CN102953767A - 一种高温透平叶片冷却系统 - Google Patents

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王铁军
苏罗川
张伟旭
朱惠人
李长久
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Abstract

本发明涉及燃汽轮机及航空发动机领域，公开了一种高温透平叶片冷却系统，它包括叶片内部的双工质冷却设计以及叶片表层的热障陶瓷涂层两部分，其中内部的双工质冷却设计包括空气冷却通道和蒸汽冷却通道，而在空气冷却通道的设计上采用了独特的气膜扩张孔设计；内部的冷却通道和表层的热障涂层共同作用，实现叶片的高效、大幅降温。

Description

一种高温透平叶片冷却系统
技术领域
本发明涉及燃汽轮机、航空发动机等领域，特别涉及一种高温透平叶片冷却系统。
背景技术
燃汽轮机、航空发动机是国防及国家生产建设的重要装备，提高其工作效率对于节约能源，保护环境等具有十分现时的意义。提高内部燃气温度成为目前提高其工作效率的最有效办法。涡轮叶片作为发动机内部关键部件之一，其耐热局限性在一定程度上直接阻碍了燃气温度的大幅提升。因此，实现叶片等热端部件的高效快速冷却成为一项十分迫切的任务。叶片上的冷却系统所能带来的冷却温度将直接使燃气温度得到相应的提升，而这种提升将使得燃机（航空发动机）的效率获得极大提升。目前，叶片的冷却主要通过表面热障涂层的隔热效果和叶片内部单一冷却工质来实现，而在日益提高的燃气温度下，对叶片的冷却要求越来越高。因此，先进冷却技术的出现成为更先进燃机发展的必备条件。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温透平叶片冷却系统，该系统能够极大提高叶片的冷却效果，实现对叶片的大幅降温。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种高温透平叶片冷却系统，包括设置在叶片内部的双工质冷却通道以及叶片表面的热障涂层3，所述双工质冷却通道包括间隔设置的空气冷却通道1和蒸汽冷却通道2。
所述空气冷却通道1从叶片表面向内部，该空气冷却通道1沿叶片厚度方向不断变宽，而沿叶片长度方向不断变窄。
所述蒸汽冷却通道2具有多种形状。
所述多种形状为圆形通道或契形通道。
所述蒸汽冷却通道2为封闭结构，空气冷却通道1与外部环境连通。
所述热障涂层3为高温隔热的热障涂层，具有多种结构。
所述多种结构为双陶瓷结构或梯度结构。
上述所述的高温透平叶片冷却系统用于燃汽轮机和航空发动机。
与现有的单一冷却结构设计热障涂层或者单工质冷却相比，本发明的高效叶片冷却系统中，叶片内部具有双工质冷却通道，分别为蒸汽冷却通道和空气冷却通道。并且空气冷却通道采用具有独特形状的气膜扩张孔设计，从叶片表面向内部延伸的过程中，该孔沿叶片厚度方向不断变宽，这种孔形设计使得空气流动的过程中将紧贴叶片表面，这样一方面有利于空气流动带走叶片表面热量，另一方面可以在叶片表面形成一层保护气膜，阻止燃气热量传导入叶片，从而大大提高空气的冷却效率。蒸汽和空气的双工质联合作用使冷却效果进一步增强，从而极大提高了叶片的冷却效果。同时，叶片表面的热障涂层由于其独特的隔热效果，将阻止燃气热量向叶片的扩散，这也将为叶片的冷却降温做出贡献。因此，本发明的高效叶片冷却系统能够显著降低叶片在运行中的温度，为进一步大幅提升燃气温度提供了可能，为更高效的燃汽轮机及航空发动机的开发奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的一种高效叶片冷却系统的结构剖面示意图。
图2是本发明的空气冷却通道中的气膜扩张孔的结构剖面示意图。
图3是本发明的空气冷却通道中的气膜扩张孔的结构俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明一种高温透平叶片冷却系统，包括设置在叶片内部的双工质冷却通道以及叶片表面的热障涂层3，双工质冷却通道包括间隔设置的空气冷却通道1和蒸汽冷却通道2。蒸汽冷却通道2具有多种形状。如圆形通道或契形通道等。所述蒸汽冷却通道2为封闭结构，而空气冷却通道与外部环境连通。所述热障涂层3为高温隔热的热障涂层，具有多种结构，如双陶瓷结构或梯度结构。
如图2和图3所示，空气冷却通道1具有独特的气膜扩张孔设计，主要形状特点为：从叶片表面向内部延伸的过程中，如图2所示，该空气冷却通道1沿叶片厚度方向不断变宽，如图3所示，沿叶片长度方向不断变窄。
本发明中的内部冷却通过蒸汽和空气两种工质同时在各自的通道中联合工作，实现大幅度降温。如图3所示，内部空气冷却通道的独特气膜扩张孔设计，使得空气流动的过程中将紧贴叶片表面，这样一方面有利于空气流动带走叶片表面热量，另一方面可以在叶片表面形成一层保护气膜，阻止燃气热量传导入叶片，从而大大提高空气的冷却效率，该过程可以为叶片增加大约90℃的降温。而对于蒸汽冷却通道，其主要利用蒸汽在叶片内部通道中流动而带走热量，该过程大约可以为叶片增加40℃的降温；同时，叶片表面的热障涂层由于其采用导热率很低的陶瓷材料而具有十分明显的隔热效果，能有效地阻止燃气热量向叶片的传递，该过程可以为叶片增加大约60℃的有效降温。因此，该系统的使用可以直接为叶片增加大约200℃的降温。计算表明，涡轮转子的燃气进口温度在1073-1273K范围内时，温度每提高100℃，燃机输出功率将增加20％-25％，节约燃料6％-7％。由此可以看出，本发明的降温冷却系统将使燃汽轮机和航空发动机的整体性能得到很大的提升。
对于叶片内部的蒸汽冷却通道，在保证叶片整体强度的基础上，可以有多种形式和大小的选择，尽可能使换热介质在通道内的流速和换热面积增大，提高换热效率。同理，对于表面的热障涂层，也可以有多种涂层材料和结构的选择，在保证其强度和寿命的基础上，尽可能增大涂层隔热效能。
尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了详细描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围内，还可以做出很多形式的内部通道设计，包括混合工质通道，三工质冷却通道等，也可改变内部工质的类型。这些均在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种高温透平叶片冷却系统，其特征在于：包括设置在叶片内部的双工质冷却通道以及叶片表面的热障涂层（3），所述双工质冷却通道包括间隔设置的空气冷却通道（1）和蒸汽冷却通道（2）。
2.根据权利要求1所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述空气冷却通道（1）从叶片表面向内部，该空气冷却通道（1）沿叶片厚度方向不断变宽，而沿叶片长度方向不断变窄。
3.根据权利要求1所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述蒸汽冷却通道（2）具有多种形状。
4.根据权利要求3所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述多种形状为圆形通道或契形通道。
5.根据权利要求1所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述蒸汽冷却通道（2）为封闭结构，空气冷却通道（1）与外部环境连通。
6.根据权利要求1所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述热障涂层（3）为高温隔热的热障涂层，具有多种结构。
7.根据权利要求1所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：所述多种结构为双陶瓷结构或梯度结构。
8.根据权利要求1至7任一项所述的高温透平叶片冷却系统，其特征在于：用于燃汽轮机和航空发动机。
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