冲击冷却组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及冲击冷却组件，更特别地，涉及用于冷却热气导管的冲击冷却组件。
【背景技术】
[0002]功率产生循环的热力效率取决于其工作流体的最高温度，在例如燃气涡轮的情况下，工作流体是离开燃烧器的热气。热气的最高可行温度受到下者的限制:燃烧排放以及与这个热气接触的金属部件的运行温度极限，以及使这些部件冷却到热气温度以下的能力。冷却形成高级重型燃气涡轮的热气流路径的热气导管壁是困难的，而且目前已知的冷却方法带来高性能惩罚，即，导致功率和效率降低。
[0003]对于暴露于具有高的热气温度的气体的构件来说，冲击冷却是最有效的冷却技术之一。为了对导管进行冲击冷却，将套管设置成与导管外表面相距短的距离。冲击套管包含成阵列的孔，压缩冷却气体通过孔排出，以产生成阵列的空气射流，空气射流冲击在导管的外表面上，并且冷却该外表面。在冲击之后，冷却气体在由导管和冲击套管界定的冷却路径中流向导管的一端。这个流产生所谓的横向流。通常，第一冲击排允许冲击导管，而不在冷却通道中产生任何横向流。随着后续的冲击排数量朝导管的端部增加，冷却通道中的横向流增加。作为缺点，增加冷却通道中的横向流会阻碍和降低冲击冷却的可行热传递系数，因为在冲击射流冲击到燃烧室壁(图3a)上之前,冲击射流被偏转且完全远离燃烧室壁。
[0004]为了限制横向流速度，在US 4719748A中已经提议，在冷却通道的长度上增加冷却通道的高度。但是，冷却通道的高度增加会降低冲击射流到达导管壁的速度。
[0005]除了降低在以冲击冷却的方式冷却的导管的长度上的冲击冷却的效率，导管壁的典型热负载是不均匀的。例如，燃气涡轮的大多数燃烧室显示相对于发动机轴线倾斜，这导致热气流方向改变。燃烧室中的热气流必须适应主流方向上的这个变化，这在燃烧室壁的典型位置上产生热负载较高的区域(所谓的热点)。为了确保导管的暴露于提高的热负载的区域的使用寿命，在这些位置处需要的冷却增加。
【发明内容】
[0006]本公开的目标是提供一种冲击冷却组件，它允许不依赖于导引热气流的导管壁的位置而对导管壁进行高效的冲击冷却。
[0007]公开的用于冷却导管的导管壁的冲击冷却组件包括冲击套管，导管在热气流路径中导引热气流，热气流路径具有上游端和下游端。冲击套管至少部分地设置在压缩空气气室中，并且套管具有包围导管的多个孔口，使得通过孔口从压缩空气气室喷射出的冷却空气冲击在导管壁上。套管与导管壁间隔一距离，以在导管壁和冲击套管之间形成冷却流路径，使得喷射的空气作为横向流而流向套管的端部处的出口。
[0008]这种组件例如可用于冷却燃气涡轮的导管壁，更特别地用于冷却燃烧器或燃烧室的壁。
[0009]冷却流和热气流典型地以逆流的方式流动，S卩，冷却流从导管的下游端流到导管的上游端。但是，可设想到具有平行冷却空气流和热气流的组件。这种平行流组件对于具有分级燃烧或顺序燃烧的燃烧室和燃烧器组件(其中，额外的空气喷射到第二燃烧级中)可为有利的。对于所谓的后贫化燃烧，冷却空气例如也可为空气。另外，冷却空气可用作第二燃烧级的稀释空气，以通过在第一火焰下游将冷却空气混合到热气来冷却热气。
[0010]根据第一实施例，至少一个偏流器布置在冷却流路径中，以使横向流偏转远离至少一个孔口。
[0011]偏流器可为从套管或导管壁延伸到冷却通道中的肋或壁，或者可使套管与导管壁连接。
[0012]典型地，偏流器连接到套管上，或者形成套管的组成部分，因为套管的热负载较低，因为套管不暴露于热气，并且因此可使用较廉价的材料。备选地，偏流器可连接到导管壁上，或者形成导管壁的组成部分。照这样，它们可用作冷却肋，以较好地冷却导管壁。
[0013]根据冲击冷却组件的另一个实施例，偏流器布置在将冷却空气喷射到冷却流路径中的第一孔口的下游。更特别地，偏流器布置在第一孔口的下游和将冷却空气喷射到冷却流路径中以进行冲击冷却的第二孔口的上游。
[0014]更特别地，偏流器在横向流中产生尾流，并且用于在冷却流路径中喷射冷却空气的至少一个孔口布置在偏流器的尾流中。
[0015]在冲击冷却组件的另一个实施例中，偏流器从导管壁延伸到冲击套管。因而，偏流器可关闭冷却流通道的一部分，并且使这部分中的横向流完全停止。
[0016]在冲击冷却组件的又一个实施例中，偏流器使冷却空气通道的一部分与上游横向流隔开，以开始新的冷却流区段，新的冷却流区段在偏流器的下游端处通到冷却空气通道。
[0017]在冲击冷却组件的备选实施例中，偏流器从导管壁或冲击套管延伸到冷却流路径中，冷却流路径的高度小于冷却流路径的高度。因而横向流的一部分可经过偏流器，允许有最小冷却空气流，即使冲击偏流器下游的孔口例如在运行期间被污垢堵塞。此外，在偏流器和导管壁之间、相应地在偏流器和套管之间产生的间隙允许两个构件由于热膨胀而进行相对移动。
[0018]在冲击冷却组件的另一个实施例中，偏流器包括壁区段，壁区段布置成相对于导管的轴线成介于+/-5°和90°之间的角。为了较好地堵塞冷却流路径的一部分，偏流器可布置成处于+/-30°和90°之间的角，或者超过45°和高达90°的角。
[0019]在又一个实施例中，冲击冷却组件包括布置成彼此紧邻的至少一对偏流器。各个偏流器包括壁区段，并且壁区段相对于彼此定向成使得它们以范围为10°至160°的角张开。由于壁区段是张开的，所以两个偏流器之间的流动面积沿横向流的下游方向增大。由于流动面积增大，两个壁区段之间的横向流的速度降低，以允许在这个区域中进行较有效的冲击冷却。相应地，尽管在两个壁区段之间喷射额外的冷却空气来进行冲击冷却，流速仍可保持恒定，或者横向流速的提高量相对于没有偏流器的组件而降低。
[0020]更特别地，冲击冷却组件可具有一定高度的冷却流路径，该高度沿着冷却流路径的长度基本是恒定的。冷却流路径的长度是在冷却流路径中的冷却流的流向上从第一冲击孔处的上游端到冷却流路径的在冷却流路径的下游端处的出口的延伸。
[0021]在冲击冷却组件中，偏转流经过导管壁所处的冷却空气流路径的区域中的冲击密度可小于偏流器下游的区域中的冲击密度。更特别地，对于为冷却流路径的高度的至少两倍的长度，偏流器下游的区域中的冲击密度可较大。
[0022]冲击密度是冲击流量/导管壁面积。冲击密度随每单位面积的孔口的个数、孔口的横截面积，以及可用于驱动冲击射流的压降和孔口的损失系数或冲击射流的最终速度而改变。
[0023]根据冲击冷却组件的另一个实施例，分隔壁布置在偏流器的上游或下游，分隔壁与平行于横向流在运行期间的流向的主要延伸对齐。这种分隔壁也可结合到偏流器中。
[0024]在壁的非对称热负载情况下，在偏流器上游的这种分隔壁可用于围绕偏流器对称地导引冷却空气流。因而可确保偏流器的两侧上的区域都得到充分冷却。
[0025]在冲击冷却组件的又一个实施例中，偏流器布置成使得在运行期间它沿横向流的下游方向产生死区(deadwater)。至少一个孔口布置在套管中，使得冷却空气在死区中冲击在导管壁上。偏流器可为简单的壁，或者布置在冷却流中的另一个钝形本体，或者偏流器例如可为筒体。
[0026]典型地，偏流器布置成从导管壁或套管相对于壁或套管表面以基本直角延伸。
[0027]特别地，由冲击冷却组件冷却的导管界定燃烧室。
[0028]除了冲击冷却组件之外，本公开的目标是包括这种冲击冷却组件的燃气涡轮。
[0029]另外，本公开的目标是用于对导管的导管壁进行冲击冷却的方法，导管在热气流路径中导引热气，热气流路径具有上游端和下游端。具有多个孔口的冲击套管包围必须冷却的导管壁，并且与导管壁隔开一距离，以在导管壁和冲击套管之间形成冷却流路径。冷却空气喷射通过孔口，以冲击在导管壁，并且作为横向流而流向热气流路径的一端处的出口。根据该方法，横向流的至少一部分被至少一个偏流器偏转远离至少一个孔口，该偏流器布置在冷却流路径中的孔口的上游。
[0030]根据方法的另一个实施例，冲击冷却空气喷射通过偏流器下游的孔口，使得在与偏流器相距为冷却流路径的高度的三倍的距离处，冷却流路径中的冷却空气的流速的轴向分量是基本均匀的。为了实现均匀的流，喷射流必须匹配围绕偏流器的流，即，在偏流