沖擊冷卻式壁組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及沖擊冷卻組件，更特別地，涉及用于冷卻暴露于熱氣的壁的沖擊冷卻式壁組件。
【背景技術(shù)】
[0002]功率發(fā)生循環(huán)的熱力學(xué)效率取決于其工作流體的最高溫度，在例如燃氣渦輪的情況下，工作流體是離開燃燒器的熱氣。熱氣的最高可行溫度受到與燃燒排放以及這個熱氣接觸的金屬部件的運行溫度極限，以及將這些部件冷卻到熱氣溫度以下的能力的限制。冷卻形成高級重型燃氣渦輪的熱氣流徑的熱氣管壁是困難的，而且目前已知的冷卻方法有高的性能代價，S卩，導(dǎo)致功率和效率降低。
[0003]沖擊冷卻是用于暴露于具有高熱氣溫度的氣體的構(gòu)件的最高效的冷卻技術(shù)之一。為了對壁進行沖擊冷卻，將套管設(shè)置在離壁外表面(背離熱氣的表面)的短距離處。沖擊套管包含成排列的孔，壓縮氣體通過孔排出，以產(chǎn)生成排列的空氣射流，空氣射流沖擊在壁的外表面上，并且冷卻壁的外表面。在沖擊之后，壓縮氣體作為冷卻氣體在由壁和沖擊套管界定的冷卻路徑中流向冷卻流徑的端部。這個流產(chǎn)生所謂的橫向流。通常，第一沖擊排允許沖擊在壁上，在冷卻通道中沒有任何橫向流。隨著后面的沖擊排的數(shù)量朝冷卻流徑的端部增加，冷卻通道中的橫向流累積。作為缺點，冷卻通道中的橫向流增加會妨礙和降低沖擊冷卻的可行的熱傳遞系數(shù)，因為沖擊射流在沖擊在壁上之前偏轉(zhuǎn)且彎曲遠離壁(參見圖2a)。
[0004]為了限制橫向流速度，在US 4，719，748 A中已經(jīng)提出了相對于冷卻通道的長度，增加冷卻通道的高度。但是，冷卻通道的高度增加會減小到達管壁的射流的沖擊作用。
[0005]除了因此降低用沖擊冷卻進行冷卻的壁的長度上的沖擊冷卻的效率之外，管壁的典型熱負(fù)載是不均勻的。例如燃氣渦輪的大多數(shù)燃燒室顯示相對于發(fā)動機軸線傾斜，這會導(dǎo)致熱氣流方向改變。燃燒室中的熱氣流必須適應(yīng)主流方向的這個改變，從而在燃燒室壁之外的典型位置上導(dǎo)致熱負(fù)載較高的區(qū)域(所謂的熱點)。為了確保暴露于提高的熱負(fù)載的壁的區(qū)域的壽命，在這些位置處需要增加冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的目標(biāo)是提出一種沖擊冷卻式壁組件，其允許對壁進行高效的沖擊冷卻，而不依賴于導(dǎo)引熱氣流的壁上的位置，并且提出沿著壁的延伸部保持高的冷卻效率。
[0007]公開的沖擊冷卻式壁組件包括沖擊套管和在運行期間暴露于熱氣的壁。沖擊套管至少部分地設(shè)置在穩(wěn)壓室中，并且與壁間隔開距離，以在壁和沖擊套管之間形成冷卻流徑，使得在運行期間通過冷卻套管中的第一孔口從穩(wěn)壓室中噴射出的壓縮氣體沖擊在壁上。在沖擊在壁上之后，壓縮氣體作為橫向流流向冷卻流徑的下游端處的出口，從而進一步冷卻壁。
[0008]在至少一個第一孔口的下游，流偏轉(zhuǎn)器(也簡稱為偏轉(zhuǎn)器)布置在冷卻流徑中，以使橫向流偏轉(zhuǎn)遠離第二孔口。流偏轉(zhuǎn)器沿橫向流的下游方向，從第一孔口和第二孔口之間的位置延伸超過第二孔口(第一孔口可為多個第一孔口，并且第二孔口可為多個孔口)。流偏轉(zhuǎn)器具有沿著第二孔口的一側(cè)沿橫向流的下游方向延伸的第一支腿，以及沿著第二孔口的另一側(cè)沿橫向流的下游方向延伸的第二支腿。在冷卻壁組件中，在壁的第一對流冷卻區(qū)段中未布置沖擊冷卻孔口，第一對流冷卻區(qū)段是在流偏轉(zhuǎn)器的上游端和下游端之間的、在由偏轉(zhuǎn)器遮蔽的區(qū)段外部的壁區(qū)段。被遮蔽區(qū)段是流偏轉(zhuǎn)器的支腿之間的區(qū)段。在多個偏轉(zhuǎn)器布置在冷卻流徑中的布置中，外部區(qū)段例如可從一個偏轉(zhuǎn)器延伸到相鄰偏轉(zhuǎn)器，或者外部區(qū)段可從一個偏轉(zhuǎn)器延伸到界定冷卻流徑的側(cè)壁。
[0009]與對流冷卻的外部區(qū)段相反，對流偏轉(zhuǎn)器的內(nèi)部區(qū)段進行沖擊冷卻，即，對在流偏轉(zhuǎn)器的支腿之間從流偏轉(zhuǎn)器的上游端延伸到支腿的下游端的區(qū)段進行沖擊冷卻。可至少部分地遮蔽內(nèi)部區(qū)段，使其不受第一孔口的橫向流的影響。
[0010]從第二孔口噴射到偏轉(zhuǎn)器的兩個支腿之間的區(qū)段中的壓縮氣體沖擊在壁上，以對這個壁區(qū)段進行高效的沖擊冷卻。在沖擊之后，壓縮氣體流向偏轉(zhuǎn)器的下游端，形成新的橫向流。形成于偏轉(zhuǎn)器內(nèi)部的橫向流通過偏轉(zhuǎn)器的支腿的下游端之間的開口流出到下游方向，并且與通過第一對流冷卻區(qū)段被導(dǎo)引成圍繞偏轉(zhuǎn)器的第一孔口的橫向流結(jié)合。被導(dǎo)引成圍繞偏轉(zhuǎn)器的橫向流可具有提高的流速，以在第一對流冷卻區(qū)段中進行高效的對流冷卻。
[0011]這種組件例如可用來冷卻燃氣渦輪的管壁，更特別地用來冷卻燃燒器或燃燒室的壁。
[0012]冷卻流和熱氣流典型地以逆流的方式流動，即，冷卻流流向冷卻流徑的下游端，而熱氣則以相反的方向流動。但是，可設(shè)想到具有平行冷卻空氣流和熱氣流的布置。對于具有分段燃燒或順序燃燒(其中，在第二燃燒階段中噴射額外的空氣)的燃燒室和燃燒器布置，這種平行流布置可為有利的。冷卻空氣例如也可為用于所謂的遲貧燃燒的空氣。另外，冷卻空氣可用作用于第二燃燒階段的稀釋空氣，以通過將冷卻空氣混合到第一火焰下游的熱氣中來冷卻熱氣。
[0013]流偏轉(zhuǎn)器可為從套管或管壁延伸到冷卻通道中的肋或壁，或者可連接套管與管壁。
[0014]典型地，流偏轉(zhuǎn)器連接到套管上，或者在套管的熱負(fù)載較低時形成套管的組成部分，因為它不暴露于熱氣，而且因此可使用較廉價的材料。備選地，流偏轉(zhuǎn)器可連接到管壁上，或者形成管壁的組成部分。在這種情況下，它們可用作冷卻肋，以較好地冷卻管壁。
[0015]根據(jù)沖擊冷卻式壁組件的另一個實施例中，相對于冷卻流徑在流偏轉(zhuǎn)器上游的橫截面，橫向流的橫截面在第二孔口的流向上的位置處減小。橫向流的橫截面為冷卻流徑的垂直于橫向流的主流方向的暢通無阻的橫截面。橫截面減小有利于使偏轉(zhuǎn)器周圍的橫向流的加速，以在外部區(qū)段中實現(xiàn)較好的對流熱傳遞。
[0016]根據(jù)另一個實施例，相對于橫向流在第二孔口的流向上的位置處的橫截面，圍繞偏轉(zhuǎn)器的橫向流的橫截面朝流偏轉(zhuǎn)器的下游端增大。
[0017]通過增大橫截面，可使圍繞偏轉(zhuǎn)器的橫向流減速。由于減速，動態(tài)壓力可恢復(fù)，以最大程度地減小沖擊冷卻式壁組件的壓力損失。例如它可減速到基本等于離開偏轉(zhuǎn)器的橫向流的流速的流速，以最大程度地減小橫向流的混合損失。
[0018]基本相同的流速可表示偏轉(zhuǎn)器下游的區(qū)域中的流速和偏轉(zhuǎn)器的側(cè)部處的區(qū)域中的流速之間的差小于總流速的30%。優(yōu)選地，該差小于10%。
[0019]在沖擊冷卻式壁組件的一個實施例中，流偏轉(zhuǎn)器的支腿在流偏轉(zhuǎn)器的下游端處轉(zhuǎn)向彼此，從而增加橫向流在流偏轉(zhuǎn)器外部的橫截面。在流偏轉(zhuǎn)器的中心區(qū)域中，支腿例如可彼此平行地延伸，而且可平行于橫向流方向延伸。支腿可平行于流偏轉(zhuǎn)器在流向上的延伸的50%或更多。
[0020]這種布置可用作用于圍繞偏轉(zhuǎn)器的橫向流的擴散器，以及用于離開偏轉(zhuǎn)器的橫向流的噴嘴。離開偏轉(zhuǎn)器的橫向流可加速，因為在偏轉(zhuǎn)器支腿的下游端之間的橫截面減小。
[0021]在沖擊冷卻式壁組件中，流偏轉(zhuǎn)器可從管壁一直延伸到?jīng)_擊套管。
[0022]在沖擊冷卻式壁組件的另一個實施例中，流偏轉(zhuǎn)器可從管壁或沖擊套管延伸到冷卻流徑中，其高度小于冷卻流徑的高度。
[0023]在沖擊冷卻式壁組件的另一個實施例中，相對于冷卻流徑在流偏轉(zhuǎn)器上游的高度，冷卻流徑的高度在流偏轉(zhuǎn)器的區(qū)域中減小。通過減小流徑高度，橫向流可獲得的橫截面減小，以使橫向流的流速加速。流偏轉(zhuǎn)器的區(qū)域是沿橫向流的流向從流偏轉(zhuǎn)器的上游端延伸到流偏