[发明专利]用于燃气涡轮的具有内置热交换器的热气路径构件

说明书

本发明涉及用于燃气涡轮的具有内置热交换器的热气路径构件。具体地，一种用于燃气涡轮发动机的热气路径构件，包括：管状壁结构（13），其具有内壳（15）、外壳（16）以及多个肋（17），所述肋（17）将内壳（15）和外壳（16）连接至彼此；多个冷却通道（18），其在内壳（15）和外壳（16）之间延伸穿过管状壁结构（13）并且由相应的成对邻近肋（17）限定；热交换器（20），其构造成用以使热交换流体（QC）循环通过内壳（15），用以将热交换流体（QC）从内壳（15）穿过所述肋（17）中的至少一些引导至外壳（16）并且用以使热交换流体（QC）循环通过外壳（16）。

相关申请的交叉引用

本专利申请主张来自在2020年7月27日提交的欧洲专利申请号20187969.9的优先权，该欧洲专利申请的整个公开内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的具有内置（built-in）热交换器的热气路径构件。

背景技术

如已知的那样，燃气涡轮发动机的燃烧器包括热气路径，在该热气路径内燃料与空气混合并且燃烧。如此产生的热然后被进给至燃气涡轮发动机的涡轮或膨胀区段，用于将热能和动能转化成机械能。

热气路径基本上由具有内热表面和外冷表面的管状壁界定，并且可由若干构件形成。热气路径构件可包括一个或多个燃烧区段，其限定对应的燃烧容积（例如，在顺序燃烧器的情形中），以及过渡管道。过渡管道构造成用以将热气体导引到涡轮入口中并且因此暴露于高温。作为燃气涡轮发动机的其它构件，也是界定热气路径的构件，并且尤其是过渡管道，需要冷却以避免因过热所引起的损坏和用以延长寿命。为了冷却热气路径构件的目的，总的空气流的一部分通常从压缩机中获取并且通过围绕燃烧器的仓室（plenum）进给至冷却系统。可使用若干种已知的冷却系统，例如冲击冷却系统、对流冷却系统或者近壁冷却系统。然而，所有已知的系统都受到以下限制，所述限制不允许进一步升高热气路径内的点火温度，如代替地将是期望的那样，或否则会影响燃气涡轮单元的操作。

一个常见问题是暴露于热气流的内表面和与冷却流体或在任何情形中的相对新鲜空气相接触的外表面之间的温差很大。当燃气涡轮发动机启动或承受大的负载变化时，内表面相比于外表面经受更大的热膨胀，并且此种失配（或不匹配）可引起强烈的静态机械应力并导致蠕变，从而造成构件寿命缩短。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于燃气涡轮发动机的热气路径构件，其允许克服或至少减弱所描述的限制。

根据本发明，提供有一种用于燃气涡轮发动机的热气路径构件，其包括：

管状壁结构，其具有内壳、外壳以及多个肋，所述肋将内壳和外壳连接至彼此；

多个冷却通道，其在内壳和外壳之间延伸穿过管状壁结构并且由相应的成对邻近肋限定；

热交换器，其构造成用以使热交换流体循环通过内壳，用以将交换流体从内壳穿过所述肋中的至少一些引导至外壳，并且用以使热交换流体循环通过外壳。

热气构件可以是在燃气涡轮发动机中界定热气体的流动路径的任何构件，例如单级、第一级或第二级燃烧器的燃烧室的衬套，或者在燃气涡轮发动机中将燃烧室连结至高压或低压涡轮的入口的过渡件。因此，管状壁结构的内侧和外侧在操作中经受巨大的温差。热交换器允许平衡暴露于热气体的内壳和与来自压缩机的相对新鲜空气相接触的外壳之间的温度分布。热交换流体实际上首先在内壳中循环并且从在热气路径中流动的热气体中汲取热量，从而降低内壳的平均温度。然后，热交换流体被引导至外壳并且在其中循环以散发所收集的热并且升高平均温度。内壳和外壳的平均温度方面的差异可显著地减小，并且由于热膨胀方面的失配所引起的机械应力因此得以缓解。减小的机械应力显然有益于构件的寿命。

根据本发明的一方面，热交换器包括在内壳中延伸的内热交换通路、在外壳中延伸的外热交换通路，以及延伸穿过相应的肋并且构造成用以流体地联接相应的内热交换通路和相应的外热交换通路的连接通路。