具有微回路冷卻的渦輪機端壁的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體涉及為燃氣渦輪機發動機中的輪葉組件提供端壁冷卻的微回路冷卻模塊，更具體地，涉及為燃氣渦輪機發動機中的輪葉組件提供端壁冷卻的微回路冷卻模塊，其中微回路冷卻模塊包括提供紊流冷卻空氣流的十字交叉通道。
【背景技術】
[0002]世界能源需求持續上升，這需要產生可靠的、可負擔的、高效且環保的能量。燃氣渦輪機發動機是提供高效能量的一種已知機器，并且通常應用于發電廠的發電機或飛機或船中的發動機。典型的燃氣渦輪機發動機包括壓縮機部段、燃燒部段和渦輪機部段。壓縮機部段向燃燒部段提供壓縮空氣流，在燃燒部段，空氣與燃料(諸如天然氣)混合，并且被點火以產生熱工作氣體。工作氣體膨脹通過渦輪機部段并被相關輪葉引導橫跨其中的多排葉片。當工作氣體穿過渦輪機部段時，其引起葉片旋轉，這繼而引起軸旋轉，由此提供機械功。
[0003]嚴格控制工作氣體的溫度，從而使其不超過特定渦輪機發動機設計的某個預定溫度，因為太高溫度可損壞發動機的渦輪機部段中的各個部分和部件。然而，期望使得工作氣體的溫度盡可能高，因此工作氣體的溫度越高，氣體流動越快，這致使發動機更高效地操作。
[0004]在某些燃氣發動機渦輪機設計中，壓縮空氣流的一部分也用于冷卻渦輪機部段中的某些部件，通常是輪葉、葉片和環部段。能夠為這些部件提供的較大程度的冷卻和/或較高效的冷卻允許部件保持處于較低的溫度，并因此工作氣體的溫度可以更高。例如，通過降低壓縮氣體的溫度，需要較少的壓縮氣體來保持所述部分處于期望溫度，從而導致較高的工作氣體溫度和來自發動機的更多能量和效能。此外，通過在渦輪機部段中的一個位置處利用較少的冷卻空氣，更多的冷卻空氣可用于渦輪機部段中的另一位置處。在一種已知的渦輪機發動機設計中，80%的壓縮空氣流與燃料混合以提供工作氣體，并且20%的壓縮空氣流用于冷卻渦輪機部段部分。如果由于冷卻空氣處于更低的溫度而使得較少的冷卻空氣被用于一個特定位置，則更多的冷卻空氣可用于渦輪機部段中的其他區域處，以用于增加冷卻。
[0005]在一些渦輪機設計中采用背面沖擊以及多排薄膜冷卻，以便提供高溫第一輪葉端壁冷卻。在端壁的背面上采用隔區，以更好地控制冷卻流和壓力分布。然而，對于橫跨沖擊孔的固定的沖擊壓力或后沖擊冷卻空氣壓力，每個單獨的隔區經受大的主流壓力-冷卻空氣壓力變化。此外，每個沖擊隔區需要提供比最大主流熱氣體壓力高的后沖擊壓力，以便實現良好的回流邊際(BFM)。因此，在較低的主流熱氣體壓力位置處通常具有過大的壓力。此過大壓力在輪葉吸力側(SS)的尾部處變得更大，在該處，端壁經歷最大主流變化以及最大的冷卻空氣-熱氣體壓力比率。當沖擊孔被灰塵或其他碎片堵塞時，大面積地計量通過沖擊孔的冷卻壓力以便在端壁表面上獲得最大薄膜冷卻可能會導致熱氣體吸入問題。由于此大隔區冷卻構造，對于具有大的外部熱氣體溫度和壓力變化的輪葉端壁，有時難以實現流方向和圓周方向的冷卻流控制。此外，具有用以覆蓋大的端壁區域的大沖擊腔的單個沖擊冷卻技術通常不是用于利用冷卻空氣的最佳方法。造成的冷卻流的分布不均會產生低對流冷卻效率。
【發明內容】
[0006]本公開描述一種微回路冷卻模塊，用于為燃氣渦輪機發動機中的輪葉組件提供端壁冷卻。微回路模塊包括外周軌、上板和下板，它們限定在其中的混合室。第一多個間隔開的條元件在混合室的上通道中沿第一方向延伸，并且第二多個間隔開的條元件在混合室的下通道中沿與第一方向相反的第二方向延伸，從而使得第一多個條元件和第二多個條元件形成十字交叉配置。空氣通過下板中的計量孔進入模塊，橫跨十字交叉元件以紊流方式流過混合室并通過上板中的狹縫離開模塊。
[0007]根據結合附圖進行的以下描述和所附權利要求，本發明的其他特征將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008]圖1是燃氣渦輪機發動機的剖切立體圖；
圖2是用于圖1所示的燃氣渦輪機發動機的包括內徑端壁和外徑端壁的已知輪葉組件的立體圖；
圖3是用于圖1所示的燃氣渦輪機發動機的包括內徑端壁和外徑端壁的輪葉組件的立體圖，其中端壁包括提供冷卻的微回路模塊；
圖4是設置在圖3所示的端壁之一中的微回路冷卻模塊之一的頂視圖；以及圖5是沿圖4的線5-5截取的微回路冷卻模塊的剖視圖。
【具體實施方式】
[0009]涉及用于在與燃氣渦輪機發動機相關的輪葉組件的端壁中提供冷卻的微回路冷卻模塊的本發明的實施例的以下論述本質上僅是示例性的，并且決非意在限制本發明或其應用和用途。
[0010]圖1的燃氣渦輪機發動機10的剖切立體圖，燃氣渦輪機發動機包括壓縮機部段12、燃燒部段14和渦輪機部段16，它們全部被包封在外殼30內，其中，發動機10的操作致使中心軸或轉子18旋轉，由此產生機械功。通過非限定性例子示出和描述發動機10，以給出以下對本發明進行論述的背景。本領域技術人員應該明白，其他燃氣渦輪機發動機設計也將受益于本發明。轉子18的旋轉將空氣抽吸到壓縮機部段12中，在該處，空氣被輪葉22引導并被旋轉葉片20壓縮，以被傳送到燃燒部段14，在該處，壓縮空氣與諸如天然氣的燃料混合，在該處通過點火器24點火燃料/空氣混合物以產生熱工作氣體。更具體地，燃燒部段14包括許多周向放置的燃燒室26，每個燃燒室接收通過噴射器(未示出)噴入室26中并與壓縮空氣混合以燃燒產生從而工作氣體的燃料，該工作氣體通過過渡結構28被引導到發動機部段16中。通過在渦輪機部段16中周向放置的靜止輪葉(未示出)引導工作氣體，以使其流過周向放置的可旋轉渦輪機葉片34，這致使渦輪機葉片34旋轉，由此旋轉轉子18。一旦工作氣體穿過渦輪機部段16，它就作為廢氣通過輸出噴嘴36從發動機10輸出。
[0011]每組周向放置的靜止輪葉限定一排輪葉，并且每組周向放置的葉片34限定一排38葉片34。在本非限定性實施例中，渦輪機部段16包括處于交替順序的四排38旋轉葉片34和四排靜止的輪葉。在其他燃氣渦輪機發動機設計中，渦輪機部段16可包括更多或更少排的渦輪機葉片34。可以注意到，最前排渦輪機葉片34 (被稱作第一排葉片)和輪葉(被稱作第一排輪葉)接收最高溫度的工作氣體，其中，工作氣體的溫度隨著其流過渦輪機部段16而降低。
[0012]圖2是用于第一排輪葉的已知輪葉組件40的立體圖，其包括輪葉翼面42、被安裝到翼面42—側的內徑(ID)端壁44和被安裝到翼面42的相對側的外徑(OD)端壁46。許多輪葉組件被安裝在一起，其中，一個組件的ID端壁44被安裝到相鄰輪葉組件的OD端壁46，以限定提供多排輪葉中的一排的環結構。OD端壁46包括外周軌48、多個內分隔肋50和基板52，它們限定多個特殊配置的沖擊隔區54。端壁46中的開口 56與翼面42內的內室58連通。ID端壁44也包括外周軌60、內安裝軌62和基板64，它們也限定沖擊隔區。
[0013]—系列特殊配置的薄膜冷卻孔70穿過ID端壁44的基板64形成，多個特殊配置的薄膜孔72穿過輪葉翼面42形成，并且多個特殊配置的薄膜孔74穿過OD端壁46的基板52形成。從壓縮機部段12流過與特定輪葉排相關的所有翼面中的室58的冷卻空氣流過薄膜孔72并在輪葉翼面42的外表面上產生冷卻薄膜。同樣地，進入OD端壁46中的沖擊隔區54中的冷卻流流過薄膜孔74并在基板52的外表面上提供冷卻薄膜。此外，流入ID端壁44的沖擊隔區中的空氣流流過薄膜孔70并在基板64的表面上產生冷卻薄膜。
[0014]如上所述，可改進剛剛描述的用于在輪葉端壁中提供薄膜冷卻的沖擊隔區設計。本發明提出許多微回路冷卻模塊，它們被塑形和配置為配合在提供改進的輪葉冷卻的輪葉組件40的已有端壁44和46中。這主要在圖3中描繪，圖3示出與輪葉組件40類似的輪葉組件80，其中相似的元件由相同附圖標記表示。如下面將更詳細地描述的，ID端壁44和OD端壁46被重新配置為包括內分隔肋82，內分隔肋82限定特殊配置的隔區86，以便接納提供薄膜冷卻的多個特殊配置的微回路冷卻模塊84。
[0015]圖4是頂視剖視圖，并且圖5是從ID端壁44取下的一個微回路冷卻模塊84的沿圖4的線5-5截取的側視剖視圖。盡管模塊84在圖4和5中被示出為矩形，但需強調的是，模塊84的形狀可以是用于端壁44和46中的隔區的任何合適的形狀。模塊84包括