CN108019239A - 用于被冷却结构的交织的近表面被冷却通道 - Google Patents

用于被冷却结构的交织的近表面被冷却通道 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮发动机的被冷却结构，其具有主体，该主体具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体。第一组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第一侧部分布置。第二组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第二侧部分布置。第一和第二组冷却空气微通道具有彼此相邻定位的转弯部分以及源自每个相对的侧微通道的交织的排气端。每个交织的排气端围绕相对的转弯部分延伸，并且被构造成将冷却空气从多个排气口排出，所述多个排气口从转弯部分大体上径向向外地定位。

Description

用于被冷却结构的交织的近表面被冷却通道
技术领域
本发明一般涉及燃气涡轮的被冷却结构，更具体地涉及布设成最大化结构的边缘冷却的交织的冷却通道。
背景技术
在大型重负荷工业燃气涡轮发动机中，在燃烧器中生成的热气流穿过涡轮以产生机械功。涡轮包括一个或多个排或级的定子静叶和转子叶片，定子静叶和转子叶片与处于逐渐降低的温度的热气流相互作用。通过将较高温度的气流通入涡轮，可提高涡轮和因此发动机的效率。然而，涡轮入口温度受限于涡轮特别是第一级静叶和叶片的材料特性，以及这些第一级翼型件的冷却能力。
第一级转子叶片和定子静叶暴露于最高的气流温度，随着气流通过各涡轮级，温度逐渐降低。必须通过以下方式来冷却第一和第二级翼型件(叶片和静叶)：使冷却空气通过内部冷却通道，并使冷却空气通过薄膜冷却孔排出以提供冷却空气的覆盖层，以保护被冷却表面免受热气流的影响。
涡轮转子叶片在由护罩形成的被冷却表面内旋转，护罩与叶片尖端形成间隙。护罩由固定在环形载体内的许多区段形成。通过间隙的热气流泄漏不仅降低涡轮效率，而且在护罩上产生过热点，这导致缩短零件寿命的侵蚀或其他热损伤。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在下面的描述中提出，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过实施本发明来了解。
在本发明的一个实施例中，燃气涡轮发动机的被冷却结构具有主体，主体具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体。第一组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第一侧部分布置。第二组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第二侧部分布置。第一和第二组冷却空气微通道具有彼此相邻定位的转弯部分、以及源自每个相对侧微通道的交织排气端(interwoven exhaust ends)。每个交织的排气端围绕相对的转弯部分延伸，并且被构造成将冷却空气从多个排气口排出，所述多个排气口从转弯部分大体上径向向外地定位。
其中，每个冷却空气微通道排气口被定位在密封件径向地向内、所述密封件径向地向外、以及它们的组合。
其中，所述交织的排气端被构造成跨越至少两个转弯部分。
其中，所述转弯部分在径向方向上彼此重叠。
在本发明的另一个实施例中，上述被冷却结构是燃气涡轮的一部分，燃气涡轮具有压缩机部段、定位在压缩机下游的燃烧部段中的多个燃烧器、以及定位在燃烧部段下游的涡轮部段。
其中，所述交织的排气端被构造成跨越至少两个转弯部分。
其中，所述转弯部分在径向方向上彼此重叠。
其中，所述转弯部分具有在大约0.05至13毫米的范围内的转弯半径。
参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与该描述一起用来说明本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式的完全和能实现的公开，在附图中：
图1是可以并入本发明的各种实施例的典型燃气涡轮的示意图；
图2是根据本发明的各种实施例的涡轮部段的一部分的放大横截面侧视图，其包括示例性转子叶片和第二级护罩块组件的一部分；
图3是内涡轮护罩区段的实施例的透视图，其联接到外涡轮护罩区段以形成典型地用于燃气涡轮的第一级的涡轮护罩块组件；
图4是根据本发明的各种实施例的具有微通道的内涡轮护罩区段的透视图；
图5是内涡轮护罩区段微通道的实施例的仰视图，其不带有预烧结预成型件(PSP)层；
图6是示出与微通道的转弯部分交织的排气端的放大仰视图；
图7是示出排气端的第一侧部分(例如，第一斜面)的放大侧视图，排气端从燃烧气体侧表面大体上径向向外延伸以在微通道的转弯部分之间交织并从排气口排出冷却空气，排气口从转弯部分大体上径向向外定位。
在参考附图的说明书中阐述了包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式的完全和充分的公开，在附图中：
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，所述当前实施例的一个或多个实例在附图中说明。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中使用相同或相似的标号来指代本发明的相同或相似的部件。如本说明书中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非希望表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”或“后”和“下游”或“前”是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”或“后”是指流体流出的方向，有时称为“后方”。“下游”或“前”是指流体流向的方向，有时称为“前方”。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，并且术语“轴向地”是指基本上平行于特定部件的轴向中心线的相对方向。
每个示例通过对本发明进行说明而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征能够结合另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改及变化，所述修改及变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。虽然出于说明目的将大体上在工业燃气涡轮的上下文中描述本发明的示例性实施例，但是本领域的普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可以应用于任何涡轮机械，并且不限于工业燃气涡轮，除非在权利要求书中具体叙述。虽然本说明书示出和描述了工业、船舶或陆基燃气涡轮，但是本说明书所示出和描述的本发明不限于陆基和/或工业燃气涡轮和/或船舶燃气涡轮，除非权利要求中另外指明。例如，本说明书所述的公开内容可以在任何类型的涡轮中使用，包括但不限于航改涡轮或船舶燃气涡轮以及航空发动机涡轮。
本说明书的被冷却结构被定义为需要与强制冷却空气源直接接触以保持结构完整性的任何结构。这些结构可包括涡轮护罩、喷嘴、叶片和涡轮的任何其它热气体路径部件的部分。
现在参看附图，其中类似的数字表示类似的部件，图1示出了可以并入本发明的各种实施例的燃气涡轮10的示例。如图所示，燃气涡轮10通常包括具有设置在燃气涡轮10的上游端的入口14的压缩机部段12和至少部分地围绕压缩机部段12的壳体16。燃气涡轮10还包括具有在压缩机部段12下游的至少一个燃烧器20的燃烧部段18和在燃烧部段18下游的涡轮部段22。如图所示，燃烧部段18可以包括多个燃烧器20。轴24轴向地延伸穿过燃气涡轮10。
在操作中，空气26被抽吸到压缩机部段12的入口14中并被逐渐地压缩，以将压缩空气28提供至燃烧部段18。压缩空气28流入燃烧部段18，并与燃料在燃烧器20中混合以形成易燃混合物。易燃混合物在燃烧器20中燃烧，从而生成热气体30，热气体从燃烧器20横跨涡轮喷嘴34的第一级32流过，并流入涡轮部段22中。涡轮部段通常包括由涡轮喷嘴34的相邻排轴向地分离的一排或多排转子叶片36。转子叶片36经由转子盘联接到转子轴24。涡轮壳体38至少部分地包围转子叶片36和涡轮喷嘴34。转子叶片36中的每一排或一些排可以由设置在涡轮壳体38内的护罩块组件40周向地围绕。热气体30在流过涡轮部段22时迅速膨胀。热能和/或动能从热气体30转移到每级转子叶片36，从而使轴24旋转并产生机械功。轴24可以联接到诸如发电机(未示出)的负载，以便产生电力。此外或作为备选方案，轴24可以用来驱动燃气涡轮的压缩机部段12。
图2是根据了本发明的各种实施例的涡轮部段22的一部分的放大横截面侧视图，其包括示例性转子36叶片和第二级护罩块组件40的一部分。如图2所示，护罩块组件40通常在涡轮壳体38和转子叶片36的尖端部分42之间径向地延伸。护罩块组件40与冷却流体路径44流体连通。冷却流体路径44可以至少部分地由外部壳体38限定。护罩块组件40通常包括安装硬件46，用于将护罩块组件40固定到涡轮壳体38和/或用于支撑多个护罩块区段100，护罩块区段100布置在围绕涡轮壳体38内的转子叶片36的环形阵列中。
图3是内涡轮护罩区段60的实施例的透视图，其联接到外涡轮护罩区段62以形成涡轮护罩块组件40，其典型示例用于燃气涡轮10的第一级。涡轮10包括多个涡轮护罩组件40，它们一起形成围绕相应涡轮级的环。在某些实施例中，涡轮10可以包括多个内涡轮护罩区段60，其连接到相应的外涡轮护罩区段62，用于围绕涡轮10的旋转轴线设置在周向方向90上的每个涡轮护罩区段40。在其它实施例中，涡轮10可以包括多个内涡轮护罩区段60，其联接到外涡轮护罩区段62以形成涡轮块组件40。
如所描绘的，内涡轮护罩区段60包括主体102，主体102具有上游或前缘104和下游或后缘106，两者均与热气流路30交界(interface)。主体102还包括第一侧部分108(例如，第一斜面)和第二侧部分110(例如，第二斜面)，它们大致垂直于前缘104和后缘106设置。主体102还包括一对相对的侧面：燃烧气体侧112和背侧114，它们在前缘104和后缘106与第一侧部分108和第二侧部分110之间延伸。在某些实施例中，主体102(特别是相对的侧面112、114)在周向方向90上在第一侧部分108和第二侧部分110之间和/或在轴向方向92上在前缘104和后缘106之间可以是弧形的。背侧114被构造成与限定在内涡轮外罩区段60和外涡轮外罩区段62之间的腔体118交界(interface)。
如图4和图5所示，主体102可以包括设置在燃烧气体侧112内的多个冷却空气微通道74(例如，冷却通道或微通道)，以帮助冷却热气流动路径部件(例如，涡轮护罩40、内涡轮护罩区段60等)。在某些实施例中，这些通道中的一些设置在后缘106或前缘104附近，且在主体102的第一侧部分108和第二侧部分110内设置有或不设置有其它通道。在一些实施例中，预烧结预成型件(PSP)层58可以设置在燃烧气体侧112(例如，硬钎焊到)上，使得PSP层58的第一PSP表面64与主体102一起限定(例如，包围)通道，并且PSP层58的第二PSP表面66与热气体流动路径30交界(interface)。PSP层58可以由超合金、硬钎焊材料或其混合物形成。在某些实施例中，作为PSP层58的备选方案，非PSP金属片可以设置在与主体102一起限定通道的燃烧气体侧112上。在一些实施例中，作为PSP层58的备选方案，阻挡涂层或热障涂层可以用于将通道包围在主体102内。
在一些实施例中，被冷却结构和微通道可以完全铸造、用液体射流引导的激光技术(有时称为Liquid MicroJet)切割、利用增材制造工艺“3D打印”、或者精密加工在燃烧气体侧112附近的主体102内。增材制造构建方法可包括粘结剂喷射、定向能量沉积、材料挤出、材料喷射、粉末床融合、片材层合、和光聚合固化中的任何形式。更具体地，可使用直接金属激光熔融(DMLM)和直接金属激光烧结(DMLS)来制造被冷却结构和微通道。
图4和图5所示的示例性实施例具有主体102，其包括彼此相邻定位的转弯部分78。内涡轮护罩区段62通常靠近冷却介质200或来自压缩机12的涡轮10中的空气(即，比燃烧气体侧112的热气体流动路径30中的温度低)。内涡轮护罩区段62包括进气端76，用于接收来自压缩机24的冷却流体或空气，压缩机24将冷却流体提供至腔体118。冷却介质200经由进气端76流动到内涡轮外罩段60的主体102内的通道74，进气端76设置在主体102内，从背侧114延伸到通道74。每个通道74包括具有进气端76和排气端82的转弯部分78。排气端82可以包括计量特征(例如，延伸到通道中的主体102的一部分，其使通道的一部分的横截面积相对于通道的相邻横截面积变窄)，以调节冷却流体在通道74内的流量。在某些实施例中，每个通道74本身(不包括排气端部分)用作计量特征(例如，包括延伸到通道中的主体102的一部分)。在其它实施例中，联接到转弯部分78的进气端76可以包括计量特征(例如，延伸进入进气端76的主体102的一部分)。在某些实施例中，通道74本身、排气端82、或进气端76、或它们的组合包括计量特征。此外，冷却流体经由在第一侧部分108和/或第二侧部分110处的排气端82离开通道74(和主体102)。在某些实施例中，通道可以以交替模式布置，其具有邻近第一侧部分108设置的具有进气端76的第一组通道和邻近第二侧部分110设置的第二组通道，相邻通道具有相反的取向。通过增加与斜面108、110相邻的冷却通道74的长度、同时将冷却空气流保持最小，通道74的转弯部分78提供较大的冷却区域(例如，大于用于涡轮护罩的典型冷却系统)。在每组通道中，转弯部分78彼此相邻定位，并且并入来自相对的侧面微通道74的交织的排气端(interwoven exhaust ends)82。交织的排气端82围绕相对的转弯部分78延伸，并且被构造成从多个排气口80排出冷却空气200，所述多个排气口80从转弯部分78大体上径向地向外定位。交织的排气端82可在几乎任何方向上围绕转弯部分78延伸，例如径向地向外、轴向地向前、轴向地向后、以及它们的组合。在某些实施例中，主体102包括邻近后缘106和前缘104设置的通道，其形状不同于设置在主体102的其余部分上的通道。例如，邻近后缘106或前缘的通道104可以各自包括蛇形图案。通道74的形状也被优化以在通道堵塞的情况下提供足够的冷却。所公开的内涡轮护罩区段的实施例可以使得能够以更少的空气(例如，比用于涡轮护罩的典型的冷却系统)冷却内涡轮护罩区段60，从而降低与在冷却中使用的可带电空气(chargeable air)相关联的成本。
图4提供了根据各种实施例的具有微通道74的示例性护罩块区段100的透视图。如图4所示，护罩块部分100包括主体102，主体102具有前部分104、后部分106、第一侧部分108和相对的第二侧部分110。第一侧部分108和第二侧部分110在前部分104和后部分106之间轴向地延伸。主体102还包括与相对的背侧114径向地分离的燃烧气体侧112。燃烧气体侧112具有相对于护罩块区段100的轴向中心线116的大体上弧形或圆周的形状。燃烧气体侧112可以涂覆有诸如热障涂层等的耐热涂层。冷却凹坑或腔体118限定在背侧114中。腔体118至少部分地限定在前部分104、后部分106、第一侧部分108和相对的第二侧部分110之间。腔体118从燃烧气体侧112径向地向外定位，并且进一步限定成角度的周边壁120。成角度的周边壁120可以以从约0度到约90度的任何合适的角度设置，该角度从径向方向94测量，以使得冷却空气能够在微通道74的进气端76处围绕腔体118适当地分布。
图5是冷却空气微通道74的实施例的仰视图(bottom view)，该冷却空气微通道74被定位在没有PSP层58的内涡轮护罩区段60中。如所描绘的，主体102包括设置在燃烧气体侧112内的多个通道74(例如，冷却通道或微通道)。主体102可以包括2个至40个或更多个通道74。每个通道74被构造成接收来自腔体118的冷却流体。每个通道74包括进气端部分76，其包括彼此相邻定位的转弯部分78。每个转弯部分78具有转弯半径84，转弯半径84的范围在大约0.05至13毫米(mm)、0.1至10mm、1.14至7毫米和两者间的所有子范围内。每个转弯部分78的进气端76联接到腔体118以从腔体118接收冷却流体。转弯部分78和交织的径向地布置的排气端82的弯曲使得通道74和转弯部分78能够在第一侧部分108和第二侧部分110内彼此相邻定位。此外，通过增加与侧部分108、110相邻的冷却通道74的长度、同时使流量保持最小，转弯部分78和交织的径向地布置的排气端82提供更大的冷却区域。并且，转弯部分78和交织的径向地布置的排气端82使得通道74的直线部分能够更好地间隔。此外，转弯部分78和交织的径向地布置的排气端82的环形形状使得通道的直线部分均匀地远离相邻通道，以避免热梯度(thermal gradients)并且均匀地冷却护罩区段40的主体102的主要部分。在某些实施例中，转弯部分78可被调整以使得对于较高热负荷区域来说通道74的直线部分的间距能够被更紧凑地压缩。总体上，通道74的形状也被优化以在通道74堵塞的情况下提供足够的冷却。每个通道74还包括排气端82，其使得废冷却流体能够经由侧部分108、110通过排气口80离开主体102，如由箭头所示。在某些实施例中，排气端82包括计量特征，其被构造成调节(例如，计量)相应通道74内的冷却流体的流量。在某些实施例中，每个通道74可以在排气端82处形成分段通道。在某些实施例中，除了排气端82之外，每个通道74本身都用作计量特征。在其它实施例中，联接到转弯部分78的进气端76可以包括计量特征(例如，延伸进入进气端76的主体102的一部分)。在某些实施例中，通道74本身、排气端82或进气端76、或它们的组合包括计量特征。
图6是示出相对的排气端82的放大的仰视图，排气端82布设成通过第一侧部分108，并且在径向方向上以不同的高度与微通道74的转弯部分78交织。示出了排气端82与转弯部分78的交织几何形状，以及进气端76在不同的高度处到成角度的周边壁120的连接。
图7是示出排气端82的第一侧部分108(例如，第一斜面)的放大侧视图，排气端82从燃烧气体侧112或任何热气体表面大体上径向地向外延伸，以在微通道74的转弯部分78之间交织，并且将冷却空气从排气口80排出，排气口80大体上从转弯部分74径向地向外定位。如图4所示，在第一侧部分108处示出设置在密封狭槽88内的密封件86，排气端82布设成在密封件86的上方和下方排气。
在一些实施例中，护罩块组件40可被视为如本说明书所公开的冷却结构。冷却空气微通道74可形成与燃烧气体侧112平行的流动通道。此外，每个冷却空气微通道74可具有进气端76，其被定位在腔体118的倾斜的周边壁120周围、或暴露于冷却空气200的护罩块组件40上的任何其它位置，使得进气端76被构造成从冷却流体路径44接收压缩的冷却空气200。
在被冷却结构的一些实施例中，进气端76交织并被构造成跨过至少两个转弯部分78。在另外的实施例中，转弯部分78的半径84足以跨过至少两个进气端76和/或足以穿过至少两个排气端82。
在其它实施例中，每个冷却空气微通道排气口80被定位在选自从密封件86径向地向内、从密封件86径向地向外、以及它们的组合的至少一个位置。在又一个实施例中，排气端82交织并被构造成跨越至少两个转弯部分78。在另外的实施例中，转弯部分78被构造成在径向方向上彼此重叠。
本说明书使用实例来公开包括最佳模式的本发明，且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造及使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例包括与所附权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或如果此类其它实例包括与所附权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例意图在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机的被冷却结构，包括：
主体，其具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体；
第一组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第一侧部分布置；
第二组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第二侧部分布置；并且
其中，所述第一和第二组冷却空气微通道还包括彼此相邻定位的转弯部分和源自每个相对的侧微通道的交织的排气端，每个交织的排气端围绕所述相对的转弯部分延伸，所述交织的排气端被构造成将冷却空气从多个排气口排出，所述多个排气口从所述转弯部分大体上径向地向外定位。
2.根据权利要求1所述的被冷却结构，包括第三组冷却空气微通道，所述第三组冷却空气微通道从所述腔体延伸并且沿着所述前缘和后缘布置。
3.根据权利要求1所述的被冷却结构，其中，所述排气端径向地向外、轴向地向前、轴向地向后、以及它们的组合延伸。
4.根据权利要求1所述的被冷却结构，其中，所述腔体还限定成角度的周边壁；其中，每个冷却空气微通道包括围绕所述成角度的周边壁定位的进气端，每个进气端被构造成从冷却流动路径接收压缩的冷却空气；并且其中，所述进气端交织并且被构造成跨越至少两个转弯部分。
5.一种制造被冷却结构的方法，包括通过粘结剂喷射、定向能量沉积、材料挤出、材料喷射、粉末床融合、片材层合、光聚合固化、以及它们的组合而以增材方式构建根据权利要求1所述的被冷却结构的过程。
6.一种燃气涡轮，包括：
压缩机部段；
在燃烧部段中的多个燃烧器，所述燃烧部段被定位在所述压缩机的下游；
涡轮部段，其被定位在所述燃烧部段的下游；
其中，所述燃气涡轮包括多个被冷却结构，每个被冷却结构包括：
主体，其具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体；
第一组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第一侧部分布置；
第二组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第二侧部分布置；并且
其中，所述第一和第二组冷却空气微通道还包括彼此相邻定位的转弯部分和源自每个相对的侧微通道的交织的排气端，每个交织的排气端围绕所述相对的转弯部分延伸，所述交织的排气端被构造成将冷却空气从多个排气口排出，所述多个排气口从所述转弯部分大体上径向地向外定位。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮，包括第三组冷却空气微通道，所述第三组冷却空气微通道从所述腔体延伸并且沿着所述前缘和后缘布置。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮，其中，所述排气端径向地向外、轴向地向前、轴向地向后、以及它们的组合延伸。
9.根据权利要求6所述的燃气涡轮，其中，所述腔体还限定成角度的周边壁；其中，每个冷却空气微通道包括围绕所述成角度的周边壁定位的进气端，每个进气端被构造成从冷却流动路径接收压缩的冷却空气；并且其中，所述进气端交织并且被构造成跨越至少两个转弯部分。
10.根据权利要求6所述的燃气涡轮，其中，每个冷却空气微通道排气口被定位在密封件径向地向内、所述密封件径向地向外、以及它们的组合。
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