专利名称：地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置及方法
技术领域：
属于地面燃气轮机中典型高温部件一涡轮叶片的冷却设计。主要隶属于推进 系统动力装置设计中冷却技术领域，也可以属于强化换热领域。
背景技术：
20世纪50年代开始，燃气轮机在航空领域取得了绝对地位，取代了活塞发动 机，60年代开始水面舰船燃机化，70年代国外主站坦克上开始使用地面燃机，80年代高 速客轮等也开始使用地面燃机，近30年来，工业领域的石油工业、化工等领域率先使用 地面燃机。城市发电方面，由于常规燃煤蒸汽轮机电厂污染严重，发电效率低，使得燃 气轮机电厂发展迅速，日益成为火力发电的主导动力装置。但是地面燃气轮机也有自身 的一些弱点，最为突出的是由于工作循环中温度很高，加工和制造热端部件需要采用优 质耐热材料，并且热端部件的寿命较短，从而影响了地面燃机的经济性和可靠性。但是 随着燃气轮机技术的发展，在材料、工艺和冷却技术不断进步的推动下，地面燃气轮机 的弱点正在被克服。从热力循环的角度出发，提高涡轮前燃气温度是提高地面燃气轮机性能最有 效地途径之一。但是就涡轮叶片使用材料而言，目前高温部件材料的许用温度大多在 1100°C以下，远远低于1400°C — 1600°C的涡轮进口温度。尽管定向和单晶等先进耐 高温材料以及热障涂层材料的研究为近年来燃气轮机涡轮前温度的提高提供了必要的保 障，但先进的冷却技术仍然是高性能燃气轮机技术发展的基础。在涡轮等高性能燃气涡轮热端部件的强化冷却技术研究中，一个值得关注的问 题是冷却需求和冷却气量之间的矛盾日益突出一方面，在一些先进的燃气涡轮发动机 中，用于冷却涡轮的空气量已高达15%至20%，大量空气用于冷却势必导致动力装置性 能的损失；另一方面，在提高空气压缩比的同时，不可避免地会提高冷却空气的温度， 降低其吸热能力，使得冷却的难度增大。国外对于燃气轮机，无论是军用航空燃气轮机还是民用地面燃机的涡轮叶片冷 却技术严格保密，难以获得相关的细节信息加以参考。而我国现有的涡轮叶片冷却技术 已经不能满足下一代高性能燃气轮机的研制要求，特别是要满足在降低冷却空气用量的 前提下，达到相同的冷却效果，或者在保持冷却空气用量不变的情况下，提高涡轮叶片 安全工作温度的设计要求。针对下一代地面燃气轮机的发展规划，特别是重型地面燃机的研制进展，迫切 需要一种新型的涡轮叶片冷却技术，实现在降低冷却空气用量的同时，有效提高涡轮叶 片冷却效率，减小涡轮叶片内部的温度梯度，从而降低叶片内部的热应力，提高叶片使 用寿命。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷
3却装置及方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，所述装置构建于涡轮叶片壁面内部， 包括冲击孔、气膜孔、内壁和外壁，冲击孔均布于内壁上并沿涡轮叶片高度方向排布， 气膜孔均布于外壁上并沿涡轮叶片高度方向排布，冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过 内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成冲击射流，冲击射流与所述冷却装置的固体壁面 进行热量交换后由外壁上的气膜孔流出并在外部高温燃气的作用下形成气膜保护涡轮叶 片。所述内壁和外壁之间设置多个隔离体，所述隔离体将所述冷却装置分隔成多个 相互独立的腔体。地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置的冷却方法如下
利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空 间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空 腔通过内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲击靶面即外 壁上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部，并且冲击射 流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁。双层壁的出现，构建出了一个狭小的冲击腔，极大的影响了冲击射流的发展。 在壁面黏性力和流体之间相互剪切力的作用下，冲击射流在冲击靶面5 (第二层壁面的内 壁)上发生偏转现象，形成了明显的涡旋。一方面增加了扰动，另一方面冷却空气在冲 击到靶面5后，吸收热量，通过形成的二次流再次回到第一层壁面4，而这层壁面是和冷 却空气直接接触的，温度最低，冲击腔内的空气进一步被冷却，有效的将热量从第二层 壁面传递至涡轮叶片内部。同时热量还可以通过每个腔体之间的隔离体3以热传导的形式将热量传递到叶 片内部，也在一定程度上提高换热效果，并且可以有效减小叶片壁面内部的温度梯度， 减小温度不均勻性导致的热应力水平。
图1为典型的采用基于旋流强化的涡轮叶片内部冷却技术的冷却结构；
图2为采用基于旋流强化的冷却技术设计得到的涡轮叶片内部冷却结构示意图； 图3为冷却通道高度变化时，对双层多段式平壁模型综合冷却效果的影响规律； 图4为不同冲击孔直径对综合冷却效果的影响规律；
图5为不同通道高度、冲击孔和气膜孔相对位置共同作用下，双层多段式冷却结构 的综合冷却效果。
具体实施例方式如图1和2所示，本发明基于旋流强化的涡轮叶片内部冷却方法是指利用精细铸 造技术或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间，形成一 种双层多段式壳型冷却结构。在这些狭小受限空间中采用冲击/气膜复合冷却，综合利 用受限通道、带角度冲击以及狭小空间来形成旋流结构，更为有效地将外部高温燃气传导给涡轮叶片的热量携带至涡轮叶片内部，从而提高叶片的综合冷却效果，并显著减小 叶片固体区域中的温度梯度，进而降低叶片的热应力。该冷却方案中，冷却空气从叶片内部的空腔通过双层多段式壳型冷却结构内壁4 (靠近叶片内部空腔)上的一排小孔1 (通常称为冲击孔，沿叶片高度方向排布)，进入
双层多段式壳型结构所形成的狭小受限空间并形成冲击射流，与狭小受限空间的固体壁 面进行热量交换后，由双层多段式壳型冷却结构外壁5 (靠近高温燃气)上的一排小孔流 出2 (通常称为气膜孔，沿叶片高度方向排布)，并在外部高温燃气的作用下形成气膜， 进一步保护涡轮叶片。本发明该设计的特点是
1)由于是在叶片壁面内部构建出的若干狭小受限空间，相当于将原先一体的叶片固 体区域分成了两半，形成了双层冷却结构，一层固体区域靠近涡轮叶片中心的中空内部 冷却空气通道，一层固体区域靠近高温燃气，两层固体区域之间形成了一个新的冷却通 道；
2)正是由于直接在叶片壁面内部构建冷却通道，导致此时冷却通道的高度(即双 层壁之间的距离)小于冲击孔的直径，形成的是一个狭小空间(将通道高度小于冲击孔 直径的空间称为小空间)；
3)在叶片壁面内部构建出的狭小空间被隔离体3分成了若干个相互独立的腔体，每 一个腔体都有一排冲击孔来导入冷却空气，并由一排气膜孔将冷却空气排出，因而形成 了多段式的受限空间。基于以上的原因，这种采用基于旋流强化的涡轮叶片冷却技术得到的冷却结构 称为双层多段式壳型冷却结构，即在叶片壁面内部构建出若干相互独立的受限狭小空 间。图3给出了双层壁之间形成的冷却通道高度变化时，对双层多段式平壁模型综 合冷却效果的影响规律。从图中可以看到当通道高度为0.4mm时，综合冷却效果高达 0.78，平均在0.7左右，高于目前的0.62 0.68的水平。图4给出了不同冲击孔直径对综合冷却效果的影响规律。 图5给出了不同通 道高度、冲击孔和气膜孔相对位置共同作用下，双层多段式冷却结构的综合冷却效果。实施例根据叶片壁面厚度来确定狭小受限通道的高度，一般取0.3 0.6mm， 狭小受限通道沿叶片弦向长度同冲击孔直径比取8 12，冲击孔直径取0.6mm 0.8mm，同 叶片弦向夹角30° 90°’气膜孔直径取0.6mm 0.8mm，同叶片弦向夹角30° 90°，冲击孔和 气膜孔弦向间距和冲击孔直径比取3 5，冲击孔沿叶片高度方向间距同冲击孔直径之比取 5-10,气膜击孔沿叶片高度方向间距同气膜孔直径之比取5 10，冲击孔和气膜孔沿着弦 向为叉排阵列方式。每一个狭小受限空间之间的隔离段宽度取0.5mm 0.7mm。
权利要求
1.一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，其特征在于所述装置构建于涡轮叶片 壁面内部，包括冲击孔(1)、气膜孔(2)、内壁(4)和外壁(5)，冲击孔(1)均 布于内壁(4)上并沿涡轮叶片高度方向排布，气膜孔(2)均布于外壁(5)上并沿涡 轮叶片高度方向排布，冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁(4)上的冲击孔(1) 进入所述冷却装置形成冲击射流，冲击射流与所述冷却装置的固体壁面进行热量交换后 由外壁(5)上的气膜孔(2)流出并在外部高温燃气的作用下形成气膜保护涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，其特征在于所述内壁 (4)和外壁(5)之间设置多个隔离体(3)，所述隔离体(3)将所述冷却装置分隔成多个相互独立的腔体。
3.一种基于权利要求1所述的地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置的冷却方法，其特 征在于所述方法如下利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空 间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空 腔通过内壁(4)上的冲击孔(1)进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲 击靶面即外壁(5)上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内 部，并且冲击射流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁(4)。
全文摘要
本发明公布了一种地面燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置及方法，所述装置构建于涡轮叶片壁面内部，包括冲击孔、气膜孔、内壁和外壁。所述方法利用精细铸造或机械加工的方法，在现有的涡轮叶片壁面内部构建出受限的狭小空间即所述冷却装置，形成一种双层多段式壳型冷却结构；冷却空气从涡轮叶片内部的空腔通过内壁上的冲击孔进入所述冷却装置形成一次冲击射流，冲击射流在冲击靶面即外壁上发生偏转形成了涡旋有效的将热量从第二层壁面传递至涡轮叶片内部，并且冲击射流吸收热量形成二次冲击射流再次回到第一层壁面即内壁。本发明结构简单、冷却效果明显。
文档编号F01D5/18GK102022139SQ20101058148
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张净玉, 毛军逵, 苏云亮, 郭文 申请人:南京航空航天大学