专利名称：涡轮机组和燃烧涡轮机的可冷却段的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮机组的可冷却段，尤其涉及一种燃烧涡轮机的罩盖或引导叶片盘(引导环段)。本发明还涉及一种具有这种可冷却段的燃烧涡轮机。
背景技术：
在设计涡轮机组尤其是气体涡轮发动机或蒸汽涡轮机时，一个重要的考虑因素就是要确保发动机的各个部件都被保持在安全的工作温度。对于发动机中如燃烧器和涡轮部分这样的部件而言，尤其需要把它们保持在安全的工作温度，这些部件被暴露于最高工作温度中，并且包括涡轮机喷嘴或叶片，涡轮片(turbine bucket)或转动叶片和罩盖(shrouds)。涡轮喷嘴对环形气体通路中的热气进行引导，使得相邻的成排的涡轮片进行转动，从而产生动力。罩盖在成排的转动涡轮片的径向外部形成一部分气体通路。
在气体涡轮机的涡轮部分中，高的热效率取决于涡轮机高的流入温度。这些流入温度又受到用于制造涡轮喷嘴、涡轮片和罩盖的材料所能安全忍受的热量的限制。在气体通路温度高于材料极限的情况中，这些部件的气体通路表面必须被冷却才能免遭损坏。因此，除了对用于制造这些部件的材料类型和涂层进行改进以外，还采用持续的气体冷却，以便允许涡轮机的工作环境温度超过用于制造这些部件的材料的熔点，而且不会影响它的整体性。
已经采用了大量的流体冷却技术，尤其是空气冷却技术，来尽力有效地均匀地对涡轮部分的部件、燃烧器、以及气体涡轮机的其它部分进行冷却。
在Tiemann等人的欧洲专利申请EP1022437A1中，公开了一种燃烧涡轮机的部件，这种燃烧涡轮机的部件由具有一内部可冷却区域的壁元件构成。在两个壁元件之间有一间隙，以便允许热膨胀的补偿，所述间隙被一密封元件密封住。向所述的内部可冷却区域供给冷却空气，这些冷却空气通过一孔流出，并流入所述间隙，从而使得这些冷却空气对相邻壁元件的冲击冷却，并流出所述的腔。在冷却空气流出所述间隙之后，冷却空气沿着壁元件的外表面流动，从而保护所述的外表面免受燃烧涡轮机中流动的热气体流的影响。
在Tiemann等人的国际专利申请WO00/60219A1中，描述了一种具有一排能被冷却的壁元件的涡轮发动机以及对成这一排壁元件进行冷却的方法。其中的冷却方法包括利用冲击冷却来对第一部件尤其是涡轮机叶片的粗糙部分进行冷却的步骤；以及利用相同的冷却流体来对位于所述第一部件下游的第二部件进行冷却的步骤。为了减少冷却流体的泄漏损失，在第一部件和第二部件之间设置一冷却通路，冷却流体在对第一部件进行冷却之后流经该冷却通路。利用冷却流体以对流的方式对第二部件优选地是一罩盖进行冷却。
在Krebs的德国专利申请DE19727407A1中，公开了一种用于气体涡轮机的燃烧器的隔热盘。在燃烧器的内壁上，安装有所述的隔热盘，从而与这些燃烧器壁形成一腔室。在燃烧室的壁中，冷却流体通道垂直于壁表面，并且具有一些作为喷嘴的孔通入到所述的腔室内。这些喷嘴用于通过被引向所述盘的冷却流体来改善冲击冷却。隔热盘本身具有许多扩散冷却通道，这些扩散冷却通道从所述腔室延伸到隔热盘的外表面，并且相对于隔热盘的外表面倾斜约30度的角。
在Gross等人的WO98/13645A1中，公开了一种闭环式空气冷却的隔热部件。这个隔热部件包括一冷却流体回流通路；一被冷却的热气壁；一入口管道，用于引导冷却流体；一出口管道，用于使冷却流体回流。所述的入口管道朝向所述的热气壁，并且沿着热气壁的方向变宽。
在Becker等人的WO99/47874A1中，公开了一种用于燃烧室的壁段，该壁段被暴露于热燃烧气体。所述的壁段具有一金属支撑构件和固定于其上的一隔热元件。所述的金属支撑构件至少被薄的阻热分隔层部分覆罩盖住。该分隔层被设置在金属支撑构件和隔热元件之间。所述的隔热元件还被冷却气体冷却。
在Prredmore等人的美国专利中，公开了一种气体涡轮装置，在这种气体涡轮装置中，喷嘴构件的部件通过一密封接头被密封住，所述的密封接头包括一密封元件，用于对气体涡轮机的段部分进行密封。所述的密封接头与气体通路间隔开，从而能更有效地进行冷却。所述段包括径向延伸突缘，这些径向延伸突缘把密封接头与气体通路间隔开。为了对所述段进行冷却，冷却装置提供了敞开的或闭合流路的冲击或对流冷却以及膜冷却。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种涡轮机组的可冷却段，其中该可冷却段被暴露于热流体，并且具有改进的冷却特征。本发明的另一个目的是提供这样一种燃烧涡轮机，即，这种燃烧涡轮机的被暴露于热流体的可冷却段的冷却被改进了，所述的热流体用于操作所述的燃烧涡轮机。
鉴于前面的目的以及其它的目的，根据本发明提供了一种涡轮机组的可冷却段，其中的涡轮机组是由热流体来操作的。所述的可冷却段包括冷却壁，该冷却壁沿着一轴向方向和垂直于所述轴向方向的圆周方向延伸；热流体表面，该热流体表面被暴露于所述的热流体。另外，在所述冷却壁和所述热流体表面之间可设置有可透过冷却流体的冷却构件，从而提供了一些冷却表面，这些冷却表面用于通过辐射方式来传递热量。
本发明考虑了这样一个构思，即，在具有可冷却段的涡轮机组中，这些可冷却段被暴露于高温环境中，这些可冷却段具有壁构件，这些壁构件的壁厚大于为了冷却目的的优选厚度，从而确保了这些可冷却段的机械强度的要求。又考虑到了，在给定的内部/外部导热效率和热流体的温度的情况下，材料的温度尤其是冷却壁的温度随着壁厚的增大而增大。这样，一方面使得可冷却段必须承受较高的温度，这会使机械强度或使用寿命减小。另一方面，必须提供更多的冷却流体，以便调节在给定临界值下的材料温度。利用更多的冷却流体，尤其是冷却空气，会导致燃烧涡轮机的整体效率降低，这是由于冷却空气通常是从被供给到燃烧器的空气分离出来的。因此，就避免利用更多的冷却空气。
本发明通过下述方式克服了这个问题，即，引入一冷却构件，该冷却构件允许以辐射方式进行热传递从而进行附加的冷却过程，以便有助于包括对流冷却方式在内的整个冷却过程。一可冷却段具有热流体表面，该热流体表面被暴露于热流体；一些内部表面，这些内部表面位于一冷却构件中，并且处于较低湿度温度环境中，在这样的可冷却段中，热量从一个表面向相邻的另一个表面辐射。只要对置的表面具有几乎相同的温度，通过放出和接收热辐射在所述段中就不会产生温度变化。通过引入一冷却构件，在该冷却构件中，相邻的表面被保持在较低的温度，从而能获得一另外的热传递，即热量从被暴露于热流体的热流体表面传递到朝向冷却壁的所述段内。能被传递的热量与温度的四次方差(T壁4-T表面4)成正比。这意味着能通过辐射方式传递的热量不仅取决于相邻表面之间的温差，而且取决于这些表面自身的实际温度。因此，以热辐射方式进行的冷却过程能通过加入其它的冷却过程例如冲击冷却和/或对流冷却从而显著地提高整体的冷却效率。冷却构件提供一些“冷”的冷却表面，这些“冷”的冷却表面与被暴露于热流体的热流体表面相邻，以便通过热辐射来利用高的冷却潜力。
根据本发明的另一特征，所述的冷却构件由网构成，尤其是由金属丝网构成。所述的网增大了内部的热传递。该网可以充填到冷却流体要供给的一空腔或一腔室，从而除了利用冷却壁的内表面进行冷却之外，还能获得在整个冷却通道或冷却室以热辐射的方式进行的冷却。呈网形式的冷却构件还提供了许多附加的冷却表面，即，金属丝或纤维的表面，这些表面从其它表面接收和向其它表面发出热辐射。从而使得热流体表面附近的冷却表面接收以辐射方式传来的热量，并且把该热量传递到所述网的其它更冷的冷却表面。因此，通过连续的以辐射方式从金属丝向金属丝进行传递热量，就把整个网中的热量从所述的热流体表面引导向所述的冷却壁。这样，通过所述网的冷却表面来对热流体表面进行充分冷却，从而可增大热流体表面和冷却壁之间的温差。所述的冷却流体流经可渗透的网，并且在沿着金属丝流动时吸收热量，从而也有助于冷却。
根据另一个特征，冷却构件由多孔材料构成。该多孔材料也提供了许多冷却表面，这些冷却表面能够以辐射方式进行接收和传送热量，从而使得热量从热流体表面流到冷却壁。由于冷却构件的多孔性，因此，冷却流体能穿过所述的多孔材料流动，从而也可以提供对流冷却。可以根据所用的冷却流体如冷却空气、热流体表面的温度和冷却壁温度以及冷却流体的流速和单位时间内流过多孔材料的冷却流体的量以及其它的参数来调节孔隙度的大小。
根据一个增加的特征，冷却构件的多孔材料是被铸造制成的，并且留有一些孔，这些孔用于在铸造材料中形成孔隙。这些形成孔隙的孔可通过不同的方法来获得，尤其是通过利用一些不同的小核形成所述的孔，这些核在铸造冷却构件之后能被除去，从而使得铸造制成的冷却构件对于冷却流体来说是可渗透的。所述的多孔冷却构件可以与冷却壁和/或热流体表面机械接触，其本身可以是热流体壁一部分。这就使得冷却壁和多孔构件和/或热流体表面和冷却构件之间形成热连接，从而能获得在所述的壁和热流体表面之间直接的热连接，这样就可以提高对流冷却。冷却构件本身通过与热流体表面相连接，从而可用作冷却片或冷却条，从而也可以提高对流冷却。
所述网的对冷却流体的可渗透性以及多孔材料的多孔性可以事先根据涡轮机组内期望的温度和其它限制条件来进行调节。针对涡轮机组的一优选工况来选择冷却构件，必须考虑到，随着质量密度的减小，例如孔隙度增大，以热辐射方式进行的冷却也会减小，这是由于可用于接收和发出热辐射的冷却表面减小了的缘故。另一方面，随着质量密度的增大，流经冷却构件的冷却流体的压力损失也增大，从而使得冷却流体尤其是冷却空气的量被减小。在这种情况中，由于对流经冷却构件的冷却流体的需求增大，从而在冷却效率的提高上获得的收益降低。在这两种极端中，有一个取决于涡轮机组内的温度的范围，允许由热辐射形成有效额外冷却。从理论上讲，利用具有这样一种多孔性/渗透性的冷却构件，即由较热表面所发出的热量被较冷表面所吸收，可以获得最高的热辐射冷却效率。优选地是，冷却构件每单位体积的放热面积被制造得尽可能大。这可以表述为用于吸收辐射的衰减系数Kt除以每单位体积的传热面积(Av)与传热系数(α)的乘积尽量小(Kt/(αAv是小的)。
根据一个附加特征，热流体表面是由热流体壁形成的。优选地是，在这个热流体壁和冷却壁之间，形成哟填有冷却构件的一腔室、一通道或大体上一个空间。此外，当利用多孔材料来作为冷却构件时，热流体表面本身可以形成被暴露于热流体的一部分多孔材料。在热流体壁和冷却壁之间形成的空间能以不同的方式被充填，并被充填说的冷却构件至不同的程度。此外，也可以设置两个或更多个不同的冷却构件，尤其是对冷却流体具有不同渗透性或具有不同孔隙度。而且，在热流体壁和冷却壁之间，通过通道侧壁或腔室侧壁，可以形成许多不同的腔室或通道，这些腔室或通道内可充填不同的冷却构件，有些腔室或通道无需被充填不同的冷却构件，甚至有些腔室或通道无需具有冷却构件。因此，可以获得用于调节冷却能力和可冷却段的冷却效率的各种可能。
根据另外一个特征，热流体壁被保护层覆尤其是被阻热层和/或防蚀层覆罩盖着。通过在热体表面上涂敷保护层，就可以减小可冷却段所需的冷却量和冷却的必要，并且可以增大可冷却段的使用寿命。此外，防蚀或防腐层可以保护热流体壁被以机械方式或化学方式损坏，也可以防止因腐蚀或其它化学作用而使材料成分发生改变。这样就可以延长可冷却段的使用寿命。对于本领域普通技术人员来说，在燃烧涡轮机的部件上涂敷保护层是已知的技术。优选地是，阻热层可以由陶瓷材料制成，例如由氧化钇、氧化铝或类似物进行部分稳定的氧化锆的陶瓷材料制成。防蚀或防腐层可由公知的MCrAlY层、铝氧石(aluminides)或其它物质构成。保护层还可以包含两层或三层不同的层。此外，也可以利用胶粘剂或结合层来把陶瓷层结合到热流体壁上。
根据本发明的另外一个特征，冷却构件由导热材料构成，尤其是由金属或导热陶瓷构成。优选的导热陶瓷是碳化硅(SiC)。碳化硅具有良好的导热性能，并且能承受很高的温度。那些能承受在涡轮机组中所产生的温度的所有适当的金属都可以被采用。优选地是，为了提供一种包含网的冷却构件，可以采用易于被加工成金属丝或纤维的金属。为了为冷却构件提供多孔铸造材料，优选地是，选择那些容易铸造的金属。
根据另一个附加的特征，冷却构件与冷却壁相连接，以便允许热量从冷却构件传递到冷却壁内。冷却构件尤其是网被焊接或铜焊到冷却壁上。包含多孔材料的冷却构件最好在一个制造步骤中与冷却壁被一起铸造。被铜焊到冷却壁上的网用作附加的冷却片或冷却条，从而不仅有助于以热辐射方式进行冷却，而且有助于对流冷却。与通常的冷却片不一样，这种网形成一新的边界层，该新的边界层能进行很高的热传递。此外，与通常的冷却翼片相比，这种热传递可以在热流体表面和冷却壁之间的整个空间中获得。
根据另外一个附加特征，在冷却壁和热流体表面之间设置至少两条冷却通道，以便允许冷却流体沿着轴向方向流动，其中，至少一条冷却通道包含所述的冷却构件。所述的至少两条冷却通道是沿轴向或纵向的冷却通道，用于在所述热流体在涡轮机组中膨胀时使冷却流体沿相同方向流动，所述的这些冷却通道是通过在热流体表面和冷却壁之间的空间中引入纵向侧壁来获得的。这些轴向通道结构简单，而且制造起来成本便宜。通过利用这些冷却通道，就能导致有效的附加的以辐射方式进行的冷却，特别是在位于冷却通道端部也能通过对流冷却充分吸收热量的温度下也是如此。
根据一个伴随的特征，可冷却段包括至少两个冷却室，这些冷却室被设置在冷却壁和热流体表面之间，以便允许冷却流体能从冷却壁几乎垂直于冷却壁流向热流体表面。冷却室可以被制成一冷却通道，该冷却通道沿着圆周方向延伸，或者具有大致呈方形断面。冷却室中的冷却流体基本上从冷却壁被直接引导到热流体表面，并且并不沿着轴向方向，这就意味着冷却流体从冷却壁流到热流体表面。因此，冷却流体从冷却壁流到热流体表面所流经的距离足够短，以致于冷却流体具有低温，以便在涡轮机组内获得所有相关温度下，在冷却流体流到热流体表面的同时能吸收热量。这些温度可达1300℃甚至更高。由于设置有两个或更多个冷却室，因此，在整个可冷却段上的具有低温的冷却流体供给到冷却室。因此，只需少量的冷却流体就能获得很高的冷却效率。此外，还避免了冷却流体升温的问题(在冷却流体在轴向流过了较长距离时就会发生该问题)。于是，在高温情况下，冷却流体垂直于冷却壁进行流流动是更合适的，而不是在轴向方向流动。
通过使冷却室具有几乎呈方形的断面，就可以在冷却壁和热流体表面之间形成一个空间，这个空间几乎是立方的，是由沿着圆周方向和轴向方向延伸的侧壁形成的。冷却构件中的温度从冷却壁到热气表面逐渐升高，其中，这种升高几乎是连续的。此外，从冷却壁流向热流体表面的冷却流体的温度也是连续升高。因此在冷却壁和热气表面之间的任何位置，在冷却构件和冷却流体之间存在温差，这个温差几乎恒定不变。这就导致在整个冷却构件上进行大量的对流冷却。由于具有用于使冷却流体垂直流动的许多冷却室和/或用于使冷却流体轴向流动的冷却通道，因此，可以根据涡轮机组的工况，通过选择对冷却流体而言具有一定渗透性或多孔性的冷却构件，从而能调节冷却效率。此外，每秒中流经所述冷却通道或冷却室以及热流体表面的的冷却流体的量能根据冷却通道或冷却室和热流体表面的局部热状况被局部调节。通过采用使得冷却流体垂直流动的冷却室，使得一些参数例如孔隙度或冷却流体的量能在很宽的范围内进行选择，而且不会受到在可冷却段最危险部分所存在的热状况的限制。
根据另一个特征，可冷却段包括一条穿过冷却壁的冷却流体供给通路，用于使冷却流体流入到冷却构件内。所述的冷却流体供给通路可以是设置在冷却壁中的孔。根据冷却壁和热流体表面之间的空间尤其是轴向冷却通道的几何形状，可以选择周向冷却通道或方形空间样的冷却室的数目和流体供给通路的位置。
根据另外一个特征，冷却流体供给通路用作一节流器(throstle)，使得在该冷却流体供给通路中的压力损失要大于冷却构件中的压力损失。由于冷却构件中的冷却流体的压力损失随着因从冷却构件吸收热量所导致的冷却流体温度的升高而增大，这就会导致这样一种状况，即，冷却流体为进行冷却流经冷却构件的较热部分，而流过这些较热部分的冷却流体比流过较冷部分的冷却流体还少。通过将最小的流体断面移到冷却构件入口处，使控制冷却流体流过的主要压力损失发生在具有恒定温度的位置，这样就可以避免发生上述状况。因此，在冷却构件内，可以避免冷却通道的堵塞，可以使得无论是较热部分还是较冷部分，冷却流体在整个冷却构件上的分布几乎是均匀的。此外，流体供给通路中的节流器还允许根据由热流体作用在热流体表面上的压力来调节流经冷却构件的冷却流体的量。这对于燃烧涡轮机是很有利的，在燃烧涡轮机中，可冷却段虽一引导环，由于引导环的长度很短，在整个引导环上由热流体所作用的压力值具有很大的压差。
根据另外一个附加特征，冷却流体供给通路沿着轴向方向分布。如果冷却通道允许冷却流体沿着轴向方向流动，具有低温的新的冷却流体能通过该冷却流体供给通路被引入到所述的冷却通道，从而使得冷却流体具有足够的能力吸收由对流热传递或由热辐射所传递的热量。如果许多周向冷却通道或方形空间样的冷却室被沿着轴向方向设置，那么，冷却流体能通过至少一条供给通路流到每条冷却通道或每个冷却室。
根据另一个附加特征，热流体表面具有至少一个沿着轴向方向的孔，以便使冷却流体流出冷却构件。如果冷却通道沿着轴向方向延伸，那么，所述的这些孔或至少一个孔位于冷却通道的下游端。从而，使得冷却流体可以从冷却通道的上游端流向下游端，同时对可冷却段进行冷却。尤其是对沿着流通路径对热流体表面进行冷却。在具有冷却室尤其是沿着圆周方向延伸的冷却通道或者是具有方形空间样的冷却室的情况中，至少一个孔，优选地是多于两个孔，位于圆周方向上或冷却室的断面上。由于许多冷却室被沿着轴向方向设置，因此，多个孔也被指定给不同的冷却室，这些孔沿着轴向方向延伸，从而允许冷却流体在整个热流体表面流出。这就可以改善热流体表面的膜冷却，并且使得可以在热流体表面和所述壁之间以不同模式设置冷却室，从而能获得很高的冷却效率。
由于在朝着圆周方向延伸的侧壁和沿着轴向方向延伸的侧壁之间形成所述的一些冷却室，因此，就可以通过许多冷却流体供给通路来供应冷却流体。冷却流体供给通路具体地说是位于冷却壁中的一供给孔。此外，在热流体表面上还可以设置许多冷却流体出口，以便使冷却流体能流出冷却构件。于是，冷却流体的预定的垂直流动可以提高冷却效率。布置用周向侧壁和轴向侧壁形成的冷却室还可增大用于以热辐射方式传递热量的表面积，从而进一步提高了冷却效率。
可以不采用把许多出口设置在热流体表面中，这些出口是在热流体壁中设置许多通孔或孔，而是使得热流体表面本身可以是冷却构件的多孔材料的表面，也可以是被暴露于热流体的网的表面。在这种情况中，由冷却构件本身来提供所述的热流体表面。于是，冷却流体不是通过有限数目的离散的出口尤其是孔离开所述的冷却构件，而是通过许多位于冷却构件本身中所具有的不同大小和不同开口角度的开口或空间离开冷却构件。这就进一步减少了沿着热流体表面所形成的局部过热部位。并且通过溢流冷却使得冷却效率很高，而且所消耗的冷却流体很少。由于冷却构件具有可渗透度和孔隙度，而且可渗透度和孔隙度可以在一宽的范围内进行选择，因此，对于每个基本上形成一立方空间的冷却室而言，可以根据作用在热流全表面上的热流体的局部压力来调节流经该冷却室的冷却流体的量。
此外，还可以设置沿着圆周方向延伸的侧壁和沿着轴向方向延伸的侧壁，从而冷却室允许冷却流体垂直于设置在冷却通道附近的冷却壁进行流动，从而使得冷却流体在所述壁和热流体表面之间沿着轴向方向流动。对于能允许冷却流体沿轴向流动的这些冷却室，可以沿着轴向方向在所述壁中设置两个或更多个冷却供给开口，以便在第一供给开口下游引入新的冷却流体，从而确保冷却室内的冷却流体的温度总是足够低。本领域普通技术人员可以根据涡轮机组的工况和所期望获得的冷却效果来事先确定冷却通道和冷却室的位置、分布以及数目。
根据另外一个特征，可冷却段包括一分隔壁，用于引导冷却流体沿着一个方向流动，然后沿着相反的方向回流，以便增大冷却冷却体在流出可冷却段之前的运行时间。优选地是，该分隔壁沿着轴向方向延伸。分隔壁把冷却壁和热流体表面之间的空间分成两个空间，其中一个空间位于冷却壁和分隔壁之间，另一个空间位于分隔壁和热流体表面之间。在这种情况下，冷却流体可以在第一部分中沿着轴向方向向下游流动，然后，在第二部分中流回到上游。此外，还可以设置一个以上的分隔壁，这些分隔壁把冷却壁和热流体表面之间的空间分成两个以上的部分，从而使得冷却流体被缓慢加热。这样甚至可以在较冷的冷却壁和较热的热流体表面之间能进行更高效的热隔离。在某些情况下，这是很有利的。
根据另外一个附加特征，可冷却段是涡轮燃烧机的一元件，尤其是燃烧室的一隔热元件、涡轮机叶片的一罩盖部或用于形成一壁部并与转动涡轮叶片对置的引导环可冷却段。燃烧涡轮机的这些部件被暴露于高温环境中，例如暴露于达1300℃甚至更高的温度环境中，因此，上面所描述棉冷却构件可以确保对这些部件进行有效地冷却，从而使温度被保持在这些部件所用材料的临界温度以下。
根据另外一个特征，可冷却段被设置在燃烧涡轮机中，尤其是被设置在喷射发动机的涡轮部分中，或者是被设置在固定式的气体涡轮机中，该固定式的气体涡轮机可以用于产生电力。可冷却段还可以被设置在用于潜水艇或象汽车或卡车等的陆地车辆中的燃烧涡轮机中。
根据本发明的另外一个目的，提供了一种燃烧涡轮机，这种燃烧涡轮机包括热气室，该热气室具有热气流流动区域。该涡轮机还包括壁构件，该壁构件环绕在热气流动区域周围，并且具有可冷却段，该可冷却段具有冷却壁，该冷却壁沿着轴向方向以及沿着垂直于该轴向方向的圆周方向延伸。该可冷却段具有被暴露于热气的热流体表面，其中，在冷却壁和热流体表面之间设置冷却构件，该冷却构件用于提供一些冷却表面，以便以热辐射方式的热传递来进行冷却，所述的冷却构件是可以透过冷却流体的。对于冷却构件和用于对燃烧涡轮机进行冷却的冷却过程而言，它们具有上面所描述的一些优点。优选地是，可冷却段还包括至少一条穿过冷却壁的冷却流体供给通路，以便使冷却流体可以流入冷却构件内，其中，所述的冷却流体供给通路被沿着轴向方向设置。此外，也可以在热流体表面中设置一些孔或开口，以便使冷却流体可以沿着轴向方向流出冷却构件。
尽管通过描述燃烧涡轮机中的可冷却段来解释和图示了本发明，但是，本发明并不局限于这里所描述的一些细节，这是因为，可以对本发明作出各种变型和结构上的改变，这些均未脱离本发明的构思，并且均在权利要求的限定的保护范围之内。
通过下面对具体实施例的描述，并结合附图，就可以更清楚地理解本发明的中的可冷却段和燃烧涡轮机的结构。
图1是一燃烧涡轮机的沿着纵向方向的局部剖面示意图；图2是沿着燃烧涡轮机的主轴线的一引导环的局部放大的剖面示意图；图3是沿着图2中的线III-III的引导环的局部视图；图4是另一个实施例中沿着燃烧涡轮机的主轴线的引导环的放大的局部剖面图；图5是引导环沿着图4中的线V-V的局部剖面视图；图6是另一个实施例中燃烧涡轮机中的引导环的局部剖面图；图7是另一个实施例中燃烧涡轮机中的引导环的局部立体图；图8是图7中的引导环的放大的局部剖面图；图9是一曲线图，示意性地表示出了图8中的引导环内的温度变化曲线。
具体实施例方式
在所有的附图中，相同的附图标记具有相同的意义。现在来详细地参照这些附图，尤其是参照图1，图中表示出了作为沿着其主轴线21延伸的涡轮机组的一固定式燃烧涡轮机20的剖面图。该燃烧涡轮机20包括一压缩装置22，用于对参与燃烧过程的空气33进行压缩；一环形燃烧室23，具有许多用于液体或气体燃料的燃烧炉34；和涡轮部分24，该涡轮部分24用于驱动所述的压缩装置22和图中未示出的用于产生电力的发电机。该燃烧涡轮机20还包括一涡轮机转子31，在涡轮部分24内，在该涡轮机转子31上具有四排沿着主轴线21间隔开的转动叶片26。涡轮部分24还包括一内部涡轮机机壳28，在该内部涡轮机机壳28上沿着圆周方向安装有四排引导叶片25。第一排引导叶片25位于第一排转动叶片26的上游，并且在其余排的转动叶片26之间设置有一排引导叶片25。一对相邻的引导叶片25和转动叶片排被称作涡轮级(turbine stage)。每个引导叶片25都具有一罩盖27，该罩盖与所述的内部涡轮机机壳28相连。在每排转动叶片26的对面，沿着圆周方向设置一些引导环32，这些引导环32与所述的涡轮机机壳28相连。与内部涡轮机机壳28相连的引导环32和罩盖27形成涡轮部分24的一热气通道30。
在燃烧涡轮机20的操作期间，向压缩装置22供给大气空气33，并在该压缩装置内对大气空气进行压缩。压缩空气33的一小部分(＜5％)被从压缩装置22中分出来，并且用作冷却流体，例如，冷却空气5。其余的大部分压缩空气33被供给到燃烧室23。在燃烧室23中，通过燃烧炉34，图中未示出的燃料与所述的压缩空气33发生燃烧，从而形成高压的热流体29(热气)。这种热气29流经所述的热气通道30，从而通过成排的引导叶片25，这些引导叶片25起着喷嘴的作用，以便使热气29沿着预定路径流向转动叶片26，从而迫使转动叶片26进行转动。热气29还沿着设置在涡轮部分24中的罩盖27和引导环32流动。因此，每个罩盖27和每个引导环32都是涡轮机组20中的被暴露于高热负荷(具体是被暴露于1200℃以上温度)的一些元件。正如将要参照图2详细描述的那样，引导环32是可冷却段1，该可冷却段1具有被暴露于热气29的热流体表面3。作为可冷却段1的引导环32被冷却流体5所冷却，所述的冷却流体5是从流过压缩装置22的空气33中分流出来的空气。燃烧室23和包括热气通道30的涡轮部分24均代表一热气流区域。每个热气流区域都被各自的壁构件包围着，所述的壁构件例如是内部涡轮机机壳或燃烧室壁39。
图2表示出了作为可冷却段1的引导环32沿着燃烧涡轮机20的主轴线21的放大的剖面图。该引导环32具有一壁构件7，该壁构件7具有一钩状端部8，用于把引导环32连接到内部涡轮机机壳28上。它还包括一冷却壁2，该冷却壁2赋予引导环32的机械稳定性，并且用于把热量从热气通道30中传导走。该引导环32还包括被暴露于热气29的一热流体表面3。该热流体表面3一热流体壁9构成的结构表面，其中的热流体壁9被一保护层10覆罩盖着。所述的保护层10本身可由两层或更多层构成，其中被暴露于热气29的一层是一阻热层，具体是由如由氧化钇部分稳定的氧化锆的陶瓷材料制成的阻热层。其它层中的一层可以是结合层或粘接层，该结合层或粘接层用于把所述的陶瓷层结合到热流体壁9上，并且优选地是由合适的耐热金属制成。在热流体表面3和壁2之间，设置有多孔的冷却构件4，该多孔的冷却构件4具有冷却表面6，该冷却表面6用于发出和接收热辐射。这些多孔的冷却构件4可以与可冷却段1的壁构件7被一起铸造。由于冷却构件4的多孔性，因此，冷却流体5尤其是空气能从冷却构件4的上游端区域11主要沿着轴线方向37流向冷却构件4的下游端区域12。在壁构件7的上游端区域11中，尤其是在冷却壁2中，至少一条流体供给通路16，具体是一孔，允许冷却流体5进入冷却构件4。在下游段区域12，在热流体壁9中(即热流体表面3中)的至少一个开孔13允许冷却流体5流出冷却构件4，并流入到热气通道30内，从而与热气29相混合。优选地是，孔13向所述的热流体壁9倾斜一个小角度，以便当冷却流体5流出冷却构件4时能实现膜冷却。
可利用相同的导热材料，尤其是金属，例如面热金属，使多孔的冷却构件4与所述的壁构件7一起铸造。也可以采用不同的方式和利用不同的材料例如象碳化硅的导热陶瓷来制造。冷却构件4直接与冷却壁2以及热流体壁9相连，从而通过热传导就可以对热流体表面3进行冷却。此外，由于冷却构件4内具有许多孔，这些孔形成一些冷却表面6，热量可以在这些冷却表面6之间从较热表面通过热辐射传递到较冷表面，热量的传导是从热流体表面3传递到冷却壁2的。于是，多孔的冷却构件提供两种冷却过程，以便对热流体表面3进行冷却，即连接冷却以及在多孔冷却构件4内通过热辐射把热量从较热表面传递到较冷表面的冷却。多孔冷却构件4本身可以提高可冷却段1(例如每个引导环32)的机械稳定性，从而使得热流体壁9可以比冷却壁2薄很多。
为了提高引导环32的机械稳定性，在热流壁9和冷却壁2之间设置沿着主轴线21方向延伸的轴向侧壁14(见图3)。这些侧壁14可以在引导环32的整个长度上沿着主轴线21方向延伸，从而提供至少两条冷却通道15，冷却流体5通过这些冷却通道15沿着轴向方向37从冷却构件4中的上游端区域11流到下游端区域12。
图4表示出了另一个实施例中的呈引导环32形式的可冷却段1的放大的剖面图。根据图4所示的引导环32所具有的许多特征类似于参照图2所描述的引导环32。因此，在这里参考这些特征的描述。图4所示的引导环32与图2所示的引导环32的不同之处在于热流壁9和冷却壁2之间的冷却构件4。设置有一个空间19，在该空间19中，冷却流体5从上游端区域11流到下游端区域12。这个空间19充填有一冷却构件4，该冷却构件4是由金属纤维制成的金属丝网。这个空间19的上游端部区域和下游端部区域12均被操作盖17封闭住。在燃烧涡轮机20的维修期间，可以把这些操作盖17拆卸下来，从而在燃烧涡轮机20的维修和维护期间把所述的冷却构件4尤其是金属丝网更换成新的。所述的空间19(见图5，图5是引导环32沿着图中线V-V的局部剖面图)被轴向侧壁14分成许多冷却通道15，这些冷却通道15沿着轴向方向37延伸。每要冷却通道15都充填有冷却构件4，例如，充填有金属丝网。轴向侧壁14包括一些横穿孔18，以便允许冷却流体5例如空气能从一条冷却通道15流到相邻的冷却通道15。
由于热流体壁9无需为引导元件32提供机械稳定性，因此，该热流体壁9可以比冷却壁2薄很多，从而，所述的冷却壁2赋予引导环32足够的机械稳定性。薄的热流体壁9被轴向侧壁14机械地支撑着，因此，该薄的流体壁9的弯曲或变形不会超过一预定的量。轴向侧壁14还用作冷却片或冷却肋条，这些冷却片或冷却肋条增大了表面，从而有助于通过传递热辐射来进行冷却。而且在热流体壁9发生局部故障的情况下，这些侧壁还确保了在由其它冷却通道15所覆罩盖的区域中，引导环32能被冷却。
图6表示出了另一个实施例中的引导环32的剖面图，该引导环32类似于图2和图4所示的引导环。该引导环32包括一分隔壁35，用于引导冷却流体5沿着轴向方向37流动，以与涡轮机20的主轴线21对齐。在下游端区域12中，冷却流体5被偏转，从而沿着轴向方向37流回到上游端部区域11。在那儿，冷却流体5通过一孔13流出所述的空间19和冷却构件4。分隔壁35把所述空间19分成一个位于分隔壁35与冷却壁2之间的子空间以及另一个位于分隔壁35和热流体壁9之间的子空间。如上所述，空间19和由分隔壁35所分隔出的子空间可包括一些冷却通道15，这些冷却通道15被轴向侧壁14分离开。通过引入所述的分隔壁35，在冷却构件4中的冷却流体5的流通路径的长度可以被增大，从而可以使冷却流体5被缓慢加热，这就可以在热流体壁9和冷却壁2之间导致更高的热隔离。
图7表示出了一引导环32的局部立体图，该引导环32沿着几乎平行于涡轮机20的主轴线21的轴向方向37以及圆周方向36延伸。该引导环32的许多特征类似于图2，4，6中所描述的特征，对于冷却壁2的壁构件7，8、热流体壁9、保护层10和用于可渗透的冷却构件4的材料特征，参照这些图中的描述。根据图7中的引导环32的冷却壁2和热流体壁9之间的空间19被分隔励许多冷却室38。这些冷却室38是由沿着圆周方向36延伸的圆周侧壁40和沿着轴向方向37延伸的轴向侧壁14构成的。在所有的冷却室38内，在热流体壁9和冷却壁2之间可设置一冷却构件4。为了清楚起见，在图7中，只表示出了一个冷却室38中的冷却构件4。位于上游端部区域11附近的冷却室38具有一条沿着轴向方向37的冷却流体供给通路16和一条或多条沿着圆周方向36的冷却流体供给通路16。这些冷却室38还具有一些孔13，从而使得冷却流体5可以从沿着圆周方向36方向被设置成一排的冷却室38中流出。因此，在位于上游端部区域11附近的这些冷却室38内，冷却流体5在流出冷却室38之前几乎沿着轴向方向37流动。这些相对于轴向方向37被设置在引导环32中央的冷却室38和那些被设置在下游端部区域12附近的冷却室具有轴向方向37和圆周方向36中的许多排冷却流体供给通路16。它们还具有一些孔13，这些孔13位于热流体壁9中，并且沿着圆周方向36和轴向方向37分布设置。冷却流体供给通路16和孔13的这种布局使得冷却流体垂直于冷却壁2和热流体壁9进行流动。因此，在这些冷却室38中，冷却流体5的温度尽可能地低，这是由于冷却流体5是在冷却壁2的整个表面区域被供给的，并且冷却流体5在被加热之后在整个热流体表面3上流出冷却构件4。这样，通过利用少量的冷却流体5，就能获得很高的冷却效率。此外，这些孔13被设置成与所述的冷却流体供给通路16偏离，从而，可以实现热流体壁9的冲击冷却。
图8表示出了图7中引导环32的冷却室38的放大示意图。所述的孔13被设置成偏离所述的冷却流体供给通路16。冷却流体5沿着垂直于冷却壁2的方向通过多孔的冷却构件4流动。由于冷却构件4的多孔性，从而形成许多冷却表面6，热量从这些冷却表面6以辐射方式传递到其它的冷却表面6上。
在图9中，表示出了在宽度为W的可冷却段1(例如引导环32)上的温度T。在冷却壁2处，冷却流体的温度Tc和冷却构件4的温度Ts为最低。冷却构件4的温度Ts和冷却流体5的温度Tc之间的温差ΔT在冷却构件4的宽度W上几乎是恒定不变的。这是由于冷却流体5和冷却构件4具有从冷却壁2到热流体表面3逐渐增大温度。
在附图中，1指代可冷却段；2指代壁；3指代热流体表面；4指代冷却构件；5指代冷却流体；6指代冷却表面；7指代壁构件；8指代钩状端部；9指代热流体壁；10指代保护层；11指代上游端区域；12指代下游端区域；13指代孔；14指代轴向侧壁；15指代冷却通道；16指代供给通路；17指代操作盖；18指代横穿孔；19指代冷却壁和热气壁之间的空间；20指代涡轮机组，燃烧涡轮机；21指代涡轮机的主轴线；22指代压缩装置；23指代燃烧室；24指代涡轮部分；25指代引导叶片，叶片；26指代转动叶片；27指代叶片的罩盖；28指代内部涡轮机机壳；29指代热气体，热流体；30指代涡轮部分的热气通道；31指代涡轮机转子；32指代引导环；33指代空气；34指代燃烧炉；35指代分隔壁；36指代圆周方向；37指代轴向方向；38指代冷却室；39指代燃烧室壁；40指代圆周侧壁；W指代可冷却段宽度；T指代沿着宽度的温度；Tc指代冷却流体的温度；Ts指代冷却构件的温度。
权利要求
1.一种涡轮机组(20)的可冷却段(1)，其中的涡轮机组(20)是由热流体(29)来操作的，所述的可冷却段(1)包括冷却壁(2)，该冷却壁沿着轴向方向(37)和垂直于所述轴向方向(37)的圆周方向(36)延伸；热流体表面(3)，该热流体表面被暴露于所述的热流体(29)；和冷却构件(4)，该冷却构件被设置在所述冷却壁(2)和所述热流体表面(3)之间，该冷却构件可透过冷却流体(5)，并提供一些冷却表面(6)，用于通过辐射来进行热量传递，从而进行冷却。
2.根据权利要求1所述的可冷却段(1)，其中，所述的冷却构件(4)包括网，尤其是金属网。
3.根据权利要求1所述的可冷却段(1)，其中，所述的冷却构件(4)由一多孔材料构成。
4.根据权利要求3所述的可冷却段(1)，其中，所述冷却构件(4)的所述多孔材料是通过铸造制成的，并且带有一些孔。
5.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，其中，所述的热流体表面(3)是由热流体壁(9)形成的。
6.根据权利要求5所述的可冷却段(1)，其中，所述的热流体壁(9)被保护层(10)覆罩盖着，尤其是被阻热层和/或防蚀层覆罩盖着。
7.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，其中，所述的冷却构件(4)由导热材料构成，尤其是由金属或如碳化硅(SiC)的导热陶瓷构成。
8.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，其中，所述的冷却构件(4)与所述的冷却壁(2)相连接以便允许热量从冷却构件(4)传入到冷却壁(2)内，尤其是把所述的冷却构件焊接或铜焊接到所述的冷却壁(2)上，或者与所述冷却壁(2)一起铸造。
9.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，包括至少两条冷却通道(15)，这些冷却通道(15)被设置在所述冷却壁(2)和所述热流体表面(3)之间，以便允许冷却流体(5)沿着轴向方向(37)流动，其中，至少一条冷却通道(15)具有所述的冷却构件(4)。
10.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，包括至少两个冷却室(38)，这些冷却室(38)被设置在所述的冷却壁(2)和所述热流体表面(3)之间，以便允许冷却流体(5)从所述冷却壁(2)流向所述的热流体表面(3)。
11.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，具有一条通过所述冷却壁(2)的冷却流体供给通路(16)，用于使冷却流体(5)流入到所述的冷却构件(4)。
12.根据权利要求11所述的可冷却段(1)，其中，所述的冷却流体供给通路(16)用作节流器(throstle)，使得该通路(16)内的压力损失大于冷却构件(4)中的压力损失。
13.根据权利要求11或12所述的可冷却段(1)，所述的冷却流体供给通路(16)沿着所述的轴向方向(37)。
14.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，其中，在所述热流体表面(3)中沿着所述轴向方向(37)设置有孔(13)，用于使冷却流体(5)流出所述的冷却构件(4)。
15.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，包括分隔壁(35)，用于引导冷却流体(5)沿着一个方向流动，并且沿着相反方向流回，以便延长冷却流体(5)在流出所述可冷却段(1)之前的运行时间。
16.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，用作燃烧室的阻热元件，涡轮叶片或引导环(32)的罩盖部，用于形成一壁部，该壁部与转动的涡轮机叶片对置。
17.根据前述权利要求之一所述的可冷却段(1)，所述可冷却段用于燃烧涡轮机(20)中，尤其是用于喷气发动机的涡轮机或固定式的气体涡轮机中。
18.一种燃烧涡轮机(20)，包括热气流动区域(23，24，30)，用于热气(29)的流动；壁构件(28，29)，环绕在所述热气流动区域(30，23)周围，并且包括可冷却段(1)，该可冷却段(1)具有冷却壁(2)，该冷却壁(2)沿着轴向方向(37)和垂直于该轴向方向(37)的圆周方向(36)延伸；热流体表面(3)，该热流表面被暴露于所述的热气(29)；冷却构件(4)，被设置在所述的冷却壁(2)和所述的热流体表面(3)之间，可以透过冷却流体(5)，冷却构件提供一些冷却表面(6)，以便以辐射的方式进行热传递，实现冷却。
19.根据权利要求18所述的燃烧涡轮机(20)，其中，所述的可冷却段(1)包括通过所述冷却壁(2)的冷却流体供给通路(16)，用于使冷却流体(5)沿着所述轴向(37)流入所述的冷却构件(4)；孔(13)，这些孔被设置在热流体表面(3)中，用于让冷却流体(5)沿着所述轴向方向(37)流出所述的冷却构件(4)。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮机组(20)的可冷却段(1)，其中的涡轮机组(20)是由热流体(29)来操作的。所述的可冷却段(1)包括冷却壁(2)，该冷却壁沿着轴向方向(37)和垂直于所述轴向方向(37)的圆周方向(36)延伸；热流体表面(3)，该热流体表面被暴露于所述的热流体(29)。在所述冷却壁(2)和所述热流体表面(3)之间设置一冷却构件(4)，该冷却构件可透过冷却流体(5)，从而提供一些冷却表面(6)，用于通过辐射来进行热量传递，从而实现冷却。所述的冷却构件(4)可以是一网尤其是金属丝网，也可以多孔材料。本发明还涉及具有这种可冷却段(1)的燃烧涡轮机(20)。
文档编号F01D5/28GK1527922SQ02814114
公开日2004年9月8日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年7月13日
发明者汉斯－托马斯·博姆斯, 汉斯-托马斯 博姆斯, 亚斯 赫塞尔豪斯, 安德烈亚斯·赫塞尔豪斯, 伯恩哈德·霍夫施米特, 德 霍夫施米特 申请人:西门子公司