CN103850801A - 包括近壁冷却布置的燃气涡轮部件 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮部件，尤其是燃气涡轮的燃烧器部件，包括壁，其在热侧上经受高温气体并且包括近壁冷却布置，其中该壁包含多个近壁冷却通道，多个近壁冷却通道在壁内紧邻热侧沿第一方向基本上彼此平行地延伸并且布置成沿基本上垂直于第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中近壁冷却通道各在一端处设有用于供应冷却空气的入口并且在另一端设有用于排放冷却空气的出口，其中入口通入共同供给通道用于冷却空气供应，并且出口通入共同排放通道内用于冷却空气排放，供给通道和排放通道沿第二方向延伸，供给通道在第一端处打开以接收供应的冷却空气并且将其引导至冷却通道入口行，并且排放通道在第二端处打开以从冷却空气出口行排放冷却空气。

Description

包括近壁冷却布置的燃气涡轮部件
技术领域
本发明涉及燃气涡轮的领域，特定而言，涉及燃气涡轮的燃烧系统，其必须适当冷却以便确保足够的使用寿命，但同时符合严格的排放法规。
本发明适用于对流冷却机制。
本发明涉及根据权利要求1的前序所述的燃气涡轮部件。
背景技术
为了实现高效率，在标准燃气涡轮中需要高的涡轮入口温度。因此，造成高NOx排放水平和更高的寿命循环成本。利用顺序燃烧循环减轻了这些问题，其中压缩机提供为常规压缩机的接近两倍的压力比。
主要流动经过第一燃烧室(例如，EV燃烧器)，其中燃烧燃料的一部分。在高压涡轮级处膨胀后，添加并且燃烧其余燃料(例如，SEV燃烧器)。由于将第一燃烧器的膨胀排气供给第二燃烧器，所以操作条件允许燃料/空气混合物自行点火(自发点火)而无需向混合物供应额外能量(参看例如文献EP 2 169 314 A2)。
目前对流冷却用于若干燃烧器部件，例如EV和SEV衬套两者。如在图1(a)中所示，这样的燃烧器部件20的冷却空气流23在冷却通道22中沿着待冷却的壁21导引，并且能通过在壁上施加肋状湍流器而改进冷却效率。
可需要更少冷却空气的替代方案为在图1(b)中示出的燃烧器部件24，其中应用许多小的冷却通道27(位于壁的外板25与内板26之间，该通道位于更靠近热侧(图1中的下侧)处)。在这些通道中，以更少冷却质量流量实现了更高的热吸收，从而提高了冷却效率。因此，需要更少的总冷却质量流量，这对于燃气涡轮性能和排放具有积极的影响。
在相关的现有技术中，关于燃气涡轮燃烧器提出了若干方案：
文献EP 2 295 864 A1公开了一种用于燃气涡轮的燃烧装置，其示出了靠近燃烧室的壁的通道，并且其包括具备第一壁和第二壁的部分，第一壁和第二壁具备第一通路和第二通路，第一通路连接在第一壁与第二壁之间的区与燃烧装置的内部，第二通路连接在第一壁与第二壁之间的所述区与燃烧装置的外部。在第一壁与第二壁之间，限定了多个室，每个室与一个第一通路和至少一个第二通路连接，并且限定亥姆霍兹阻尼器。
文献US 6,981,358 B2公开了一种用于燃气涡轮的再热燃烧系统，其包括：混合管，其适于被供给燃气涡轮的主要燃烧区的产物和由喷枪注射的燃料；由所述混合管供给的燃烧室；以及，至少一个穿孔的声障板。声障板设置于燃烧室的混合管内侧，在其面向声障板穿孔壁且与声障板穿孔壁间隔开的位置。在使用中，穿孔壁经历撞击冷却，因为其允许空气进入燃烧系统内用于通过所述声障板的穿孔通行，并且声障板阻尼在混合管和燃烧室中的声脉动。
文献US 2001/016162 A1教导了一种用于燃气涡轮的冷却叶片，在该叶片中，冷却流体，优选地冷却空气流动用于通过位于靠近壁处的内部冷却通路的对流冷却并且随后偏转用于通过膜冷却孔到叶片表面上的外膜冷却，并且流体流在内部冷却通路的至少一些中与在叶片周围流动的热气体流成逆流导向，沿径向方向的均匀冷却由于如下事实而实现：多个内部冷却通路和膜冷却孔在叶片中以如下方式沿径向方向布置成一个在另一个上方，即使得在每种情况下膜冷却孔的排放开口设置成以致偏离内部冷却通路，特别地设置于内部冷却通路之间。
文献WO 2004/035992 A1公开了一种能被冷却的构件，例如燃烧室壁区段，其中，冷却通道的壁包括选择性地布置的特定形状的突出元件。突出元件的高度在冷却通道的液力直径的2%与5%之间。因此，元件仅足够高从而以充分发展的湍流生成与冷却流动的紧邻壁的层流下层中的中央流动的湍流横向交换，从而显著地提高了冷却侧的紧邻壁的传热而不会通过影响中央流动而显著地增加冷却流动中的压降。
文献US 5,647,202教导了一种冷却壁部件，其具有靠近内壁并且平行于内壁延伸的多个单独对流冷却的纵向冷却管，相邻纵向冷却管在每种情况下经由中间肋状物连接到彼此。在纵向冷却管的下游端设有偏转装置，偏转装置连接到至少一个逆流冷却管，逆流冷却管布置于壁部件中外壁附近并且多个小管子从其延伸到冷却的壁部件的内壁并且布置于中间肋状物分叉(branch off)中。利用该壁部件，可将冷却介质用于多种冷却用途(对流、泻流、膜冷却)。
文献US 6,374,898 B1公开了一种用于产生铸造芯的工艺，其用于在铸件内形成预期用于冷却目的的腔，可通过该腔来传导冷却介质，铸造芯具有如下表面区域：其中以具体选择的方式合并了一定表面粗糙度，表面粗糙度在铸造操作期间本身转移到封闭腔的表面区域，并且导致在冷却介质与铸件之间的传热增加。
但是，当在较大表面，诸如例如燃烧器衬套上实施近壁冷却通道设计时，确保所有近壁通道被供给冷却空气和排放冷却空气是很有挑战性的。在图2中描绘了一个示例：在图2的燃气涡轮部件10a中，具有外通道壁13a和作为内壁的分隔壁13的供给通道12向所有小冷却通道15供应冷却空气，彼此平行地延伸的小冷却通道15布置成沿着预定方向延伸的行。所供应的冷却空气18在一端处进入供给通道12，通过其入口16进入冷却通道15，通过嵌入于待冷却的壁11中的冷却通道15流动并且之后，空气通过冷却通道出口17进入排放通道14，该排放通道14以及其外壁13b需要借助于共同分隔壁13与供给通道12分开。从那里，其被排放(排放的冷却空气19)。在较大表面上，例如在衬套上，这些元件中的几个可彼此紧邻地定位(参看图5)。
由于冷却空气的部分通过每个近壁冷却通道15供给(参看通过图2中的冷却通道的箭头)，在供给通道12中的其余冷却质量流量沿流动方向减小。这对于流动速度和因此对静态压力分布具有直接影响，其也沿着供给通道12减小。在排放通道14中，该效果相反：冷却质量流量和速度沿流动方向增加，因此也增加了静态压力。由于这些压力分布，在一行(从入口到出口)的近壁通道15内的压差沿着冷却路径改变并且因此影响通过每个通道的冷却质量流量。
然而，为了在所有近壁通道中恒定的冷却性能，希望在所有通道中具有相同的质量流量。
发明内容
本发明的目的在于优化冷却效率并且因此降低冷却空气消耗和/或降低排放。
利用根据权利要求1的燃气涡轮部件实现了这个目的。
根据本发明的燃气涡轮部件，其尤其为燃气涡轮的燃烧器部件，包括壁，其在热侧上经受高温气体并且包括近壁冷却布置，其中壁包含多个近壁冷却通道，多个近壁冷却通道在壁内紧邻热侧沿第一方向基本上彼此平行地延伸，并且布置成沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中所述近壁冷却通道各在一端处设有用于供应冷却空气的入口，并且在另一端设有用于排放冷却空气的出口；其中所述入口通入共同供给通道内用于冷却空气供应；并且所述出口通入共同排放通道内用于冷却空气排放，所述供给通道和所述排放通道沿所述第二方向延伸，所述供给通道在第一端处打开以接收供应的冷却空气并且将其引导至冷却通道入口行，并且所述排放通道在第二端处打开以从冷却空气出口行排放冷却空气。
其特征在于，在所述近壁冷却布置内提供用于均衡通过具有共同供给通道和/或排放通道的近壁冷却通道的冷却空气质量流量的装置(means)。
根据本发明的实施例，所述近壁冷却布置的所有近壁冷却通道具有基本上相同的截面。
根据本发明的另一实施例，所述近壁冷却布置的所有近壁冷却通道以基本上恒定的通道间距离布置于所述行内。
具体而言，供给通道具有截面，截面随着距所述第一端的距离增加而沿第二方向减小。
更具体而言，排放通道具有截面，截面随着距所述第二端的距离减小而沿第二方向增加。
优选地，截面随着距离的变化为线性的。
具体而言，供给通道和排放通道由共同分隔壁分开，供给通道和排放通道的截面各由所述共同分隔壁和各自的外通道壁限定，并且截面沿第二方向的变化由在共同分隔壁与外通道壁之间的倾斜取向实现。
更具体而言，共同分隔壁的方向平行于第二方向，并且外通道壁的方向相对于第二方向倾斜。
备选地，共同分隔壁的方向，并且外通道壁的方向平行于第二方向，以及共同分隔壁的方向相对于第二方向倾斜。
根据本发明的又一实施例，供给通道和排放通道各沿第二方向具有恒定截面；并且沿第二方向每单位长度的冷却通道数量从第一端向第二端减小。
根据本发明的另一实施例，供给通道和排放通道各沿第二方向具有恒定截面，并且冷却通道的截面沿第二方向从第一端向第二端减小。
根据本发明的另一实施例，近壁冷却布置包括多行近壁冷却通道，行沿第二方向彼此平行地延伸，并且所述行中的每一个具有单独的供给通道和排放通道，供给通道和排放通道具有共同的分隔壁和各自的外通道壁，并且相邻的行共用外通道壁。
附图说明
现在借助于不同的实施例并且参考附图来更详细地解释本发明。
图1示出了常规对流设计(a)和近壁冷却设计(b)；
图2总体上以顶视图(a)和侧视图(b)示出了例如在燃烧器衬套应用中的近壁冷却通道的供给和排放；
图3以顶视图示出了根据本发明的一个实施例具有变化的截面的供给和排放通道(具有倾斜通道外壁)；
图4以顶视图示出了根据本发明的另一实施例具有变化的截面的供给和排放通道(具有倾斜的共同分隔壁)；
图5以顶视图示出了根据本发明的又一实施例具有冷却通道的供给和排放通道的多个相邻行的燃烧器衬套应用，其中供给和排放通道具有变化的截面；
图6以顶视图示出了根据本发明的另一实施例具有变化的入口和出口孔直径的近壁冷却通道；以及
图7以顶视图示出了根据本发明的仅另一实施例沿行方向具有变化的间隔的近壁冷却通道。
附图标记
10a-f   燃气涡轮部件(燃烧器部件)
11   壁
12   供给通道
13   分隔壁
13a,b   外通道壁 
14   排放通道
15   冷却通道(近壁)
16   入口(冷却通道)
17   出口(冷却通道)
18   供应的冷却空气
19   排放的冷却空气
20,24   燃气涡轮部件(燃烧器部件)
21   壁
22   冷却通道
23   冷却空气流
25   外板
26   内板
27   冷却通道(近壁)
28   冷却空气
D   直径
d   通道间距离。
具体实施方式
在本发明和其等效手段内，描述了用于优化和控制冷却性能的若干方式。
一种方式是提供具有变化截面的供给通道和排放通道：
如在图3中描绘地，可沿着冷却路径来分别调整燃气涡轮部件10b的供给通道12和排放通道14的截面图。这通过以下方式来进行，将两个通道12和14的分隔壁13选择为严格平行于冷却通道行15的延伸纵向方向，而外通道壁13a和13b相对于此方向具有倾斜取向，使得分别地，供给通道沿此方向缩窄，而排放通道14加宽。在图3的示例中，这种缩窄和加宽随着沿箭头的纵向方向的距离为线性的。
以此方式，压力分布可受到影响并且因此可控制进入近壁冷却通道15的质量流量。如在具有恒定截面的情况下(图2)，这些区段中的若干区段可彼此紧邻定位以便覆盖较大的冷却表面(参看图5)。
可通过图4中所示配置来实现截面的等效变化。此处，在燃气涡轮部件10c中，共同分隔壁13具有倾斜取向，而外通道壁13a和13b严格地平行于行的纵向方向取向。这具有以下优点：其通过简单地添加多个并行的这种元件而直接允许燃烧器衬套应用(燃烧器部件10d)。
通过个别近壁冷却通道15控制和优化冷却剂质量流量的另一方式是根据图6的燃烧器部件10e来改变近壁冷却通道15的入口直径和出口直径D，而供给通道12和排放通道14的截面可沿纵向方向保持恒定。但是，变化的供给通道和排放通道截面和冷却通道15变化的直径D的组合也是可能的。
尽管控制通过个别近壁冷却通道15的质量流率，但也能沿行的纵向方向优化近壁冷却通道15的间距(图7)。在燃烧器部件10f的供给通道入口处，其中由于静压变化，冷却剂质量流量更低，采用近壁冷却通道15的更致密布置来补偿更低的质量流率。但是，变化的供给通道截面和排放通道截面和/或冷却通道15的变化的直径D与冷却通道沿纵向方向的变化的分布密度的组合也是可能的。
本发明的特征和优点如下：
·通过调整供给通道和排放通道的通道截面以及冷却通道的入口和出口直径(D)和/或其沿纵向方向的分布密度来优化局部冷却性能。
·减少冷却空气导致必需火焰温度的降低和排放的减少。
·如果需要更少的总冷却空气，可提高燃气涡轮效率。

Claims (12)

1. 一种燃气涡轮部件(10b-f)，尤其是燃气涡轮的燃烧器部件，包括壁(11)，其在热侧上经受高温气体并且包括近壁冷却布置，其中，所述壁(11)包含多个近壁冷却通道(15)，所述多个近壁冷却通道(15)在所述壁内紧邻所述热侧沿第一方向基本上彼此平行地延伸，并且布置成沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中，所述近壁冷却通道(15)各在一端处设有用于供应冷却空气的入口(16)，并且在另一端处设有用于排放冷却空气的出口(17)，其中，所述入口(16)通入共同供给通道(12)用于冷却空气供应，并且所述出口(17)通入共同排放通道(14)用于冷却空气排放，所述供给通道(12)和所述排放通道(14)沿所述第二方向延伸，所述供给通道(12)在第一端处打开以接收供应的冷却空气并且将其引导至冷却通道入口(16)行，并且所述排放通道(14)在第二端处打开以从所述冷却空气出口(17)行排放冷却空气，其特征在于，在所述近壁冷却布置内提供用于均衡通过具有共同供给通道(12)和/或排放通道(14)的近壁冷却通道(15)的冷却空气质量流量的手段。
2. 根据权利要求1所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述近壁冷却布置的所有近壁冷却通道(15)具有基本上相同的截面(D)。
3. 根据权利要求1所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述近壁冷却布置的所有近壁冷却通道(15)以基本上恒定的通道间距离(d)布置于所述行内。
4. 根据权利要求2所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述供给通道(12)具有截面，所述截面随着距所述第一端的距离增加沿所述第二方向减小。
5. 根据权利要求4所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述排放通道(14)具有截面，所述截面随着距所述第二端的距离减小沿所述第二方向增加。
6. 根据权利要求4或5所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述截面随着距离的变化为线性的。
7. 根据权利要求6所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述供给通道(12)和所述排放通道(14)由共同分隔壁(13)分开，所述供给通道(12)和所述排放通道(14)的截面各由所述共同分隔壁(13)和各自的外通道壁(13a,b)限定，并且所述截面沿所述第二方向的变化由在所述共同分隔壁(13)与所述外通道壁(13a,b)之间的倾斜取向实现。
8. 根据权利要求7所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述共同分隔壁(13)的方向平行于所述第二方向，并且所述外通道壁(13a,b)的方向相对于所述第二方向倾斜。
9. 根据权利要求7所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述共同分隔壁(13)的方向，并且所述外通道壁(13a,b)的方向平行于所述第二方向，以及所述共同分隔壁(13)的方向相对于所述第二方向倾斜。
10. 根据权利要求2所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述供给通道(12)和所述排放通道(14)各具有沿所述第二方向的恒定截面，并且沿所述第二方向的每单位长度的冷却通道(15)数量从所述第一端向所述第二端减小。
11. 根据权利要求2所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述供给通道(12)和所述排放通道(14)各具有沿所述第二方向的恒定截面，并且所述冷却通道(15)的截面沿所述第二方向从所述第一端向所述第二端减小。
12. 根据权利要求1所述的燃气涡轮部件，其特征在于，所述近壁冷却布置(10d)包括多行(10c)近壁冷却通道(15)，所述行沿所述第二方向彼此平行地延伸，并且所述行(10c)中的每一个具有单独的供给通道(12)和排放通道(14)，所述供给通道(12)和排放通道(14)具有共同的分隔壁(13)和各自的外通道壁(13a,b)，并且相邻的行(10c)共用外通道壁(13a,b)。
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