冷卻的壁的制作方法
【專利摘要】本公開關于一種冷卻的壁(1,2)，其用于使燃氣渦輪的熱氣體流動路徑與冷卻流(14)分開，包括至少一個擾流肋條(5)，其從壁延伸到冷卻流(4)中，并且具有高度(h)，寬度(w)，用于提供冷卻的壁(1,2)的熱傳遞增強。擾流肋條(5)具有在其根部處具有圓角半徑(R1)的圓角。為了增大擾流肋條的熱傳遞增強，擾流肋條(5)的下游側處的圓角以一穿透深度(δ)延伸到冷卻到壁(1,2)中。此外，本公開涉及特定實施例，其中具有擾流肋條的冷卻的壁構造為翼型件的側壁、燃燒器壁或熱屏障。
【專利說明】冷卻的壁

【技術領域】
[0001]本公開涉及一種具有用于增強熱傳遞的擾流器的冷卻的壁。

【背景技術】
[0002]在常規(guī)燃氣渦輪中，壓縮機使空氣加壓，該空氣導送至燃燒器，與燃料混合，并且點燃用于生成燃燒氣體，該燃燒氣體流至設置在其下游的渦輪。渦輪從熱燃燒氣體提取能量，用于驅動壓縮機和發(fā)生器。
[0003]常規(guī)渦輪包括靜止導葉和旋轉葉片的一個或更多個級，它們典型地通過反應來從燃燒氣體提取能量。燃燒器、葉片和導葉典型地通過由壓縮機加壓的空氣的一部分來空氣冷卻，以便在燃氣渦輪發(fā)動機中提供可接受的壽命。然而，用于冷卻熱氣體路徑部分(燃燒器、葉片、導葉等)的壓縮空氣的任何部分不可用于經歷燃燒，這降低了發(fā)動機的總體效率和功率。因此，合乎需要的是，使用盡可能少的壓縮空氣來冷卻熱氣體路徑部分，特別是葉片和導葉，符合獲得熱氣體部分的相對長的使用壽命，這典型地通過提供熱傳遞增強部件(諸如，熱氣體路徑部分的冷卻側上的長形擾流肋條)來實現(xiàn)。
[0004]燃氣渦輪發(fā)動機的熱氣體路徑部分(諸如例如燃燒氣體在其上流過的翼型件部分)典型地包括具有用于導送冷卻空氣的內部通路的冷卻側壁。本文使用的用語熱氣體路徑部分將意指置于熱燃燒氣體在其上流動的燃氣渦輪發(fā)動機流動路徑內的任何部件，諸如焚燒器壁、燃燒器壁或襯里以及轉子葉片或定子導葉。轉子葉片或定子導葉在以下描述中簡單地稱為葉片。
[0005]典型地用于冷卻的翼型件中的擾流肋條常規(guī)地形成為葉片鑄件的一部分，并且向內突出到通過其導送冷卻空氣的內部冷卻通路中。肋條通過斷開冷卻空氣邊界層或使其破裂來增強沿葉片的內表面的對流熱傳遞系數(shù)，引起該冷卻空氣邊界層與內表面分開，并且接著再附接在肋條的下游。熱傳遞系數(shù)增強常規(guī)地限定為由肋條實現(xiàn)的對流熱傳遞系數(shù)除以沒有擾流肋條的光滑表面上的對流熱傳遞系數(shù)，并且具有范圍高達后者的幾倍的值。典型地，其它熱氣體路徑部分的肋條還集成地形成為零件的部分，例如，在鑄造期間。
[0006]增強常規(guī)地涉及肋條進入內部通道中的高度或突出、內部通路的相對壁之間的距離，以及肋條之間沿縱向的距離或間距。示例性湍流肋條可包括垂直于冷卻流的方向設置的肋條、關于冷卻空氣流的方向傾斜的肋條，以及設置在相對于彼此沿縱向定位成共線或交錯的內部通路的相對壁上的肋條。
[0007]擾流肋條提供增強的局部增加，這快速地減小了每個單獨肋條下游的值。為了獲得沿冷卻的壁的表面的大體上均勻的冷卻增強，肋條典型地在構造上一致，在進入內部通路中的高度或突出上一致，并且在縱向間距上一致。
[0008]各種常規(guī)擾流肋條導致不同量的增強，以及與其相關聯(lián)的壓力損失。由于肋條突出到內部通路中并且部分地妨礙穿過其的冷卻空氣的自由流動，故它們向冷卻空氣流提供阻力，這導致壓力損失。盡管較高肋條大體上使增強增加，但與其相關聯(lián)的壓降也增大。因此，擾流肋條的有效性必須通過提供有效增強而沒有不合乎需要的水平的與其相關聯(lián)的壓力損失的它們的能力來評估。
[0009]圖2中示出了具有用于冷卻增強的理想的常規(guī)擾流肋條的冷卻的壁1，2的斷面。冷卻的壁1，2具有壁厚度t。其具有在熱側15的光滑表面，并且具有高度h和寬度w的擾流肋條5延伸到冷卻流14中。理想的擾流肋條具有在它們的末端和根部處用于良好熱傳遞增強的銳角轉角。它們以節(jié)距P間隔開。
[0010]即使圖2的理想擾流肋條導致良好的熱傳遞增強，但它們的形狀可典型地出于實際的原因而不被實現(xiàn)。銳角的制造典型地需要加工。然而，燃氣渦輪的大部分熱氣體部分是鑄件，并且因此需要最小半徑。此外，熱氣體部分典型地被涂覆。涂層材料趨于使尖銳轉角變平滑，并且增大任何彎曲形狀的半徑。實際上，具有擾流肋條5的冷卻的壁1，2偏離圖2中所示的理想形狀，并且其擾流肋條5具有圓形轉角。圖3示出了具有用于冷卻增強的現(xiàn)實常規(guī)擾流肋條1，2的冷卻的壁1，2的斷面。擾流器5的根部形成有具有半徑Rl的圓角，并且末端以半徑R2倒圓。


【發(fā)明內容】

[0011]本公開的一個方面在于提出使熱氣體流動路徑與冷卻流動通路分開的用于燃氣渦輪的冷卻的壁，其至少部分地補償由于擾流肋條處的圓形末端輪廓和圓角而引起的擾流肋條的冷卻效率損失。此外，形成翼型件、熱屏障、焚燒器或燃燒室的側壁的此類冷卻的壁為本公開的目的。本公開的附加構造從從屬權利要求得出。
[0012]用于使燃氣渦輪中的熱氣流與冷卻流動通路分開的此類冷卻壁包括從壁延伸到冷卻通路中的至少一個擾流肋條。擾流肋條還具有在擾流肋條的根部處具有圓角半徑的圓角，以及典型地在末端處具有末端半徑的圓形轉角。根據(jù)第一實施例，圓角在擾流肋條的至少一側處延伸到冷卻的壁中。圓角典型地具有半徑，并且形成冷卻的壁中的缺口。圓角或缺口導致肋條附近的壁厚度的局部減小。圓角形成從肋條的一側到冷卻的壁的平滑過渡，其中，肋條的側部典型地垂直于冷卻的壁。圓角可具有弧形式。該弧的中心角大于90°。典型地，弧為圓弧?；〉囊欢伺c肋條的側部相切?；〉牧硪欢顺山莾A斜，該角遠離側壁的熱側指向。
[0013]具有肋條附近的圓角形成平滑弧的提出的局部壁厚減小允許保持葉片完整性，并且在相同情況下，將不導致引人注意的壓力損失增大。擾流器促進高度可在最佳制造過程(鑄造、涂覆)下選擇，可避免不足。根據(jù)一個實施例，由于圓角而引起的局部壁厚減小延伸高達兩個相鄰肋條之間的節(jié)距的50%。根據(jù)另一個實施例，由于圓角而引起的局部壁厚度減小延伸高達兩個相鄰肋條之間的節(jié)距的20%。
[0014]圓角以一穿透深度延伸到冷卻壁中，用于進一步增強熱傳遞。
[0015]在操作期間，冷卻流流過冷卻流動通路。根據(jù)實施例，在擾流肋條在操作期間關于冷卻流的下游側處的圓角延伸到冷卻的壁中。
[0016]典型地，冷卻流以主方向流動，該主方向平行于冷卻的壁的表面。
[0017]根據(jù)又一個實施例，延伸到冷卻的壁中的圓角與冷卻的壁的隨后的擾流肋條的開端之間的過渡是線性的。
[0018]在備選實施例中，延伸到側壁中的圓角與隨后的擾流肋條的開端之間的過渡以一曲率彎曲,該曲率小于圓角的曲率。
[0019]此外，延伸到擾流肋條的上游側處的冷卻的壁中的圓角可提供用于進一步增強熱傳遞。因此，在擾流肋條的兩側上可提供延伸到側壁中的圓角。
[0020]在上游側處的圓角以一穿透深度延伸到冷卻壁中。
[0021]圓角的兩側處的穿透深度可根據(jù)一個實施例為相同的。
[0022]具有在擾流肋條上游和下游延伸到側壁中的圓角的冷卻的壁具有延伸到側壁中的圓角與具有完整壁厚度的相鄰壁區(qū)段之間的過渡區(qū)域。根據(jù)一個實施例，該過渡是線性的。根據(jù)備選實施例，該過渡以一曲率彎曲，該曲率小于圓角的曲率。
[0023]除通過擾流肋條引起湍流增強之外，延伸到側壁中的圓角還增大用于熱傳遞的有效表面。因此，圓角增大熱傳遞系數(shù)和有效熱傳遞面積。為了補償擾流肋條的圓形末端和根部處的圓角的副作用，圓角需要進入冷卻的壁中的最小穿透深度。然而，深穿透減小壁的機械強度，從而限制穿透深度。根據(jù)一個實施例，圓角進入冷卻的壁中的穿透在圓角半徑的
0.5到1.5倍之間。在又一個實施例中，穿透深度小于圓角半徑。
[0024]根據(jù)再一個實施例，穿透深度直接涉及冷卻的壁的厚度。此處，穿透深度限于壁厚度(t)的1/4。在更特定的實施例中，穿透深度限于冷卻壁厚度的2%到20%之間的范圍。
[0025]延伸到冷卻的壁中的圓角與擾流肋條的相互作用取決于擾流器末端的寬度、其高度以及隨后的擾流肋條之間的節(jié)距。為了示出引人注意的積極效果，擾流器末端寬度與隨后的擾流肋條之間的節(jié)距的比不應當變得太大。此外，需要擾流器之間的最小距離。作為優(yōu)選，擾流器末端寬度為兩個隨后的擾流肋條之間的節(jié)距的5%到20%。
[0026]在一個實施例中，冷卻的壁構造為冷卻組件的冷卻的壁，其使冷卻流動通路與熱氣體流動路徑分開。如果擾流肋條高度在鄰接冷卻流動通路的高度的5%到20%之間，則延伸到冷卻流動通路中的圓角最佳地增強擾流肋條的效果。
[0027]根據(jù)一個實施例，擾流肋條為冷卻的壁的集成部分。典型地，側壁和擾流肋條鑄造成一件。
[0028]除冷卻的壁自身之外，冷卻的壁的特定應用為本公開的目的。
[0029]在特定實施例中，具有擾流肋條的冷卻的壁構造為翼型件的側壁。翼型件具有第一側壁和相對的第二側壁，它們在前緣和后緣處連結在一起，并且從根部沿縱向延伸到末端。翼型件還包括內部冷卻流動通路，其在所述第一側壁與所述第二側壁之間沿縱向延伸，用于導送冷卻介質以冷卻翼型件。翼型件自身為渦輪葉片的一部分。
[0030]在備選實施例中，冷卻的壁構造為燃氣渦輪的熱氣體路徑中的熱屏障，或構造為燃氣渦輪的焚燒器或燃燒室的側壁。
[0031]此外，冷卻的壁可包括冷卻流動通路的側部上的表面涂層。典型地，此類表面涂層構造為抗氧化涂層。
[0032]冷卻的部分的熱氣體路徑側部典型地涂覆有熱障涂層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]本公開、其性質以及其優(yōu)點將在下面借助于附圖更詳細描述。參照附圖:
圖1示出了燃氣渦輪控制系統(tǒng)的實例，其包括壓縮機、燃燒器和渦輪。
[0034]圖2示出了具有用于冷卻增強的理想的常規(guī)擾流肋條的冷卻的壁的斷面。
[0035]圖3示出了具有用于冷卻增強的現(xiàn)實的常規(guī)擾流肋條的冷卻的壁的斷面。
[0036]圖4示出了具有延伸到擾流肋條下游的冷卻的壁中用于冷卻增強的圓角的擾流肋條的示例性實施例的斷面。
[0037]圖5示出了具有延伸到擾流肋條下游的冷卻的壁中的圓角和延伸到冷卻的壁中用于擾流肋條上游的冷卻增強的圓角的擾流肋條的示例性實施例的斷面。
[0038]圖6示出了具有側壁上的內部冷卻導管和擾流肋條的翼型件的示意性截面。
[0039]圖7示出了燃氣渦輪翼型件的側壁上的擾流肋條的示例性布置。
[0040]部件列表 1,2冷卻的壁 3翼型件
4冷卻流通路 5擾流肋條 6入口空氣 7排出氣體 8壓縮機 9燃燒器 10燃氣渦輪 11渦輪 12燃料 13發(fā)生器 14冷卻流 15熱側
h擾流肋條高度 H冷卻流通路的高度 P節(jié)距 Rl圓角半徑 R2擾流末端轉角半徑 R3彎曲連接的半徑 w擾流肋條寬度 δ穿透深度。

【具體實施方式】
[0041]相同或功能相當?shù)脑谙旅嬖O有相同的標號。指出的值和大小規(guī)格僅為示例性的值，并且不構成對此類大小或實施例的任何限制。
[0042]圖1示出了燃氣渦輪10的實例。壓縮機8使入口空氣6加壓。壓縮空氣導送至燃燒器9，與燃料12混合，并且點燃用于生成燃燒氣體，該燃燒氣體流至設置在其下游的渦輪11。渦輪從熱燃燒氣體提取能量用于驅動壓縮機和發(fā)生器13。排出氣體7的熱典型地還用于隨后的HRSG(余熱回收蒸汽發(fā)生器)中，以生成過程熱的水蒸汽循環(huán)的蒸汽(未示出)。包圍熱燃燒氣體的流動路徑的部分的壁(諸如例如焚燒器壁、襯里和熱屏障)以及暴露于渦輪11中的熱氣體的葉片典型地利用冷卻介質(諸如冷卻空氣或蒸汽)冷卻。為了增強冷卻側上的熱傳遞，可應用擾流肋條。
[0043]圖4示出了具有圓角的擾流肋條5的示例性實施例的斷面，該圓角延伸到冷卻壁1，2中，用于擾流肋條5下游的冷卻增強。在應用圓角之前的冷卻的壁1，2的原始形狀以虛線指出。具有半徑Rl的圓角以一穿透深度δ穿透到冷卻的壁中，從而至少部分地補償圓形末端轉角和圓角的副作用。在該實例中示出了在延伸到冷卻壁1，2中的圓角的基部與隨后的擾流肋條5的開端之間的線性過渡，S卩，曲率R3的半徑為無限的。具有有限半徑的曲率也能夠被構想，或可使用過渡中的彎曲區(qū)段和線性區(qū)段的組合。
[0044]圖5示出了擾流肋條5的第二示例性實施例的斷面。在該實例中，圓角延伸到冷卻的壁1，2中用于擾流肋條5下游的冷卻增強，并且圓角延伸到冷卻的壁1，2中用于擾流肋條5上游的冷卻增強。在所示的實例中，具有半徑Rl的兩個圓角以一穿透深度δ穿透到冷卻的壁1，2中。圓角具有帶中心角Φ的弧形，中心角Φ大于90°。在應用圓角之前的冷卻的壁1，2的原始形狀以虛線指出。在該實例中示出了從延伸到冷卻的壁1，2中的圓角的基部至冷卻的壁1，2的原始壁厚度的過渡。過渡包括線性區(qū)段，隨后是具有有限半徑R3的彎曲部。
[0045]圖6示出了翼型件3的示例性截面。翼型件3具有第一側壁I和相對的第二側壁2，它們在前緣和后緣處連結在一起，并且從根部沿縱向延伸到末端。翼型件I還包括內部冷卻流動通路4，其沿縱向在所述第一冷卻側壁I與所述第二冷卻側壁2之間延伸，用于導送冷卻流14以冷卻翼型件3。內部冷卻流動通路4包括第一冷卻側壁I上和第二冷卻側壁2上的擾流肋條5。
[0046]在圖7(圖6的縱向斷面A-A)中，示出了燃氣渦輪翼型件3的冷卻的側壁2上的擾流肋條5的示例性布置。翼型件5包括內部通路，其在第一冷卻側壁I與第二冷卻側壁2之間沿縱向延伸，用于在冷卻流動通路4中導送冷卻介質以冷卻翼型件3。更具體而言，冷卻空氣如冷卻介質常規(guī)地從燃氣渦輪10的壓縮機8(圖1)導送穿過葉片根部，并且向上進入翼型件3中。所示的示例性實施例中的冷卻流動通路4包括前緣通路，其從根部向上延伸穿過翼型件3至末端；蛇形通路，其從根部向上延伸穿過翼型件3至末端，其中冷卻流轉動180°進入返回通路中，并且沿縱向向下流動。此外，所示的翼型件包括后緣通路，其延伸至末端。在該實例中，擾流肋條5布置在頭三個冷卻通路中。對于理想和現(xiàn)實的常規(guī)擾流肋條，擾流肋條5的不同可能的截面B-B和C-C的實例在圖2和3中示出，而對于示例性實施例，在圖4和5中示出。
[0047]因此，本領域技術人員將認識到，本發(fā)明可以以其它特定形式體現(xiàn)，而不背離其精神或基本特性。因此，當前公開的實施例在所有方面都認為是示范性而非限制性的。本公開的范圍由所附權利要求而非前述描述指出，并且在其意義和范圍和等同物內的所有變化意圖包含在其中。
【權利要求】
1.一種用于使燃氣渦輪的熱氣體流動路徑與冷卻流(14)分開的冷卻的壁(1，2)，包括從所述冷卻的壁(5)延伸到所述冷卻流(14)中的至少一個擾流肋條(5)，所述擾流肋條(5)具有在所述擾流肋條(5)的根部處的圓角， 其特征在于，在所述擾流肋條(5)的至少一側處的所述圓角延伸到所述冷卻的壁(I, 2)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，在操作期間在關于所述冷卻流(14)的所述擾流肋條(5)的下游側處的至少所述圓角延伸到所述冷卻的壁(1，2)中。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述冷卻的壁(1，2)中的所述圓角與隨后的擾流肋條(5)的開端之間的過渡是線性的。
4.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述冷卻的壁(1，2)中的所述圓角與所述隨后的擾流肋條(5)的開端之間的過渡以一曲率彎曲，所述曲率小于所述圓角的曲率。
5.根據(jù)權利要求1至權利要求4中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述側壁(1，2)中的圓角設在所述擾流肋條(5)的兩側上。
6.根據(jù)權利要求5所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述冷卻的壁(1，2)中的所述圓角與具有完整壁厚度(t)的相鄰壁區(qū)段之間的過渡為線性的。
7.根據(jù)權利要求5所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述冷卻的壁(1，2)中的所述圓角與具有完整壁厚度(t)的相鄰壁區(qū)段之間的過渡以一曲率彎曲，所述曲率小于所述圓角的曲率。
8.根據(jù)權利要求1至權利要求7中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，圓角具有半徑(Rl)，并且所述圓角以一穿透深度(S)穿透到所述冷卻的壁(1，2)中，所述穿透深度(S )為所述圓角半徑(R1)的0.5到1.5倍之間。
9.根據(jù)權利要求1至權利要求7中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述側壁(1，2)中的所述圓角的穿透深度(δ)小于所述圓角半徑(R1)。
10.根據(jù)權利要求1至權利要求9中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，延伸到所述側壁(1，2)中的所述圓角的穿透深度(δ)小于所述壁厚度⑴的1/4。
11.根據(jù)權利要求1至權利要求10中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，所述擾流肋條(5)具有寬度(W)，并且至少兩個擾流肋條(5)布置有兩個隨后擾流肋條(5)之間的節(jié)距(L)，并且所述擾流肋條寬度(w)為兩個隨后的擾流肋條(5)之間的節(jié)距(L)的5%到 20%ο
12.根據(jù)權利要求1至權利要求11中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，所述冷卻的壁(1，2)為使冷卻流動通路(4)與熱氣體流動路徑分開的冷卻組件的側壁(1，2)，并且擾流肋條高度(h)在所述冷卻流動通路(4)的高度(H)的5%到20%之間。
13.根據(jù)權利要求1至權利要求12中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，所述擾流肋條(5)為所述冷卻的壁(1，2)的集成部分，并且/或者冷卻壁(1，2)和所述擾流肋條(5)為一個鑄件。
14.根據(jù)權利要求1至權利要求13中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，所述冷卻的壁(1，2)為翼型件(3)的側壁(1，2)，所述翼型件(3)具有在前緣和后緣處連結在一起并且從根部沿縱向延伸到末端的第一側壁(I)和相對的第二側壁(2)，以及在所述第一側壁(I)與所述第二側壁(2)之間沿縱向延伸用于導送冷卻介質以冷卻所述翼型件(3)的內部冷卻流動通路(4)。
15.根據(jù)權利要求1至權利要求13中的一項所述的冷卻的壁(1，2)，其特征在于，所述冷卻的壁(1，2)為燃氣渦輪的所述熱氣體路徑中的熱屏障，或燃氣渦輪的焚燒器或燃燒室的所述側壁。
【文檔編號】F01D25/12GK104204411SQ201380015562
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月21日 優(yōu)先權日:2012年3月22日
【發(fā)明者】S.斯楚金, R.馬米里 申請人:阿爾斯通技術有限公司