CN1727643B - 流体机械的冷却构件及其铸造方法和有该构件的燃气轮机 - Google Patents

流体机械的冷却构件及其铸造方法和有该构件的燃气轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种被热工质(A)流过的流体机械的受冷却构件(28)，尤其是燃气轮机(11)的涡轮叶片，在其可受工质(A)冲击的外壁(36、38)内设有一冷却通道(41)，该冷却通道(41)可供一种冷却流体(KF)沿其纵轴线(45)流过。为了更加有效地冷却燃气轮机的该构件，建议，在冷却通道(41)中设一种赋予流动的冷却流体(KF)一扭转的装置。

Description

流体机械的冷却构件及其铸造方法和有该构件的燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种被热工质流过的流体机械的冷却构件，尤其是燃气轮机的涡轮叶片，在其可受工质冲击的外壁内设冷却通道，它沿其纵轴线可以流过冷却流体。此外，本发明涉及带有该冷却构件的燃气轮机和铸造该冷却构件的方法。
背景技术
由杂志“Konstruktion”(Zeitschrift für Produktentwicklung undIngenieur-Werkstoffe，55，2003年，第9册，第IW9页)已知一种换热管，它有沿其纵轴线延伸的位于内部并绕主流方向旋转的肋。这些肋用于增大管的内表面并在流过管的介质内造成扭转。由此与光滑管相比应达到增强传热的目的。
此外，例如已知燃气轮机的涡轮叶片设计为冷却构件。在燃气轮机内通过燃料的燃烧产生的热工质为了产生旋转能量沿转子的叶片流过。为了使叶片在高温下得到保护，叶片借助空气或蒸汽冷却。为此，燃气轮机的叶片有一个在叶身内部的前缘区域内延伸以及沿转子纵向延伸的通道。在此通道内流动的冷却流体冷却热负荷特别高的前缘。例如由DE19738065A1已知这种叶片。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种燃气轮机的冷却构件，它能为了提高效率有效地冷却。此外，本发明要解决的另一技术问题是提供一种燃气轮机和一种铸造冷却构件的方法。
上述第一个技术问题通过一种被热工质流过的流体机械的受冷却构件来解决，尤其是燃气轮机的涡轮叶片，在其可受工质冲击的外壁内设有一冷却通道，该冷却通道供一种冷却流体沿其纵轴线流过，其中，在该冷却通道中设有一装置，它赋予流动的冷却流体一种扭转，以及该用于赋予扭转的装置由至少一个设在冷却通道内表面上的导引件构成，按照本发明，该导引件沿一条螺旋角大于45°的螺旋线延伸。
上述第二个技术问题则通过一种具有按照本发明的所述构件的燃气轮机以及一种用于铸造按照本发明所述冷却构件的方法来解决，按照该方法，在一个具有一个可置入以构成所述冷却通道的型芯的铸模中铸造出所述构件，其特点在于，在该型芯置入前，在该型芯上加工出所述导引件结构和/或湍流发生元件结构。
本发明以下列认识为出发点：基于热传导，冷却介质在冷却通道内的流动过程中连续被加热并与此同时膨胀。但体积的这种连续增大不断降低冷却流体的流速，因此冷却通道的下游段与上游段相比有不同的热传导。为了补偿这种效应，冷却流体通过赋予扭转而加速，以补偿体积引起的减速。因此，通过赋予足够大的扭转，可以沿冷却通道调整为均匀的热传导。通过在冷却流体内的扭转达到增强热传导。因此构件可以有效冷却，这或可以利用来节省冷却流体，或可以利用来排出更多热量。在两种情况下均提高冷却效果，其结果是或通过提高热燃气温度导致提高效率，或通过降低构件热负荷导致提高经济性。
当用于赋予扭转的装置设计为至少一个设在冷却通道内表面上的导引件时，可以在冷却流体上施加一角动量，导引件沿一条45°以上螺旋角的螺旋线延伸。因此在冷却流体流中在当地赋予另一个沿冷却通道周向的分量，它意味着绕主流方向的扭转。
按本发明的一项特别有利的设计，冷却通道按多头螺旋的形式有多个螺旋角一致的导引件。由此形成一个流入冷却通道中心的核心流，由该核心流再构成一些横向于主流方向定向的分流作为连续的支流。因此，所有在各导引件之间存在的流动通道分段可以互相连通。沿纵轴线经由导引件尖顶构成的受控制和有效的核心流，导致提高热传导方面的功率值。
当每个导引件以一个径向高度伸入冷却通道内以及这一径向高度小于冷却通道直径的二分之一时，可以在冷却通道内部的中央构成中心的核心流。因此，冷却通道在中央没有实心的核芯。
恰当地，每个导引件的径向高度大体等于冷却通道直径的0.2倍。
按一项有利的建议，导引件以一个径向高度伸入冷却通道内，此径向高度沿导引件的螺旋形延伸过程是不同的。因此横向于冷却流体主流方向流动的流入流动通道分段内的分流，可以与要冷却的构件当地的热力条件满足需要地匹配。
当冷却通道在其内表面上有至少一个湍流发生元件时，可以实现进一步提升热传导。尤其是当湍流发生元件设计为横向于导引件螺旋线延伸的肋，或设计为一个肋的一些对齐或错开的分段，或设计为榫舌时，可以达到提高热传导的目的。在冷却流体内通过湍流发生元件引起的涡流，同样可以使用于在局部匹配和提升热传导。
特别有利的设计是，湍流发生元件以一个径向高度伸入冷却通道内，以及此径向高度小于导引件的径向高度。因此，冷却流体形成扭转的分流不会受到过度的干扰。在这里，每个湍流发生元件的径向高度大体等于冷却通道直径的0.1倍。
当导引件的螺旋角沿冷却通道不同时，可以实现与当地的冷却要求相匹配。因此，或多或少产生一个横向于冷却流体主流方向的分流。这可以根据设计实现冷却流体加速或减速，由此可以有利的方式影响外壁向冷却流体的热传导。
按一项有利的设计，用于赋予扭转的装置的横截面按尖角螺纹的方式、按梯形螺纹的方式、按锯齿螺纹的方式或按圆螺纹的方式成形。
恰当地，冷却构件可以是涡轮导向叶片、涡轮工作叶片、导引环或燃烧室热屏。
特别有利的设计是，构件是涡轮导向叶片或涡轮工作叶片，以及冷却通道在叶片前缘区内沿叶片纵向延伸。
优选地，设在具有冷却通道的涡轮工作叶片内的湍流发生器仅装备在面朝吸力侧外壁的冷却通道周缘的区域或部分内。通过转子和与之共同运动的涡轮工作叶片的旋转，在冷却通道内流动的冷却流体中出现二次流，它们导致沿冷却通道的周缘从叶片材料向冷却流体不同的在通道方面的热传导。在面朝涡轮工作叶片压力侧外壁的冷却通道周缘区内，通过所述的旋转导致有比面朝吸力侧外壁的区域内更高的流线密度(并因而更高的冷却流体压力)，所以在通道方面与吸力侧的外壁相比，压力侧的外壁得到更好的冷却。但是涡轮叶片的吸力侧外壁基于热燃气绕流遭受比压力侧外壁更高的温度。因此在涡轮工作叶片中与压力侧外壁相比希望吸力侧外壁赋予 不同的更强的冷却。考虑到这一要求，有利地将湍流发生器仅设在面朝吸力侧外壁的通道周缘区内。由此，在此部位可以达到比迄今更强的在通道方面的热传导。
此外，为了按铸造工艺借助铸模制造构件，本发明建议在铸造时制造用于赋予扭转的装置，为此在一个为构成冷却通道应置入铸模内的型芯中在其置入前，加工出相应的导引件结构和/或湍流发生元件结构。
附图说明
下面借助附图说明本发明。其中：
图1表示在前缘区有冷却通道的涡轮叶片；
图2表示通过具有冷却通道的涡轮叶片叶身的剖面；
图3表示用于带有导引件和涡流发生元件的冷却构件的冷却通道；
图4表示用于燃气轮机燃烧室具有冷却通道的燃烧室热屏；
图5表示用于燃气轮机流动通道有冷却通道的导向环；以及
图6表示按本发明的燃气轮机。
具体实施方式
燃气轮机及其工作方式是众所周知的。图6表示一台燃气轮机11，包括压气机13、燃烧室15和透平单元17，它们沿燃气轮机11的转子19彼此相继。在燃气轮机11的转子19上连接工作机械，例如发电机(未表示)。
不仅在压气机13内而且在透平单元17中，都彼此相继地分别在叶片环21、25内装备导向叶片23和工作叶片27。
在燃气轮机11运行时，空气L被压气机13吸入并压缩。压缩空气接着供入燃烧室，以及在添加燃料B的情况下燃烧为热的工质A。在透平单元17中热工质A在工作叶片27上膨胀作功，工作叶片27驱动转子19，以及转子传动压气机13和驱动图中未表示的工作机械。
在这里，透平单元17的导向叶片23和工作叶片27用一种冷却流体KF，例如空气或蒸汽冷却，使它们能耐受在那里存在的热工质A的温度。一个这种导向叶片23作为冷却构件28表示在图1中。导向叶片23沿叶片轴线29彼此相继地有叶根31、平台区33和叶身35。叶身35包括压力侧外壁36和吸力侧外壁38从前缘37向出口边39延伸。在前缘37的区域内 设一个平行于叶片轴线29延伸的冷却通道41，在其内表面设伸入冷却通道41中的导引件43。
图2表示通过涡轮叶片叶身35的剖面，此涡轮叶片可以设计为导向叶片23或工作叶片27。在前缘37的区域内设直径D的冷却通道41。按四头螺旋形式的四个导引件43伸入冷却通道41中。直径D由冷却通道横截面的一个可以再分为分段的边界描述，它属于一个与冷却通道横截面面积相同的圆。
导引件43的横截面朝冷却通道41中心49的方向类似于锯齿螺纹逐渐成尖的。按另一种方案，导引件的横截面也可以是梯形、三角形。
图3表示有一个处于螺旋线44上的导引件43的冷却通道41。在这里冷却流体KF的主流方向沿冷却通道41的纵轴线45延伸。导引件43的螺旋线44相对于每个垂直于纵轴线45的平面有一个等于或大于45°的螺旋角S。此外，导引件43以一个径向高度h1伸入横截面圆形的冷却通道41内，径向高度的数量级为直径D的0.2倍。图3还表示了横向于导引件43的螺旋线44延伸的肋状或榫舌状湍流发生元件47，它沿径向的高度h2小于导引件43的径向高度，尤其数量级为直径D的0.1倍。
在燃气轮机11运行时，涡轮叶片的叶身35被工质A绕流。为了冷却热负荷特别高的外壁36、38，冷却流体KF，例如压缩空气，沿纵轴线45的方向流过冷却通道41。导引件43赋予冷却流体KF一个横向于主流方向，尤其沿周向定向的流动分量。由此造成一个流动到中心49内的被扭转的核心流，它绕冷却通道41的纵轴线45旋转。如此在冷却流体KF上施加的角动量，可使核心流朝冷却通道41的外边缘流入窝状的流动通道分段50中。由此达到的冷却流体更好地搅动，一方面导致均匀冷却效果，以及另一方面导致加强从外壁向冷却流体KF的热传导。因此实现涡轮叶片前缘37更有效的冷却。
业已证实图示的设计应用在工作叶片27中是特别有利的，因为工作叶片27随同转子19旋转并因而使冷却流体KF受离心力作用。按螺纹螺旋的形式绕卷的肋状导引件43，造成冷却流体KF横向于主流方向定向的扭转状运动，所以这些也称为二次流的分流使热传导的有效性得到提高。因此可以节省冷却空气以提高燃气轮机的效率。取代降低冷却空气流量，通过改善当地的热传导以及加强通过冷却流体的散热，可以允许提高热工质A 的温度，其结果是同样导致燃气轮机11提高效率。
在这里，导引件43的径向高度h1可以沿冷却通道41的周缘和/或长度增大和减小地延伸，从而可以获得不同大小的横向分流。湍流发生元件47设在工作叶片27冷却通道41部分圆周上的流动通道分段50中，这些分段沿转子19的旋转方向可认定是属于冷却流体流内在当地压力较低的冷却通道41周缘的超前部段，换句话说，湍流发生元件47被设在冷却通道41面朝吸力侧外壁38(见图2)的那一侧上。
随着扭转增强，冷却流体流的体积流量变小，与此同时冷却流体流量和激励热传导的当地湍流增强。冷却效果的湍流激励，在当地通过在旋转系统内超前的通道侧上有目的地安置湍流发生元件47，通过在肋结构区内的流动导引得到支持，从而减小了离心力场对冷却流体流的热传导不利的遥控作用，以及导致当地温度梯度的平匀化和改善低周期疲劳特性。
图4表示燃烧室热屏55作为燃气轮机的一个冷却构件28。燃烧室热屏55有一个可受热工质冲击的外壁36a，其中设多个用于冷却它的冷却通道41。为了在流过冷却通道41的冷却流体KF内造成角动量，通道41按四头螺旋的方式各设计有四个导引件43。
图5表示燃气轮机11的转子19和固定在转子上的工作叶片27。沿工作叶片27的工质A流动方向相邻地设一导向叶片23。工作叶片27的叶身35沿径向的外端处，导向环61与叶尖52互相对置。导向环61构成透平单元17流动通道沿径向对外的边界。为了冷却导向环61的外壁36b设多个冷却通道41，其中可以流入冷却流体KF，在这里多个导引件43赋予冷却流体KF一角动量或扭转。
同样可以在燃烧室热屏55和/或导向环61的冷却通道圆周区内使用湍流发生器47，它与可供入热燃气的外壁距离最近地彼此对置。
类似于图2，按图5在工作叶片27内在前缘37区中设冷却通道41，其中导引件43赋予冷却流体KF一种扭转。在冷却通道43沿径向处于远外部的区域65内，螺旋线44的螺旋角S与沿径向在里面的区域67相比增大，其结果是导致冷却流体KF加速。因此，可以做到有针对性地影响冷却流体KF的流速和热传导。
冷却构件28，尤其是工作叶片27，众所周知通过铸造工艺制造。在这种情况下有利地将用于赋予扭转的装置，亦即导引件43和必要时湍流发生 元件，在铸造时便已经顾及，为此在一个应置入铸模内以形成冷却通道用的型芯上在其置入前加工出相应的导引件结构和/或湍流发生元件结构。
同样可以设想，通过一种适用的蚀刻法或借助一种分两步的加工工艺如螺纹钻孔法在实心叶片内制成所述肋状导引件43。

Claims (14)

1.一种被热工质(A)流过的流体机械的受冷却构件(28)，在其可受工质(A)冲击的外壁(36、38)内设有一冷却通道(41)，该冷却通道(41)供一种冷却流体(KF)沿其纵轴线(45)流过，其中，在该冷却通道(41)中设有一装置，它赋予流动的冷却流体(KF)一种扭转，以及该用于赋予扭转的装置由至少一个设在冷却通道(41)内表面上的导引件(43)构成，其特征为：该导引件(43)沿一条螺旋角(S)大于45°的螺旋线(44)延伸，其中，所述螺旋角(S)沿冷却通道(41)是不同的，在所述冷却通道(41)沿径向处于远外部的区域(65)内的所述螺旋线(44)的螺旋角(S)，与所述冷却通道(41)沿径向在里面的区域(67)内的所述螺旋线(44)的螺旋角(S)相比增大，由此使得冷却流体(KF)加速。
2.按照权利要求1所述的构件(28)，其特征为：所述冷却通道(41)按多头螺旋的形式有多个螺旋角(S)一致的导引件(43)。
3.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：每个导引件(43)以一个径向高度(h1)伸入冷却通道(41)内，这一径向高度(h1)比冷却通道(41)直径(D)的二分之一小。
4.按照权利要求3所述的构件(28)，其特征为：所述导引件(43)的径向高度(h1)是冷却通道(41)直径(D)的0.2倍。
5.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：所述导引件(43)以一个径向高度(h1)伸入冷却通道(41)内，此径向高度(h1)沿导引件(43)的螺旋状延伸路径是不同的。
6.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：所述冷却通道(41)在其内表面上有至少一个湍流发生元件(47)。
7.按照权利要求6所述的构件(28)，其特征为：所述湍流发生元件(47)设计为横向于所述导引件(43)的螺旋线(44)延伸的肋。
8.按照权利要求6所述的构件(28)，其特征为：所述湍流发生元件(47)以一个径向高度(h2)伸入冷却通道(41)内，这一径向高度(h2)小于所述导引件(43)的径向高度(h1)。
9.按照权利要求8所述的构件(28)，其特征为：所述湍流发生元件(47)的径向高度(h2)是冷却通道(41)直径(D)的0.1倍。
10.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：所述用于赋予冷却流体扭转的装置的横截面按尖角螺纹的方式，按梯形螺纹的方式，按锯齿螺纹的方式或按圆螺纹的方式成形。
11.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：该构件是涡轮导向叶片、涡轮工作叶片、导向环(41)或燃烧室热屏(55)。
12.按照权利要求1或2所述的构件(28)，其特征为：在涡轮导向叶片或涡轮工作叶片的情况下，所述冷却通道(41)在叶片前缘(37)的区域内沿叶片纵向(29)延伸。
13.按照权利要求6所述的构件(28)，其特征为：在涡轮工作叶片的情况下，所述设在冷却通道(41)内的湍流发生器(47)仅设置在面朝吸力侧外壁(38)的所述冷却通道周缘的区域内。
14.一种具有按照权利要求1至13之一所述构件(28)的燃气轮机(11)。
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