CN103306742B - 冷却燃气轮机叶片的方法 - Google Patents

Abstract

冷却燃气轮机叶片的方法，利用熔融盐为冷却工质，设计了全新的叶片内通道冷却，不再利用气膜冷却。叶片前缘利用射流冲击孔和冷却通道内的湍流强化器实现冷却，叶片其他部位利用叶片内通道进行冷却。熔融盐进入叶片腔体后，沿着冷却通道流经叶片腔体，一次冷却叶片压力面和吸力面以及叶片尾缘，部分熔融盐在叶片前缘形形成射流冲击冷却，然后从叶片根部冷却通道出口排出，形成封闭U形冷却回路，完成对叶片的整体冷却。该冷却方法可以将涡轮叶片温度保持在600℃以内，并且不消耗压缩空气，大量精简叶片内部结构，降低了叶片加工工艺和材料要求，增强叶片强度和使用寿命，显著降低燃气轮机制造成本和提高燃气轮机轴功功率。

Description

冷却燃气轮机叶片的方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机叶片的冷却工质、冷却方法和冷却结构。

背景技术

燃气轮机是能源装备领域的核心部件，在航空、舰船、陆地等军事和工业领域都有着重要作用。随着先进燃气轮机涡轮进口燃气温度的不断提高，对涡轮高温部件的制造工艺和冷却要求提出了更为苛刻的挑战，目前先进燃气轮机涡轮进口燃气温度已经超过了1500℃，并进一步迈向1900℃乃至更高的温度，而目前高级镍基合金的工作温度在1100℃以下，为了保证高温涡轮叶片的寿命，需要对其采用强有力的冷却手段，以使叶片整体的温度场和应力分布均保持在合理水平。

目前世界上最先进的涡轮转子叶片均采用非常复杂的多内腔结构，结合空气的气膜冷却、射流冲击冷却、多回路湍流增进强迫对流换热、尾缘针肋扰流冷却和先进PVD隔热涂层等技术确保叶片在设计温度范围内工作。随着涡轮燃气进口温度的进一步提高，这种依靠压缩空气冷却涡轮叶片的提升效果越来越微弱，一方面由于热量的增加，用于冷却涡轮叶片的空气量已经高达压缩空气总气量的20％或更高，造成了大量动力的消耗，严重影响了燃气轮机的性能；另一方面，在提高空气压缩比的同时，不可避免的也会提高冷却空气的温度，降低了冷却气体的热容，增大了冷却难度。

为了实现先进燃气轮机的进一步快速发展，迫切需要一种具有革命性的、超高效率的燃气涡轮叶片冷却技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机涡轮叶片冷却方法，该冷却方法可以将涡轮叶片温度控制在六百摄氏度以内，并且不消耗压缩空气，同时精简叶片内部结构，降低叶片加工工艺要求和成本，增强叶片强度和使用寿命，显著提高燃气轮机效率。

本发明为实现上述目标，采用如下技术方案：

本发明熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法。利用熔融盐为冷却工质，设计了全新的叶片内通道冷却，不再利用鱼鳞孔和气膜冷却。射流冲击孔4和冷却通道内的湍流强化器10实现冷却，叶片其他部位利用叶片U形内通道进行冷却。熔融盐进入叶片腔体后，沿着冷却通道6、7、11、12流经叶片腔体，冷却叶片压力面15和吸力面18以及叶片尾缘19，部分熔融盐在叶片前缘16形成射流冲击冷却，然后从熔融盐进口处排出，形成封闭冷却回路，完成对叶片的整体冷却。

冷却燃气轮机叶片的方法，涡轮叶片包括有叶片叶型3、叶片叶根1和叶片叶根的叶片平台2，叶片叶型外表面由压力面15和吸力面18构成，连接压力面15和吸力面18的分别是叶片前缘16和叶片尾缘19；其特征在于：所述涡轮叶片冷却工质为熔融盐；

叶片叶型内部由冷却通道分隔板分成叶片前缘冷却区域和叶片尾缘冷却区域；叶片前缘冷却区域由U形的冷却通道分隔板分隔成3个冷却通道，分别是第一冲击冷却通道6，第二冲击冷却通道7和成形冷却内通道12，第一冷却冲击通道6和第二冲击冷却通道7的冷却通道分隔板上布置有射流冲击孔4，熔融盐从叶片根部冷却通道入口14进入第二冲击冷却通道7，通过冷却通道分隔板上的射流冲击孔4进入第一冲击冷却通道6，然后流入成形冷却内通道12，最后由叶片根部冷却通道出口13流出；叶片尾缘冷却区域由冷却通道分隔板隔开形成叶片尾缘冷却通道11和成形冷却内通道12，两者相通形 成一个U形的冷却回路，熔融盐从叶片根部冷却通道入口14进入叶片尾缘冷却通道11，然后流经成形冷却通道12，最后由叶片根部冷却通道出口13流出，完成对整个叶片的冷却。

所述的冷却工质是各种单一纯净物液态熔盐或混合熔融盐，所述的冷却工质为各种有机、无机盐类、金属氧化物以及它们的混合物。

进一步，冷却通道内布置有湍流强化器10。

所述的熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法，由于熔融盐工质传热性能优越，叶片冷却全部由叶片内部冷却通道完成，不再需要设计气膜冷却结构。

所述的熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法，熔融盐一次流经叶片U形内冷通道即可完成对叶片的冷却。

所述的熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法，叶片内冷结构进行了大量简化，不再需要设计前缘用于气膜冷却的鱼鳞孔和叶片尾缘排气孔。

所述的熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法，利用熔融盐的射流冲击对叶片前缘16冷却，叶片压力面15、吸力面18和尾缘19的冷却直接由熔融盐流经内冷通道6、7、11、12完成，冷却通道内布置有湍流强化器10。

本发明具有以下优点和突出性效果：本发明熔融盐冷却燃气轮机叶片的方法所使用的熔融盐冷却工质传热性能是高温压缩空气工质的几百倍，可以迅速的将叶片温度降低到设计温度范围内；是利用熔盐的液态单相强迫对流换热冷却，不需要利用相变潜热；冷却效果非常显著，可以将叶片壁温控制在500～600摄氏度(熔融盐射流冲击换热方程式为：Nu＝1.29Re^0.5Pr^1/3，圆管内强迫对流换热充分发展紊流方程式为：Nu＝0.024Re^0.87Pr^0.331，圆管内强迫对流换热过渡流换热方程式为： $\mathrm{Nu}=0.007({\mathrm{Re}}^{0.92}-280){\mathrm{Pr}}^{0.4}[1+{\left(\frac{d}{l}\right)}^{2/3}]{\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}\right)}^{0.11}$ 其中d为圆管内径，l为管长)；不再使用压缩空气作为冷却工质，完全避免了因为 冷却叶片而分流部分压缩空气对燃气轮机的功率消耗，显著增加了燃气轮机轴功功率；显著降低了叶片的设计和制造难度，使用熔融盐为传热工质后，涡轮叶片内部冷却通道可进行大量简化，叶片内冷结构进行了大量简化，不再需要设计前缘用于气膜冷却的鱼鳞孔和叶片尾缘排气孔，只需要设计简单的熔融盐冷却通道流程即可；叶片材料不再只局限于高级镍基合金，由于叶片工作温度和结构要求的降低，叶片材料可以采用低端合金甚至普通不锈钢；在叶片应力设计上也可以不再受苛刻的冷却加工条件限制，提高了叶片的寿命、降低了叶片制造成本。这些优点可以从根本上打断国外对热端部件的技术垄断。

附图说明

图1，叶片三维视图。

图2，本发明沿叶片中弧线将叶片剖开的内部结构示意图。

图3，是图1除去顶部封盖的俯视图。

其中，图1～3中：1-叶片叶跟；2-叶片平台；3-叶片叶型；4-射流冲击孔；5-冲击冷却分隔板；6-第一冲击冷却通道；7-第二冲击冷却通道；8-冷却通道分隔板；9-顶部封盖；10-湍流强化器；11-叶片尾缘冷却通道；12-成形冷却内通道；13-叶片根部冷却通道出口；14-叶片根部冷却通道入口；15-压力面；16-叶片前缘；17-叶片中弧线；18-吸力面；19-叶片尾缘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、具体实施和工作过程做进一步的说明。

附图给出了本发明的一个具体实施方案，图1是燃气轮机高温涡轮叶片 的三维视图，其中包括叶片叶型3、叶片叶跟1以及连接两者的叶片平台2。沿叶片中弧线17将叶片剖开，可以获得叶片内部结构如图2所示。叶片内部具有用于冷却熔融盐流动的多个冷却通道6、7、11、12，熔融盐(例如质量百分比40％硝酸钾和60％硝酸钠组成的混合熔融盐)由叶片根部冷却通道入口14进入叶片内冷通道6和11，分别流经内冷通道7、12，然后仍然从叶片根部冷却通道出口13流出形成完整冷却回路。

所示方案中叶片内部有五个冷却通道6、7、11、12和两个冷却回路，冷却回路包括用于叶片前缘16冷却的熔融盐冲击冷却回路，用于叶片中部和叶片尾缘19区域冷却的强化对流冷却回路。一股熔融盐用于进行叶片前缘16的冲击冷却，形成冲击冷却回路；其他熔融盐则进入相应冷却通道利用强化对流换热实现对叶片中部和尾缘的冷却。

本实施案例中，所述的熔融盐冲击冷却回路包括第一冲击冷却通道6和第二冲击冷却通道7，所述两个冲击冷却通道由冲击冷却分隔板5隔开，所述冲击冷却分隔板上布置了至少一个射流冲击孔4，第一冲击冷却通道壁面布置了具有强化对流冷却效果的至少一个湍流强化器10。

本实施案例中，叶片中部采用直接对流冷却通道，各冷却通道由冷却通道隔板8隔开，每个冷却通道的壁面布置了至少一个湍流强化器10，以加强通道内熔融盐对流冷却效果，每个冷却通道对应的叶片根部至少布置有不同于进口的射流冲击孔4，熔融盐流体应保证足够的压力从此开口处流出。

由于熔融盐冷却效果良好，叶片尾缘冷却通道11内部没有布置针肋结构，熔融盐直接流经尾缘通道从叶片根部冷却通道出口13排出。

本发明描述了上述熔融盐工质冷却燃气轮机叶片的一个实施案例，但是本发明不限于上述描述的叶片结构细节和熔融盐的传热方式，而是涵盖权利要求书来限定的内容，以及由此引申和变形的等效工质和结构。

Claims (3)

1.冷却燃气轮机叶片的方法，涡轮叶片包括有叶片叶型(3)、叶片叶根(1)和叶片叶根的叶片平台(2)，叶片叶型外表面由压力面(15)和吸力面(18)构成，连接压力面(15)和吸力面(18)的分别是叶片前缘(16)和叶片尾缘(19)；其特征在于：所述涡轮叶片的冷却工质为熔融盐；

叶片叶型内部由冷却通道分隔板分成叶片前缘冷却区域和叶片尾缘冷却区域；叶片前缘冷却区域由U形的冷却通道分隔板分隔成3个冷却通道，分别是第一冲击冷却通道(6)，第二冲击冷却通道(7)和成形冷却内通道(12)，第一冷却冲击通道(6)和第二冲击冷却通道(7)的冷却通道分隔板上布置有射流冲击孔(4)，熔融盐从叶片根部冷却通道入口(14)进入第二冲击冷却通道(7)，通过冷却通道分隔板上的射流冲击孔(4)进入第一冲击冷却通道(6)，然后流入成形冷却内通道(12)，最后由叶片根部冷却通道出口(13)流出；叶片尾缘冷却区域由冷却通道分隔板隔开形成叶片尾缘冷却通道(11)和成形冷却内通道(12)，两者相通形成一个U形的冷却回路，熔融盐从叶片根部冷却通道入口(14)进入叶片尾缘冷却通道(11)，然后流经成形冷却内通道(12)，最后由叶片根部冷却通道出口(13)流出，完成对整个叶片的冷却。

2.如权利要求1所述的冷却燃气轮机叶片的方法，其特征在于：所述的冷却工质是各种单一纯净物液态熔盐或混合熔融盐，所述的冷却工质为各种有机、无机盐类、金属氧化物以及它们的混合物。

3.如权利要求1所述的冷却燃气轮机叶片的方法，其特征在于：冷却通道内布置有湍流强化器(10)。