CN106996319B - 定子热屏蔽件、带有其的燃气涡轮机及冷却其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件、带有这种定子热屏蔽件的燃气涡轮机以及冷却定子热屏蔽件的方法，提供了一种用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件，所述燃气涡轮机包括热气体流动路径，所述定子热屏蔽件包括适于布置成面向所述燃气涡轮机的热气体流动路径的第一表面；与所述第一表面相对的第二表面；用于从所述第二表面朝向所述第一表面引导冷却流体的冷却通道；布置在所述第一表面处的腔，其用于从所述冷却通道的至少一部分接收冷却流体；其中至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜。在使用中，在所述腔中形成涡旋。

Description

定子热屏蔽件、带有其的燃气涡轮机及冷却其的方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件、一种设有这种定子热屏蔽件的燃气涡轮机，以及一种冷却定子热屏蔽件的方法。
背景技术
燃气涡轮机定子热屏蔽件（SHS）（具体地第一级）的冷却是非常具有挑战性的任务。实际上，由于两个原因，主动地被用于叶片部件的热气体暴露的表面的膜冷却几乎不适用于旋转叶片通过SHS的区域。首先，SHS和叶片尖端之间的间隙中的复杂流场不允许冷却膜的发展，并且所得的膜有效性低并且难以预测。其次，在刮擦事件的情况下，能够封闭冷却孔开口，从而防止所需的冷却空气流出，这将对整个冷却系统具有不利影响并且减少寿命。
因此，现有技术的SHS冷却的非常普遍的实践是使用用通过对流孔从SHS的侧面排放的冷却空气的大量冲击冷却，这限制了总体冷却效率。
重型燃气涡轮发动机（例如，对于联合循环）的进一步研发集中在循环参数的升高：压力比和热气体温度。在长期的观点中，即使排放面积和空气-热气体压力比显著增加，热气体路径部件都将必须在2000-2200K的涡轮机入口热气体温度下生存，并且可用的对流冷却方案将不可能保证第一级SHS的适当寿命。
由涡轮机入口温度的过度增长引起的第二潜在问题是叶片尖端区域的寿命的恶化，该叶片尖端区域通常暴露在由尖端间隙区域中的几何限制和高湍流水平驱动的最严苛的热条件下。为了将该具体区域中的寿命提高到可接受的水平，将需要通过打开排放区域来显著增加冷却流速。该动作将对整个涡轮机和发动机效率具有不利影响。此外，应当强调的是，叶片尖端区域中的热气体和冷却剂流之间的高离散性，和任何局部热气体斑纹都能够引起寿命限制位置。
用于定子热屏蔽件的大多数已知的冷却方案涉及成熟的制造技术（铸造、机加工、钎焊）和常规的冷却特征（冲击、销和圆筒形孔）。
更宽的扩展方案是冲击与侧排放的组合，如比如在US 2012/0251295 A1和US6139257中所公开的那样。所有这些方案均是稳健的，但由于仅在对流冷却内的限制，通过SHS的前方、侧面和后方的长孔的排放将其冷却效率限制在现有技术水平内。
US 2005/0058534 A1、US 5538393提出了蛇形冷却方案，EP2549063 A1提出了螺旋形冷却方案。虽然给定的冷却方案由于高的热利用率而是相当有效的，但其冷却效率也由固定的冷却剂限制于热气体压头并且不存在任何种类的外部冷却。特别应当说的是，对于不均匀的外部边界条件设计的可调性低。
US2009/0035125 A1、US 5165847、US 5169287、US 6139257、US 6354795 B1和EP1533478 A2提出了在热气体暴露表面处有冷却空气喷射的冲击冷却的SHS。该方案允许使压头和部件的冲击热传递速率和对流冷却效率最大化，然而所有这些公开内容都具有以下缺陷：在刮擦事件的情况下（在重型燃气涡轮机中总是存在刮擦的风险）能够封闭冷却孔出口，从而阻止冷却空气流并且因此引起SHS的过热。此外，由于朝向叶片的后缘定位排放孔，在前述教导中没有考虑叶片尖端的冷却。
US 2012/0027576 A1和US 2012/0251295 A1提出了在SHS的完全热气体冲洗表面处显露冷却空气的喷射冷却方案。再次地，没有给出对刮擦的缓解，并且在紧密的径向间隙的情况下，这部分对于安装而言至关重要。
WO2013129530 A1提出了在深保持凹槽内的外部“膜”冷却组织的示例；然而，没有给出用以冷却凹槽之间的厚金属区域的冷却建议。
发明内容
本发明提出了前述问题的解决方案。
对于长期的进一步研发，当重型燃气涡轮发动机正努力应对2000-2200K的涡轮机入口热气体温度时，可用的对流冷却方案将不能保证有足够冷却空气消耗的第一级定子热屏蔽件的适当寿命。第二个潜在问题是已由最严苛的条件暴露的尖端区域中的寿命恶化，并且需要整体和局部冷却效率的突破性提高。所提出的SHS冷却组织方案确保前述两个部件的所需寿命。
因此，本发明的目的之一是改善燃气涡轮机的定子热屏蔽件和转子叶片的叶片尖端的寿命。本发明的另一目的是改善燃气涡轮机的空气动力学，具体地减小尖端间隙损失。本发明的又一目的是节省冷却剂。
本发明的目的由用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件解决，所述燃气涡轮机包括热气体流动路径，所述定子热屏蔽件包括：
第一表面，其适于布置成面向所述燃气涡轮机的热气体流动路径；
与所述第一表面相对的第二表面；
冷却通道，其用于从所述第二表面朝向所述第一表面引导冷却流体；
布置在所述第一表面处的腔，其用于接收来自所述冷却通道中的至少一部分冷却通道的冷却流体；
其中，至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜。
所述至少两个对应冷却通道中的每一个均具有用以在所述第二表面处接收冷却流体的入口和用以将冷却流体的射流排入相应腔内的出口，所述至少两个对应冷却通道被布置成使得从所述至少两个对应冷却通道排出的冷却流体的射流相互作用，从而由此在腔中提供冷却流体的涡流。冷却流体的射流的相互作用允许冷却流体在腔中旋动，并且由此在冷却流体被吸出保持腔之前被保持在腔中并与热气体混合。因此，根据本发明的腔是保持排放腔。根据本发明的保持排放腔允许SHS的外部冷却，并且同时缓解刮擦事件的影响，从而防止排放孔封闭。从保持排放腔吸出的冷却流体降低了SHS和经过叶片的尖端区域处的下游暴露温度。此外，使用根据本发明的腔允许径向尖端间隙的最小化，其目的在于增加涡轮机性能。
根据本发明的腔被配置为辅助腔中冷却流体的射流的旋动，即，布置冷却流体的环流（circulation）。具体地，腔朝向第一表面扩展。腔可以是大致半球形的。此外，当从第一表面观察时，腔可以是椭圆形的。
所述至少两个对应冷却通道可以相对定子热屏蔽件的第一表面以20°和40°之间，优选地25°和35°之间的角度，更优选地以30°的角度倾斜。
所述至少两个对应冷却通道中的每一个均具有中央轴线，并且优选地，所述至少两个对应冷却通道的所述中央轴线相对于彼此偏移，使得所述至少两个对应冷却通道的中央轴线不在相应的腔中相交。倾斜和偏移的通道允许冷却流体在腔中的稳定环流。
优选地，至少一个腔的所述至少两个冷却通道与其它腔的贯通通道相交，以布置两个相应冷却通道的相交部，其中冷却通道在相交部中流体连通。优选的是，所述两个分别相交的冷却通道的中央轴线相对于彼此偏移，以便不布置在一个共同平面中。除了冷却流体在腔中的稳定环流之外，这种布置还允许在相交部区域中的额外的热交换和高且均匀的冷却热传递速率。这提供了内部对流冷却网络。
为了实现本发明的前述目的，与相应腔相关联的所述至少两个对应冷却通道恰好包括朝向彼此倾斜的两个冷却通道可以是充分的。
所述两个冷却通道的中央轴线可以相对于彼此偏移，优选地半直径偏移，使得所述两个冷却通道的中央轴线不在相应腔中相交。两个半直径偏移的通道允许冷却流体在腔中的最稳定的环流。
在优选实施例中，一个腔的所述两个冷却通道中的一个与相邻腔的两个冷却通道中的一个相交，以布置第一相交部，其中在第一相交部中相交的冷却通道流体连通。优选地，当被视作至第一表面上的投影时，第一相交部大致位于所述一个腔和所述相邻腔之间。更优选地，所述一个腔的所述两个对应冷却通道中的所述一个也与邻近所述相邻腔的至少一个腔的两个冷却通道中的一个相交，以布置至少第二相交部，其中所述至少第二相交部中相交的冷却通道流体连通。在相应的相交部中相交的冷却通道的中央轴线相对于彼此偏移，优选地半直径偏移，以便不布置在一个共用平面中。除了冷却流体在腔中的稳定环流之外，这种布置还允许相交部区域中的额外的热交换和高且均匀的冷却热传递速率。这提供了内部对流冷却网络。改变冷却通道的大小和偏移值允许冷却热传递速率的非常局部的优化。
通常，当在垂直于定子热屏蔽件的第一表面的平面中观察时，如果所述两个冷却通道的轴线会聚在相应腔中，则冷却流体的环流是可能的。
为了布置均一的外部冷却网络，当从第一表面观察时，腔可以布置成沿定子热屏蔽件的纵向方向延伸的排，并且腔的排可以交错。
冷却通道可以设置为对流圆筒形通道或管。
定子热屏蔽件可通过容易的常规工艺制造，例如通过铸造、机加工、钎焊以及像选择性激光熔化（SLM）那样的增材制造方法。
本发明还涉及一种燃气涡轮机，其包括至少一个如上所述的定子热屏蔽件。用在燃气涡轮机中的冷却流体可以是冷却空气。
本发明还涉及一种冷却定子热屏蔽件的方法，
所述定子热屏蔽件具有适于布置成面向燃气涡轮机的热气体流动路径的第一表面；
与所述第一表面相对的第二表面，用于从所述第二表面向所述第一表面引导冷却流体的冷却通道；
布置在所述第一表面处的腔，其用于接收来自所述冷却通道的至少一部分的冷却流体；
其中，至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜；
所述方法包括以下步骤：引起冷却空气流动通过所述冷却通道并将两个冷却通道的冷却气体流注入一个腔内，
其中所述两个冷却通道是偏移的，使得在所述腔中形成涡旋。
所有上述特征均可彼此组合以实现本发明的目的。
本发明的目的和方面也可从本发明的以下描述中看出。
通过使对流通道相交，并且将冷却空气抽至轮廓特殊的旋动保持腔内（该旋动保持腔组织向SHS外部的稳定低温环流）来布置所提出的SHS的创新网络冷却。该冷却方案是高效的并且提供所需的寿命和/或冷却剂节省。SHS冷却空气的这种利用导致叶片尖端间隙区域中混合物温度降低，从而提供其寿命改善（或叶片冷却剂减少）和空气动力损失的减少。所提出的冷却方案免于刮擦，是稳健的，并可容易用于通过常规制造方法或增材制造方法制造。
附图说明
图1示出根据本发明的定子热屏蔽件的一段的横截面视图，其带有相交的冷却通道和保持排放腔的组合以及流动布置；
图2示出图1的定子热屏蔽件的等距视图；
图3示出根据本发明的定子热屏蔽件的第一表面（热气体暴露表面）的视图，其带有交错布置的保持排放腔；
图4示出根据本发明的定子热屏蔽件的横截面视图，其带有相对于燃气涡轮机的转子的叶片布置的相交的冷却通道和保持排放腔的组合。
具体实施方式
参考图1，用于燃气涡轮机（具体地第一级）的定子热屏蔽件1包括第一表面2，其适于在燃气涡轮机的操作期间暴露于流动通过燃气涡轮机的热气体，即，面向燃气涡轮机的热气体流动路径。此外，定子热屏蔽件1包括与第一表面2相对的第二表面3。第二表面背离热气体流动路径并且连接到冷却流体供给。在燃气涡轮机的操作期间，第二表面3暴露于冷却流体4。为了从第二表面3朝向第一表面2引导冷却流体4，定子热屏蔽件1具有贯通冷却通道5、5'。每个冷却通道5、5'均具有用以接收冷却流体4的馈送入口和用以排出冷却流体射流的出口。腔6设置在第一表面2上，其具有带有朝向由热气体冲洗的第一表面2的扩展部的特殊轮廓。腔通向热气体流动路径。每个腔6均具有通向其的两个冷却通道5、5'。两个冷却通道5、5'朝向彼此倾斜并且布置成在腔6中提供冷却流体的环流7。冷却通道5、5'可以以最佳30°相对SHS的表面倾斜。
腔6的轮廓适合于允许冷却流体在腔6中的环流7。由于环流7，冷却流体可在其被吸出保持腔6之前保持在腔6中，从而与热气体混合并降低SHS和经过叶片的尖端区域处的下游暴露温度。这种布置允许SHS的外部冷却，并且同时缓解刮擦事件的影响，从而防止排出孔封闭。
另外，延伸通过定子热屏蔽件1的主体的冷却通道5、5'限定SHS的内部对流冷却系统。因此，冷却通道5、5'可设置为对流通道或管。
为增加内部冷却效果，一个腔6的倾斜冷却通道5、5'与其他腔6的倾斜冷却通道5、5'相交，以布置相交部8、8'。在该优选实施例中，与一个腔6相关联的两个冷却通道5、5'中的一个5与相邻腔6的两个冷却通道5、5'中的一个5'相交，以布置第一相交部8。第一相交部8大致位于所述一个腔6和所述相邻腔6之间，如在第一表面2上的投影那样。与一个腔6相关联的两个冷却通道5、5'中的所述一个5也可以与邻近所述相邻腔的至少一个腔的两个贯通通道5、5'中的一个5'相交，以布置至少第二相交部8'。每个相交部8、8'均包括两个相交的冷却通道5、5'。
现在参考图2，能够看出的是，通向相同腔6内的两个冷却通道5、5'的中央轴线相对于彼此偏移，优选地半直径偏移，以布置冷却流体的排出射流之间的旋动相互作用，并且由此布置更加稳定的环流7。
此外，如图2中可见的，一个腔6的冷却通道5和另一个腔6的冷却通道5'彼此相交，使得其轴线相对于彼此偏移，优选地半直径偏移，以便不布置在一个共同平面中。相交的冷却通道5、5'在相交部8、8'中流体连通。在应用于冷却通道的冷却效果时，贯通通道5、5'的相交和偏移允许在适度的压力损失的情况下实现高热传递增强率。
现在参考图3，腔6布置成沿定子热屏蔽件1的纵向方向延伸的排。腔6的排交错以布置均一的外部冷却网络。相交的冷却通道5、5'的中央轴线的偏移也能够在图3中看到。
图4示出定子热屏蔽件的实施方式的示例。在该示例中，定子热屏蔽件面向转子。多个腔布置在面向热气体流侧的定子热屏蔽件的侧面上。两个冷却通道从冷却空气供给侧延伸到定子热屏蔽件的热气体流动路径侧并且通向腔。
显然，改变冷却通道的倾斜角度、冷却通道的偏移值、相交部的数量和腔的轮廓允许实现冷却流体在腔中的更好环流、冷却流体在相交部中的更好的相互作用，并由此实现更好的冷却效果。
应当理解的是，该描述和具体示例虽然指示本发明的优选实施例，但仅旨在说明的目的，并且不旨在限制本发明的范围。不偏离本发明的要旨的变型旨在落入本发明的范围内。这样的变型将不被认为偏离本发明的精神和范围。
总而言之，将本发明与其它方案区别开来的本发明的主要方面是以下项：
- 使用基于带有优选地两个相交部的高效的相交的对流通道建立的内部冷却系统以实现高且均匀的冷却热传递速率；
- 使用带有半间距（pitch）偏移（半直径偏移）的成角度的排放射流和异型保持腔允许被排放至腔内以便外部冷却的冷却空气的稳定环流；
- 使用朝向热气体冲洗表面扩展的保持腔提供刮擦事件的缓解并允许以增加涡轮机性能的目的使径向尖端间隙最小化；
- 使用空气排放到流动路径允许降低热气体至冷却剂混合物温度并改善叶片尖端区域中的热边界条件（以改善寿命和/或减少冷却剂消耗）和减小空气动力学尖端间隙损失；
- SHS的给定冷却方案允许以达到在所有位置中所得的金属温度和应力的最大均匀性以及所有紧要（critical）区域的去除和提供最大寿命和/或冷却剂节省的目的，关于外部因素（诸如轴向压力分布和热气体唤醒）的冷却热传递速率的非常局部的优化（通过改变对流通道的大小和偏移值）。

Claims (26)

1.一种用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件，所述燃气涡轮机包括热气体流动路径，所述定子热屏蔽件包括：
第一表面，其适于布置成面向所述燃气涡轮机的所述热气体流动路径；
与所述第一表面相对的第二表面；
多个冷却通道，其用于从所述第二表面朝向所述第一表面引导冷却流体；
布置在所述第一表面处的多个腔，其用于从所述多个冷却通道的至少一部分冷却通道接收所述冷却流体；
其中，所述多个腔的至少一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜，且其中，所述至少两个对应冷却通道各自具有中央轴线，并且所述至少两个对应冷却通道的所述中央轴线相对于彼此偏移，使得所述至少两个对应冷却通道的中央轴线不在相应的腔中相交。
2.根据权利要求1所述的定子热屏蔽件，其中，所述至少两个对应冷却通道中的每一个均具有用以在所述第二表面处接收冷却流体的入口和用以将冷却流体的射流排入相应腔内的出口，其中，所述至少两个对应冷却通道布置成使得从所述至少两个对应冷却通道排出的所述冷却流体的射流相互作用，从而在所述腔中提供所述冷却流体的旋动。
3.根据权利要求2所述的定子热屏蔽件，其中，所述腔被配置为辅助所述腔中所述冷却流体的旋动。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述腔朝向所述第一表面扩展。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述腔是大致半球形的。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，当从所述第一表面观察时，所述腔是椭圆形的。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述至少两个对应冷却通道以20°和40°之间的角度相对于所述定子热屏蔽件的所述第一表面倾斜。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述至少两个对应冷却通道以25°和35°之间的角度相对于所述定子热屏蔽件的所述第一表面倾斜。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述至少两个对应冷却通道以30°的角度相对于所述定子热屏蔽件的所述第一表面倾斜。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，至少一个腔的所述至少两个对应冷却通道中的一个与相邻腔的两个冷却通道中的一个相交，以布置相交部，其中，在所述相交部中相交的所述冷却通道流体连通。
11.根据权利要求10所述的定子热屏蔽件，其中，所述多个冷却通道中的每一个均具有中央轴线，并且在所述相交部中相交的所述冷却通道的中央轴线相对于彼此偏移，以便不布置在一个共同平面中。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，与相应腔相关联的所述至少两个对应冷却通道包括朝向彼此倾斜的两个冷却通道。
13.根据权利要求12所述的定子热屏蔽件，其中，所述多个冷却通道中的每一个均具有中央轴线，并且所述两个冷却通道的中央轴线相对于彼此偏移，使得所述两个冷却通道的中央轴线不在相应腔中相交。
14.根据权利要求12所述的定子热屏蔽件，其中，一个腔的所述两个冷却通道中的一个与相邻腔的两个冷却通道中的一个相交，以布置第一相交部，其中，在所述第一相交部中相交的冷却通道流体连通。
15.根据权利要求14所述的定子热屏蔽件，其中，当被视为至所述第一表面上的投影时，所述第一相交部大致位于所述一个腔和所述相邻腔之间。
16.根据权利要求14所述的定子热屏蔽件，其中，所述一个腔的所述两个冷却通道中的所述一个也与邻近所述相邻腔的至少一个腔的两个冷却通道中的一个相交，以布置至少第二相交部，其中在所述至少第二相交部中相交的冷却通道流体连通。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，所述多个冷却通道中的每一个均具有中央轴线，并且在相应相交部中相交的冷却通道的中央轴线相对于彼此偏移，以便不布置在一个共同平面中。
18.根据权利要求17所述的定子热屏蔽件，其中，在相应的相交部中相交的冷却通道的中央轴线相对于彼此半直径偏移。
19.根据权利要求12所述的定子热屏蔽件，其中，所述多个冷却通道中的每一个均具有中央轴线，并且当在垂直于所述定子热屏蔽件的所述第一表面的平面中观察时，所述两个冷却通道的中央轴线在相应腔中会聚。
20.根据权利要求1至3中的任一项所述的定子热屏蔽件，其中，当从所述第一表面观察时，所述腔布置成沿所述定子热屏蔽件的纵向方向延伸的排。
21.根据权利要求20所述的定子热屏蔽件，其中，所述腔的排是交错的。
22.根据权利要求1所述的定子热屏蔽件，其中，所述冷却通道被设置为对流圆筒形贯通通道。
23.根据权利要求1所述的定子热屏蔽件，其中，所述定子热屏蔽件通过铸造、机加工、钎焊或选择性激光熔化（SLM）制造。
24.一种燃气涡轮机，其包括至少一个根据权利要求1所述的定子热屏蔽件。
25.根据权利要求24所述的燃气涡轮机，其中，所述冷却流体是冷却空气。
26.一种冷却定子热屏蔽件的方法，
所述定子热屏蔽件具有适于布置成面向燃气涡轮机的热气体流动路径的第一表面；
与所述第一表面相对的第二表面，用于从所述第二表面朝向所述第一表面引导冷却流体的多个冷却通道；
布置在所述第一表面处的多个腔，其用于从所述多个冷却通道的至少一部分冷却通道接收所述冷却流体；
其中，所述多个腔的至少一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜；
所述方法包括引起冷却空气流动通过所述至少两个对应冷却通道并将所述至少两个对应冷却通道的冷却气体流注入一个腔内的步骤，
其中，所述至少两个对应冷却通道是偏移的，使得在所述腔中形成涡旋。
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