CN104675446A - 具有微回路冷却的涡轮机端壁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有微回路冷却的涡轮机端壁。一种微回路冷却模块，用于为燃气涡轮机发动机中的轮叶组件提供端壁冷却。微回路模块包括外周轨、上板和下板，它们限定在其中的混合室。第一多个间隔开的条元件在混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多个间隔开的条元件在混合室的下通道中沿与第一方向相反的第二方向延伸，从而使得第一多个条元件和第二多个条元件形成十字交叉配置。空气通过下板中的计量孔进入模块，横跨十字交叉元件以紊流方式流过混合室并通过上板中的狭缝离开模块。

Description

具有微回路冷却的涡轮机端壁
技术领域
本发明总体涉及为燃气涡轮机发动机中的轮叶组件提供端壁冷却的微回路冷却模块，更具体地，涉及为燃气涡轮机发动机中的轮叶组件提供端壁冷却的微回路冷却模块，其中微回路冷却模块包括提供紊流冷却空气流的十字交叉通道。
背景技术
世界能源需求持续上升，这需要产生可靠的、可负担的、高效且环保的能量。燃气涡轮机发动机是提供高效能量的一种已知机器，并且通常应用于发电厂的发电机或飞机或船中的发动机。典型的燃气涡轮机发动机包括压缩机部段、燃烧部段和涡轮机部段。压缩机部段向燃烧部段提供压缩空气流，在燃烧部段，空气与燃料（诸如天然气）混合，并且被点火以产生热工作气体。工作气体膨胀通过涡轮机部段并被相关轮叶引导横跨其中的多排叶片。当工作气体穿过涡轮机部段时，其引起叶片旋转，这继而引起轴旋转，由此提供机械功。
严格控制工作气体的温度，从而使其不超过特定涡轮机发动机设计的某个预定温度，因为太高温度可损坏发动机的涡轮机部段中的各个部分和部件。然而，期望使得工作气体的温度尽可能高，因此工作气体的温度越高，气体流动越快，这致使发动机更高效地操作。
在某些燃气发动机涡轮机设计中，压缩空气流的一部分也用于冷却涡轮机部段中的某些部件，通常是轮叶、叶片和环部段。能够为这些部件提供的较大程度的冷却和/或较高效的冷却允许部件保持处于较低的温度，并因此工作气体的温度可以更高。例如，通过降低压缩气体的温度，需要较少的压缩气体来保持所述部分处于期望温度，从而导致较高的工作气体温度和来自发动机的更多能量和效能。此外，通过在涡轮机部段中的一个位置处利用较少的冷却空气，更多的冷却空气可用于涡轮机部段中的另一位置处。在一种已知的涡轮机发动机设计中，80%的压缩空气流与燃料混合以提供工作气体，并且20%的压缩空气流用于冷却涡轮机部段部分。如果由于冷却空气处于更低的温度而使得较少的冷却空气被用于一个特定位置，则更多的冷却空气可用于涡轮机部段中的其他区域处，以用于增加冷却。
在一些涡轮机设计中采用背面冲击以及多排薄膜冷却，以便提供高温第一轮叶端壁冷却。在端壁的背面上采用隔区，以更好地控制冷却流和压力分布。然而，对于横跨冲击孔的固定的冲击压力或后冲击冷却空气压力，每个单独的隔区经受大的主流压力-冷却空气压力变化。此外，每个冲击隔区需要提供比最大主流热气体压力高的后冲击压力，以便实现良好的回流边际（BFM）。因此，在较低的主流热气体压力位置处通常具有过大的压力。此过大压力在轮叶吸力侧（SS）的尾部处变得更大，在该处，端壁经历最大主流变化以及最大的冷却空气-热气体压力比率。当冲击孔被灰尘或其他碎片堵塞时，大面积地计量通过冲击孔的冷却压力以便在端壁表面上获得最大薄膜冷却可能会导致热气体吸入问题。由于此大隔区冷却构造，对于具有大的外部热气体温度和压力变化的轮叶端壁，有时难以实现流方向和圆周方向的冷却流控制。此外，具有用以覆盖大的端壁区域的大冲击腔的单个冲击冷却技术通常不是用于利用冷却空气的最佳方法。造成的冷却流的分布不均会产生低对流冷却效率。
发明内容
本公开描述一种微回路冷却模块，用于为燃气涡轮机发动机中的轮叶组件提供端壁冷却。微回路模块包括外周轨、上板和下板，它们限定在其中的混合室。第一多个间隔开的条元件在混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多个间隔开的条元件在混合室的下通道中沿与第一方向相反的第二方向延伸，从而使得第一多个条元件和第二多个条元件形成十字交叉配置。空气通过下板中的计量孔进入模块，横跨十字交叉元件以紊流方式流过混合室并通过上板中的狭缝离开模块。
根据结合附图进行的以下描述和所附权利要求，本发明的其他特征将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮机发动机的剖切立体图；
图2是用于图1所示的燃气涡轮机发动机的包括内径端壁和外径端壁的已知轮叶组件的立体图；
图3是用于图1所示的燃气涡轮机发动机的包括内径端壁和外径端壁的轮叶组件的立体图，其中端壁包括提供冷却的微回路模块；
图4是设置在图3所示的端壁之一中的微回路冷却模块之一的顶视图；以及
图5是沿图4的线5-5截取的微回路冷却模块的剖视图。
具体实施方式
涉及用于在与燃气涡轮机发动机相关的轮叶组件的端壁中提供冷却的微回路冷却模块的本发明的实施例的以下论述本质上仅是示例性的，并且决非意在限制本发明或其应用和用途。
图1的燃气涡轮机发动机10的剖切立体图，燃气涡轮机发动机包括压缩机部段12、燃烧部段14和涡轮机部段16，它们全部被包封在外壳30内，其中，发动机10的操作致使中心轴或转子18旋转，由此产生机械功。通过非限定性例子示出和描述发动机10，以给出以下对本发明进行论述的背景。本领域技术人员应该明白，其他燃气涡轮机发动机设计也将受益于本发明。转子18的旋转将空气抽吸到压缩机部段12中，在该处，空气被轮叶22引导并被旋转叶片20压缩，以被传送到燃烧部段14，在该处，压缩空气与诸如天然气的燃料混合，在该处通过点火器24点火燃料/空气混合物以产生热工作气体。更具体地，燃烧部段14包括许多周向放置的燃烧室26，每个燃烧室接收通过喷射器（未示出）喷入室26中并与压缩空气混合以燃烧产生从而工作气体的燃料，该工作气体通过过渡结构28被引导到发动机部段16中。通过在涡轮机部段16中周向放置的静止轮叶（未示出）引导工作气体，以使其流过周向放置的可旋转涡轮机叶片34，这致使涡轮机叶片34旋转，由此旋转转子18。一旦工作气体穿过涡轮机部段16，它就作为废气通过输出喷嘴36从发动机10输出。
每组周向放置的静止轮叶限定一排轮叶，并且每组周向放置的叶片34限定一排38叶片34。在本非限定性实施例中，涡轮机部段16包括处于交替顺序的四排38旋转叶片34和四排静止的轮叶。在其他燃气涡轮机发动机设计中，涡轮机部段16可包括更多或更少排的涡轮机叶片34。可以注意到，最前排涡轮机叶片34（被称作第一排叶片）和轮叶（被称作第一排轮叶）接收最高温度的工作气体，其中，工作气体的温度随着其流过涡轮机部段16而降低。
图2是用于第一排轮叶的已知轮叶组件40的立体图，其包括轮叶翼面42、被安装到翼面42一侧的内径（ID）端壁44和被安装到翼面42的相对侧的外径（OD）端壁46。许多轮叶组件被安装在一起，其中，一个组件的ID端壁44被安装到相邻轮叶组件的OD端壁46，以限定提供多排轮叶中的一排的环结构。OD端壁46包括外周轨48、多个内分隔肋50和基板52，它们限定多个特殊配置的冲击隔区54。端壁46中的开口56与翼面42内的内室58连通。ID端壁44也包括外周轨60、内安装轨62和基板64，它们也限定冲击隔区。
一系列特殊配置的薄膜冷却孔70穿过ID端壁44的基板64形成，多个特殊配置的薄膜孔72穿过轮叶翼面42形成，并且多个特殊配置的薄膜孔74穿过OD端壁46的基板52形成。从压缩机部段12流过与特定轮叶排相关的所有翼面中的室58的冷却空气流过薄膜孔72并在轮叶翼面42的外表面上产生冷却薄膜。同样地，进入OD端壁46中的冲击隔区54中的冷却流流过薄膜孔74并在基板52的外表面上提供冷却薄膜。此外，流入ID端壁44的冲击隔区中的空气流流过薄膜孔70并在基板64的表面上产生冷却薄膜。
如上所述，可改进刚刚描述的用于在轮叶端壁中提供薄膜冷却的冲击隔区设计。本发明提出许多微回路冷却模块，它们被塑形和配置为配合在提供改进的轮叶冷却的轮叶组件40的已有端壁44和46中。这主要在图3中描绘，图3示出与轮叶组件40类似的轮叶组件80，其中相似的元件由相同附图标记表示。如下面将更详细地描述的，ID端壁44和OD端壁46被重新配置为包括内分隔肋82，内分隔肋82限定特殊配置的隔区86，以便接纳提供薄膜冷却的多个特殊配置的微回路冷却模块84。
图4是顶视剖视图，并且图5是从ID端壁44取下的一个微回路冷却模块84的沿图4的线5-5截取的侧视剖视图。尽管模块84在图4和5中被示出为矩形，但需强调的是，模块84的形状可以是用于端壁44和46中的隔区的任何合适的形状。模块84包括外周壁90、热侧上板92和冷侧下板94，它们形成在其中限定混合室96的封闭结构。混合室96包括：上通道98，其接近上板92并包括多个分隔开的沿第一方向延伸的条100；以及下通道102，其接近下板94并包括多个间隔开的条104，条104被配置为沿与条100相反且垂直的方向，如图所示。重合的条100和104产生交叉冷却汇合处106，在该处，空气流交叉并变成紊流。一系列间隔开的计量孔110在混合室96的一端处穿过下板94形成并允许空气通过扩散区112进入混合室96。一系列薄膜狭缝114在混合室96的相对端处穿过上板92形成并允许空气在被收集在扩散区116中之后流出混合室96。薄膜狭缝114还允许冷却空气在上板92的外表面（其是端壁的表面）上形成冷却薄膜。
一般而言，包括十字交叉混合室的多个微回路冷却模块84产生高冷却流体速度和高内部传热系数，由此产生高的总冷却效率。在操作时，冷却空气被供应到每个模块84的计量孔110，并且被引导通过混合室96内的通道98和102并沿逆流方向围绕十字交叉的条100和104。通过混合室96的上通道98的冷却流相对于通过混合室96的下通道102的冷却流以90°流动。这两种冷却空气流在上通道98和下通道102相对于彼此十字交叉的汇合处106处混合在一起。高水平紊流空气流混合物发生并产生用于端壁传导冷却的热传递的高速率。然后，用过的冷却空气通过狭缝114被排放到端壁表面中以形成用于薄膜冷却的薄膜层。
基于沿流方向和周向方向两者的端壁气体侧压力分布，设计多个微回路冷却模块84和多个隔室86。此外，可基于端壁局部外部热量加载来设计各个紊流混合室，以达到期望的局部金属温度水平。这通过改变入口计量孔110的尺寸和混合室96内十字交叉的通道98和102的密度来实现。此冷却方法的结果是，横跨薄膜冷却狭缝114的冷却流量和压力比率可针对局部热量加载和热气体压力情况被调节。微回路冷却模块84可被设计为具有长的长度液压直径比通道或者可被设计为多个短冷却通道，以调节冷却流量和压力。微回路冷却模块84可被配置为成直线或交错形式。
可利用本领域技术人员周知的打印部件（print part）制造工艺将微回路冷却模块84形成为单片式结构。打印部件制造将去除传统的倒退冲击板、冲击板和薄膜冷却孔的焊接和钻孔。最重要的是，打印部件制造去除了常规铸造工艺所需的陶瓷芯模具和陶瓷芯。
微回路冷却模块端壁冷却结构最大化了对总冷却空气的利用，所述总冷却空气针对给定翼面入口气体温度和压力轮廓被实现。此外，多个微回路冷却模块84和多个十字交叉混合室96产生高冷却剂流紊流水平，并且与用于现有技术的常规冷却设计的单次经过背面冲击相比得到更高的内部对流冷却效率。对于第一轮叶部件，利用最新的制造技术会得到低很多的部件成本。所有涡轮机产品公司都可利用这种轮叶的冷却和制造方法。
以上论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。通过这种论述以及附图和权利要求，本领域技术人员将容易地明白，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可对本发明进行各种改变、修改和变更。

Claims (20)

1. 一种用于燃气涡轮机发动机的轮叶组件的端壁的微回路冷却模块，所述模块包括外周轨、上板和下板，它们共同限定在其中的混合室，第一多个间隔开的条元件在所述混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多个间隔开的条元件在所述混合室的下通道中沿与第一方向相反的第二方向延伸，从而使得所述第一多个条元件和第二多个条元件形成十字交叉配置。
2. 根据权利要求1所述的冷却模块，进一步包括在所述混合室的一端处延伸通过下板并与混合室流体连通的多个计量孔、和在所述混合室的相对端处形成在上板中的多个薄膜狭缝。
3. 根据权利要求2所述的冷却模块，其中，所述薄膜狭缝在端壁的表面上产生薄膜冷却。
4. 根据权利要求1所述的冷却模块，其中，所述端壁是内径端壁。
5. 根据权利要求1所述的冷却模块，其中，所述端壁是外径端壁。
6. 根据权利要求1所述的冷却模块，其中，所述端壁包括设置在端壁的隔区中的多个微回路冷却模块。
7. 根据权利要求1所述的冷却模块，其中，所述冷却模块利用打印部件制造工艺形成为单片式结构。
8. 根据权利要求1所述的冷却模块，其中，所述轮叶组件是燃气涡轮机发动机的涡轮机部段中的第一排轮叶的一部分。
9. 一种用于燃气涡轮机发动机的轮叶组件，所述轮叶组件包括翼面、在所述翼面的一端处的内径端壁和在所述翼面的相对端处的外径端壁，每个端壁包括至少一个微回路冷却模块，所述模块包括外周轨、上板和下板，它们共同限定在其中的混合室，第一多个间隔开的条元件在混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多个间隔开的条元件在混合室的下通道中沿与第一方向相反的第二方向延伸，从而使得第一多个条元件和第二多个条元件形成十字交叉配置，多个计量孔在混合室的一端处延伸通过下板并与混合室流体连通，并且多个薄膜狭缝在混合室的相对端处形成在上板中。
10. 根据权利要求9所述的轮叶组件，其中，所述内径端壁和外径端壁都包括多个微回路模块。
11. 根据权利要求10所述的轮叶组件，其中，所述多个微回路模块被设置在端壁的隔区中。
12. 根据权利要求9所述的轮叶组件，其中，所述薄膜狭缝在端壁的表面上产生薄膜冷却。
13. 根据权利要求9所述的轮叶组件，其中，所述冷却模块利用打印部件制造工艺形成为单片式结构。
14. 根据权利要求9所述的轮叶组件，其中，所述轮叶组件是燃气涡轮机发动机的涡轮机部段中的第一排轮叶的一部分。
15. 一种涡轮机发动机，包括：
外壳；
能够操作以产生压缩空气流的压缩机部段；
与压缩机部段流体连通并接收压缩空气流的燃烧部分的燃烧部段，所述燃烧部段将压缩空气流的燃烧部分与燃料混合并燃烧混合物以产生热工作气体；以及
与燃烧部段流体连通的涡轮机部段，所述涡轮机部段接收热工作气体，所述涡轮机部段包括多排轮叶和多排叶片，其中，轮叶中的至少一些由轮叶组件构成，轮叶组件包括翼面、在翼面的一端处的内径端壁和在翼面的相对端处的外径端壁，每个端壁包括至少一个微回路冷却模块，所述模块包括外周轨、上板和下板，它们共同限定在其中的混合室，第一多个间隔开的条元件在混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多个间隔开的条元件在混合室的下通道中沿与第一方向相反的第二方向延伸，从而使得第一多个条元件和第二多个条元件形成十字交叉配置。
16. 根据权利要求15所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述冷却模块进一步包括在混合室的一端处延伸通过下板并与混合室流体连通的多个计量孔、和在混合室的相对端处形成在上板中的多个薄膜狭缝。
17. 根据权利要求16所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述薄膜狭缝在端壁的表面上产生薄膜冷却。
18. 根据权利要求15所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述内径端壁和外径端壁都包括设置在端壁的隔区中的多个微回路模块。
19. 根据权利要求15所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述冷却模块利用打印部件制造工艺形成为单片式结构。
20. 根据权利要求15所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述轮叶组件是燃气涡轮机发动机的涡轮机部段中的第一排轮叶的一部分。
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