CN104775859A - 冷却的定子热障层 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃气涡轮的定子热障层，燃气涡轮具有限定旋转轴线的转子，定子热障层包括设置成沿旋转轴线的阵列的多个冷却单元，冷却单元中的各个包括面对燃气涡轮的热气体通路的外侧部分，以及定位在外侧部分上且暴露于冷却空气的内侧板，其中内侧板包括多个入口开口，其形成穿过内侧板以将冷却空气引入到外侧部分中，并且因此冲击冷却外侧部分的热气体清洗壁，外侧部分包括形成在其中的冷却空气通道，该冷却空气通道具有用以接收冷却空气的第一中心部分，以及围绕第一中心部分的第二螺旋部分，其用以将冷却空气向外传送至第二螺旋部分的冷却空气出口。本发明中提出的冷却方案的最初研究示出了相比于普通设计预计有40%的冷却空气节省。

Description

冷却的定子热障层

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮的冷却的定子热障层，以及配备有此类冷却的定子热障层的燃气涡轮。

背景技术

在安装状态中，定子热障层位于定子上和/或燃气涡轮的壳体上。它们通常安装在导叶载体上，并且形成燃气涡轮的转子的转子叶片的区域中的燃气涡轮的热气体通路的径向边界。通常，多个此类定子热障层沿周向方向相对于转子的旋转轴线布置在彼此附近，从而形成单独定子热障层的闭合环。单独的定子热障层在这里形成环节段。定子热障层保护壳体和/或导叶载体免于暴露于燃气涡轮的热气体。定子热障层的外侧暴露于热气体，而背对热气体通路的相应定子热障层的内侧暴露于适合的冷却空气以冷却相应的定子热障层。由于该冷却，故定子热障层的寿命可延长。然而，基本上，存在对进一步延长此类定子热障层的寿命的需要。

特别是第一级的定子热障层的冷却是非常有挑战的任务。冷却效力限于对流冷却方案，因为热气体暴露表面的膜冷却在其中旋转叶片经过定子热障层的区域处不可应用。这出于两个原因。首先，定子热障层与叶片末端之间的间隙中的复杂流场不允许冷却膜形成，并且所得的膜效力非常低，并且极其难预测和测量。其次，在摩擦事件的情况下，冷却开口通常由该事件闭合，因此防止了所需的冷却空气流出，这将对整个冷却系统具有有害影响，并且显著缩短寿命。

用于定子热障层冷却的普通实践在于使用利用从侧面排放的冷却空气的广泛冲击冷却。例如，US20120251295A1中公开了燃气涡轮发动机的构件，即，热障层。构件包括外壁，该外壁在使用中在其一个表面上暴露于流过发动机的工作气体。构件还包括形成在外壁中的流出冷却孔。在使用中，冷却空气吹过冷却孔，以形成暴露于工作气体的外壁的表面上的冷却膜。构件还包括空气入口布置，其接收冷却空气用于分送至冷却孔。构件还包括多个计量进料源和多个供应仓室。计量进料源计量从空气入口布置到相应的供应仓室的冷却空气，这继而将计量的冷却空气供应至冷却孔的相应部分。US20120251295A1的冷却方案非常稳健，但由于用于冷却大区域的冲击系统的局限性，故不可实现低冷却剂消耗。

US6354795B1提出了冲击冷却的定子热障层，其中在一个可能的布置中，冷却空气喷射在热气体暴露表面处。然而，该公开内容并未提出高热传递利用率，因为冷却空气正好在冲击之后排放至流动通路，而并未穿过任何附加通道来覆盖较大的冷却区域。因此，该方案具有每平方单位的高冷却剂质量流率，并且不支持冷却空气的显著节省。

随着燃气涡轮的进一步发展，其集中于升高循环参数(压力比和热气体温度)，这将导致具有对热障层的最高影响的所有冷却部分的热气体热暴露的增加，因为它们仅被对流冷却。为了使定子热障层的寿命回到可接受的水平，将需要通过开启排放区域来增大冷却流率，或者通过使用来自较高压缩机级的空气来增大空气与热气体压力比。这两个动作将导致对涡轮和发动机效率的不利影响。在此类情形下，所需的是提供改进的定子热障层，其将冷却效果提高至较高水平，同时实现相当大冷却剂节省。

文献EP257451A2中描述了用于燃气涡轮的涡轮护罩冷却组件，其中典型的冲击冷却特征与冷却微通道组合。由于冲击并未暴露于热气体清洗表面，故仅存在低冷却效率。此外，布置的微通道削弱热气体清洗壁，其由于内部泄漏的高可能性而不稳健。US8,449,246B1描述了暴露于“冷”壁的冲击冷却，并且因此提供了对整个金属温度降低的非常小的影响。US2006/210390A1提出了一种纯蛇线通道冷却系统，其具有非常光滑的通道，该非常光滑的通道不可导致实现具有低冷却剂消耗率的高冷却效力。US2010/183428A1中公开的使用带热传递加强元件的蛇线通道的冷却方案暗示了许多压力损失发生物，尤其是弯头。因此，该冷却方案需要过大的冷却剂与热气体压力比，并且不可实施用于热障层的前缘区域。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决定子热障层冷却的普通实践中的前述问题。

本发明提供了一种用于燃气涡轮的冷却的定子热障层，燃气涡轮具有限定旋转轴线的转子，定子热障层包括多个冷却单元，其设置成大致沿旋转轴线的阵列，并且覆盖热障层的整个热气体暴露表面，冷却单元中的各个包括面对燃气涡轮的热气体通路的外侧部分，以及定位在外侧部分上且暴露于冷却空气的内侧板，其中内侧板包括多个入口开口，其形成穿过内侧板来将冷却空气引入到外侧部分中，从而冲击冷却外侧部分，外侧部分包括形成在其中的冷却空气通道，该冷却空气通道具有用以接收冷却空气的第一中心部分，以及围绕第一中心部分的第二螺旋部分，其用以将冷却空气向外传送至第二螺旋部分的冷却空气出口。

本发明的核心在于将冲击冷却与肋条蛇线通道组合，其中目标在于找到最高热利用率(因此最低冷却剂消耗)与高冷却效力之间的平衡。冲击提供了以小压降的最佳冷却效力，但不适于大冷却区域，同时公开的蛇线通道的使用允许了以一定量的冷却剂来增大冷却区域，但提供了过大的压降。冷却单元为小规模的单元式(蜗牛状)单元，覆盖了热障层的整个热气体暴露表面。各个单独的冷却单元包括冲击冷却特征，后面是螺旋(270度)蛇线多道。两个冷却特征直接地面对热气体清洗壁。

根据本发明的一个示例性实施例，在定位在定子热障层的前缘和后缘区域附近的冷却单元中，冷却空气出口形成为多个排放孔，其穿过外侧部分的下表面来将冷却空气给送到热气体通路中。

根据本发明的一个示例性实施例，在定位在定子热障层的前缘和后缘区域附近的冷却单元中，冷却空气出口形成为穿过外侧部分的下表面的多个膜冷却孔。

根据本发明的一个示例性实施例，多个阻流元件设置在冷却空气通道内侧。

根据本发明的一个示例性实施例，阻流元件选自由普通肋条、V形肋条、W形肋条、销、涡流发生器和凹部构成的组。

根据本发明的一个示例性实施例，定子热障层通过铸造或附加制造方法制造。

根据本发明的一个示例性实施例，附加制造方法包括选择性激光熔化。

本发明还涉及一种包括以上定子热障层的燃气涡轮。

本发明中的定子热障层的构造能够优化每单个冷却单元的热性能来收集热气体热条件下所需的热通量，导致了所有位置中的金属温度和应力的最大一致性，消除了所有临界区，并且因此提供了定子热障层的最大寿命同时实现了冷却剂节省。此外，本发明中的冷却单元的布置允许了将冷却空气在定子热障层的前缘和后缘区域处排放到热气体流动通路中。这将允许保持最大操作压力比，和因此用于最高冷却效力的冷却剂流速和热传递速率。本发明中的提出的冷却方案的最初研究示出了相比于普通设计预计有40%的冷却空气节省。

附图说明

本发明的目的、优点和其它特征将在阅读其优选实施例的以下非限制性描述时变得更显而易见，该描述仅出于举例目的参照附图给出，通过该附图，相似的附图标记可用于表示相似的元件，并且在该附图中：

图1示出了具有定子热障层的燃气涡轮的局部示意图；

图2示出了本发明的第一实施例中的冷却单元的透视图；

图3示出了本发明的第二实施例中的冷却单元的透视图；

图4a-4f示出了本发明中的阻流元件的备选结构；

图5示出了本发明的第三实施例中的冷却单元的透视图；

图6示出了本发明的第四实施例中的冷却单元的透视图；

图7示出了具有冷却空气流的定子热障层的示意图；以及

图8示出了根据本发明的具有多个单元式冷却单元的定子热障层。

部件列表

1 燃气涡轮

2 定子

3 转子

4 导叶

5 导叶载体

6 涡轮叶片

7 冷却空气

8 热气体通路

9 旋转轴线

10 定子热障层

11 定子热障层的后缘

12 定子热障层的前缘

20 冷却单元

21 外侧部分

22 内侧板

23 入口开口

24 冷却空气通道

25 第一中心部分

26 第二螺旋部分

27 冷却空气出口

28 阻流元件

29 排放孔

30 膜冷却孔。

具体实施方式

根据图1，这里仅示出其小细节的燃气涡轮1具有定子2和转子3，它们中的各个也仅部分地示出。定子2的导叶4和导叶载体5的区段部分地可辨别。导叶4附接于导叶载体5。定子热障层10安装在导叶载体5上。转子3的仅一个涡轮叶片6在这里可辨别，该叶片布置在两个导叶4之间。旋转轴线9在这里以虚线表示，转子3在燃气涡轮1的操作期间围绕旋转轴线9旋转，并且旋转轴线9限定了燃气涡轮1的轴向方向。本上下文中的轴向因此意思是平行于旋转轴线9，而径向方向垂直于旋转轴线9，并且周向方向沿圆形通路围绕旋转轴线9定向。因此，转子叶片6沿轴向布置在两个导叶4之间。定子热障层10沿径向布置成与转子叶片6相对，并且沿轴向定位在两个导叶4之间。多个定子热障层10形成节段，该节段沿周向方向布置在彼此附近，并且形成闭合的圆形环，其包绕由沿周向方向在彼此附近的转子叶片6形成的转子叶片排。如图1中所示的相应的定子热障层10将由箭头指示的燃气涡轮1的热气体通路8与冷却气体空气7分开，冷却气体空气7也由箭头指示，并且基本上在定子2中运行。由于定子热障层10的布置在本领域中为公知的，故仅在图1中示意性地示出。

根据本发明，定子热障层10包括设置成大致沿旋转轴线9的阵列的多个冷却单元20。如图1中所示，定子热障层10包括四个冷却单元20，但冷却单元的数量不限于四个。

图2示出了根据本发明的第一实施例的一个冷却单元20的透视图。冷却单元20包括面对燃气涡轮的热气体通路8的外侧部分21，以及定位在外侧部分21上且暴露于冷却空气7的内侧板22。内侧板22包括多个入口开口23，其形成穿过内侧板22，以将冷却空气7引入到外侧部分21中。如图2中所示，存在形成于内侧板22的大致中心区域中的四个入口开口23。应当注意，入口开口的数量不限于四个。外侧部分21包括形成在其中的冷却空气通道24。冷却空气通道24包括第一中心部分25和第二螺旋部分26。第一中心部分25布置在外侧部分21的大致中心的区域处，作为凹入室来接收流过内侧板22的入口开口23的冷却空气7。第二螺旋部分26形成为U形凹槽，并且围绕第一中心部分25螺旋向外，并且包括冷却空气出口27。第二螺旋部分26与第一中心部分25连通以将冷却空气7从入口开口23传送至冷却空气出口27。冷却空气流由图3中的箭头示意性地示出。冷却空气通道24的该构造能够优化每单个冷却单元20的热性能，以收集热气体热条件下所需的热通量，导致所有位置中的金属温度和应力的最大一致性，消除了所有临界区，并且因此提供了定子热障层的最高寿命，同时实现了冷却剂节省。

图3示出了根据本发明的第二实施例的冷却单元20的透视图。冷却单元的基本结构与图2中的相同。如图3中所示，多个阻流元件28如普通肋条设置在冷却空气通道24的第二螺旋部分26内侧，以便加强热传递速率。普通肋条与第二螺旋部分26的壁成角。

图4a-4f示出了阻流元件28的备选结构，其中阻流元件28可构造为如分别由图4b到4f所示的V形肋条，W形肋条、销、涡流发生器和凹部。图4b示出了阻流元件构造为V形肋条，图4c示出了阻流元件构造为W形肋条，图4d示出了阻流元件构造为销，其设置在第二螺旋部分的中部，并且/或者附接于第二螺旋部分的壁，图4e示出了阻流元件构造为涡流发生器，其设置在第二螺旋部分的中部，并且/或者附接于第二螺旋部分的壁，图4f示出了阻流元件构造为凹部，其设置在第二螺旋部分的中部，并且/或者附接于第二螺旋部分的壁。这些阻流元件提供成增大冷却效力，并且确保以最小冷却剂消耗的最高热利用。

图5示出了根据本发明的第三实施例的冷却单元20的透视图。冷却单元20的基本结构与图2中的相同。冷却空气通道24包括第一中心部分25和第二螺旋部分26。多个阻流元件设置在冷却空气通道24的第二螺旋部分26内侧。第二螺旋部分26的冷却空气出口27形成为穿过外侧部分21的下表面的成一直线的多个排出孔29。如由图5中的箭头所示，冷却空气进入入口开口23，行进穿过冷却空气通道24，并且穿过排放孔29进入热气体通路中。图6示出了根据本发明的第四实施例的冷却单元20。在该实施例中，排放孔29由膜冷却孔30替换。冷却空气的流动通路在图6中示出，其与图5中的相同。

图7示出了根据本发明的另一个实施例的定子热障层10中的冷却单元20的布置的示意图。定子热障层10包括设置成阵列的多个冷却单元20。在该情况下，冷却单元的数量为四个。如上文在第三和第四实施例中描述的具有排放孔或膜冷却孔的该定子热障层10的冷却单元20布置在定子热障层的前缘12和后缘11区域附近，该前缘12和后缘11区域定位在旋转叶片6外。如图7中所示的定子热障层10上方的四个箭头是指冷却空气给送到冷却单元20中。定子热障层10下方的两个箭头是指冷却空气在穿过冷却单元之后给送到热气体通路中。通常，定子热障层的前缘和后缘区域经受最高的冷却剂温度，和因此较低的冷却效力。利用此类布置，在冷却单元定位在旋转叶片6外的情况下，预计没有摩擦风险(即，排放孔由叶片涂抹(smear))，并且冷却空气排放至热气体流动通路或膜冷却是可能的。因此，将允许保持最高的操作压力比，和因此用于最高冷却效力的冷却剂流速和热传递速率。

应当注意，包括多个冷却单元的定子热障层可通过铸造或附加制造方法如选择性激光熔化或任何其它适当手段来制造。

虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明不限于此类公开的实施例。相反，可修改本发明，以并入迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、更改、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但将理解，本发明的方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (8)

1.一种用于燃气涡轮的冷却定子热障层，所述燃气涡轮具有限定旋转轴线的转子，所述定子热障层包括多个冷却单元，所述多个冷却单元设置成大致沿所述旋转轴线的阵列，并且覆盖所述热障层的整个热气体暴露表面，其特征在于，

所述冷却单元中的各个包括面对所述燃气涡轮的热气体通路的外侧部分，以及定位在所述外侧部分上且暴露于冷却空气的内侧板，

其中所述内侧板包括多个入口开口，其形成穿过所述内侧板来将所述冷却空气引入到所述外侧部分中，从而冲击冷却所述外侧部分，

所述外侧部分包括形成在其中的冷却空气通道，所述冷却空气通道具有用以接收所述冷却空气的第一中心部分和围绕所述第一中心部分的第二螺旋部分，所述第二螺旋部分用以将所述冷却空气向外传送至所述第二螺旋部分的冷却空气出口。

2.根据权利要求1所述的定子热障层，其特征在于，在定位在所述定子热障层的前缘和后缘区域附近的所述冷却单元中，所述冷却空气出口形成为多个排放孔，其穿过所述外侧部分的下表面来将所述冷却空气给送到所述热气体通路中。

3.根据权利要求1所述的定子热障层，其特征在于，在定位在所述定子热障层的前缘和后缘区域附近的所述冷却单元中，所述冷却空气出口形成为穿过所述外侧部分的下表面的多个膜冷却孔。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的定子热障层，其特征在于，多个阻流元件设置在所述冷却空气通道内侧。

5.根据权利要求4所述的定子热障层，其特征在于，所述阻流元件选自由普通肋条、V形肋条、W形肋条、销、涡流发生器和凹部构成的组。

6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的定子热障层，其特征在于，所述定子热障层通过铸造或附加制造方法来制造。

7.根据权利要求6所述的定子热障层，其特征在于，所述附加制造方法包括选择性激光熔化。

8.一种包括根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的定子热障层的燃气涡轮。