CN102022139A - 地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置及方法，所述装置构建于涡轮叶片壁面内部，包括冲击孔、气膜孔、内壁和外壁。所述方法利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲击靶面即外壁上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部，并且冲击射流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁。本发明结构简单、冷却效果明显。
Description
技术领域
属于地面燃气轮机中典型高温部件——涡轮叶片的冷却设计。主要隶属于推进系统动力装置设计中冷却技术领域，也可以属于强化换热领域。
背景技术
20世纪50年代开始，燃气轮机在航空领域取得了绝对地位，取代了活塞发动机，60年代开始水面舰船燃机化，70年代国外主站坦克上开始使用地面燃机，80年代高速客轮等也开始使用地面燃机，近30年来，工业领域的石油工业、化工等领域率先使用地面燃机。城市发电方面，由于常规燃煤蒸汽轮机电厂污染严重，发电效率低，使得燃气轮机电厂发展迅速，日益成为火力发电的主导动力装置。但是地面燃气轮机也有自身的一些弱点，最为突出的是由于工作循环中温度很高，加工和制造热端部件需要采用优质耐热材料，并且热端部件的寿命较短，从而影响了地面燃机的经济性和可靠性。但是随着燃气轮机技术的发展，在材料、工艺和冷却技术不断进步的推动下，地面燃气轮机的弱点正在被克服。
从热力循环的角度出发，提高涡轮前燃气温度是提高地面燃气轮机性能最有效地途径之一。但是就涡轮叶片使用材料而言，目前高温部件材料的许用温度大多在1100℃以下，远远低于1400℃——1600℃的涡轮进口温度。尽管定向和单晶等先进耐高温材料以及热障涂层材料的研究为近年来燃气轮机涡轮前温度的提高提供了必要的保障，但先进的冷却技术仍然是高性能燃气轮机技术发展的基础。
在涡轮等高性能燃气涡轮热端部件的强化冷却技术研究中，一个值得关注的问题是冷却需求和冷却气量之间的矛盾日益突出：一方面，在一些先进的燃气涡轮发动机中，用于冷却涡轮的空气量已高达15%至20%，大量空气用于冷却势必导致动力装置性能的损失；另一方面，在提高空气压缩比的同时，不可避免地会提高冷却空气的温度，降低其吸热能力，使得冷却的难度增大。
国外对于燃气轮机，无论是军用航空燃气轮机还是民用地面燃机的涡轮叶片冷却技术严格保密，难以获得相关的细节信息加以参考。而我国现有的涡轮叶片冷却技术已经不能满足下一代高性能燃气轮机的研制要求，特别是要满足在降低冷却空气用量的前提下，达到相同的冷却效果，或者在保持冷却空气用量不变的情况下，提高涡轮叶片安全工作温度的设计要求。
针对下一代地面燃气轮机的发展规划，特别是重型地面燃机的研制进展，迫切需要一种新型的涡轮叶片冷却技术，实现在降低冷却空气用量的同时，有效提高涡轮叶片冷却效率，减小涡轮叶片内部的温度梯度，从而降低叶片内部的热应力，提高叶片使用寿命。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置及方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，所述装置构建于涡轮叶片壁面内部，包括冲击孔、气膜孔、内壁和外壁，冲击孔均布于内壁上并沿涡轮叶片高度方向排布，气膜孔均布于外壁上并沿涡轮叶片高度方向排布，冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成冲击射流，冲击射流与所述冷却装置的固体壁面进行热量交换后由外壁上的气膜孔流出并在外部高温燃气的作用下形成气膜保护涡轮叶片。
所述内壁和外壁之间设置多个隔离体，所述隔离体将所述冷却装置分隔成多个相互独立的腔体。
地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置的冷却方法如下：
利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲击靶面即外壁上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部，并且冲击射流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁。
双层壁的出现，构建出了一个狭小的冲击腔，极大的影响了冲击射流的发展。在壁面黏性力和流体之间相互剪切力的作用下，冲击射流在冲击靶面5（第二层壁面的内壁）上发生偏转现象，形成了明显的涡旋。一方面增加了扰动，另一方面冷却空气在冲击到靶面5后，吸收热量，通过形成的二次流再次回到第一层壁面4，而这层壁面是和冷却空气直接接触的，温度最低，冲击腔内的空气进一步被冷却，有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部。
同时热量还可以通过每个腔体之间的隔离体3以热传导的形式将热量传递到叶片内部，也在一定程度上提高换热效果，并且可以有效减小叶片壁面内部的温度梯度，减小温度不均匀性导致的热应力水平。
附图说明
图1为典型的采用基于旋流强化的涡轮叶片内部冷却技术的冷却结构；
图2 为采用基于旋流强化的冷却技术设计得到的涡轮叶片内部冷却结构示意图；
图 3 为冷却通道高度变化时，对双层多段式平壁模型综合冷却效果的影响规律；
图 4 为不同冲击孔直径对综合冷却效果的影响规律；
图 5为不同通道高度、冲击孔和气膜孔相对位置共同作用下，双层多段式冷却结构的综合冷却效果。
具体实施方式
如图1和2 所示，本发明基于旋流强化的涡轮叶片内部冷却方法是指利用精细铸造技术或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间，形成一种双层多段式壳型冷却结构。在这些狭小受限空间中采用冲击/气膜复合冷却，综合利用受限通道、带角度冲击以及狭小空间来形成旋流结构，更为有效地将外部高温燃气传导给涡轮叶片的热量携带至涡轮叶片内部，从而提高叶片的综合冷却效果，并显著减小叶片固体区域中的温度梯度，进而降低叶片的热应力。
该冷却方案中，冷却空气从叶片内部的空腔通过双层多段式壳型冷却结构内壁4（靠近叶片内部空腔）上的一排小孔1（通常称为冲击孔，沿叶片高度方向排布），进入双层多段式壳型结构所形成的狭小受限空间并形成冲击射流，与狭小受限空间的固体壁面进行热量交换后，由双层多段式壳型冷却结构外壁5（靠近高温燃气）上的一排小孔流出2（通常称为气膜孔，沿叶片高度方向排布），并在外部高温燃气的作用下形成气膜，进一步保护涡轮叶片。
本发明该设计的特点是：
1）由于是在叶片壁面内部构建出的若干狭小受限空间，相当于将原先一体的叶片固体区域分成了两半，形成了双层冷却结构，一层固体区域靠近涡轮叶片中心的中空内部冷却空气通道，一层固体区域靠近高温燃气，两层固体区域之间形成了一个新的冷却通道；
2） 正是由于直接在叶片壁面内部构建冷却通道，导致此时冷却通道的高度（即双层壁之间的距离）小于冲击孔的直径，形成的是一个狭小空间（将通道高度小于冲击孔直径的空间称为小空间）；
3）在叶片壁面内部构建出的狭小空间被隔离体3分成了若干个相互独立的腔体，每一个腔体都有一排冲击孔来导入冷却空气，并由一排气膜孔将冷却空气排出，因而形成了多段式的受限空间。
基于以上的原因，这种采用基于旋流强化的涡轮叶片冷却技术得到的冷却结构称为：双层多段式壳型冷却结构，即在叶片壁面内部构建出若干相互独立的受限狭小空间。
图3给出了双层壁之间形成的冷却通道高度变化时，对双层多段式平壁模型综合冷却效果的影响规律。从图中可以看到当通道高度为0.4mm时，综合冷却效果高达0.78，平均在0.7左右，高于目前的0.62~0.68的水平。
图4给出了不同冲击孔直径对综合冷却效果的影响规律。 图5给出了不同通道高度、冲击孔和气膜孔相对位置共同作用下，双层多段式冷却结构的综合冷却效果。
实施例：根据叶片壁面厚度来确定狭小受限通道的高度，一般取0.3~0.6mm，狭小受限通道沿叶片弦向长度同冲击孔直径比取8~12，冲击孔直径取0.6mm~0.8mm，同叶片弦向夹角30o~90o，气膜孔直径取0.6mm~0.8mm，同叶片弦向夹角30o~90o，冲击孔和气膜孔弦向间距和冲击孔直径比取3~5，冲击孔沿叶片高度方向间距同冲击孔直径之比取5~10，气膜击孔沿叶片高度方向间距同气膜孔直径之比取5~10，冲击孔和气膜孔沿着弦向为叉排阵列方式。每一个狭小受限空间之间的隔离段宽度取0.5mm~0.7mm。
Claims (3)
1.一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，其特征在于所述装置构建于涡轮叶片壁面内部，包括冲击孔（1）、气膜孔（2）、内壁（4）和外壁（5），冲击孔（1）均布于内壁（4）上并沿涡轮叶片高度方向排布，气膜孔（2）均布于外壁（5）上并沿涡轮叶片高度方向排布，冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁（4）上的冲击孔（1）进入所述冷却装置形成冲击射流，冲击射流与所述冷却装置的固体壁面进行热量交换后由外壁（5）上的气膜孔（2）流出并在外部高温燃气的作用下形成气膜保护涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，其特征在于所述内壁（4）和外壁（5）之间设置多个隔离体（3），所述隔离体（3）将所述冷却装置分隔成多个相互独立的腔体。
3.一种基于权利要求1所述的地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置的冷却方法，其特征在于所述方法如下：
利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁（4）上的冲击孔（1）进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲击靶面即外壁（5）上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部，并且冲击射流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁（4）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110420 |