故障保險氣膜冷卻壁的制作方法

專利名稱：故障保險氣膜冷卻壁的制作方法
按照由美國陸軍部簽訂的DAAH 10-98-C-0023號合同，美國政府可持有本發明的某些權利。
背景技術：
本發明總的涉及燃氣輪機，更具體地說，涉及其中的冷卻。
在燃氣輪機中，空氣在壓氣機內被加壓，而后在燃燒室中與燃料混合，以產生經渦輪流向下流的熱燃燒氣體。高壓渦輪(HPT)首先自燃燒室接收熱燃燒氣體，從中吸取能量，經其間相應的驅動軸對壓氣機提供動力。低壓渦輪(LPT)在HPT的后方，自燃燒氣體吸取額外的能量，在渦扇式燃氣輪機飛機發動機應用中通常對風扇提供動力。在工業和船用發動機應用中，LPT抑或可用來驅動一根外部驅動軸。
為確保發動機有適當長的使用壽命，在運轉期間，通常通過混合部分的用于冷卻的壓縮空氣來對直接遭遇熱燃燒氣體的各個燃燒室和渦輪部件進行冷卻。燃氣輪機中的冷卻是深奧而復什的，按照需要冷卻的互不聯系的渦輪部件的要求。它采用各種形式的孔，以引導冷卻空氣。
例如，氣膜冷卻孔在燃氣輪機中是公知的，它們具有各種構形，通常傾斜地穿過受冷卻的壁，其進入用以接收壓縮冷卻空氣，出口用以排出這些空氣，以產生一空氣薄膜或過界層，將該壁跟流過該壁的熱燃燒氣體進行熱隔離。經過這些孔引導的空氣造成該部件壁的內部對流冷卻，而在該壁外表面上形成的氣膜起到一種隔熱屏障的作用。
此外，在發動機各部件的選定區內采用熱障涂層(TBC)，以產生附加的隔熱作用來限制受保護的底層金屬或基層壁的溫度，這是公知的。
燃燒室襯套的渦輪各部件由各種超耐熱合金材料制成，它們在燃氣輪機中經受的高工作溫度下具有持續的強度。發動機在其中產生的燃燒氣體的溫度最高時，工作效率最高，但該溫度卻受到沿著該熱燃燒氣體流道適當冷卻發動機所有部件的能力的限制。
由于發動在各種不同的功率大小范圍內運轉的，包括穩態運轉和溫度相應變化的瞬態運轉，這使燃氣輪機中的冷卻結構更加復雜同時，燃氣溫度隨位置而變化，與傳入發動機不同形狀部件的變化的傳熱負荷相對應。
例如，渦扇式燃氣輪機中一般的燃燒室包括一環形流水型罩，若干汽化器間隔分布在該罩的圓周周圍，燃料噴射器安裝在環內的相應空氣旋流器內。自各汽化器排出燃料和空氣混合物并加以點燃，以產生熱燃燒氣體，該燃燒氣體相應影響該燃燒室周圍的溫度變化。因此，每一汽化器產生一局部的熱燃燒氣體層，減少了燃燒室出口端沿圓周的燃燒氣體溫度變化，不過這種燃燒氣體溫度沿圓周的變化依然是存在的。
因此，盡管這些部件通常以較低的燃燒氣體溫度工作，必須將發動機各部件設計成能對預期的最熱燃燒氣體溫度進行適當的冷卻。這樣，燃氣輪機的總效率受制于對各部件提供正常的冷卻空氣量的需求，雖然對冷卻空氣的需求是變化的。
因此，希望提供一種燃氣輪機中冷卻性能改善的流道壁。
本發明詳細說明

圖1中表示的是示例性渦扇式燃氣輪機10的一部分，它圍繞一縱軸線或軸線或中心軸線是軸對稱的。該發動機包括在運轉期間對空氣14加壓的多級軸流式壓氣機。排出的壓縮空氣然后被導至的尾部表示的一環形燃燒室，它包含徑向內、外燃燒室襯套16，它和在上游流線型罩端連接在一起(未示)。該燃燒室流線型罩包含一排汽化器(未示)，在運轉期間將燃料與壓力空氣混合，以產生熱燃燒氣體。
這些燃燒氣體經高、低壓渦輪被導至下游，在通常的渦扇式飛機發動機應用中，這些渦輪分別被用于對壓氣機和上游風扇(未示)提供動力。
該高壓渦輪包含一配置在燃燒室出口處的高壓渦輪定子噴嘴20。在圖2中更詳細地表示了噴嘴20的一示例性實施例，其中包含支撐一排噴嘴定子葉片26的徑向內、外環24，22。
各葉片具有翼面形狀，其相反的壓力側和負壓側在前、后緣之間軸向延伸。該翼面通常是空心的。經該內、外環接收一部分壓縮空氣14，以便將冷卻空氣引向其內。該冷卻空氣也被用來以任何合適的方式冷卻內、外環。
如圖1中所示，燃燒氣體由噴嘴20引至下游，以驅動自HPT中的支承盤向外徑向延伸的一排第一級轉子葉片28。渦輪葉片28在圖3中有更詳細的表示，它具有在前、后緣之間延伸的相應的相反壓力側和反壓側，并且通常是空心的，以在運轉期間接收另一部分壓縮空氣14，供冷卻葉片之用。
圖1還表示一個包圍轉子葉片28頂部的罩30，以便在該罩和葉片頂部之間形成窄的徑向間隙。圖4更詳細地表示配置在葉片頂部上方的渦輪罩30的示例形式，該渦輪罩利用壓縮壓氣14的另一部分以任何合適的方式來冷卻。
圖1所示的第一級轉子葉片28自熱燃燒氣體吸取能量以轉動該支承盤，從而對壓氣機提供動力。燃燒氣體然后排入下游第二級渦輪噴嘴32，然后以任何合適的方式流到一些附加的渦輪級(未示)。
如圖1中所示，熱燃燒氣體是在燃燒室中產生的，并受燃燒室襯套的約束，以便經各渦輪部件流到下游。每一下游渦輪部件包含一些薄壁，在運轉期間燃燒氣體沿這些壁流動，因此必須這些壁不受燃燒氣體加熱。
各渦輪壁部件由在提高燃氣輪機溫度的情況下具有高強度的各種超耐熱合金制成。然后，在運轉期間為確保在持續的發動機運轉中的適當壽命，仍需對各渦輪壁進行適當的冷卻。
圖1-5表示燃氣輪機的這些示例性部件，所有這些部件可包含普通氣膜冷卻孔34的各種型式的排列。氣膜冷卻孔具有各種構形，通常為圓柱形小孔，以約20°至45°的小傾斜角穿過這些壁，直徑范圍為約0.25-1.0mm。
例如，圖1中所示的燃燒室襯套具有各種排列的氣膜冷卻孔34，以產生冷卻空氣附面層，保護襯套暴露的表面不受可能流過的熱燃燒氣體損害。在圖1和2中，渦輪噴嘴葉片26中的內、外環24，22可包含各種型式的氣膜冷卻孔34，為沿暴露于熱燃燒氣體的內、外帶的表面提供空氣隔熱層。
圖3表示轉子葉片28在暴露的葉片壓力側和負壓側以及在葉尖內可如需要包含各種排列的氣膜冷卻孔34。圖4表示在渦輪罩30內采用附加的氣膜冷卻孔34，以保護在運轉期間熱燃燒氣體沿罩流動的暴露表面。
氣膜孔通過使冷卻空氣流過各部件的相應壁來進行冷卻，冷卻了金屬部件的內部及其空氣側。從氣膜冷卻孔排出的空氣在熱燃燒氣體流過的部件的暴露外表面上，產生空氣薄膜或附面層。這樣空氣薄膜提供了一隔熱的附面層，額外地保護各渦輪壁不受熱燃燒氣體侵襲。
如上所述，按照滿足所流過的燃燒氣體流的預期的熱負荷的需要，在各渦輪部件中有選擇地采用氣膜冷卻孔。由于在運轉期間熱負荷發生變化，包含了穩態和瞬態值，各氣膜冷卻孔通常相對于所有可能工況下預期的最高燃燒氣體溫度具有充分的冷卻能力。因此，相對于小于最高燃燒氣體溫度工況，便提供了過多的冷卻空氣，這降低了發動機的總效率。
通過進一步修正氣膜冷卻的應用以減少所需的空氣量可獲得發動機效率進一步提高，而不增加渦輪部件的不希望的局部高溫。
按照本發明，通常采用普通氣膜冷卻孔34的上面所公開的燃氣輪機各部件中的任一部件可被修改成采用有選擇的冷卻，以減少對冷卻空氣的需求。圖5表示一示例性燃氣輪機流道壁36，看成是噴嘴內環24的一部分，它包含按本發明示例性實施例改進的冷卻結構。如下文進一步說明的，流道壁36可合并在運轉時熱燃燒氣體流過的發動機各部件的任何一個內。
在圖6中更詳細地表示了示例性渦輪流道壁36。按它要用在燃氣輪機各部件中的需要，壁本身可具有任何適當的厚度，并且通常一般由通常在燃氣輪機中所見的普通的超耐熱合金金屬制成，該壁具有在運轉期間熱燃燒氣體18流過的外表面38和可由壓氣體沿其產生冷卻空氣14的相反內表面40。
該壁包含多個傾斜的故障保險氣膜冷卻孔42，在內外表面之間延伸。該故障保險孔42跟也用于該發動機的一般氣膜冷卻孔34在構形方面可以是相同的，并且可以按約20°-40°的任何適當的角度值傾斜，其內徑處在和氣膜冷卻孔34相同的范圍內。各故障保險孔42包含一個在壁內表面40處的敞開進口44，以接收冷卻空氣14，還包含一個配置在外表面38處的相反出口46。
按照本發明，流道壁36還包含一層連結于壁外表面38的熱障涂層(TBC)48，以便沿外表面蓋住或賭塞這些故障保險孔42。該熱障涂層可具有在燃氣輪機中所看到的任何普通的成份，如可以是氧化釔穩定氧化鋯(YSE)或ZrO2Y2O3，可按通常方法涂在渦輪各部件上，如圖2中所示采用等離子蒸氣沉積或空氣等離子噴涂。
這樣，隔熱涂層48在運轉期間對熱燃燒氣體18形成隔熱，還封閉故障保險孔42的出口端，從而起到僅在其進口端44散通的盲孔作用。
如圖6中所示，每一盲孔42最好在其進口和出口端之間是空心的，基本上不被堵塞，僅在孔出口處被賭塞或蓋住。這樣，該壁由于盲孔42本身而增加了內表面面積，盲孔對壁提供了內部冷卻，而熱障涂層48使外表面隔熱。此外，最明顯的，熱障涂層封閉了盲孔，阻止冷卻空氣經盲孔排出，這相應地減少了在運轉期間所需要的冷卻空氣量。
在采用圖5和6中所示的故障氣膜冷卻孔42的方法中，在運轉期間燃燒氣體18沿熱障涂層48流動，而冷卻空氣14沿流道壁的內表面40流動以冷卻其內表面，還經其進口流入盲孔42。然后，在運轉期間，熱燃燒氣體18的局部區域可能超出熱障涂層的耐溫能力，最終使其剝落，其中熱障冷層的鱗片50在剝落作用下會脫落，并挪至故障保險孔42的最初封閉的出口46。
敞開的故障保險孔此時可按氣膜冷卻孔通常的方式工作，并允許氣膜冷卻空氣流流過其間，對壁加強冷卻，包括沿剝落附近的壁外表面38形成冷卻空氣膜。
因此，這些故障保險氣膜冷卻孔可處在熱障涂層剝落的高危區內，且不允許冷卻空氣流過這些孔，除非該熱障涂層已被剝落所沖蝕，使孔出口端敞通。發動機的效率固無須在正常運轉期間使氣膜冷卻空氣流流過故障保險孔42而可提高，而且在熱障涂層剝落的情況下，這些故障保險孔會敞通，以提供額外的氣膜冷卻來補償被沖蝕的熱障涂層造成的損失。
渦輪流道壁此時由于敞通的故障保險孔而獲得加強的冷卻，以減少其過早故障的危險，但付出了采用額外冷卻空氣的代價，這會使發動機效率下降。然而，在正常保養運轉期間，具有暴露故障保險孔的失效的熱障涂層的渦輪部件可按需要修理或更換，以使發動機在實際工作中能連續工作。
在圖6所示的示例性實施例中，連結涂層52最初包封故障保險孔區域內的壁外表面38，以增強熱障涂層與其連結。連結涂層52一般比較薄，可具有和所希望的熱障涂層的特殊成份一起使用的任何普通成份。例如，該連接涂層可包括鋁化鉑(PtAl)。
如圖6中的放大視圖所示，各故障保險孔42具有約0.25-1mm的較大直徑，當被暴露時用作氣膜冷卻孔。連結涂層52較薄，而孔出口46按一般的構形突破連結涂層。熱障涂層48明顯比連結涂層厚，并跨過孔出口46，以封閉該出口而使故障保險孔成為一盲通道，僅在其進口44處是敞通的。
在該優選實施例中，孔出口46應利用連結涂層或熱障涂層來堵塞得最少，使熱障涂層的剝落能迅速將孔出口敞通，以排出冷卻空氣。不希望熱障涂層過度堵塞故障保險孔的出口端。過度堵塞在熱涂層局部超溫工作而剝落時會阻止其除去賭塞。
上述故障保險孔42可用于所述各種燃氣輪機流道部件中，以有選擇地局部增強其冷卻。不同的部件具有不同的冷卻需要，各部件通常具有一個或多個承受最高工作溫度的局部區域。因此，這些故障保險孔相應于最高工作溫度或熱障涂層有最高剝落危險的區域可有選擇地設置。
由于運轉溫度能提高效率，因此熱障涂層正在愈來愈多地應用于熱氣輪機中。熱障涂層可與普通的氣膜冷卻孔一起使用，或不與其一起使用，但無論在哪一個例子中，現在可采用故障保險氣膜冷卻孔，以便萬一在運轉期間熱故障涂層剝落的情況下也能提高性能。因此當熱障涂層剝離時該故障保險孔不會蓋住，而備用的氣膜冷卻此時會啟動，以補償由熱障涂層先前引起的冷卻損失。
在圖2、5和6中所示的以上示例性實施例中，流道壁36為采用故障保險氣膜冷卻孔42的渦輪噴嘴內環24或相應外環22的任一種形式。在這些環中，可單獨采用故障保險孔，在這些圖中所示的實施例中，可附加另一種在通道壁內延伸的通常敞通的氣膜冷卻孔34型式。
通常封閉的故障保險孔42可與通常敞通的氣膜冷卻孔34結合成任何需要的型式。在正常運轉期間，熱障涂層會封閉故障保險孔42，并可沿著包含敞通的氣膜冷卻孔34的渦輪壁部分伸展，這些冷卻孔34會通過涂于其上的熱障涂層。
在圖1中，流道壁的一種為具有選定的故障保險孔42型式的燃燒室襯套16的結構形式，這些孔由熱障涂層48封蓋，最好，附加另一種穿通其間的敞通氣膜冷卻孔34的型式。如上所述，燃燒室遭受來自其相應氣化器的熱流，而故障保險孔42和覆蓋的熱障涂層沿軸向可與相應的氣化器對準，以便沿該熱流的軸向流通提供額外的保護。
在圖2和3中，定子葉片26和轉子葉片28為中空的翼面，通常包含垂直的氣膜冷卻孔34。而且，兩種翼面還可包含在任何需要的部位并成所需的選定型式，由熱障涂層48覆蓋的故障保險孔42，以便在由燃燒氣體引起的最大熱負荷的區域內提供額外的保護。
此外，圖3中所示的葉光尤其承受在運轉期間流過的燃燒氣體流產生的高熱負荷，因此，其中可包含由熱障涂層48覆蓋的故障保險孔42。
在圖4中，渦輪罩30還可包含由熱障涂層48覆蓋的故障保險孔42，選定帶或不帶可設置于其上的垂直氣膜冷卻孔34的型式。
上述各實施例在采用較薄的流道壁方面是相同的，這些流道壁具有在運轉期間燃燒氣體流過的外表面和提供自壓氣機流出的冷卻空氣的內表面。故障保險氣膜冷卻孔42按照其在發動機中的特定應用的需要可具有使任何普通的構形成為各種結構形式的流道壁。并單由熱障涂層覆蓋以封閉其出口端。
因此，在運轉期間熱障涂層提供了隔熱，以保護相應的通道壁不受熱燃燒氣體的侵害而無需在選定的部位流過氣膜冷卻空氣流。僅在熱障涂層由于局部過熱而剝落的情況下，這些故障保險氣膜冷卻孔才會完全敞通，供冷卻空氣流流過，并形成保護性的冷卻空氣附面層，以代替由熱障涂層剝落失去的隔熱作用。因此，下面的流道壁得到保護，并確保發動機有效工作直到下一次保養中將受害部件修理或更換。
雖然本文已說明了被認為是本發明的優選和示例性的實施例，然而本發明的其他各種修改，按照本文的說明，對于業內行家是顯而易見的。因此在所附權利要求書中，希望確保所有這些修改均落在本發明的實際行動和范圍內。
權利要求
1.一種約束熱燃燒氣體(18)的渦輪流道壁(36)，包括相反的內、外表面(40，38)；多個在內、外表面之間伸展的傾斜的故障保險氣膜冷卻孔(42)，每孔包含一個用以接收冷卻空氣的在所述內表面上的敞通進口(44)，和一個在所述外表面(38)上的出口(46)；和一層連接于所述外表面并以堵塞方式覆蓋其上所述孔的熱障涂層。
2.按權利要求1的壁，其特征在于還包括一層將所述熱障涂層連接于其上的覆蓋所述外表面(38)的連接涂層(52)。
3.按權利要求2的壁，其特征在于所述孔出口(46)突破所述連結涂層(52)，所述熱障涂層(48)跨過所述孔出口。
4.按權利要求3的壁，其特征在于所述盲孔在所述進口(44)和出口(46)之間是中空的。
5.按權利要求4的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的且附加另一種穿通其間的敞通氣膜冷卻孔(34)型式的燃燒室襯套(16)的結構型式。
6.按權利要求4的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的且附加另一種穿通其間的敞通氣膜冷卻孔(34)型式的渦輪噴嘴環(22，24)的結構形式。
7.按權利要求4的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的且附加另一種穿通其間的敞通氣膜冷卻孔(34)型式的翼面(26，28)的結構型式。
8.按權利要求4的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的且附加另一種穿通其間的敞通氣膜冷卻孔(34)型式的渦輪罩(30)的結構型式。
9.采用按權利要求4所述的渦輪流道壁(36)的方法，包括如下步驟引導冷卻空氣(16)流過所述的內表面(40)并流入所述盲孔(42)；使所述熱障涂層超過耐熱能力，引起其剝落，以使所述孔出口(46)敞通，并允許氣膜冷卻空氣流流過所述敞通孔。
10.按權利要求9的方法，其特征在于還包括采用所述故障氣膜冷卻孔(42)和在相反兩端敞通的附加氣膜冷卻孔(34)，兩者協同工作。
11.一種約束熱燃燒氣體(18)的渦輪流道壁(36)，包括相反的內、外表面(40，38)，多個在內、外表面間延伸的氣膜冷卻孔，和一層連結于所述外表面并將其上的所述孔覆蓋成盲孔的熱障涂層(48)。
12.按權利要求11所述的壁，其特征在于各所述盲孔(42)包含一在所述內表面(40)上用以接收冷卻空氣的敞通進口(44)，和一處在所述外表面(38)上由所述熱障涂層封閉的出口(46)。
13.按權利要求12所述的壁，其特征在于各所述盲孔在所述進口(44)和出口(46)之間是中空的。
14.按權利要求13所述的壁，其特征在于還包括一層覆蓋所述外表面(38)的用以將所述熱障涂層連結其上的連結涂層(52)。
15.按權利要求14所述的壁，其特征在于所述孔出口(46)突破所述連結涂層(52)，而所述熱障涂層(48)跨過所述孔出口。
16.按權利要求14所述的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的燃燒室襯套(16)的結構形式。
17.按權利要求14所述的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的渦輪噴嘴(24)的結構形式。
18.按權利要求14所述的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的翼面(26，28)的結構形式。
19.按權利要求14所述的壁，其特征在于將該壁制成具有所述盲孔(42)型式的渦輪罩(30)的結構形式。
20.采用按權利要求14所述的渦輪流道壁(36)的方法，包括如下步驟引導所述熱燃氣氣體流過所述熱障涂層(48)；引導冷卻空氣(16)流過所述內表面(40)并流入所述盲孔(42)；使所述熱障涂層超過耐熱能力，引起其剝落，以使所述孔出口(46)敞通，并允許氣膜冷卻空氣流流過所述敞通孔。
全文摘要
提供一種約束燃氣輪機(10)中熱燃燒氣體(18)的流道壁(36)。該壁包括相反的內、外表面(40，36)和多個在它們之間延伸的冷卻孔(42)。一熱障涂層(48)連結于該外表面，并將其上的孔覆蓋成盲孔。
文檔編號F01D5/18GK1467366SQ03123130
公開日2004年1月14日 申請日期2003年4月17日 優先權日2002年6月17日
發明者V·A·巴里, V A 巴里, T·E·德馬徹, 德馬徹 申請人:通用電氣公司