[發明專利]沖擊冷卻式壁組件、包括它的燃燒器和/或燃氣渦輪及沖擊冷卻方法

有效

• 申請號: 201510318236.4
• 申請日: 2015-06-11
• 公開（公告）號: CN105275620B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: M.T.莫雷;U.本茲;F.鮑姆加特納
• 申請（專利權）人: 安薩爾多能源瑞士股份公司
• 主分類號: F02C7/12
• 分類號: F02C7/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;傅永霄

本公開涉及一種沖擊冷卻式壁組件(12)，其中，流偏轉器(21)布置在受冷卻的壁(7)和套管(10)之間的冷卻流徑(15)中，以使橫向流(16)偏轉遠離第二孔口(14)。流偏轉器(21)沿橫向流(16)的下游方向延伸超過第二孔口(14)，所述流偏轉器(21)的第一支腿沿橫向流(16)的下游方向沿著第二孔口(14)的一側延伸，而第二支腿沿著第二孔口(14)的另一側延伸。根據本公開，在壁(7)的第一對流冷卻區段(29)中未布置沖擊冷卻孔口(13，14)。這是在流偏轉器(21)的上游端和下游端之間的、在由偏轉器(21)遮蔽的區段外部的壁區段。除了沖擊冷卻式壁組件之外，還公開了具有這種組件的燃氣渦輪(1)和用于冷卻管壁的方法。

技術領域

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

功率發生循環的熱力學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，即，導致功率和效率降低。

沖擊冷卻是用于暴露于具有高熱氣溫度的氣體的構件的最高效的冷卻技術之一。為了對壁進行沖擊冷卻，將套管設置在離壁外表面(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，因為沖擊射流在沖擊在壁上之前偏轉且彎曲遠離壁(參見圖2a)。

為了限制橫向流速度，在US 4,719,748 A中已經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。

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，管壁的典型熱負載是不均勻的。例如燃氣渦輪的大多數燃燒室顯示相對于發動機軸線傾斜，這會導致熱氣流方向改變。燃燒室中的熱氣流必須適應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致熱負載較高的區域(所謂的熱點)。為了確保暴露于提高的熱負載的壁的區域的壽命，在這些位置處需要增加冷卻。

發明內容

本公開的目標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。

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置在穩壓室中，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。

在至少一個第一孔口的下游，流偏轉器(也簡稱為偏轉器)布置在冷卻流徑中，以使橫向流偏轉遠離第二孔口。流偏轉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)。流偏轉器具有沿著第二孔口的一側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段中未布置沖擊冷卻孔口，第一對流冷卻區段是在流偏轉器的上游端和下游端之間的、在由偏轉器遮蔽的區段外部的壁區段。被遮蔽區段是流偏轉器的支腿之間的區段。在多個偏轉器布置在冷卻流徑中的布置中，外部區段例如可從一個偏轉器延伸到相鄰偏轉器，或者外部區段可從一個偏轉器延伸到界定冷卻流徑的側壁。