进的喷嘴)在本领域中是合乎需要的。例如，具有改进的冷却特征的热气路径构件将是有利的。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
在一个实施例中，公开一种用于涡轮系统的热气路径构件。该热气路径构件包括具有外表面和内表面的壳体。热气路径构件进一步包括具有外表面和内表面的多孔介质，该外表面定位在壳体的内表面附近。多孔介质构造成使冷却介质流过其中。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解。结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的燃气轮机系统的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的喷嘴的透视图；
图3是根据本公开的一个实施例的冲击套管的透视图；
图4是根据本公开的一个实施例的喷嘴的俯视横截面图；
图5是根据本公开的另一个实施例的喷嘴的俯视横截面图；
图6是根据本公开的另一个实施例的喷嘴的俯视横截面图；
图7是根据本公开的一个实施例的热气路径构件的放大横截面图；以及
图8是根据本公开的另一个实施例的热气路径构件的放大横截面图。
部件列表
10　燃气轮机系统
12　压缩机
14　燃烧器
16　涡轮
18　轴
20　热气路径
30　热气路径构件
32　壳体
34　端帽
36　外表面
38　内表面
42　压力侧
44　吸力侧
46　前缘
48　后缘
50　冷却介质
52　内部
60　冲击套管
62　外表面
64　内表面
66　冲击通道
70　多孔介质
72　外表面
74　内表面
76　基质
78　空隙
80　冲击通道
82　冷却通道。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了实施例的一个或多个示例。以阐明本发明而非限制本发明的方式来提供各个示例。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本发明中作出多种修改和变型，而不偏离本发明的范围或精神。例如，示出或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因而，意图的是本发明覆盖在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和变型。
图1是燃气轮机系统10的示意图。系统10可包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。压缩机12和涡轮16可由轴18联接。轴18可为单个轴或联接到一起形成轴18的多个轴节段。
涡轮16可包括多个涡轮级。例如，在一个实施例中，涡轮16可具有三个级。涡轮16的第一级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和轮叶。喷嘴可沿周向围绕轴18而设置和固定。轮叶可沿周向围绕轴而设置，并且联接到轴18上。涡轮16的第二级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和轮叶。喷嘴可沿周向围绕轴18而设置和固定。轮叶可沿周向围绕轴18而设置，并且联接到轴18上。涡轮16的第三级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和轮叶。喷嘴可沿周向围绕轴18而设置和固定。轮叶可沿周向围绕轴18而设置，并且联接到轴18上。涡轮16的多种级可至少部分地设置在涡轮16中，并且可至少部分地限定热气路径。应当理解，涡轮16不限于三个级，而是相反，任何数量的级都在本公开的范围和精神内。
类似地，压缩机12可包括多个压缩机级(未显示)。压缩机12的级中的各个可包括多个沿周向隔开的喷嘴和轮叶。
可包括在涡轮16和/或压缩机12中的示例性热气路径构件在图2中由参考标号30显示。在所显示的示例性实施例中，热气路径构件30是喷嘴。但是，备选地，根据本公开的热气路径构件30可为轮叶、护罩块，或者可设置在流过涡轮系统10的热气的路径中的任何其它合适的构件。喷嘴30可包括壳体32。在示例性实施例中，壳体32可为在端帽34之间延伸的翼型件。在其中壳体32是翼型件的实施例中，它可具有大体空气动力学轮廓。例如，壳体32可具有外表面36和内表面38。在其中壳体32是翼型件的实施例中，外表面36可限定各自在前缘46和后缘48之间延伸的压力侧42和吸力侧44，或者任何其它合适的空气动力学轮廓。端帽34中的一个或多个可限定开口(未显示)。开口可允许冷却介质50流到壳体32的由内表面38限定的内部52，如在本领域中大体已知的那样。
在一些实施例中，热气路径构件30可进一步包括冲击套管60，如图3、4、6和7中显示的那样。冲击套管60可至少部分地设置在壳体32的内部52内，并且与内表面38隔开。冲击套管可具有外表面62和内表面64，并且可具有类似于壳体32的轮廓的轮廓。另外，冲击套管60可限定在内表面64和外表面62之间延伸的一个或多个冲击通道66。流到壳体32的内部52中的冷却介质50可流过这些冲击通道66。在其它实施例中，热气路径构件30可在其中包括任何合适的套管。例如，套管可包括允许冷却介质50在其间流动的多个分隔开的板。
如图4至8中显示的那样，根据本公开的热气路径构件30进一步包括一个或多个多孔媒体70。根据本公开的多孔介质70具有外表面72和内表面74。外表面72定位在壳体32的内表面38附近。在其中热气路径构件30包括冲击套管60或其它合适的套管的实施例中，多孔媒体70定位在热气路径构件30和冲击套管60或其它合适的套管之间，使得冲击套管60的外表面62定位在多孔媒体70的内表面64附近。
根据本公开的多孔媒体70可有利地允许诸如壳体32的热气路径构件30得到改进的冷却。例如，在示例性实施例中，由于大体流过多孔媒体70的冷却介质50的原因，多孔媒体70允许有来自壳体32的传导性热传递。在另外的实施例中，如下面论述的那样，多孔媒体70另外可允许对壳体32进行冲击冷却，从而进一步改进热气路径构件30的冷却。
根据本公开的多孔介质70可由具有基质76和一个或多个空隙78的任何合适的多孔材料或多种多孔材料形成。例如，在一些实施例中，多孔介质70，诸如其基质76，可由金属或金属合金泡沫、陶瓷泡沫(诸如陶瓷基质复合泡沫)或碳纤维泡沫形成。典型地通过这样的方式来形成泡沫：混合诸如金属、陶瓷或碳纤维的材料与另一种物质，并且然后融掉物质，留下多孔泡沫。在其它实施例中，多孔介质70可由例如多个装填在一起的成珠的合适的材料或任何其它合适的材料或多种材料形成。因而，多孔介质70可构造成使冷却介质50流过其中。冷却介质50可在接触壳体32的内表面38之前流过多孔介质70中的空隙78，从而在示例性实施例中有利于对流冷却。
如图4和5中显示的那样，在一些实施例中，热气路径构件30可包括一个多孔介质70。在示例性实施例中，多孔介质70在壳体32的轮廓(诸如空气动力学轮廓)的方向上是连续的，使得内表面38的横截面外形的基本全部都在多孔介质70附近。在其它实施例中，内表面38的横截面外形的仅一部分可在多孔介质附近。
如图6中显示的那样，在其它实施例中，热气路径构件30可包括不止一个多孔介质70。多个多孔介质70中的各个可与多个多孔介质70中的其它多孔介质分隔开，诸如在所显示的壳体32的轮廓(诸如空气动力学轮廓)的方向上，或者在任何其它合适的方向上，或者多个多孔介质70中的各个可抵靠或以别的方式接触多个多孔介质70中的其它多孔介质。
如上面论述的那样，在一些实施例中，如图4、6和7中显示的那样，冲击套管60可定位在多孔介质70的内表面74附近。在这些实施例中，冷却介质50可通过冲击套管60的冲击通道66而流到多孔介质70。在其它实施例中，如图5和8中显示的那样，可没有冲击套管60包括在热气路径构件30中。
如图5和8中进一步显示的那样，在一些实施例中，可处理多孔媒体70的内表面74。这种处理可密封内表面74，使得限定在多孔介质70中的空隙78不延伸到内表面74。然后可通过这种经处理的内表面74而形成通道(诸如冲击通道)，如下面论述的那样，以允许冷却介质50流过其中。内表面74的处理可包括研磨、填充、硬钎焊、焊接、软焊，或将合适地密封内表面74的任何其它合适的处理技术。
在示例性实施例中，如图4至8中显示的那样，多孔介质70可与壳体32和/或可选的冲击套管60接触。因而，多孔介质70的外表面72可接触壳体32的内表面38。多孔介质70的内表面74可接触冲击套管60的外表面62。在其中多孔介质70接触壳体32和/或冲击套管60的一些实施例中，多孔介质70可压按配合、结合(诸如通过合适的粘合剂或结合工艺)或者以别的方式连接到壳体32和/或冲击套管60上。在其它实施例中，多孔介质70可与壳体32和/或冲击套管60隔开。因而，根据本公开的多孔介质70可与壳体32和冲击套管60两者接触，可与壳体32和冲击套管60两者隔开，或者可与壳体32或冲击套管60中的一个接触，并且与壳体32或冲击套管60中的其它隔开。
在另外的示例性实施例中，如图7和8中显示的那样，一个或多个冲击通道80可限定在多孔介质70中。冲击通道80可在多孔介质70的内表面74和外表面72之间延伸。这样的冲击通道80可允许冷却介质50流过其中，并且冲击在壳体32的内表面38上，从而对壳体32进行冲击冷却。另外，冷却介质50的部分可进入冲击通道80，并且然后从冲击通道80流过多孔介质70中的空隙78，从而以别的方式有利于冷却壳体32。
这样的冲击通道80可具有任何合适的横截面形状，诸如圆或椭圆形形状、正方形或长方形形状、三角形，或者具有任何其它合适的多边形形状。例如，在一些示例性实施例中，冲击通道80可具有大体圆形的横截面形状，而在其它示例性实施例中，冲击通道80可具有大体长方形的横截面形状，并且表现为槽口。冲击通道80可具有大于、等于或小于冲击通道66的那些的横截面面积。
另外，冲击通道80可具有任何合适的横截面面积，并且这个横截面面积在通道80的整个长度上可为恒定的，或者可有所改变。例如，在一些实施例中，通道80可渐缩，或者可具有收缩的部分或较大的部分。
仍然另外，冲击通道80可为直线式、曲线式，或者具有任何其它合适的路径。例如，在一些实施例中，冲击通道80可为曲线式，具有大体曲折的路径。在其它实施例中，冲击通道80可仅仅具有直线式路径。
根据本公开的冲击通道80可以钻削或以别的方式形成到多孔介质70中。在其中冲击套管60在多孔介质70附近的实施例中，冲击套管60中的冲击通道66可大体与多孔介质70的冲击通道80对准。在其中多孔介质70的内表面74经过处理的实施例中，冲击通道80可延伸通过这个经处理的表面。
根据本公开的壳体32可进一步限定一个或多个冷却通道82，如图7和8中显示的那样。冷却通道80可延伸在壳体32的内表面38和外表面36之间。这样的冷却通道80可具有任何合适的横截面形状、横截面面积和横截面路径，如上面论述的那样。另外，在一些实施例中，冷却通道80可为膜冷却通道，并且可角度设置为和形成为使得流过其中且从中排出的冷却介质50然后对壳体32的外表面36提供膜冷却。
冷却通道82可对准多孔介质70，如所显示的那样，或者对准限定在其中的冲击通道80。流过冲击通道80和多孔介质70的冷却介质50可流到冷却通道82中且流过冷却通道82。在一些实施例中，如图7中显示的那样，冷却通道82仅延伸通过内表面38和外表面36之间的壳体32。在其它实施例中，如图8中显示的那样，冷却通道82可进一步至少部分地延伸到多孔介质70中，并且至少部分地限定在多孔介质70中。例如，冷却通道82可延伸通过多孔介质70的外表面72，如所显示的那样。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于涡轮系统的热气路径构件，包括：
具有外表面和内表面的壳体；以及
具有外表面和内表面的多孔介质，该外表面定位在所述壳体的内表面附近，所述多孔介质构造成使冷却介质流过其中。
2.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述热气路径构件进一步包括定位在所述多孔介质的内表面附近的冲击套管。
3.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述多孔介质的内表面经过处理。
4.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述多孔介质限定在内表面和外表面之间延伸的冲击通道。
5.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述多孔介质的外表面与所述壳体的内表面接触。
6.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述壳体限定在内表面和外表面之间延伸的冷却通道。
7.根据权利要求6所述的热气路径构件，其特征在于，所述冷却通道进一步至少部分地延伸到所述多孔介质中。
8.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述多孔介质由金属泡沫、陶瓷泡沫或碳纤维泡沫中的一个形成。
9.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述热气路径构件进一步包括多个多孔介质，以及其中，所述多个多孔介质中的各个的外表面定位在所述壳体的内表面附近。
10.根据权利要求1所述的热气路径构件，其特征在于，所述热气路径构件是喷嘴。
11.一种涡轮系统，包括：
压缩机；
联接到所述压缩机上的涡轮；以及
设置在所述压缩机或所述涡轮中的至少一个中的多个热气路径构件，所述热气路径构件中的至少一个包括：
　　　具有外表面和内表面的壳体；以及
　　　具有外表面和内表面的多孔介质，该外表面定位在所述壳体的内表面附近，所述多孔介质构造成使冷却介质流过其中。
12.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述涡轮系统进一步包括定位在所述多孔介质的内表面附近的冲击套管。
13.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述多孔介质的内表面经过处理。
14.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述多孔介质限定在内表面和外表面之间延伸的冲击通道。
15.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述多孔介质的外表面与所述壳体的内表面接触。
16.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述壳体限定在内表面和外表面之间延伸的冷却通道。
17.根据权利要求16所述的涡轮系统，其特征在于，所述冷却通道进一步至少部分地延伸到所述多孔介质中。
18.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述多孔介质由金属泡沫、陶瓷泡沫或碳纤维泡沫中的一个形成。
19.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述涡轮系统进一步包括多个多孔介质，以及其中，所述多个多孔介质中的各个的外表面定位在所述壳体的内表面附近。
20.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述热气路径构件是喷嘴。
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