CN108019240A - 燃气涡轮及其被冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气涡轮及其被冷却结构。燃气涡轮的被冷却结构具有主体，该主体具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体。第一组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第一侧部分布置。第二组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第二侧部分布置。每组冷却空气微通道具有至少一个过渡歧管，其与相邻微通道流体连通，并且还与进气端、排气端以及它们的组合中的至少一个流体连通。上述被冷却结构还具体化在燃气涡轮中。

Description

燃气涡轮及其被冷却结构

技术领域

本公开一般涉及燃气涡轮的被冷却结构，更具体地涉及用于冷却通道进气和排气连接的过渡歧管，其最大化结构的边缘冷却并控制结构的边缘冷却。

背景技术

在大型重负荷(heavy-duty)工业燃气涡轮发动机(gas turbine engine)中，在燃烧器中生成的热气流穿过涡轮以产生机械功。涡轮包括一个或多个排或级的定子静叶和转子叶片，定子静叶和转子叶片与处于逐渐降低的温度的热气流相互作用。通过将较高温度的气流通入涡轮，可提高涡轮的效率并因此提高发动机的效率。然而，涡轮入口温度受限于涡轮特别是第一级静叶和叶片的材料特性，以及这些第一级翼型件的冷却能力。

第一级转子叶片和定子静叶暴露于最高的气流温度，随着气流通过各涡轮级，温度逐渐降低。必须通过以下方式来冷却第一级和第二级翼型件(叶片和静叶)以及护罩和其它结构：使冷却空气通过内部冷却通道，并使冷却空气通过薄膜冷却孔排出以提供冷却空气的覆盖层，以保护被冷却表面(the cooled surface)免受热气流的影响。

涡轮转子叶片在由护罩形成的被冷却表面内旋转，护罩与叶片尖端形成间隙。护罩由固定在环形载体内的许多区段形成。通过间隙的热气流泄漏不仅降低涡轮效率，而且在护罩上产生过热点，这会导致缩短零件寿命的侵蚀或其他热损伤。

用于微通道进气端和排气端的当前制造过程需要高精度加工，以使各端部与每端用于的正确通道对准。这些制造限制妨碍了用于计量冷却空气流量的进气端和排气端的尺寸、横截面面积(cross sectional area)和流动面积的灵活性。利用当前公差叠加，微通道不能被计量。

发明内容

本公开的方面和优点将部分地在下面的描述中提出，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过实施本公开来了解。

燃气涡轮发动机的被冷却结构的一个实施例具有主体(main body)，主体具有前缘(leading edge)、后缘(trailing edge)、第一侧部分(first side portion)、第二侧部分和腔体(cavity)。第一组冷却空气微通道(a first set of cooling air micro-channels)从腔体延伸并且沿着第一侧部分布置。第二组冷却空气微通道从腔体延伸并且沿着第二侧部分布置。每组冷却空气微通道具有至少一个过渡歧管(transitionmanifold)，所述至少一个过渡歧管与相邻微通道流体连通，并且还与进气端、排气端以及它们的组合中的至少一个流体连通。

所述的被冷却结构包括第三组冷却空气微通道，所述第三组冷却空气微通道从所述腔体延伸并且沿着所述前缘和后缘布置。

其中，所述过渡岐管横截面面积大于或等于所述相邻微通道横截面面积。

其中，所述过渡岐管在大体上径向地向外的方向上延伸。

其中，所述进气端与所述腔体流体连通。

其中，所述排气端与燃气涡轮热气体路径流体连通。

其中，所述腔体从燃烧气体侧径向地向外定位，所述腔体进一步限定成角度的周边壁(angled perimeter wall)。

其中，每个进气端围绕所述成角度的周边壁定位并且被构造成接受来自冷却流动路径的压缩冷却空气。

其中，每个微通道包括T形部分，所述T形部分定位成彼此相邻并与所述至少一个过渡歧管流体连通。

其中，每个微通道的所述T形部分与相邻的T形部分流体连通。

其中，每个微通道包括环形进气端(loop-shaped intake end)，且所述过渡歧管被定位在所述环的中心部分内。

另一个实施例具有在燃气涡轮中实现的上述被冷却结构，燃气涡轮具有压缩机部段、定位在压缩机下游的燃烧部段中的多个燃烧器、以及定位在燃烧部段下游的涡轮部段。所述燃气涡轮包括多个被冷却结构，每个被冷却结构包括主体、第一组冷却空气微通道和第二组冷却空气微通道；所述主体具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体；所述第一组和第二组冷却空气微通道均从所述腔体延伸并且分别沿着所述第一侧部分和第二侧部分布置；其中，每组冷却空气微通道还包括至少一个过渡歧管，所述至少一个过渡歧管与相邻微通道流体连通，并且与进气端、排气端以及它们的组合中的至少一个流体连通。

所述的燃气涡轮包括第三组冷却空气微通道，所述第三组冷却空气微通道从所述腔体延伸并且沿着所述前缘和后缘布置。

其中，所述过渡岐管横截面面积大于或等于所述相邻微通道横截面面积。

其中，所述进气端与所述腔体流体连通。

其中，所述排气端与燃气涡轮热气体路径流体连通。

其中，所述腔体从燃烧气体侧径向地向外定位，所述腔体进一步限定成角度的周边壁。

其中，每个进气端围绕所述成角度的周边壁定位并且被构造成接受来自冷却流动路径的压缩冷却空气。

其中，每个微通道包括T形部分，所述T形部分定位成彼此相邻并与所述至少一个过渡歧管流体连通。

其中，每个微通道的所述T形部分与相邻的T形部分流体连通。

参考下面的描述和所附的权利要求，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与该描述一起用来说明本公开的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式的完全和能实现的公开，在附图中：

图1是可以并入本发明的各种实施例的典型燃气涡轮的示意图；

图2是根据本公开的各种实施例的涡轮部段的一部分的放大横截面侧视图，其包括示例性转子叶片和第二级护罩块组件的一部分；

图3是内涡轮护罩区段的实施例的透视图，其联接到外涡轮护罩区段以形成典型地用于燃气涡轮的第一级的涡轮护罩块组件；

图4是被冷却结构实施例的剖视图，示出了过渡歧管的各种通道路线和相关联的定位；

图5A、图5B和图5C是过渡歧管和相关联的微通道的实施例的平面图和截面图。

图6A、图6B和图6C是过渡歧管和相关联的微通道的另一个实施例的平面图和截面图。

图7A、图7B和图7C是过渡歧管和相关联的微通道的另一个实施例的平面图和截面图。

图8A和图8B示出了可以与扩大的过渡歧管一起使用的进气端和排气端的不同形状。

在本说明书和附图中标号的重复使用意在表示本发明公开中相同或类似的特征。

具体实施方式

现将详细参考本发明的当前实施例，所述当前实施例的一个或多个实例在附图中说明。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中使用相同或相似的标号来指代本发明的相同或相似的部件。如本发明中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非希望表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，并且术语“轴向地”是指基本上平行于特定部件的轴向中心线的相对方向。“横截面面积”在本说明书中被定义为冷却空气或其它流体行进通过的通路的平面区域。如本说明书所用，“微通道(Micro-channels)”是具有在约800微米(μm)和约3毫米(mm)之间的水力直径(hydraulic diameter)的小通道，其被定位在被冷却结构的热表面附近以将诸如压缩机冷却空气的冷却流体输送通过被冷却结构并交换热量，以将热表面区域的温度保持在可接受的范围内。本说明书中用来描述“群组”的术语“组”在本说明书中被定义为“至少一个”微通道或“至少一个”元件。

每个示例通过对本发明进行说明而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征能够结合另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改及变化，所述修改及变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。虽然出于说明目的将大体上在工业燃气涡轮的上下文中描述本发明的示例性实施例，但是本领域的普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可以应用于任何涡轮机械，并且不限于工业燃气涡轮，除非在权利要求书中具体叙述。虽然本说明书示出和描述了工业、船舶或陆基燃气涡轮，但是本说明书所示出和描述的本公开不限于陆基和/或工业燃气涡轮和/或船舶燃气涡轮，除非权利要求中另外指明。例如，本说明书所述的公开内容可以在任何类型的涡轮中使用，包括但不限于航改涡轮或船舶燃气涡轮以及航空发动机涡轮。

本说明书的被冷却结构(cooled structures)被定义为需要与强制冷却空气源直接接触以保持结构完整性的任何结构。这些结构可包括涡轮护罩、喷嘴、叶片和涡轮的任何其它热气体路径部件的部分。

如本说明书所用，过渡岐管(transition manifolds)被定位在微通道的进气端和排气端附近，以提供用于制造的改善的视线和目标区域。过渡歧管可以应用于任何尺寸的冷却通路，包括具有在约0.2毫米(mm)至约3毫米(mm)范围内的水力直径的常规通道、微型(mini)通道、微通道等。过渡歧管也可以在尺寸上变化，以实现流量计量(flow metering)并控制通过微通道的冷却空气流量。在大体径向方向上变化的歧管深度使得流能够围绕其他微通道或其他主体特征转向(redirecting)，该微通道或主体特征原本需要视线和足够的材料韧带(ligament)来避免可能的交叉。

具有比相邻微通道更大的横截面面积和冷却空气流动面积的过渡歧管为制造进气端和排气端提供了更大的目标，并且可以接受更大的计量孔以克服现有的制造限制。在进气端和排气端的计量区域允许受控的流量和压力，其不太容易受到通道尺寸的制造偏差的影响。通过将排气流导引至向上且超过边缘冷却，而不是在特征之间导引，冷却通道可以沿着边缘移动得更靠近，从而有效地冷却更多的边缘表面。进气流可能被进给并导向成难以到达通道的部件的前缘、后缘或侧边缘。增加着陆/目标过渡歧管的尺寸还可以增加进气端和排气端的可制造尺寸，并且能够实现圆形、跑道形或其他形状的进气/排气轮廓，并降低制造过程中的反冲(backstrike)的风险。

根据歧管是否攻有(tapped with)进气端或排气端，过渡歧管在冷却空气流动方向和路线(routing)上赋予灵活性。过渡歧管可以采取任何形状，包括圆柱体、正方形、矩形或将冷却空气通入通道的任何其他形状。过渡岐管可以被铸造、钻孔、EDM(ElectricalDischarge Machining；电火花加工)、铣削、增材制造或通过它们的任何组合进行加工。可以在每个微通道中使用单个或多个过渡歧管。

不需要额外的制造步骤，因为过渡歧管特征可以作为EDM插入、铣削、铸造、印刷等而结合到现有的通道设计中。通过对现有的EDM或铸造制造方法进行轻微的修改，特征可以被添加到与通道形成相同的制造步骤中。

现在参看附图，具中类似的数字表示类似的部件，图1示出了可以并入本发明的各种实施例的燃气涡轮10的示例。如图所示，燃气涡轮10通常包括具有设置在燃气涡轮10的上游端的入口14的压缩机部段12和至少部分地围绕压缩机部段12的壳体16。燃气涡轮10还包括具有在压缩机部段12下游的至少一个燃烧器20的燃烧部段18和在燃烧部段18下游的涡轮部段22。如图所示，燃烧部段18可以包括多个燃烧器20。轴24轴向地延伸穿过燃气涡轮10。

在操作中，空气26被抽吸到压缩机部段12的入口14中并被逐渐地压缩，以将压缩空气28提供至燃烧部段18。压缩空气28流入燃烧部段18并与燃料在燃烧器20中混合以形成易燃混合物。易燃混合物在燃烧器20中燃烧，从而生成热气体30，热气体从燃烧器20横跨涡轮喷嘴34的第一级32流入涡轮部段22中。涡轮部段通常包括由涡轮喷嘴34的相邻排轴向地分离的一排或多排转子叶片36。转子叶片36经由转子盘联接到转子轴24。涡轮壳体38至少部分地包围转子叶片36和涡轮喷嘴34。转子叶片36中的每一排或一些排可以由设置在涡轮壳体38内的护罩块组件40周向地围绕。热气体30在流过涡轮部段22时迅速膨胀。热能和/或动能从热气体30转移到每级转子叶片36，从而使轴24旋转并产生机械功。轴24可以联接到诸如发电机(未示出)的负载，以便产生电力。此外或作为备选方案，轴24可以用来驱动燃气涡轮的压缩机部段12。

图2是根据了本公开的各种实施例的涡轮部段22的一部分的放大横截面侧视图，其包括示例性转子叶片36和第二级护罩块组件40的一部分。如图2所示，护罩块组件40通常在涡轮壳体38和转子叶片36的尖端部分42之间径向地延伸。护罩块组件40与冷却流体路径44流体连通。冷却流体路径44可以至少部分地由外部壳体38限定。护罩块组件40通常包括安装硬件46，安装硬件46用于将护罩块组件40固定到涡轮壳体38和/或用于支撑多个护罩块区段100，护罩块区段100布置在围绕涡轮壳体38内的转子叶片36的环形阵列中。

图3是对于燃气涡轮10的第一级典型的内涡轮护罩区段60的实施例的透视图，其联接到外涡轮护罩区段62以形成涡轮护罩块组件40。涡轮10包括多个涡轮护罩组件40，它们一起形成围绕相应涡轮级的环。在某些实施例中，涡轮10可以包括多个内涡轮护罩区段60，其连接到相应的外涡轮护罩区段62，用于围绕涡轮10的旋转轴线设置在周向方向90上的每个涡轮护罩区段40。在其它实施例中，涡轮10可以包括多个内涡轮护罩区段60，其联接到外涡轮护罩区段62以形成涡轮块组件40。

如所描绘的，内涡轮护罩区段60包括主体102，主体102具有上游缘或前缘104和下游缘或后缘106，两者均与热气流路30交接(interface with)。主体102还包括第一侧部分108(例如，第一斜面(slash face))和第二侧部分110(例如，第二斜面)，它们大致垂直于前缘104和后缘106设置。主体102还包括一对相对的侧面：燃烧气体侧112和背侧114，它们在前缘104和后缘106与第一侧部分108和第二侧部分110之间延伸。在某些实施例中，主体102(特别是相对的侧面112、114)在周向方向90上在第一侧部分108和第二侧部分110之间和/或在轴向方向92上在前缘104和后缘106之间可以是弧形的(arcuate shaped)。背侧114被构造成与限定在内涡轮外罩区段60和外涡轮外罩区段62之间的腔体118交接。

图4是被冷却结构实施例的剖视图，示出了过渡歧管88的各种通道74路线和相关联的定位。如所描绘的，主体102包括从腔体118的成角度的周边壁120延伸的多个通道74并且沿着被冷却结构的第一侧部分108布置。主体102可以包括2个至30个或更多个通道74。每个通道74被构造成经由进气端76从腔体118接收冷却介质200，并且经由排气口80处的排气端82排出废冷却介质(spent cooling medium)。

在某些实施例中，通道74可以包括如上关于通道74所述的计量特征。在一些实施例中，通道可以完全铸造、用液体射流引导的激光技术(有时称为Liquid MicroJet)切割、利用增材制造工艺“3D打印”、EDM/ECM或者精密加工，形成在燃烧气体侧112附近的主体102内。可用于被冷却结构的增材制造技术包括粘结剂喷射(binder jetting)、定向能量沉积(directed energy deposition)、材料挤出(material extrusion)、材料喷射(materialjetting)、粉末床融合(powder bed fusion)、片材层合(sheet lamination)、光聚合固化(vat photopolymerization)以及它们的组合。

图4-7所示的示例性实施例具有主体102，主体102包括通过在不同位置处使用过渡歧管88来实现的许多微通道图案。内涡轮护罩区段60通常靠近来自压缩机12的冷却介质200。内涡轮护罩区段60包括从压缩机12接收冷却介质200或空气的进气端76。冷却介质200经由进气端76流动到内涡轮外罩段60的主体102内的通道74，进气端76设置在主体102内，并从背侧114延伸到通道74。每个通道74可以包括环形部分(Loop-shaped Portion)78，如图7A所示，或者在其他图中示出的几乎任何图案。然而，微通道的路线和图案不限于任何具体的方向或取向。排气端82或进气端76可以包括计量特征(例如，延伸到通道中的主体102的一部分，其使通道的一部分的横截面面积相对于通道的相邻横截面面积变窄)，以调节冷却流体在通道74内的流量。在某些实施例中，每个通道74本身(不包括排气端部分)用作计量特征(例如，包括延伸到通道中的主体102的一部分)。在其他实施例中，联接到环形部分78或其它通道74部分的进气端76可以包括计量特征(例如，延伸进入端76的主体102的一部分)。在某些实施例中，通道74本身、排气端82或进气端76、或它们的组合包括计量特征。此外，冷却流体经由在第一侧部分108、第二侧部分110、前缘104、后缘106或它们的组合处的排气端82离开通道74(和主体102)。在某些实施例中，通道可以以交替模式布置，其具有邻近第一侧部分108设置的具有进气端76的第一组68通道和邻近第二侧部分110设置的第二组70通道，相邻通道具有相反的取向。

在图4-8中，使用直箭头符号来描绘供应或进气(intake)冷却气流，并且使用“波形(squiggly)”箭头符号来描绘排气(exhaust)冷却气流。在图5A-5C中，T形部分(T(or t)-shaped portions)86通过增加与前缘104相邻的冷却通道74的长度来提供更大的冷却区域。在通道的每个组68、70和72中，T形部分86可以被定位成彼此相邻并且并入来自相对侧微通道74的排气端82。进气端76从腔体118延伸到与通道74流体连通的进气过渡歧管88。排气端82从T形部分86大体上径向地向外定位，从而允许T形部分86彼此相邻定位。每个排气端82从过渡歧管88延伸，过渡歧管88被构造成从多个排气口80排出冷却空气，多个排气口80从T形部分78大体上径向地向外定位。在某些实施例中，主体102包括邻近后缘106设置的通道，其形状不同于设置在主体102的其余部分上的通道。例如，邻近后缘106的通道可以各自包括蛇形图案。

图6A-6C提供具有微通道74的图5的示例性变型的平面图和截面图，其中T形部分86与桥接部分96互连。桥接部分96将足够的微通道冷却表面添加到前缘104，使得前缘104的整个长度被微通道74冷却。在通道的每个组68、70和72中，T形部分86并入来自相对侧微通道74的排气端82。进气端76从腔体118延伸到与通道74流体连通的进气过渡歧管88。排气端82从T形部分86大体上径向地向外定位，从而允许T形部分86被桥接部分96延伸，使得T形部分86彼此流体连通。每个排气端82从过渡歧管88延伸，过渡歧管88被构造成从多个排气口80排出冷却空气，多个排气口80从T形部分86大体上径向地向外定位。在某些实施例中，主体102包括邻近后缘106设置的通道，其形状不同于设置在主体102的其余部分上的通道。例如，邻近后缘106的通道可以各自包括蛇形图案。

图7A-7C提供具有微通道74的示例性实施例的平面图和截面图，其中环形部分78具有定位在环的中心部分内的排气过渡歧管88。在通道的每个组68、70和72中，环形部分78并入来自相对侧微通道74的排气端82。进气端76从腔体118延伸到与通道74流体连通的进气过渡歧管88。排气端82从环形部分78大体上径向地向外定位。每个排气端82从过渡歧管88延伸，过渡歧管88被构造成从多个排气口80排出冷却空气，多个排气口80从环形部分78大体上径向地向外定位。在某些实施例中，主体102包括邻近后缘106设置的通道，其形状不同于设置在主体102的其余部分上的通道。例如，邻近后缘106的通道可以各自包括蛇形图案。通道74的形状也被优化以在通道堵塞的情况下提供足够的冷却。所公开的内涡轮护罩区段60的实施例可以使得能够以更少的空气(例如，与用于涡轮护罩的典型的冷却系统相比)进行冷却，从而降低与在冷却中使用的可记账的(chargeable)空气相关联的成本。

图8A和8B示出了过渡歧管88的附加形状和特征。图8A示出了过渡歧管88的深插入(deep plunge)，其可以以足够的金属韧带绕过表面附近的现有微通道87以保持结构完整性。可以将涂层89施加到主体102的表面以进行热和结构保护。深插入能够实现用于进气端76和/或排气端82连接的更大的或跑道形的孔。图8B示出了过渡歧管88在出口处的额外的插入深度，其可以使得能够在排气端82处具有更大L/D(长度/直径)的膜孔。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本发明，且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造及使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本公开的可专利范围由所附权利要求所限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例包括与所附权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或如果此类其它实例包括与所附权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例意图在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机的被冷却结构，包括：

主体，其具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体；

第一组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第一侧部分布置；

第二组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第二侧部分布置；并且

其中，每组冷却空气微通道还包括至少一个过渡歧管，所述至少一个过渡歧管与相邻微通道流体连通，并且与进气端、排气端以及它们的组合中的至少一个流体连通。

2.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，包括第三组冷却空气微通道，所述第三组冷却空气微通道从所述腔体延伸并且沿着所述前缘和后缘布置。

3.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，所述过渡岐管横截面面积大于或等于所述相邻微通道横截面面积。

4.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，所述过渡岐管在大体上径向地向外的方向上延伸。

5.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，所述进气端与所述腔体流体连通，以及所述排气端与燃气涡轮热气体路径流体连通。

6.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，所述腔体从燃烧气体侧径向地向外定位，所述腔体进一步限定成角度的周边壁。

7.根据权利要求6所述的被冷却结构，其特征在于，每个进气端围绕所述成角度的周边壁定位并且被构造成接受来自冷却流动路径的压缩冷却空气。

8.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，每个微通道包括T形部分，所述T形部分定位成彼此相邻并与所述至少一个过渡歧管流体连通。

9.根据权利要求1所述的被冷却结构，其特征在于，每个微通道包括环形进气端，且所述过渡歧管被定位在所述环的中心部分内。

10.一种燃气涡轮，包括：

压缩机部段；

在燃烧部段中的多个燃烧器，所述燃烧部段被定位在所述压缩机的下游；

涡轮部段，其被定位在所述燃烧部段的下游；

其中，所述燃气涡轮包括多个如上任一项所述的被冷却结构，每个被冷却结构包括：

主体，其具有前缘、后缘、第一侧部分、第二侧部分和腔体；

第一组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第一侧部分布置；

第二组冷却空气微通道，其从所述腔体延伸并且沿着所述第二侧部分布置；并且

其中，每组冷却空气微通道还包括至少一个过渡歧管，所述至少一个过渡歧管与相邻微通道流体连通，并且与进气端、排气端以及它们的组合中的至少一个流体连通。