CN105019950A

CN105019950A - 透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构及其成形方法

Info

Publication number: CN105019950A
Application number: CN201510357490.5A
Authority: CN
Inventors: 税琳棋; 董坤坤; 高峰; 李艳
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明公开的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，包括叶片，叶片的外层为外壁，叶片的中部设置有叶片中心腔，外壁的内部设置有若干组树状分叉微细通道。本发明还公开了该内冷结构的成形方法。本发明的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构采用仿生学构造理论设计的树状分叉微细通道，其具有高冷效、低流阻和温度分布均匀的特性，能够解决蒸汽冷却叶片在高热负荷区域存在冷却不均匀和冷效不足的问题。

Description

透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构及其成形方法

技术领域

本发明属于透平叶片蒸汽冷却设备技术领域，具体涉及一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构。本发明还涉及该内冷结构的成形方法。

背景技术

重型燃气轮机是构成先进能源系统的核心装备，其循环热效率和比功率均随着透平转子进口温度的升高而增大。目前先进燃机透平初温已经远远超过叶片材料所能承受的温度极限。为了延长燃气轮机的安全使用寿命，保证透平叶片在高温工况下的正常运行，必须对叶片进行有效冷却。先进的叶片冷却技术是提高燃机透平初温的关键措施，其研究方向包括对叶片结构参数和复合冷却方式进行优化和改进，发展基于新思想、新理论的新型冷却基于以及采用新型冷却介质替代原有空气冷却等。传统叶片冷却技术采用空气作为冷却介质。随着透平初温的不断升高，为了冷却高温部件，从压气机中抽取的冷却空气量逐渐增加，这不仅消耗了输往燃烧室直接参与做功的高压空气，而且冷气在叶栅流道中与主流燃气混合也会导致透平效率的下降，从而影响整个系统的性能。

叶片蒸汽冷却技术从蒸汽透平中抽取蒸汽作为冷却介质，通常采用闭式循环。冷却蒸汽不进入叶栅流道，因此能够克服传统空气冷却的一系列弊端，使得燃机整体性能得到提升。为了满足重型燃气轮机高热效率、高可靠性的发展需求，采用蒸汽对叶片进行冷却已经成为目前燃机透平叶片冷却技术发展的趋势。蒸汽冷却结构通常采用叶片内部弯曲流道中布置各种形状的肋片，用来增加内部的扰动，提高换热效果。当冷却蒸汽量足够大时，其强化对流冷却效果即可媲美空气气膜冷却效果。但是在实际使用过程中，蒸汽对流冷却在高温前缘区域存在壁面温度梯度过大，热应力集中的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，解决蒸汽冷却叶片在高热负荷区域存在冷却不均匀和冷效不足的问题。

本发明的另一个目的在于提供上述内冷结构的成形方法，实现复杂叶片型面及内部树状分叉网络通道的精密成形，得到的叶片强度相当于精密锻件的强度，能够适应较高的热应力。

本发明所采用的技术方案是：一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，包括叶片，叶片的外层为外壁，叶片的中部设置有叶片中心腔，外壁的内部设置有若干组树状分叉微细通道。

本发明的特点还在于，

树状分叉微细通道采用3D打印的方式直接整体成形。

每组树状分叉微细通道包括一个微细通道进口和若干个微细通道出口，所述微细通道进口和微细通道出口分别位于叶片的上下两面。

相邻的两组树状分叉微细通道的进气方向相反。

微细通道进口直径D₀为1～3mm，微细通道出口直径D_n为0.2～0.8mm；相邻两组树状分叉微细通道的间距l为0.2～0.8mm，最小壁厚δ为0.2～0.8mm，高度h为1～4mm，通道分叉级数n为4～7级。

本发明的另一个技术方案是：一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构的成形方法，该内冷结构包括叶片，叶片的外层为外壁，叶片的中部设置有叶片中心腔，在所述外壁的内部设置有若干组树状分叉微细通道；具体包括如下步骤：

第一步，计算综合换热性能评价因子η

第二步，根据第一步计算得到的综合换热性能评价因子η，在保持叶片体积与面积恒定的条件下，采用Lagrangian数乘法得到树状分叉微细通道的对流换热标度律，从而综合换热性能最大时的分叉结构可表示如下：

d_{0}^{2} = Σ_{i = 1}^{n} d_{i}^{2}, l_{i} / l_{j} = d_{i} / d_{j} (i, j = 1, 2 ... n)

第三步，根据第二步得到的分叉结构，采用3D打印的方式，直接成形获得具有所述分叉结构的透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构。

本发明的有益效果是：本发明的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构采用仿生学构造理论设计的树状分叉微细通道，其具有高冷效、低流阻和温度分布均匀的特性，能够解决蒸汽冷却叶片在高热负荷区域存在冷却不均匀和冷效不足的问题。

附图说明

图1是本发明一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构中透平叶片的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构中树状分叉微细通道的结构示意图。

图中，1.叶片，2.外壁，3.叶片中心腔，4.微细通道进口，5.微细通道出口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，如图1所示，包括叶片1，叶片1的外层为外壁2，叶片1的中部设置有叶片中心腔3，在外壁2的内部设置有若干组树状分叉微细通道。

树状分叉微细通道采用3D打印的方式直接整体成形。

如图2所示，每组树状分叉微细通道包括一个微细通道进口4和若干个微细通道出口5，微细通道进口4和微细通道出口5分别位于叶片的上下两面。

相邻的两组树状分叉微细通道的进气方向相反。

如图3所示，微细通道进口4直径D₀为1～3mm，微细通道出口5直径D_n为0.2～0.8mm；相邻两组树状分叉微细通道的间距l为0.2～0.8mm，最小壁厚δ为0.2～0.8mm，高度h为1～4mm，通道分叉级数n为4～7级。

本发明还提供了一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构的成形方法，该内冷结构包括叶片1，叶片1的外层为外壁2，叶片1的中部设置有叶片中心腔2，在外壁2的内部设置有若干组树状分叉微细通道；具体包括如下步骤：

第一步，计算综合换热性能评价因子η

基于能量输运理论和几何分形理论，根据综合换热性能最大化原则推导树状分叉微通道的分形对流换热标度律。

对透平叶片内部冷却结构分析，对流换热性能用Nu数表示：

N u = \frac{h \cdot D_{h}}{λ} - - - (1)

式中，h为蒸汽的换热系数，D_h为通道的水力直径，λ为蒸汽的导热系数，内部冷却结构表面积为S，对流热阻可以表示为：

联立式(1)(2)得：

由：

Q = \frac{A \cdot {D_{h}}^{2}}{128 μ} \cdot \frac{Δ P}{L} - - - (4)

Δ P = f \cdot \frac{L}{D_{h}} \cdot \frac{{ρν}^{2}}{2} - - - (5)

R = \frac{128 μ \cdot L}{A \cdot {D_{h}}^{2}} - - - (6)

Q＝ρ·ν·A (7)

联立式(4)、(5)、(6)、(7)得：

f = \frac{2 {D_{h}}^{3}}{L \cdot v} \cdot R - - - (8)

推出：f∝R (9)

综合换热系数：

η = \frac{N_{u}}{f^{1 / 3}} - - - (10)

则可得关系：

第二步，根据第一步计算得到的综合换热性能评价因子η，要使η最大，也就是η³最大，即最小。

引入如下函数

则

方形单分叉结构的一个母管以及两个分叉子管的流动阻力可以表示为：

F_{0} = \frac{27 μ}{10 h^{3} \cdot {L_{0}}^{2} \cdot {D_{0}}^{7}} - - - (14)

F_{1} = \frac{27 μ}{10 h^{3} \cdot {L_{1}}^{2} \cdot {D_{1}}^{7}} - - - (15)

F_{2} = \frac{27 μ}{10 h^{3} \cdot {L_{2}}^{2} \cdot {D_{2}}^{7}} - - - (16)

注：D₀、L₀为母管尺寸，D₁、L₁，D₂、L₂为两个子管的尺寸

根据分叉结构关系可得单个分叉结构总的流动阻力：

F = F_{0} + \frac{1}{\frac{1}{F_{1}} + \frac{1}{F_{2}}} - - - (17)

将式(13)(14)(15)代入式(17)得：

F = \frac{27 μ}{10 h^{3}} (\frac{1}{{L_{0}}^{2} \cdot D_{0}^{7}} + \frac{1}{{L_{1}}^{2} \cdot {D_{1}}^{7} + {L_{2}}^{2} \cdot {D_{2}}^{7}}) --- (18)

单分支的体积、表面积可表示为：

S = 2 (L \cdot D + L \cdot w) = \frac{10}{3} L \cdot D

引入函数

M = \frac{1}{V \cdot S}

则

由于M_总不变，因此可以根据Lagrangian数乘法最小化分叉结构的流动阻力F。式(18)中的常数可以忽略，引进函数N并通过最小化该函数来优化分叉结构:

N = (\frac{1}{{L_{0}}^{2} \cdot D_{0}^{7}} + \frac{1}{{L_{1}}^{2} \cdot {D_{1}}^{7} + {L_{2}}^{2} \cdot {D_{2}}^{7}}) + k (\frac{1}{{L_{0}}^{2} \cdot {D_{0}}^{3}} + \frac{1}{{L_{1}}^{2} \cdot {D_{1}}^{3}} + \frac{1}{{L_{2}}^{2} \cdot {D_{2}}^{3}}) - - - (20)

η为Lagrangian因子，且η不为零。根据极值条件，将函数F对D₀,D₁,D₂分别求导有：

\frac{\partial N}{\partial D_{0}} = - \frac{7}{L_{0}^{2} \cdot D_{0}^{8}} + \frac{- 3 k}{L_{0}^{2} \cdot D_{0}^{4}} = 0 --- (21)

\frac{\partial N}{\partial D_{1}} = - \frac{7 L_{1}^{2} \cdot D_{1}^{6}}{{(D_{1}^{7} \cdot L_{1}^{2} + D_{2}^{7} \cdot L_{2}^{2})}^{2}} + \frac{- 3 k}{L_{1}^{2} \cdot D_{1}^{4}} = 0 --- (22)

\frac{\partial F}{\partial D_{2}} = - \frac{7 L_{2}^{2} \cdot D_{2}^{6}}{{(D_{1}^{7} \cdot L_{1}^{2} + D_{2}^{7} \cdot L_{2}^{2})}^{2}} + \frac{- 3 k}{L_{2}^{2} \cdot D_{2}^{4}} = 0 --- (23)

根据方程(21)，(22)，(23)分别可得：

D_{0}^{2} = {(\frac{7}{- 3 k})}^{1 / 2} --- (24)

D_{1}^{2} = {(- \frac{7}{3 k})}^{1 / 2} \frac{L_{1}^{2} \cdot D_{1}^{7}}{D_{1}^{7} \cdot L_{1}^{2} + D_{2}^{7} \cdot L_{2}^{2}} --- (25)

D_{2}^{2} = {(- \frac{7}{3 k})}^{1 / 2} \frac{L_{2}^{2} \cdot D_{2}^{7}}{D_{1}^{7} \cdot L_{1}^{2} + D_{2}^{7} \cdot L_{2}^{2}} --- (26)

由式(24)，(25),(26)可得：

基于Murray定律，对于双分叉对称结构D₁＝D₂,L₁＝L₂，可得：L₁/L₀＝D₁/D₀

从而综合换热性能最大时的分叉结构可表示如下：

d_{0}^{2} = Σ_{i = 1}^{n} d_{i}^{2}

l_i/l_j＝d_i/d_j (i,j＝1,2…n)

上述公式中各个参数代号及其单位如表1所示：

本发明为了将仿生分形微细通道冷却技术应用于透平蒸汽冷却叶片，采用3D打印技术，在叶身直接整体成形制造出适用于重型燃气轮机高温叶片前缘的树状分叉微细通道冷却结构，该冷却结构为：在叶片前缘布置若干组树状微细通道，相邻通道组的进口方向彼此相反，通道进口水力直径D₀为1～3mm，出口直径D_n为0.2～0.8mm，并且如果在加工工艺的允许的情况下，Dn越小越好。各组通道的最小间距l为0.2～0.8mm，最小壁厚δ为0.2～0.8mm，高度h为1～4mm，通道分叉级数n为4～7级。确定通道的进口的水力直径D_h与分叉级数n后，再计算得到每级通道的水力直径和长度。

在联合循环的燃气轮机中，从底层的蒸汽动力循环中抽取冷却用蒸汽，通到燃气透平的冷却通道。沿叶高方向蒸汽从微细通道入口不断进入树状分叉子通道内，对高温叶片表面进行冷却。吸收热量后的蒸汽温度升高，进入叶片中心腔。然后排出叶片的蒸汽与余热锅炉出来的再热蒸汽汇合，最终一起通入蒸汽透平中的低压缸去膨胀做功。

微尺度对流换热不仅可以增加对流换热系数，而且可以增加单位体积的对流换热面积。但是常规的平行(或蛇形弯曲)微通道中的流动存在压力损失和沿程温度分布不均匀的问题。而自然界普遍存在的树状分叉网络系统，接受长期自然选择和进化，是一种经过时间检验的优化结构。将树状分叉微细网络结构应用于叶片蒸汽冷却，不仅能降低叶片内冷通道的流动阻力损失，而且能够有效改善前缘避免温度梯度过大的现象。

本发明采用SLM(Selective Laser Melting)选择性激光熔化技术实现复杂叶片型面及内部树状分叉网络通道的精密成形，得到的叶片强度相当于精密锻件的强度，能够适应较高的热应力。

本发明的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构采用仿生学构造理论设计的树状分叉微细通道，其具有高冷效、低流阻和温度分布均匀的特性，能够解决蒸汽冷却叶片在高热负荷区域存在冷却不均匀和冷效不足的问题。

Claims

1.一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，包括叶片(1)，叶片(1)的外层为外壁(2)，叶片(1)的中部设置有叶片中心腔(3)，其特征在于，在所述外壁(2)的内部设置有若干组树状分叉微细通道。

2.如权利要求1所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，所述树状分叉微细通道采用3D打印的方式直接整体成形。

3.如权利要求1所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，每组树状分叉微细通道包括一个微细通道进口(4)和若干个微细通道出口(5)，所述微细通道进口(4)和微细通道出口(5)分别位于叶片的上下两面。

4.如权利要3所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，相邻的两组树状分叉微细通道的进气方向相反。

5.如权利要3或4所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，所述的微细通道进口(4)直径D₀为1～3mm，微细通道出口(5)直径D_n为0.2～0.8mm；相邻两组树状分叉微细通道的间距l为0.2～0.8mm，最小壁厚δ为0.2～0.8mm，高度h为1～4mm，通道分叉级数n为4～7级。

6.一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构的成形方法，该内冷结构包括叶片(1)，叶片(1)的外层为外壁(2)，叶片(1)的中部设置有叶片中心腔(2)，在所述外壁(2)的内部设置有若干组树状分叉微细通道；其特征在于，具体包括如下步骤：

第一步，计算综合换热性能评价因子η

第二步，根据第一步计算得到的综合换热性能评价因子η，在保持叶片(1)体积与面积恒定的条件下，采用Lagrangian数乘法得到树状分叉微细通道的对流换热标度律，从而综合换热性能最大时的分叉结构可表示如下：

d_{0}^{2} = Σ_{i = 1}^{n} d_{i}^{2}, l_{i} / l_{j} = d_{i} / d_{j}, (i, j = 1, 2... n)

7.如权利要求6所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，所述树状分叉微细通道采用3D打印的方式直接整体成形。

8.如权利要求6所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，每组树状分叉微细通道包括一个微细通道进口(4)和若干个微细通道出口(5)，所述微细通道进口(4)和微细通道出口(5)分别位于叶片的上下两面。

9.如权利要6所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，相邻的两组树状分叉微细通道的进气方向相反。

10.如权利要8或9所述的一种透平叶片前缘仿生微细通道内冷结构，其特征在于，所述的微细通道进口(4)直径D₀为1～3mm，微细通道出口(5)直径D_n为0.2～0.8mm；相邻两组树状分叉微细通道的间距l为0.2～0.8mm，最小壁厚δ为0.2～0.8mm，高度h为1～4mm，通道分叉级数n为4～7级。