用于冷却燃气涡轮的热气体路径中的构件的布置的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气涡轮的领域，具体地涉及燃气涡轮的热气体路径中的冷却的定子构件。此类构件(例如，定子热屏障)必须适当冷却，以便避免这些构件的热破坏，并且确保足够的寿命。
【背景技术】
[0002]定子热屏障的冷却是有挑战的任务。热屏障暴露于燃气涡轮中的热气体路径的热和侵蚀性气体。热屏障的热气体暴露表面的膜冷却至少在布置成与旋转叶片末端相对的表面的那些区域处是不可能的。这出于两个原因。首先，热屏障与叶片末端之间的间隙中的复杂流场不允许在该构件的表面之上形成冷却膜。第二，在摩擦事件的情况下，冷却孔开口通常由该事件闭合，因此防止了用于可靠的膜形成的足够的冷却介质的流出，结果在于使热屏障元件过热。为了减轻该风险，叶片末端与热屏障之间的间隙必须增大。
[0003]具有在构件的侧面处喷射的冷却空气的当前的冲击冷却方法是用于冷却定子热屏障的广泛使用的解决方案。
[0004]WO 2010/009997公开了一种具有定子热屏障的燃气涡轮，该定子热屏障借助于冲击冷却来冷却，其中压力下的冷却介质(尤其是冷却空气)从外环形腔经由穿孔的冲击冷却板流入热屏障节段的冲击冷却腔中，并且冷却热屏障的热气体路径限制壁。通过热屏障的侧面处的喷射孔，使用的冷却介质喷射到热气体路径中。
[0005]根据专利申请CA 2644099，冲击冷却结构包括沿周向方向连接于彼此的多个热屏障元件，以便形成包绕热气体路径的环形护罩，以及安装在径向外表面上以形成其间的中空腔的护罩盖。所述盖具有冲击孔，该冲击孔与腔连通，并且通过将冷却空气喷射到腔内侧的其表面上来执行热屏障的径向内壁的冲击冷却。开孔的翅片将腔分成子腔。冷却空气流过翅片中的冷却孔，从第一子腔穿过翅片进入第二子腔。
[0006]升高热气体温度需要为热气体暴露构件的壁厚所接受，以使金属温度下降到可接受的水平。此外，现代燃气涡轮的效率要求需要旋转叶片的末端与热屏障之间的小空隙。然而，该要求使这些元件的设计和它们的制造让步，该制造变得越来越复杂并且因此更昂贵，并且使热气体暴露表面的摩擦阻力的要求让步，因为薄壁在摩擦事件的情况下提高了破坏的风险。
[0007]专利申请WO 2004/035992公开了燃气涡轮的热气体路径的冷却构件，例如，壁节段。壁节段包括用于冷却介质的多个平行的冷却通道。冷却通道的内表面配备有凸出元件，其具有特定形状和大小以生成靠近壁的湍流，其中效果为增大的热传递。
[0008]文献DE 4443864教导了燃气涡轮的冷却壁部分，其具有多个单独的对流冷却的纵向冷却导管，该纵向冷却导管在内壁附近延伸并且平行于其，相邻的纵向冷却导管在各种情况下经由中间肋条连接于彼此。在纵向冷却导管的下游端处提供了偏转装置，其连接于至少一个回流冷却导管，该至少一个回流冷却导管布置在壁部分中的外壁附近，并且多个小管从该至少一个回流冷却导管延伸至冷却壁部分的内壁，并且布置在中间肋条分支中。借助于该壁部分，冷却介质可投入多次使用用于冷却(对流、渗出、膜冷却)。
[0009]DE 69601029公开了一种用于燃气涡轮的热屏障节段，所述节段包括第一表面、设置成与第一表面相对的后侧、限定前缘和后缘的一对轴向边缘、在前缘附近并且从后侧延伸的第一固持器件、在后缘附近并且从后侧延伸的第二固持器件，以及蛇形通道，其包括沿边缘中的一个延伸并且在该边缘附近延伸的固持器件外延伸的外通路，在外通路内的内通路，以及在外通路与内通路之间延伸以使内通路与外通路流体连通的弯曲通路，从弯曲通路延伸至护罩节段外部以从弯曲通路排出冷却流体的净化孔，以及从相邻固持器件内的位置延伸至内通路的导管，导管容许护罩节段的后侧与蛇形通道之间的流体连通，使得喷射到后侧上的冷却流体的一部分流过蛇形通道，其中在操作状态下朝净化孔吸收的冷却流体阻挡弯曲通路中的冷却流体的分离。
[0010]EP 1517008涉及基于冷却通道的网络的燃气涡轮的热气体路径中的涂覆的壁的冷却布置。燃气涡轮壁包括具有前表面和后表面的金属基底。热障涂层联结在前表面的顶上。流动通道的网络在基底与涂层之间分层，用于在其间运送空气冷却剂，用于冷却热障涂层。
[0011]为了确保热屏障的足够的紧急寿命，热气体暴露壁必须设计有足够的厚度，或者叶片末端与定子热屏障之间的空隙必须以排除瞬变操作状态期间的摩擦接触的方式增大。然而，这以消极方式损害了冷却效率。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于改进燃气涡轮的热气体路径中的壁节段(特别是定子热屏障)的冷却效率。本发明的另一个目的在于提供一种用于燃气涡轮的热气体路径中的壁节段的冷却布置，特别是定子热屏障，其在其表面由于摩擦事件或裂缝而破坏的情况下延长其紧急寿命。
[0013]该目的通过根据独立权利要求的壁节段(例如，定子热屏障)来实现。
[0014]根据本发明的用于燃气涡轮的热气体路径的壁节段(特别是定子热屏障)至少包括暴露于相对高温度的介质的第一表面、暴露于相对低温度的介质的第二表面，以及连接所述第一表面和所述第二表面并且限定壁节段的高度的侧表面，用于冷却介质的流过的至少一个冷却通道延伸穿过壁节段，由此至少一个冷却通道(沿冷却介质流动方向)包括入口区段、基本上平行于壁节段的所述第一表面以离第一表面的第一距离延伸的第一热传递区段、具有朝第一表面的方向向量的过渡区段、基本上平行于第一表面以离第一表面的第二距离延伸的第二热传递区段，以及用于冷却介质的出口，由此所述第二距离小于所述第一距离。
[0015]根据第一实施例，入口布置在暴露于相对低温度的介质的第二表面上。
[0016]根据另一个实施例，以离第一(即，热)表面的第一距离延伸的冷却通道的第一热传递区段和以离第一表面的第二距离延伸的第二热传递区段平行于彼此延伸。
[0017]作为优选，两个平行的热传递区段布置有冷却介质的相反流动方向。
[0018]根据本发明的优选实施例，壁节段包括多个冷却通道(即，至少两个)，由此在各种情况下，两个冷却通道沿侧向彼此相反布置。
[0019]冷却通道优选具有矩形截面或梯形截面，由此梯形基部指向暴露于具有相对高温度的介质的表面。
[0020]根据备选实施例，至少一个冷却通道的截面形状在长度上变化。
[0021]根据本发明的壁节段的基本特征在于冷却通道包括两个(或更多个)不同热传递区段，由此这些不同的热传递区段在不同平面中定位在壁节段内，即，以离暴露于燃气涡轮的热气体路径的表面的不同距离。第二冷却区段比第一冷却区段更接近热表面延伸。该区段构造成最佳地冷却热屏障。第一区段更远，并且对壁节段的冷却贡献较少。
[0022]由于连续的过度应变引起的摩擦事件或异常磨损，故壁节段(尤其是定子热屏障)的表面可受损并且冷却通道被破坏，例如，泄露。在此类事件之后，布置成进一步远离被破坏区域的冷却通道的第一无损区段将在一定程度上接管冷却功能。通过该措施，热屏障的紧急寿命可显著地延长。
【附图说明】
[0023]现在借助于不同实施例并且参照附图来更详细阐释本发明。
[0024]图1以透视图示意性地示出了根据本发明的具有集成的冷却通道的壁节段的基本特征；
图2以类似视图示出了具有处于侧向相反布置的两个冷却通道的壁节段；
图3-5以截面视图示出了本发明的不同实施例；
图6以实施例示出了配备有热传递加强器件的冷却通道；
图7示出了配备有多个沿侧向相反布置的冷却通道的定子热屏障。
[0025]部件列表
10壁节段，定子热屏障
11暴露于热气体路径的10的表面
12暴露于冷却介质的10的表面
13 10的侧面
14，14，，14”冷却通道
15冷却介质，例如，冷却空气
1614的入口
1714的出口
1814的第一热传递区段 19离表面11的第一距离
20第一热传递区段与第二热传递区段之间的过渡区段 22 14的第二热传递区段 23离表面11的第二距离 24 12的表面结构
25热传递增强器件。
【具体实施方式】
[0026]图1示意性地示出了燃气涡轮的定子热屏障10，其具有暴露于燃气涡轮的热气体路径中的热气体的第一内表面11、第二外表面12(见