CN110318817B - 一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，包括透平叶片及多孔介质层；透平叶片内设置有空腔，多孔介质层位于透平叶片内的空腔内，多孔介质层内设置有内部腔室，多孔介质层的外壁与透平叶片的内壁之间形成中间腔室，透平叶片的侧壁上设置有蒸汽出口，内部腔室内充满有饱和水，中间腔室内充满过热蒸汽，该结构能够利用蒸汽实现透平叶片内部的冷却，且不需要外置蒸汽发生器。

Description

一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构。
背景技术
燃气轮机在国民经济中起着重要作用，透平进口温度是决定燃气轮机输出功率的重要参数之一。随着燃气轮机的出力不断提高，透平进口温度也越来越高。目前H级先进重型燃气轮机透平进口温度已经达到1430℃-1600℃。透平叶片直接承受高温燃气的冲刷，为了保证叶片正常工作，必须采用高效的冷却措施对叶片进行冷却。
目前常用的叶片冷却方式为内部冷却和外部冷却构成的复合冷却。内部冷却包括冲击冷却、带肋U型通道冷却和柱肋冷却等。外部冷却则采用气膜冷却。气膜冷却是将冷却气流从叶片内部引至叶片外表面形成气膜从而对叶片形成保护，气膜冷却引入的二次气流会对主流产生扰动，引起气动损失。
目前的复合冷却技术中多采用空气作为冷却介质，然而空气比热容、热传导系数较低，且粘性较高，因此传热强度低，冷却工质需求多，流动阻力较大。与空气相比，水蒸气的冷却性能更为优异，其导热、载热能力更大，且流动阻力更小。例如在500℃时，水蒸气的定压比热较空气增加98％，热传导系数增加24％，而粘性系数降低72％。采用水蒸气作为冷却工质，仅用内部冷却技术即可满足叶片的冷却要求，不仅避免了气膜冷却带来的二次流损失，还可大大降低叶片加工的复杂性。GE公司的联合循环“H SystemTM”燃机中采用闭式蒸汽冷却技术对第一级和第二级透平进行冷却，与采用空气冷却的G级机组在相同的透平导叶出口温度(1427℃)下相比，联合循环热效率达到了60％。东芝公司的H级燃气轮机采用蒸汽冷却静叶，燃气初温达到1500℃。三菱公司M701G2机组的燃气进口初温为1500℃，联合循环效率为59.3％；而其H级燃机的燃烧室、透平第一级动、静叶采用了蒸气冷却技术，使得联合循环效率达到60％。
在现有的燃气轮机蒸汽冷却技术中，外置的蒸汽发生器是不可或缺的重要设备，使其仅限于在燃蒸联合循环机组中采用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，该结构能够利用蒸汽实现透平叶片内部的冷却，且不需要外置蒸汽发生器。
为达到上述目的，本发明所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构包括透平叶片及多孔介质层；
透平叶片内设置有空腔，多孔介质层位于透平叶片内的空腔内，多孔介质层内设置有内部腔室，多孔介质层的外壁与透平叶片的内壁之间形成中间腔室，透平叶片的尾缘或端部设置有蒸汽出口，内部腔室内充满饱和水，中间腔室内充满过热蒸汽；
在工作时，内部腔室内的饱和水吸收过热蒸汽的热量后形成饱和蒸气，然后穿过多孔介质层的孔隙进入到中间腔室内，中间腔室内的过热蒸汽在透平叶片的内壁面处进行对流换热，然后从蒸汽出口排出，以实现透平叶片的冷却。
多孔介质层的大小及形状根据透平叶片叶型进行确定，且多孔介质层位于透平叶片的中心位置处。
传热过程包括燃气主流在透平叶片外表面的对流换热、透平叶片外表面向透平叶片内表面的导热、水蒸气在中间腔室的对流换热以及饱和水在多孔介质层孔隙内的相变换热。
燃气主流向透平叶片外表面的对流换热量可以表示为：
q1＝h1(T∞-T1) (1)
其中，q1为燃气的对流换热量，h1为燃气的对流换热系数，T∞为燃气温度，T1为透平叶片外表面的温度。
透平叶片外表面与内表面的导热可表示为：
Figure BDA0002110431060000031
其中，q2为透平叶片的导热量，λ为透平叶片的导热系数，T2为透平叶片内表面温度，δ为透平叶片的厚度。
中间腔室内的对流换热可表示为：
q3＝h2(T2-T3) (3)
其中，q3为水蒸气的对流换热量，h2为水蒸气的对流换热系数，T3为水蒸气温度。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构在具体操作时，内部腔室内的饱和水吸收过热蒸汽的热量后形成饱和蒸气，然后穿过多孔介质层的孔隙进入到中间腔室内，中间腔室内的过热蒸汽在透平叶片的内壁面处进行对流换热，然后从蒸汽出口排出，以实现透平叶片的冷却。需要说明的是，本发明以水蒸汽作为冷却工质，相比于空气，水蒸气的冷却性能更为优异，导热、载热能力更强，且流动阻力更小，同时不需要外置蒸汽发生器，大大简化了蒸汽冷却的循环系统，另外，需要说明的是，本发明中多孔介质层位于透平叶片内的空腔内，即采用双层叶片冷却结构，在透平叶片内形成更合理的温度梯度，减小透平叶片的热应力，同时，中间腔室内充满水蒸气，能够实现对透平叶片的高效冷却，并且透平叶片表面无需开设气膜孔，减小了透平叶片设计及加工的复杂性，增加了透平叶片的强度，消除气膜冷却引起的二次流损失，避免燃气系统与冷却工质的掺混，简化两者的设计。
附图说明
图1为本发明中一种蒸汽循环回收方案的透平叶片1结构示意图；
图2为本发明中另一种蒸汽循环回收方案的透平叶片1结构示意图；
图3为本发明的透平叶片1横截面示意图。
其中，1为透平叶片、2为中间腔室、3为多孔介质层、4为内部腔室、5为蒸汽出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构包括透平叶片1及多孔介质层3；透平叶片1内设置有空腔，多孔介质层3位于透平叶片1内的空腔内，多孔介质层3内设置有内部腔室4，多孔介质层3的外壁与透平叶片1的内壁之间形成中间腔室2，透平叶片1的尾缘或端部设置有蒸汽出口5，内部腔室4内充满有饱和水，中间腔室2内充满过热蒸汽；多孔介质层3的大小及形状根据透平叶片1叶型进行确定，且多孔介质层3位于透平叶片1的中心位置处。
参考图3，本发明在具体工作时，内部腔室4充满液态饱和水。饱和水在多孔介质层3的孔隙中吸热蒸发为饱和水蒸气，然后进入到中间腔室2中，在中间腔室2内，饱和水蒸气继续吸收变为过热蒸汽，过热蒸汽冷却透平叶片1的内壁面后通过蒸汽出口5进入到燃气主流或者蒸汽回收通道中，最终在烟气冷凝器或者蒸汽冷凝器中冷凝并回收，参考图1及图2。饱和水和水蒸气不断吸热，在透平叶片1内形成适当的温度梯度，减少透平叶片1的热应力，进而对透平叶片1起到冷却保护作用。
本发明的传热过程可分为以下几个过程：燃气主流在透平叶片1外表面的对流换热、透平叶片1外表面向透平叶片1内表面的导热、水蒸气在中间腔室2的对流换热以及饱和水在多孔介质层3孔隙内的相变换热，主要参数如图2所示。
燃气主流向透平叶片1外表面的对流换热量可以表示为：
q1＝h1(T∞-T1) (1)
其中，q1为燃气的对流换热量，h1为燃气的对流换热系数，T∞为燃气温度，T1为透平叶片1外表面温度。
透平叶片1外表面与内表面的导热可表示为：
Figure BDA0002110431060000051
其中，q2为透平叶片1的导热量，λ为透平叶片1的导热系数，T2为透平叶片1内表面温度，δ为透平叶片1的厚度。
中间腔室2内的对流换热可表示为：
q3＝h2(T2-T3) (3)
其中，q3为水蒸气的对流换热量，h2为水蒸气的对流换热系数，T3为水蒸气温度。
由于燃气轮机第一级静叶前缘所承受的热负荷最高，本发明对第一级静叶前缘的传热进行了简单计算，即内部腔室4内饱和水的压力为16bar，饱和水在多孔介质层3的孔隙中产生201℃的饱和水蒸气后进入中间腔室2中，在中间腔室2内饱和蒸汽不断被加热，靠近透平叶片1内表面的水蒸气温度可达到700℃-800℃，根据设计经验，蒸汽的对流换热系数为400-700W/(m2·K)。透平叶片1厚度为10mm，燃气轮机叶片材料通常为镍铬合金，查阅文献(《航空发动机设计用材料数据手册》编委会.航空发动机设计用材料数据手册.第4册.北京:航空工业出版社；2010.)得到镍基合金熔点在1300℃-1400℃。考虑到疲劳极限等其他因素，假设燃气轮机叶片正常工作时承受的最高温度为1100℃，并查到在1100℃时镍基合金导热系数为25.5-27W/(m·K)。根据文献(Turner AB.Local Heat TransferMeasurements on a Gas Turbine Blade[J].Journal of Mechanical EngineeringScience.1971，13(1):1-12.)和文献(凌均效，金德年.气冷叶片表面局部对流换热系数的数值计算[J].航空学报.1982，3(4):101-105.)燃气轮透平叶片1表面的对流换热系数在前缘处最高，约为600W/(m2·K)。
对于透平叶片1的计算过程如下：
第一步，假设透平叶片1内表面温度T2，通过式(3)求得水蒸气的对流换热量q3；
第二步，由q2＝q3可得到透平叶片1的导热量，并结合式(2)计算出透平叶片1内表面温度T2，再将此时的T2代入第一步中进行迭代计算，最终确定透平叶片1内表面温度T2和导热量q2；
第三步，由q1＝q2可得到燃气的对流换热量，再通过式(1)计算得到透平叶片1所能承受的燃气温度。
经过估算，本发明中透平叶片1所能承受的燃气温度超过1350℃。如果结合热障涂层技术，透平叶片1能在更高的燃气环境安全运行。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，包括透平叶片(1)及多孔介质层(3)；
透平叶片(1)内设置有空腔，多孔介质层(3)位于透平叶片(1)内的空腔内，多孔介质层(3)内设置有内部腔室(4)，多孔介质层(3)的外壁与透平叶片(1)的内壁之间形成中间腔室(2)，透平叶片(1)的尾缘或端部设置有蒸汽出口(5)，内部腔室(4)内充满有饱和水，中间腔室(2)内充满过热蒸汽；
在工作时，内部腔室(4)内的饱和水吸收过热蒸汽的热量后形成饱和蒸气，然后穿过多孔介质层(3)的孔隙进入到中间腔室(2)内，中间腔室(2)内的过热蒸汽在透平叶片(1)的内壁面处进行对流换热，然后从蒸汽出口(5)排出，以实现透平叶片(1)的冷却。
2.根据权利要求1所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，多孔介质层(3)的大小及形状根据透平叶片(1)叶型进行确定，且多孔介质层(3)位于透平叶片(1)的中心位置处。
3.根据权利要求1所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，传热过程包括燃气主流在透平叶片(1)外表面的对流换热、透平叶片(1)外表面向透平叶片(1)内表面的导热、水蒸气在中间腔室(2)的对流换热以及饱和水在多孔介质层(3)孔隙内的相变换热。
4.根据权利要求3所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，燃气主流向透平叶片(1)外表面的对流换热量可以表示为：
q1＝h1(T∞-T1) (1)
其中，q1为燃气的对流换热量，h1为燃气的对流换热系数，T∞为燃气温度，T1为透平叶片(1)外表面的温度。
5.根据权利要求3所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，透平叶片(1)外表面与内表面的导热可表示为：
Figure FDA0002110431050000021
其中，q2为透平叶片(1)的导热量，λ为透平叶片(1)的导热系数，T2为透平叶片(1)内表面温度，δ为透平叶片(1)的厚度。
6.根据权利要求3所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，其特征在于，中间腔室(2)内的对流换热可表示为：
q3＝h2(T2-T3) (3)
其中，q3为水蒸气的对流换热量，h2为水蒸气的对流换热系数，T3为水蒸气温度。
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