[发明专利]冲击冷却的壁结构

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

根据又一实施例，每个孔均对齐于紊流器中的至少一个。

根据本发明的另一实施例，所有紊流器均具有类似形状。

根据又一实施例，紊流器中的至少两个彼此连接。