CN108825311A - 具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶 - Google Patents

Abstract

一种具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶，包括：导叶吸热部，内部设置有多个供液态金属流动的通道，多个通道连通；导叶中间部，内部设置有多个与通道相对应的通孔；以及导叶放热部，包括多个U型管道，多个U型管道与通孔、以及通道连接形成封闭的液态金属流动回路。

Description

具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶

技术领域

本公开涉及一种具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶及导向器。

背景技术

航空发动机高压涡轮部件在工作时承受极高的热负荷，如何对其进行有效冷却是制约航空发动机发展的重要因素之一。

目前主流的叶片冷却技术是从压气机出口引气，利用空气形成气膜对高压导叶和高压动叶进行冷却，但是利用引气对叶片进行冷却会显著影响发动机的整体性能，如推力、推进效率等，并且随着涡轮冷却结构精细化设计的进步，空气冷却的技术趋近于极致，难以再有大幅度的提升，无法应对未来越来越高性能的发动机冷却需求，因此迫切需要开发新型的冷却技术。

在对航空发动机或工业燃气轮机等工程机械热部件的高效冷却方面的研究，国内外常见的是采用热管技术来实现热量的输运，例如：CN2098556公开了一种涡轮转子冷却叶片，叶身中开有封闭的冷却腔，冷却腔的内壁上配置有厚度不等的吸液芯并注有适量的工质，从而在其内部形成旋转热管结构；US1999/5975841也公布了一种采用热管冷却燃气轮机静叶的结构。在航空发动机或工业燃气轮机上，热管虽然具无气动损失的特点，但其属于半被动冷却，工作流体凝结后回流通常依靠重力或毛细芯体的毛细力，不仅不易控制，还会增加大热流密度热冲击的瞬间热破坏风险。

液态金属冷却是一种利用液态金属冷却剂比热容和热导率大、熔点低沸点高的特点对热部件进行冷却的技术，目前主要应用于核反应堆冷却、高性能计算机芯片散热等领域。

US2014/8789377B1、US2016/9353687B1、CN106414904A等提出了一种闭环液态金属冷却流体系统的工业燃气轮机设计概念，就是用液态金属来实现对涡轮导叶的无引气冷却。但该设计针对的是地面燃气轮机，主要界定了液态金属的种类。而由于气动布局的差异，以及航空发动机对空间、重量等问题的苛刻要求，该方案均不适于航空发动机导叶冷却，因此如何将液态金属冷却技术应用于航天发动机成为必要的研究方向。

发明内容

针对上述技术问题至少之一，本公开提出了一种具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶及导向器。

在第一方面中，本公开提供了一种高压涡轮导叶，包括：导叶吸热部，内部设置有多个供液态金属流动的通道，多个通道连通；导叶中间部，内部设置有多个与通道相对应的通孔；以及导叶放热部，包括多个U型管道，多个U型管道与通孔、以及通道连接形成封闭的液态金属流动回路。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶吸热部为内部设置有多个通道的叶片结构，多个通道沿叶高方向并列设置，并且多个通道的底部连通。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶中间部包括热电器和电磁泵，电磁器根据热电器的热端和冷端温差来产生电能，并且提供给电磁泵，电磁泵驱动液态金属流动。

根据本公开的至少一个实施方式，热电器的热端位于与液态金属流入的导叶放热部一端对应的导叶中间部的一端处，热电器的冷端位于液态金属流出的导叶放热部的一端处。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶中间部包括第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体分别设置在导叶中间部两端，第一腔体内放置热电器的热端，第二腔体内放置热电器和电磁泵。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶放热部包括第三腔体，第三腔体内放置热电器的冷端。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶吸热部、导叶中间部以及导叶放热部依次连接为一体式结构。

根据本公开的至少一个实施方式，U型管道外侧设置有翅片结构，和/或U型管道内设置有肋片结构。

在第二方面中，本公开提供了一种高压涡轮导向器，包括上述的高压涡轮导叶。

根据本公开的至少一个实施方式，导叶呈圆周布置在高压涡轮机匣上；导叶吸热部位于涡轮核心区，导叶中间部位于涡轮环腔，导叶放热部位于外涵道。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开一些实施方式的叶片的结构透视图；

图2是根据本公开一些实施方式的导叶结构示意图；

图3是根据本公开一些实施方式的导叶安装示意图(仅示出一片导叶)；

图4是根据本公开一些实施方式的液态金属流动示意图；

图中：100是导叶吸热部；110是叶片；111是前缘；112是后缘；113是通道；114是前缘通道；115是后缘通道；120是外缘板；130是内缘板；200是导叶中间部；210是第一腔体；220是第二腔体；230是引线管；300是导叶放热部；310是U型管道；320是第三腔体；400是核心区气流；410是涡轮核心区；500是外涵道气流；510是外涵道；600是涡轮环腔；700是转子叶片。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图1至4并结合实施方式来详细说明本公开。

在涡轮风扇发动机中，导叶是指涡轮叶片中的导向叶片，也叫静子叶片，其位于转子叶片700的前方，在燃烧室中爆发的高温高压燃气(核心区气流)流经导叶时会被整流，最终产生一个角度更有效的撞击下一列转子叶片；外涵道气流只通过风扇，不进入燃烧室，因此流速和温度都很低，与高压涡轮机匣没有连通。

如图1、图2所示，本实施方式中的高压涡轮导叶沿叶高方向依次包括导叶吸热部100、导叶中间部200以及导叶放热部300。

导叶吸热部100用于直接对高温高压的核心区气流400进行整流，其呈叶片110结构，叶片110可按照航空发动机气动性能要求设计成相应叶型，材料可采用现有的高温合金材料，例如GH4169等。叶片110整体呈流线型，流线型的前端为前缘111，后端为后缘112；叶片110的上下两端分别固定在涡轮盘的外缘板120和内缘板130上。

叶片110的内部沿叶高方向设置有多个供液态金属流动的通道113，如图2所示，在本实施方式中为方便描述，通道113数量设置为8个，本领域技术人员应当理解，通道113的数量可根据叶片的具体结构进行设置，本实施方式并不用于限制本公开。

靠近前缘111设置的四个通道113为前缘通道114，靠近后缘112设置的四个通道113为后缘通道115，前缘通道114与后缘通道115在叶片110内部的底部连通形成通路。

导叶中间部200整体外型设置成与叶片110相应的流线型，其内部开设有多个与通道113相对应的通孔，通孔与通道113相互连通。

导叶放热部300用于对吸热后的液态金属进行冷却，在本公开的一些实施方式中，可采用外涵道的低温低压气流对导叶放热部300进行换热冷却。导叶放热部300采用类似管式换热器的结构，外型设置呈流线型并且尽可能纤薄，由高导热材料制成，且不与液态金属反应，如铝合金等。

导叶放热部300设置有多个U型管道310，多个U型管道310分别对应连通上述通孔，即：通道113、通孔、以及U型管道310连通形成封闭的真空液态金属流动回路。

导叶吸热部100位于高温高压的涡轮核心区410，导叶放热部300位于低温的外涵道510，液态金属可利用冷热温差造成的浮升力流动形成回路。

在一些实施方式中，如图2所示，导叶中间部200包括有热电器和电磁泵，电磁泵与热电器相连，并且由热电器驱动电磁泵。

电磁泵是一种利用磁场和导电流体中电流的相互作用，使流体受电磁力作用而产生压力梯度，从而推动流体运动的一种装置，是泵送液态金属常用的装置，在本实施方式中可采用微型电磁泵。

热电器包括热端和冷端，热端设置在导叶中间部200的一端，冷端位于导叶放热部300与热端相对的另一端处。在本实施方式中，热端设置在后缘112上方，冷端设置在前缘111上方。

热端和冷端是由两个不同材料的半导体片制成，利用塞贝克效应和帕尔帖效应原理产生电流，以驱动电磁泵工作。塞贝克效应和帕尔贴效应是指“温差-电流”相互产生的原理，其广泛应用于热电器。具体到本实施方式来说，热端和冷端的液态金属的温差产生电流，热电器通过驱动电磁泵，进而推动液态金属运动，实现自供电。

在本公开的一些实施方式中，如图2所示，导叶中间部200包括第一腔体210和第二腔体220，第二腔体220和第一腔体210分别设置在导叶中间部200左右两端。导叶放热部300包括第三腔体320，第三腔体320位于第二腔体上方。在本实施方式中，第二腔体220内放置热电器和电磁泵，热电器的热端放置在第一腔体210中，冷端放置在第三腔体320中。

优选地，第一腔体210和第二腔体220之间设置有引线管230，热电器的热端通过引线管230内的引线与热电器相连。

作为本公开的优选实施方式，导叶吸热部100、导叶中间部200以及导叶放热部300通过焊接依次连成一体式结构。

作为本公开的优选实施方式，U型管道310的外侧可设置有翅片结构，以增加导叶放热部300与外涵道510的换热面积，来增强换热效率。

作为本公开的优选实施方式，U型管道310内部可设置肋片结构，以增加导叶放热部300与液态金属的换热面积，来增强换热效率。

本公开还提供了一种高压涡轮导向器，在该导向器中，上述导叶呈圆周设置在高压涡轮的机匣上。如图3所示，在涡轮风扇发动机流道的径向位置上，导叶吸热部100位于涡轮核心区410，导叶中间部200位于涡轮环腔600，导叶放热部300位于外涵道510。其中，导叶吸热部100与核心区气流400换热，导叶放热部300与外涵道气流500进行换热。

下面结合图3、图4对本公开中导叶的冷却原理进行详细说明。

导叶吸热部100对高温核心区气流400进行整流，其内部的液态金属变为高温；导叶放热段300设置在外涵道，低温外涵道气流500将其内部液态金属冷却为低温；回路中的液态金属利用高低温差产生的浮升力流动，同时热电器热端和冷端产生温度差进而产生电流带动电磁泵驱动液态金属逆时针流动。

后缘通道115中的高温液态金属逆时针流动至导叶放热部300，外涵道气流500对其进行冷却，冷却后的低温液态金属流入前缘通道114中，对叶片进行吸热成为高温液态金属，实现循环。

根据本公开的技术方案，与现有的气膜冷却相比，无需压气机引气，无气动损失，显著提高发动机效率；采用液态金属高比热容高热导率的优点对叶片冷却，冷却效果更好；利用外涵道和内涵道的温差实现自供电主动冷却循环，结构合理，对能源利用率高；相较气膜冷却叶片结构简单、加工成本低，可显著提高航空发动机的性能，应对未来性能更高的发动机冷却需求。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种具有液态金属主动冷却的航空发动机高压涡轮导叶，其特征在于，包括：

导叶吸热部，内部设置有供液态金属流动的多个通道，所述多个通道连通；

导叶中间部，内部设置有与所述多个通道分别对应的多个通孔；以及

导叶放热部，包括多个U型管道，所述多个U型管道分别与所述多个通孔和所述多个通道连接形成封闭的液态金属流动回路。

2.根据权利要求1所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述导叶吸热部为内部设有所述多个通道的叶片结构，所述多个通道沿叶高方向并列设置，并且所述多个通道的底部连通。

3.根据权利要求2所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述导叶中间部包括热电器和电磁泵，所述热电器根据热电器的热端和冷端的温差来产生电能，并且将所述电能提供给所述电磁泵，所述电磁泵驱动所述液态金属流动。

4.根据权利要求3所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述热电器的热端位于与液态金属流入的导叶放热部一端对应的导叶中间部的一端处，所述热电器的冷端位于液态金属流出的导叶放热部的一端处。

5.根据权利要求4所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述导叶中间部包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体分别设置在所述导叶中间部的两端，所述第一腔体内放置所述热电器的热端，所述第二腔体内放置所述热电器和电磁泵。

6.根据权利要求4或5所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述导叶放热部的液态金属流出的一端包括第三腔体，所述第三腔体内放置所述热电器的冷端。

7.根据权利要求1所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述导叶吸热部、导叶中间部以及导叶放热部依次连接为一体式结构。

8.根据权利要求1所述的高压涡轮导叶，其特征在于，

所述多个U型管道外侧设置有翅片结构，和/或所述多个U型管道内设置有肋片结构。

9.一种高压涡轮导向器，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的高压涡轮导叶。

10.根据权利要求9所述的高压涡轮导向器，其特征在于，

所述导叶呈圆周布置在高压涡轮机匣上；

所述导叶吸热部位于涡轮核心区，所述导叶中间部位于涡轮环腔，所述导叶放热部位于外涵道。