CN103375202A - 用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并提供一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件，该涡轮护罩冷却组件包括外部护罩部件，外部护罩部件布置在燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳，其中外部护罩部件包括至少一个气道以用于吸收气流。还包括内部护罩部件，内部护罩部件相对于外部护罩部件沿径向向内布置并且固定地连接至外部护罩部件，其中内部护罩部件包括沿周向方向和轴向方向中的至少一个延伸的多个微通道，以用于通过来自至少一个气道的气流冷却内部护罩部件。
Description
技术领域
本文中所公开的主题涉及燃气涡轮机系统，并且更具体地涉及用于这种燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件。
背景技术
在燃气涡轮机系统中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转化成热能。通过流体（通常是来自压缩机的压缩空气）将热能输送至涡轮，在涡轮处，热能被转化成机械能。作为转化过程的一部分，热气体随着热气体路径流过涡轮的一部分的上方并且通过所述部分。沿热气体路径的高温能够加热涡轮机部件，从而造成部件的降级。
涡轮护罩是受到热气体路径影响的部件的例子并且通常包括两个独立的件，例如内部护罩和外部护罩。内部护罩和外部护罩典型地由松散地连接在一起的两种不同的材料制成。松散连接可以通过将内部护罩滑到外部护罩的轨道上或者通过将内部护罩夹到外部护罩的轨道上实现。这种布置允许外部护罩（在操作期间保持较冷）由成本较低的材料制成，但是却由于允许较热的内部护罩与较冷的外部护罩之间的增大速率（growth rates）显著不同而导致涡轮护罩冷却流泄漏。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件包括外部护罩部件，外部护罩部件布置在燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳，其中外部护罩部件包括至少一个气道以用于吸收气流。还包括内部护罩部件，内部护罩部件相对于外部护罩部件沿径向向内布置并且固定地连接至外部护罩部件，其中内部护罩部件包括沿周向方向和轴向方向中的至少一个延伸的多个微通道，以用于通过来自至少一个气道的气流冷却内部护罩部件。
根据本发明的另一个方面，一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件包括外部护罩部件，外部护罩部件布置在燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳。还包括内部护罩部件，内部护罩部件相对于外部护罩部件沿径向向内布置，其中内部护罩部件包括多个微通道，其中外部护罩部件和内部护罩部件由一种材料形成。还包括冲击板，冲击板具有多个穿孔以用于将空气引向多个微通道。
根据本发明的又一个方面，一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件包括外部护罩部件，外部护罩部件布置在燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳。还包括内部护罩部件，内部护罩部件相对于外部护罩部件沿径向向内布置并且固定地连接至外部护罩部件，其中内部护罩部件包括多个微通道以用于冷却内部护罩部件。还包括冲击板，冲击板具有多个穿孔以用于将空气引向多个微通道。
通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是燃气涡轮机系统的示意图；
图2是具有内部护罩部件和外部护罩部件的第一实施例的涡轮护罩冷却组件；
图3是图2的第一实施例的涡轮护罩冷却组件，其中内部护罩部件和外部护罩部件由一种材料制成；
图4是第二实施例的涡轮护罩冷却组件；
图5是第三实施例的涡轮护罩冷却组件；
图6是第四实施例的涡轮护罩冷却组件；以及
图7是第五实施例的涡轮护罩冷却组件。
参照附图通过示例的详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
参照图1，通过附图标记10示意性地示出燃气涡轮机系统。燃气涡轮机系统10包括压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。应当领会，燃气涡轮机系统10的一个实施例可以包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16通过轴18联接。轴18可以是单个轴或者联接在一起以形成轴18的多个轴段。
燃烧器14使用可燃液体和/或气体燃料（例如天然气或富含氢的合成气）来运行燃气涡轮机系统10。例如，燃料喷嘴20与空气供给和燃料供给22流体连通。燃料喷嘴20产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放至燃烧器14中，由此产生燃烧，燃烧产生热加压排放气体。燃烧器14引导加压热气通过过渡件进入涡轮喷嘴（或“一级喷嘴”）、以及其它级的斗叶和喷嘴中，从而使得涡轮16在涡轮外壳24内旋转。涡轮16的旋转造成轴18旋转，由此在空气流入压缩机12中时对空气进行压缩。在一个实施例中，热气体路径部件定位在涡轮16中，在涡轮16处，跨过部件的热气体流造成涡轮部件的蠕变、氧化、磨损和热疲劳。控制热气体路径部件的温度能够降低部件中的危险模式（distress modes），并且燃气涡轮机系统10的效率随着点火温度的升高而提高。随着点火温度升高，热气体路径部件需要被适当冷却，以满足使用寿命并且有效地执行期望功能。
参照图2和图3，示出了涡轮护罩冷却组件100的第一实施例的横截面图。护罩组件是接近涡轮外壳24布置在涡轮16中并且受到上文所详细描述的热气体路径影响的部件的例子。涡轮护罩冷却组件100包括内部护罩部件102，内部护罩部件102具有接近涡轮16内的热气体路径的内表面104。涡轮护罩冷却组件100也包括外部护罩部件106，外部护罩部件106大体接近涡轮16中相对较冷的流体和/或空气。为了改进总体涡轮护罩冷却组件100的冷却，至少一个气道105形成在外部护罩部件106内，以用于将冷却流体和/或空气引导至涡轮护罩冷却组件100中。具体而言，可以提供外部护罩部件106内的增压室108以吸收冷却流体和/或空气并且将冷却流体和/或空气引向布置在内部护罩部件102内的多个微通道110。内表面104包括布置成接近多个微通道110的层，由此封闭多个微通道110以保护多个微通道110不直接暴露于热气体路径。最靠近通道的盖层可以包括桥接通道开口的喷涂粘结涂层、钎焊或焊接在开口中的一个或多个上方的薄金属层、或者任何其它合适的方法以密封微通道。该层也可以包括热障涂层（“TBC”）并且可以是任何合适的热障材料。例如，TBC可以是钇稳定的氧化锆，并且可以通过物理气相沉积过程或热喷涂过程施布。备选地，TBC可以是陶瓷，例如通过其它耐高温氧化物改良的薄层或氧化锆（例如由IV、V和VI族元素形成的氧化物或者由镧系元素（例如La、Nd、Gd、Yb等）改良的氧化物）。该层的厚度可以处于从大约0.4mm至大约1.5mm的范围内，然而，应当领会，厚度可以根据具体应用发生变化。
内部护罩部件102固定地连接至外部护罩部件106，使得直接、紧密的接合得以实现。该连接可以通过多种可获得的机械紧固件或过程形成，例如螺栓连接、粘结、焊接或钎焊。所述紧固件和过程仅仅是为了说明性目的并且应当领会，可以采用提供内部护罩部件102与外部护罩部件106之间的直接、紧密接合的任何紧固件或过程。从涡轮护罩冷却组件100至热气体路径的冷却流体和/或空气的泄漏减少改进了对涡轮护罩冷却组件100的冷却并且提供了温度较高的气体以在涡轮16中将热能转化成机械能。这种泄漏的减少是通过内部护罩部件102与外部护罩部件106之间的齐平连接实现的。内部护罩部件102和外部护罩部件106可以由两种不同材料（图2）或者一种均匀材料（图3）形成。只要能够确保涡轮护罩冷却组件100尤其是内部护罩部件102的充分散热，二者便可以使用同一种材料。
通过从例如室和/或泵的流体供给部（未示出）吸收冷却流体和/或空气的气流实现了对外部护罩部件106和内部护罩部件102的冷却。流体供给部提供了冷却流体，冷却流体可以包括空气、水溶液和/或气体。冷却流体是对涡轮部件以及选定的气体流动区域（例如涡轮护罩冷却组件100的高温和高压区域）进行冷却的任何合适流体。例如，冷却流体供给是来自压缩机12的压缩空气供给，在压缩机12处，压缩空气从通向燃烧器14的空气供给转向。因此，压缩空气的供给绕过燃烧器14并且用于冷却涡轮护罩冷却组件100。
冷却流体通过至少一个气道105从流体供给部流入外部护罩部件106的增压室108中。随后，冷却流体或气流被引导至多个微通道馈送孔112中，多个微通道馈送孔112通向多个微通道110。布置在涡轮护罩冷却组件100内的冲击板114包括多个穿孔116，多个穿孔116提供冲击冷却射流效应并且使冷却流体冲击微通道馈送孔112。在图示实施例中，微通道馈送孔112沿基本径向方向从外部护罩部件106（并且更具体地从增压室108）朝向内部护罩部件102（并且更具体地朝向多个微通道110）延伸。应当领会，微通道馈送孔112可以沿备选方向延伸并且可以例如在多种构型中以一定角度对准。无论多个微通道馈送孔112是否精确对准，冷却流体或气流都被引导至形成在内部护罩部件102中的多个微通道110以用于冷却目的。多个微通道110沿内部护罩部件102的至少一部分延伸，并且典型地沿内表面104延伸。多个微通道110可以例如相对于燃气涡轮机械系统10沿多个方向（其中包括沿轴向和周向或者它们的组合）对准。多个微通道110基于与热气体路径的接近程度沿内表面104布置，内表面104特别易于受到上文所讨论的与相对较热的材料温度相关的事件的影响。尽管结合涡轮护罩进行描述，但是应当理解，非常靠近热气体路径的各种其它的涡轮部件可以受益于这种微通道。除了本文中所讨论的涡轮护罩，这种部件可以包括但不限于喷嘴、斗叶和隔板。
因此，多个微通道110减少用于通过改进对涡轮护罩冷却组件100，特别是内部护罩部件102内的冷却而冷却的压缩空气的量。因此，增加量的压缩空气被引导至燃烧器14，以用于转化成机械输出从而改进燃气涡轮机系统10的总体性能和效率，同时通过减少热疲劳而延长涡轮部件寿命。此外，内部护罩部件102与外部护罩部件106的直接紧密对准降低了内部护罩部件102和外部护罩部件106以不同速率的移位和热增大，从而减少冷却流体泄漏至热气体路径。
现在参照图4，示出了涡轮护罩冷却组件200的第二实施例。图示的实施例以及下文所描述的其它实施例包括与上文详细描述的并且将不再详细重复（除非必要之处）的第一实施例类似特征。此外，与下文所描述的其它实施例的情况一样，将采用相似的附图标记。多个微通道馈送孔112同时形成在外部护罩部件106和内部护罩部件102中，使得孔相应地对齐以形成多个微通道馈送孔112，多个微型馈送孔112通向多个微通道110。在采用冲击板114的实施例中，冷却流体或气流的冲击结合朝向多个微通道馈送孔112的冲击施加在外部护罩部件106上。这种构型增强了对外部护罩部件106的冷却，同时还对内部护罩部件102有效地冷却。
现在参照图5，示出了涡轮护罩冷却组件300的第三实施例。第三实施例将冲击区集中在不具有多个微通道馈送孔112的区域上。这是通过使冲击板114的多个穿孔116与多个微通道馈送孔112失准而实现的。
现在参照图6，示出了涡轮护罩冷却组件400的第四实施例。第四实施例包括至少一个次级附连紧固件402，至少一个次级附连紧固件402起到用于将内部护罩部件102固定至外部护罩部件106的额外附连特征的作用。次级附连紧固件402布置在内部护罩部件102上并且包括钩、夹子等以接合外部护罩部件106。在采用初级附连来将内部护罩部件102固定地连接至外部护罩部件106失败的情况下，第二附连紧固件402保持可操作连接。
现在参照图7，示出了涡轮护罩冷却组件500的第五实施例。沿内部护罩部件102的径向外侧包括多个微通道馈送孔112并且内部护罩部件102与外部护罩部件106之间的钎焊材料形成密封件以封闭多个微通道110。
参照上文所描述的所有实施例，多个微通道110可以通过任何合适的方法形成，例如通过内部护罩部件102形成期间的熔模铸造。另一种形成多个微通道110的示例性技术包括在已形成内部护罩部件102之后从内部护罩部件102去除材料。去除材料以形成多个微通道110可以包括任何合适的方法，例如通过使用水射流、铣削、激光、电火花加工、它们的任何组合或者其它合适的加工或刻蚀过程。通过采用去除过程，复杂和精致图案可以用于基于部件几何形状以及其它专用因素形成多个微通道110，由此改进热气体路径部件（例如涡轮护罩冷却组件100）的冷却能力。此外，根据期望的冷却性能和其它的应用限制，任何数量的多个微通道都可以形成在内部护罩部件102中，并且可以想象得到，任何数量的多个微通道可以形成在外部护罩部件106中。
多个微通道110的尺寸或形状可以彼此相同或不同。根据某些实施例，多个微通道110可以具有处于大约100微米（um）至3毫米（mm）之间的宽度以及处于大约100um至3mm之间的深度，如下文将讨论的。例如，多个微通道110可以具有处于大约150um至1.5mm之间、大约250um至1.25mm之间、或者大约300um至1mm之间的宽度和/或深度。在某些实施例中，微通道可以具有小于大约50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、或750um的宽度和/或深度。尽管示为正方形或矩形横截面，但是多个微通道110可以具有可使用开槽、刻蚀、或类似技术形成的任何形状。实际上，除了如图所示的正方形或矩形横截面之外或者代替如图所示的正方形或矩形横截面，多个微通道110可以具有圆形、半圆形、弯曲、或三角形、菱形横截面。宽度和深度能够在其整个长度上发生变化。因此，所公开的平面、槽、凹槽或凹部可以具有与这种横截面相一致的平直或弯曲的几何形状。此外，在某些实施例中，微通道可以具有变化的横截面积。例如扰流器或韧窝（dimples）的增强装置也可以安装在微通道中。
尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不视为受到上文的描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。
Claims (20)
1.一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件，所述涡轮护罩冷却组件包括：
外部护罩部件，所述外部护罩部件布置在所述燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳，其中所述外部护罩部件包括至少一个气道以用于吸收气流；以及
内部护罩部件，所述内部护罩部件相对于所述外部护罩部件沿径向向内布置并且固定地连接至所述外部护罩部件，其中所述内部护罩部件包括沿周向方向和轴向方向中的至少一个延伸的多个微通道，以用于通过来自所述至少一个气道的气流冷却所述内部护罩部件。
2.根据权利要求1所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述内部护罩部件通过螺栓连接、粘结、焊接和钎焊中的至少一种固定地连接至所述外部护罩部件。
3.根据权利要求2所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述外部护罩部件包括第一材料并且所述内部护罩部件包括第二材料。
4.根据权利要求2所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述外部护罩部件和所述内部护罩部件由一种材料形成。
5.根据权利要求2所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括盖，所述盖布置成接近所述内部护罩部件的内表面。
6.根据权利要求2所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括形成在所述外部护罩部件和所述内部护罩部件中的至少一个内的多个微通道馈送孔，其中所述多个微通道馈送孔将气流引向所述多个微通道。
7.根据权利要求6所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括冲击板，所述冲击板具有多个穿孔以用于将气流引向所述多个微通道。
8.根据权利要求2所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括次级附连特征，以用于将所述内部护罩部件可操作地连接至所述外部护罩部件。
9.一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件，所述涡轮护罩冷却组件包括：
外部护罩部件，所述外部护罩部件布置在所述燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳；
内部护罩部件，所述内部护罩部件相对于所述外部护罩部件沿径向向内布置，其中所述内部护罩部件包括多个微通道，其中所述外部护罩部件和所述内部护罩部件由一种材料形成；以及
冲击板，所述冲击板具有多个穿孔以用于将空气引向所述多个微通道。
10.根据权利要求9所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述内部护罩部件通过螺栓连接、粘结、焊接和钎焊中的至少一种固定地连接至所述外部护罩部件。
11.根据权利要求9所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述外部护罩部件和所述内部护罩部件整体形成为单一的实心部件。
12.根据权利要求10所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括盖，所述盖布置成接近所述内部护罩部件的内表面。
13.根据权利要求10所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述多个微通道沿周向方向和轴向方向中的至少一个延伸。
14.根据权利要求13所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括形成在所述外部护罩部件和所述内部护罩部件中的至少一个内的多个微通道馈送孔，其中所述多个微通道馈送孔与所述多个微通道对准。
15.根据权利要求14所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述多个穿孔与所述多个微通道馈送孔对准。
16.根据权利要求10所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述外部护罩部件包括至少一个气道以用于吸收气流。
17.根据权利要求10所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括次级附连特征，以用于将所述内部护罩部件可操作地连接至所述外部护罩部件。
18.一种用于燃气涡轮机系统的涡轮护罩冷却组件，所述涡轮护罩冷却组件包括：
外部护罩部件，所述外部护罩部件布置在所述燃气涡轮机系统的涡轮部段内并且接近涡轮部段外壳；
内部护罩部件，所述内部护罩部件相对于所述外部护罩部件沿径向向内布置并且固定地连接至所述外部护罩部件，其中所述内部护罩部件包括多个微通道以用于冷却所述内部护罩部件；以及
冲击板，所述冲击板具有多个穿孔以用于将空气引向所述多个微通道。
19.根据权利要求18所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述外部护罩部件包括第一材料并且所述内部护罩部件包括第二材料。
20.根据权利要求18所述的涡轮护罩冷却组件，其特征在于，所述涡轮护罩冷却组件还包括形成在所述外部护罩部件和所述内部护罩部件中的至少一个内的多个微通道馈送孔，其中所述冲击板的所述多个穿孔中的至少一个与所述多个微通道馈送孔中的至少一个对准。
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