包括近壁冷卻布置的燃氣渦輪部件的制作方法
【專利摘要】一種燃氣渦輪部件，尤其是燃氣渦輪的燃燒器部件，包括壁，其在熱側(cè)上經(jīng)受高溫氣體并且包括近壁冷卻布置，其中該壁包含多個近壁冷卻通道，多個近壁冷卻通道在壁內(nèi)緊鄰熱側(cè)沿第一方向基本上彼此平行地延伸并且布置成沿基本上垂直于第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中近壁冷卻通道各在一端處設(shè)有用于供應(yīng)冷卻空氣的入口并且在另一端設(shè)有用于排放冷卻空氣的出口，其中入口通入共同供給通道用于冷卻空氣供應(yīng)，并且出口通入共同排放通道內(nèi)用于冷卻空氣排放，供給通道和排放通道沿第二方向延伸，供給通道在第一端處打開以接收供應(yīng)的冷卻空氣并且將其引導(dǎo)至冷卻通道入口行，并且排放通道在第二端處打開以從冷卻空氣出口行排放冷卻空氣。
【專利說明】包括近壁冷卻布置的燃氣渦輪部件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪的領(lǐng)域，特定而言，涉及燃氣渦輪的燃燒系統(tǒng)，其必須適當冷卻以便確保足夠的使用壽命，但同時符合嚴格的排放法規(guī)。
[0002]本發(fā)明適用于對流冷卻機制。
[0003]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序所述的燃氣渦輪部件。
【背景技術(shù)】
[0004]為了實現(xiàn)高效率，在標準燃氣渦輪中需要高的渦輪入口溫度。因此，造成高NOx排放水平和更高的壽命循環(huán)成本。利用順序燃燒循環(huán)減輕了這些問題，其中壓縮機提供為常規(guī)壓縮機的接近兩倍的壓力比。
[0005]主要流動經(jīng)過第一燃燒室(例如，EV燃燒器)，其中燃燒燃料的一部分。在高壓渦輪級處膨脹后，添加并且燃燒其余燃料(例如，SEV燃燒器)。由于將第一燃燒器的膨脹排氣供給第二燃燒器，所以操作條件允許燃料/空氣混合物自行點火(自發(fā)點火)而無需向混合物供應(yīng)額外能量(參看例如文獻EP 2 169 314 A2)。
[0006]目前對流冷卻用于若干燃燒器部件，例如EV和SEV襯套兩者。如在圖1(a)中所示，這樣的燃燒器部件20的冷卻空氣流23在冷卻通道22中沿著待冷卻的壁21導(dǎo)引，并且能通過在壁上施加肋狀湍流器而改進冷卻效率。
[0007]可需要更少冷卻空氣的替代方案為在圖1(b)中示出的燃燒器部件24，其中應(yīng)用許多小的冷卻通道27 (位于壁的外板25與內(nèi)板26之間，該通道位于更靠近熱側(cè)(圖1中的下側(cè))處)。在這些通道中，以更少冷卻質(zhì)量流量實現(xiàn)了更高的熱吸收，從而提高了冷卻效率。因此，需要更少的總冷卻質(zhì)量流量，這對于燃氣渦輪性能和排放具有積極的影響。
[0008]在相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于燃氣渦輪燃燒器提出了若干方案:
文獻EP 2 295 864 Al公開了一種用于燃氣渦輪的燃燒裝置，其示出了靠近燃燒室的壁的通道，并且其包括具備第一壁和第二壁的部分，第一壁和第二壁具備第一通路和第二通路，第一通路連接在第一壁與第二壁之間的區(qū)與燃燒裝置的內(nèi)部，第二通路連接在第一壁與第二壁之間的所述區(qū)與燃燒裝置的外部。在第一壁與第二壁之間，限定了多個室，每個室與一個第一通路和至少一個第二通路連接，并且限定亥姆霍茲阻尼器。
[0009]文獻US 6，981，358 B2公開了一種用于燃氣渦輪的再熱燃燒系統(tǒng)，其包括:混合管，其適于被供給燃氣渦輪的主要燃燒區(qū)的產(chǎn)物和由噴槍注射的燃料；由所述混合管供給的燃燒室；以及，至少一個穿孔的聲障板。聲障板設(shè)置于燃燒室的混合管內(nèi)側(cè)，在其面向聲障板穿孔壁且與聲障板穿孔壁間隔開的位置。在使用中，穿孔壁經(jīng)歷撞擊冷卻，因為其允許空氣進入燃燒系統(tǒng)內(nèi)用于通過所述聲障板的穿孔通行，并且聲障板阻尼在混合管和燃燒室中的聲脈動。
[0010]文獻US 2001/016162 Al教導(dǎo)了一種用于燃氣渦輪的冷卻葉片，在該葉片中，冷卻流體，優(yōu)選地冷卻空氣流動用于通過位于靠近壁處的內(nèi)部冷卻通路的對流冷卻并且隨后偏轉(zhuǎn)用于通過膜冷卻孔到葉片表面上的外膜冷卻，并且流體流在內(nèi)部冷卻通路的至少一些中與在葉片周圍流動的熱氣體流成逆流導(dǎo)向，沿徑向方向的均勻冷卻由于如下事實而實現(xiàn):多個內(nèi)部冷卻通路和膜冷卻孔在葉片中以如下方式沿徑向方向布置成一個在另一個上方，即使得在每種情況下膜冷卻孔的排放開口設(shè)置成以致偏離內(nèi)部冷卻通路，特別地設(shè)置于內(nèi)部冷卻通路之間。
[0011]文獻WO 2004/035992 Al公開了一種能被冷卻的構(gòu)件，例如燃燒室壁區(qū)段，其中，冷卻通道的壁包括選擇性地布置的特定形狀的突出元件。突出元件的高度在冷卻通道的液力直徑的2%與5%之間。因此，元件僅足夠高從而以充分發(fā)展的湍流生成與冷卻流動的緊鄰壁的層流下層中的中央流動的湍流橫向交換，從而顯著地提高了冷卻側(cè)的緊鄰壁的傳熱而不會通過影響中央流動而顯著地增加冷卻流動中的壓降。
[0012]文獻US 5，647，202教導(dǎo)了一種冷卻壁部件，其具有靠近內(nèi)壁并且平行于內(nèi)壁延伸的多個單獨對流冷卻的縱向冷卻管，相鄰縱向冷卻管在每種情況下經(jīng)由中間肋狀物連接到彼此。在縱向冷卻管的下游端設(shè)有偏轉(zhuǎn)裝置，偏轉(zhuǎn)裝置連接到至少一個逆流冷卻管，逆流冷卻管布置于壁部件中外壁附近并且多個小管子從其延伸到冷卻的壁部件的內(nèi)壁并且布置于中間肋狀物分叉(branch off)中。利用該壁部件，可將冷卻介質(zhì)用于多種冷卻用途(對流、瀉流、膜冷卻)。
[0013]文獻US 6, 374, 898 BI公開了一種用于產(chǎn)生鑄造芯的工藝，其用于在鑄件內(nèi)形成預(yù)期用于冷卻目的的腔，可通過該腔來傳導(dǎo)冷卻介質(zhì)，鑄造芯具有如下表面區(qū)域:其中以具體選擇的方式合并了一定表面粗糙度，表面粗糙度在鑄造操作期間本身轉(zhuǎn)移到封閉腔的表面區(qū)域，并且導(dǎo)致在冷卻介質(zhì)與鑄件之間的傳熱增加。
[0014]但是，當在較大表面，諸如例如燃燒器襯套上實施近壁冷卻通道設(shè)計時，確保所有近壁通道被供給冷卻空氣和排放冷卻空氣是很有挑戰(zhàn)性的。在圖2中描繪了一個示例:在圖2的燃氣渦輪部件IOa中，具有外通道壁13a和作為內(nèi)壁的分隔壁13的供給通道12向所有小冷卻通道15供應(yīng)冷卻空氣，彼此平行地延伸的小冷卻通道15布置成沿著預(yù)定方向延伸的行。所供應(yīng)的冷卻空氣18在一端處進入供給通道12，通過其入口 16進入冷卻通道15，通過嵌入于待冷卻的壁11中的冷卻通道15流動并且之后，空氣通過冷卻通道出口 17進入排放通道14，該排放通道14以及其外壁13b需要借助于共同分隔壁13與供給通道12分開。從那里，其被排放(排放的冷卻空氣19)。在較大表面上，例如在襯套上，這些元件中的幾個可彼此緊鄰地定位(參看圖5)。
[0015]由于冷卻空氣的部分通過每個近壁冷卻通道15供給(參看通過圖2中的冷卻通道的箭頭)，在供給通道12中的其余冷卻質(zhì)量流量沿流動方向減小。這對于流動速度和因此對靜態(tài)壓力分布具有直接影響，其也沿著供給通道12減小。在排放通道14中，該效果相反:冷卻質(zhì)量流量和速度沿流動方向增加，因此也增加了靜態(tài)壓力。由于這些壓力分布，在一行(從入口到出口)的近壁通道15內(nèi)的壓差沿著冷卻路徑改變并且因此影響通過每個通道的冷卻質(zhì)量流量。
[0016]然而，為了在所有近壁通道中恒定的冷卻性能，希望在所有通道中具有相同的質(zhì)
量流量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于優(yōu)化冷卻效率并且因此降低冷卻空氣消耗和/或降低排放。[0018]利用根據(jù)權(quán)利要求1的燃氣渦輪部件實現(xiàn)了這個目的。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的燃氣渦輪部件，其尤其為燃氣渦輪的燃燒器部件，包括壁，其在熱側(cè)上經(jīng)受高溫氣體并且包括近壁冷卻布置，其中壁包含多個近壁冷卻通道，多個近壁冷卻通道在壁內(nèi)緊鄰熱側(cè)沿第一方向基本上彼此平行地延伸，并且布置成沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中所述近壁冷卻通道各在一端處設(shè)有用于供應(yīng)冷卻空氣的入口，并且在另一端設(shè)有用于排放冷卻空氣的出口 ；其中所述入口通入共同供給通道內(nèi)用于冷卻空氣供應(yīng)；并且所述出口通入共同排放通道內(nèi)用于冷卻空氣排放，所述供給通道和所述排放通道沿所述第二方向延伸，所述供給通道在第一端處打開以接收供應(yīng)的冷卻空氣并且將其引導(dǎo)至冷卻通道入口行，并且所述排放通道在第二端處打開以從冷卻空氣出口行排放冷卻空氣。
[0020]其特征在于，在所述近壁冷卻布置內(nèi)提供用于均衡通過具有共同供給通道和/或排放通道的近壁冷卻通道的冷卻空氣質(zhì)量流量的裝置(means)。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述近壁冷卻布置的所有近壁冷卻通道具有基本上相同的截面。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述近壁冷卻布置的所有近壁冷卻通道以基本上恒定的通道間距離布置于所述行內(nèi)。
[0023]具體而言，供給通道具有截面，截面隨著距所述第一端的距離增加而沿第二方向減小。
[0024]更具體而言，排放通道具有截面，截面隨著距所述第二端的距離減小而沿第二方向增加。
[0025]優(yōu)選地，截面隨著距離的變化為線性的。
[0026]具體而言，供給通道和排放通道由共同分隔壁分開，供給通道和排放通道的截面各由所述共同分隔壁和各自的外通道壁限定，并且截面沿第二方向的變化由在共同分隔壁與外通道壁之間的傾斜取向?qū)崿F(xiàn)。
[0027]更具體而言，共同分隔壁的方向平行于第二方向，并且外通道壁的方向相對于第二方向傾斜。
[0028]備選地，共同分隔壁的方向，并且外通道壁的方向平行于第二方向，以及共同分隔壁的方向相對于第二方向傾斜。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，供給通道和排放通道各沿第二方向具有恒定截面；并且沿第二方向每單位長度的冷卻通道數(shù)量從第一端向第二端減小。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，供給通道和排放通道各沿第二方向具有恒定截面，并且冷卻通道的截面沿第二方向從第一端向第二端減小。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，近壁冷卻布置包括多行近壁冷卻通道，行沿第二方向彼此平行地延伸，并且所述行中的每一個具有單獨的供給通道和排放通道，供給通道和排放通道具有共同的分隔壁和各自的外通道壁，并且相鄰的行共用外通道壁。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]現(xiàn)在借助于不同的實施例并且參考附圖來更詳細地解釋本發(fā)明。
[0033]圖1示出了常規(guī)對流設(shè)計(a)和近壁冷卻設(shè)計(b)； 圖2總體上以頂視圖(a)和側(cè)視圖(b)示出了例如在燃燒器襯套應(yīng)用中的近壁冷卻通道的供給和排放；
圖3以頂視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例具有變化的截面的供給和排放通道(具有傾斜通道外壁)；
圖4以頂視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例具有變化的截面的供給和排放通道(具有傾斜的共同分隔壁)；
圖5以頂視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的又一實施例具有冷卻通道的供給和排放通道的多個相鄰行的燃燒器襯套應(yīng)用，其中供給和排放通道具有變化的截面；
圖6以頂視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例具有變化的入口和出口孔直徑的近壁冷卻通道；以及
圖7以頂視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的僅另一實施例沿行方向具有變化的間隔的近壁冷卻通道。
[0034]附圖標記
10a-f 燃氣渦輪部件(燃燒器部件)
11壁
12供給通道
13分隔壁
13a, b 外通道壁
14排放通道
15冷卻通道(近壁)
16入口(冷卻通道)
17出口(冷卻通道)
18供應(yīng)的冷卻空氣
19排放的冷卻空氣
20，24 燃氣渦輪部件(燃燒器部件)
21壁
22冷卻通道
23冷卻空氣流
25外板
26內(nèi)板
27冷卻通道(近壁)
28冷卻空氣 D 直徑
d 通道間距離。
【具體實施方式】
[0035]在本發(fā)明和其等效手段內(nèi)，描述了用于優(yōu)化和控制冷卻性能的若干方式。
[0036]一種方式是提供具有變化截面的供給通道和排放通道:
如在圖3中描繪地，可沿著冷卻路徑來分別調(diào)整燃氣渦輪部件IOb的供給通道12和排放通道14的截面圖。這通過以下方式來進行，將兩個通道12和14的分隔壁13選擇為嚴格平行于冷卻通道行15的延伸縱向方向，而外通道壁13a和13b相對于此方向具有傾斜取向，使得分別地，供給通道沿此方向縮窄，而排放通道14加寬。在圖3的示例中，這種縮窄和加寬隨著沿箭頭的縱向方向的距離為線性的。
[0037]以此方式，壓力分布可受到影響并且因此可控制進入近壁冷卻通道15的質(zhì)量流量。如在具有恒定截面的情況下(圖2)，這些區(qū)段中的若干區(qū)段可彼此緊鄰定位以便覆蓋較大的冷卻表面(參看圖5)。
[0038]可通過圖4中所示配置來實現(xiàn)截面的等效變化。此處，在燃氣渦輪部件IOc中，共同分隔壁13具有傾斜取向，而外通道壁13a和13b嚴格地平行于行的縱向方向取向。這具有以下優(yōu)點:其通過簡單地添加多個并行的這種元件而直接允許燃燒器襯套應(yīng)用(燃燒器部件IOd)。
[0039]通過個別近壁冷卻通道15控制和優(yōu)化冷卻劑質(zhì)量流量的另一方式是根據(jù)圖6的燃燒器部件IOe來改變近壁冷卻通道15的入口直徑和出口直徑D，而供給通道12和排放通道14的截面可沿縱向方向保持恒定。但是，變化的供給通道和排放通道截面和冷卻通道15變化的直徑D的組合也是可能的。
[0040]盡管控制通過個別近壁冷卻通道15的質(zhì)量流率，但也能沿行的縱向方向優(yōu)化近壁冷卻通道15的間距(圖7)。在燃燒器部件IOf的供給通道入口處，其中由于靜壓變化，冷卻劑質(zhì)量流量更低，采用近壁冷卻通道15的更致密布置來補償更低的質(zhì)量流率。但是，變化的供給通道截面和排放通道截面和/或冷卻通道15的變化的直徑D與冷卻通道沿縱向方向的變化的分布密度的組合也是可能的。 [0041]本發(fā)明的特征 和優(yōu)點如下:
?通過調(diào)整供給通道和排放通道的通道截面以及冷卻通道的入口和出口直徑(D)和/或其沿縱向方向的分布密度來優(yōu)化局部冷卻性能。
[0042].減少冷卻空氣導(dǎo)致必需火焰溫度的降低和排放的減少。
[0043].如果需要更少的總冷卻空氣，可提高燃氣渦輪效率。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣渦輪部件(10b-f)，尤其是燃氣渦輪的燃燒器部件，包括壁(11)，其在熱側(cè)上經(jīng)受高溫氣體并且包括近壁冷卻布置，其中，所述壁(11)包含多個近壁冷卻通道(15)，所述多個近壁冷卻通道(15)在所述壁內(nèi)緊鄰所述熱側(cè)沿第一方向基本上彼此平行地延伸，并且布置成沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向延伸的至少一行，其中，所述近壁冷卻通道(15)各在一端處設(shè)有用于供應(yīng)冷卻空氣的入口(16)，并且在另一端處設(shè)有用于排放冷卻空氣的出口(17)，其中，所述入口(16)通入共同供給通道(12)用于冷卻空氣供應(yīng)，并且所述出口(17)通入共同排放通道(14)用于冷卻空氣排放，所述供給通道(12)和所述排放通道(14)沿所述第二方向延伸，所述供給通道(12)在第一端處打開以接收供應(yīng)的冷卻空氣并且將其引導(dǎo)至冷卻通道入口(16)行，并且所述排放通道(14)在第二端處打開以從所述冷卻空氣出口(17)行排放冷卻空氣，其特征在于，在所述近壁冷卻布置內(nèi)提供用于均衡通過具有共同供給通道(12)和/或排放通道(14)的近壁冷卻通道(15)的冷卻空氣質(zhì)量流量的手段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述近壁冷卻布置的所有近壁冷卻通道(15)具有基本上相同的截面(D)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述近壁冷卻布置的所有近壁冷卻通道(15)以基本上恒定的通道間距離(d)布置于所述行內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述供給通道(12)具有截面，所述截面隨著距所述第一端的距離增加沿所述第二方向減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述排放通道(14)具有截面，所述截面隨著距所述第二端的距離減小沿所述第二方向增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述截面隨著距離的變化為線性的?！?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述供給通道(12)和所述排放通道(14)由共同分隔壁(13)分開，所述供給通道(12)和所述排放通道(14)的截面各由所述共同分隔壁(13)和各自的外通道壁(13a，b)限定，并且所述截面沿所述第二方向的變化由在所述共同分隔壁(13)與所述外通道壁(13a，b)之間的傾斜取向?qū)崿F(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述共同分隔壁(13)的方向平行于所述第二方向，并且所述外通道壁(13a，b)的方向相對于所述第二方向傾斜。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述共同分隔壁(13)的方向，并且所述外通道壁(13a，b)的方向平行于所述第二方向，以及所述共同分隔壁(13)的方向相對于所述第二方向傾斜。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述供給通道(12)和所述排放通道(14)各具有沿所述第二方向的恒定截面，并且沿所述第二方向的每單位長度的冷卻通道(15)數(shù)量從所述第一端向所述第二端減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述供給通道(12)和所述排放通道(14)各具有沿所述第二方向的恒定截面，并且所述冷卻通道(15)的截面沿所述第二方向從所述第一端向所述第二端減小。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪部件，其特征在于，所述近壁冷卻布置(IOd)包括多行(IOc)近壁冷卻通道(15)，所述行沿所述第二方向彼此平行地延伸，并且所述行(IOc)中的每一個具有單獨的供給通道(12)和排放通道(14)，所述供給通道(12)和排放通道(14)具有共同的分隔壁(13)和各自的外通道壁(13a，b)，并且相鄰的行(IOc)共用外通道壁( 13a，b)。
【文檔編號】F02C7/12GK103850801SQ201310619550
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月30日
【發(fā)明者】A.伊羅格魯, M.T.莫勒, D.勞夫弗 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司