CN112282858B - 一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，包括透平叶片的叶身、冲击挡板、内冷记忆合金贴片和外冷记忆合金贴片，在透平叶片的叶身内开设腔体，冲击挡板设置在腔体内，冲击挡板内部形成冷却腔室Ⅰ，冲击挡板外表面与透平叶片的叶身内表面之间形成冷却腔室Ⅱ，在冲击挡板上开设冲击射流孔，在透平叶片的叶身上开设气膜孔，内冷记忆合金贴片贴合在冲击挡板内表面，外冷记忆合金贴片贴合在透平叶片的叶身内表面；开合挡板与相应的记忆合金基底的夹角，在预设温度以上时比在预设温度以下时大。本发明满足燃气轮机在复杂工况下叶片局部和整体结构的冷却需求，减少过量冷却空气的供给，提高燃气轮机性能。

Description

一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构

技术领域

本发明属于燃气轮机中的燃气透平叶片冷却领域，尤其是涉及一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构。

背景技术

燃气轮机是一种内燃式动力机械，它以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功输出。燃气轮机在工作时主要由压气机、燃烧室和燃气透平等部件完成工作循环。其循环过程为：压气机压缩空气做功，使气流的压力、温度升高。然后压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧，生成高温高压的燃气，从燃烧室流出的高温高压燃气再进入燃气透平中膨胀做功，最后燃气排至大气中自然放热，实现了由燃料化学能到机械能的转变。

高温燃气会提高燃气透平叶片的表面温度，严重时甚至烧毁叶片。因此，为提高叶片使用寿命，需要对其进行有效冷却，从而保证燃气轮机的安全运行。目前广泛采用的冷却方法是从压气机引出冷却空气，并将冷却空气用于叶片的冷却。其主要冷却方式可分为内部冷却和外部冷却。内部冷却是指向高温部件内部的冷却通道通入冷却工质，强化内部换热，从而吸收高温部件热量，降低其温度。内部冷却主要包括冲击冷却、肋片扰流冷却、柱肋冷却以及复合式冷却。外部冷却主要指气膜冷却，由内部通道喷射温度较低的冷却工质，从而在高温部件表面和主流之间形成一层保护膜，隔离高温燃气达到冷却目的。

燃气轮机的运行工况会影响冷却空气用量。当燃气轮机高功率运行时，燃气温度较高，此时需要较多的冷却空气来保证冷却强度；相反地，在低功率运行时，较少的冷却空气即可满足冷却需求。同时，在同一工况条件下，叶片表面温度分布不均匀，其叶片局部的冷却需求也不一样。目前，为保证燃气轮机的安全运行，往往采用过量的冷却空气对叶片进行冷却。随着燃气轮机运行工况的复杂程度越来越高，这种粗放式的冷却空气量调控方式会严重降低燃气轮机的性能：首先，从叶片流出的冷却空气能改变叶片的阻力特性，很可能增加阻力；其次，冷却空气在冷却过程中要承受压力损失，所以当其与下游的气流混合时滞止压力较低，导致燃气轮机效率降低；再者，由于从热的主气流传热给冷却气流，故整个气流的熵将增加，导致整机性能的下降。因此，随着燃气轮机运行工况复杂程度越来越高，需要针对燃气轮机运行工况的变化，对叶片的整体和局部冷却空气量进行更为精准的调控，在满足叶片冷却需求的条件下，提高燃气轮机性能。

综上所述，目前的叶片冷却结构难以根据工况变化对叶片整体和局部的冷却空气量进行更为精准的调控。粗放式的冷却空气量调控方式虽然保证了冷却需求，但严重降低了燃气轮机性能。针对这一问题，需要设计一种新的冷却结构。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，提高冷却效率以及冷却工质的利用率，满足复杂工况下燃气透平叶片的冷却需求，减少过量冷却空气的供给，从而提高燃气轮机的整体性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，包括透平叶片的叶身、冲击挡板、内冷记忆合金贴片和外冷记忆合金贴片，在透平叶片的叶身内开设腔体，所述的冲击挡板设置在腔体内，所述的冲击挡板为套筒类结构，所述的冲击挡板内部形成冷却腔室Ⅰ，冲击挡板外表面与透平叶片的叶身内表面之间形成冷却腔室Ⅱ，在冲击挡板上开设若干冲击射流孔，在透平叶片的叶身上开设有若干气膜孔，所述的内冷记忆合金贴片贴合在冲击挡板的内表面，所述的外冷记忆合金贴片贴合在透平叶片的叶身内表面；所述的内冷记忆合金贴片和外冷记忆合金贴片均由形状记忆合金材料制成；

所述的内冷记忆合金贴片包括内记忆合金基底，在内记忆合金基底上开设出若干个开合挡板一，开合挡板一与内记忆合金基底的夹角α，在预设温度以上时比在预设温度以下时大；

所述的外冷记忆合金贴片包括外记忆合金基底，在外记忆合金基底上开设出若干个开合挡板二，开合挡板二与外记忆合金基底的夹角β，在预设温度以上时比在预设温度以下时大。

进一步的，所述开合挡板一的数目与冲击挡板上的冲击射流孔的数目相同，每个开合挡板一包括左右对称分布的两个分挡板，并由两个分挡板共同形成遮挡区域，每个冲击射流孔对应一遮挡区域，每个冲击射流孔正对相应的遮挡区域的中心布置。

进一步的，开合挡板二的数目与气膜孔的数目相同，在对应每个气膜孔位置处的外记忆合金基底上加工出一个开合挡板二。

进一步的，在相应的记忆合金基底上采用激光加工方式开设相应的开合挡板。

进一步的，冷却腔室Ⅰ用来加压冷却工质，冷却腔室Ⅱ用来承受冲击冷却。

进一步的，所述冲击射流孔为圆形孔或方形孔。

进一步的，所述气膜孔为圆形孔或方形孔。

进一步的，内冷记忆合金贴片粘接或焊接在冲击挡板内表面，外冷记忆合金贴片粘接或焊接在透平叶片的叶身内表面。

进一步的，冷却结构的冷却工质为冷却空气。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构具有以下优势：

本申请解决了在复杂工况下，如何满足透平叶片冷却需求，并进一步提高燃气轮机性能的问题。通过叶片冷却结构自适应地调控叶片局部和整体冷却空气用量，从而实现：合理分配叶片表面高温区域和低温区域的局部冷却空气量，同时从整体上根据燃气轮机运行工况的变化，自适应的合理调控整体冷却空气的供给量，减少过量冷却空气供给所造成的浪费，降低过量的冷却空气供给对燃气轮机工作性能的不利影响。在上述两方面作用下，提高了冷却空气的利用率，同时使得燃气轮机的综合性能得到极大提升。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构的结构示意图；

图2为冲击挡板局部正视图；

图3为内冷记忆合金贴片剖面图；

图4为内冷记忆合金贴片局部正视图；

图5为内冷记忆合金贴片安装示意图；

图6为内冷记忆合金贴片的开合挡板随温度变化的变形示意图；

图7为外冷记忆合金贴片剖面图；

图8为外冷记忆合金贴片安装示意图；

图9为外冷记忆合金贴片的开合挡板随温度变化的变形示意图。

附图标记说明：

1-冷却腔室Ⅰ，2-冷却腔室Ⅱ，3-透平叶片的叶身，4-透平叶片的叶身内表面，5-冲击挡板，6-冲击射流孔，7-气膜孔，8-内冷记忆合金贴片，9-外冷记忆合金贴片，10-冲击挡板内表面，11-内记忆合金基底，12-开合挡板一，13-外记忆合金基底，14-开合挡板二，15-冷却工质。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图9所示，一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，包括透平叶片的叶身3、冲击挡板5、内冷记忆合金贴片8和外冷记忆合金贴片9，在透平叶片的叶身3内开设腔体，所述的冲击挡板5设置在腔体内，所述的冲击挡板5为套筒类结构，所述的冲击挡板5内部形成冷却腔室Ⅰ1，冲击挡板5外表面与透平叶片的叶身内表面4之间形成冷却腔室Ⅱ2，在冲击挡板5上开设若干冲击射流孔6，在透平叶片的叶身3上开设有若干气膜孔7，所述的内冷记忆合金贴片8贴合在冲击挡板内表面10，所述的外冷记忆合金贴片9贴合在透平叶片的叶身内表面4；所述的内冷记忆合金贴片8和外冷记忆合金贴片9均由形状记忆合金材料制成；

所述的内冷记忆合金贴片8包括内记忆合金基底11，在内记忆合金基底11上开设出若干个开合挡板一12，经过训练，开合挡板一12与内记忆合金基底11的夹角α，在预设温度以上时比在预设温度以下时大；也就是在预设温度以上时，开合挡板一12与内记忆合金基底11的夹角增大，减小开合挡板一12对冲击射流孔的遮挡面积；

外冷记忆合金贴片9包括外记忆合金基底13，在外记忆合金基底13上开设出若干个开合挡板二14，经过训练，开合挡板二14与外记忆合金基底13的夹角β，在预设温度以上时比在预设温度以下时大，也就是，在预设温度以上时，开合挡板二14与外记忆合金基底13的夹角增大，减小开合挡板二14对气膜孔7的遮挡面积。

开合挡板一12的数目与冲击挡板5上的冲击射流孔6的数目相同，每个开合挡板一12包括左右对称分布的两个分挡板，并由两个分挡板共同形成遮挡区域，每个冲击射流孔6对应一遮挡区域，每个冲击射流孔6正对相应的遮挡区域的中心布置。

开合挡板二14的数目与气膜孔7的数目相同，在对应每个气膜孔7位置处的外记忆合金基底13上加工出一个开合挡板二14。

冷却腔室Ⅰ1用来加压冷却工质，冷却腔室Ⅱ2用来承受冲击冷却。

气膜孔7为圆形孔或方形孔。

只要能够实现将记忆合金贴片附着在表面即可，可以有很多种固定连接方式，例如，可以是，内冷记忆合金贴片8粘接或焊接在冲击挡板内表面10，外冷记忆合金贴片9粘接或焊接在透平叶片的叶身内表面4。

记忆合金贴片的开合挡板与基底一体成形，具体为：直接在相应的记忆合金基底上采用激光加工方式开设相应的开合挡板。通过开合挡板与基底一体成形的方式得到的记忆合金贴片可以更方便的进行记忆训练，使记忆合金贴片的开合挡板随温度变化而灵敏地发生变形。

本发明制备记忆合金贴片的形状记忆合金可以采用高温形状记忆合金，本申请选用现有的高温形状记忆合金就能实现冷却的效果，在此不再赘述；本发明实施例中对记忆合金贴片进行记忆训练，从而使得记忆合金贴片上的开合挡板可以实现本发明所要求的变形。对记忆合金贴片的训练可以采用应力施加、热处理等训练方法，具体的执行训练方法可以采用现有技术中的方式，本发明实施例中，不再赘述。

形状记忆合金的预设温度是记忆合金开合挡板由初始状态开始发生变形时的温度，其值根据实际情况确定，并与燃气轮机的最小燃气温度保持一致，而记忆合金挡板与基底夹角达到最大时，燃气轮机的燃气温度也应达到最大值。

本发明主要应用于透平叶片冷却方式中的冲击冷却以及气膜冷却。冲击冷却是用一股或多股排列的冷却气流冲击热表面，在冲击驻点及周边区域形成强烈的对流换热区。冷却腔室Ⅰ1用来加压冷却工质，冷却腔室Ⅱ2用来承受冲击冷却效果。这两个腔室被一个有冲击射流孔6的冲击挡板5隔开。冷却空气15从燃气轮机的压气机引出，经过冷却腔室Ⅰ1加压，通过冲击挡板5上排列的冲击射流孔6后，进入冲击冷却腔室Ⅱ2，最终对透平叶片的叶身内表面4进行冷却。气膜冷却是冷却工质从叶片表面的离散气膜孔或是槽缝以射流的方式喷出进入高温主流(外部高温燃气流)，在主流压力和摩擦力等的作用下，与主流掺混后形成的低温冷却流贴近壁面向下游流动形成冷却气膜，从而起到对高温部件表面进行隔热和冷却保护作用。从冷却腔室Ⅰ1中流出的冷却工质经过气膜孔7最终流出叶片的外表面，并在叶片的外表面形成低温冷却气膜。

内冷记忆合金贴片8作用于冲击冷却过程，其由形状记忆合金制备，并在内记忆合金基底11上开设若干开合挡板一12，其数目与冲击挡板上的冲击射流孔的数目相同，每个冲击射流孔对应一个开合挡板一12，每个开合挡板一12包括左右对称的两个分挡板。内冷记忆合金贴片8完全覆盖冲击挡板内表面10，内冷记忆合金贴片8与冲击挡板内表面10紧密贴合在一起，从而实现对冷却空气用量的控制。一方面，在预设温度以上，当燃气温度逐渐上升时，内冷记忆合金贴片8上的开合挡板一12的分挡板发生变形，其与内记忆合金基底11的夹角逐渐增大，从而降低开合挡板一12对冷却空气的阻力，同时减小开合挡板一12对冲击射流孔6的遮挡面积，进而使得冷却空气的用量增大，即有更多的冷却空气进入冲击冷却腔室Ⅱ2对透平叶片的叶身内表面4进行冷却；另一方面，当燃气温度逐渐降低到预设温度时，代表燃气轮机运行功率逐渐减小，此时开合挡板一12与内记忆合金基底11的夹角逐渐减小，并逐渐恢复至初始形状。值得注意的是，开合挡板一12在初始形状下与内记忆合金基底11之间的夹角应根据燃气轮机的初始运行工况确定，从而保证一定的初始冷却强度。在开合挡板一12与内记忆合金基底11的夹角逐渐减小的过程中，开合挡板一12对冷却空气的阻力逐渐增大，同时开合挡板一12对冲击射流孔6的遮挡面积也逐渐增大，进而使得冷却空气的用量减小，避免了冷却空气的浪费，提高了冷却空气的利用率。同时降低了过量冷却空气供给对燃气轮机的不利影响，提高了燃气轮机的综合性能。

外冷记忆合金贴片9作用于气膜冷却过程，其由形状记忆合金制备，并在外记忆合金基底13上开设若干个记忆合金开合挡板二14，其数目与透平叶片的叶身3上的气膜孔7的数目相同，每个气膜孔对应一个开合挡板二14，开合挡板二14的开设方向与气膜孔7的朝向相配合。外冷记忆合金贴片9完全覆盖透平叶片的叶身内表面4，且外冷记忆合金贴片9与透平叶片的叶身内表面4紧密贴合在一起，从而实现对冷却空气用量的控制。一方面，在预设温度以上，当燃气温度逐渐上升时，外冷记忆合金贴片9上的开合挡板二14发生变形，其与外记忆合金基底13的夹角逐渐增大，从而降低开合挡板二14对冷却空气的阻力，同时减小开合挡板二14对气膜孔7的遮挡面积，进而使得冷却空气的用量增大，即有更多的冷却空气通过气膜孔7流出透平叶片的外表面，进而增大了冷却空气与高温燃气主流的吹风比，冷却效率提高；另一方面，当燃气温度逐渐降低到预设温度时，代表燃气轮机运行功率逐渐减小，此时开合挡板二14与外记忆合金基底13的夹角逐渐减小，并逐渐恢复至初始形状。值得注意的是，开合挡板二14在初始形状下与外记忆合金基底13之间的夹角应根据燃气轮机的初始运行工况确定，从而保证一定的初始冷却强度。在开合挡板二14与外记忆合金基底13的夹角逐渐减小的过程中，开合挡板二14对冷却空气的阻力逐渐增大，同时开合挡板二14对气膜孔7的遮挡面积也逐渐增大，进而使得冷却空气的用量减小，避免了冷却空气的浪费，提高了冷却空气的利用率。同时降低了过量冷却空气供给对燃气轮机的不利影响，提高了燃气轮机的综合性能。

本申请采用记忆合金贴片上开设开合挡板结构的设计方式，更有利于形状记忆合金的变形训练，以达到调节冷却空气用量的目的。本申请无需破坏透平叶片的现有结构，对叶片的强度、刚度等不存在不利影响。本申请并不改变涡轮的气动性能。

本申请的冷却结构，一方面可根据叶片表面温度分布，自适应的合理调控叶片表面高温区域和低温区域的局部冷却空气量，减少传统冷却结构在低温区域使用的过量冷却空气；另一方面，从整体上根据燃气轮机运行工况的变化，自适应的合理调控整体冷却空气量的供给。通过上述措施，可使得燃气轮机能够在复杂工况变化条件下，保证叶片局部和整体结构的冷却空气量的需求，减少过量冷却空气的供给，从而进一步提高燃气轮机性能。

本申请使得透平叶片根据工况的不同，自适应地调节冷却空气用量。在高燃气温度(高功率)下冷却空气的用量适当提升以满足冷却需求，在低燃气温度(低功率)下冷却空气的用量适当减小以减少浪费，提高冷却效率，并降低过量冷却空气对燃气轮机的不利影响，提升燃气轮机的整体性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：包括透平叶片的叶身(3)、冲击挡板(5)、内冷记忆合金贴片(8)和外冷记忆合金贴片(9)，在透平叶片的叶身(3)内开设腔体，所述的冲击挡板(5)设置在腔体内，所述的冲击挡板(5)为套筒类结构，所述的冲击挡板(5)内部形成冷却腔室Ⅰ(1)，冲击挡板(5)的外表面与透平叶片的叶身内表面(4)之间形成冷却腔室Ⅱ(2)，在冲击挡板(5)上开设若干冲击射流孔(6)，在透平叶片的叶身(3)上开设有若干气膜孔(7)，所述的内冷记忆合金贴片(8)贴合在冲击挡板内表面(10)，所述的外冷记忆合金贴片(9)贴合在透平叶片的叶身内表面(4)；所述的内冷记忆合金贴片(8)和外冷记忆合金贴片(9)均由形状记忆合金材料制成；

所述的内冷记忆合金贴片(8)包括内记忆合金基底(11)，在内记忆合金基底(11)上开设出若干个开合挡板一(12)，开合挡板一(12)与内记忆合金基底(11)的夹角α，在预设温度以上时比在预设温度以下时大；

所述的外冷记忆合金贴片(9)包括外记忆合金基底(13)，在外记忆合金基底(13)上开设出若干个开合挡板二(14)，开合挡板二(14)与外记忆合金基底(13)的夹角β，在预设温度以上时比在预设温度以下时大；

所述开合挡板一(12)的数目与冲击挡板(5)上的冲击射流孔(6)的数目相同，每个开合挡板一(12)包括左右对称分布的两个分挡板，并由两个分挡板共同形成遮挡区域，每个冲击射流孔(6)对应一遮挡区域，每个冲击射流孔(6)正对相应的遮挡区域的中心布置；

开合挡板二(14)的数目与气膜孔(7)的数目相同，在对应每个气膜孔(7)位置处的外记忆合金基底(13)上加工出一个开合挡板二(14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：在相应的记忆合金基底上采用激光加工方式开设相应的开合挡板。

3.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：冷却腔室Ⅰ(1)用来加压冷却工质，冷却腔室Ⅱ(2)用来承受冲击冷却。

4.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：所述冲击射流孔(6)为圆形孔或方形孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(7)为圆形孔或方形孔。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：内冷记忆合金贴片(8)粘接或焊接在冲击挡板内表面(10)，外冷记忆合金贴片(9)粘接或焊接在透平叶片的叶身内表面(4)。

7.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的燃气透平叶片冷却结构，其特征在于：冷却结构的冷却工质为冷却空气。