沖擊冷卻組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及沖擊冷卻組件，更特別地，涉及用于冷卻熱氣導(dǎo)管的沖擊冷卻組件。
【背景技術(shù)】
[0002]功率產(chǎn)生循環(huán)的熱力效率取決于其工作流體的最高溫度，在例如燃?xì)鉁u輪的情況下，工作流體是離開燃燒器的熱氣。熱氣的最高可行溫度受到下者的限制:燃燒排放以及與這個(gè)熱氣接觸的金屬部件的運(yùn)行溫度極限，以及使這些部件冷卻到熱氣溫度以下的能力。冷卻形成高級(jí)重型燃?xì)鉁u輪的熱氣流路徑的熱氣導(dǎo)管壁是困難的，而且目前已知的冷卻方法帶來高性能懲罰，即，導(dǎo)致功率和效率降低。
[0003]對(duì)于暴露于具有高的熱氣溫度的氣體的構(gòu)件來說，沖擊冷卻是最有效的冷卻技術(shù)之一。為了對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行沖擊冷卻，將套管設(shè)置成與導(dǎo)管外表面相距短的距離。沖擊套管包含成陣列的孔，壓縮冷卻氣體通過孔排出，以產(chǎn)生成陣列的空氣射流，空氣射流沖擊在導(dǎo)管的外表面上，并且冷卻該外表面。在沖擊之后，冷卻氣體在由導(dǎo)管和沖擊套管界定的冷卻路徑中流向?qū)Ч艿囊欢?。這個(gè)流產(chǎn)生所謂的橫向流。通常，第一沖擊排允許沖擊導(dǎo)管，而不在冷卻通道中產(chǎn)生任何橫向流。隨著后續(xù)的沖擊排數(shù)量朝導(dǎo)管的端部增加，冷卻通道中的橫向流增加。作為缺點(diǎn)，增加冷卻通道中的橫向流會(huì)阻礙和降低沖擊冷卻的可行熱傳遞系數(shù)，因?yàn)樵跊_擊射流沖擊到燃燒室壁(圖3a)上之前,沖擊射流被偏轉(zhuǎn)且完全遠(yuǎn)離燃燒室壁。
[0004]為了限制橫向流速度，在US 4719748A中已經(jīng)提議，在冷卻通道的長度上增加冷卻通道的高度。但是，冷卻通道的高度增加會(huì)降低沖擊射流到達(dá)導(dǎo)管壁的速度。
[0005]除了降低在以沖擊冷卻的方式冷卻的導(dǎo)管的長度上的沖擊冷卻的效率，導(dǎo)管壁的典型熱負(fù)載是不均勻的。例如，燃?xì)鉁u輪的大多數(shù)燃燒室顯示相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)軸線傾斜，這導(dǎo)致熱氣流方向改變。燃燒室中的熱氣流必須適應(yīng)主流方向上的這個(gè)變化，這在燃燒室壁的典型位置上產(chǎn)生熱負(fù)載較高的區(qū)域(所謂的熱點(diǎn))。為了確保導(dǎo)管的暴露于提高的熱負(fù)載的區(qū)域的使用壽命，在這些位置處需要的冷卻增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的目標(biāo)是提供一種沖擊冷卻組件，它允許不依賴于導(dǎo)引熱氣流的導(dǎo)管壁的位置而對(duì)導(dǎo)管壁進(jìn)行高效的沖擊冷卻。
[0007]公開的用于冷卻導(dǎo)管的導(dǎo)管壁的沖擊冷卻組件包括沖擊套管，導(dǎo)管在熱氣流路徑中導(dǎo)引熱氣流，熱氣流路徑具有上游端和下游端。沖擊套管至少部分地設(shè)置在壓縮空氣氣室中，并且套管具有包圍導(dǎo)管的多個(gè)孔口，使得通過孔口從壓縮空氣氣室噴射出的冷卻空氣沖擊在導(dǎo)管壁上。套管與導(dǎo)管壁間隔一距離，以在導(dǎo)管壁和沖擊套管之間形成冷卻流路徑，使得噴射的空氣作為橫向流而流向套管的端部處的出口。
[0008]這種組件例如可用于冷卻燃?xì)鉁u輪的導(dǎo)管壁，更特別地用于冷卻燃燒器或燃燒室的壁。
[0009]冷卻流和熱氣流典型地以逆流的方式流動(dòng)，S卩，冷卻流從導(dǎo)管的下游端流到導(dǎo)管的上游端。但是，可設(shè)想到具有平行冷卻空氣流和熱氣流的組件。這種平行流組件對(duì)于具有分級(jí)燃燒或順序燃燒的燃燒室和燃燒器組件(其中，額外的空氣噴射到第二燃燒級(jí)中)可為有利的。對(duì)于所謂的后貧化燃燒，冷卻空氣例如也可為空氣。另外，冷卻空氣可用作第二燃燒級(jí)的稀釋空氣，以通過在第一火焰下游將冷卻空氣混合到熱氣來冷卻熱氣。
[0010]根據(jù)第一實(shí)施例，至少一個(gè)偏流器布置在冷卻流路徑中，以使橫向流偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離至少一個(gè)孔口。
[0011]偏流器可為從套管或?qū)Ч鼙谘由斓嚼鋮s通道中的肋或壁，或者可使套管與導(dǎo)管壁連接。
[0012]典型地，偏流器連接到套管上，或者形成套管的組成部分，因?yàn)樘坠艿臒嶝?fù)載較低，因?yàn)樘坠懿槐┞队跓釟?，并且因此可使用較廉價(jià)的材料。備選地，偏流器可連接到導(dǎo)管壁上，或者形成導(dǎo)管壁的組成部分。照這樣，它們可用作冷卻肋，以較好地冷卻導(dǎo)管壁。
[0013]根據(jù)沖擊冷卻組件的另一個(gè)實(shí)施例，偏流器布置在將冷卻空氣噴射到冷卻流路徑中的第一孔口的下游。更特別地，偏流器布置在第一孔口的下游和將冷卻空氣噴射到冷卻流路徑中以進(jìn)行沖擊冷卻的第二孔口的上游。
[0014]更特別地，偏流器在橫向流中產(chǎn)生尾流，并且用于在冷卻流路徑中噴射冷卻空氣的至少一個(gè)孔口布置在偏流器的尾流中。
[0015]在沖擊冷卻組件的另一個(gè)實(shí)施例中，偏流器從導(dǎo)管壁延伸到?jīng)_擊套管。因而，偏流器可關(guān)閉冷卻流通道的一部分，并且使這部分中的橫向流完全停止。
[0016]在沖擊冷卻組件的又一個(gè)實(shí)施例中，偏流器使冷卻空氣通道的一部分與上游橫向流隔開，以開始新的冷卻流區(qū)段，新的冷卻流區(qū)段在偏流器的下游端處通到冷卻空氣通道。
[0017]在沖擊冷卻組件的備選實(shí)施例中，偏流器從導(dǎo)管壁或沖擊套管延伸到冷卻流路徑中，冷卻流路徑的高度小于冷卻流路徑的高度。因而橫向流的一部分可經(jīng)過偏流器，允許有最小冷卻空氣流，即使沖擊偏流器下游的孔口例如在運(yùn)行期間被污垢堵塞。此外，在偏流器和導(dǎo)管壁之間、相應(yīng)地在偏流器和套管之間產(chǎn)生的間隙允許兩個(gè)構(gòu)件由于熱膨脹而進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。
[0018]在沖擊冷卻組件的另一個(gè)實(shí)施例中，偏流器包括壁區(qū)段，壁區(qū)段布置成相對(duì)于導(dǎo)管的軸線成介于+/-5°和90°之間的角。為了較好地堵塞冷卻流路徑的一部分，偏流器可布置成處于+/-30°和90°之間的角，或者超過45°和高達(dá)90°的角。
[0019]在又一個(gè)實(shí)施例中，沖擊冷卻組件包括布置成彼此緊鄰的至少一對(duì)偏流器。各個(gè)偏流器包括壁區(qū)段，并且壁區(qū)段相對(duì)于彼此定向成使得它們以范圍為10°至160°的角張開。由于壁區(qū)段是張開的，所以兩個(gè)偏流器之間的流動(dòng)面積沿橫向流的下游方向增大。由于流動(dòng)面積增大，兩個(gè)壁區(qū)段之間的橫向流的速度降低，以允許在這個(gè)區(qū)域中進(jìn)行較有效的沖擊冷卻。相應(yīng)地，盡管在兩個(gè)壁區(qū)段之間噴射額外的冷卻空氣來進(jìn)行沖擊冷卻，流速仍可保持恒定，或者橫向流速的提高量相對(duì)于沒有偏流器的組件而降低。
[0020]更特別地，沖擊冷卻組件可具有一定高度的冷卻流路徑，該高度沿著冷卻流路徑的長度基本是恒定的。冷卻流路徑的長度是在冷卻流路徑中的冷卻流的流向上從第一沖擊孔處的上游端到冷卻流路徑的在冷卻流路徑的下游端處的出口的延伸。
[0021]在沖擊冷卻組件中，偏轉(zhuǎn)流經(jīng)過導(dǎo)管壁所處的冷卻空氣流路徑的區(qū)域中的沖擊密度可小于偏流器下游的區(qū)域中的沖擊密度。更特別地，對(duì)于為冷卻流路徑的高度的至少兩倍的長度，偏流器下游的區(qū)域中的沖擊密度可較大。
[0022]沖擊密度是沖擊流量/導(dǎo)管壁面積。沖擊密度隨每單位面積的孔口的個(gè)數(shù)、孔口的橫截面積，以及可用于驅(qū)動(dòng)沖擊射流的壓降和孔口的損失系數(shù)或沖擊射流的最終速度而改變。
[0023]根據(jù)沖擊冷卻組件的另一個(gè)實(shí)施例，分隔壁布置在偏流器的上游或下游，分隔壁與平行于橫向流在運(yùn)行期間的流向的主要延伸對(duì)齊。這種分隔壁也可結(jié)合到偏流器中。
[0024]在壁的非對(duì)稱熱負(fù)載情況下，在偏流器上游的這種分隔壁可用于圍繞偏流器對(duì)稱地導(dǎo)引冷卻空氣流。因而可確保偏流器的兩側(cè)上的區(qū)域都得到充分冷卻。
[0025]在沖擊冷卻組件的又一個(gè)實(shí)施例中，偏流器布置成使得在運(yùn)行期間它沿橫向流的下游方向產(chǎn)生死區(qū)(deadwater)。至少一個(gè)孔口布置在套管中，使得冷卻空氣在死區(qū)中沖擊在導(dǎo)管壁上。偏流器可為簡單的壁，或者布置在冷卻流中的另一個(gè)鈍形本體，或者偏流器例如可為筒體。
[0026]典型地，偏流器布置成從導(dǎo)管壁或套管相對(duì)于壁或套管表面以基本直角延伸。
[0027]特別地，由沖擊冷卻組件冷卻的導(dǎo)管界定燃燒室。
[0028]除了沖擊冷卻組件之外，本公開的目標(biāo)是包括這種沖擊冷卻組件的燃?xì)鉁u輪。
[0029]另外，本公開的目標(biāo)是用于對(duì)導(dǎo)管的導(dǎo)管壁進(jìn)行沖擊冷卻的方法，導(dǎo)管在熱氣流路徑中導(dǎo)引熱氣，熱氣流路徑具有上游端和下游端。具有多個(gè)孔口的沖擊套管包圍必須冷卻的導(dǎo)管壁，并且與導(dǎo)管壁隔開一距離，以在導(dǎo)管壁和沖擊套管之間形成冷卻流路徑。冷卻空氣噴射通過孔口，以沖擊在導(dǎo)管壁，并且作為橫向流而流向熱氣流路徑的一端處的出口。根據(jù)該方法，橫向流的至少一部分被至少一個(gè)偏流器偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離至少一個(gè)孔口，該偏流器布置在冷卻流路徑中的孔口的上游。
[0030]根據(jù)方法的另一個(gè)實(shí)施例，沖擊冷卻空氣噴射通過偏流器下游的孔口，使得在與偏流器相距為冷卻流路徑的高度的三倍的距離處，冷卻流路徑中的冷卻空氣的流速的軸向分量是基本均勻的。為了實(shí)現(xiàn)均勻的流，噴射流必須匹配圍繞偏流器的流，即，在偏流