CN103195506B - 用于与波状表面一起使用的冲击冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于与波状表面一起使用的冲击冷却系统。该冲击冷却系统可以包括冲击增压室和冲击板，冲击板具有面向波状表面的线性形状。冲击表面上可以包括多个突出区域，多个突出区域具有多个冲击孔，多个冲击孔具有不同的尺寸和不同的间距。

Description

用于与波状表面一起使用的冲击冷却系统
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于对燃气涡轮机中的波状表面(contouredsurface)以及简化设计中的其它位置进行均匀冷却的冲击冷却系统。
背景技术
冲击冷却系统已经与涡轮机械一起使用，以对例如外壳、动叶、喷嘴等各种类型的部件进行冷却。冲击冷却系统通过空气流对涡轮部件进行冷却，以便保持部件之间的足够间隙并且增加足够的部件使用寿命。已知的冲击冷却系统所具有的一个问题是跨过非均匀的或波状的表面而保持均匀传热系数的能力。保持恒定的传热系数大体需要冲击板的总体形状符合待冷却的表面的轮廓。然而，制造波状冲击板可能是高成本的并且可能引起其中不均匀的冷却流。
因此，期望改进的冲击冷却系统。这种改进的冲击冷却系统可以以简化和低成本的构造同时保持足够的冷却效率的方式而提供波状表面上的恒定的传热系数。
发明内容
因此，本发明提供一种用于与波状表面一起使用的冲击冷却系统。该冲击冷却系统可以包括冲击增压室和冲击板，冲击板具有面向波状表面的线性形状。冲击板上可以包括具有多个冲击孔的多个突出区域，多个冲击孔具有不同的尺寸和不同的间距。
本发明还提供一种涡轮。该涡轮可以包括：涡轮喷嘴；具有多个冲击孔的冲击冷却系统，多个冲击孔具有多种尺寸和间距；以及涡轮部件，涡轮部件具有围绕冲击冷却系统定位的波状表面。
本发明还提供一种涡轮。该涡轮可以包括：涡轮喷嘴；具有线性形状并且具有多个冲击孔的冲击冷却系统，多个冲击孔具有多种尺寸和间距；以及涡轮部件，涡轮部件具有围绕冲击冷却系统定位的波状表面，使得冲击冷却系统保持波状表面具有跨过其上的基本恒定的传热系数。
当结合若干附图以及所附权利要求阅读以下的详细描述时，对于本领域技术人员而言，本发明的这些和其它的特征以及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，其中示出了压缩机、燃烧器、以及涡轮。
图2是喷嘴叶片的局部侧视图，该喷嘴叶片中具有冲击冷却系统。
图3是喷嘴叶片的局部侧视图，该喷嘴叶片具有可以如本说明书中所描述的冲击冷却系统。
图4是覆盖在图3的波状表面上的冲击网格的透视图。
图5是图3的冲击冷却板的一部分的平面图。
图6是图3的冲击冷却板的一部分的平面图。
具体实施方式
现在参照附图，其中相似的附图标记在全部若干视图中表示相似的元件，图1示出了可以如本说明书中所使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入的空气流20进行压缩。压缩机15将压缩空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合并且点燃该混合物，以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着被输送至涡轮40。燃烧气体流35对涡轮40进行驱动，以产生机械功。涡轮40中所产生的该机械功通过轴45驱动压缩机15以及外部负载50，例如发电机等。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由Schenectady(NewYork)的通用电气公司(GeneralElectricCompany)提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本说明书中还可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本说明书中也可以一起使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。
图2是可以与以上所描述的涡轮40一起使用的喷嘴55的示例。总体而言，喷嘴55可以包括喷嘴叶片60，喷嘴叶片60在内平台65与外平台70之间延伸。多个喷嘴55可以组合成周向阵列，以形成具有多个转子轮叶(未示出)的级。喷嘴55还可以包括呈冲击增压室80形式的冲击冷却系统。冲击增压室80可以具有形成在其中的多个冲击孔85。冲击增压室80可以通过冷却管道90与来自压缩机15或者另一个源的空气流20相连通。空气流20通过喷嘴叶片60流入冲击增压室80中，并且通过冲击孔85流出，以便对喷嘴55的一部分或者其它位置进行冲击冷却。其它类型的冲击增压室80是已知的。
多种其它类型的冲击冷却系统是已知的。然而，这些已知的冲击冷却系统通常具有如以上所描述的均匀的尺寸和形状。备选地，冲击板可以是波状的以便符合待冷却的表面的轮廓，从而保持跨过表面的恒定的传热系数。
图3和图4示出了可以如本说明书中所描述的冲击冷却系统100的示例。冲击冷却系统100可以包括冲击增压室110。冲击增压室110可以包括由冲击板130和盖板140限定的腔120。冲击增压室110可以通过冷却管道160与冷却流150相连通。冷却管道160可以与压缩机15或者冷却流150的其它源相连通。
冲击增压室110的冲击板130可以具有基本平坦或线性的表面170。冲击板130中还可以具有多个冲击孔180。冲击孔180的尺寸、形状、构造和部位可以发生变化，如以下将更详细地描述的。本说明书中可以使用其它的部件和其它的构造。
冲击冷却系统100可以与任何类型的涡轮部件或者任何需要冷却的部件一起使用。在该示例中，冲击冷却系统100可以与起伏或波状表面200一起使用。波状表面200可以具有任何期望的形状或构造。在该示例中，波状表面200可以包括离冲击冷却系统100距离不同的多个波状区域。
为了保持跨过波状表面200的恒定的传热系数，可以对冲击增压室110的冲击板130中的孔180的间距进行调节，从而以离散方式补偿波状表面200中的波动。波状表面200可以被划分为其中具有多个波状区域300的网格290。波状区域300中的每一个波状区域都可以突出至位于冲击板130上的相关的突出区域305上。冲击板130的突出区域305中的每一个突出区域中都可以具有多个冲击孔180，根据相对区域300与突出区域305的偏置，多个冲击孔180具有不同的尺寸、形状、和构造。因此，突出区域305中的每一个突出区域中的冲击孔180组都可以具有尺寸310和间距320，可以在该局部突出区域305上同时对尺寸310和间距320均匀地进行调节，以保持波状表面200内的离散区域300上方的平均传热系数。因此，每个冲击孔180均可以具有可变的尺寸310和可变的间距320或其子集，尺寸310和间距320都在给定的突出区域305上方保持恒定。例如，第一区域330可以具有多个紧密相间的小孔180，而第二区域340可以具有多个稀疏相间的大孔180。根据与相对表面的距离，本说明书中可以将任何数量的尺寸和位置用于任何数量的突出区域305中。
因此，冲击冷却系统100使用冲击增压室110来提供对简化的冲击板设计的充分冷却，以便降低成本和增加生产。具体而言，冲击孔180可以相对于孔直径与冲击板130厚度的比、通道高度与孔直径的比、以及孔阵列的正交间距而发生变化。可以在z/d要求的背景下考虑有效性，其中d是孔直径并且z是从突出区域305至波状区域300的平均距离，以及/或者在x/d要求的背景下考虑有效性，其中x沿冲击板130的长度测量得到。在网格290的每一个突出区域305内，可以对冲击孔180的尺寸进行调节，以保持相对的z/d要求。在相同的区域305内，还可以对孔的定位或者x/d进行调节，以保持有效性。这样一来，通过使用如与波状表面相对的线性表面170，冲击增压室110的冲击板130可以保持恒定的传热系数。
应当显而易见的是，以上仅涉及本发明的某些实施例。本领域技术人员可以在不偏离由所附权利要求及其等同形式所限定的本发明的大体精神和范围的情况下在本说明书中进行多种改变和改型。

Claims (19)

1.一种用于与波状表面一起使用的冲击冷却系统，所述冲击冷却系统包括：
冲击增压室；
冲击板，所述冲击板面向所述波状表面；
所述冲击板包括线性形状；
所述冲击板上包括多个区域；
其中所述多个区域包括多个冲击孔，所述多个冲击孔具有不同的尺寸和不同的间距。
2.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述多个区域包括具有第一尺寸的冲击孔的第一区域和具有第二尺寸的冲击孔的第二区域。
3.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述多个区域包括具有第一间距的冲击孔的第一区域和具有第二间距的冲击孔的第二区域。
4.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述多个区域包括具有第一尺寸和第一间距的冲击孔的第一区域和具有第二尺寸和第二间距的冲击孔的第二区域。
5.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述波状表面包括多个波状区域，并且其中所述多个波状区域定位在离所述冲击板的多个距离处。
6.根据权利要求5所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述多个区域中的每一个区域中的所述多个冲击孔的尺寸和间距都随着与相对的波状区域的距离而发生变化。
7.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述冲击增压室包括被限定在所述冲击板与盖板之间的腔。
8.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述冲击增压室与冷却管道中的冷却流相连通。
9.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述冲击板保持所述波状表面具有跨过其上的基本恒定的传热系数。
10.一种涡轮，所述涡轮包括：
涡轮喷嘴；
冲击冷却系统；
所述冲击冷却系统包括具有多种尺寸和间距的多个冲击孔；以及
涡轮部件，所述涡轮部件围绕所述冲击冷却系统定位；
所述涡轮部件包括波状表面；
其中，所述冲击冷却系统包括具有冲击板的冲击增压室，所述冲击板中具有多个冲击孔。
11.根据权利要求10所述的涡轮，其特征在于，所述冲击板包括线性形状。
12.根据权利要求10所述的涡轮，其特征在于，所述冲击板包括多个区域。
13.根据权利要求12所述的涡轮，其特征在于，所述多个区域中包括所述多个冲击孔。
14.根据权利要求12所述的涡轮，其特征在于，所述多个区域包括具有第一尺寸的冲击孔的第一区域和具有第二尺寸的冲击孔的第二区域。
15.根据权利要求12所述的涡轮，其特征在于，所述多个区域包括具有第一间距的冲击孔的第一区域和具有第二间距的冲击孔的第二区域。
16.根据权利要求12所述的涡轮，其特征在于，所述多个区域包括具有第一尺寸和第一间距的冲击孔的第一区域和具有第二尺寸和第二间距的冲击孔的第二区域。
17.根据权利要求12所述的涡轮，其特征在于，所述波状表面包括多个波状区域，并且其中所述多个波状区域定位在离所述冲击板的多个距离处。
18.根据权利要求10所述的涡轮，其特征在于，所述冲击冷却系统保持所述波状表面具有跨过其上的基本恒定的传热系数。
19.一种涡轮，所述涡轮包括：
涡轮喷嘴；
冲击冷却系统；
所述冲击冷却系统包括具有多个冲击孔的线性冲击板，所述多个冲击孔具有多种尺寸和间距；以及
涡轮部件，所述涡轮部件围绕所述冲击冷却系统定位；
所述涡轮部件包括波状表面，使得所述冲击冷却系统保持所述波状表面具有跨过其上的基本恒定的传热系数；
其中，所述冲击冷却系统包括具有冲击板的冲击增压室，所述冲击板中具有多个冲击孔。
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