CN100552189C - 受热壁面冷却结构以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片 - Google Patents

Abstract

受热壁面冷却结构以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片，该冷却结构具有致密壁面层，该致密壁面层开有供冷却剂通过的多个离散通孔；致密壁面层的受热一侧覆盖有多孔介质层，使多孔介质层和开有多个离散通孔的致密壁面层构成双层叠置的结构，离散通孔的出口和多孔介质层连通。多孔介质层可以连续地覆盖在致密壁面层上，也可以仅覆盖离散通孔出口的局部区域。本发明综合了气膜冷却和发汗冷却的特点，充分组合了两种冷却方式的优点，可以有效地提高壁面上的冷却效率、降低壁面温度梯度，避免材料热应力持续增加。同时本发明冷却结构的强度还足以用于常见的叶轮机械。

Description

受热壁面冷却结构以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种受热壁表面的冷却结构，以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片，属于热工技术领域。

背景技术

对处于高温环境中的机械结构进行必要的冷却，以保证结构的安全运行，一直是生产生活中常见的问题。在涉及到热机的应用领域中，需要冷却的高温表面比比皆是，例如：车用柴油机和汽油机的气缸壁、火箭推力室、燃气轮机叶片、超高速飞行器外壁、超燃发动机的内筒等等。对于燃气轮机而言，提高热效率和功率意味着透平进口温度的提高。逐年上升的透平进口温度已经突破了2000℃，而叶片等金属部件的最高耐热温度一般仅在1000℃左右，因此对燃气轮机叶片进行高效冷却是决定未来燃气轮机发展程度的一个关键因素。

按照施加位置，高温表面的冷却包括内冷却和外冷却两大类。内冷却指在受热壁的内侧(也就是高温环境的相对一侧)采取冷却措施，将高温环境传递到表面的热量迅速带走，例如通过对流换热的再生冷却；外冷却指在受热表面的外侧(也就是和高温环境的相接触的一面)采取冷却措施，将高温燃气和壁面隔开，以减少两者之间的传热，例如气/液膜冷却、发汗冷却、屏蔽冷却、烧蚀冷却。气膜冷却和发汗冷却均利用温度相对较低的流体作为冷却剂，将其从一定形式的壁面开口排出，形成冷却保护层，从而对高温壁面形成有效的主动冷却。但两者有很大程度的区别：气膜冷却一般通过在致密壁面上开设直径在毫米量级的离散通孔，甚至是宽度为毫米量级的直槽；而发汗冷却一般通过具有微米量级孔隙的多孔介质形成，例如孔隙在几十到上百微米的烧结金属颗粒多孔介质、孔隙率在几十到上百PPI的金属丝网。

常见的受热壁面如燃气轮机叶片、火箭推力室、航空发动机的火焰筒等等，这些受热壁面的一个共同点是一侧受到高温主流的冲刷，因此通常在另一侧采用冷却剂冷却，或者使冷却剂从受热壁面上一定形式的出口中喷入高温主流，直接对被高温主流冲刷一侧的壁面进行强制冷却。图1所示为常规的气膜冷却结构示意图，致密壁面层1的一侧(图中为上侧)收到高温流体5的冲刷，例如对于燃气轮机叶片而言，为燃烧室出口的高温燃气，因而致密壁面层1被该侧的高温环境6所加热。利用激光打孔等方式，在需要冷却的致密壁面层1上形成多个离散通孔3，或称之为气膜孔，该气膜孔的直径一般为数毫米，并在受热的相对一侧构成冷却通道8，从而使冷却剂7从离散通孔3中喷出，在致密壁面层1的受热一侧形成膜状冷却剂保护层，对致密壁面层1进行冷却保护，避免其被烧毁。由该冷却方式的结构特点可知，由于喷出冷却剂的气膜孔为离散分布，因此致密壁面受热一侧上的膜状冷却剂也为离散分布，当高温环境的温度较高时，致密壁面由于存在较大的温度梯度，而产生较大的热应力，会导致致密壁面疲劳失效，这对于利用气膜冷却作为主要冷却方式的燃气轮机叶片而言是非常不利的，因为燃气轮机叶片经常还受到高温主流的热冲击等。

图2所示为常规的发汗冷却结构示意图，将致密壁面层1受热强烈的部分替换成多孔介质层2，并在受热的相对一侧构成冷却通道8，从而使冷却剂7从多孔介质层2中的孔隙中喷出，在致密壁面层1的受热一侧形成发汗状冷却剂保护层，对致密壁面层1进行冷却保护，避免其被烧毁。这种冷却方式的优点是可以对整个被冷却区域提供均匀的冷却保护，而且在使用相同流量的冷却剂情况下，冷却效率一般要高于前述的气膜冷却。但是，由于发汗冷却要求整体为多孔材料，且孔隙相对较小，因此，最大的弊端在于其壁面的结构强度不仅大大不如未施加冷却措施的致密壁面，也远远不如带有气膜孔的壁面，同时另一个使其至今仍然无法有效投入复杂情况的实际应用的缺点在于其容易堵塞，并且局部堵塞容易引起局部高温失效，进而使整个冷却壁面很快被烧毁。

现有的燃气轮机叶片采用的冷却结构为：叶片内部具有带强化换热措施的对流冷却通道、壁面设有用于气膜冷却的离散通孔。图7所示为现有的燃气轮机叶片的冷却结构，冷却剂在叶片内部冷却剂通道4中流动，并通过叶片表面上开设的离散通孔3喷出，从而在叶片表面上形成冷却气膜层，有效保护被高温燃气冲刷的叶片。图8所示为现有气膜冷却的燃气轮机叶片的横截面图，冷却剂在叶片中央的叶片内部冷却剂通道4中流过，通过开设在叶片致密壁面层1上的离散通孔3喷出，形成为围绕叶片致密壁面的冷却气膜。有学者提出了利用多孔介质构建叶片，以使用发汗冷却，以进一步提高冷却能力。简而言之，现有的燃气轮机气膜冷却存在以下不足：冷却能力有限；采用离散通孔导致冷却不均匀，热应力相应较大，材料容易疲劳失效。发汗冷却存在以下不足：形成发汗冷却的多孔介质强度较差；容易由于局部堵塞导致整体失效。

发明内容

本发明为克服气膜冷却和发汗冷却所存在的不足和缺陷，提出一种用于受热表面的冷却结构，以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片，其目的是对受热壁面，特别是燃气轮机叶片进行有效冷却，保证施加冷却结构的壁面具有一定的强度，尽量使冷却壁面的强度接近原有的致密壁面；进一步提高受热壁面的冷却效率，尽量使受热壁面的冷却效率接近发汗冷却；在具有较高冷却效率的前提下，保证壁面的强度。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种受热壁面的冷却结构，具有致密壁面层，该致密壁面层开有供冷却剂通过的多个离散通孔，其特征在于：该致密壁面层的受热一侧覆盖有多孔介质层，使多孔介质层和开有多个离散通孔的致密壁面层构成双层叠置的结构，所述的多孔介质层覆盖所有离散通孔的出口；所述的多孔介质层是连续分布的一整片，连续地完整覆盖在致密壁面层受热的一侧面，使所有离散通孔的出口被该一整片多孔介质层覆盖；或者所述的多孔介质层由不连续分布的多片组成，离散地局部覆盖在致密壁面层受热的一侧面，使所有离散通孔的出口分别被该多片多孔介质层覆盖。

本发明的受热壁面的冷却结构，其特征在于：所述的离散通孔的直径为0.1～5mm；离散通孔的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔为倾斜孔、圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

本发明的受热壁面的冷却结构，其特征在于：所述的多孔介质层的厚度为0.5～3倍离散通孔的直径或者为0.4～10mm。所述的多孔介质层为青铜、不锈钢或镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10～5000微米，孔隙率在0.2～0.5之间；所述的多孔介质层的另一选择是陶瓷多孔结构，陶瓷多孔结构的孔径大小等于5～500微米之间；所述的多孔介质层的又一选择是铜、铜合金、不锈钢或镍基合金材质，结构为编织丝网或者泡沫金属，编织丝网或者泡沫金属的孔径大小等于100～1000微米。

本发明的技术特征还在于：所述的不连续分布的多孔介质层的每一片均沿高温主流的上游和下游方向延伸，使多孔介质层的边缘距最近一排离散通孔出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔的直径；所述的多孔介质层成条状覆盖整排离散通孔的出口。在所述的多孔介质层沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离。

本发明提供的一种具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，含有构成叶片基本结构的致密壁面层，该致密壁面层开有供冷却剂通过的多个离散通孔，其特征在于：该致密壁面层的外侧覆盖有多孔介质层，使多孔介质层和开有多个离散通孔的致密壁面层构成双层叠置的结构，所述的多孔介质层覆盖所有离散通孔的出口；所述的多孔介质层的厚度为0.5～3倍离散通孔的直径或者为0.4～10mm；所述的多孔介质层是连续分布的一整片，连续地完整覆盖在致密壁面层受热的外侧面，使所有离散通孔的出口被该一整片多孔介质层覆盖；或者所述的多孔介质层由不连续分布的多片组成，离散地局部覆盖在致密壁面层受热的外侧面，使所有离散通孔的出口分别被该多片多孔介质层覆盖。

本发明所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，其特征在于：所述的离散通孔的直径为0.1～5mm；离散通孔的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔是倾斜孔、圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

本发明所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，其特征还在于：所述的不连续分布的多孔介质层的每一片均沿高温主流的上游和下游方向延伸，使多孔介质层的边缘距最近一排离散通孔出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔的直径。所述的多孔介质层沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离；所述的多孔介质层成条状覆盖整排离散通孔的出口。所述的多孔介质层为青铜、不锈钢、镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10～5000微米，孔隙率在0.2～0.5之间；所述的多孔介质层的另一选择是陶瓷多孔结构，其孔径大小等于5～500微米之间；所述的多孔介质层的又一选择是铜、铜合金、不锈钢或镍基合金材质，结构为编织丝网或者泡沫金属。

本发明综合了气膜冷却和发汗冷却的特点，利用在离散通孔出口局部覆盖一多孔介质层的结构，充分组合了两种冷却方式的优点，可以有效地提供壁面上的冷却效率、降低壁面温度梯度，避免材料热应力持续增加，同时本发明冷却结构的强度还足以用于常见的叶轮机械。

附图说明

图1：常规的气膜冷却示意图。

图2：常规的发汗冷却示意图。

图3：本发明的冷却结构。

图4：本发明的冷却结构，其中多孔介质层连续分布，完整地覆盖致密壁面层的受热一侧。

图5：本发明的冷却结构，其中多孔介质层离散分布，离散地局部覆盖在致密壁面层受热的一侧面。

图6：本发明的冷却结构，其中多孔介质层沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离。

图7：现有的燃气轮机叶片气膜冷却示意图。

图8：现有的燃气轮机叶片气膜冷却示意图，叶片横截面。

图9：应用本发明冷却结构的燃气轮机叶片横截面图。

图10：现有的气膜冷却燃气轮机叶片表面气膜孔分布示意图。

图11：本发明的燃气轮机叶片表面多孔介质层覆盖示意图。

图12(a)：常规气膜冷却表面的温度梯度模拟结果。

图12(b)：本发明的表面温度梯度模拟结果。

图中：1、致密壁面层；2、离散通孔；3、多孔介质层；4、叶片内部冷却剂通道；5、高温流体；6、高温环境；7、冷却剂；8、冷却流通道。

具体实施方式

下面对本发明的原理和具体结构作进一步的说明。

本发明提供的受热壁面冷却结构，具有致密壁面层1，该致密壁面层1开有供冷却剂通过的多个离散通孔3，该致密壁面层1的受热一侧覆盖有多孔介质层2，从而多孔介质层2和开有多个离散通孔3的致密壁面层1构成双层叠置的结构，所述的多孔介质层2覆盖所有离散通孔3的出口；所述的多孔介质层2是连续分布的一整片，连续地完整覆盖在致密壁面层1受热的一侧面，从而所有离散通孔3的出口被该一整片多孔介质层2覆盖；或者所述的多孔介质层2由不连续分布的多片组成，离散地局部覆盖在致密壁面层1受热的一侧面，从而所有离散通孔3的出口分别被该多片多孔介质层2覆盖；所述的离散通孔3的直径为0.1～5mm；离散通孔3的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔3是倾斜的，为圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

因而使得冷却剂从离散通孔流过后即进入多孔介质，由于多孔介质对流体的发散作用，使得冷却剂最后在多孔介质的受热一侧形成类似发汗的冷却保护。

本发明的受热壁面冷却结构，所述的离散通孔的直径为0.1～5mm、离散通孔3成顺排或叉排分布、离散通孔3可以是是倾斜的，为圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。本发明的离散通孔3的直径大小和现有的气膜冷却孔具有相同的数量级，约为数毫米；离散通孔3的排列也可以呈如常规气膜孔的顺排和叉排分布；考虑到受热一侧的高温主流流动方向，将离散通孔3设置成与高温主流的流动方向呈一锐角有助于提高冷却效率；常规的利用机械方式形成的离散通孔一般为圆柱孔，即横截面为圆型的孔，但为了改善出口冷却剂的分布，可在离散通孔的出口设置一个扩散出口，该扩散出口可以呈簸箕状、漏斗状等类似形状，从而形成扩散孔。

本发明的受热壁面冷却结构，所述的多孔介质层为青铜、不锈钢、镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10～5000微米，孔隙率在0.2～0.5之间，优选取颗粒直径为80微米和200微米，优选取孔隙率为0.33和0.36；作为另一选择，该多孔介质层也可以为陶瓷多孔结构，其孔径大小等于5～500微米之间，优选取20微米；作为又一选择，该多孔介质层为铜、铜合金、不锈钢或镍基合金丝网结构，其孔径大小等于100～1000微米，优选取孔径为100微米、200微米和500微米。多孔介质层的厚度为0.5～3倍离散通孔的直径或者为0.4～10mm，优选取1倍和1.8倍离散通孔的直径，或者优选取多孔介质层厚度为1.2mm和2mm，从而使得多孔介质层的厚度足以形成有效的发汗冷却，又不至于使冷却结构的厚度有不必要的增加。

本发明的受热壁面的冷却结构，其中的多孔介质层可以是连续分布的、完整地覆盖致密壁面层的受热一侧，这相当于使致密壁面覆盖一层多孔介质层的保护，使得冷却剂可以在多孔介质层中流动到致密壁面的任何需要受保护的区域之上；多孔介质层也可以是不连续分布在致密壁面层的受热一侧，局部覆盖离散通孔区域，考虑到实际情况中，受热壁面各个区域所承受的热流密度并不一样，常常仅需要对一些受热剧烈的区域进行特别的冷却防护，因此可以在这些单独的区域设置离散通孔，并局部地在这些区域的致密壁面之外覆盖多孔介质层，从而可以有的放矢地集中利用冷却剂。

本发明的受热壁面的冷却结构，其中的多孔介质层除了覆盖离散通孔的出口以外，还沿高温主流的上游和下游方向延伸，距最近一排离散通孔出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔的直径，优选取该距离为5倍和10倍离散通孔的直径，为了使冷却剂从离散通孔流出后在多孔介质层中得到充分的扩散，应使多孔介质层的面积大于离散通孔的出口，并保证一定的裕量，例如如上所述的，覆盖离散通孔的出口后，该多孔介质层的边缘应该离最近一排离散通孔出口边缘大约为0.5～10倍的离散通孔直径的距离。由于冷却剂可在多孔介质层内沿下游方向扩散，因此所述的多孔介质层沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离。

本发明的受热壁面冷却结构，所述的多孔介质层呈条状，覆盖整排离散通孔的出口。如上所述，该多孔介质层可以因地制宜设置成不连续分布，而离散通孔可以成排分布，因此覆盖其出口之上的多孔介质层可以呈条状。

本发明的受热壁面冷却结构，该受热壁面在不同的区域采用不同的冷却方法，其特征在于：至少有一部分区域采用前述的离散通孔于多孔介质层组合的结构，至少有另一部分区域采用发汗冷却或气膜冷却，从而使多种冷却结构并存于该受热壁面上。

本发明的燃气轮机叶片的冷却结构，具有构成叶片基本结构的致密壁面层1，该致密壁面层1开有供冷却剂通过的多个离散通孔3，其特征在于：该致密壁面层1的外侧覆盖有多孔介质层2，从而多孔介质层2和开有多个离散通孔3的致密壁面层1构成双层叠置的结构，所述的多孔介质层2覆盖所有离散通孔3的出口；所述的多孔介质层2的厚度为0.5～3倍离散通孔3的直径或者为0.4～10mm；所述的多孔介质层3是连续分布的一整片，连续地完整覆盖在致密壁面层1受热的外侧面，从而所有离散通孔3的出口被该一整片多孔介质层3覆盖；或者所述的多孔介质层3由不连续分布的多片组成，离散地局部覆盖在致密壁面层1受热的外侧面，从而所有离散通孔3的出口分别被该多片多孔介质层2覆盖；所述的离散通孔3的直径为0.1～5mm；离散通孔3的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔3是倾斜的，为圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的离散通孔的直径为0.1～5mm，优选选取为0.4mm、0.8mm和1.2mm；离散通孔的排列呈顺排或叉排分布，也可以是根据实际需要，采取顺排和叉排并存的方式排列离散通孔；离散通孔为圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔；所述的多孔介质层的厚度为0.5～3倍离散通孔的直径或者为0.4～10mm，优选取1倍和1.8倍离散通孔的直径，或者优选取多孔介质层厚度为1.2mm和2mm，。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的多孔介质层是连续分布的，完整地包覆致密壁面层的外侧；所述的多孔介质层也可以是不连续分布的，在致密壁面层的受热一侧局部覆盖离散通孔区域。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的多孔介质层沿高温主流的上游和下游方向延伸，从而使冷却剂从离散通孔流出后，可以在多孔介质层内对离散通孔出口上游和下游的区域都形成冷却保护，所述多孔介质层距最近一排离散通孔出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔的直径，优选取该距离为5倍和10倍离散通孔的直径，从而保证冷却剂可以足够地得到多孔介质层的发散。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的多孔介质层沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离，从而考虑到高温主流流动对壁面附近冷却剂的影响，使下游区域得到充分冷却。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的多孔介质层成条状覆盖整排离散通孔的出口。

作为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构的优选实施例，所述的多孔介质层为青铜、不锈钢或镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10～5000微米，孔隙率在0.2～0.5之间，优选取颗粒直径为80微米和200微米，优选取孔隙率为0.33和0.36；所述的多孔介质层也可以为陶瓷多孔结构，其孔径大小在5～500微米之间，优选取20微米；所述的多孔介质层还可以为编织丝网或者泡沫金属结构，其材料为铜、铜合金、不锈钢或镍基合金，其孔径大小等于100～1000微米，优选取孔径为100微米、200微米和500微米。

本发明的又一种燃气轮机叶片的冷却结构，该燃气轮机叶片在不同的区域采用不同的冷却方法，其特征在于：至少有一部分区域采用上述离散通孔与多孔介质层覆盖的结构，至少有另一部分区域采用气膜冷却或发汗冷却，从而使多种冷却结构并存于该受热壁面上。

气膜冷却和发汗冷却均利用温度相对较低的流体作为冷却剂，将其从一定形式的壁面开口排出，形成冷却保护层，从而对高温壁面形成有效的主动冷却，但两者各有特点。通过将压气机空气作为冷却剂从叶型表面的离散通孔喷出，气膜冷却广泛用于保护透平叶片，以保证叶片等高温部件的安全运行。随着进一步提高燃气轮机的功率和热效率的需求，气膜冷却的冷却能力已不能完全满足不断提高的透平进口温度，此外，常规的离散通孔气膜冷却还存在叶片表面温度梯度较大的问题。

通过将冷却剂从多孔壁面渗出，发汗冷却可以提供较高的冷却效率。现有的研究表明，获得相同的冷却效果，发汗冷却的吹风比约只为气膜冷却的1/50。利用金属丝网多孔壁面结合蒸汽冷却被认为是今后高效率透平的叶片冷却解决方法之一。然而，由于发汗冷却使用多孔壁面，其材料的强度远不如气膜冷却所要求的打离散通孔的致密壁面，并且极易由于堵塞等局部缺陷引起冷却效果急剧恶化，进而导致整体烧毁，以至于其至今仍不能进入叶片冷却的实用阶段。

下面结合附图对本发明进行说明，以进一步理解本发明。

图3所示为本发明的受热壁面的冷却结构，具有致密壁面层1，该致密壁面层1开有供冷却剂通过的多个离散通孔3，该致密壁面层1的受热一侧覆盖有多孔介质层2，从而多孔介质层2和开有多个离散通孔3的致密壁面层1构成双层叠置的结构，所述的多孔介质层2完整覆盖所有离散通孔3的出口。由本发明的冷却方式的结构特点可知，由于在离散孔的出口覆盖了多孔介质层，因此从离散孔喷出的冷却剂可以被多孔介质层发散，使其在空间上的分布趋于均匀，从而改善原有气膜冷却的冷却率不均匀和温度梯度较大的问题，同时还由于强度较低的多孔介质层2之下还有一层仅开有离散孔的致密壁面层1，因此整体壁面的强度比单纯多孔介质层有很大的提高，且由于离散孔喷出的冷却剂在局部速度较高，因此还可以减小多孔介质层由于局部缺陷导致整体实效的几率。

图3所示的本发明的一种受热壁面的冷却结构，所述的离散通孔3的大小与现有燃气轮机叶片气膜冷却的气膜孔大小类似，其直径可以取为0.1～5mm，优选选取为0.4mm、0.8mm和1.2mm，一般大于多孔介质层孔隙的孔径；离散通孔3成顺排或叉排分布，这两种排列方式与现有气膜冷却中气膜孔的典型排列方式相同，也可以是根据实际需要顺排和叉排混合并存的；离散通孔可以是是倾斜的，即与外侧高温流体5的方向成一锐角，为圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

对于发汗冷却而言，其形成发汗的多孔介质层2一般为烧结金属颗粒层。本发明的受热壁面冷却结构中，多孔介质层2为青铜、不锈钢、镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10～5000微米，孔隙率在0.2～0.5之间；作为另一选择，该多孔介质层2也可以为陶瓷多孔结构，其孔径大小等于5～500微米之间；作为又一选择，该多孔介质层2为铜、铜合金、不锈钢或镍基合金丝网结构，其孔径大小等于100～1000微米。多孔介质层2的厚度为0.5～3倍离散通孔的直径或者为0.4～10mm，从而使得多孔介质层的厚度足以形成有效的发汗冷却，又不至于使冷却结构的厚度有不必要的增加。

图4所示为多孔介质层2可以是连续分布的的实施例，多孔介质层2完整地覆盖致密壁面层1的受热一侧，这相当于使致密壁面层1被高温流体5冲刷的一侧覆盖一层多孔介质层2的保护，使得冷却剂7可以在多孔介质层2中流动到致密壁面层1的任何需要受保护的区域之上。

作为图4实施例相对应的实施例，图5所示为多孔介质层2不连续分布在致密壁面层1的受热一侧，局部覆盖离散通孔3区域。考虑到实际情况中，受热壁面各个区域所承受的热流密度并不一样，常常仅需要对一些受热剧烈的区域进行特别的冷却防护，因此可以在这些单独的区域设置离散通孔，并局部地在这些区域的致密壁面之外覆盖多孔介质层2，从而可以有的放矢地集中利用冷却剂。作为多孔介质层2不连续分布的一个实施例，其中的多孔介质层2除了覆盖离散通孔3的出口以外，还沿高温主流的上游和下游方向延伸，距最近一排离散通孔出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔的直径，这是为了使冷却剂7从离散通孔3流出后在多孔介质层2中得到充分的扩散，设置多孔介质层2的面积大于离散通孔3的出口，并保证一定的裕量。

图6所示为本发明中多孔介质层2不连续分布的一种优选实施例，以离散通孔3的出口为基准点，多孔介质层2沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温流体5的上游方向延伸的距离，由于高温流体5和冷却剂7的流动方向相对统一，因此使多孔介质层2更多地分布在离散通孔3的下游有利于冷却剂7更好地分散。

考虑到加工的方便，一般离散通孔3可以设置为成排分布，因此作为本发明的多孔介质层2不连续分布情况下的受热壁面冷却结构的一种优选实施例，多孔介质层2呈条状，覆盖整排离散通孔3的出口，多孔介质层2可以因地制宜设置成不连续分布，而离散通孔3可以成排分布，因此覆盖其出口之上的多孔介质层2可以呈条状。

作为本发明的一个优选实施例，考虑到现有的受热壁面的复杂情况，通常壁面上不同区域所收到的热流密度以及其他工况条件相差较大，因此可以因地制宜的采用多种冷却结构并存的冷却方式，例如在某些区域采用本发明的冷却结构，即在致密壁面上开设离散通孔，并在致密壁面的受热一侧覆盖多孔介质层，使多孔介质层完整覆盖离散通孔的出口，而在另一部分区域开设气膜孔，形成气膜冷却，以及可以选择地在另一部分区域将致密壁面层替换成多孔介质层，形成发汗冷却。

图9所示为应用本发明冷却结构的燃气轮机叶片的一种实施例，与现有的气膜冷却燃气轮机叶片相比，本发明的燃气轮机叶片冷却结构中，叶片致密壁面层1上开设有离散通孔3，但在致密壁面层1的外侧覆盖有一层多孔介质层2，多孔介质层2完整覆盖这些离散通孔3的出口，从而使冷却剂从叶片内部冷却剂通道4流过时，可以从离散通孔3喷出，并由于多孔介质层2的分散作用，在叶片外表面形成类似发汗冷却的均匀保护层。同时，相对于原有的气膜冷却，本发明的冷却结构可以有效克服叶片致密壁面温度梯度大、冷却效率不足的缺点，并且同已经提出来的整体多孔介质叶片相比，其结构强度有很大的提高。

图10所示为现有燃气轮机叶片气膜冷却示意图，离散通孔成排地分布在叶片的致密壁而层上，从而可以在不同的位置形成连成片的气膜冷却保护层。

图11为本发明的燃气轮机叶片的冷却结构，类似于图10所示的气膜冷却，叶片致密壁面层上的离散通孔成排分布，而在叶片的外侧不连续地覆盖多孔介质层，呈条状的多孔介质层覆盖离散通孔的出口。并且作为一个优选实施例，对于不同的区域，可以选择不同的多孔介质层，例如不同的孔隙率，甚至不同类型的多孔介质层。在一些热流密度较小的区域，或者一些气膜冷却已经可以胜任的区域，例如叶片尾缘区域，离散通孔可以不被多孔介质层覆盖，从而形成了多种冷却结构并存的燃气轮机叶片。

计算机数值模拟的结果表明，本发明的冷却效果要好于常规的气膜冷却，且冷却时壁面温度梯度要小很多。图12(a)和图12(b)分别表示了在某一冷却量下常规气膜冷却和本申请冷却结构的表面温度梯度分布，从图中可以得到，采用本发明的冷却结构可以缩小表面温度梯度较高的区域。并且，计算机模拟结构表明：1)在吹风比为0.6的情况下，常规气膜冷却的表面温度梯度最大值为329007K/m、局部冷却区域的表面温度梯度平均值为3293K/m，本发明的冷却结构的表面温度梯度最大值为16046K/m、局部冷却区域的表面温度梯度平均值为1373K/m；2)在吹风比为0.9的情况下，常规气膜冷却的表面温度梯度最大值为351654K/m、局部冷却区域的表面温度梯度平均值为1790K/m，本发明的冷却结构的表面温度梯度最大值为16816K/m、局部冷却区域的表面温度梯度平均值为1301K/m。可见，在相同吹风比(即相同冷却剂流量)的情况下，采用本发明的冷却结构可以大大降低表面的温度梯度，从而避免产生太高的热应力。

Claims (10)

1.一种受热壁面的冷却结构，具有致密壁面层(1)，该致密壁面层(1)开有供冷却剂通过的多个离散通孔(3)，该致密壁面层(1)的受热一侧覆盖有多孔介质层(2)，使多孔介质层(2)和开有多个离散通孔(3)的致密壁面层(1)构成双层叠置的结构；其特征在于：所述的多孔介质层(2)由不连续分布的多片组成、每一片呈条状覆盖整排离散通孔(3)的出口，从而所述的多孔介质层离散地局部覆盖在致密壁面层(1)受热的一侧面，使所有离散通孔(3)的出口分别被该多片多孔介质层(2)覆盖；所述的多孔介质层(2)的厚度为0.5或1倍离散通孔(3)的直径，或者为0.4mm或1.2mm；除了覆盖离散通孔的出口外，不连续分布的所述多孔介质层(2)的每一片均分别沿高温主流的上游和下游方向延伸，使多孔介质层(2)的边缘距最近一排离散通孔(3)出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔(3)的直径，且所述每一片多孔介质层(2)沿高温主流的下游方向延伸的所述距离大于沿高温主流的上游方向延伸的所述距离。

2.如权利要求1所述的一种受热壁面的冷却结构，其特征在于，所述的离散通孔(3)的直径为0.4mm、0.8mm或1.2mm；离散通孔(3)的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔(3)为倾斜孔、圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

3.如权利要求1所述的受热壁面的冷却结构，所述的多孔介质层(3)为青铜、不锈钢、或镍基合金颗粒烧结而成，其颗粒直径为10微米或80微米，孔隙率为0.33或0.36。

4.如权利要求1所述的受热壁面的冷却结构，所述的多孔介质层(3)是陶瓷多孔结构，该陶瓷多孔结构的孔径大小等于5微米或20微米。

5.如权利要求1所述的受热壁面的冷却结构，所述的多孔介质层(3)是铜、铜合金、不锈钢或镍基合金材质，结构为编织丝网或者泡沫金属，其孔径大小等于100微米。

6.一种具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，具有构成叶片基本结构的致密壁面层(1)，该致密壁面层(1)开有供冷却剂通过的多个离散通孔(3)，该致密壁面层(1)的外侧覆盖有多孔介质层(2)，使多孔介质层(2)和开有多个离散通孔(3)的致密壁面层(1)构成双层叠置的结构；其特征在于：所述的多孔介质层(2)的厚度为0.5或1倍离散通孔(3)的直径，或者为0.4mm或1.2mm；所述的多孔介质层(3)由不连续分布的多片组成、每一片呈条状覆盖整排离散通孔(3)的出口，从而所述的多孔介质层离散地局部覆盖在致密壁面层(1)受热的外侧面，使所有离散通孔(3)的出口分别被该多片多孔介质层(2)覆盖；除了覆盖离散通孔的出口外，不连续分布的所述多孔介质层(2)的每一片均分别沿高温主流的上游和下游方向延伸，使多孔介质层(2)的边缘距最近一排离散通孔(3)出口边缘的距离为0.5～10倍的离散通孔(3)的直径，且所述的每一片多孔介质层(2)沿高温主流的下游方向延伸的距离大于沿高温主流的上游方向延伸的距离。

7.如权利要求6所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，所述的离散通孔(3)的直径为0.4mm、0.8mm或1.2mm；离散通孔(3)的排列呈顺排或叉排分布；离散通孔(3)为倾斜孔、圆柱孔或出口带有局部扩散的扩散孔。

8.如权利要求6所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，所述的多孔介质层(3)为青铜、不锈钢、镍基合金颗粒烧结而成，颗粒直径为10微米或80微米，孔隙率是0.33或0.36。

9.如权利要求6所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，所述的多孔介质层(3)是陶瓷多孔结构，该陶瓷多孔结构的孔径大小等于5微米或20微米。

10.如权利要求6所述的具有受热壁面冷却结构的燃气轮机叶片，所述的多孔介质层(3)是铜、铜合金、不锈钢或镍基合金材质，结构为编织丝网或者泡沫金属，其孔径大小为100微米。

Images