一种燃气涡轮发动机的高温涡轮叶片水冷式冷却系统的制作方法

本实用新型涉及燃气涡轮发动机领域，尤其是一种空心涡轮叶片的风冷系统。

背景技术：

现有的航空发动机和燃气涡轮机都是依靠燃油和空气的混合气在燃烧室内部燃烧，空气膨胀后推动高压涡轮旋转而做功，以航空涡轮发动机为例，其燃烧室排出的高温气体达到1600摄氏度左右，处于燃烧室后端的高压涡轮叶片需要抵抗高温和高压的冲击，因此需采用耐高温材料来制作高温叶片，而耐高温材料的加工难度较大，或因高昂的价格和材料学的限制难以获得突破，因此现有的涡轮发动机的性能已经处于发展瓶颈范围，现有的技术多是将涡轮叶片制成空心结构，利用压气机产生的压缩空气进入叶片内部对其降温，但涡轮叶片在超高温环境下吸收的温度极高，普通的压缩空气对其起到的冷却作用极其微弱，无法获得强力冷却的要求，涡轮叶片在超高温下运行时其强度和耐力均会降低，严重影响发动机的工作性能。

技术实现要素：

为解决上述存在的不足，本实用新型提供了一种燃气涡轮发动机的高温涡轮叶片水冷式冷却系统，该系统利用高压供水管路将冷却水输送至高压涡轮叶片和静止导流叶片，被叶片的高温蒸发后产生的水蒸汽由蒸汽输送管道输送至冷凝器，由冷凝器还原后的冷却水进入水箱，由此进行循环，发动机外部设有高压水泵，高压水泵利用联动系统与主动轴连接，水泵利用进水管连接水箱，高压水泵的出水口利用内进水管连接旋转输水头，利用外进水管连接导流叶片配水槽，发动机内部设有主动轴，主动轴利用轴承系统安装在发动机的内部，主动轴上设有旋转输水头和旋转输气头，主动轴的内部设有主动轴中心输水管和主动轴输气道，旋转输水头由主动轴内部的主动轴中心输水管连接后端的高压供水管，旋转输气头利用主动轴输气道连接涡轮盘内部的集气室，主动轴的前端安装有压气机，后端安装有涡轮盘，涡轮盘上设有涡轮叶片安装槽，高压涡轮叶片安装在涡轮叶片安装槽内部，高压涡轮叶片的内部设有涡轮叶片蒸发腔，涡轮盘的内部涡轮叶片安装槽的对应位置设有涡轮盘配水槽，涡轮盘配水槽与涡轮叶片蒸发腔之间设有涡轮盘水流喷射口，涡轮盘水流喷射口的另一侧设有涡轮盘热蒸汽出口，高压供水管连接涡轮盘配水槽，多组涡轮盘配水槽之间由供水连接管进行连接，多组高压涡轮叶片之间设有静止导流叶片，静止导流叶片安装在导流叶片安装盘上，导流叶片安装盘固定在发动机的外壳体上，静止导流叶片的内部设有静止叶片蒸发腔，导流叶片安装盘的外部与静止导流叶片的对应位置设有导流叶片配水槽，导流叶片配水槽与静止叶片蒸发腔之间设有导流叶片水流喷射口，导流叶片水流喷射口的另一侧设有导流叶片热蒸汽出口，多组导流叶片配水槽之间设有外连接管，导流叶片安装盘的外部设有集气罩，集气罩的出口利用外热蒸汽输送管连接冷凝器，旋转输气头利用内热蒸汽输送管连接冷凝器，冷凝器的下端利用冷凝器出水管连接水箱，设备工作时高压水流由旋转输水头进入主动轴内部的主动轴中心输水管和高压供水管输送至涡轮盘配水槽，高压水流由涡轮盘水流喷射口喷射入高压涡轮叶片内部的空心蒸发腔，用于对高压涡轮叶片进行冷却作用，被空心蒸发腔汽化后的水蒸汽由主动轴输气道进入旋转输气头后由内热蒸汽输送管进入冷凝器，水泵的外进水管将高压水流输入导流叶片配水槽后由导流叶片水流喷射口喷射入静止导流叶片内部，用于对导流叶片进行冷却，被静止导流叶片汽化后的热蒸汽由集气罩和外热蒸汽输送管进入冷凝器，被冷凝器冷凝后的冷却水回流入水箱，由此利用高压水流对高压涡轮叶片和静止导流叶片进行水冷式冷却，高压涡轮叶片和静止导流叶片依靠高压水流进行冷却后即可在高温环境下使内部的温度限定在较低范围，增加其高温稳定性和耐高温性能。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的解释，

图1为该设备的整体结构模拟示意图，

图2为冷却系统的整体结构及运行示意图，

图3为涡轮盘和高压涡轮叶片结构示意图，

图4为导流叶片安装盘和静止导流叶片结构示意图，

图5为高压涡轮叶片内部结构示意图，

图6为静止导流叶片内部结构示意图，

图7为主动轴内部结构示意图，

图8为旋转输水头内部结构示意图，

图9为旋转输气头内部结构示意图，

图10为冷却系统应用在燃气轮机的结构示意图，

图11为该系统应用于独立涡轮盘的内部结构示意图。

具体实施方式

通过图1可以看出，该设备由主动轴(1)、压气机(2)、燃烧室(3)、高压涡轮区(4)和尾喷管(5)等部分组成，主动轴(1)利用轴承系统(6)安装在机体内部，主动轴的前端安装有涡扇叶片(7)，主动轴在机体内部的前进气端安装有压气机叶片(8)，压气机叶片的压气叶片安装在主动轴的压气机叶片盘上，随主动轴同步旋转，压气机叶片的静止叶片安装在发动机的外壳上，压气机的后端设有燃烧室(3)，燃烧室的后端设有高压涡轮区(4)，高压涡轮区由高压涡轮叶片(10)和静止导流叶片(11)组成，涡轮盘(12)安装在主动轴(1)的后端，涡轮盘的后端设有密封尾座(9)，涡轮盘上设有多组涡轮叶片安装槽(13)，涡轮叶片安装槽上设有高压涡轮叶片(10)，高压涡轮叶片利用电子束焊接的方式焊接在涡轮叶片安装槽上，使两者结合为整体结构，两组高压涡轮叶片之间设有静止导流叶片(11)，静止导流叶片利用电子束焊接的方式焊接在导流叶片安装盘(14)上，高压涡轮叶片可设置为3至5组，静止导流叶片可设置为3至5组(根据发动机的体积大小以及功率大小而定)，工作时由起动机(15)驱动主动轴(1)旋转，主动轴驱动涡扇叶片(7)、压气机叶片(8)的压气叶片和高压涡轮叶片(10)旋转，涡扇叶片将空气输送至压气机，由压气机压缩后的高压气体进入燃烧室与燃油混合后进行燃烧，由燃烧室排出的高压气体推动高压涡轮叶片做功，由高压涡轮区排出的气体由尾喷管排出，高压涡轮叶片(10)的内部为中空结构，内部的空心部位形成涡轮叶片蒸发腔(16)，每组涡轮叶片安装槽(13)的内部设有一个涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽与每片高压涡轮叶片(10)内部的涡轮叶片蒸发腔的位置设有一个涡轮盘水流喷射口(18)，每个涡轮盘水流喷射口的另一侧设有一个涡轮盘热蒸汽出口(19)，每个涡轮盘热蒸汽出口的上端与涡轮叶片蒸发腔(16)连通，下端与涡轮盘内部的集气室(20)连通，多组涡轮盘配水槽(17)之间由供水连接管(21)进行连通，前端的一组涡轮盘配水槽利用高压供水管(22)连接主动轴(1)内部的主动轴中心输水管(23)，主动轴中心输水管的外侧设有主动轴输气道(24)，涡轮盘内部的集气室(20)与主动轴输气道上设有输气道气流入口(25)，主动轴中心输水管(23)的前端连接旋转输水头(26)，旋转输水头的两侧设有输水头密封件(27)，旋转输水头利用内进水管(28)连接高压水泵(29)的出水管，高压水泵利用水泵进水管(30)连接水箱(31)，主动轴输气道(24)的前端连接旋转输气头(32)，旋转输气头的两侧设有输气头密封件(33)，旋转输气头利用内热蒸汽输送管(34)连接冷凝器(35)，起动机(15)利用联动系统(36)与主动轴上的齿轮组连接，联动系统的公共端与高压水泵(29)连接，当主动轴(1)旋转时即可通过联动系统驱动高压水泵旋转，高压水泵利用水泵进水管(30)将水箱(31)内部的冷却水吸入，被压缩后的高压水流由内进水管(28)进入旋转输水头(26)，高压水流由旋转输水头与主动轴接触处的高压水进口(37)进入主动轴中心输水管(23)后由高压供水管(22)进入涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽内部的高压水由涡轮盘水流喷射口(18)喷射入高压涡轮叶片(10)内部的涡轮叶片蒸发腔(16)，发动机工作时高压涡轮叶片处于高温环境下即会吸收较高的热量，其内部涡轮叶片蒸发腔的温度可达到800至1000摄氏度，较高的温度使由涡轮盘水流喷射口喷入的水流瞬间汽化变为水蒸汽，冷却水被汽化的同时将吸收高压涡轮叶片的热量，由此对高压涡轮叶片进行水冷式冷却，被汽化后的热蒸汽由涡轮盘热蒸汽出口(19)流出进入集气室(20)，当集气室内部的热蒸汽的压力达到压力值时由输气管气流入口(25)进入主动轴输气道(24)后进入旋转输气头(32)，旋转输气头收集的热蒸汽由内热蒸汽输送管(34)进入冷凝器(35)，冷凝器上设有散热片(38)，依靠风冷的作用使进入冷凝器的热蒸汽冷凝为冷凝水，冷凝器的下端利用冷凝器出水管(39)连接水箱(31)，静止导流叶片(11)的内部为中空结构，空心区形成静止叶片蒸发腔(40)，导流叶片安装盘(14)的外侧设有导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽与每组静止叶片蒸发腔的位置上设有导流叶片水流喷射口(42)，导流叶片水流喷射口的另一侧设有导流叶片热蒸汽出口(43)，多组导流叶片配水槽(41)之间由外连接管(44)进行连接，外连接管利用外进水管(45)连接高压水泵的出水管，多组导流叶片配水槽的外侧设有集气罩(46)，集气罩的出口利用外热蒸汽输送管(47)连接冷凝器(35)，工作时由高压水泵(29)输出的高压水流由外进水管(45)和外连接管(44)进入导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽内部的高压水流由导流叶片水流喷射口(42)喷射入静止导流叶片内部的静止叶片蒸发腔(40)，由此对静止导流叶片进行水冷式冷却，被静止叶片蒸发腔的高温汽化后的热蒸汽由导流叶片热蒸汽出口(43)排出进入集气罩(46)，集气罩内部的气体依靠压力的推动由外热蒸汽输送管(47)进入冷凝器(35)还原为冷却水后进入水箱，由此进行循环

通过图2可以看出，发动机外部设有高压水泵(29)，高压水泵利用联动系统(36)与主动轴(1)上的传动齿轮组连接，高压水泵利用水泵进水管(30)连接水箱(31)，高压水泵的出水口利用内进水管(28)连接旋转输水头(26)，利用外进水管(45)连接导流叶片配水槽(41)，发动机的内部设有主动轴(1)，主动轴利用轴承系统安装在发动机的内部，主动轴上设有旋转输水头(26)和旋转输气头(32)，主动轴的内部设有主动轴中心输水管(23)和主动轴输气道(24)，旋转输水头(26)的水流出口由主动轴内部的主动轴中心输水管(23)连接后端的高压供水管(22)，旋转输气头(32)的气流入口利用主动轴输气道(24)连接涡轮盘内部的集气室(20)，主动轴的前端安装有压气机，后端安装有涡轮盘(12)，涡轮盘的后端设有密封尾座(9)，涡轮盘上设有多组涡轮叶片安装槽(13)，高压涡轮叶片(10)安装在涡轮叶片安装槽(13)内部，高压涡轮叶片(10)的内部设有涡轮叶片蒸发腔(16)，涡轮盘的内部涡轮叶片安装槽的对应位置设有涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽与涡轮叶片蒸发腔之间设有涡轮盘水流喷射口(18)，涡轮盘水流喷射口的另一侧设有涡轮盘热蒸汽出口(19)，高压供水管(22)连接涡轮盘配水槽(17)，多组涡轮盘配水槽之间由供水连接管(21)进行连接，多组高压涡轮叶片之间设有多组静止导流叶片(11)，静止导流叶片安装在导流叶片安装盘(14)上，导流叶片安装盘固定在发动机的外壳体上，静止导流叶片的内部设有静止叶片蒸发腔(40)，导流叶片安装盘的外部与静止导流叶片的对应位置设有导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽与静止叶片蒸发腔之间设有导流叶片水流喷射口(42)，导流叶片水流喷射口的另一侧设有导流叶片热蒸汽出口(43)，多组导流叶片配水槽之间设有外连接管(44)，导流叶片安装盘的外部设有集气罩(46)，集气罩的出口利用外热蒸汽输送管(47)连接冷凝器(35)，旋转输气头(32)利用内热蒸汽输送管(34)连接冷凝器(35)，冷凝器的下端利用冷凝器出水管(39)连接水箱(31)，设备工作时由高压水泵(29)利用水泵进水管(30)将水箱(31)内部的冷却水吸入，经高压水泵压缩后的高压水流由内进水管(28)输送至旋转输水头(26)，旋转输水头内部的水流由主动轴(1)内部的主动轴中心输水管(23)和高压供水管(22)进入涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽内部的高压水流由涡轮盘水流喷射口(18)喷射入高压涡轮叶片(10)内部的涡轮叶片蒸发腔(16)，由涡轮叶片蒸发腔将冷却水汽化后产生的热蒸汽由涡轮盘热蒸汽出口(19)排出后进入集气室(20)，集气室内部的热蒸汽在气体压力的推动下由主动轴输气道(24)进入旋转输气头(32)后由内热蒸汽输送管(34)进入冷凝器(35)，冷凝器将热蒸汽冷凝为冷凝水后由冷凝器出水管(39)进入水箱(31)，外进水管(45)与内进水管(28)连通，两组管道共用一个连接头与高压水泵的出水口连接，外进水管(45)将高压水流输入导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽内部的水流由导流叶片水流喷射口(42)喷射入静止导流叶片(11)内部的静止叶片蒸发腔(40)，由蒸发腔将水流汽化后产生的热蒸汽由导流叶片热蒸汽出口(43)排出后进入集气罩(46)，集气罩内的蒸汽由外热蒸汽输送管(47)进入冷凝器(35)。

通过图3可以看出，涡轮盘(12)为圆盘状结构，涡轮盘的前端安装在主动轴(1)上，与主动轴形成整体结构，涡轮盘的外侧设有若干组高压涡轮叶片(10)，涡轮盘的内侧在高压涡轮叶片对应的位置设有涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽为圆弧管状中空容积体，与涡轮盘焊接为整体结构，涡轮盘配水槽上利用3组高压供水管(22)与主动轴中部的主动轴中心输水管(23)连接，主动轴中心输水管的外侧设有主动轴输气道(24)，工作时高压水泵输出的高压水流由主动轴中心输水管(23)和高压供水管(22)进入涡轮盘配水槽，涡轮盘配水槽内部的水流利用压力作用由涡轮盘水流喷射口喷射入高压涡轮叶片(10)内部，由此利用高压冷却水对高压涡轮叶片进行冷却。

通过图4可以看出，导流叶片安装盘(14)为圆盘状结构，与机体的外壳体焊接为整体，导流叶片安装盘(14)的内侧设有静止导流叶片(11)，导流叶片安装盘的外侧与静止导流叶片对应的位置上设有导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽为圆弧管状中空容积体，与导流叶片安装盘焊接为整体结构，导流叶片配水槽的外部与外进水管(45)连接，导流叶片安装槽的外围设有集气罩(46)，工作时由高压水泵输入的高压水流由外进水管(45)进入导流叶片配水槽(41)内部，导流叶片配水槽内部的水流在压力的作用下由导流叶片水流喷射口喷射入静止导流叶片(11)内部，由此利用高压冷却水对静止导流叶片进行冷却。

通过图5可以看出，高压涡轮叶片(10)安装在涡轮盘(12)上的涡轮叶片安装槽(13)内，高压涡轮叶片(10)与涡轮盘(12)利用焊接的方式进行结合，使两者结合为整体结构，高压涡轮叶片(10)的内部为中空结构，其中空部分形成涡轮叶片蒸发腔(16)，涡轮盘(12)上涡轮盘配水槽(17)与涡轮叶片蒸发腔(16)之间设有涡轮盘水流喷射口(18)，涡轮叶片蒸发腔与集气室设有涡轮盘热蒸汽出口(19)。

通过图6可以看出，静止导流叶片(11)安装在导流叶片安装盘(14)上，静止导流叶片与导流叶片安装盘利用焊接的方式进行结合，使两者结合为整体结构，静止导流叶片(11)的内部为中空结构，其中空部分形成静止叶片蒸发腔(40)，导流叶片安装盘上静止叶片蒸发腔与导流叶片配水槽(41)的位置设有导流叶片水流喷射口(42)，静止叶片蒸发腔与集气罩(46)之间设有导流叶片热蒸汽出口(43)。

通过图7可以看出，主动轴(1)的中心位置为中空结构形成主动轴中心输水管(23)，主动轴中心输水管的前端连接旋转输水头接触口(48)，后端连接高压供水管安装头(49)，主动轴中心输水管的外侧设有主动轴输气道(24)，主动轴输气道的前端连接旋转输气头接触口(50)，后端连接输气道气流入口(25)。

通过图8可以看出旋转输水头(26)由输水头壳体(51)、输水头密封件(27)和内进水管(28)构成，输水头壳体的内部设有两组输水头密封件(27)，输水头密封件的内径与主动轴的外径相同，当两者结合时保持动态密封，两组输水头密封件之间形成水容室(52)，水容室的外部连接内进水管(28)，设备工作时由内进水管(28)输入的高压水流进入水容室(52)后在水体的压力作用下进入主动轴内部的主动轴中心输水管。

通过图9可以看出，旋转输气头(32)由输气头壳体(53)、输气头密封件(33)和内热蒸汽输送管(34)构成，输气头壳体的内部设有两组输气头密封件(33)，输气头密封件的内径与主动轴的外径相同，当两者结合时保持动态密封，两组输气头密封件之间形成气容室(54)，气容室的外部连接内热蒸汽输送管(34)，设备工作时由主动轴内部的主动轴输气道排出的热蒸汽进入气容室(54)后由内热蒸汽输送管(34)排出。

通过图10可以看出，该发动机的叶片冷却方式应用在燃气涡轮机等冷却水资源充足的环境时，设备取消主动轴内部的主动轴输气道、旋转输气头、内热蒸汽输送管和冷凝器等部件，冷却水对高压涡轮叶片(10)冷却后产生的热蒸汽由涡轮盘尾部的内热蒸汽喷口(55)排出，冷却水对静止导流叶片(11)冷却后产生的热蒸汽由集气罩尾部的外热蒸汽喷口(56)排出。

通过图11可以看出，独立涡轮盘(57)的中部设有独立涡轮盘安装座(58)，安装座的中心位置形成独立涡轮盘中心安装孔(59)，独立涡轮盘的四周设有独立叶片槽(60)，独立叶片槽上安装有涡轮叶片(61)，涡轮叶片与独立叶片槽的结合方式为焊接安装结合，独立涡轮盘安装座(58)的中部设有独立涡轮盘配水槽(62)，独立涡轮盘配水槽与每组独立叶片槽(60)之间设有独立输水孔(63)，涡轮叶片的内部为中空结构形成空心蒸发腔(64)，独立叶片槽内独立输水孔的另一侧设有排气道(65)，独立涡轮盘利用中部的独立涡轮盘安装座安装在主动轴上，主动轴的中心输水管的出口与独立涡轮盘配水槽(62)导通，独立涡轮盘配水槽内部的高压冷却水由每组独立输水孔的喷射端喷射入涡轮叶片内部的空心蒸发腔(64)，由此对涡轮叶片进行冷却，冷却水被空心蒸发腔内部的高温汽化后产生的热蒸汽由排气道(65)排出。

该系统工作时，主动轴(1)通过联动系统(36)驱动高压水泵(29)旋转，高压水泵利用水泵进水管(30)将水箱(31)内部的冷却水吸入，被压缩后的高压水流由内进水管(28)输入旋转输水头(26)，高压水流由旋转输水头进入主动轴内部的主动轴中心输水管(23)后经高压供水管(22)和供水连接管(21)输送至多组涡轮盘配水槽(17)，涡轮盘配水槽内部的高压水流在水体的高压作用力下由涡轮盘水流喷射口(18)喷射入高压涡轮叶片(10)内部的涡轮叶片蒸发腔(16)，喷射出的水流被涡轮叶片蒸发腔内部的高温汽化为热蒸汽后由涡轮盘热蒸汽出口(19)排出进入集气室(20)，高压冷却水在涡轮叶片蒸发腔内被汽化时即可带走高压涡轮叶片(10)吸收的热量，由此利用冷却水对高压涡轮叶片进行冷却，集气室内部的热蒸汽由主动轴输气道(24)进入旋转输气头(32)后由内热蒸汽输送管(34)进入冷凝器(35)，由冷凝器将热蒸汽冷凝为冷却水后由冷凝器出水管(39)回流入水箱(31)，由此进行循环，外进水管(45)将高压水流由外连接管(44)输入多组导流叶片配水槽(41)，导流叶片配水槽内部的高压水流由导流叶片水流喷射口(42)喷射入静止导流叶片(11)内部的静止叶片蒸发腔(40)，冷却水被静止叶片蒸发腔内部的高温汽化后产生的热蒸汽由导流叶片热蒸汽出口(43)排出进入集气罩(46)，集气罩内部的热蒸汽由外热蒸汽输送管(47)输送至冷凝器(35)，由此进行循环。

该系统采用高压水泵将冷却水通过输水设备输送至高压涡轮叶片和静止导流叶片，冷却水在叶片内部的蒸发腔蒸发为水蒸汽时即可带走叶片吸收的热量，冷却水的不断输入即可使高压涡轮叶片和静止导流叶片的温度控制在可耐受范围，防止涡轮叶片因高温使其强度降低而发生断裂等故障，由于采用该冷却系统后高压涡轮叶片和静止导流叶片的工作温度即可保持在较低范围，因此该系统应用在现有耐高温材料制作的涡轮叶片上时即可增加涡轮叶片的耐高温范围，发动机的工作温度提高后产生的推力即可提高，该系统应用在使用普通耐高温材料制作的涡轮叶片上时，由于有冷却水的持续冷却作用，普通耐高温材料制作的涡轮叶片即可满足低推力发动机的运行要求，有效降低耐高温材料制作涡轮叶片的制作成本和降低其对生产工艺的要求。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。