用于冷卻燃氣渦輪的熱氣體路徑中的構件的布置的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃氣渦輪的領域，具體地涉及燃氣渦輪的熱氣體路徑中的冷卻的定子構件。此類構件(例如，定子熱屏障)必須適當冷卻，以便避免這些構件的熱破壞，并且確保足夠的壽命。
【背景技術】
[0002]定子熱屏障的冷卻是有挑戰的任務。熱屏障暴露于燃氣渦輪中的熱氣體路徑的熱和侵蝕性氣體。熱屏障的熱氣體暴露表面的膜冷卻至少在布置成與旋轉葉片末端相對的表面的那些區域處是不可能的。這出于兩個原因。首先，熱屏障與葉片末端之間的間隙中的復雜流場不允許在該構件的表面之上形成冷卻膜。第二，在摩擦事件的情況下，冷卻孔開口通常由該事件閉合，因此防止了用于可靠的膜形成的足夠的冷卻介質的流出，結果在于使熱屏障元件過熱。為了減輕該風險，葉片末端與熱屏障之間的間隙必須增大。
[0003]具有在構件的側面處噴射的冷卻空氣的當前的沖擊冷卻方法是用于冷卻定子熱屏障的廣泛使用的解決方案。
[0004]WO 2010/009997公開了一種具有定子熱屏障的燃氣渦輪，該定子熱屏障借助于沖擊冷卻來冷卻，其中壓力下的冷卻介質(尤其是冷卻空氣)從外環形腔經由穿孔的沖擊冷卻板流入熱屏障節段的沖擊冷卻腔中，并且冷卻熱屏障的熱氣體路徑限制壁。通過熱屏障的側面處的噴射孔，使用的冷卻介質噴射到熱氣體路徑中。
[0005]根據專利申請CA 2644099，沖擊冷卻結構包括沿周向方向連接于彼此的多個熱屏障元件，以便形成包繞熱氣體路徑的環形護罩，以及安裝在徑向外表面上以形成其間的中空腔的護罩蓋。所述蓋具有沖擊孔，該沖擊孔與腔連通，并且通過將冷卻空氣噴射到腔內側的其表面上來執行熱屏障的徑向內壁的沖擊冷卻。開孔的翅片將腔分成子腔。冷卻空氣流過翅片中的冷卻孔，從第一子腔穿過翅片進入第二子腔。
[0006]升高熱氣體溫度需要為熱氣體暴露構件的壁厚所接受，以使金屬溫度下降到可接受的水平。此外，現代燃氣渦輪的效率要求需要旋轉葉片的末端與熱屏障之間的小空隙。然而，該要求使這些元件的設計和它們的制造讓步，該制造變得越來越復雜并且因此更昂貴，并且使熱氣體暴露表面的摩擦阻力的要求讓步，因為薄壁在摩擦事件的情況下提高了破壞的風險。
[0007]專利申請WO 2004/035992公開了燃氣渦輪的熱氣體路徑的冷卻構件，例如，壁節段。壁節段包括用于冷卻介質的多個平行的冷卻通道。冷卻通道的內表面配備有凸出元件，其具有特定形狀和大小以生成靠近壁的湍流，其中效果為增大的熱傳遞。
[0008]文獻DE 4443864教導了燃氣渦輪的冷卻壁部分，其具有多個單獨的對流冷卻的縱向冷卻導管，該縱向冷卻導管在內壁附近延伸并且平行于其，相鄰的縱向冷卻導管在各種情況下經由中間肋條連接于彼此。在縱向冷卻導管的下游端處提供了偏轉裝置，其連接于至少一個回流冷卻導管，該至少一個回流冷卻導管布置在壁部分中的外壁附近，并且多個小管從該至少一個回流冷卻導管延伸至冷卻壁部分的內壁，并且布置在中間肋條分支中。借助于該壁部分，冷卻介質可投入多次使用用于冷卻(對流、滲出、膜冷卻)。
[0009]DE 69601029公開了一種用于燃氣渦輪的熱屏障節段，所述節段包括第一表面、設置成與第一表面相對的后側、限定前緣和后緣的一對軸向邊緣、在前緣附近并且從后側延伸的第一固持器件、在后緣附近并且從后側延伸的第二固持器件，以及蛇形通道，其包括沿邊緣中的一個延伸并且在該邊緣附近延伸的固持器件外延伸的外通路，在外通路內的內通路，以及在外通路與內通路之間延伸以使內通路與外通路流體連通的彎曲通路，從彎曲通路延伸至護罩節段外部以從彎曲通路排出冷卻流體的凈化孔，以及從相鄰固持器件內的位置延伸至內通路的導管，導管容許護罩節段的后側與蛇形通道之間的流體連通，使得噴射到后側上的冷卻流體的一部分流過蛇形通道，其中在操作狀態下朝凈化孔吸收的冷卻流體阻擋彎曲通路中的冷卻流體的分離。
[0010]EP 1517008涉及基于冷卻通道的網絡的燃氣渦輪的熱氣體路徑中的涂覆的壁的冷卻布置。燃氣渦輪壁包括具有前表面和后表面的金屬基底。熱障涂層聯結在前表面的頂上。流動通道的網絡在基底與涂層之間分層，用于在其間運送空氣冷卻劑，用于冷卻熱障涂層。
[0011]為了確保熱屏障的足夠的緊急壽命，熱氣體暴露壁必須設計有足夠的厚度，或者葉片末端與定子熱屏障之間的空隙必須以排除瞬變操作狀態期間的摩擦接觸的方式增大。然而，這以消極方式損害了冷卻效率。
【發明內容】
[0012]本發明的目的在于改進燃氣渦輪的熱氣體路徑中的壁節段(特別是定子熱屏障)的冷卻效率。本發明的另一個目的在于提供一種用于燃氣渦輪的熱氣體路徑中的壁節段的冷卻布置，特別是定子熱屏障，其在其表面由于摩擦事件或裂縫而破壞的情況下延長其緊急壽命。
[0013]該目的通過根據獨立權利要求的壁節段(例如，定子熱屏障)來實現。
[0014]根據本發明的用于燃氣渦輪的熱氣體路徑的壁節段(特別是定子熱屏障)至少包括暴露于相對高溫度的介質的第一表面、暴露于相對低溫度的介質的第二表面，以及連接所述第一表面和所述第二表面并且限定壁節段的高度的側表面，用于冷卻介質的流過的至少一個冷卻通道延伸穿過壁節段，由此至少一個冷卻通道(沿冷卻介質流動方向)包括入口區段、基本上平行于壁節段的所述第一表面以離第一表面的第一距離延伸的第一熱傳遞區段、具有朝第一表面的方向向量的過渡區段、基本上平行于第一表面以離第一表面的第二距離延伸的第二熱傳遞區段，以及用于冷卻介質的出口，由此所述第二距離小于所述第一距離。
[0015]根據第一實施例，入口布置在暴露于相對低溫度的介質的第二表面上。
[0016]根據另一個實施例，以離第一(即，熱)表面的第一距離延伸的冷卻通道的第一熱傳遞區段和以離第一表面的第二距離延伸的第二熱傳遞區段平行于彼此延伸。
[0017]作為優選，兩個平行的熱傳遞區段布置有冷卻介質的相反流動方向。
[0018]根據本發明的優選實施例，壁節段包括多個冷卻通道(即，至少兩個)，由此在各種情況下，兩個冷卻通道沿側向彼此相反布置。
[0019]冷卻通道優選具有矩形截面或梯形截面，由此梯形基部指向暴露于具有相對高溫度的介質的表面。
[0020]根據備選實施例，至少一個冷卻通道的截面形狀在長度上變化。
[0021]根據本發明的壁節段的基本特征在于冷卻通道包括兩個(或更多個)不同熱傳遞區段，由此這些不同的熱傳遞區段在不同平面中定位在壁節段內，即，以離暴露于燃氣渦輪的熱氣體路徑的表面的不同距離。第二冷卻區段比第一冷卻區段更接近熱表面延伸。該區段構造成最佳地冷卻熱屏障。第一區段更遠，并且對壁節段的冷卻貢獻較少。
[0022]由于連續的過度應變引起的摩擦事件或異常磨損，故壁節段(尤其是定子熱屏障)的表面可受損并且冷卻通道被破壞，例如，泄露。在此類事件之后，布置成進一步遠離被破壞區域的冷卻通道的第一無損區段將在一定程度上接管冷卻功能。通過該措施，熱屏障的緊急壽命可顯著地延長。
【附圖說明】
[0023]現在借助于不同實施例并且參照附圖來更詳細闡釋本發明。
[0024]圖1以透視圖示意性地示出了根據本發明的具有集成的冷卻通道的壁節段的基本特征；
圖2以類似視圖示出了具有處于側向相反布置的兩個冷卻通道的壁節段；
圖3-5以截面視圖示出了本發明的不同實施例；
圖6以實施例示出了配備有熱傳遞加強器件的冷卻通道；
圖7示出了配備有多個沿側向相反布置的冷卻通道的定子熱屏障。
[0025]部件列表
10壁節段，定子熱屏障
11暴露于熱氣體路徑的10的表面
12暴露于冷卻介質的10的表面
13 10的側面
14，14，，14”冷卻通道
15冷卻介質，例如，冷卻空氣
1614的入口
1714的出口
1814的第一熱傳遞區段 19離表面11的第一距離
20第一熱傳遞區段與第二熱傳遞區段之間的過渡區段 22 14的第二熱傳遞區段 23離表面11的第二距離 24 12的表面結構
25熱傳遞增強器件。
【具體實施方式】
[0026]圖1示意性地示出了燃氣渦輪的定子熱屏障10，其具有暴露于燃氣渦輪的熱氣體路徑中的熱氣體的第一內表面11、第二外表面12(見