CN107091123A - 涡轮机部件的冷却壁及冷却该壁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机部件的冷却壁，其包括：用于冷却剂的第一层通道，其沿面向热气体流的壁的一侧设置，所述第一层通道具有蛇形形状，所述第一层的每个通道均具有入口和出口；用于冷却剂的第二层通道，其布置成比所述第一层更远离热气体流，所述第二层的每个通道均具有入口和出口，所述第一层的每个所述通道的所述出口与所述第二层的相关联的通道的对应入口流体连通，从而形成弯折部，以便当冷却剂进入所述第二层时，改变离开所述第一层的所述通道的冷却剂的方向。

Description

涡轮机部件的冷却壁及冷却该壁的方法
技术领域
本发明涉及涡轮机部件的冷却壁。
背景技术
重型燃气涡轮发动机研发的一般任务是增加效率、动力输出和涡轮机的部件的寿命。现有技术的涡轮机入口部段处的温度热气体水平是1800-1900K，这远高于涡轮机材料的热稳定性限制，并且仅使用高度复杂的冷却系统才允许在合理的冷却剂消耗的情况下达到需要的寿命。然而，冷却系统的引入不可避免地提供穿过冷却壁上的温度梯度，并且因此引入热应力，这是冷却系统的任务是针对可接受的寿命提供最低温度和最小的温度不均匀性水平两者的原因。
由于燃烧室中生成的最高入口温度水平(由于不均匀烧燃条件而能够远高于质量平均)和湍流水平，如燃烧器火焰筒(liner)和第一级导叶的燃气涡轮机的这种部件遭受最为严苛的热条件。
因此，针对导叶和内燃机部件的现有技术的冷却的十分常见的实践是使用大量的冲击冷却并且随后通过薄膜冷却排将冷却剂排放至流动路径。
燃气涡轮发动机的进一步研发集中在循环参数的提升：压力比和热气体温度，其相应地将引起涡轮机和燃烧器部件的热学边界条件恶化，这承担研发新型的、高度有效的冷却系统的任务，以保证在规定的维护间隔内的可靠工作。
在二十世纪九十年代的开始，已经发起了高效的近壁冷却方案的活跃研发。基于整合于壁的冷却特征(冲击、销柱、漩涡或者带肋通路)并进一步向流动路径排放的多种冷却方案提出了高的冷却有效性和壁的外侧(热气体冲刷)所需的温度水平的实现。然而，这种冷却方案具有缺点，因为壁的内侧(冷却剂冲刷)完全被冷却剂围绕并具有非常低的温度。由于两侧是一体的，因此这种大的金属温度差异提供高的热应力并且限制部件的寿命。因此，也应当特别地关注穿过冷却壁的这种温度梯度的减小。
大多数获得专利的冷却方案应对成熟的制造技术(铸造、机加工、钎焊)以及常规的冷却特征(冲击、销柱和圆筒形孔)。更普及的方案是冲击与薄膜冷却的组合，比如EP2256297 B1、US 3767322 A、US 4297077 A、US 7118326 B2、US 7497655 B1(导叶)及US20100037620 A1、US 6761031 B2(火焰筒)。所有这些方案均是可靠并且强健的，但是限制于当前的冷却技术水平，且涡轮机入口参数的进一步增加需要更加有效的冷却方案。
US 8608430 B1、US 8414263 B1、US 5215431 A提出带有整合于壁的冲击特征的近冷却构思。尽管给定的冷却方案具有相当的冷却有效性，但是由于被冷却空气环绕的厚冷壁，这种部件的寿命是相当有限的。
US 5993156 A和US 7563072 B1展示在弦线中部区域中带有整合于壁的销柱域(field)和螺旋通道的冷却系统。尽管在这种冷却特征中实现的高传热率能够非常有效地使热气体冲刷的壁的部分降低到所需水平，但是壁的厚的冷的部分将产生高的热应力并限制该部分的寿命。
US 5328331 A提出可冷却的翼型，其设有一体地形成的双壳冷却系统，其中内壳和外壳与捆系元件(基座、杆或者肋)一体地形成，且该捆系元件将壳间隔分开并机械且热学地捆系壳。该方案提出相当灵活的系统，但是过于简单的对流冷却特征对于现有技术的第一级部件是不可行的。
发明内容
本发明的目的在于解决前述问题，即提供可靠的冷却壁。
本公开和示例实施例能够减小穿过冷却壁的温度梯度并由此减小热应力；针对可接受的寿命提供最小的温度以及最小的温度不均匀水平，避免使用大量的冲击冷却并且随后通过薄膜冷却排将冷却剂排放到流动通道；避免提高循环参数：压力比和热气体温度，其相应地将导致涡轮机和燃烧器部件的热边界条件的恶化，并且对应地，保证规定的维护间隔内的可靠工作；避免壁的内侧(冷却剂冲刷)被冷却剂完全围绕并具有非常低的温度，且避免提供高热应力和限制部件的寿命的大的金属温度差异，以及减小穿过冷却壁的这种温度梯度；避免涡轮机入口参数的增加需要更加有效的冷却方案；避免厚冷壁被冷却空气围绕以及壁的厚冷部分。
要求保护的装置涉及在出于通过减小穿过壁的侧面的温度梯度来提高寿命的特定目标的情况下由对流通道形成的新颖的冷却流动网络。将本发明区别于其它方案的本发明的主要方面如下：
-基于双层冷却方案建构的内部冷却系统的使用，以通过冷却通道的第一层并且同时用来自第一层的“预热的”空气加热通过第二层的冷却剂冲刷的表面来有效地冷却壁的外侧。这种冷却流动配置允许减小穿过壁的侧面的温度梯度，并且因此减小热应力并且提高部件的寿命。
-就寿命的观点而言，使用圆筒形冷却通道作为冷却特征通过移除尖角而是有益的。
-使用带有转弯的蛇形流动配置提供流动重构、漩涡和湍流水平的增加，以增强传热率并提供外侧的高效冷却直到所需的温度水平。
-使用所提出的冷却方案通过在第二蛇形层中“预冷”的已用(spent)空气，允许有效地组织外部冷却。
-所提出的冷却方案允许相对于外部因素(诸如可得的压力比和局部薄膜冷却有效性)设置非常局部优化的冷却传热率(通过改变对流通道的大小、转弯尺寸)，并且以达到所得的金属温度和所有位置中的应力的最大均匀性为目标，移除所有临界区并提供最大寿命和/或冷却剂节约。
-在需要最大的冷却均匀性效果的情况下，冷却节段(冷却壁)能够被设置为逆向流动。在热气体暴露驱动(hot gas exposure driver)显著改变的情况下，能够使用调整为特定方向的单个流动节段。
此外，由于蛇形的设置，能够实现部件表面的更好的覆盖和在实际上所有位置处的表面冷却。
根据本发明，提供涡轮机部件的冷却壁，其包括：
用于冷却剂的第一层通道，其面向热气体流，所述第一层具有蛇形形状，所述第一层的每个通道均具有入口和出口；
用于冷却剂的第二层通道，其布置成比所述第一层更远离热气体流，所述第二层的每个通道均具有入口和出口，所述第一层的每一个所述通道的所述出口与所述第二层的相关联的通道的对应入口流体连通，从而形成弯折部，以便当冷却剂进入所述第二层的通道时改变离开所述第一层的所述通道的冷却剂的方向。
所述第二层的通道中的至少一部分具有蛇形形状。
所述第二层的通道中的至少一部分具有笔直的形状。
所述第一层的通道的入口中的至少一部分具有大致90°的弯折部，以便供应冷却剂。
所述第二层的通道的出口中的至少一部分具有大致90°的弯折部，以便排放冷却剂。
通过所述第一层的每个所述通道的所述出口与所述第二层的相管理的通道的对应入口相关联而形成的弯折部等于180°。
第一层的通道适于相对于第二层的通道中的流动使流动以逆流方式通过。
第一层的通道适于使得第一层的一个通道中的流动相对于第一层的其它通道中的流动以逆流方式流动。
第二层的通道适于使得第二层的一个通道中的流动相对于第二层的其它通道中的流动以逆流方式流动。
冷却壁的侧面覆盖所述第一层和所述第二层。冷却壁具有矩形形状。第一层通道和第二层通道位于冷却壁内侧。
第一层的通道和第二层的通道彼此相对地定位，其中第一层的通道具有沿通道的轴向延伸部的重复的曲线图案，并且第二层的通道具有沿通道的轴向延伸部的重复的曲线图案，并且其中第一层的通道相对于第二层的相关联的通道位移重复图案的间距的一半。
此外，根据所要求保护的发明，提供一种用于相应地冷却上文提及的壁，并减小所述壁中的热梯度的方法，所述方法包括以下步骤：
将冷却剂馈送至第一层通道内；
通过使冷却剂流动通过所述第一层通道来冷却所述壁；
从所述第一层通道将冷却剂排放至第二层通道内；
使冷却剂流动通过第二层通道，以便减小壁中的温度梯度；及
从第二层通道排放冷却剂。
冷却剂能够在第一层通道中被供应并从冷却壁的一侧处的第二层通道被排放。
冷却剂能够在第一层通道中被供应并从冷却壁的相对侧处的第二层通道被排放。
使第一层的通道中的流动相对于第二层的通道中的流动以逆流方式通过。
可能使第一层的一个通道中的流动相对于第一层的其它通道中的流动以逆流方式通过。
可能使流动通过，使得第二层的一个通道中的流动相对于第二层的其它通道中的流动以逆流方式流动。
此外，根据所要求保护的本发明，还提供一种涡轮机导叶，其包括上文提及的冷却壁。
此外，根据所要求保护的本发明，还提供燃烧器火焰筒，其包括上文提及的冷却壁。
本发明的目标和方面也可以从本发明的以下描述中看到。
由于最高的入口温度水平(由于不均匀的烧燃条件而能够远高于质量平均)和燃烧室中生成的湍流水平，第一级导叶和燃烧器火焰筒承受最为严苛的热学条件。燃气涡轮发动机的进一步研发集中在循环参数的提升，所述循环参数为：压力比和热气体温度，其相应地将导致涡轮机和燃烧器部件的热学边界条件的恶化，这承担研发新颖的、高度有效的冷却系统的任务，以保证在规定的维护间隔内的可靠工作。活跃地研发带有一体式冷却特征(冲击、销柱、漩涡或者带肋通路)的近壁冷却方案是将冷却部件的壁的外侧(热气体冲刷)温度降低到所需水平的突破性方式，然而，尽管其有非常高的冷却有效性，但是这种方案在寿命方面有限制，原因在于非常低的壁的内侧(冷却剂冲刷)温度(几乎等于冷却剂温度)，这引起高的温度梯度和热应力。
所提出的冷却流动配置的方案确保前述部件的所需的寿命。这种方案被称为新型冷却流动网络，其由双层对流通道构成，以由第一层冷却通道有效地使壁的外侧冷却下来，同时用来自第一层的“预热的”空气通过第二层加热壁的内侧。这种冷却流动配置允许减小穿过壁的侧面的温度梯度，并由此减小热应力，并显著地改进部件的寿命或者在以相同寿命为目标的情况下提供明显的冷却剂节约。
所提出的冷却方案使用带有蛇形流动配置的圆筒形冷却通道，所述通道带有转弯以产生高的热传递增强以及高度有效地将热气体冲刷的表面冷却到所需的温度水平。另外的冷却剂能够被引导到其它节段或者对流冷却特征，或借助于薄膜冷却(空气已在第二蛇形层中“预冷”)被排放到流动路径。所提出的方案相当强健，能够调整并且通过在使用比如选择性激光熔化(SLM)的高精度增材制造方法的情况下制造而最大程度地有益。所提出的冷却方案具有大面积的应用性：除了导叶翼型和燃烧器火焰筒之外，也能够针对第一级叶片翼型和导叶平台的冷却实现该方案。
本发明相比于最好的现有技术方案的优点在于寿命的改进(涡轮机叶片、燃烧器火焰筒)和/或冷却剂节省。
附图说明
图1示出本发明的第一实施例的侧视图和流动设置。
图2示出本发明的第一实施例的平面图和流动设置。
图3示出本发明的第一实施例的透视图和流动设置。
图4示出本发明的第二实施例的透视图和流动设置。
图5示出本发明的第三实施例的透视图和流动设置。
具体实施方式
图1、2和3示出所要求保护的发明的第一实施例，即，涡轮机部件的冷却壁(用于涡轮机部件的热交换装置)，其包括第一层3用于冷却剂的蛇形冷却通道、第二层5用于冷却剂的蛇形冷却通道。这些通道是管。第一层3蛇形冷却通道中的每个通道均包括入口1和出口8。第二层5蛇形冷却通道中的每个通道均包括入口9和出口7。第一层的每个通道均包括定位成靠近第一层的每个通道的入口1的第一90度弯折部2。第一层的每个通道均包括定位成靠近第一层的每个通道的出口8的第二90度弯折部，并且第二层的每个通道均包括定位成靠近第二层的每个通道的入口9的第三90度弯折部。第二90度弯折部和第三90度弯折部相关联(连接)并形成180度弯折部4。第二层的每个通道均包括定位成靠近第二层的每个通道的出口7的第四90度弯折部。从改进的寿命的观点而言两层的通道均被实现为圆筒形。第一层3的通道定位成彼此平行。第二层5的通道定位成彼此平行。第一层4的通道相对于第二层5的通道平行。第二层的出口7从第一层的入口1朝向180度弯折部4位移。如上文所述，这两层的通道均具有蛇形形状，即它们具有如图2中所示的正弦形形状。其中，第一层的每个正弦形通道均相对于第二层的相关联的正弦形通道位移一半间距(半步)，如图2中所示。换言之，第一层3的通道和第二层5的通道定位成彼此相对，其中第一层3的通道的蛇形形状沿第一层3的纵向方向限定多个弯折部10，且第二层5的通道的蛇形形状沿第二层5的纵向方向限定多个弯折部11，且第一层3的每个通道相对于第二层的相关联的通道11位移正弦曲线(正弦线)的一半间距，即第一层中的第一蛇形冷却通道和第二层中的第二蛇形冷却通道位于彼此上方，并且其中第一蛇形和第二蛇形在蛇形的主要延伸部中偏移，使得第一蛇形中蛇形的一个方向上的转弯位于第二蛇形相反方向上转弯的某个位置上。这个特征也可以以下方式说明，第一层的通道和第二层的通道彼此相反定位，其中第一层通道沿着通道轴向延伸具有重复曲线图案，且第二层通道沿着通道的轴向延伸具有重复曲线图案，并且其中第一层的通道相对于第二层的相应通道位移重复图案的一半节距。可替换地，可以记载为，第一蛇形是第二蛇形沿着蛇形延伸的镜像图像。由于蛇形的这种设置，可以实现对部件表面的更好覆盖以及实际上在对表面所有地方的冷却。
第一层3面向涡轮机部件的壁的外侧(热气体冲刷)且第二层面向部件的壁的内侧(空气冲刷)。冷却的壁具有矩形形状。通道的第一层和通道的第二层位于冷却壁内侧，即第一层通道和第二层通道由冷却壁的侧面覆盖。
冷却壁的内侧上存在第一细长矩形凸起。所述第一凸起定位成穿过冷却壁并邻近其第一端侧面。入口1定位成比凸起更接近冷却壁的所述第一端侧面，且出口7定位成比凸起更远离所述第一侧端面，即，凸起定位在入口1和出口7之间。
在第一层的通道的入口1中供应冷却剂。冷却剂流动通过弯折部2和第一层3的通道。当流动通过第一层的通道时，冷却剂冷却部件的壁的外侧(热气体冲刷)，且对应地，冷却剂在流动通过第一层的通道期间被加热。然后，加热的冷却剂流动通过第二层5的通道中的弯折部4，以加热部件的壁的内侧(空气冲刷)，并且目的在于减小穿过壁的金属温度梯度和已用的冷却剂温度，其中当冷却剂离开所述第一层的所述通道并进入所述第二层的通道时，冷却剂的方向被改变。此后，冷却剂流动通过第二层的通道的出口7的第四90度弯折部6，并且冷却剂从第二层的通道的出口7被排放出。进一步地，冷却剂能够被引导至其它冷却壁或者对流冷却特征，或者借助于薄膜冷却被排放到流动通道。
图1、2和3示出第一实施例，其中第一层的通道中的流动相对于第二层的通道中的流动以逆流方式经过。第一层的通道中的流动相对于彼此以并流方式(平行)经过。第二层的通道中的流动相对于彼此以并流方式(平行)经过。
图4示出本发明的第二实施例，其中第二层5的通道是笔直的。第二实施例的其它特征与第一实施例的上述特征相同。在受限制的可得压力比的情况下，通过实现第二层通道的笔直部段(第二层)5以降低冷却节段(见图4)中的整体压力损失能够提升冷却通道的流量容力(flow capacity)。然而，热气体冲刷的表面必须总是由蛇形冷却通道(第一层)3冷却以保持高的冷却传热率。
图5示出本发明的第三实施例的透视图，其中第二层5的通道是笔直的。在该实施例中，第一层的通道适于使流体相对于彼此以逆流方式经过，并且第二层的通道适于使流体相对于彼此以逆流方式经过，即，第一层的通道中的流动相对于彼此以逆流方式经过，且第二层的通道中的流动相对于彼此以逆流方式经过。此外，第二层和第一层的通道的入口和出口在冷却壁的相对端侧面上交替，即在冷却壁的第一端侧面上，第一层的一个通道的入口1以及第二层的一个通道的出口7与第一层的其它通道的出口8以及第二层的其它通道的入口9等交替。不同地，在与第一端侧面相对的冷却壁的第二端侧面上，第一层的一个通道的出口8和第二层的一个通道的入口9与第一层的其它通道的入口1和第二层的其它通道的出口7等交替。冷却壁的内侧上存在第二细长矩形凸起。第二凸起定位成邻近冷却壁的第二端侧面，该第二端侧面与第一端侧面相对。第二凸起等同于第一凸起。第二实施例的其它特征与第一实施例的上述特征相同。
冷却壁的进一步优化的更多示例在图5中描绘。在此通道被引导为逆流向彼此，以提供冷却暴露的最大的均匀性和因此壁温度的最大均匀性。
所提出的冷却壁具有大面积的应用性：除了导叶翼型和燃烧器火焰筒之外，也能够针对第一级叶片翼型和导叶平台的冷却实现该方案。能够通过使用比如选择性激光熔化(SLM)的高精度增材制造方法来制造零件。各种基础的冷却壁被设置为冷却透视性(perspective)第一级导叶翼型的弦线中部区域(压力侧和吸力侧两者)。不同的蛇形通道长度适于取决于冷却剂排放位置的可得的压力比。节段被引导为逆流，以便实现最均匀的冷却效果。
就上文提及的内容而言，所提出的冷却方案的基本构思是基于双层实现的蛇形冷却通道的组合。所提出的典型的冷却节段的构思包括七个特征(见图1、2)。(“1”)为通向冷却通道的馈送入口，其驱动冷却剂朝向第一蛇形层(“3”)冷却壁的外侧(热气体冲刷)穿过第一90度弯折部(“2”)。在某个冷却部段之后(取决于可得的压力比)存在180度弯折部(“4”)以驱动“预热的”冷却剂进入第二蛇形层(“5”)，从而以减小穿过壁的金属温度梯度以及已用的冷却剂温度为目的设置壁的内侧(空气冲刷)的加热。“6”是最后的90度弯折部，以将冷却剂排出冷却节段“7”。此外，冷却剂能够被引导至其它节段或者对流冷却特征，或者借助于薄膜冷却被排放至流动通道。从改进寿命的观点而言，这两层冷却通道被实现为圆筒形。冷却通道中的热交换增强由其蛇形配置提供-90度转弯提供流动重构、漩涡以及湍流水平的增加，其允许达到所需的热交换强度水平，从而有效地使壁的外侧冷却下来。转角的圆化的边缘的实现允许控制压力损失以及热交换强度水平，以根据可得的压力比调整系统。图3描绘基础冷却节段的等距视图。
在受限制的可得压力比的情况下，通过实现第二层通道的笔直部段(“5”)以减小冷却节段(见图4)中的整体压力损失能够提升冷却通道的流量容力。然而，热气体冲刷的表面必须总是由蛇形冷却通道(“3”)冷却，以保持高的冷却换热率。
冷却节段的进一步优化的更多示例在图5中绘出。在此冷却蛇形通道被引导成相对于彼此逆流，以提供最大的冷却暴露的均匀性及因此壁温度的最大均匀性。

Claims (14)

1.一种涡轮机部件的冷却壁，其包括：
用于冷却剂的第一层通道，其沿面向热气体流的壁的一侧设置，所述第一层通道具有蛇形形状，所述第一层的每个通道均具有入口和出口；
用于冷却剂的第二层通道，其布置成比所述第一层更远离所述热气体流，所述第二层的每个通道均具有入口和出口，所述第一层的每个所述通道的所述出口与所述第二层的相关联的通道的对应入口流体连通，从而形成弯折部，以便当冷却剂进入所述第二层的通道时，改变离开所述第一层的所述通道的所述冷却剂的方向。
2.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第二层的通道中的至少一部分具有蛇形形状。
3.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第二层的通道中的至少一部分具有笔直形状。
4.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第一层的通道的入口的至少一部分具有大致90°的弯折部以便供应冷却剂。
5.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第二层的通道的出口的至少一部分具有大致90°的弯折部以便排放冷却剂。
6.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，通过所述第一层的每个所述通道的所述出口与所述第二层的相关联的通道的对应入口相关联形成的所述弯折部等于180°。
7.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第一层的通道适于使流动相对于所述第二层的通道中的流动以逆流方式经过。
8.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第一层的通道适于使得所述第一层的一个通道中的流动相对于所述第一层的其它通道中的流动以逆流方式流动。
9.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第二层的通道适于使得所述第二层的一个通道中的流动相对于所述第二层的其它通道中的流动以逆流方式流动。
10.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述壁的侧面覆盖所述第一层和所述第二层。
11.根据权利要求1所述的冷却壁，其中，所述第一层的通道和所述第二层的通道定位成彼此相对，其中所述第一层的通道具有沿所述通道的轴向延伸部的重复的曲线图案，并且所述第二层的通道具有沿所述通道的轴向延伸部的重复的曲线图案，且其中，所述第一层的通道相对于所述第二层的相关联的通道位移重复图案的一半间距。
12.用于冷却根据权利要求1所述的冷却壁并减小所述壁中的热梯度的方法，其包括以下步骤：
将冷却剂馈送至所述第一层通道；
通过使所述冷却剂流动通过所述第一层通道来冷却所述壁；
将所述冷却剂从所述第一层通道排放至所述第二层通道内；
使所述冷却剂流动通过所述第二层通道，以便减小所述壁中的温度梯度；及
从所述第二层通道排放所述冷却剂。
13.包括根据权利要求1-11中的任一项所述的冷却壁的涡轮机的导叶。
14.包括根据权利要求1-11中的任一项所述的冷却壁的燃烧器火焰筒。
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