[发明专利]定子热屏蔽件、带有其的燃气涡轮机及冷却其的方法

说明书

本发明涉及用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件、带有这种定子热屏蔽件的燃气涡轮机以及冷却定子热屏蔽件的方法，提供了一种用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件，所述燃气涡轮机包括热气体流动路径，所述定子热屏蔽件包括适于布置成面向所述燃气涡轮机的热气体流动路径的第一表面；与所述第一表面相对的第二表面；用于从所述第二表面朝向所述第一表面引导冷却流体的冷却通道；布置在所述第一表面处的腔，其用于从所述冷却通道的至少一部分接收冷却流体；其中至少所述腔中的一部分腔均具有通向其的至少两个对应冷却通道，所述至少两个对应冷却通道朝向彼此倾斜。在使用中，在所述腔中形成涡旋。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮机的定子热屏蔽件、一种设有这种定子热屏蔽件的燃气涡轮机，以及一种冷却定子热屏蔽件的方法。

背景技术

燃气涡轮机定子热屏蔽件（SHS）（具体地第一级）的冷却是非常具有挑战性的任务。实际上，由于两个原因，主动地被用于叶片部件的热气体暴露的表面的膜冷却几乎不适用于旋转叶片通过SHS的区域。首先，SHS和叶片尖端之间的间隙中的复杂流场不允许冷却膜的发展，并且所得的膜有效性低并且难以预测。其次，在刮擦事件的情况下，能够封闭冷却孔开口，从而防止所需的冷却空气流出，这将对整个冷却系统具有不利影响并且减少寿命。

因此，现有技术的SHS冷却的非常普遍的实践是使用用通过对流孔从SHS的侧面排放的冷却空气的大量冲击冷却，这限制了总体冷却效率。

重型燃气涡轮发动机（例如，对于联合循环）的进一步研发集中在循环参数的升高：压力比和热气体温度。在长期的观点中，即使排放面积和空气-热气体压力比显著增加，热气体路径部件都将必须在2000-2200K的涡轮机入口热气体温度下生存，并且可用的对流冷却方案将不可能保证第一级SHS的适当寿命。

由涡轮机入口温度的过度增长引起的第二潜在问题是叶片尖端区域的寿命的恶化，该叶片尖端区域通常暴露在由尖端间隙区域中的几何限制和高湍流水平驱动的最严苛的热条件下。为了将该具体区域中的寿命提高到可接受的水平，将需要通过打开排放区域来显著增加冷却流速。该动作将对整个涡轮机和发动机效率具有不利影响。此外，应当强调的是，叶片尖端区域中的热气体和冷却剂流之间的高离散性，和任何局部热气体斑纹都能够引起寿命限制位置。

用于定子热屏蔽件的大多数已知的冷却方案涉及成熟的制造技术（铸造、机加工、钎焊）和常规的冷却特征（冲击、销和圆筒形孔）。

更宽的扩展方案是冲击与侧排放的组合，如比如在US 2012/0251295 A1和US6139257中所公开的那样。所有这些方案均是稳健的，但由于仅在对流冷却内的限制，通过SHS的前方、侧面和后方的长孔的排放将其冷却效率限制在现有技术水平内。

US 2005/0058534 A1、US 5538393提出了蛇形冷却方案，EP2549063 A1提出了螺旋形冷却方案。虽然给定的冷却方案由于高的热利用率而是相当有效的，但其冷却效率也由固定的冷却剂限制于热气体压头并且不存在任何种类的外部冷却。特别应当说的是，对于不均匀的外部边界条件设计的可调性低。

US2009/0035125 A1、US 5165847、US 5169287、US 6139257、US 6354795 B1和EP1533478 A2提出了在热气体暴露表面处有冷却空气喷射的冲击冷却的SHS。该方案允许使压头和部件的冲击热传递速率和对流冷却效率最大化，然而所有这些公开内容都具有以下缺陷：在刮擦事件的情况下（在重型燃气涡轮机中总是存在刮擦的风险）能够封闭冷却孔出口，从而阻止冷却空气流并且因此引起SHS的过热。此外，由于朝向叶片的后缘定位排放孔，在前述教导中没有考虑叶片尖端的冷却。

US 2012/0027576 A1和US 2012/0251295 A1提出了在SHS的完全热气体冲洗表面处显露冷却空气的喷射冷却方案。再次地，没有给出对刮擦的缓解，并且在紧密的径向间隙的情况下，这部分对于安装而言至关重要。