CN106014489B - 带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机。该涡轮叶片包括：叶片本体；以及冷却插件，固定与所述叶片本体上，由形状记忆合金材料制备；其中，所述冷却插件经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，其形状和/或结构发生变化，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而达到强化换热的目的。本发明可以提高冷却工质利用率和叶片表面温度分布均匀性，保证燃气轮机安全运行。

Description

带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机

技术领域

本发明涉及流体动力学及传热学技术领域，尤其涉及一种带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机作为一种动力装置，可应用于航空发动机、陆地发电、船舶推进等领域。为了保证有较高的热效率和功率输出，现代燃气轮机设计的涡轮进口运行温度很高，目前已经达到2200K左右，远超出了当前涡轮叶片材料的温度极限。因此，必须采用相应的保护措施，从而保证燃气轮机安全和高效的运行。目前，除了提高材料和绝热层的温度极限外，还必须配合复杂的冷却技术，如：气膜冷却、冲击射流冷却、肋柱扰流冷却等方法，来保持涡轮叶片的寿命和在高温下的正常运行。

在燃气轮机中，叶片可根据其在涡轮不同位置或用于导向、旋转等用途，分别采用气膜冷却结构、冲击冷却结构和肋片扰流结构；也可根据实际运行工况及叶片所受热负荷的大小综合其中的两种或者三种冷却结构。

为了保证合理的寿命，冷却系统设计不仅涉及到叶片表面上的温度水平，温度梯度也要考虑，从而避免材料局部热应力过高导致叶片失效。而且，用于叶片冷却的空气来自压气机，过多的冷却用气量意味着做功用气量减少，导致燃气轮机热效率低下。因此，掌握涡轮叶片冷却技术，优化涡轮叶片冷却结构，合理利用涡轮叶片冷却系统，以使最小的冷却工质流量获得最高的收益，已成为本领域技术人员不懈追求的目标。

目前，对于传统涡轮叶片，其冷却结构一旦设计加工成型并安装在燃气轮机上，在实际运行过程中不能根据涡轮内部实际运行工况和叶片表面温度分布情况进行实时动态自行调整，不利于叶片表面温度均匀分布，而且冷却工质利用率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种带冷却结构的涡轮叶片。该涡轮叶片包括：叶片本体；以及冷却插件，固定与所述叶片本体上，由形状记忆合金材料制备；其中，所述冷却插件经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，其形状和/或结构发生变化，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而达到强化换热的目的。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种燃气轮机。该燃气轮机包括：一个或多个的上述的涡轮叶片。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机冷却结构中，能够根据涡轮内部实际运行工况和叶片表面温度分布现象进行冷却结构形状和/或结构的自行调整，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而提高冷却工质利用率和叶片表面温度分布均匀性，同时保证燃气轮机安全运行。

附图说明

图1A和图1B分别为根据本发明实施例气膜冷却涡轮叶片在预设温度以下和预设温度以上时的结构示意图；

图2A为根据本发明实施例冲击冷却涡轮叶片的结构示意图；

图2B为图2A所示冲击冷却涡轮叶片中冲击冷却插件在圆形冲击孔位置的剖面图；

图3A为涡轮叶片内部通过肋片来增强冷却工质扰动的示意图；

图3B为第一级涡轮叶片进口处径向温度分布曲线；

图4A～图4C为根据本发明实施例的涡轮叶片内部冷却腔体中扰流肋片三种设置方式的示意图。

具体实施方式

本发明中，针对叶片表面气膜冷却、叶片前缘冲击冷却和叶片内部肋片扰流冷却，对气膜孔结构、冲击孔结构、肋片扰流结构分别进行设计，据此对叶片复合冷却结构进行综合系统改进，将其应用于燃气轮机。

在对本发明各实施例进行详细介绍之前，首先对所涉及到的通用概念进行说明：

(1)本发明中，叶片冷却通道中的冷却工质主要是空气，也可以是氮气、氨气或者航空煤油等其他冷却工质。

(2)本发明中，优选地，预设温度以上为1000～1300℃，预设温度以下为300～1000℃。

(3)本发明的叶片冷却结构中的形状记忆合金材料优选高温类型，例如Ru-Ta合金、Ru-Nb合金、Ru-Nb-Fe合金等覆盖温度区间为600～1300℃。也可是Ni-Ak基形状记忆高温合金，Cu基形状记忆高温合金，Ti-Ni基形状记忆高温合金，Ni-Mn基形状记忆高温合金，Co基形状记忆高温合金，Zr基形状记忆高温合金等。

需要说明的是，对于上述形状记忆合金的每一种，合金中相应组分和含量均为已知的。由于本发明只是涉及利用形状记忆合金来加工，而未涉及形状记忆合金材料的任何改变，此处不再对各种形状记忆合金材料的成分进行详细说明(详细请参考http：//baike.baidu.com/link？url＝pRw7MEJKRj_qfBY1Y7hp_p_RkEV-TVvBTs ku3k7KMC-SVmCPCk_QWU8EvQ_3E1R9)。

(4)对形状记忆合金进行记忆训练的方法对本领域技术人员而言是公知的，此处不再赘述。此外，形状记忆合金的变形温度可以根据具体的发热器件的热流密度和温度控制要求进行选择，可以通过改变形状合金的材料配比实现，此处也不再详细说明。

基于上述，本发明提供了一种带冷却结构的涡轮叶片。该涡轮叶片包括：叶片本体；以及冷却插件，固定与叶片本体上，由形状记忆合金材料制备；其中，冷却插件经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，其形状和/或结构发生变化，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而达到强化换热的目的。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一、气膜冷却涡轮叶片

本实施例中，涡轮叶片包括：叶片本体以及气膜冷却插件。其中，叶片本体采用气膜孔结构进行冷却，在气膜孔的上方具有高温形状记忆合金材料的气膜冷却插件。

请参照图1A和图1B，在叶片本体表面开设有气膜孔，冷却工质由气膜孔吹出，流过叶片本体表面的气膜孔下游区域，实现对叶片本体的冷却，以保护气膜孔下游区域的表面。

请继续参照图1A和图1B，在叶片本体上气膜孔的位置开设横槽，该横槽的延伸方向与工作流体来流方向垂直，并且，该横槽的宽度大于气膜孔的开口宽度。经由实验证明，单单该带横槽结构的气膜孔结构能够提高气膜冷却效率。

请继续参照图1A和图1B，在气膜孔的上方具有形状记忆合金材料的气膜冷却插件。该气膜冷却插件呈长条形状，焊接于横槽的左侧，其下表面贴附在横槽的底面上。并且，该气膜冷却插件经过训练，相比于预设温度以下时下表面的面积，预设温度以上时下表面的面积会发生收缩。

当来流方向的工作流体温度较低时，气膜冷却插件如图1A所示，覆盖住部分气膜孔，从而冷却工质流量减少。随着来流方向的工作流体温度增大，达到预设温度后，气膜冷却插件发生如图1B所示形变，相对于预设温度以下，气膜冷却插件的下表面面积变化导致气膜孔出口的有效面积增加0.1S～1S，其中，S为预设温度以下时气膜孔出口的有效面积，从而扩大了气膜孔的出口面积，增加了冷却工质流量。

本领域技术人员应当清楚，本发明中气膜孔的种类不仅限于圆形孔，还可以包括方形孔，带分支的圆形孔，缩扩孔等。

二、冲击冷却涡轮叶片

本实施例中，涡轮叶片包括：叶片本体以及冲击冷却插件。其中，叶片本体内部形成容置腔。冲击冷却插件位于该容置腔内，由高温形状记忆合金材料制成，并且在其内部形成冷却工质腔。并且，在冲击冷却插件的表面具有圆形冲击孔。

请参照图2A和图2B，冷却工质进入冲击冷却插件的冷却工质腔后，经过由圆形冲击孔向外面吹出，冲击冷却叶片本体的内表面。

当叶片本体表面温度处于预设温度以上时，冲击冷却插件上的冲击孔孔径增大1D～4D，从而增大冷却工质流量，使得冷却效率提高，其中D为预设温度以下时冲击孔的孔径。冲击冷却插件上圆形冲击孔的直径根据叶片外表面温度进行自行调节，保证叶片本体处于安全温度以下，且表面温度分布均匀，提高冷却工质利用率。

同样，本领域技术人员应当清楚，本发明中冲击孔的种类不仅限于圆形孔，还可以包括方形孔，带分支的圆形孔，缩扩孔等。

三、内部肋片冷却的涡轮叶片

强化叶片内部冷却是其中一种冷却方式，该方法是在叶片内部表面布置各种形状等扰流肋片来增强冷却工质扰动，从而提高冷却工质与叶片之间的换热。典型的叶片本体内部的冷却扰动肋片结构如图3A所示。E代表冷却扰动肋片的肋高，S代表相邻两冷却扰动肋片的间距，H为叶片内部冷却通道的当量直径。

图3B为第一级涡轮叶片进口处径向温度分布曲线。如图3B所示，叶片中上部温度最高，叶片根部与顶部温度相对较低，这将导致叶片表面温度分布不均匀，从而产生较高的热应力。

本实施例中，涡轮叶片包括：叶片本体以及冷却扰动插件。其中，叶片本体内部形成冷却腔。冷却扰动插件包括固定于冷却腔内表面上的多个冷却扰动肋片。其中，冷却扰动肋片由经过训练的高温形状记忆合金材料制成。

对于燃气轮机涡轮内部典型工况进行研究分析，获得叶片表面温度分布，据此对高温形状记忆合金肋片进行训练。当叶片表面温度分布不均匀时，经过训练的形状记忆合金肋片根据外部叶片表面温度大小进行形变，增强冷却工质扰动，强化换热，使得叶片表面高温区域温降增大，从而满足叶片表面温度分布均匀。

请参照图4A，在本发明的一实施例中，在待冷却区域上，冷却扰动肋片的高度随温度的增高而增高。在这种情况下，温度较高区域的冷却扰动肋片的高度大于温度较低区域的冷却扰动肋片的高度，从而增大冷气工质的扰动，强化换热，在温度较高区域实现最大限度的冷却。

根据图3B的涡轮动叶进口处径向温度分布曲线可知，叶片中上部温度最高，叶片根部与顶部温度相对较低，因此，优选地是需要在叶片中上部布置高度随温度的增高而增高的冷却扰动肋片。

需要注意的是，在增强冷却扰动的同时，还需要考虑冷却工质流动阻力增大的代价。

仔细观察图4A所示的结构可以看出，如果温度较高区域的冷却扰动肋片高度相同，即使高度增高，其冷却的效果在温度较高区域的中部仍然不够理想，在此提出如图4B所示的结构。

请参照图4B，在本发明的另一实施例中，待冷却区域上具有交替排列的两类冷却扰动肋片。其中，第一类肋片的高度在预设温度以上时相对于预设温度以下时增高，第二类肋片的高度在预设温度以上时相对于预设温度以下时保持不变或者降低。从而在待冷却区域上形成波浪式结构。

需要注意的是，上述的交替排列并非限定于图4B所示的一一交替排列，其还可以包括：两个第一类肋片之间具有多个第二类肋片的情况。

请参照图4C，在本发明的再一个实施例中，待冷却区域上，冷却扰动肋片在温度升高时高度增加的同时，发生倾斜，方向与冷却工质来流方向相反，从而进一步增强了在温度较高区域冷却工质的扰动，冷却效果进一步提升。

在图4A和图4B所示的结构中，在预设温度以上时，冷却扰动肋片在高度变化后依然满足：E/H介于0.02～0.08之间。在图4C所示的结构中，倾斜角度A变化范围90°～135°，其中A为倾斜后的冷却扰动肋片与冷却工质来流方向所成的角度。

对于图4A～图4C所示的结构，可以仅在内部冷却通道一面布置肋片，也可根据实际情况在通道其他表面布置肋片；肋片高度变化范围仅针对方形通道，矩形通道需根据实际情况进行设计。

其中，除了矩形肋之外，冷却扰动肋片还可以为：V形肋、间断肋、斜肋、楔形肋，在此不一一列举。

四、燃气轮机

本发明的另一个方面还提供了一种燃气轮机。该燃气轮机具有涡轮叶片。该涡轮叶片可以为上述各个实施例其中之一的涡轮叶片。

至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明涡轮叶片的冷却结构可根据涡轮实际运行工况和叶片外表面温度进行自行调整，从而保证叶片在安全温度以下运行，且表面温度均匀分布，同时提高冷却工质利用率。并将其应用于燃气轮机，使得燃气轮机在不同工况下都能够安全可靠高效运行，具有较强的实用价值，应用前景广阔。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带冷却结构的涡轮叶片，其特征在于，包括：

叶片本体，其内部形成冷却腔；以及

冷却插件，固定与所述叶片本体上，由形状记忆合金材料制备；

其中，所述冷却插件经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，其形状和/或结构发生变化，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而达到强化换热的目的；

其中，所述冷却插件为冷却扰动插件，该冷却扰动插件包括固定于冷却腔内表面上的多个冷却扰动肋片；所述冷却扰动肋片由形状记忆合金材料制备；经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，至少部分的冷却扰动肋片的高度发生变化，以增强所在区域的冷却工质扰动。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述高度发生变化的冷却扰动肋片中，在预设温度以上时，高度变化范围E/H为0.02～0.08，肋片间距S/E为8～12，其中，E为冷却扰动肋片的肋高，H为通道当量直径，S为相邻两冷却扰动肋片的间距。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个冷却扰动肋片包括：第一类肋片和第二类肋片，经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时：

所述第一类肋片的高度增高；

所述第二类肋片的高度在预设温度以上不变或降低；

所述第一类肋片和第二类肋片交替排列，从而在预设温度以上时，在两者所在的区域形成波浪式结构。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于：

所述第一类肋片和第二类肋片一一交替排列；或

两个第一类肋片之间具有多个第二类肋片。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，经过训练，相对于预设温度以下，所述高度发生变化的冷却扰动肋片在预设温度以上时，发生倾斜，方向与冷却工质来流方向相反。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，在预设温度以上时，倾斜后的冷却扰动肋片与冷却工质来流方向的角度A介于90°～135°之间。

7.一种燃气轮机，其特征在于，包括：一个或多个的权利要求1至6中任一项所述的涡轮叶片。