CN109348723A - 具有由凸起肋形成的冲击冷却槽腔和扩散结合至凸起肋的覆盖板的部件 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机部件(10)具有：基部层(60)，该基部层包括被凸起肋(36)隔开的槽腔(52)阵列(110)以及薄膜冷却孔(70)，该薄膜冷却孔在每个槽腔中穿过该基部层；以及覆盖板(62)，该覆盖板扩散结合至凸起肋并且该覆盖板包括用于槽腔阵列中的每个槽腔的冲击孔(72)。凸起肋的厚度(104)比槽腔的最小尺寸(96)的一半小。该部件构造成接收来自燃烧室的燃烧气体并且在不具有导向叶片的情况下将该燃烧气体加速并输送到第一排涡轮叶片上。

Description

具有由凸起肋形成的冲击冷却槽腔和扩散结合至凸起肋的覆 盖板的部件
技术领域
本发明涉及对具有凸起肋的表面进行冲击冷却的部件。
背景技术
常规的环管形燃气涡轮发动机包括径向地布置在转子轴的外部且与转子轴轴向地对准的多个单独的燃烧罐。在燃烧室中所产生的燃烧气体被径向地向内导引并且接着通过过渡管道被转换成轴向运动。导向叶片接收燃烧气体并且使燃烧气体加速且将燃烧气体转向成适合于输送到第一级涡轮叶片的矢量。
最新的管道结构通过创建从重新定向的燃烧室直接到第一级涡轮叶片的直线流动路径而无需导向叶片。在Charron等人的美国专利号8,276,389中公开了这种管道结构的一种构型，该专利的全部内容通过参引并入本文。在这种管道构型中，重新定向的燃烧罐(未示出)沿着具有轴向分量和周向分量这两者但不具有径向分量的矢量将相应的燃烧气体流排出。燃烧气体流沿着相应的流动路径加速并且在环形室中混合以形成单流。在不具备任何中间导向叶片的情况下，该单流以合适的速度和角度被输送到第一级涡轮叶片。
将燃烧气体加速成适合于输送到第一排涡轮叶片上的速度在围绕燃烧气体的增压室中的压缩空气与燃烧气体本身之间产生了相当大的压力差。由这种压力差所产生的力必须由将燃烧气体与压缩气体隔开的结构来承受。在常规布置中，其中第一排导向叶片将燃烧气体从过渡管道中的大约0.2马赫(Mach)加速成仅在马赫速度之下，导向叶片是分开的、相对更大的结构并且容易地承受这种相当大的力。由于在常规布置中过渡管道中的燃烧气体仅以大约0.2马赫传送，因此过渡管道仅必须承受由大约0.3bar的更小的压力差所产生的力。此外，尽管这些常规过渡管道可以包括穿过这些常规过渡管道的冷却路径，但是这些常规过渡管道中的冷却流受限于对流冷却，特别是沿着过渡管道壁内的通道的对流冷却。相对低的压力差不足以形成真正的冲击冷却射流。
相比之下，在不具有导向叶片的最新的管道结构中，在管道中出现了燃烧气体的加速，这历史性地已经使结构上相对较小。为了确保管道可以承受力，结构凸起肋可以被用于管道的暴露于压缩空气的一侧。对将管道的另一侧暴露于相对热的燃烧气体而言必需的是，对管道的暴露于压缩空气的一侧进行冷却。然而，凸起肋产生了难以使用常规管道冷却布置来冷却的槽腔。因此，在技术上还有改进的空间。
附图说明
鉴于附图，在以下描述中对本发明进行解释，在附图中：
图1示出了本文中所公开的具有中空面板的部件的示例性实施方式；
图2是图1中的中空面板的一部分的立体图；
图3是图2中的部分的侧视图；
图4是图2中的部分的俯视图；
图5是肋交叉部的示意图。
具体实施方式
本发明人已经研制了具有基部层和覆盖板的中空面板，其中，该基部层具有封围槽腔的凸起肋，该覆盖板扩散结合至凸起肋。作为例如燃气涡轮发动机中的限定燃烧气体的热气体路径的部件的一部分的面板可以暴露于高热梯度。覆盖板包括冲击冷却孔，冲击冷却孔被设计成具有更大的压力梯度的优点且产生对凸起肋之间的平台和/或凸起肋的侧部表面进行冷却的冲击射流。当与覆盖板被焊接就位或紧固就位的现有技术布置相比时，扩散结合所产生的这种紧密接触实现了在凸起肋与覆盖板之间的相对较高程度的热传导(即，覆盖板相对不太受到基部层的热影响)。这种高度的热传导将热从肋传导到覆盖板中，热将覆盖板加热到与基部层的温度接近的温度，从而创建了具有更均匀的温度的面板。当与焊接的布置相比时，这种更均匀的温度减少了基部层与覆盖板之间的热增长不匹配以及相关的热应力，从而增加了面板的寿命。槽腔和肋可以定尺寸和定形状成在面板的机械强度、面板内的热应力以及冷却气体消耗量之间取得平衡。
图1示出了部件10的一个示例性实施方式，该部件10是具有中空面板12的管道结构的一部分，并且该部件10被用于接收来自燃烧室(未示出)的燃烧气体并在不具有导向叶片的情况下将燃烧气体输送到涡轮(未示出)。该示例性实施方式不意在限制。例如，部件10可以更短、更长和/或具有更大或更小的直径等。在该示例性实施方式中，部件10包括燃烧气体路径16，该燃烧气体路径16将来自燃烧室的对应的燃烧气体的不连续流18朝向第一排涡轮叶片(未示出)导引。当多个部件10被组装到一起时，下游端20与相邻部件的下游端连接以形成环形形状(未示出)，该环形形状将入口(未示出)的形状与第一排涡轮叶片进行匹配。因此，燃烧气体的单个的、统一的环形流被输送到第一排涡轮叶片上。由于在这种构型中没有导向叶片，因此燃烧气体流18以其他方式被加速成适合于输送至第一排涡轮叶片的速度(例如接近于马赫速度)。燃烧气体的加速可以是燃烧室与第一级涡轮叶片之间的流动区域减小的结果。流动区域的减小可以例如以在燃烧室与燃烧气体路径16之间呈圆锥形(未示出)的方式在燃烧气体路径16的上游开始。如图所示，流动区域减小可以在燃烧气体路径16的上游基本上完成。替代性地，流动区域减小可以在燃烧气体路径16中继续。
部件10可以布置在增压室30中，该增压室30填充有压缩空气，上述压缩空气与燃烧气体路径16中的燃烧气体相比具有相对较高的压力。给中空面板12提供足够的结构强度的一种方法是将凸起肋36结合到冷却侧部38上同时使热气体路径侧部40平滑。在所示出的构型中，凸起肋36具有位于相应的凸起肋36之间的槽腔平台50。凸起肋36可以封围具有侧部54的槽腔52。如本文中所使用的，槽腔52包括槽腔平台50和至少两个侧部54。槽腔52可以包括足够数量的侧部54以完全地封围槽腔52。槽腔52可以沿着燃烧气体路径16布置并且可以从燃烧气体进入燃烧气体路径16至燃烧气体排出燃烧气体路径16的路线中的一些路线或全部路线延伸。
图2是图1中的中空面板12的立体图，图2示出了基部层60和覆盖板62。覆盖板62扩散结合至基部层60的凸起肋36的上表面64以形成扩散结合区域66。在扩散结合区域66处产生的紧密接触创建了从热气体路径侧部40至冷却侧部38的传导路径70。该传导路径70比覆盖板例如被焊接或紧固至基部层的布置能更好地传导热，因为在那些构型接触中的接触不太紧密。更好的传导允许覆盖板62吸收更多热，从而达到与基部层60的温度非常接近的温度。当这两个板在温度上非常接近时，减小了热增长不匹配以及相关的热应力。当部件10是用于燃烧气体的管道时，基部层60和覆盖板62则通过围绕部件10的增压室中的压缩气体而被冷却。
相反地，在覆盖板62被紧固至或焊接至基部层60的构型中，基部层60与覆盖板62之间的界面处的热导率相当低。在这种情况下，当与本文中所公开的扩散结合的示例性实施方式相比时，基部层60与覆盖板62之间的界面在传导热时效率低得多，使得显著地减少了基部层60的冷却。结果是相对较热的基部层60，而覆盖板62处于与增压室中的压缩空气的温度接近的温度下，其中，基部层60和覆盖板62这两者由相对较差的传导界面隔开。这导致了热失配和相关的热应力，特别是在基部层60和覆盖板62机械地固定至彼此的焊接构型中导致了热失配和相关的热应力。这又减少了部件10的寿命。
覆盖板62可以包括用于槽腔52中的一些槽腔或全部槽腔的冲击孔72。冲击孔72可以将冲击射流导引到平台50上和/或导引到槽腔52的侧部54上。冲击孔72可以将冲击射流朝向平台50的中央导向，并且撞击后的冲击冷却空气可以从撞击点径向地向外扩散，之后，撞击后的冲击冷却空气可以通过相应的薄膜冷却孔74排出槽腔52。
每个薄膜冷却孔74具有薄膜冷却孔入口80和薄膜冷却孔出口82。在示例性实施方式中，薄膜冷却孔出口82可以布置在凸起肋36的肋交叉部84的下方或(相对于热气流)略微上游。这直接在肋交叉部84的下方输送薄膜冷却空气，冲击冷却在肋交叉部84处效力最小。这又减少了热气体路径侧部40上的温度梯度，从而减少了相关的热应力。
如在图3中可以看到的，图3是图2中的面板12的俯视图，槽腔52本身可以具有多边形形状、比如六边形，并且槽腔52可以定大小成使冲击射流的冷却作用/溅落区域86最大，冷却作用/溅落区域86由溅落区域直径88描绘。溅落区域86可以被限定为下述冲击区域：该冲击区域中的热通量为由冲击射流产生的最高热通量的至少百分之二十(20％)。最高热通量通常出现在冲击射流在平台50上的驻点90处或驻点90附近。槽腔52的最小尺寸96(例如，最小直径)可以定大小成与溅落区域86匹配，使得平台50的面积98仅略大于溅落区域86的面积100。平台50的面积98可能会比溅落区域86的面积100大，因为沿着平台50侧向地行进的消耗的冷却空气(即，壁射流)将与凸起肋36的侧部54相互作用，使得消耗的冷却空气本身旋转返回。该效果在靠近薄膜冷却孔入口80处会减小，因为一些消耗的冷却空气将会通过薄膜冷却孔74排出，从而局部地减轻与侧部54的相互作用。
在槽腔52之间的凸起肋36的特征在于肋厚度104，该肋厚度104在面板12的结构强度、发动机工作效率和面板12中的热应力之间取得平衡。因为增加的肋厚度104提供了承受面板12两侧相对较高的压力梯度所需的增加的结构完整性并且因为其减少了冷却空气消耗量(相同面积中凸起肋36越厚意味着要冷却的槽腔越少，这意味着减少了冷却空气消耗量)，因而增加的肋厚度104是期望的。因为仅通过传导来冷却凸起肋36而相邻的平台50被冲击冷却，因而减小的肋厚度104是期望的。在凸起肋36处相对减少的冷却相对于在冲击冷却的平台50之下的温度增加了凸起肋36之下(即，在面板12的热气体路径侧部40上)的温度，使得在凸起肋36之下产生了相对较热的区域(凸起肋36越厚，在凸起肋36之下的温度局部增加越大)。因此，减小肋厚度104，从而减小了在面板12的热气体路径侧部40上的温度梯度和相关的热应力。因此，增加肋厚度104，从而增加了面板12的机械强度且增加了燃气涡轮发动机的工作效率，但是也增加了面板12内的热应力。相反地，减小肋厚度104，从而减小了面板12的机械强度且降低了发动机的工作效率，但是也减小了面板12中的热应力。本文中所公开的设计和尺寸在这些因素之间取得了最佳平衡。
在示例实施方式中，5毫米的肋厚度104和六边形槽腔52的12毫米的最小尺寸96(平坦侧到平坦侧)取得了期望的平衡。更广泛地说，肋厚度104可以比最小尺寸96的一半小并且获得期望的平衡。12毫米仅比示例性实施方式中的溅落区域直径88略大，从而使槽腔52内的冲击冷却效果最大。在这样的示例性实施方式中，冲击孔72可以具有小于一(1)毫米的直径。在示例性实施方式中，冲击孔72可以具有大约0.6毫米的直径。
这些尺寸的附加益处是能够针对用于形成面板12的方法而进行修改。更具体地，基部层60可以由平坦的板形成为所需的部件形状。然后，覆盖板62可以被放置在基部层60上并且在基部层60上形成以与基部层60相匹配。如果在凸起肋36之间有太大的距离，则当覆盖板62绕基部层60形成时，覆盖板62可能“凹陷”到槽腔52中、特别是在基部层60的弯曲部(凸拐角)处。根据槽腔52的数量和尺寸而保持足够数量和尺寸的凸起肋36防止了这种凹陷，这又确保了整个面板12中的覆盖板62与相应平台50之间一致的槽腔深度124。一致的槽腔深度124确保了均匀的冷却。
槽腔52可以形成阵列110，阵列110可以形成图案使得槽腔52交错且相邻的槽腔52的侧部54彼此平行。当三个相邻的槽腔112的壁54平行且肋厚度104一致时，那么三个凸起肋36在肋交叉部84处会合并且相交的凸起肋36绕肋交叉部84成角度地均匀分布。已经发现的是，整个阵列110的这样的图案提供了均匀的冷却和相对较小的热梯度。
图4是图2中的面板12的侧视图，图4示出了基部层60和覆盖板62。在示例性实施方式中，基部层60和覆盖板62中的任一者或二者均可以包括高镍高温合金。使用板材形成基部层60和/或覆盖板62相比通过成型或铸造形成基部层60和/或覆盖板62而言提供了优点。例如，使用板材允许较薄面板12具有与较厚的铸造的对应部件的强度相等的强度。这又使部件更轻且更易于冷却，所述部件因减少的热失配而具有更长寿命。此外，较薄面板12还允许改进相邻气流会合的交汇点，从而在交汇点处提供了更加符合空气动力学的流动。
基部层60的特征在于基部层厚度120，覆盖板62的特征在于覆盖板厚度122，槽腔52的特征在于槽腔深度124，并且面板的特征在于面板厚度126。在示例性实施方式中，覆盖板厚度122为基部层厚度120的至少25％。然而，该比率不意在限制。例如，如果压力梯度增加，则基部层厚度120可能增加，但是覆盖板厚度122将可能保持不变，从而实质上改变了比率。通过该比率，覆盖板62在结构上变得很重要，从而给面板12提供面板12为了克服在面板12两侧的相对较高的压力梯度可能所需的刚度和强度。在这样的示例性实施方式中，面板12的结构与结构梁的结构相似，而不只是简单分层的面板。
在示例性实施方式中，基部层厚度120可以为4.8毫米，覆盖板厚度122可以为1.6毫米，因此所得到的面板厚度126可以为6.4毫米。槽腔深度可以为1.6毫米。当与基部层60被铸造的构型相比时，这表示了厚度的显著减小。当铸造时，基部层厚度可以是十(10)毫米，并且覆盖板厚度可以为0.5毫米，从而提供了接近10.5毫米的总厚度。因此，使用板材可以提供更薄、更容易冷却的部件，该部件具有与更大的铸造对应部件的强度相同的强度且具有比更大的铸造对应部件更长的寿命。常规布置中的过渡管道可以具有大约1.6毫米左右的厚度，该过渡管道被构造成将未加速的燃烧气体以大约0.2马赫输送到导向叶片，在该导向叶片中燃烧气体被导向并被加速以用于输送到第一排涡轮叶片上。该减小的厚度因在输送相对较慢的燃烧气体时经历的相对较低的压力梯度而是足够的。
图5示出了肋交叉部84，在肋交叉部84处，三个凸起肋36相交并且绕肋交叉部84成角度地均匀定位，这是通过本文中所公开的六边形槽腔52的图案而产生的。在这种构型中，该肋交叉部84形成具有中心130的三角形，该中心130相对于最近的平台52以中心距离132布置。当与例如四个凸起肋——四个凸起肋各自相对于彼此为90°从而形成了方形的肋交叉部——形成的交叉部的情况相比时，中心距离132更小。例如，在凸起肋36的特征在于5毫米的肋厚度104的示例性实施方式中，与方形肋交叉部的大约3.5毫米的中心距离相比，图5中的中心距离130是大约3.3毫米。由于更小的中心距离132使得肋交叉部84之下更小的局部温度上升，因此更小的中心距离132有助于整个热气体路径表面40上的更均匀的温度。另外，当如本文中所公开的使用六边形槽腔52时，阵列110形成了交错图案，因此这产生了薄膜冷却孔74的交错图案。这在热气体路径侧部40上提供了均匀的冷却空气薄膜。
虽然上述公开内容集中于面板12用在经历相对较高的压力差的改进的过渡管道中，但是该结构可以被应用于常规的过渡管道。尽管常规布置中的较低压力梯度可能不会产生真正的冲击冷却，但是这可以提供更均匀冷却的且相对坚固的常规的过渡管道。
从上文可以看出的是，发明人已经创造了具有适合于在相对较高的压力梯度环境中使用的面板的燃气涡轮发动机热气体路径部件，其中，该结构足以使强度最大、使厚度最小、使热应力最小并且控制流过该结构的冷却空气量，同时显著地提高使用该面板的部件的寿命。因此，这表示了技术的改进。
虽然在本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但是显而易见的是仅以示例的方式提供了这样实施方式。可以在不背离本文中的发明的情况下做出各种变型、修改和替换。因此，本发明旨在仅受限于所附权利要求的精神和范围。

Claims (19)

1.一种燃气涡轮发动机部件(10)，包括：
基部层(60)，所述基部层(60)包括薄膜冷却孔(70)和被凸起肋(36)隔开的槽腔(52)阵列(110)，所述薄膜冷却孔(70)在每个槽腔(52)中穿过所述基部层(60)；以及
覆盖板(62)，所述覆盖板(62)扩散结合至所述凸起肋(36)，并且所述覆盖板(62)包括用于所述槽腔(52)阵列(110)中的每个槽腔(52)的冲击孔(72)，
其中，所述凸起肋(36)的厚度(104)比所述槽腔(52)的最小尺寸(96)的一半小，以及
其中，所述部件(10)构造成接收来自燃烧室的燃烧气体并且在不具有导向叶片的情况下将燃烧气体加速且输送到第一排涡轮叶片上。
2.根据权利要求1所述的部件(10)，其中，所述基部层(60)和所述覆盖板(62)这二者都包括锻造板材。
3.根据权利要求1或2所述的部件(10)，其中，所述覆盖板(62)的厚度(122)为所述基部层(60)的厚度(120)的至少25％。
4.根据权利要求1、2或3所述的部件(10)，其中，每个槽腔(52)具有六边形形状。
5.根据权利要求4所述的部件(10)，其中，在整个所述槽腔(52)阵列(110)中，三个相邻的槽腔(52)的相邻的侧壁(54)彼此对准，并且其中，所述凸起肋(36)在所述三个相邻的槽腔(52)之间形成了三个凸起肋(36)会合的肋交叉部(84)。
6.根据权利要求5所述的部件(10)，其中，每个薄膜冷却孔(70)包括布置在相应的肋交叉部(84)下方的薄膜冷却孔出口(82)。
7.根据权利要求1至6所述的部件(10)，所述基部层(60)限定流动路径(16)，所述流动路径(16)包括尺寸设计成以适合于输送到所述第一排涡轮叶片上的速度来输送所接收的燃烧气体的流动区域，其中，所述槽腔(52)阵列(110)围绕所述流动路径(16)。
8.一种燃气涡轮发动机部件(10)，包括：
流动路径(16)，所述流动路径(16)包括入口和流动区域，其中，所述入口构造成接收来自燃烧室的燃烧气体，所述流动区域的尺寸设计成在不具有导向叶片的情况下以适合于输送到第一排涡轮叶片上的速度来输送所接收的燃烧气体；
基部层(60)，所述基部层(60)限定用于燃烧气体的所述流动路径(16)，所述基部层(60)包括绕所述流动路径(16)布置的槽腔(52)阵列(110)，所述槽腔(52)阵列(110)由凸起肋(36)限定；
覆盖板(62)，所述覆盖板(62)扩散结合至所述凸起肋(36)，并且所述覆盖板(62)包括穿过所述覆盖板(62)的用于每个槽腔(52)的冲击孔(72)。
9.根据权利要求8所述的部件(10)，其中，所述槽腔(52)具有六边形形状。
10.根据权利要求8或9所述的部件(10)，其中，所述凸起肋(36)具有均匀的厚度(104)并且所述凸起肋(36)给所述槽腔(52)阵列(110)限定了一致的且交错的图案。
11.根据权利要求8、9或10所述的部件(10)，其中，所述凸起肋(36)限定了仅三个凸起肋(36)相交的肋交叉部(84)。
12.根据权利要求8、9或10所述的部件(10)，其中，所述凸起肋(36)的厚度(104)比所述槽腔(52)的最小尺寸(96)的一半小。
13.根据权利要求11所述的部件(10)，其中，所述基部层(60)还包括位于每个槽腔(52)中的薄膜冷却孔(70)，每个薄膜冷却孔(70)包括布置在相应的肋交叉部(84)下方的薄膜冷却孔出口(82)。
14.根据权利要求8所述的部件(10)，其中，所述基部层(60)和所述覆盖板(62)这二者都包括锻造板材。
15.根据权利要求8或14所述的部件(10)，其中，所述覆盖板(62)的厚度(122)为所述基部层(60)的厚度(120)的至少25％。
16.一种燃气涡轮发动机部件(10)，包括：
基部层(60)，所述基部层(60)包括薄膜冷却孔(70)和被凸起肋(36)隔开的槽腔(52)阵列(110)，所述薄膜冷却孔(70)在每个槽腔(52)中穿过所述基部层(60)；以及
覆盖板(62)，所述覆盖板(62)扩散结合至所述凸起肋(36)，并且所述覆盖板(62)包括用于所述槽腔(52)阵列(110)中的每个槽腔(52)的冲击孔(72)，以及
肋交叉部(84)，仅三个凸起肋(36)在所述肋交叉部(84)处相交，
其中，每个槽腔(52)具有六边形形状，以及
其中，所述凸起肋(36)限定了所述槽腔(52)的恒定的且交错的间隔。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机部件(10)，其中，所述凸起肋(36)具有均匀的厚度(104)，并且其中，所述均匀的厚度(104)比所述槽腔(52)的最小尺寸(96)的一半小。
18.根据权利要求16或17所述的燃气涡轮发动机部件(10)，其中，所述基部层(60)和所述覆盖板(62)这二者都包括板材。
19.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机部件(10)，其中，所述覆盖板(62)的厚度(122)为所述基部层(60)的厚度(120)的至少25％。
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