[发明专利]涡轮机部件的冷却壁及冷却该壁的方法

说明书

本发明涉及涡轮机部件的冷却壁，其包括：用于冷却剂的第一层通道，其沿面向热气体流的壁的一侧设置，所述第一层通道具有蛇形形状，所述第一层的每个通道均具有入口和出口；用于冷却剂的第二层通道，其布置成比所述第一层更远离热气体流，所述第二层的每个通道均具有入口和出口，所述第一层的每个所述通道的所述出口与所述第二层的相关联的通道的对应入口流体连通，从而形成弯折部，以便当冷却剂进入所述第二层时，改变离开所述第一层的所述通道的冷却剂的方向。

技术领域

本发明涉及涡轮机部件的冷却壁。

背景技术

重型燃气涡轮发动机研发的一般任务是增加效率、动力输出和涡轮机的部件的寿命。现有技术的涡轮机入口部段处的温度热气体水平是1800-1900K，这远高于涡轮机材料的热稳定性限制，并且仅使用高度复杂的冷却系统才允许在合理的冷却剂消耗的情况下达到需要的寿命。然而，冷却系统的引入不可避免地提供穿过冷却壁上的温度梯度，并且因此引入热应力，这是冷却系统的任务是针对可接受的寿命提供最低温度和最小的温度不均匀性水平两者的原因。

由于燃烧室中生成的最高入口温度水平(由于不均匀烧燃条件而能够远高于质量平均)和湍流水平，如燃烧器火焰筒(liner)和第一级导叶的燃气涡轮机的这种部件遭受最为严苛的热条件。

因此，针对导叶和内燃机部件的现有技术的冷却的十分常见的实践是使用大量的冲击冷却并且随后通过薄膜冷却排将冷却剂排放至流动路径。

燃气涡轮发动机的进一步研发集中在循环参数的提升：压力比和热气体温度，其相应地将引起涡轮机和燃烧器部件的热学边界条件恶化，这承担研发新型的、高度有效的冷却系统的任务，以保证在规定的维护间隔内的可靠工作。

在二十世纪九十年代的开始，已经发起了高效的近壁冷却方案的活跃研发。基于整合于壁的冷却特征(冲击、销柱、漩涡或者带肋通路)并进一步向流动路径排放的多种冷却方案提出了高的冷却有效性和壁的外侧(热气体冲刷)所需的温度水平的实现。然而，这种冷却方案具有缺点，因为壁的内侧(冷却剂冲刷)完全被冷却剂围绕并具有非常低的温度。由于两侧是一体的，因此这种大的金属温度差异提供高的热应力并且限制部件的寿命。因此，也应当特别地关注穿过冷却壁的这种温度梯度的减小。

大多数获得专利的冷却方案应对成熟的制造技术(铸造、机加工、钎焊)以及常规的冷却特征(冲击、销柱和圆筒形孔)。更普及的方案是冲击与薄膜冷却的组合，比如EP2256297 B1、US 3767322 A、US 4297077 A、US 7118326 B2、US 7497655 B1(导叶)及US20100037620 A1、US 6761031 B2(火焰筒)。所有这些方案均是可靠并且强健的，但是限制于当前的冷却技术水平，且涡轮机入口参数的进一步增加需要更加有效的冷却方案。

US 8608430 B1、US 8414263 B1、US 5215431 A提出带有整合于壁的冲击特征的近冷却构思。尽管给定的冷却方案具有相当的冷却有效性，但是由于被冷却空气环绕的厚冷壁，这种部件的寿命是相当有限的。

US 5993156 A和US 7563072 B1展示在弦线中部区域中带有整合于壁的销柱域(field)和螺旋通道的冷却系统。尽管在这种冷却特征中实现的高传热率能够非常有效地使热气体冲刷的壁的部分降低到所需水平，但是壁的厚的冷的部分将产生高的热应力并限制该部分的寿命。

US 5328331 A提出可冷却的翼型，其设有一体地形成的双壳冷却系统，其中内壳和外壳与捆系元件(基座、杆或者肋)一体地形成，且该捆系元件将壳间隔分开并机械且热学地捆系壳。该方案提出相当灵活的系统，但是过于简单的对流冷却特征对于现有技术的第一级部件是不可行的。

发明内容

本发明的目的在于解决前述问题，即提供可靠的冷却壁。