专利名称：隔热罩的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及诸如翼型件的热气体通路构件，并且更特别地涉及用于热气 体通路构件的隔热罩(heat shield)。
背景技术：
翼型件(即导叶和叶片)是典型地设置在燃气涡轮机的热气体通路中的热气体通 路构件的一个实施例。也可称为“轮叶”或“转子”的叶片可包括安装在叶轮、圆盘或转子 上的翼型件，以便围绕轴旋转。可被称为“喷嘴”或“定子”的导叶可包括安装在外壳中的 翼型件，外壳包围或覆罩叶片围绕其旋转的轴。典型地，一系列叶片围绕叶轮安装在沿该轴 的特定位置处。一系列导叶可被安装在该系列叶片的上游(相对于总体流动方向)，比方 说用于提高气流的效率。跟有叶片的导叶称为燃气涡轮机的级。压缩机中的级压缩气体， 该气体例如将与燃料混合并被点燃，且将被输送至燃气涡轮机的入口。燃气涡轮机可包括 多个级以便从点燃的气体和燃料提取功。向压缩的气体添加燃料可包括对燃烧反应贡献能 量。该燃烧反应的产物随后流过燃气涡轮机。为了耐受燃烧所产生的高温，需要冷却翼型 件和涡轮机中的其它热气体通路构件。不充分的冷却导致翼型件和热气体通路构件上不适 当的应力，并且随着时间推移，该应力引起或促使翼型件的疲劳和失效。为了防止工作温度 引起的燃气涡轮发动机中的涡轮叶片的疲劳，已将薄膜冷却结合到热气体通路构件中，比 方说结合到翼型件叶片设计中。例如，在翼型件叶片的薄膜冷却中，冷却空气从压缩机级泄 放，通过管道输送到涡轮叶片的内腔室，并通过叶片壁中的小孔排放。该空气沿着涡轮叶片 的外表面提供薄的、冷的、隔热的覆盖层。薄膜冷却由于其会形成不均勻的冷却而可能效率 低，因为在靠近孔的位置，薄膜温度比距孔较远处低得多。因此，需要改善热气体通路构件 的冷却。
发明内容
本发明的多个方面和优点将在以下说明中部分地论述，或可从说明而变得显而易 见，或可通过实施本发明而获悉。根据本发明的一方面，描述了一种隔热罩。该隔热罩可包括基底层和间隔层。间 隔层可联接到基底层上。间隔层可限定多个流道。基底层和间隔层可构造成与热气体通路 构件相关联。参考以下说明和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更 好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附示了本发明的实施例，并连 同说明一起用于解释本发明的原理。
被视为本发明的主题在本说明书所附的权利要求中被特别指出并清楚地要求保 护。由以下结合附图做出的详细说明，本发明的前述及其它特征和优点显而易见，附图中图1图示了其中可实施示例性隔热罩的燃气涡轮机系统10。
图2图示了如图1中图示的涡轮机。
图3图示了示例性隔热罩的侧透视图。
图4图示了包括示例性隔热罩的图2的翼型件。
图5图示了具有示例性隔热罩的顶部截面图。
图6图示了具有在翼型件附近的示例性隔热罩的翼型件的顶部截面图。
图7图示了示例性隔热罩的截面图。
图8图示了被单独显示的隔热罩的间隔层的一个实施例。
图9图示了具有燕尾榫附接装置的隔热罩的一个示例性实施例。
零部件列表
10燃气涡轮机系统
12发动机中心线
16压缩机
18燃烧区段
20涡轮
26转子轴
28热气流
30涡轮导叶
32涡轮叶片
34热气体通路构件，翼型件
36外壁
38外壳
41冲击孔
42间隙
43凹入表面
44后缘冷却通道
48孔口
49流道
100隔热罩
101间隔层
102基底层
103外(热)层
104粘合层
105外壳壁
106 切口
107间隔区段
108第一系列
109第二系列
110壁
111前缘
112后缘
113燕尾榫
115顶部插塞
116尖头
117隔热罩燕尾榫
121第一表面
122第二表面
具体实施例方式现将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。各示例是作 为对本发明的说明而提供的，并非对本发明的限制。实际上，对本领域的技术人员将会明显 的是，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以在本发明中做出各种改型和变型。例 如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生再又一实 施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类改型和变型。图1图示了其中可实施示例性隔热罩的燃气涡轮机系统10。关于燃气涡轮机对文 中所述的示例性隔热罩进行了说明。其它示例性实施例中，文中所述的隔热罩可以用其中 隔热罩保护是所期望的其它系统来实施，诸如但不限于蒸汽涡轮机和压缩机。燃气涡轮机 系统10被图示为周向地设置在发动机中心线12周围。燃气涡轮机系统10可包括成串流 关系的压缩机16、燃烧区段18和涡轮20。燃烧区段18和涡轮20常被称为燃气涡轮机系 统10的热区段。转子轴沈可操作地将涡轮20联接到压缩机16上。燃料在燃烧区段18 中燃烧产生热气流观，该热气流例如可在约3000至约3500华氏度的范围内。热气流观被 引导经过涡轮20以驱动燃气涡轮机系统10。图2图示了图1的涡轮20。涡轮20可包括涡轮导叶30和涡轮叶片32。翼型件 34可针对导叶30实施。翼型件34可被设置在压缩机16的一部分、燃烧区段18的一部分 或涡轮20的一部分中。导叶30具有暴露于热气流观的外壁36。涡轮导叶30可由从压缩 机16的一个或多个级穿过系统10的外壳38传送的空气冷却。此外，翼型件34的外壁36 可装配有如现在所述的示例性可弃型隔热罩。图3图示了示例性隔热罩100的侧透视图。隔热罩100可被构造成与热气体通路 构件34相关联，比方说与翼型件34相关联。例如，翼型件34或任何气体通路构件34可被 至少部分地设置在热气体通路中，比方说热气流观的通路中。隔热罩100可被设置在热气 体通路构件34与热气体通路之间。在示例性实施例中，隔热罩100可为被构造成固定在如 上所述的翼型件34上的单个一体件。如文中进一步讨论的，隔热罩虽为单个一体件，但可 为多层设计。在其它示例性实施例中，隔热罩100的各层可为分离件，并且分离件可被构造 成固定在如上所述的翼型件34上。应该理解的是，隔热罩100并不限于在翼型件上的应用，而是也可被固定在需要热保护的燃气涡轮机系统10的任何部分上，比方说固定在其它热 气体通路构件34上。文中所包含的对翼型件以及隔热罩与翼型件之间的关联的任何讨论 只是举例说明本公开内容的各种实施例。在示例性实施例中，隔热罩100被构造成以对燃 气涡轮机系统10最短的停机时间被固定和去除，这是因为隔热罩100是翼型件34的模块 化零件，并且可如文中所述被去除。在示例性实施例中，隔热罩100可被摩擦地固定到翼型 件34上。因而，隔热罩100包括数个摩擦件。在示例性实施例中，隔热罩100包括被构造 成机械地接合燃气涡轮机系统10的外壳38的外壳壁105 (即上壁和下壁)。外壳38可包 括各种形状和曲率。因而，根据外壳38的形状，外壳壁105可包括对应的形状和曲率。隔 热罩100还可包括设置在外壳壁105之间的壁110。壁110可垂直于外壳壁105定向。此 外，外壳壁105包括具有与翼型件34的曲率匹配的曲率的切口 106。切口 106还与壁110 的曲率匹配。壁110可被构造成与翼型件34相关联。例如，壁100的曲率可匹配翼型件34 的曲率。在一个实施例中，壁110可为多层设计，并且各层可被构造成与翼型件34相关联。 在示例性实施例中，壁110还包括前缘111和后缘112。前缘111是最初以不同攻角接收热 气流观的壁110的外凸起部分。本领域的技术人员理解前缘111覆盖翼型件34的前缘。图4图示了包括示例性隔热罩100的图2的翼型件34。如文中所述，隔热罩100 经由外壳38与外壳壁105之间以及翼型件34与壁110之间的摩擦力被机械地固定到翼型 件34上。在其它示例性实施例中，可实施诸如但不限于螺栓的机械紧固件来将隔热罩100 固定到翼型件34上。在示例性实施例中，顶部插塞115还可被固定到外壳38的一部分上。 顶部插塞115可包括设置在翼型件34附近的一系列尖头(prong) 116。当被固定在翼型件 34上时隔热罩100可被固定在尖头116上方，从而增大隔热罩100与翼型件34之间的摩 擦力。在示例性实施例中，翼型件34和隔热罩100上可包括数个其它摩擦表面和装置，以 协助隔热罩100的固定和去除。例如，可将一系列配合的燕尾榫设置在翼型件34和隔热罩 100 上。如文中所述，隔热罩100可在燃烧间隔期间现场更换。例如，隔热罩100可以可 分离地连接到热气体通路构件34上，比方说连接到翼型件34上。滑动(slip-on)隔热罩 100覆盖翼型件34的内侧壁和外侧壁的前缘及大部分压力侧并覆盖至吸入侧上的高拱点 (camber point)。可用与喷嘴上的凹部交界的压力侧后缘尖头116以及吸入侧高拱点上的 销的组合来固持隔热罩100。虽然可实施任何类型的正扣合(positivedetainment)装置， 但成系列的弯曲燕尾榫可覆盖翼型件34的内侧壁和/或外侧壁。翼型件34然后可与隔热 罩100上的一系列配合的燕尾榫匹配。燕尾榫可在喷嘴的方向上弯曲以允许可更换隔热罩 100的滑动特性。此外，可在翼型件34的前缘上的过渡件密封件(其与燃烧区段18交界) 上方设置螺栓。因此，隔热罩100可在燃烧区段18的过渡件以及衬垫被去除时正好在燃烧 间隔期间更换。图5图示了具有示例性隔热罩100的翼型件34的俯视截面图。图6图示了具有在 翼型件34附近的示例性隔热罩100的翼型件34的俯视截面图。图5和图6图示了具有与 翼型件34的曲率匹配的曲率的隔热罩100。如所图示的，翼型件34可包括多个冲击孔41。 冲击孔41可被构造成向隔热罩100提供冷却空气。如文中所述，冲击孔41也可以针对常 规薄膜冷却而实施。翼型件34还可包括形成在翼型件34与隔热罩100之间的间隙42。间 隙42可接收用于薄膜冷却的冷却空气。如文中进一步描述的，隔热罩100包括间隔层101，冷却空气可流经该间隔层。翼型件34还可包括凹入表面43。凹入表面43使得能够将隔热 罩100固定在翼型件34上。翼型件34还可包括接收冷却空气的后缘冷却通道44。如文中 进一步描述的，隔热罩100的间隔层101限定流道49。在一个实施例中，流道49可向间隙 42和后缘冷却通道44提供冷却空气。在示例性实施例中，隔热罩100包括多层。例如，隔热罩100可包括间隔层101。 间隔层101可限定出多个流道49。在一个实施例中，多个流道49可彼此成流体连通。在一 个实施例中，间隔层101可为波状层101。流道49从冲击孔41接收冷却空气，并且可向后 缘冷却通道44和间隙42提供冷却空气。隔热罩100也可包括外(热)层103。外(热) 层103是对热气流观具有抗热性的材料。例如，外(热)层103可为隔热陶瓷涂层或热障 涂层(“TBC”)，其可被喷射或固定在粘合层104上，如文中进一步描述的。间隔层101维 持热气体通路构件34与隔热罩100之间的偏离并给隔热罩100增加刚性，并限定多个流道 49，如文中所述。图7图示了示例性隔热罩100的截面图。图7图示了与隔热罩100成机械接触的 翼型件34，该翼型件34可包括刚性地联接到间隔层101上的基底层102。基底层102可包 括第一表面121和第二表面122。间隔层101可位于第一表面121附近。间隔层101可被 构造成允许冷却空气在翼型件34与基底层102之间流动。在示例性实施例中，基底层102 可为向隔热罩100提供结构强度的高温超合金，且既提供空气动力学轮廓，也提供用于要 施加的外(热)层103的平滑、非波状的表面。图7还图示了外(热)层103，其可位于基 底层102的第二表面122附近。粘合层104可位于基底层102的第二表面122与外(热) 层103之间。粘合层104可配置成将外(热)层103粘合于基底层102上。例如，粘合层 104可为能够将外(热)层103粘合于粘合层104上的任何材料，比方说，例如铝化物。
图8图示了隔热罩100的间隔层101，该间隔层被单独显示以图示流道49。出于 图示的目的，基底层102、粘合层104和热(外)层103未被显示。在示例性实施例中，间隔 层101包括间隔区段107。间隔区段107限定多个流道49。间隔区段107可具有各种各样 的式样。例如，在一个实施例中，间隔层101可为波状层101，并且间隔区段107可为以波形 式样设置的波形区段107。然而，应理解的是，间隔层101和间隔区段107并不限于波状层 101和波形区段107，而是可为限定多个流道49的任何层101和区段107。还应理解的是， 间隔层可使用本领域中公知的任何形成工艺来形成，包括但不限于冲压、冲剪、辊轧成形或 压花。还应理解的是，间隔区段107能以各种各样的宽度在间隔层101上被隔开。例如， 如果隔热罩100上存在确认的高结构应力区域，则间隔区段107的式样可以更密或隔得更 近，而在确定的较低应力区域中间隔区段107的密度可以更低，或隔得更开。另外，间隔区 段107的更低密度和增大的间距提供了隔热罩100以及因此翼型件34中改善的冷却。在 示例性实施例中，冲击孔41被排列成大致正交于间隔区段107。图示了间隔区段107的第 一系列108和第二系列109。如上所述，间隔区段107的第一系列108可向间隙42提供气 流，而间隔区段107的第二系列109可向后缘冷却通道44提供气流。如图8中所示，第一 系列108可被排列成大致正交于第二系列109。在其它示例性实施例中，设想了间隔区段 107的各种其它构型。各间隔区段107可限定多个孔口 48。孔口 48可构造成允许冷却空气进入间隔层
7101并在多个流道49之间流动。例如，各种孔口 48可允许冷却空气从冲击孔41进入间隔 层101。其它孔口 48可允许间隔层101中的冷却空气经过孔口 48并经过流道49之间。这 可允许在间隔层101中、在热气体通路构件34与基底层102之间形成一层冷却空气，从而 提供热气体通路构件34的更有效的冷却，如以下所述。图9图示了具有燕尾榫附接装置的隔热罩100的一个示例性实施例。出于图示的 目的，仅图示了隔热罩100的间隔层101和基底层102。如文中所述，虽然可实施任何类型 的正扣合装置，但燕尾榫113可覆盖翼型件34的内侧壁和/或外侧壁。翼型件34的燕尾 榫113可与隔热罩100上的配合隔热罩燕尾榫117匹配。在示例性实施例中，隔热罩燕尾 榫117可在间隔层101上的间隔区段107附近设置在基底层102上。在其它示例性实施例 中，隔热罩燕尾榫117可设置在间隔层101上。技术效果包括实施文中所述的隔热罩100的热气体通路构件34的快速现场修理。 例如，隔热罩100可以可分离地连接到热气体通路构件34上。隔热罩100可被构造成将热 气体通路构件34从诸如热气流观的热气体通路屏蔽，从而允许热气体通路构件34的相对 无应力和无应变的操作，如下所述。当隔热罩100比方说由于热气体通路中的大温度梯度 对隔热罩100导致的应力和应变而需要进行修理时，可使隔热罩100与热气体通路构件34 分离并进行修理或更换，而不需要修理或更换热气体通路构件34。此类现场修理可以在燃 烧间隔期间进行。其中可以实施示例性隔热罩100的一个示例为燃气涡轮机的第一级喷嘴 中，其常被称为S1N。燃气涡轮机的第一级喷嘴使热气流观在燃烧区段18之后汇聚并加 速，并且是第一级喷嘴呈渐缩状的结果。如上所述，隔热罩100可覆盖前缘及翼型件34的 大部分压力侧上的第一级喷嘴翼型件34，并且隔热罩100可达到翼型件34的吸入侧上的高 拱点。文中结合第一级喷嘴所述的隔热罩100允许第一级喷嘴为模块化/可更换的系统， 而不是如常规系统中那样的单件设计。维护成本因此被降低并且喷嘴的使用寿命延长；当 隔热罩100开始磨损时，可以去除并更换隔热罩100。隔热罩100的多层设计可显著降低热气体通路构件34的大块金属件温度。如上 所述，隔热罩100包括外(热)层103。外(热)层103可通过粘合层104被固定在基底层 102和间隔层101上。间隔层101可向隔热罩100提供气流和结构。隔热罩100的多层设 计在基底层102与热气体通路构件34之间截留间隔层101中的冷却空气，从而冷却热气体 通路构件34。该冷却方法比薄膜冷却有效得多，因为冷却空气被截留在两层之间，而不是与 热气流观混合，该混合随着薄膜冷却空气从孔出口向下游移动而降低冷却效率。因此，需 要较少的冷却空气来冷却热气体通路构件34。冷却空气的减少可用来降低对于相同输出功 率的燃烧温度，从而减少NOx形成并提高燃气涡轮机效率。隔热罩100的多层设计可允许热气体通路构件34的相对无应力和无应变操作。例 如，隔热罩100可以可分离地连接到热气体通路构件34上。此外，隔热罩100可相对于热 气体通路构件34移动。因此，隔热罩100可能暴露于经过热气体通路的热气流观的高温 下，并且可能随热气流观的温度变化而膨胀和收缩。隔热罩100可操作以保护热气体通路 构件34免于热气体通路中的高温，从而通过限制热气体通路构件34所经历的温度梯度减 少热气体通路构件；34中的应力和应变。这可允许热气体通路构件34相对无应力和无应变 地操作。虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于此类公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以结合迄今未描述但与本 发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同装置。另外，虽然已经描述本 发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括一部分所述的实施例。因此，本 发明不应被视为通过前面的描述来限制，而仅通过所附权利要求的范围来限制。
权利要求
1.一种隔热罩(100)，包括基底层(102)；以及间隔层(101)，所述间隔层(101)联接到所述基底层(102)上并限定多个流道09)，其中，所述基底层(10 和所述间隔层(101)构造成与热气体通路构件(34)相关联。
2.根据权利要求1所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述多个流道09)彼此成流体 连通。
3.根据权利要求1-2的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述基底层(102)包 括第一表面(121)和第二表面(122)，其中所述间隔层(101)位于所述第一表面(121)附 近，并且还包括位于所述第二表面(122)附近的热层(103)和位于所述热层(103)与所述 第二表面(12 之间的粘合层(104)，所述粘合层(104)构造成将所述热层(10 粘合到所 述基底层(102)上。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述间隔层(101)包 括限定所述多个流道G9)的多个间隔区段(107)。
5.根据权利要求4所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述多个间隔区段(107)的每一 个均限定多个孔口(48)，所述多个孔口 08)构造成允许冷却空气进入所述间隔层(101)并 在所述多个流道G9)之间流动。
6.根据权利要求1-5的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述间隔层(101)构 造成允许冷却空气在所述热气体通路构件(34)与所述基底层(10 之间流动。
7.根据权利要求1-6的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述基底层(102)和 所述间隔层(101)为单个一体件。
8.根据权利要求1-7的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述基底层(102)和 所述间隔层(101)的曲率与所述热气体通路构件(34)的曲率匹配。
9.根据权利要求1-8的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述热气体通路构件 (34)限定多个冲击孔(41)，所述冲击孔构造成向所述隔热罩(100)提供冷却空气。
10.根据权利要求1-9的任一项所述的隔热罩(100)，其特征在于，所述隔热罩(100) 相对于所述热气体通路构件(34)能够移动。
全文摘要
本发明公开了一种隔热罩(100)。隔热罩(100)可包括基底层(102)和间隔层(101)。间隔层(101)可联接到基底层(102)上。间隔层(101)可限定多个流道(49)。基底层(102)和间隔层(101)可构造成与热气体通路构件(34)相关联。
文档编号F01D5/18GK102146811SQ20111003779
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月4日
发明者G·M·伊策尔, V·J·摩根 申请人:通用电气公司