冲击冷却式壁组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及冲击冷却组件，更特别地，涉及用于冷却暴露于热气的壁的冲击冷却式壁组件。
【背景技术】
[0002]功率发生循环的热力学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与燃烧排放以及这个热气接触的金属部件的运行温度极限，以及将这些部件冷却到热气温度以下的能力的限制。冷却形成高级重型燃气涡轮的热气流径的热气管壁是困难的，而且目前已知的冷却方法有高的性能代价，S卩，导致功率和效率降低。
[0003]冲击冷却是用于暴露于具有高热气温度的气体的构件的最高效的冷却技术之一。为了对壁进行冲击冷却，将套管设置在离壁外表面(背离热气的表面)的短距离处。冲击套管包含成排列的孔，压缩气体通过孔排出，以产生成排列的空气射流，空气射流冲击在壁的外表面上，并且冷却壁的外表面。在冲击之后，压缩气体作为冷却气体在由壁和冲击套管界定的冷却路径中流向冷却流径的端部。这个流产生所谓的横向流。通常，第一冲击排允许冲击在壁上，在冷却通道中没有任何横向流。随着后面的冲击排的数量朝冷却流径的端部增加，冷却通道中的横向流累积。作为缺点，冷却通道中的横向流增加会妨碍和降低冲击冷却的可行的热传递系数，因为冲击射流在冲击在壁上之前偏转且弯曲远离壁(参见图2a)。
[0004]为了限制横向流速度，在US 4，719，748 A中已经提出了相对于冷却通道的长度，增加冷却通道的高度。但是，冷却通道的高度增加会减小到达管壁的射流的冲击作用。
[0005]除了因此降低用冲击冷却进行冷却的壁的长度上的冲击冷却的效率之外，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，这会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的这个改变，从而在燃烧室壁之外的典型位置上导致热负载较高的区域(所谓的热点)。为了确保暴露于提高的热负载的壁的区域的寿命，在这些位置处需要增加冷却。
【发明内容】
[0006]本公开的目标是提出一种冲击冷却式壁组件，其允许对壁进行高效的冲击冷却，而不依赖于导引热气流的壁上的位置，并且提出沿着壁的延伸部保持高的冷却效率。
[0007]公开的冲击冷却式壁组件包括冲击套管和在运行期间暴露于热气的壁。冲击套管至少部分地设置在稳压室中，并且与壁间隔开距离，以在壁和冲击套管之间形成冷却流径，使得在运行期间通过冷却套管中的第一孔口从稳压室中喷射出的压缩气体冲击在壁上。在冲击在壁上之后，压缩气体作为横向流流向冷却流径的下游端处的出口，从而进一步冷却壁。
[0008]在至少一个第一孔口的下游，流偏转器(也简称为偏转器)布置在冷却流径中，以使横向流偏转远离第二孔口。流偏转器沿横向流的下游方向，从第一孔口和第二孔口之间的位置延伸超过第二孔口(第一孔口可为多个第一孔口，并且第二孔口可为多个孔口)。流偏转器具有沿着第二孔口的一侧沿横向流的下游方向延伸的第一支腿，以及沿着第二孔口的另一侧沿横向流的下游方向延伸的第二支腿。在冷却壁组件中，在壁的第一对流冷却区段中未布置冲击冷却孔口，第一对流冷却区段是在流偏转器的上游端和下游端之间的、在由偏转器遮蔽的区段外部的壁区段。被遮蔽区段是流偏转器的支腿之间的区段。在多个偏转器布置在冷却流径中的布置中，外部区段例如可从一个偏转器延伸到相邻偏转器，或者外部区段可从一个偏转器延伸到界定冷却流径的侧壁。
[0009]与对流冷却的外部区段相反，对流偏转器的内部区段进行冲击冷却，即，对在流偏转器的支腿之间从流偏转器的上游端延伸到支腿的下游端的区段进行冲击冷却。可至少部分地遮蔽内部区段，使其不受第一孔口的横向流的影响。
[0010]从第二孔口喷射到偏转器的两个支腿之间的区段中的压缩气体冲击在壁上，以对这个壁区段进行高效的冲击冷却。在冲击之后，压缩气体流向偏转器的下游端，形成新的横向流。形成于偏转器内部的横向流通过偏转器的支腿的下游端之间的开口流出到下游方向，并且与通过第一对流冷却区段被导引成围绕偏转器的第一孔口的横向流结合。被导引成围绕偏转器的横向流可具有提高的流速，以在第一对流冷却区段中进行高效的对流冷却。
[0011]这种组件例如可用来冷却燃气涡轮的管壁，更特别地用来冷却燃烧器或燃烧室的壁。
[0012]冷却流和热气流典型地以逆流的方式流动，即，冷却流流向冷却流径的下游端，而热气则以相反的方向流动。但是，可设想到具有平行冷却空气流和热气流的布置。对于具有分段燃烧或顺序燃烧(其中，在第二燃烧阶段中喷射额外的空气)的燃烧室和燃烧器布置，这种平行流布置可为有利的。冷却空气例如也可为用于所谓的迟贫燃烧的空气。另外，冷却空气可用作用于第二燃烧阶段的稀释空气，以通过将冷却空气混合到第一火焰下游的热气中来冷却热气。
[0013]流偏转器可为从套管或管壁延伸到冷却通道中的肋或壁，或者可连接套管与管壁。
[0014]典型地，流偏转器连接到套管上，或者在套管的热负载较低时形成套管的组成部分，因为它不暴露于热气，而且因此可使用较廉价的材料。备选地，流偏转器可连接到管壁上，或者形成管壁的组成部分。在这种情况下，它们可用作冷却肋，以较好地冷却管壁。
[0015]根据冲击冷却式壁组件的另一个实施例中，相对于冷却流径在流偏转器上游的横截面，横向流的横截面在第二孔口的流向上的位置处减小。横向流的横截面为冷却流径的垂直于横向流的主流方向的畅通无阻的横截面。横截面减小有利于使偏转器周围的横向流的加速，以在外部区段中实现较好的对流热传递。
[0016]根据另一个实施例，相对于横向流在第二孔口的流向上的位置处的横截面，围绕偏转器的横向流的横截面朝流偏转器的下游端增大。
[0017]通过增大横截面，可使围绕偏转器的横向流减速。由于减速，动态压力可恢复，以最大程度地减小冲击冷却式壁组件的压力损失。例如它可减速到基本等于离开偏转器的横向流的流速的流速，以最大程度地减小横向流的混合损失。
[0018]基本相同的流速可表示偏转器下游的区域中的流速和偏转器的侧部处的区域中的流速之间的差小于总流速的30%。优选地，该差小于10%。
[0019]在冲击冷却式壁组件的一个实施例中，流偏转器的支腿在流偏转器的下游端处转向彼此，从而增加横向流在流偏转器外部的横截面。在流偏转器的中心区域中，支腿例如可彼此平行地延伸，而且可平行于横向流方向延伸。支腿可平行于流偏转器在流向上的延伸的50%或更多。
[0020]这种布置可用作用于围绕偏转器的横向流的扩散器，以及用于离开偏转器的横向流的喷嘴。离开偏转器的横向流可加速，因为在偏转器支腿的下游端之间的横截面减小。
[0021]在冲击冷却式壁组件中，流偏转器可从管壁一直延伸到冲击套管。
[0022]在冲击冷却式壁组件的另一个实施例中，流偏转器可从管壁或冲击套管延伸到冷却流径中，其高度小于冷却流径的高度。
[0023]在冲击冷却式壁组件的另一个实施例中，相对于冷却流径在流偏转器上游的高度，冷却流径的高度在流偏转器的区域中减小。通过减小流径高度，横向流可获得的横截面减小，以使横向流的流速加速。流偏转器的区域是沿横向流的流向从流偏转器的上游端延伸到流偏