CN107076414B - 热屏蔽元件和用于其制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热屏蔽元件(1)，该热屏蔽元件(1)具有壁(2)，该壁(2)具有热侧(3)和相对的冷侧(4)，并且该热屏蔽元件(1)具有环绕的边缘(5)，该边缘(5)具有内侧面(6)和外侧面(7)，并且该热屏蔽元件(1)具有基本上布置在壁(2)的冷侧(4)的中央的固定设备(8)，该固定设备(8)基本上垂直地从壁(2)向外延伸，其中在固定设备(8)、壁(2)和边缘(5)中布置有冷却通道(9)，这些冷却通道(9)延伸经过以上三者中的至少两者。本发明还涉及一种燃烧室(20)以及一种燃气轮机装置(24)。此外，本发明还涉及一种用于制造这种热屏蔽元件(1)的方法。

Description

热屏蔽元件和用于其制造的方法

技术领域

本发明涉及一种热屏蔽元件，该热屏蔽元件根据权利要求1的前序部分尤其用于铺设具有集成的冷却空气通道的燃烧室壁。

背景技术

鉴于燃气轮机不断调高的效率，主要试图达到尽可能高的热气体温度以及必要时还试图达到提高的质量流量，同时试图节约用于冷却被施加热气体的构件的空气。即，构件(例如在燃烧室内的热屏蔽件)应当能够在冷却空气的低消耗的情况下承受更高的温度。困难的是，通常通过铸造方法制造的金属热屏蔽元件的坯件由于多种用于环形燃烧室的不同形状的热屏蔽元件以及对形状的高要求经常或者是比较贵的，或者关于质量不满足要求。

大多现有的冷却方案基于对待冷却壁的冲击冷却，但是其既不在冷却空气消耗方面也不在可实现的效果方面表现最佳。冲击冷却主要在局部作用，并且首先在背面上对施加热空气的部件进行冷却。

关于冷却难以解决的尤其是两个热屏蔽元件之间的边缘区，这里在热屏蔽件的后面存在热气侵入的危险。为此，根据现有技术，例如由DE 10 2012 204 103 A1已知一种热屏蔽元件，其在环绕的边缘上具有多个通孔，通过这些通孔能够将冷却空气吹入到两个热屏蔽元件之间的间隙内。

尽管通过前述技术方案能够尽可能避免热气侵入，但是仍然存在在减小冷却空气消耗的情况下改进冷却热屏蔽元件的需求。

为此WO 2006/064038提出了一种热屏蔽元件，在热屏蔽元件壁之内具有冷却空气通道。这使得在低冷却空气消耗的情况下能够几乎最佳地冷却热屏蔽元件。该冷却发生在冷却通道中且造成在待冷却的热屏蔽元件的壁自身内温度降低。

但是其缺点被证明是，热屏蔽元件的边缘区不能由内部的冷却空气通道充分冷却。

发明内容

本发明的任务是，提供一种前述类型的热屏蔽元件，该热屏蔽元件在有利地冷却自身的情况下能够实现尽可能低的冷却空气消耗，同时尽可能简单且成本合算地制造和安装。

此外，本发明的任务是提出一种用于制造根据本发明的热屏蔽元件的方法。

这种热屏蔽元件限定使用在燃烧室，其中该燃烧室尤其涉及燃气轮机的燃烧室。在此，该热屏蔽元件首先包括壁，该壁具有可施加热介质的热侧和相对该热侧的冷侧。环绕该壁具有从热侧开始延伸直至伸出冷侧的平面的边缘。在此，该边缘具有邻接冷侧的内侧面和与内侧面相对的邻接热侧的外侧面。固定设备基本上布置在壁的中央，该固定设备从热侧的壁向外延伸伸出冷侧。在此，该固定设备具有通孔，从而在渗透通过通孔的情况下，在固定设备上能够安装固定装置。

为了在表面上以及在边缘区内改进冷却这种热屏蔽元件，根据本发明将多个冷却通道安装在热屏蔽元件中，这些冷却通道从固定设备穿过热屏蔽元件的壁直至边缘。在此设置为，在固定设备中将冷却空气入口布置在冷却空气通道中，其中从冷却空气通道出来的冷却空气出口被布置在边缘区域中。

在根据本发明的第一实施方式中，第一冷却空气出口被布置在所述边缘的外侧面上，从而使冷却空气流出到相邻的热屏蔽元件之间的间隙中。在该配置中，冷却介质以固定元件、壁、边缘的顺序依次流过热屏蔽元件的所有部件，因此在将边缘上的冷却空气输出到两个热屏蔽元件之间的间隙中输入到燃烧室中并且有利地阻止来自燃烧室的热气体侵入间隙之前，冷却所有区域。

在根据本发明的替代的或者补充的第二实施方式中，将第三冷却空气出口布置在边缘区域中的壁的热侧上，从而使冷却空气直接相邻于间隙流入到燃烧室中。借此能够实现附加地薄膜冷却热屏蔽元件。因此，热屏蔽元件的热侧能够均匀地保持在恒定的温度，因为在热的燃烧室气体和热屏蔽元件之间形成保护边界层。

在已知的具有集成的冷却通道的实施方式中，冷却空气流在热屏蔽元件的底面上的回流造成此时导出经加热的空气流，其进而造成关于冷却空气的后续问题。通过根据本发明布置热屏蔽元件的边缘上的第一和/或第三冷却空气出口以经加热的冷却空气排入到间隙中和/或燃烧室中移走热屏蔽元件的热量，而使热量不到达热屏蔽元件的内部，即冷侧。这样通过相同的空气量可实现进一步降低热屏蔽元件的内部空间的温度(或者通过较少的冷却空气降低同样的温度)。温度降低对热屏蔽元件的其他构件产生积极作用，这些其他构件热负担更小。

优选地将冷却空气入口设置在固定设备的外侧面上。该固定设备被中央布置在热屏蔽元件的壁上，因此是用于将冷却空气输入到冷却空气通道中的理想位置。

在一种优选的实施方式中，第二冷却空气出口被设置在固定设备的内侧面上。因此，能够使冷却功能扩大到热屏蔽元件的固定装置上。通常为了固定热屏蔽元件使用内部冷却的固定螺丝。如果现在实现固定设备自身冷却，则能够使用更简单的无内部冷却的固定螺丝，其相应地更优惠且由于更简单的设计也更可靠。

在另一种优选的实施方式中，第四冷却空气出口被设置在固定设备的区域内的热侧上。借此能够在固定设备的区域内实现热屏蔽元件的附加的薄膜冷却，从而在热的燃烧室气体和固定装置之间形成保护边界层。

首先不重要的是，不论第二冷却空气出口和/或第四冷却空气出口由传输到边缘的冷却空气通道供给，还是其他冷却空气通道从固定设备出发导向第二和/或第四冷却空气出口。

意图达到的是，固定设备的通孔具有用于螺丝头的定位面，从而使螺丝在热屏蔽元件中以装配状态深埋，从而使其不在暴露的位置被施加热气体。

优选地，该热屏蔽元件基本上是金属的，即其基本上由金属或者是金属合金组成，例如基于铁、铬、镍或者钴的耐高温的合金组成。跟陶瓷相比，金属具有更小的脆性以及更合适的导热性和热导率。

所述热屏蔽元件被用作保护且用于冷却带有热气体的燃烧室，优选地用于具有支撑结构的燃气轮机的环形燃烧室，这种热屏蔽元件被安装在支撑结构上。

在此，热屏蔽元件优选地通过固定装置、例如螺丝布置在支撑结构上。

在用于制造热屏蔽元件的有利的方法中，该热屏蔽元件具有壁，该壁具有可施加热介质的热侧和相对该热侧的冷侧，并且该热屏蔽元件具有邻接并环绕该壁的、延伸伸出冷侧的平面的边缘，该边缘具有内侧面和外侧面，并且该热屏蔽元件具有基本上布置在壁的冷侧的中间的固定设备，该固定设备基本上垂直地从该壁向外延伸，其中在固定设备、壁和边缘中布置有冷却通道，这些冷却通道延伸经过以上三者中的至少两者，以层形式的粉末状的具有合适的局部分布的金属材料通过激光辐射被重熔在衬底上，从而在凝结经熔化的粉末时相应地形成另一个固定层。

使用所谓的“选择性激光熔化”来相对简单但准确地制造热屏蔽元件能够实现引入复杂的内部轮廓，以改进对总体构件的冷却同时磨损较小。能够减少在运行中所需的冷却空气量，从而也能够减少氮氧化物的排放。能够舍弃昂贵的冲击冷却。

在该方法的开始后，在第一步中建立三维的CAD模型，在第二步中将该CAD模型分层拆解。在接下来的步骤中进行热屏蔽元件的实际制造，其中在第三步中将粉末层涂抹在衬底上，在第四步中将涂抹的粉末通过激光曝光或者重熔，并且在第五步中将该衬底降低第二步中的层厚。第三步到第五步被重复，直至完全制成热屏蔽元件。

尤其相对较少件数的热屏蔽元件通过该方法合理地制造。在服务情况下也能快速地对需求做出反应，从而减少设备的停机时间。

附图说明

示范性地借助附图进一步阐述本发明。附图示意性而不是按比例地表示：

图1示出了具有燃烧室的燃气轮机的半剖面图；

图2示出了根据现有技术的热屏蔽元件；

图3示出了第一实施方式中用于根据本发明的热屏蔽元件的实施例；

图4示出了扩展图3中的技术方案的实施例；

图5示出了第二实施方式中用于根据本发明的热屏蔽元件的实施例；

图6示出了扩展图3中的技术方案的另一实施例；

图7示出了具有薄膜冷却的热屏蔽元件的燃烧室的片段。

具体实施方式

图1示出了燃气轮机21，该燃气轮机21部分地在纵向上以剖面图示出。该燃气轮机21具有压缩机、具有多个用于液体或者气体形式的燃料的燃烧器的环形燃烧室20、以及用于驱动压缩机和图1中未示出的发电机的涡轮机。在此，燃烧室壁铺设有热屏蔽元件1，或者说热屏蔽元件1被安装在燃烧室壁上的支撑结构22上。在燃气轮机21运行时，从环境中吸入空气。在压缩机中，空气被压缩且由此部分被加热。小部分的空气被从压缩机中取出并作为冷却介质被传送到热屏蔽元件1中，大部分的空气被传送到燃烧器以燃烧。在燃烧室20中，来自压缩机的该大部分的空气与液体或者气体形式的燃料结合和燃烧。在此产生驱动燃气轮机21的热气体。在涡轮机中，降低热气体的压力并冷却热气体。

图2中示意性示出了根据现有技术的热屏蔽单元30。该热屏蔽元件30具有壁2，该壁2具有可施加热介质的热侧3(图2中在相对侧上)和相对该热侧3的冷侧4，该热屏蔽元件30还具有邻接并环绕该壁2的、延伸伸出冷侧4的平面的边缘5，该边缘5具有内侧面6和外侧面7。此外，基本上在壁2的冷侧4的中央布置有固定设备8，该固定设备8基本上垂直地从壁2向外延伸。该热屏蔽元件30使用螺丝或者螺栓穿过固定设备8固定在支撑结构22上。

图3中示意性示出了根据本发明的第一实施方式用于热屏蔽元件1的第一实施例，其中在壁2中从固定设备8直到边缘5布置有冷却通道9。在此，冷却空气入口10被设置在固定设备8的外侧面11上，而对应的第一冷却空气出口12被设置在边缘5的外侧面7上。

图4中示出了根据图1的热屏蔽元件1的实施方式，该热屏蔽元件1进一步具有第二冷却空气出口13。为了改进对固定装置(未示出)、例如螺丝或者螺栓的冷却功能，在该示例中在固定设备8的内侧面14上设置有第二冷却空气出口13。借此能够通过简单的螺丝替代昂贵的、内部冷却的固定螺丝以将热屏蔽元件1固定在支撑结构22上。

图5示出了根据本发明的第二实施方式的热屏蔽元件1的实施例，据此在边缘5的区域内的热侧3上设置有第三冷却空气出口15。通过使用薄膜冷却将热屏蔽元件1的热侧均匀地保持在恒定的温度。在热的燃烧室气体和热屏蔽元件1之间形成保护边界层。在边缘5的区域内布置第三冷却空气开口15同时还防止相邻的热屏蔽元件1之间的间隙侵入热空气。

图6示出了根据本发明的热屏蔽元件1的另一实施例。该实施例首先类似于图3的示例实现，并且具有从固定设备8开始经过壁2延伸直至边缘5的冷却空气通道9。为此，在热屏蔽元件内与冷却空气通道9交汇地布置有另一个冷却空气通道29，该另一个冷却空气通道29同样从固定设备8的外侧面出发，延伸到壁2。在那里，该另一个冷却空气通道29通入第四冷却空气出口25，该第四冷却空气出口25被布置在壁2的热侧3上靠近固定设备8处。

图2至6示出了固定设备8，该固定设备8从热屏蔽单元1的壁2延伸伸出冷侧4，并且具有基本上垂直地指向壁2的通孔16，该通孔16被构造为，使得该通孔16能够容纳固定装置17。此外，在图3到6中可见，通孔16具有用于螺丝头的定位面18。

图7示出了具有根据本发明的热屏蔽元件1的燃烧室的片段。所看到的尤其是具有用于薄膜冷却的第三冷却空气出口15的热侧3，以及通过固定装置17、例如螺丝固定热屏蔽元件1。

Claims (8)

1.一种热屏蔽元件(1)，用于铺设燃烧室壁，所述热屏蔽元件(1)具有壁(2)，所述壁(2)具有可施加热介质的热侧(3)和相对的冷侧(4)，并且所述热屏蔽元件(1)具有从所述热侧(3)延伸伸出所述冷侧(4)的环绕的边缘(5)，所述边缘(5)具有邻接所述冷侧(4)的内侧面(6)和邻接所述热侧(3)的外侧面(7)，并且所述热屏蔽元件(1)具有布置在所述壁(2)的中央的固定设备(8)，所述固定设备(8)从所述壁(2)向外延伸伸出所述冷侧(4)并且具有用于容纳固定装置(17)的通孔(16)，

其特征在于，

多个冷却通道(9)从所述固定设备(8)伸延通过所述壁(2)直到所述边缘(5)，其中所述冷却通道(9)的第一冷却空气出口(12)被布置在所述边缘(5)的所述外侧面(7)上和/或第三冷却空气出口(15)被布置在所述边缘(5)的所述热侧(3)上。

2.根据权利要求1所述的热屏蔽元件(1)，

其特征在于，

冷却空气入口(10)被设置在所述固定设备(8)的外侧面(11)上。

3.根据权利要求1或2所述的热屏蔽元件(1)，

其特征在于，

第二冷却空气出口(13)被设置在所述固定设备(8)的内侧面(14)上。

4.根据权利要求1或2所述的热屏蔽元件(1)，

其特征在于，

第四冷却空气出口(25)在中间的所述固定设备(8)的区域内被设置在所述热侧(3)上。

5.根据权利要求1或2所述的热屏蔽元件(1)，

其特征在于，

所述通孔(16)具有用于螺丝头的定位面(18)。

6.根据权利要求1或2所述的热屏蔽元件(1)，

其特征在于，

所述热屏蔽元件(1)是金属的。

7.一种燃气轮机(21)的燃烧室(20)，所述燃烧室(20)具有支撑结构(22)，并且具有多个安装在所述支撑结构(22)上的根据前述权利要求中任一项所述的热屏蔽元件(1)。

8.一种燃气轮机(21)，具有根据权利要求7所述的燃烧室(20)。