CN104204411B

CN104204411B - 冷却的壁

Info

Publication number: CN104204411B
Application number: CN201380015562.7A
Authority: CN
Inventors: S.斯楚金; R.马米里
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN104204411A; EP2828483A1; RU2634986C2; JP2015511679A; US20150003975A1; EP2828483B1; US9835088B2; RU2014142552A; JP6231071B2; WO2013139938A1

Abstract

本公开关于一种冷却的壁(1,2)，其用于使燃气涡轮的热气体流动路径与冷却流(14)分开，包括至少一个扰流肋条(5)，其从壁延伸到冷却流(4)中，并且具有高度(h)，宽度(w)，用于提供冷却的壁(1,2)的热传递增强。扰流肋条(5)具有在其根部处具有圆角半径(R1)的圆角。为了增大扰流肋条的热传递增强，扰流肋条(5)的下游侧处的圆角以一穿透深度(δ)延伸到冷却到壁(1,2)中。此外，本公开涉及特定实施例，其中具有扰流肋条的冷却的壁构造为翼型件的侧壁、燃烧器壁或热屏障。

Description

冷却的壁

技术领域

本公开涉及一种具有用于增强热传递的扰流器的冷却的壁。

背景技术

在常规燃气涡轮中，压缩机使空气加压，该空气导送至燃烧器，与燃料混合，并且点燃用于生成燃烧气体，该燃烧气体流至设置在其下游的涡轮。涡轮从热燃烧气体提取能量，用于驱动压缩机和发生器。

常规涡轮包括静止导叶和旋转叶片的一个或更多个级，它们典型地通过反应来从燃烧气体提取能量。燃烧器、叶片和导叶典型地通过由压缩机加压的空气的一部分来空气冷却，以便在燃气涡轮发动机中提供可接受的寿命。然而，用于冷却热气体路径部分(燃烧器、叶片、导叶等)的压缩空气的任何部分不可用于经历燃烧，这降低了发动机的总体效率和功率。因此，合乎需要的是，使用尽可能少的压缩空气来冷却热气体路径部分，特别是叶片和导叶，符合获得热气体部分的相对长的使用寿命，这典型地通过提供热传递增强部件(诸如，热气体路径部分的冷却侧上的长形扰流肋条)来实现。

燃气涡轮发动机的热气体路径部分(诸如例如燃烧气体在其上流过的翼型件部分)典型地包括具有用于导送冷却空气的内部通路的冷却侧壁。本文使用的用语热气体路径部分将意指置于热燃烧气体在其上流动的燃气涡轮发动机流动路径内的任何部件，诸如焚烧器壁、燃烧器壁或衬里以及转子叶片或定子导叶。转子叶片或定子导叶在以下描述中简单地称为叶片。

典型地用于冷却的翼型件中的扰流肋条常规地形成为叶片铸件的一部分，并且向内突出到通过其导送冷却空气的内部冷却通路中。肋条通过断开冷却空气边界层或使其破裂来增强沿叶片的内表面的对流热传递系数，引起该冷却空气边界层与内表面分开，并且接着再附接在肋条的下游。热传递系数增强常规地限定为由肋条实现的对流热传递系数除以没有扰流肋条的光滑表面上的对流热传递系数，并且具有范围高达后者的几倍的值。典型地，其它热气体路径部分的肋条还集成地形成为零件的部分，例如，在铸造期间。

增强常规地涉及肋条进入内部通道中的高度或突出、内部通路的相对壁之间的距离，以及肋条之间沿纵向的距离或间距。示例性湍流肋条可包括垂直于冷却流的方向设置的肋条、关于冷却空气流的方向倾斜的肋条，以及设置在相对于彼此沿纵向定位成共线或交错的内部通路的相对壁上的肋条。

扰流肋条提供增强的局部增加，这快速地减小了每个单独肋条下游的值。为了获得沿冷却的壁的表面的大体上均匀的冷却增强，肋条典型地在构造上一致，在进入内部通路中的高度或突出上一致，并且在纵向间距上一致。

各种常规扰流肋条导致不同量的增强，以及与其相关联的压力损失。由于肋条突出到内部通路中并且部分地妨碍穿过其的冷却空气的自由流动，故它们向冷却空气流提供阻力，这导致压力损失。尽管较高肋条大体上使增强增加，但与其相关联的压降也增大。因此，扰流肋条的有效性必须通过提供有效增强而没有不合乎需要的水平的与其相关联的压力损失的它们的能力来评估。

图2中示出了具有用于冷却增强的理想的常规扰流肋条的冷却的壁1,2的断面。冷却的壁1,2具有壁厚度t。其具有在热侧15的光滑表面，并且具有高度h和宽度w的扰流肋条5延伸到冷却流14中。理想的扰流肋条具有在它们的末端和根部处用于良好热传递增强的锐角转角。它们以节距p间隔开。

即使图2的理想扰流肋条导致良好的热传递增强，但它们的形状可典型地出于实际的原因而不被实现。锐角的制造典型地需要加工。然而，燃气涡轮的大部分热气体部分是铸件，并且因此需要最小半径。此外，热气体部分典型地被涂覆。涂层材料趋于使尖锐转角变平滑，并且增大任何弯曲形状的半径。实际上，具有扰流肋条5的冷却的壁1,2偏离图2中所示的理想形状，并且其扰流肋条5具有圆形转角。图3示出了具有用于冷却增强的现实常规扰流肋条1,2的冷却的壁1,2的断面。扰流器5的根部形成有具有半径R1的圆角，并且末端以半径R2倒圆。

发明内容

本公开的一个方面在于提出使热气体流动路径与冷却流动通路分开的用于燃气涡轮的冷却的壁，其至少部分地补偿由于扰流肋条处的圆形末端轮廓和圆角而引起的扰流肋条的冷却效率损失。此外，形成翼型件、热屏障、焚烧器或燃烧室的侧壁的此类冷却的壁为本公开的目的。本公开的附加构造从从属权利要求得出。

用于使燃气涡轮中的热气流与冷却流动通路分开的此类冷却壁包括从壁延伸到冷却通路中的至少一个扰流肋条。扰流肋条还具有在扰流肋条的根部处具有圆角半径的圆角，以及典型地在末端处具有末端半径的圆形转角。根据第一实施例，圆角在扰流肋条的至少一侧处延伸到冷却的壁中。圆角典型地具有半径，并且形成冷却的壁中的缺口。圆角或缺口导致肋条附近的壁厚度的局部减小。圆角形成从肋条的一侧到冷却的壁的平滑过渡，其中，肋条的侧部典型地垂直于冷却的壁。圆角可具有弧形式。该弧的中心角大于90°。典型地，弧为圆弧。弧的一端与肋条的侧部相切。弧的另一端成角倾斜，该角远离侧壁的热侧指向。

具有肋条附近的圆角形成平滑弧的提出的局部壁厚减小允许保持叶片完整性，并且在相同情况下，将不导致引人注意的压力损失增大。扰流器促进高度可在最佳制造过程(铸造、涂覆)下选择，可避免不足。根据一个实施例，由于圆角而引起的局部壁厚减小延伸高达两个相邻肋条之间的节距的50%。根据另一个实施例，由于圆角而引起的局部壁厚度减小延伸高达两个相邻肋条之间的节距的20%。

圆角以一穿透深度延伸到冷却壁中，用于进一步增强热传递。

在操作期间，冷却流流过冷却流动通路。根据实施例，在扰流肋条在操作期间关于冷却流的下游侧处的圆角延伸到冷却的壁中。

典型地，冷却流以主方向流动，该主方向平行于冷却的壁的表面。

根据又一个实施例，延伸到冷却的壁中的圆角与冷却的壁的随后的扰流肋条的开端之间的过渡是线性的。

在备选实施例中，延伸到侧壁中的圆角与随后的扰流肋条的开端之间的过渡以一曲率弯曲，该曲率小于圆角的曲率。

此外，延伸到扰流肋条的上游侧处的冷却的壁中的圆角可提供用于进一步增强热传递。因此，在扰流肋条的两侧上可提供延伸到侧壁中的圆角。

在上游侧处的圆角以一穿透深度延伸到冷却壁中。

圆角的两侧处的穿透深度可根据一个实施例为相同的。

具有在扰流肋条上游和下游延伸到侧壁中的圆角的冷却的壁具有延伸到侧壁中的圆角与具有完整壁厚度的相邻壁区段之间的过渡区域。根据一个实施例，该过渡是线性的。根据备选实施例，该过渡以一曲率弯曲，该曲率小于圆角的曲率。

除通过扰流肋条引起湍流增强之外，延伸到侧壁中的圆角还增大用于热传递的有效表面。因此，圆角增大热传递系数和有效热传递面积。为了补偿扰流肋条的圆形末端和根部处的圆角的副作用，圆角需要进入冷却的壁中的最小穿透深度。然而，深穿透减小壁的机械强度，从而限制穿透深度。根据一个实施例，圆角进入冷却的壁中的穿透在圆角半径的0.5到1.5倍之间。在又一个实施例中，穿透深度小于圆角半径。

根据再一个实施例，穿透深度直接涉及冷却的壁的厚度。此处，穿透深度限于壁厚度(t)的1/4。在更特定的实施例中，穿透深度限于冷却壁厚度的2%到20%之间的范围。

延伸到冷却的壁中的圆角与扰流肋条的相互作用取决于扰流器末端的宽度、其高度以及随后的扰流肋条之间的节距。为了示出引人注意的积极效果，扰流器末端宽度与随后的扰流肋条之间的节距的比不应当变得太大。此外，需要扰流器之间的最小距离。作为优选，扰流器末端宽度为两个随后的扰流肋条之间的节距的5%到20%。

在一个实施例中，冷却的壁构造为冷却组件的冷却的壁，其使冷却流动通路与热气体流动路径分开。如果扰流肋条高度在邻接冷却流动通路的高度的5%到20%之间，则延伸到冷却流动通路中的圆角最佳地增强扰流肋条的效果。

根据一个实施例，扰流肋条为冷却的壁的集成部分。典型地，侧壁和扰流肋条铸造成一件。

除冷却的壁自身之外，冷却的壁的特定应用为本公开的目的。

在特定实施例中，具有扰流肋条的冷却的壁构造为翼型件的侧壁。翼型件具有第一侧壁和相对的第二侧壁，它们在前缘和后缘处连结在一起，并且从根部沿纵向延伸到末端。翼型件还包括内部冷却流动通路，其在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间沿纵向延伸，用于导送冷却介质以冷却翼型件。翼型件自身为涡轮叶片的一部分。

在备选实施例中，冷却的壁构造为燃气涡轮的热气体路径中的热屏障，或构造为燃气涡轮的焚烧器或燃烧室的侧壁。

此外，冷却的壁可包括冷却流动通路的侧部上的表面涂层。典型地，此类表面涂层构造为抗氧化涂层。

冷却的部分的热气体路径侧部典型地涂覆有热障涂层。

附图说明

本公开、其性质以及其优点将在下面借助于附图更详细描述。参照附图：

图1示出了燃气涡轮控制系统的实例，其包括压缩机、燃烧器和涡轮。

图2示出了具有用于冷却增强的理想的常规扰流肋条的冷却的壁的断面。

图3示出了具有用于冷却增强的现实的常规扰流肋条的冷却的壁的断面。

图4示出了具有延伸到扰流肋条下游的冷却的壁中用于冷却增强的圆角的扰流肋条的示例性实施例的断面。

图5示出了具有延伸到扰流肋条下游的冷却的壁中的圆角和延伸到冷却的壁中用于扰流肋条上游的冷却增强的圆角的扰流肋条的示例性实施例的断面。

图6示出了具有侧壁上的内部冷却导管和扰流肋条的翼型件的示意性截面。

图7示出了燃气涡轮翼型件的侧壁上的扰流肋条的示例性布置。

部件列表

1,2 冷却的壁

3 翼型件

4 冷却流通路

5 扰流肋条

6 入口空气

7 排出气体

8 压缩机

9 燃烧器

10 燃气涡轮

11 涡轮

12 燃料

13 发生器

14 冷却流

15 热侧

h 扰流肋条高度

P 节距

R1 圆角半径

R2 扰流末端转角半径

R3 弯曲连接的半径

w 扰流肋条宽度

δ 穿透深度。

具体实施方式

相同或功能相当的元件在下面设有相同的标号。指出的值和大小规格仅为示例性的值，并且不构成对此类大小或实施例的任何限制。

图1示出了燃气涡轮10的实例。压缩机8使入口空气6加压。压缩空气导送至燃烧器9，与燃料12混合，并且点燃用于生成燃烧气体，该燃烧气体流至设置在其下游的涡轮11。涡轮从热燃烧气体提取能量用于驱动压缩机和发生器13。排出气体7的热典型地还用于随后的HRSG(余热回收蒸汽发生器)中，以生成过程热的水蒸汽循环的蒸汽(未示出)。包围热燃烧气体的流动路径的部分的壁(诸如例如焚烧器壁、衬里和热屏障)以及暴露于涡轮11中的热气体的叶片典型地利用冷却介质(诸如冷却空气或蒸汽)冷却。为了增强冷却侧上的热传递，可应用扰流肋条。

图4示出了具有圆角的扰流肋条5的示例性实施例的断面，该圆角延伸到冷却壁1,2中，用于扰流肋条5下游的冷却增强。在应用圆角之前的冷却的壁1,2的原始形状以虚线指出。具有半径R1的圆角以一穿透深度δ穿透到冷却的壁中，从而至少部分地补偿圆形末端转角和圆角的副作用。在该实例中示出了在延伸到冷却壁1,2中的圆角的基部与随后的扰流肋条5的开端之间的线性过渡，即，曲率R3的半径为无限的。具有有限半径的曲率也能够被构想，或可使用过渡中的弯曲区段和线性区段的组合。

图5示出了扰流肋条5的第二示例性实施例的断面。在该实例中，圆角延伸到冷却的壁1,2中用于扰流肋条5下游的冷却增强，并且圆角延伸到冷却的壁1,2中用于扰流肋条5上游的冷却增强。在所示的实例中，具有半径R1的两个圆角以一穿透深度δ穿透到冷却的壁1,2中。圆角具有带中心角Φ的弧形，中心角Φ大于90°。在应用圆角之前的冷却的壁1,2的原始形状以虚线指出。在该实例中示出了从延伸到冷却的壁1,2中的圆角的基部至冷却的壁1,2的原始壁厚度的过渡。过渡包括线性区段，随后是具有有限半径R3的弯曲部。

图6示出了翼型件3的示例性截面。翼型件3具有第一侧壁1和相对的第二侧壁2，它们在前缘和后缘处连结在一起，并且从根部沿纵向延伸到末端。翼型件3还包括内部冷却流动通路4，其沿纵向在所述第一冷却侧壁1与所述第二冷却侧壁2之间延伸，用于导送冷却流14以冷却翼型件3。内部冷却流动通路4包括第一冷却侧壁1上和第二冷却侧壁2上的扰流肋条5。

在图7(图6的纵向断面A-A)中，示出了燃气涡轮翼型件3的冷却的侧壁2上的扰流肋条5的示例性布置。翼型件3包括内部通路，其在第一冷却侧壁1与第二冷却侧壁2之间沿纵向延伸，用于在冷却流动通路4中导送冷却介质以冷却翼型件3。更具体而言，冷却空气如冷却介质常规地从燃气涡轮10的压缩机8(图1)导送穿过叶片根部，并且向上进入翼型件3中。所示的示例性实施例中的冷却流动通路4包括前缘通路，其从根部向上延伸穿过翼型件3至末端；蛇形通路，其从根部向上延伸穿过翼型件3至末端，其中冷却流转动180°进入返回通路中，并且沿纵向向下流动。此外，所示的翼型件包括后缘通路，其延伸至末端。在该实例中，扰流肋条5布置在头三个冷却通路中。对于理想和现实的常规扰流肋条，扰流肋条5的不同可能的截面B-B和C-C的实例在图2和3中示出，而对于示例性实施例，在图4和5中示出。

因此，本领域技术人员将认识到，本发明可以以其它特定形式体现，而不背离其精神或基本特性。因此，当前公开的实施例在所有方面都认为是示范性而非限制性的。本公开的范围由所附权利要求而非前述描述指出，并且在其意义和范围和等同物内的所有变化意图包含在其中。

Claims

1.一种用于使燃气涡轮的热气体流动路径与冷却流(14)分开的冷却的壁(1,2)，包括从所述冷却的壁(1,2)延伸到所述冷却流(14)中的至少一个扰流肋条(5)，所述扰流肋条(5)具有在所述扰流肋条(5)的根部处的圆角，

其特征在于，在所述扰流肋条(5)的至少一侧处的所述圆角延伸到所述冷却的壁(1,2)中，形成所述冷却的壁(1,2)中的缺口，该缺口导致扰流肋条(5)附近的壁厚度的局部减小。

2.根据权利要求1所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，在操作期间在关于所述冷却流(14)的所述扰流肋条(5)的下游侧处的至少所述圆角延伸到所述冷却的壁(1,2)中。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角与随后的扰流肋条(5)的开端之间的过渡是线性的。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角与随后的扰流肋条(5)的开端之间的过渡以一曲率弯曲，所述曲率小于所述圆角的曲率。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的圆角设在所述扰流肋条(5)的两侧上。

6.根据权利要求5所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角与具有完整壁厚度(t)的相邻壁区段之间的过渡为线性的。

7.根据权利要求5所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角与具有完整壁厚度(t)的相邻壁区段之间的过渡以一曲率弯曲，所述曲率小于所述圆角的曲率。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，圆角具有半径(R₁)，并且所述圆角以一穿透深度(δ)穿透到所述冷却的壁(1,2)中，所述穿透深度(δ)为所述圆角半径(R₁)的0.5到1.5倍之间。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角的穿透深度(δ)小于所述圆角半径(R₁)。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，延伸到所述冷却的壁(1,2)中的所述圆角的穿透深度(δ)小于所述冷却的壁的厚度(t)的1/4。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，所述扰流肋条(5)具有宽度(w)，并且至少两个扰流肋条(5)布置有两个随后扰流肋条(5)之间的节距(P)，并且所述扰流肋条宽度(w)为两个随后的扰流肋条(5)之间的节距(P)的5%到20%。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，所述冷却的壁(1,2)为使冷却流动通路(4)与热气体流动路径分开的冷却组件的侧壁，并且扰流肋条高度(h)在所述冷却流动通路(4)的高度的5%到20%之间。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，所述扰流肋条(5)为所述冷却的壁(1,2)的集成部分，并且/或者冷却的壁(1,2)和所述扰流肋条(5)为一个铸件。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，所述冷却的壁(1,2)为翼型件(3)的侧壁，所述翼型件(3)具有在前缘和后缘处连结在一起并且从根部沿纵向延伸到末端的第一侧壁和相对的第二侧壁，以及在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间沿纵向延伸用于导送冷却介质以冷却所述翼型件(3)的内部冷却流动通路。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却的壁(1,2)，其特征在于，所述冷却的壁(1,2)为燃气涡轮的热气体路径中的热屏障，或燃气涡轮的焚烧器或燃烧室的侧壁。