用于燃气涡轮机的冷却复合板 |
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| 申请号 | CN201480014992.1 | 申请日 | 2014-01-24 | 公开(公告)号 | CN105143609B | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 西门子股份公司; | 发明人 | P·詹金森; M·麦克纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于燃气 涡轮 机部件的 层压 板(100)。所述层 压板 (100)包括第一 覆盖 层 (110)、第二覆盖层(120)和第一 中间层 (130)，其中，所述第一覆盖层(110)、所述第二覆盖层(120)和所述第一中间层(130)彼此叠置地被堆叠在一起。所述第一中间层(130)位于所述第一覆盖层(110)和所述第二覆盖层(120)之间。所述第一中间层(130)包括至少一个第一细长通孔(131)，其中，冷却 流体 能通过所述第一细长通孔(131)流动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮机部件的层压板(100)，所述层压板(100)包括： |
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| 说明书全文 | 用于燃气涡轮机的冷却复合板技术领域背景技术[0002] 为了增大燃气涡轮机的功率和效率，在现代燃气涡轮机中的入口温度变得越来越高。出于这个原因，越来越多的涡轮机部件需要某种冷却结构，以达到可接受的寿命。然而，增加例如冷却空气的使用对燃气涡轮机的效率具有负面影响，使得需要更有效的冷却方法。例如，这可以通过使用形成为较小部件的复杂冷却特征来在所述较小部件上实现。然而，对于例如由金属板制成的更大结构，可用的冷却方法比通过精密铸造或机械加工等制成的那些部件有限得多。 [0003] 通过由始终特殊材料制造涡轮机部件，已使用于燃气涡轮机部件的预先制造结构适合于在更高的温度环境下使用。这种特殊材料的使用是昂贵的，并且受到可用材料的限制。 [0004] 可替代地，已知的是使用彼此间隔开的双层部件，使得冷却流体在部件之间流动。由于复杂的布置和相互之间的对准，这种双部件的设计是昂贵的，并且限制了涡轮机部件的设计和轮廓的灵活性。 [0005] US4168348披露了一种用于燃气涡轮机的燃烧室的穿孔层压材料。该材料包括至少两个穿孔材料的邻接板，所述穿孔非对齐并由形成在邻接板的邻接表面的两个上的一系列通道相互连接。 [0006] US3584972披露了由结合在一起的两个或更多个金属层组成的受控多孔特性的板材，所述层被光刻或以其它方式机械加工以限定穿过层的孔以及层的邻接面之间的通路。板可以用于涡轮机叶片或燃气涡轮机的其他热部件。 发明内容[0007] 本发明的一个目的是提供一种用于燃气涡轮机部件的层压板，其中，层压板的制造成本和复杂度降低。 [0009] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于燃气涡轮机部件的层压板。层压板包括第一覆盖层、第二覆盖层和第一中间层。第一覆盖层、第二覆盖层和第一中间层彼此叠置地被堆叠在一起，其中第一中间层位于第一覆盖层和第二覆盖层之间。第一中间层包括至少一个第一细长通孔，其中，冷却流体可流动通过第一细长通孔。换句话说，围绕第一细长通孔的第一中间层的材料、第一覆盖层和第二覆盖层形成第一冷却通道，冷却流体可流动通过该第一冷却通道。 [0010] 根据本发明的另一方面，提供一种制造用于燃气涡轮机的层压板的方法。根据该方法，至少一个第一细长通孔被形成到第一中间层内。第一覆盖层、第二覆盖层和第一中间层彼此叠置地被堆叠在一起。第一中间层位于第一覆盖层和第二覆盖层之间。冷却流体可流动通过第一细长通孔。第一细长通孔、第一覆盖层和第二覆盖层形成冷却通道，冷却流体可流动通过该冷却通道。 [0011] 燃气涡轮机部件可被用于例如建立燃气涡轮机的导向叶片、涡轮叶片或燃烧室。该层压板可形成相应气体涡轮机部件的壁元件或外壳的一部分。该层压板可以是气体涡轮机部件的与燃气涡轮机的热工作气体相接触的一部分。 [0012] 第一覆盖层、第二覆盖层和相应的中间层可以由金属材料制成。第一覆盖层、第二覆盖层和第一中间层可包括相同的材料，或者可以相对于彼此具有不同的材料。例如，第一覆盖层、第二覆盖层或第一中间层中的一个可以由金属材料制成，其中其它层由不同材料种类形成，例如玻璃或陶瓷材料或碳纤维，或者反之亦然。 [0013] 在一个示例性实施例中，外覆盖层(例如第一覆盖层，其可以暴露于涡轮机的热工作气体)可以相对于第一/第二中间层和内覆盖层(例如暴露于冷却流体的第二覆盖层)由不同的材料制成，以便适合其各自的条件。第一覆盖层可以(在外部)位于气体洗涤(热)的氧化体系内，并且第二覆盖层可以(在内部)位于冷却空气(冷却剂)基本上惰性体系内或另选地在腐蚀体系内。具体而言，第一(例如外)覆盖层包括第一材料，特别是耐氧化材料，并且第一中间层、第二中间层和/或第二(例如内)覆盖层包括第二材料，特别是耐腐蚀材料。这可以提高寿命并降低成本。 [0014] 在第一覆盖层和第二覆盖层之间可被插入多个中间层。因此，层压板可以包括多个层，特别是第一覆盖层、第二覆盖层和多个相应的第一和/或第二中间层的堆叠。 [0015] 第一中间层包括形成第一冷却通道的细长通孔。细长通孔包括沿相应的第一覆盖层或第二覆盖层的表面引导的延伸方向。具体地，第一覆盖层或第二覆盖层的内表面包括相应的法线，该法线沿到第一中间层的方向引导。具体地，第一细长通孔的延伸方向垂直于各覆盖层的内表面的法线。因此，可以概括为，细长通孔不仅是通过其冷却流体沿平行于相应覆盖层的相应表面的法线的方向流动的通孔，而且第一细长通孔被形成为使得流动通过第一细长通孔的冷却流体沿相应的覆盖层的表面流动，并且因此垂直于相应覆盖层的表面的法线。 [0016] 通过本发明的方法，相应的冷却通道由相应细长通孔和相应覆盖层的相应内表面形成。在第一或第二覆盖层内的另外的凹槽或机槽不必形成冷却通道。而且，与形成进入中间层内的具有预定深度的凹槽相比，在中间层内形成细长通孔更容易，因为在制造过程期间，调整这样的凹槽的期望深度很困难。 [0017] 特别是，第一覆盖层和第二覆盖层可以无形成冷却通道的任何凹槽。冷却通道仅通过在第一中间层中被加工的第一细长通孔形成。 [0018] 因此，由于在各个覆盖层中凹槽不是必需的，各个覆盖层相对于该中间层的调节和对准被简化，因为不必准确地相对于中间层调整各个覆盖层以便形成相应的冷却通道。此外，因为不对准，在覆盖层被堆叠在一起之后，也可以弯曲层压板，所述不对准由于常规双层板的弯曲而出现，所述常规的双层板包括隔开的壁元件。 [0019] 根据进一步的示例性实施例，层压板包括第二中间层。第一覆盖层、第二覆盖层、第一中间层和第二中间层彼此叠置地被堆叠在一起，其中第二中间层位于在一侧的第一中间层和在另一侧的第一覆盖层或第二覆盖层之间。第二中间层包括至少一个第二细长通孔，冷却流体可以流动通过该第二细长通孔。第二细长通孔形成第二冷却通道，冷却流体可流动通过该第二冷却通道。 [0020] 第二中间层可以相对于第一中间层以这样的方式被对准，即第一冷却通道和第二冷却通道彼此间隔开，并使得第一冷却通道和第二冷却通道彼此隔离，从而使冷却通道中的每个均包括单独的冷却流体入口和出口。 [0021] 可替代地，第一冷却通道和第二冷却通道可被联接，例如使得冷却流体可以从一个第一冷却通道流动到另一第二冷却通道。 [0022] 在进一步的示例性实施例中，第一细长通孔和第二细长通孔相对于彼此平行。 [0023] 根据进一步的示例性实施例，第一细长通孔沿第一方向延伸，并且第二细长通孔沿第二方向延伸，其中，第一方向和第二方向相对于彼此不平行，特别是垂直。因此，冷却通道和另外的冷却通道例如可形成冷却通道矩阵。 [0024] 根据进一步的示例性实施例，第一细长通孔和第二细长通孔在重叠区域处彼此重叠，使得冷却流体在第一细长通孔(和相应地第一冷却通道)和第二细长通孔(和相应地第二冷却通道)之间可流动。换句话说，如果第一中间层直接位于第二中间层上，第一冷却通道和第二冷却通道以这样的方式被对准，即它们在重叠区域处彼此交叉，其中，在重叠区域处各个冷却通道之间的冷却流体的交换是可能的。 [0025] 根据进一步的示例性实施例，第一覆盖层包括第一通孔，其中第一覆盖层相对于第一中间层对准，使得冷却流体可在第一通孔和冷却通道之间流动。因此，第一通孔可以用作冷却流体入口和/或冷却流体出口，冷却流体可通过冷却流体入口和/或冷却流体出口流进或流出第一冷却通道。 [0026] 可替代地，第一覆盖层和/或第二覆盖层可以无通过其冷却流体可被引导到相应冷却通道的任何通孔。冷却流体然后可通过相应层压板的窄侧(前表面)被引导到相应冷却通道内。相应的第一细长通孔和/或相应的第二细长通孔可以是敞开的细长通孔，该细长通孔在相应的第一和/或第二中间层的窄侧(前表面)具有开口。因此，相应的细长通孔包括相应的冷却流体入口/出口，所述冷却流体入口/出口被形成在相应的中间层的相应的窄侧处，使得冷却流体沿大致垂直于相应的第一和/或第二覆盖层的内表面的法线的方向可引导通过相应的入口/出口。 [0027] 根据进一步的示例性实施例，第一覆盖层包括与第一通孔隔开的另外的第一通孔，其中第一覆盖层相对于第一中间层对准，使得冷却流体可在另外的第一通孔和第一细长通孔，即第一冷却通道之间流动。因此，可以由第一覆盖层提供多个冷却流体入口和出口，使得冷却流体可供给到各个冷却通道或从各个冷却通道排出。 [0028] 在一个示例性实施例中，多个第一通孔和另外的第一通孔可以通过各个第一覆盖层提供，其中通过第一通孔和/或另外的第一通孔，来自于第一冷却通道的冷却流体可以被排出，使得该层压板和具体地各个第一覆盖层的膜冷却可以被提供。 [0029] 根据进一步的示例性实施例，第二覆盖层包括第二通孔，其中第二覆盖层分别相对于第一中间层和/或第二中间层对准，使得冷却流体可在第二通孔和相应的(第一或第二)细长通孔，即冷却通道之间流动。 [0030] 例如，在示例性实施例中，冷却流体可以通过第一细长通孔被注入到第一通孔，并且冷却流体例如可通过第二覆盖层内的第二通孔从各个细长通孔排出去。 [0031] 因此，冷却流体可通过第一通孔从层压板的外部区域被注入到各个冷却通道，其中，在冷却层压板之后，冷却流体通过第二通孔排出去。具体地，冷却流体通过第二通孔被排出去进入燃气涡轮机的内部容积内，热工作气体沿该内部容积流动(例如进入燃气涡轮机的燃烧室)。因此，燃气涡轮机部件的内侧的所谓膜冷却可以被提供。 [0032] 根据进一步的示例性实施例，第二覆盖层包括另外的第二通孔，该另外的第二通孔从第二通孔隔开。第二覆盖层相对于第一中间层和/或第二中间层对准，使得冷却流体可在另外的第二通孔和第一(或第二)细长通孔之间流动。 [0033] 根据进一步的示例性实施例，第一中间层包括至少一个另外的第一细长通孔，该另外的第一细长通孔被从第一细长通孔间隔开。另外的第一细长通孔形成冷却的第一冷却通道，使得冷却流体可在另外的第一细长通孔内流动。 [0034] 第一细长通孔和另外的第一细长通孔在一个示例性实施例中可彼此平行，或者在另一示例性实施例中相对于彼此不平行，特别是垂直。因此，第一细长通孔和另外的第一细长通孔可彼此交叉。 [0035] 具体地，根据一个示例性实施例，第一中间层包括多个另外的第一细长通孔，所述多个另外的第一细长通孔彼此间隔开并且从第一细长通孔间隔开。 [0036] 根据进一步的示例性实施例，第一细长通孔和另外的第一细长通孔连接，使得冷却流体可在第一细长通孔和另外的第一细长通孔之间流动。因此，第一细长通孔和另外的第一细长通孔分别形成矩阵和彼此之间的冷却流体循环。 [0037] 因此，同样第二中间层可以包括相应的另外的第二细长通孔，其可以平行于第二细长通孔或不平行于相应的第二细长通孔。 [0038] 根据进一步的示例性实施例，第一细长通孔和另外的第一细长通孔被连接，使得冷却流体可在第一细长通孔和另外的第一细长通孔之间流动。 [0039] 如果第一细长通孔和另外的第一细长通孔相对于彼此非平行延伸，第一细长通孔和另外的第一细长通孔分别彼此交叉或重叠，从而可以形成冷却通道的矩阵。 [0040] 根据进一步的示例性实施例，第一覆盖层和/或第二覆盖层包括流体引导元件。流体导引元件从第一覆盖层，特别是从第一覆盖层的内表面延伸进入第一细长通孔，用于在第一冷却通道内引导冷却流体。可替代地，流体引导元件也可从第二覆盖层，即从第二覆盖层的内表面延伸，分别进入第一细长通孔或进入第二细长通孔。 [0042] 总之，通过本发明，提供一种复合层压板，其由多个层，例如至少第一覆盖层、第二覆盖层、第一中间层和/或多个中间层组成。中间层的至少一个以这样的方式被形成，即通过包括细长的通孔提供冷却通道。此外，流体导引元件可从覆盖层延伸到各细长通孔内。 [0043] 各个层(覆盖层和中间层)可以被结合在一起以形成具有嵌入的冷却通道和嵌入的冷却特征部的单个层压板，所述嵌入的冷却通道特别是通过中间层内的细长通孔形成，嵌入的冷却特征部诸如是流体引导元件。该层压板可被用于形成最终燃气涡轮机部件。此外，该层压板可被附连到许多其它相邻层压板以形成最终的部件，诸如燃气涡轮机的燃烧室或导向叶片。上述层压板的形状和特征可被用于允许电阻焊接的使用，以一起熔化多个层。各个层，特别是中间层，也可以是波纹状的以形成细长的通孔(冷却通道)。流体引导元件可以被添加到冷却通道，以增加热传递。 [0044] 通过本发明的方法，上述由冷却流体冷却的层压板的使用允许在燃气涡轮机内的许多不同结构和部件，其中复杂的冷却特征可能已过时。另一方面，适当的冷却效率可以被实现使得点火温度可以被提高或冷却流体的质量流量可被降低。同样，更便宜的材料也可以被使用并且燃气涡轮机的延长部件寿命得以实现。 [0045] 必须指出的是，本发明的实施例已经参照不同的主题被描述。特别地，一些实施例已参照要求保护的装置类型进行描述，而其他实施例已参照要求保护的方法类型进行描述。然而，本领域技术人员将会从以上和以下描述中理解，除非另外说明，除了属于一种类型的主题的特征任意组合，同样，涉及不同主题的特征之间，特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合，被认为与本申请一同公开。附图说明 [0046] 从下文将要描述的实施例的示例中，本发明的上述和其它各方面是显而易见的并参照实施例的示例进行解释。本发明将在下文中参照实施例的示例被更详细地描述，但本发明不局限于此。 [0047] 图1示出了根据本发明的示例性实施例的包括四层的层压板的说明性视图； [0048] 图2示出了根据本发明示例性实施例的如图1所示的完成的层压板的示例性视图；以及 具体实施方式[0050] 附图中的图示是示意性的。应当指出，在不同附图中，相似或相同的元件被提供有相同的附图标记。 [0051] 图1和图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃气涡轮机部件的层压板100的一个示例性实施例，其中，在图1中所使用的层110，120，130，140的分解图被示出，并且其中在图2中，完成的层压板100，其中所有的层110，120，130，140被结合在一起，被示出。 [0052] 如可从图1中看出，层压板100包括第一覆盖层110，第二覆盖层120和第一中间层130。另外，在图1中所示的示例性实施例示出了具有另外的第二中间层140的层压板100。 [0053] 然而，层压板100可以形成有一个第一中间层130，两个中间层130，140或多个中间层130，140。 [0054] 第一覆盖层110、第二覆盖层120和第一中间层130彼此叠置地被堆叠在一起。第一中间层130位于第一覆盖层110和第二覆盖层120之间。第一中间层130包括至少第一细长通孔131。第一细长通孔131、第一覆盖层110和第二覆盖层120形成第一冷却通道，冷却流体可流动通过该第一冷却通道。 [0055] 在图1所示的示例性实施例中，层压板100还包括第二中间层140，其位于在一侧的第一中间层130和在另一侧的第二覆盖层120之间。第二中间层140包括至少第二细长通孔141，其形成另外的冷却通道，使得冷却流体可在另外的第二冷却通道内流动。 [0056] 在图1中所示的示例性实施例中，第一中间层130包括多个细长通孔131，132。多个另外的第一细长通孔132相对于彼此平行地延伸。第一细长通孔131非平行于另外的第一细长通孔132延伸。 [0057] 在图1所示的示例性实施例中，第一细长通孔131与细长通孔132交叉，使得第一细长通孔131被连接并联接到另外的第一细长通孔132。因此，冷却流体可从由第一细长通孔131形成的冷却通道流到由另外的第一细长通孔132形成的所有另外的冷却通道。 [0058] 如图1所示，第一通孔111和多个另外的第一通孔112被形成在第一覆盖层110内。通过相应的通孔111，112，冷却流体可以通过相应的细长通孔131，132被注入或流出。 [0059] 此外，流体引导元件，例如凸起和/或翅片可从第一覆盖层110的内表面延伸进入相应的第一细长通孔131，132，以便增加传热和以便引导冷却流体流过相应的冷却通道。为了清楚起见，该流体引导元件未在图中示出。 [0060] 此外，图1示出了第二中间层140，其包括第二细长通孔141和另外的第二细长通孔142。第二中间层140包括多个另外的第二细长通孔141，142。多个另外的第二细长通孔142相对于彼此平行延伸。第二细长通孔141非平行于另外的第二细长通孔142延伸。 [0061] 在图1所示的示例性实施例中，第二细长通孔141与另外的第二细长通孔142交叉，使得第二细长通孔141被连接和联接到另外的第二细长通孔142。因此，冷却流体可以从由第二细长通孔141形成的冷却通道流到由另外的第二细长通孔142形成的所有另外的冷却通道。 [0062] 如图1所示，第二通孔121和多个另外的第二通孔122形成在第二覆盖层120内。通过相应的通孔121，122，冷却流体可以通过相应的细长通孔141，142被注入或流出。 [0063] 此外，流体引导元件，例如凸起和/或翅片可从第二覆盖层120的内表面延伸到相应的第二细长通孔141，142内，以便增加传热并以便引导冷却流体流过相应的冷却通道。为了清楚起见，该流体引导元件未在图中示出。 [0064] 在如图1所示的示例性实施例中，另外的第一细长通孔132相对于另外的第二细长通孔142非平行地延伸。因此，另外的第一细长通孔132和另外的第二细长通孔142在相应重叠区域彼此重叠，使得所述冷却流体可在第一细长通孔131，132和第二细长通孔141，142之间流动。因此，冷却流体例如可以通过第一覆盖层110的第一通孔111，112注入由第一细长通孔131，132形成的相应第一冷却通道，并在重叠区域内进一步流入由第二细长通孔141，142所形成的相应第二冷却通道，并可进一步通过在第二覆盖层120内的第二通孔121，122排出。 [0065] 第一和第二细长通孔131，141是分别用于冷却流体的分配和收集的通道。第一和第二细长通孔131，141被间隔开并一般都在层压板100的相对两端。第一和第二细长通孔131，141以细长通孔的至少两倍的宽度间隔开(即正交于细长长度或方向)。优选地，第一和第二细长通孔131，141以细长通孔的至少五倍宽度间隔开。 [0066] 有利的是，冷却流体在层压板的平面内流动，从而冷却大表面积。与具有“入口”通孔111，112形成对比，这太接近“出口”通孔121，122，其中冷却剂几乎直接穿过层压板的平面而不在层压板的平面内经过。在此，可以说，冷却剂具有在冷却剂入口和出口之间通过层压板的清洁视线。 [0067] 第一和第二细长通孔131，141被示出具有大致恒定的宽度；然而，它们的宽度可以变化，以便更均匀地分配冷却剂到第一和第二细长通孔132，142和更均匀地从第一和第二细长通孔132，142收集冷却剂。此外，第一和第二细长通孔132，142的宽度可沿着每个孔的长度变化，以在适当位置优先增加或减少冷却。同样地，所有的多个细长通孔的宽度不需要是恒定的，并且再次，一个通孔可以比相邻细长通孔更宽或更窄。当从正交于层压板的平面观察时，通孔131，132，141，142不需是直的，而可以是弯曲的，例如S形、锯齿形、V形或城堡形。 [0068] 该层压板100可以是平坦的或弯曲的，并且在一个以上的平面内。 [0069] 图2示出了这种冷却流体的示例性流。冷却流体通过第一覆盖层110的通孔111，112被注入，并在流过各个冷却通道之后通过在第二覆盖层120内的第二通孔121，122被排出。 [0070] 例如，第二通孔121，122和第二覆盖层120可分别形成相应的涡轮机部件的壁元件，其与所述燃气涡轮机的热工作气体相接触。因此，借助通过相应的第二通孔121，122排出冷却流体，可以产生膜冷却。 [0071] 图3示出了燃气涡轮机部件，特别是燃气涡轮机300的喷嘴导向叶片，其由图1和2所示的层压板100制成。 [0072] 喷嘴导向叶片300包括前缘301和后缘302。燃气涡轮机的热工作气体对着前缘301流动并进一步沿相应的表面流到后缘302。喷嘴导向叶片300包括中空结构，其包括内部容积。冷却流体流过内部容积。 [0073] 喷嘴导向叶片300的第一覆盖层110包围喷嘴导向叶片300的内部容积。 [0074] 因此，第一覆盖层110形成导向叶片300的内层，该内层位于喷嘴导向叶片300的内部容积中并与冷却流体相接触。第二覆盖层120形成喷嘴导向叶片300的外覆盖层，该外覆盖层与通过喷嘴导向叶片300的燃气涡轮机的热工作气体相接触。 [0075] 第一中间层130被插设在第一覆盖层110和第二覆盖层120之间。第一中间层130包括相应的切口，即第一细长通孔131和另外的第一细长通孔132，用于形成第一和第二覆盖层110，120之间的相应冷却通道。 [0076] 第一细长通孔131，131'垂直于另外的第一细长通孔132延伸。 [0077] 具体地，第一细长通孔131，131'分别沿前缘301和沿后缘302延伸。另外的第一细长通孔132垂直于第一细长通孔131，131'延伸，以使得冷却流体可通过相应的另外的第一细长通孔132在喷嘴导向叶片300的前缘301和后缘302之间的方向上流动。 [0078] 第一覆盖层110包括通孔111，112。冷却流体可通过第一覆盖层110的相应第一通孔111，112从内部容积流入由第一细长通孔131，131'和另外的第一细长通孔132形成的相应的冷却通道。 [0079] 外部第二覆盖层120包括第二通孔121，122，冷却流体可以通过该第二通孔从冷却通道排出。因此，借助通过第二通孔121，122排出冷却空气，可以提供附加的膜冷却。具体而言，在前缘301的区域内形成第二通孔121'，122'，可能是有效的。在燃气涡轮机的运行期间，前缘301可形成导向叶片喷嘴300的最热点之一。 [0080] 应当指出的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个(a)”或“一个(an)”并不排除多个。而且，结合不同实施例描述的元件可以被组合。还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。 |
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