本發(fā)明涉及一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子熱屏蔽件、一種設(shè)有這種定子熱屏蔽件的燃?xì)鉁u輪機(jī)，以及一種冷卻定子熱屏蔽件的方法。

背景技術(shù)：

燃?xì)鉁u輪機(jī)定子熱屏蔽件（shs）（具體地第一級(jí)）的冷卻是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。實(shí)際上，由于兩個(gè)原因，主動(dòng)地被用于葉片部件的熱氣體暴露的表面的膜冷卻幾乎不適用于旋轉(zhuǎn)葉片通過shs的區(qū)域。首先，shs和葉片尖端之間的間隙中的復(fù)雜流場不允許冷卻膜的發(fā)展，并且所得的膜有效性低并且難以預(yù)測。其次，在刮擦事件的情況下，能夠封閉冷卻孔開口，從而防止所需的冷卻空氣流出，這將對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)具有不利影響并且減少壽命。

因此，現(xiàn)有技術(shù)的shs冷卻的非常普遍的實(shí)踐是使用用通過對(duì)流孔從shs的側(cè)面排放的冷卻空氣的大量沖擊冷卻，這限制了總體冷卻效率。

重型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（例如，對(duì)于聯(lián)合循環(huán)）的進(jìn)一步研發(fā)集中在循環(huán)參數(shù)的升高：壓力比和熱氣體溫度。在長期的觀點(diǎn)中，即使排放面積和空氣-熱氣體壓力比顯著增加，熱氣體路徑部件都將必須在2000-2200k的渦輪機(jī)入口熱氣體溫度下生存，并且可用的對(duì)流冷卻方案將不可能保證第一級(jí)shs的適當(dāng)壽命。

由渦輪機(jī)入口溫度的過度增長引起的第二潛在問題是葉片尖端區(qū)域的壽命的惡化，該葉片尖端區(qū)域通常暴露在由尖端間隙區(qū)域中的幾何限制和高湍流水平驅(qū)動(dòng)的最嚴(yán)苛的熱條件下。為了將該具體區(qū)域中的壽命提高到可接受的水平，將需要通過打開排放區(qū)域來顯著增加冷卻流速。該動(dòng)作將對(duì)整個(gè)渦輪機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)效率具有不利影響。此外，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，葉片尖端區(qū)域中的熱氣體和冷卻劑流之間的高離散性，和任何局部熱氣體斑紋都能夠引起壽命限制位置。

用于定子熱屏蔽件的大多數(shù)已知的冷卻方案涉及成熟的制造技術(shù)（鑄造、機(jī)加工、釬焊）和常規(guī)的冷卻特征（沖擊、銷和圓筒形孔）。

更寬的擴(kuò)展方案是沖擊與側(cè)排放的組合，如比如在us2012/0251295a1和us6139257中所公開的那樣。所有這些方案均是穩(wěn)健的，但由于僅在對(duì)流冷卻內(nèi)的限制，通過shs的前方、側(cè)面和后方的長孔的排放將其冷卻效率限制在現(xiàn)有技術(shù)水平內(nèi)。

us2005/0058534a1、us5538393提出了蛇形冷卻方案，ep2549063a1提出了螺旋形冷卻方案。雖然給定的冷卻方案由于高的熱利用率而是相當(dāng)有效的，但其冷卻效率也由固定的冷卻劑限制于熱氣體壓頭并且不存在任何種類的外部冷卻。特別應(yīng)當(dāng)說的是，對(duì)于不均勻的外部邊界條件設(shè)計(jì)的可調(diào)性低。

us2009/0035125a1、us5165847、us5169287、us6139257、us6354795b1和ep1533478a2提出了在熱氣體暴露表面處有冷卻空氣噴射的沖擊冷卻的shs。該方案允許使壓頭和部件的沖擊熱傳遞速率和對(duì)流冷卻效率最大化，然而所有這些公開內(nèi)容都具有以下缺陷：在刮擦事件的情況下（在重型燃?xì)鉁u輪機(jī)中總是存在刮擦的風(fēng)險(xiǎn)）能夠封閉冷卻孔出口，從而阻止冷卻空氣流并且因此引起shs的過熱。此外，由于朝向葉片的后緣定位排放孔，在前述教導(dǎo)中沒有考慮葉片尖端的冷卻。

us2012/0027576a1和us2012/0251295a1提出了在shs的完全熱氣體沖洗表面處顯露冷卻空氣的噴射冷卻方案。再次地，沒有給出對(duì)刮擦的緩解，并且在緊密的徑向間隙的情況下，這部分對(duì)于安裝而言至關(guān)重要。

wo2013129530a1提出了在深保持凹槽內(nèi)的外部“膜”冷卻組織的示例；然而，沒有給出用以冷卻凹槽之間的厚金屬區(qū)域的冷卻建議。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了前述問題的解決方案。

對(duì)于長期的進(jìn)一步研發(fā)，當(dāng)重型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)正努力應(yīng)對(duì)2000-2200k的渦輪機(jī)入口熱氣體溫度時(shí)，可用的對(duì)流冷卻方案將不能保證有足夠冷卻空氣消耗的第一級(jí)定子熱屏蔽件的適當(dāng)壽命。第二個(gè)潛在問題是已由最嚴(yán)苛的條件暴露的尖端區(qū)域中的壽命惡化，并且需要整體和局部冷卻效率的突破性提高。所提出的shs冷卻組織方案確保前述兩個(gè)部件的所需壽命。

因此，本發(fā)明的目的之一是改善燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子熱屏蔽件和轉(zhuǎn)子葉片的葉片尖端的壽命。本發(fā)明的另一目的是改善燃?xì)鉁u輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)，具體地減小尖端間隙損失。本發(fā)明的又一目的是節(jié)省冷卻劑。

本發(fā)明的目的由用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子熱屏蔽件解決，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括熱氣體流動(dòng)路徑，所述定子熱屏蔽件包括：

第一表面，其適于布置成面向所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體流動(dòng)路徑；

與所述第一表面相對(duì)的第二表面；

冷卻通道，其用于從所述第二表面朝向所述第一表面引導(dǎo)冷卻流體；

布置在所述第一表面處的腔，其用于接收來自所述冷卻通道中的至少一部分冷卻通道的冷卻流體；

其中，至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道，所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道朝向彼此傾斜。

所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道中的每一個(gè)均具有用以在所述第二表面處接收冷卻流體的入口和用以將冷卻流體的射流排入相應(yīng)腔內(nèi)的出口，所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道被布置成使得從所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道排出的冷卻流體的射流相互作用，從而由此在腔中提供冷卻流體的渦流。冷卻流體的射流的相互作用允許冷卻流體在腔中旋動(dòng)，并且由此在冷卻流體被吸出保持腔之前被保持在腔中并與熱氣體混合。因此，根據(jù)本發(fā)明的腔是保持排放腔。根據(jù)本發(fā)明的保持排放腔允許shs的外部冷卻，并且同時(shí)緩解刮擦事件的影響，從而防止排放孔封閉。從保持排放腔吸出的冷卻流體降低了shs和經(jīng)過葉片的尖端區(qū)域處的下游暴露溫度。此外，使用根據(jù)本發(fā)明的腔允許徑向尖端間隙的最小化，其目的在于增加渦輪機(jī)性能。

根據(jù)本發(fā)明的腔被配置為輔助腔中冷卻流體的射流的旋動(dòng)，即，布置冷卻流體的環(huán)流（circulation）。具體地，腔朝向第一表面擴(kuò)展。腔可以是大致半球形的。此外，當(dāng)從第一表面觀察時(shí)，腔可以是橢圓形的。

所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道可以相對(duì)定子熱屏蔽件的第一表面以20°和40°之間，優(yōu)選地25°和35°之間的角度，更優(yōu)選地以30°的角度傾斜。

所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道中的每一個(gè)均具有中央軸線，并且優(yōu)選地，所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道的所述中央軸線相對(duì)于彼此偏移，使得所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道的中央軸線不在相應(yīng)的腔中相交。傾斜和偏移的通道允許冷卻流體在腔中的穩(wěn)定環(huán)流。

優(yōu)選地，至少一個(gè)腔的所述至少兩個(gè)冷卻通道與其它腔的貫通通道相交，以布置兩個(gè)相應(yīng)冷卻通道的相交部，其中冷卻通道在相交部中流體連通。優(yōu)選的是，所述兩個(gè)分別相交的冷卻通道的中央軸線相對(duì)于彼此偏移，以便不布置在一個(gè)共同平面中。除了冷卻流體在腔中的穩(wěn)定環(huán)流之外，這種布置還允許在相交部區(qū)域中的額外的熱交換和高且均勻的冷卻熱傳遞速率。這提供了內(nèi)部對(duì)流冷卻網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的前述目的，與相應(yīng)腔相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道恰好包括朝向彼此傾斜的兩個(gè)冷卻通道可以是充分的。

所述兩個(gè)冷卻通道的中央軸線可以相對(duì)于彼此偏移，優(yōu)選地半直徑偏移，使得所述兩個(gè)冷卻通道的中央軸線不在相應(yīng)腔中相交。兩個(gè)半直徑偏移的通道允許冷卻流體在腔中的最穩(wěn)定的環(huán)流。

在優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)腔的所述兩個(gè)冷卻通道中的一個(gè)與相鄰腔的兩個(gè)冷卻通道中的一個(gè)相交，以布置第一相交部，其中在第一相交部中相交的冷卻通道流體連通。優(yōu)選地，當(dāng)被視作至第一表面上的投影時(shí)，第一相交部大致位于所述一個(gè)腔和所述相鄰腔之間。更優(yōu)選地，所述一個(gè)腔的所述兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道中的所述一個(gè)也與鄰近所述相鄰腔的至少一個(gè)腔的兩個(gè)冷卻通道中的一個(gè)相交，以布置至少第二相交部，其中所述至少第二相交部中相交的冷卻通道流體連通。在相應(yīng)的相交部中相交的冷卻通道的中央軸線相對(duì)于彼此偏移，優(yōu)選地半直徑偏移，以便不布置在一個(gè)共用平面中。除了冷卻流體在腔中的穩(wěn)定環(huán)流之外，這種布置還允許相交部區(qū)域中的額外的熱交換和高且均勻的冷卻熱傳遞速率。這提供了內(nèi)部對(duì)流冷卻網(wǎng)絡(luò)。改變冷卻通道的大小和偏移值允許冷卻熱傳遞速率的非常局部的優(yōu)化。

通常，當(dāng)在垂直于定子熱屏蔽件的第一表面的平面中觀察時(shí)，如果所述兩個(gè)冷卻通道的軸線會(huì)聚在相應(yīng)腔中，則冷卻流體的環(huán)流是可能的。

為了布置均一的外部冷卻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)從第一表面觀察時(shí)，腔可以布置成沿定子熱屏蔽件的縱向方向延伸的排，并且腔的排可以交錯(cuò)。

冷卻通道可以設(shè)置為對(duì)流圓筒形通道或管。

定子熱屏蔽件可通過容易的常規(guī)工藝制造，例如通過鑄造、機(jī)加工、釬焊以及像選擇性激光熔化（slm）那樣的增材制造方法。

本發(fā)明還涉及一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，其包括至少一個(gè)如上所述的定子熱屏蔽件。用在燃?xì)鉁u輪機(jī)中的冷卻流體可以是冷卻空氣。

本發(fā)明還涉及一種冷卻定子熱屏蔽件的方法，

所述定子熱屏蔽件具有適于布置成面向燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體流動(dòng)路徑的第一表面；

與所述第一表面相對(duì)的第二表面，用于從所述第二表面向所述第一表面引導(dǎo)冷卻流體的冷卻通道；

布置在所述第一表面處的腔，其用于接收來自所述冷卻通道的至少一部分的冷卻流體；

其中，至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道，所述至少兩個(gè)對(duì)應(yīng)冷卻通道朝向彼此傾斜；

所述方法包括以下步驟：引起冷卻空氣流動(dòng)通過所述冷卻通道并將兩個(gè)冷卻通道的冷卻氣體流注入一個(gè)腔內(nèi)，

其中所述兩個(gè)冷卻通道是偏移的，使得在所述腔中形成渦旋。

所有上述特征均可彼此組合以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。

本發(fā)明的目的和方面也可從本發(fā)明的以下描述中看出。

通過使對(duì)流通道相交，并且將冷卻空氣抽至輪廓特殊的旋動(dòng)保持腔內(nèi)（該旋動(dòng)保持腔組織向shs外部的穩(wěn)定低溫環(huán)流）來布置所提出的shs的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)冷卻。該冷卻方案是高效的并且提供所需的壽命和/或冷卻劑節(jié)省。shs冷卻空氣的這種利用導(dǎo)致葉片尖端間隙區(qū)域中混合物溫度降低，從而提供其壽命改善（或葉片冷卻劑減少）和空氣動(dòng)力損失的減少。所提出的冷卻方案免于刮擦，是穩(wěn)健的，并可容易用于通過常規(guī)制造方法或增材制造方法制造。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的定子熱屏蔽件的一段的橫截面視圖，其帶有相交的冷卻通道和保持排放腔的組合以及流動(dòng)布置；

圖2示出圖1的定子熱屏蔽件的等距視圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的定子熱屏蔽件的第一表面（熱氣體暴露表面）的視圖，其帶有交錯(cuò)布置的保持排放腔；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的定子熱屏蔽件的橫截面視圖，其帶有相對(duì)于燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的葉片布置的相交的冷卻通道和保持排放腔的組合。

具體實(shí)施方式

參考圖1，用于燃?xì)鉁u輪機(jī)（具體地第一級(jí)）的定子熱屏蔽件1包括第一表面2，其適于在燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作期間暴露于流動(dòng)通過燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體，即，面向燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體流動(dòng)路徑。此外，定子熱屏蔽件1包括與第一表面2相對(duì)的第二表面3。第二表面背離熱氣體流動(dòng)路徑并且連接到冷卻流體供給。在燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作期間，第二表面3暴露于冷卻流體4。為了從第二表面3朝向第一表面2引導(dǎo)冷卻流體4，定子熱屏蔽件1具有貫通冷卻通道5、5'。每個(gè)冷卻通道5、5'均具有用以接收冷卻流體4的饋送入口和用以排出冷卻流體射流的出口。腔6設(shè)置在第一表面2上，其具有帶有朝向由熱氣體沖洗的第一表面2的擴(kuò)展部的特殊輪廓。腔通向熱氣體流動(dòng)路徑。每個(gè)腔6均具有通向其的兩個(gè)冷卻通道5、5'。兩個(gè)冷卻通道5、5'朝向彼此傾斜并且布置成在腔6中提供冷卻流體的環(huán)流7。冷卻通道5、5'可以以最佳30°相對(duì)shs的表面傾斜。

腔6的輪廓適合于允許冷卻流體在腔6中的環(huán)流7。由于環(huán)流7，冷卻流體可在其被吸出保持腔6之前保持在腔6中，從而與熱氣體混合并降低shs和經(jīng)過葉片的尖端區(qū)域處的下游暴露溫度。這種布置允許shs的外部冷卻，并且同時(shí)緩解刮擦事件的影響，從而防止排出孔封閉。

另外，延伸通過定子熱屏蔽件1的主體的冷卻通道5、5'限定shs的內(nèi)部對(duì)流冷卻系統(tǒng)。因此，冷卻通道5、5'可設(shè)置為對(duì)流通道或管。

為增加內(nèi)部冷卻效果，一個(gè)腔6的傾斜冷卻通道5、5'與其他腔6的傾斜冷卻通道5、5'相交，以布置相交部8、8'。在該優(yōu)選實(shí)施例中，與一個(gè)腔6相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)冷卻通道5、5'中的一個(gè)5與相鄰腔6的兩個(gè)冷卻通道5、5'中的一個(gè)5'相交，以布置第一相交部8。第一相交部8大致位于所述一個(gè)腔6和所述相鄰腔6之間，如在第一表面2上的投影那樣。與一個(gè)腔6相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)冷卻通道5、5'中的所述一個(gè)5也可以與鄰近所述相鄰腔的至少一個(gè)腔的兩個(gè)貫通通道5、5'中的一個(gè)5'相交，以布置至少第二相交部8'。每個(gè)相交部8、8'均包括兩個(gè)相交的冷卻通道5、5'。

現(xiàn)在參考圖2，能夠看出的是，通向相同腔6內(nèi)的兩個(gè)冷卻通道5、5'的中央軸線相對(duì)于彼此偏移，優(yōu)選地半直徑偏移，以布置冷卻流體的排出射流之間的旋動(dòng)相互作用，并且由此布置更加穩(wěn)定的環(huán)流7。

此外，如圖2中可見的，一個(gè)腔6的冷卻通道5和另一個(gè)腔6的冷卻通道5'彼此相交，使得其軸線相對(duì)于彼此偏移，優(yōu)選地半直徑偏移，以便不布置在一個(gè)共同平面中。相交的冷卻通道5、5'在相交部8、8'中流體連通。在應(yīng)用于冷卻通道的冷卻效果時(shí)，貫通通道5、5'的相交和偏移允許在適度的壓力損失的情況下實(shí)現(xiàn)高熱傳遞增強(qiáng)率。

現(xiàn)在參考圖3，腔6布置成沿定子熱屏蔽件1的縱向方向延伸的排。腔6的排交錯(cuò)以布置均一的外部冷卻網(wǎng)絡(luò)。相交的冷卻通道5、5'的中央軸線的偏移也能夠在圖3中看到。

圖4示出定子熱屏蔽件的實(shí)施方式的示例。在該示例中，定子熱屏蔽件面向轉(zhuǎn)子。多個(gè)腔布置在面向熱氣體流側(cè)的定子熱屏蔽件的側(cè)面上。兩個(gè)冷卻通道從冷卻空氣供給側(cè)延伸到定子熱屏蔽件的熱氣體流動(dòng)路徑側(cè)并且通向腔。

顯然，改變冷卻通道的傾斜角度、冷卻通道的偏移值、相交部的數(shù)量和腔的輪廓允許實(shí)現(xiàn)冷卻流體在腔中的更好環(huán)流、冷卻流體在相交部中的更好的相互作用，并由此實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，該描述和具體示例雖然指示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但僅旨在說明的目的，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。不偏離本發(fā)明的要旨的變型旨在落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變型將不被認(rèn)為偏離本發(fā)明的精神和范圍。

總而言之，將本發(fā)明與其它方案區(qū)別開來的本發(fā)明的主要方面是以下項(xiàng)：

-使用基于帶有優(yōu)選地兩個(gè)相交部的高效的相交的對(duì)流通道建立的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高且均勻的冷卻熱傳遞速率；

-使用帶有半間距（pitch）偏移（半直徑偏移）的成角度的排放射流和異型保持腔允許被排放至腔內(nèi)以便外部冷卻的冷卻空氣的穩(wěn)定環(huán)流；

-使用朝向熱氣體沖洗表面擴(kuò)展的保持腔提供刮擦事件的緩解并允許以增加渦輪機(jī)性能的目的使徑向尖端間隙最小化；

-使用空氣排放到流動(dòng)路徑允許降低熱氣體至冷卻劑混合物溫度并改善葉片尖端區(qū)域中的熱邊界條件（以改善壽命和/或減少冷卻劑消耗）和減小空氣動(dòng)力學(xué)尖端間隙損失；

-shs的給定冷卻方案允許以達(dá)到在所有位置中所得的金屬溫度和應(yīng)力的最大均勻性以及所有緊要（critical）區(qū)域的去除和提供最大壽命和/或冷卻劑節(jié)省的目的，關(guān)于外部因素（諸如軸向壓力分布和熱氣體喚醒）的冷卻熱傳遞速率的非常局部的優(yōu)化（通過改變對(duì)流通道的大小和偏移值）。