冲击冷却的壁结构

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冲击冷却的壁结构
申请号	CN201710071359.1	申请日	2017-02-09	公开(公告)号	CN107044654A	公开(公告)日	2017-08-15
申请人	安萨尔多能源英国知识产权有限公司;			发明人	F.A.包伽特纳; M.T.马吾尔; J.T.哈宁顿;
摘要	本公开涉及一种冲击冷却的壁结构，包括：冲击套筒和在操作期间暴露于热气体的壁，其中冲击套筒至少部分地设置在气室中，并且与壁间隔开一距离以在壁和冲击套筒之间形成冷却流动路径，使得在操作期间从气室喷射并穿过冷却套筒中的多个孔的压缩气体冲击到壁上，并且作为横向流动朝向冷却流动路径的下游端部处的出口流动；以及设置在壁上的具有前缘的多个紊流器，其特征在于，孔中的至少一个的中心沿纵轴线对齐于紊流器中的至少一个的前缘。除了冲击冷却的壁结构之外，还公开了具有这种结构的燃气涡轮机以及用于冷却管道壁的方法。
权利要求	1.一种冲击冷却的壁结构（12），包括：冲击套筒（10）和在操作期间暴露于热气体（19）的壁（7），其中所述冲击套筒（10）至少部分地设置在气室（20）中，并且与所述壁（7）间隔开一距离以在所述壁（7）和所述冲击套筒（10）之间形成冷却流动路径（15），使得在操作期间从所述气室（20）喷射并穿过所述冷却套筒中的多个孔（13）的压缩气体（11）冲击到所述壁（7）上，并且作为横向流动（16）朝向所述冷却流动路径（15）的下游端部（28）处的出口流动；以及设置在所述壁（7）上的具有前缘（25）的多个紊流器（21），其特征在于，所述孔（13）中的至少一个的中心沿纵轴线（29）对齐于所述紊流器（21）中的至少一个的所述前缘（25）。 2.根据权利要求1所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述结构（12）包括至少一排所述孔（13）和至少一排所述紊流器（21）。 3.根据权利要求1或2所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述孔（13）的数量等于或小于所述紊流器（21）的数量。 4.根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述孔（13）中的每个均沿所述纵轴线（29）对齐于所述紊流器（21）中的至少一个。 5.根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所有所述紊流器（21）均具有类似形状。 6.根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述紊流器（21）中的至少两个彼此连接。 7.根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述紊流器（21）中的至少一个具有V形形状。 8.根据权利要求1-6中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述紊流器（21）中的至少一个具有角锥形状。 9.根据权利要求1-6中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述紊流器（21）中的至少一个具有半圆形形状。 10.根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12），其特征在于，所述紊流器（21）沿所述横向流动（16）的方向设置在所述孔（13）的下游。 11.一种燃烧器（4），其特征在于，其包括根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12）。 12.一种燃气涡轮机（1），其特征在于，其包括根据前述权利要求中任意一项所述的冲击冷却的壁结构（12）。 13.一种用于冲击冷却位于根据权利要求1-10中任意一项所述的冷却的壁结构（12）内部且在操作期间暴露于热气体（19）的壁（7）的方法，其特征在于，冲击套筒（10）至少部分地设置在气室（20）中，并且与所述壁（7）间隔开一定距离以在所述壁（7）和所述冲击套筒（10）之间形成冷却流动路径（15），包括以下步骤：将压缩气体（11）从所述气室（20）穿过孔（13）喷射到所述冷却流动路径（15）中；使所述压缩气体（11）冲击到所述壁（7）上，并且朝向所述冷却流动路径（15）的下游端部（28）处的出口引导作为横向流动（16）的压缩气体（11）；以及通过设置在所述壁（7）上的所述紊流器（21）使横向流动（16）转向。
说明书全文	冲击冷却的壁结构技术领域 [0001] 本公开涉及冲击冷却结构，更具体地涉及用于冷却暴露于热气体的壁的冲击冷却的壁结构。背景技术 [0002] 产生发电循环的热力学效率取决于其工作流体的最高温度，该工作流体在例如燃气涡轮机的情况下是离开燃烧器的热气体。热气体的最高可行温度由燃烧排放物以及与该热气体接触的金属零件的操作温度极限限制，并且由将这些零件冷却到热气体温度之下的能力限制。冷却形成先进重型燃气涡轮机的热气体流动路径的热气体管道壁是困难的，并且当前已知的冷却方法存在很大的性能损失，即导致功率和效率的降低。 [0003] 冲击冷却是用于暴露于具有高的热气体温度的气体的部件的最有效的冷却技术之一。为了壁的冲击冷却，将套筒设置在离开壁外表面（背离热气体的表面）较短距离的位置。冲击套筒包含孔的阵列，压缩气体穿过所述孔排放以产生空气射流的阵列，该空气射流冲击到壁的外表面上并冷却该外表面。在冲击之后，压缩气体作为冷却气体在由壁和冲击套筒界定的冷却路径中朝向冷却流动路径的端部流动。该流动导致所谓的横向流动。通常第一冲击排（impingement row）允许在冷却通道中没有任何横向流动的情况下冲击到壁上。随着随后的冲击排的数量朝向冷却流动路径的端部增加，在冷却通道中的横向流动产生。作为缺点，随着冲击射流在冲击到壁上之前转向并弯曲离开壁（见图2a），在冷却通道中的增加的横向流动阻碍并降低了冲击冷却的可能的传热系数。 [0004] 为了限制横向流动速度，已经在US4719748中提出了在冷却通道的长度上增加冷却通道的高度。然而，增加冷却通道的高度会减小到达管道壁的射流的冲击效果。在EP2955443中的另一解决方案提出了增加与转向器相结合的额外冲击孔。 [0005] 除了因此在借助冲击冷却来冷却的壁的长度上冲击冷却的效率降低之外，管道壁的典型热负载不是均匀的。例如，燃气涡轮机的大多数燃烧室相对于发动机轴线具有倾斜，这导致热气体流动方向的变化。在燃烧室中的热气体流动必须适应主要流动方向的这种变化，从而导致在远离燃烧室壁的典型部位上的具有较大热负载的区域，即所谓的热点。为了确保暴露于增加的热负载的壁区域的使用寿命，这些部位处需要增加冷却。 [0006] 考虑到现有的解决方案，仍然需要高效的冲击冷却结构。发明内容 [0007] 本公开的主要目的是提出一种冲击冷却的壁结构，其允许高效地将壁冲击冷却而不管引导热气体流动的壁上的位置，并且维持沿壁的延伸长度的高冷却效率。 [0008] 公开的冲击冷却的壁结构包括冲击套筒和在操作期间暴露于热气体的壁，其中冲击套筒至少部分地设置在气室中，并且与壁间隔开一距离以在壁和冲击套筒之间形成冷却流动路径，使得在操作期间从气室喷射并穿过冷却套筒中的多个孔的压缩气体冲击到壁上，并且作为横向流动朝向冷却流动路径下游端部处的出口流动。公开的冲击冷却的壁结构还包括设置在壁上的具有前缘的多个紊流器。孔中的至少一个的中心沿纵轴线对齐于紊流器中的至少一个的前缘。 [0009] 根据本发明的一个实施例，该结构包括至少一排孔和至少一排紊流器。 [0010] 根据本发明的另一实施例，孔的数量等于或小于紊流器的数量。 [0011] 根据又一实施例，每个孔均对齐于紊流器中的至少一个。 [0012] 根据本发明的另一实施例，所有紊流器均具有类似形状。 [0013] 根据又一实施例，紊流器中的至少两个彼此连接。 [0014] 根据另一优选实施例，紊流器中的至少一个具有V形形状、角锥形状或者半圆形形状。 [0015] 根据又一优选实施例，紊流器沿横向流动的方向设置在孔的下游。 [0016] 除了冲击冷却的壁结构之外，本公开还描述了包括根据上述实施例中的一个实施例所述的冲击冷却的壁结构的燃烧器和燃气涡轮机。 [0017] 此外，本公开的目的是提供一种用于冲击冷却在操作期间暴露于热气体的壁的方法。该方法包括以下步骤：将压缩气体从气室穿过孔喷射到冷却流动路径中；使压缩气体冲击到壁上，并且朝向冷却流动路径的下游端部处的出口引导作为横向流动的压缩气体；以及通过设置在壁上的紊流器使横向流动转向。附图说明 [0018] 将借助于附图在下文更详细地描述本公开、其本质以及其优点。参考附图：图1示出了具有压缩机、燃烧结构和涡轮机的燃气涡轮机；图2a、图2b示出了冲击冷却的壁结构；图3示意性地示出了在壁结构中的冲击流动；图4示出了具有孔和紊流器的冲击冷却的壁结构的俯视图；图5示意性地示出了具有孔和紊流器的冲击冷却的壁结构；图6示出了在常规的冲击冷却的壁的长度上和具有紊流器的冲击冷却的壁的长度上的结果传热系数的变化。具体实施方式 [0019] 相同或者功能上相同的元件在下文具有相同的附图标记。示例不构成对这种结构的公开的任何限制。 [0020] 图1示出了具有冲击冷却的燃烧器4的燃气涡轮机1。燃气涡轮机1包括压缩机3、燃烧器4和涡轮机5。进气空气2被压缩机3压缩成压缩气体11并且经由通向燃烧器4的气室20馈送到燃烧器。燃料8与压缩气体在燃烧器4中燃烧以产生热气体流动19。热气体在涡轮机5中被消耗从而产生机械功。通常，燃气涡轮系统包括联接到燃气涡轮机1的轴6的发电机17。燃气涡轮机1还包括用于涡轮机5和燃烧器4的冷却系统，因为其不是本公开的主题，所以未示出。废气26离开涡轮机5。剩余的热通常被用于随后的水蒸汽循环（其在本文中也未示出）中。 [0021] 图2a示出穿过冲击冷却的壁结构12的截面，并且图2b示出图2a的冲击冷却的壁结构12的俯视图。如所示，冲击冷却的壁结构12包括壁7，其在一侧上暴露于热气体流动19。用于壁7的冲击冷却的包括孔14的冷却套筒10设置在壁7上方一距离处。压缩气体11穿过孔13从气室20被馈送并且冲击到壁7上。在压缩气体11冲击到壁7上之后，其作为横向流动16在由壁7和套筒10形成的冷却流动路径15中朝向冷却流动路径15的下游端部28流动。在图2a的示例中，热气体流动19和横向流动16沿彼此平行的相同方向朝向冷却流动路径15的下游端部28流动。图2b示出图2a的结构的俯视图。冲击冷却的壁结构12在上游端部和两侧由冷却场壁27界定。两排孔13平行设置。压缩气体11流动通过孔13以形成横向流动16。 [0022] 在图2a、图2b中示出的示例中，用于压缩气体喷射到壁7上的孔设置在冲击冷却的壁结构12的上游区段中。下游区段仅用横向流动16冷却。在图2b下方指示冷却流动路径的从上游端部起的长度x。 [0023] 图3示出了在壁7上的压缩气体流动11的冲击。在冲击之后，产生二级流动14。 [0024] 根据本公开的冲击冷却的壁结构12的第一示例被示于图4（其示出俯视图）和图5。紧接在冲击孔13下游的流动分布是非常不均匀的，且具有与孔13对齐的大动量核心。在图4中，存在两排孔13和四排紊流器21。紊流器21具有带前缘25的V形形状。横向流动16被紊流器21转向，从而产生相反顶点，如图5所示。根据本发明，孔13沿着纵轴线29对齐于紊流器21的前缘25。通过使紊流器21对齐于孔13，设计利用了由孔13产生的在下游区域中的大动量核心的优势，从而提高了由这些特征产生的传热水平。该设计允许在零件上的更均匀的传热，从而增加了零件寿命并且通过移除下游冲击孔而显著地减少了所需的冷却剂质量流量，从而减少了损失的压缩机功的量。图4和图5示出了如何解决减少质量流量和被冷却零件的压降需求且同时维持由上游冲击排所产生的高传热的问题，省去观察到传热开始降低的下游排而替代地放置与孔13对齐的紊流器21。冲击孔与前缘25的对齐在冷却系统的相同压降的情况下提高了整体的传热水平，反之亦然。对于非铸造零件，由于紊流器数量的潜在减少，降低了制造成本。 [0025] 紊流器21能够如图4和图5所示彼此连接，或者它们可以分离开（未示出）。此外，紊流器21可以具有能够产生两个相反顶点的不同形状。这样的形状包括角锥和半圆形形状。 [0026] 图6示出了在图2a/2b的冲击冷却的壁的长度上的结果传热系数（HTC）30以及具有图4和图5的紊流器21的冲击冷却的壁的传热系数31的变化的图释（非真实数据）。清楚地指示了由于穿过孔13产生的压缩气体在壁7上的冲击导致的冷却的局部峰值。对于没有紊流器21的图2a/2b的结构，峰值和整体的传热系数（HTC）沿着冷却流动路径15的长度x减小。在冲击冷却的壁的长度上的结果传热系数是在冷却的壁区段的宽度上的平均传热系数。由于在长度x上的横向流动16，所以峰值减小。对于具有紊流器21的结构，传热系数31显著提高。 [0027] 在实施例中示出的冲击冷却的壁结构能够被用于例如带筒形燃烧器的燃气涡轮机。筒形燃烧器通常围绕燃气涡轮机的轴6周向分布，并且具有过渡件或过渡区段，以用于从燃烧室的圆形横截面过渡到在出口处（即在涡轮机入口处）的具有环形截面形状的横截面或实际上矩形的流动横截面。过渡件能够被集成到管道中或者是单独的管道，并且公开的冲击冷却的壁结构能够同样地被用于引导过渡件中的热气体的管道。 [0028] 公开的冲击冷却的壁结构和用于冷却的方法能够被用于燃气涡轮机以及壁暴露于热气体的其他机器或设施，例如熔炉或者反应堆。 [0029] 应该显而易见到，上文仅涉及本申请的优选实施例，并且在不背离由所附权利要求所限定的本发明的通用精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在此做出大量改变和修改。 [0030] 附图标记说明1燃气涡轮机 2进气空气 3压缩机 4燃烧器 5涡轮机 6轴 7管道壁 8燃料 9燃烧物 10套筒 11压缩气体 12冲击冷却的壁结构 13孔 14二级流动 15冷却流动路径 16横向流动 17发电机 19热气体流动 20压缩气体气室 21紊流器 25前缘 26废气 27冷却场壁 28下游端部 29纵轴线 30没有紊流器的HTC 31具有紊流器的HTC。