CN109196202B - 燃气涡轮发动机的冷却结构 - Google Patents

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Abstract

在利用工作气体(A)来冷却燃气轮机(GT)的结构部件(5)的结构中，在与供冷却介质(CL)流动的冷却介质流路(19)面对的流路壁(13)的壁面上突出设置多个W字形状的传热促进肋(15)，所述传热促进肋(15)的面向上游侧的角部(21a)形成为角状，面向上游侧的角部(21a)以外的角部(23a)及拐角部(21b、23b)中的至少任一个形成为弯曲状。

Description

燃气涡轮发动机的冷却结构
相关申请
本申请主张2016年6月1日申请的日本专利申请2016-109874的优先权，并通过参照其整体而引用作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种用于对构成燃气涡轮发动机的部件进行冷却的结构。
背景技术
近年来，为了在燃气涡轮发动机中抑制因高温燃烧而产生氮氧化合物(NOx)，期望增大燃烧用空气量来抑制火焰温度上升。因此，为了减少无助于燃烧本身的空气(冷却空气)，而谋求提高燃烧器内衬的对流冷却性能。作为燃烧器内衬的冷却结构，公知有在燃烧器内衬的外周面并排设置V字形的传热促进肋的结构(参照专利文献1)、将W字形的传热促进肋相连设置的结构等。如果使用这种形状的肋，则由于肋的上游侧侧面的角部是角状，因此压缩空气冲撞传热促进肋而有效地产生紊流，并促进燃烧器内衬的外周面冷却。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2006-63984号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，在呈W字形状相连而成的传热促进肋中存在可靠性的问题。也就是说，通常在燃烧器内衬，由于内外的温度差而产生较大的热应力，而且由于内外的压力差，在工作中始终从外侧对内侧作用压力载荷。因此，在具有如V字形状、W字形状这样的角状的角部、拐角部的传热促进肋中，应力集中于角状部分而容易产生裂纹。
本发明的目的在于，为了解决上述问题，提供一种具有优异的冷却性能和高可靠性的燃气涡轮发动机的冷却结构。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机的冷却结构用于将该燃气涡轮发动机的工作气体用作冷却介质来冷却燃气涡轮发动机的结构部件，所述冷却结构具备：流路壁，其由所述结构部件的一部分形成，且面向供所述冷却介质流动的冷却介质流路；以及多个传热促进肋，其是在所述流路壁的壁面上突出设置的多个W字形状的传热促进肋，且配置为各传热促进肋的邻接的角壁部在所述冷却介质的流动方向上的上游侧和下游侧交替地突出，所述传热促进肋的面向上游侧的角部形成为角状，所述传热促进肋的面向上游侧的拐角部、面向下游侧的角部以及面向下游侧的拐角部中的至少一个形成为弯曲状。
也可以使所述面向上游侧的拐角部、面向下游侧的角部以及面向下游侧的拐角部全部形成为弯曲状。
根据该结构，冷却介质直接碰撞的、热传递率高的区域即面向上游侧的角部保持角状，维持基于该传热促进肋组起到的冷却效果，另一方面，通过将热传递率比较低、对冷却效果的影响小的其它角部及拐角部做成弯曲状，从而缓和向成为弯曲状的角部及拐角部的应力集中。由此，能够维持具有传热促进肋组的冷却结构的优异的冷却效果，并提高可靠性。
在本发明的一个实施方式中，也可以为，所述多个传热促进肋以各传热促进肋的向上游侧突出的所述角壁部和向下游侧突出的所述角壁部分别相对于所述冷却介质通路的横截方向位于相同位置的方式排列，所述传热促进肋的面向上游侧的拐角部及面向下游侧的拐角部形成为弯曲状，所述传热促进肋的面向下游侧的角部形成为角状，所述面向上游侧的拐角部的曲率半径与所述面向下游侧的拐角部的曲率半径相同，且与邻接的传热促进肋之间的距离相同。根据该结构，能够使用如立铣刀这样的切削加工工具以极少的工序数形成能够维持冷却效果并且提高机械强度的传热促进肋。
在本发明的一个实施方式中，例如也可以为，所述结构部件是筒状的燃烧器内衬，所述燃烧器内衬在内侧形成燃烧器的燃烧室，所述冷却介质流路是在所述燃烧器内衬与燃烧器的壳体之间形成的工作气体的供给路。根据该结构，燃气涡轮发动机的结构部件中即使在作为暴露于特别高温的部件的燃烧器内衬的冷却结构中，也如上述那样，不会破坏冷却效果，而能够提高可靠性。
本发明的形成上述冷却结构的所述传热促进肋的方法包括如下步骤：通过利用在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的切削加工工具沿着规定的W字形状的轨道对所述结构部件的所述流路壁的壁面进行一次或者多次切削，从而形成一个W字形状槽。通过使用入立铣刀这样的所述切削加工工具的上述方法，能够以较少的工序数形成上述冷却结构的所述传热促进肋。
尤其是，在使所述传热促进肋的所述面向上游侧的拐角部的曲率半径与所述面向下游侧的拐角部的曲率半径相同，且与邻接的传热促进肋之间的距离相同的情况下，通过利用具有与邻接的传热促进肋之间的距离相等的加工直径的切削加工工具沿着规定的W字形状的轨道进行一次切削，从而能够形成一个W字形状槽，因此能够以极少的工序数形成传热促进肋。
在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。
附图说明
通过参考附图对以下优选的实施方式进行的说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由附上的权利要求书确定。在附图中，多张附图中的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示具有本发明一实施方式的冷却结构的燃气涡轮发动机的概要结构的局部剖切侧视图。
图2是表示本发明一实施方式的冷却结构的概要结构的俯视图。
图3是表示形成图2的冷却结构的传热促进肋组的方法的一例的示意图。
图4是表示形成图2的冷却结构的传热促进肋组的方法的另一例的示意图。
图5是表示本发明的另一实施方式的冷却结构的概要结构的俯视图。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于该实施方式。
图1是将具有本发明的一个实施方式的冷却结构的燃气涡轮发动机(以下简称为燃气轮机)GT的一部分剖切表示的侧视图。燃气轮机GT将从外部导入的空气A在压缩机(未图示)中压缩并导向燃烧器1，在燃烧器1内使燃料与压缩的空气A一起燃烧，并利用所获得的高温高压的燃烧气体G来驱动涡轮(未图示)。燃烧器1相对于压缩机及涡轮的轴心C稍微倾斜地配置。
燃烧器1具备在内侧形成燃烧室3的筒状的燃烧器内衬5、安装于燃烧器内衬5的顶壁5a并将燃料与空气A的混合气向燃烧室3喷射的燃烧器单元7。该燃烧器内衬5和燃烧器单元7呈同心状的配置收纳于圆筒状的燃烧器壳体9内，所述燃烧器壳体9成为燃气轮机燃烧器1的外筒。在图示的例子中，燃烧器1是逆流罐型。也就是说，在燃烧器壳体9与燃烧器内衬5之间形成有压缩空气A的供给流路11，压缩空气A沿着供给流路11向燃烧器1的头部(燃烧器单元7侧)流动。
在本实施方式中，将作为燃气轮机GT的工作气体的空气A用作冷却介质CL来冷却作为燃气轮机GT的一个结构部件的上述燃烧器内衬5。下面对该冷却结构进行说明。
燃烧器内衬5的周壁5b形成供给流路11的流路壁13。在燃烧器内衬5的周壁5b的外周上突出设置有多个传热促进肋15。通过压缩空气A与由该多个传热促进肋15构成的传热促进肋组17碰撞而对燃烧器内衬5进行对流冷却。也就是说，供给流路11形成供冷却介质CL流动的冷却介质流路19，在与冷却介质流路19面对的流路壁13的壁面上突出设置有多个传热促进肋15。
如图2所示，传热促进肋15具有在俯视下将W字形状相连而成的形状，且配置为W字形状的邻接的角壁部在冷却介质CL的流动方向上的上游侧和下游侧交替地突出。也就是说，传热促进肋15作为整体而沿着由所述供给流路11构成的冷却介质流路19的横截方向T延伸设置。此外，本说明书中的“W字形状”，除了单纯的一个“W字形状”之外，还包括：与单纯的一个“W字形状”连续地追加肋，从而具有在冷却介质CL的流动方向上的上游侧和下游侧交替地突出的角壁部的形状。
传热促进肋15沿着冷却介质CL的流动方向设置有多个。该多个传热促进肋15以向冷却介质流路19的上游侧突出的角壁部(以下称为“凸角壁部”)21和向下游侧突出的角壁部(以下称为“凹角壁部”)23分别相对于冷却介质流路19的横截方向T位于相同位置的方式排列。此外，在本实施方式中，上述“冷却介质流路19的横截方向T”是指燃烧器内衬5(图1)的外周面的周向。
在本实施方式中，传热促进肋15的凸角壁部21的面向上游侧的角部即凸角壁角部21a形成为角状。另外，传热促进肋15的凹角壁部23的面向下游侧的角部即凹角壁角部23a也形成为角状。此外，在本说明书中，“角状”是指曲率半径为0.5以下。另一方面，传热促进肋15的凸角壁部21的面向下游侧的拐角部即凸角壁拐角部21b形成为弯曲状。另外，传热促进肋15的凹角壁部23的面向上游侧的拐角部即凹角壁拐角部23b也形成为弯曲状。
换言之，在各传热促进肋15中，分别向上游侧及下游侧突出的各凸角壁部21、凹角壁部23的角部即凸角壁角部21a及凹角壁角部23a形成为角状，这些角部的背侧的各拐角部即凸角壁拐角部21b及凹角壁拐角部23b形成为弯曲状。
在W字形状的传热促进肋中，通常由于面向上游侧的角部形成为角状，因此当冷却介质与凸角壁部碰撞时会产生激烈的涡流而促进冷却，但是在面向上游侧的拐角部及面向下游侧的拐角部、角部，不会产生有助于冷却效果的涡流。因此，在图2所示的本实施方式中，在传热促进肋15的对冷却效果促进小的角部附近区域中，在凸角壁部21的凸角壁拐角部21b及凹角壁部23的凹角壁拐角部23b、即成为各角壁部的拐角部的部分设置弯曲形状的部分，来缓和这些部分的应力集中。因而，能够维持该冷却结构的冷却效果，并且提高各传热促进肋15的可靠性。
另外，在本实施方式中，传热促进肋组17中的一个传热促进肋15的凸角壁拐角部21b的曲率半径R1和与其邻接的另一个传热促进肋15的凹角壁拐角部23b的曲率半径R2相同，且与这些邻接的传热促进肋15、15之间的距离D相同。这里的传热促进肋15、15之间的距离D是指正交于相互平行地延伸的两个肋壁的方向的距离。通过这样构成传热促进肋组17，能够使用如后述那样利用在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的切削加工工具、例如是立铣刀，以较少的工序数形成传热促进肋组17。
参照图3对形成图2所示的本实施方式的冷却结构的传热促进肋组17的方法一例进行说明。该形成方法包括如下步骤：通过利用在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的切削加工工具EM沿着规定的W字形状的轨道TR对构成所述结构部件的流路壁13的壁面进行一次切削，从而形成一个W字形状槽31。这种情况下的切削加工工具EM具有与邻接的传热促进肋之间的距离D相等的加工直径。通过重复执行这样的形成W字形状槽31的工序，沿着冷却介质CL的流动方向形成多个W字形状槽31，从而在这些W字形状槽31、31之间形成传热促进肋15。
在图2所示的例子中，在形成对象的传热促进肋组17中，使一个传热促进肋15的凸角壁拐角部21b的曲率半径R1和与其邻接的另一个传热促进肋15的凹角壁拐角部23b的曲率半径R2相同，且与这些邻接的传热促进肋15、15之间的距离D相同，因此能够通过利用切削加工工具EM沿着W字形状的规定的轨道TR对流路壁13进行一次切削，从而形成构成期望的传热促进肋组17的W字形状槽31。
此外，根据所使用的切削加工工具EM的加工直径和所期望的传热促进肋15、15之间的距离D，用于形成一个W字形状槽31的基于切削加工工具EM进行的切削次数，如图4所示，可以是一次，也可以为两次以上。在图4的例子中，为了形成相对于切削加工工具EM的加工直径为2.1倍的肋间距离D的传热促进肋组17，沿着规定的W字形状的第一次轨道TR1、第二次轨道TR2以及第三次TR3进行了三次切削。此外，在图4中，为了方便图示，在中心线M的上侧示出第一次轨道TR1及第二次轨道TR2，在中心线M的下侧示出第三次轨道TR。
在图5中示出本发明的另一实施方式的冷却结构。在本实施方式中，各传热促进肋15的凸角壁部21的凸角壁角部21a形成为角状，并且各传热促进肋15的除凸角壁角部21a以外的所有的角部及拐角部，即凸角壁拐角部21b、凹角壁角部23a以及凹角壁拐角部23b形成为弯曲状。
在本实施方式的冷却结构中，将图3所示的对冷却效果促进小的部分的角部及拐角部全部做成弯曲状。因而，能够维持该冷却结构的优异的冷却效果，并且由于缓和了角部及拐角部处的应力集中而能够更有效地防止产生裂纹。
此外，本实施方式传热促进肋组17也可以使用如立铣刀这样的切削加工工具而形成。在这种情况下，在利用结合图3、4进行了说明的方法形成W字形状槽31后，使用具有能够加工成所期望的曲率的直径的切削加工工具将各凹角壁部23的凹角壁角部23a加工成弯曲状。
在图2、图5所示的任一实施方式中，从各传热促进肋15的壁面起的突出高度并无特别限定，优选为在流路高度的1％～3％的范围内。另外，各角壁部的角度α(作为代表而仅在图2中示出)并无特别限定，优选为在60°～150°的范围内。
另外，传热促进肋15的形成为弯曲状的部分并不限于作为上述实施方式进行说明的例子，在对冷却效果促进小的角部23a及拐角部21b、23b中只要至少一个是弯曲状即可。
另外，在上述任一实施方式中示出了如下的例子，即，使用利用在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的如立铣刀这样的切削加工工具来形成传热促进肋组17，但是，也可以利用除此以外的方法来形成传热促进肋组17。
另外，在上述各实施方式中，作为冷却对象的燃气轮机GT的结构部件，以燃烧器内衬5为例进行了说明，但作为冷却对象的结构部件不限定于此。
如上所述，参照附图对本发明的优选的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种追加、变更或者删除。因而，这样的结构也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
5-燃烧器内衬(结构部件)；
13-流路壁；
15-传热促进肋；
17-传热促进肋组；
19-冷却介质流路；
21-凸角壁部；
21a-凸角壁角部；
21b-凸角壁拐角部；
23-凹角壁部；
23a-凹角壁角部；
23b-凹角壁拐角部；
A-空气(工作气体)；
CL-冷却介质；
EM-切削加工工具；
GT-燃气涡轮发动机。

Claims (5)

1.一种燃气涡轮发动机的冷却结构，其是用于将该燃气涡轮发动机的工作气体用作冷却介质来冷却燃气涡轮发动机的结构部件，所述冷却结构具备：
流路壁，其由所述结构部件的一部分形成，且面向供所述冷却介质流动的冷却介质流路；以及
多个传热促进肋，其是在所述流路壁的壁面上突出设置的多个W字形状的传热促进肋，且配置为各传热促进肋的邻接的角壁部在所述冷却介质的流动方向上的上游侧和下游侧交替地突出，
所述传热促进肋的面向上游侧的角部形成为角状，
所述传热促进肋的面向上游侧的拐角部、面向下游侧的角部以及面向下游侧的拐角部中的至少面向上游侧的拐角部及面向下游侧的拐角部形成为弯曲状，
所述多个传热促进肋以各传热促进肋的向上游侧突出的所述角壁部和向下游侧突出的所述角壁部分别相对于所述冷却介质通路的横截方向位于相同位置的方式排列，
所述面向上游侧的拐角部的曲率半径与所述面向下游侧的拐角部的曲率半径相同，且与邻接的传热促进肋之间的距离相同。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机的冷却结构，其特征在于，
面向上游侧的拐角部、面向下游侧的角部以及面向下游侧的拐角部形成为弯曲状。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机的冷却结构，其特征在于，
所述结构部件是筒状的燃烧器内衬，所述燃烧器内衬在内侧形成燃烧器的燃烧室，所述冷却介质流路是在所述燃烧器内衬与燃烧器的壳体之间形成的工作气体的供给路。
4.一种传热促进肋的形成方法，其是形成权利要求1至3中任一项所述的冷却结构中的所述多个传热促进肋的方法，
所述方法包括如下步骤：通过利用在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的切削加工工具沿着规定的W字形状的轨道对所述结构部件的所述流路壁的壁面进行一次或者多次切削，从而形成一个W字形状槽。
5.一种传热促进肋的形成方法，其是形成权利要求1所述的冷却结构中的所述多个传热促进肋的方法，
所述方法包括如下步骤：通过利用具有与所述邻接的传热促进肋之间的距离相等的加工直径且在圆柱状的旋转体的外周面设置的刃体进行切削的切削加工工具沿着规定的W字形状的轨道对所述结构部件的所述流路壁的壁面进行一次切削，从而形成一个W字形状槽。
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