專利名稱：冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)是能源裝備領(lǐng)域的核心部件，在航空、艦船、陸地等軍事和エ業(yè)領(lǐng)域都有著重要作用。隨著先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)ロ燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣撸瑢u輪高溫部件的制造エ藝和冷卻要求提出了更為苛刻的挑戰(zhàn)，目前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)ロ燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)超過了1500°C，并進(jìn)ー步邁向1900°C乃至更高的溫度，而目前高級鎳基合金的工作溫度在1100°C以下，為了保證高溫渦輪葉片的壽命，需要對其采用強(qiáng)有力的冷卻手段，以使葉片整體的溫度場和應(yīng)力分布均保持在合理水平。目前世界上最先進(jìn)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片均采用非常復(fù)雜的多內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，結(jié)合空氣的氣膜冷卻、射流沖擊冷卻、多回路湍流增進(jìn)強(qiáng)迫對流換熱、尾緣針肋擾流冷卻和先進(jìn)PVD隔熱涂層等技術(shù)確保葉片在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)工作。隨著渦輪燃?xì)膺M(jìn)ロ溫度的進(jìn)ー步提高，這種依靠壓縮空氣冷卻渦輪葉片的提升效果越來越微弱，一方面由于熱量的増加，用于冷卻渦輪葉片的空氣量已經(jīng)高達(dá)壓縮空氣總氣量的20%或更高，造成了大量動カ的消耗，嚴(yán)重影響了燃?xì)廨啓C(jī)的性能；另ー方面，在提高空氣壓縮比的同時(shí)，不可避免的也會提高冷卻空氣的溫度，降低了冷卻氣體的熱容，増大了冷卻難度。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)ー步快速發(fā)展，迫切需要ー種具有革命性的、超高效率的燃?xì)鉁u輪葉片冷卻技術(shù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻方法，該冷卻方法可以將渦輪葉片溫度控制在六百攝氏度以內(nèi)，并且不消耗壓縮空氣，同時(shí)精簡葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低葉片加工エ藝要求和成本，增強(qiáng)葉片強(qiáng)度和使用壽命，顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型提供了冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置。利用熔融鹽為冷卻エ質(zhì)，設(shè)計(jì)了全新的葉片內(nèi)通道冷卻，不再利用魚鱗孔和氣膜冷卻。射流沖擊孔4和冷卻通道內(nèi)的湍流強(qiáng)化器10實(shí)現(xiàn)冷卻，葉片其他部位利用葉片U形內(nèi)通道進(jìn)行冷卻。熔融鹽進(jìn)入葉片腔體后，沿著冷卻通道6、7、11、12流經(jīng)葉片腔體，冷卻葉片壓カ面15和吸力面18以及葉片尾緣19，部分熔融鹽在葉片前緣16形成射流沖擊冷卻，然后從熔融鹽進(jìn)ロ處排出，形成封閉冷卻回路，完成對葉片的整體冷卻。冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置，渦輪葉片包括有葉片葉型3、葉片葉根I和葉片葉根的葉片平臺2，葉片葉型外表面由壓カ面15和吸力面18構(gòu)成，連接壓力面15和吸力面18的分別是葉片前緣16和葉片尾緣19 ;其特征在于所述渦輪葉片冷卻エ質(zhì)為熔融鹽；葉片葉型內(nèi)部由冷卻通道分隔板分成葉片前緣冷卻區(qū)域和葉片尾緣冷卻區(qū)域；葉片前緣冷卻區(qū)域由U形的冷卻通道分隔板分隔成3個冷卻通道，分別是第一沖擊冷卻通道6,第二沖擊冷卻通道7和成形冷卻內(nèi)通道12,第一冷卻沖擊通道6和第二沖擊冷卻通道7的冷卻通道分隔板上布置有射流沖擊孔4 ；熔融鹽從葉片根部冷卻通道入口 14進(jìn)入第二沖擊冷卻通道7，通過冷卻通道分隔板上的射流沖擊孔4進(jìn)入第一沖擊冷卻通道6，然后流入成形冷卻內(nèi)通道12，最后由葉片根部冷卻通道出ロ 13流出；葉片尾緣冷卻區(qū)域由冷卻通道分隔板隔開形成葉片尾緣冷卻通道11和成形冷卻內(nèi)通道12，兩者相通形成ー個U形的冷卻回路；熔融鹽從葉片根部冷卻通道入口 14進(jìn)入葉片尾緣冷卻通道11，然后流經(jīng)成形冷卻通道12，最后由葉片根部冷卻通道出口 13流出，完成對整個葉片的冷卻。所述的冷卻エ質(zhì)是各種單ー純凈物液態(tài)熔鹽或混合熔融鹽，所述的冷卻エ質(zhì)為各 種有機(jī)、無機(jī)鹽類、金屬氧化物以及它們的混合物。進(jìn)ー步，冷卻通道內(nèi)布置有湍流強(qiáng)化器10。所述的熔融鹽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的方法，由于熔融鹽エ質(zhì)傳熱性能優(yōu)越，葉片冷卻全部由葉片內(nèi)部冷卻通道完成，不再需要設(shè)計(jì)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。所述的熔融鹽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的方法，熔融鹽一次流經(jīng)葉片U形內(nèi)冷通道即可完成對葉片的冷卻。所述的熔融鹽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的方法，葉片內(nèi)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量簡化，不再需要設(shè)計(jì)前緣用于氣膜冷卻的魚鱗孔和葉片尾緣排氣孔。所述的熔融鹽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的方法，利用熔融鹽的射流沖擊對葉片前緣16冷卻，葉片壓カ面15、吸力面18和尾緣19的冷卻直接由熔融鹽流經(jīng)內(nèi)冷通道6、7、11、12完成，冷卻通道內(nèi)布置有湍流強(qiáng)化器10。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果本實(shí)用新型熔融鹽冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的方法所使用的熔融鹽冷卻エ質(zhì)傳熱性能是高溫壓縮空氣エ質(zhì)的幾百倍，可以迅速的將葉片溫度降低到設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)；是利用熔鹽的液態(tài)單相強(qiáng)迫對流換熱冷卻，不需要利用相變潛熱；冷卻效果非常顯著，可以將葉片壁溫控制在500 600攝氏度(熔融鹽射流沖擊換熱方程式為Nu= 1.29Re°_5Pr1/3，圓管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱充分發(fā)展紊流方程式為Nu = 0. 024Rea 87Pr0331,圓管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱過渡流換熱方程式為
'fj\2/3lfPr Yn
^ = 0.007(Rea92-280)Pra4 1+ -其中d為圓管內(nèi)徑，I為管長)；不再使用
_ V U J^PrJ
壓縮空氣作為冷卻エ質(zhì)，完全避免了因?yàn)槔鋮s葉片而分流部分壓縮空氣對燃?xì)廨啓C(jī)的功率消耗，顯著增加了燃?xì)廨啓C(jī)軸功功率；顯著降低了葉片的設(shè)計(jì)和制造難度，使用熔融鹽為傳熱エ質(zhì)后，渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道可進(jìn)行大量簡化，葉片內(nèi)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量簡化，不再需要設(shè)計(jì)前緣用于氣膜冷卻的魚鱗孔和葉片尾緣排氣孔，只需要設(shè)計(jì)簡單的熔融鹽冷卻通道流程即可；葉片材料不再只局限于高級鎳基合金，由于葉片工作溫度和結(jié)構(gòu)要求的降低，葉片材料可以采用低端合金甚至普通不銹鋼；在葉片應(yīng)力設(shè)計(jì)上也可以不再受苛刻的冷卻加エ條件限制，提高了葉片的壽命、降低了葉片制造成本。這些優(yōu)點(diǎn)可以從根本上打斷國外對熱端部件的技術(shù)壟斷。

[0020]圖1，葉片三維視圖。圖2，本實(shí)用新型沿葉片中弧線將葉片剖開的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3，是圖I除去頂部封蓋的俯視圖。其中，圖I 3中I-葉片葉跟；2-葉片平臺；3-葉片葉型；4~射流沖擊孔;5_沖擊冷卻分隔板；6_第一沖擊冷卻通道；7_第二沖擊冷卻通道；8_冷卻通道分隔板；9_頂部封蓋；10-湍流強(qiáng)化器；11_葉片尾緣冷卻通道；12-成形冷卻內(nèi)通道；13_葉片根部冷卻通道出口 ； 14-葉片根部冷卻通道入口 ； 15-壓カ面；16-葉片前緣；17-葉片中弧線；18_吸力面；19_葉片尾緣。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的原理、具體實(shí)施和工作過程做進(jìn)ー步的說明。 附圖給出了本實(shí)用新型的ー個具體實(shí)施方案，圖I是燃?xì)廨啓C(jī)高溫渦輪葉片的三維視圖，其中包括葉片葉型3、葉片葉跟I以及連接兩者的葉片平臺2。沿葉片中弧線17將葉片剖開，可以獲得葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。葉片內(nèi)部具有用于冷卻熔融鹽流動的多個冷卻通道6、7、11、12，熔融鹽(例如質(zhì)量百分比40%硝酸鉀和60%硝酸鈉組成的混合熔融鹽)由葉片根部冷卻通道入口 14進(jìn)入葉片內(nèi)冷通道6和11，分別流經(jīng)內(nèi)冷通道7、12，然后仍然從葉片根部冷卻通道出ロ 13流出形成完整冷卻回路。所示方案中葉片內(nèi)部有五個冷卻通道6、7、11、12和兩個冷卻回路，冷卻回路包括用于葉片前緣16冷卻的熔融鹽沖擊冷卻回路，用于葉片中部和葉片尾緣19區(qū)域冷卻的強(qiáng)化對流冷卻回路。一股熔融鹽用于進(jìn)行葉片前緣16的沖擊冷卻，形成沖擊冷卻回路；其他熔融鹽則進(jìn)入相應(yīng)冷卻通道利用強(qiáng)化對流換熱實(shí)現(xiàn)對葉片中部和尾緣的冷卻。本實(shí)施案例中，所述的熔融鹽沖擊冷卻回路包括第一沖擊冷卻通道6和第二沖擊冷卻通道7,所述兩個沖擊冷卻通道由沖擊冷卻分隔板5隔開,所述沖擊冷卻分隔板上布置了至少ー個射流沖擊孔4，第一沖擊冷卻通道壁面布置了具有強(qiáng)化對流冷卻效果的至少ー個湍流強(qiáng)化器10。本實(shí)施案例中，葉片中部采用直接對流冷卻通道，各冷卻通道由冷卻通道隔板8隔開，每個冷卻通道的壁面布置了至少ー個湍流強(qiáng)化器10，以加強(qiáng)通道內(nèi)熔融鹽對流冷卻效果，每個冷卻通道對應(yīng)的葉片根部至少布置有不同于進(jìn)ロ的射流沖擊孔4，熔融鹽流體應(yīng)保證足夠的壓カ從此開ロ處流出。由于熔融鹽冷卻效果良好，葉片尾緣冷卻通道11內(nèi)部沒有布置針肋結(jié)構(gòu)，熔融鹽直接流經(jīng)尾緣通道從葉片根部冷卻通道出ロ 13排出。本實(shí)用新型描述了上述熔融鹽エ質(zhì)冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的ー個實(shí)施案例，但是本實(shí)用新型不限于上述描述的葉片結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和熔融鹽的傳熱方式，而是涵蓋權(quán)利要求書來限定的內(nèi)容，以及由此引中和變形的等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置，渦輪葉片包括有葉片葉型(3)、葉片葉根(I)和葉片葉根的葉片平臺(2)，葉片葉型外表面由壓カ面(15)和吸力面(18)構(gòu)成，連接壓力面(15)和吸力面(18)的分別是葉片前緣(16)和葉片尾緣(19);其特征在于 葉片葉型內(nèi)部由冷卻通道分隔板分成葉片前緣冷卻區(qū)域和葉片尾緣冷卻區(qū)域；葉片前緣冷卻區(qū)域由U形的冷卻通道分隔板分隔成3個冷卻通道，分別是第一沖擊冷卻通道(6)，第二沖擊冷卻通道(7)和成形冷卻內(nèi)通道(12)，第一冷卻沖擊通道(6)和第二沖擊冷卻通道(7)的冷卻通道分隔板上布置有射流沖擊孔⑷；葉片尾緣冷卻區(qū)域由冷卻通道分隔板隔開形成葉片尾緣冷卻通道(11)和成形冷卻內(nèi)通道(12)，兩者相通形成ー個U形的冷卻回路。
2.如權(quán)利要求I所述的冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置，其特征在于冷卻通道內(nèi)布置有湍流強(qiáng)化器(10)。
專利摘要冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的裝置，利用熔融鹽為冷卻工質(zhì)，設(shè)計(jì)了全新的葉片內(nèi)通道冷卻，不再利用氣膜冷卻。葉片前緣利用射流沖擊孔和冷卻通道內(nèi)的湍流強(qiáng)化器實(shí)現(xiàn)冷卻，葉片其他部位利用葉片內(nèi)通道進(jìn)行冷卻。熔融鹽進(jìn)入葉片腔體后，沿著冷卻通道流經(jīng)葉片腔體，一次冷卻葉片壓力面和吸力面以及葉片尾緣，部分熔融鹽在葉片前緣形形成射流沖擊冷卻，然后從葉片根部冷卻通道出口排出，形成封閉U形冷卻回路，完成對葉片的整體冷卻。該冷卻裝置可以將渦輪葉片溫度保持在600℃以內(nèi)，并且不消耗壓縮空氣，大量精簡葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了葉片加工工藝和材料要求，增強(qiáng)葉片強(qiáng)度和使用壽命，顯著降低燃?xì)廨啓C(jī)制造成本和提高燃?xì)廨啓C(jī)軸功功率。
文檔編號F01D5/18GK202510170SQ20122009401
公開日2012年10月31日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者任楠, 劉斌, 吳玉庭, 張業(yè)強(qiáng), 熊亞選, 陳永昌, 馬重芳 申請人:劉斌, 吳玉庭, 馬重芳