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CN107687350A - 一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置 - Google Patents

一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置 Download PDF

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刘红
贾明
吕博文
闫燕安
蔡畅
张威龙
高久良
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Dalian University of Technology
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    • F01D9/00—Stators
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Abstract

一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，包括隔板外环、涡轮叶片、静叶持环、肋片、双层吸液芯热板；涡轮叶片设置于隔板外环和静叶持环之间，静叶持环上表面与涡轮叶片内部贯通，下表面与肋片贯通。涡轮叶片包括热障涂层和金属叶片壁，热障涂层涂覆在金属叶片壁的外表面，双层吸液芯贴附在金属叶片壁内表面。涡轮叶片为蒸发段，静叶持环为冷凝段。本发明使冷却叶片保持温度分布均匀，降低因温差引起的热应力，延长叶片使用寿命；避免冷却空气与高温燃气的掺混，及由于掺混造成的气动损失，提高发动机可靠性；双层吸液芯结构增大热板结构的携带极限与毛细极限；叶片无开孔，保证叶片完整性，提高叶片机械强度；提高冷却效率，降低燃料消耗，提高发动机效率。

Description

一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却领域，涉及一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置。
背景技术
燃气涡轮发动机是航空飞行器的主要动力装置，提高涡轮前温度可以大幅提高发动机的推力并减少油耗。目前，涡轮前入口温度的提升速度约为20K/年，而高温部件材料耐温性能的提升速度约为8K/年，因此高效的冷却技术是实现高推重比的关键。
现役涡轮叶片常采用以对流冷却、冲击冷却、气膜冷却及与热障涂层相结合的复合冷却方式。其中气膜冷却技术于二十世纪七十年代提出，涡轮叶片的气膜冷却技术在航空燃气轮机中的应用使航空发动机涡轮前入口温度有了较大提升。之后经过众多努力，涡轮前最高温度已达2012K。美国和西欧等发达国家的有关公司与研究单位计划将涡轮前温度提高到2200K～2255K，甚至对一次使用的发动机要高达2366K。而目前我国的航空发动机涡轮前最高温度还只有1900K，热端部件技术落后是我国涡轮发动机研制体系落后的主要原因。目前气膜冷却的主要问题在于：气膜冷却会使涡轮叶片温度不均匀，产生较大的热应力；冷却气体用量不断加大，使得叶栅流道内流动与流场结构更加复杂；喷射孔及缝的存在使得叶片很难保持完整性，易于导致机械问题。
为实现对涡轮叶片的进一步冷却，使涡轮前最高温度进一步提升，考虑采用热板对涡轮叶片进行冷却，热板是一种高效的冷却装置，而应用内置热板的涡轮叶片冷却技术，其关键问题是热板能否具有足够的携带极限和毛细极限，本发明提出一种基于热板原理的双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置。
发明内容
针对现有气膜冷却技术存在的不足，本发明提出一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，该冷却涡轮导叶装置基于热板原理。本发明根据涡轮叶片及内部热板的结构，采用内置双层吸液芯的热板对叶片进行冷却。
本发明所采用的技术方案为：
一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，包括涡轮导叶装置和双层吸液芯热板两部分。
所述的涡轮导叶装置包括隔板外环1、涡轮叶片2、静叶持环3、肋片4，其中，涡轮叶片2为蒸发段，静叶持环3为冷凝段，液体在蒸发段汽化吸热，降低涡轮叶片2温度，蒸汽在冷凝段液化，为蒸发段提供源源不断的液体。所述的隔板外环1固定在涡轮叶片2的上表面，起固定作用。所述的肋片4为长方体凹槽结构。
所述的静叶持环3为中空结构，静叶持环3上表面开有开口，开口外缘与涡轮叶片2的下表面固定，静叶持环3通过上表面开口与涡轮叶片2内部连通，用于通过蒸汽；静叶持环3下表面等距设有多个长条状开口，肋片4设置于该长条状开口位置，二者通过长条状开口贯通，即肋片4为长方体，等距排列在静叶持环3上，用于增大冷凝段与外界的换热面积，增强换热。静叶持环3内部和肋片4内填充液态冷却工质，用于提供冷却液体，蒸汽在此冷凝为液体。涡轮叶片2等距排列在静叶持环3上。
所述的涡轮叶片2包括热障涂层8和金属叶片壁7，金属叶片壁7为中空结构，中空部分形成蒸汽通道5。热障涂层8涂覆在金属叶片壁7的外表面，防止金属叶片壁7表面材料熔化；金属叶片壁7为无开孔结构，保持叶片完整性，避免引起机械强度等问题，并且可以避免冷却气体与主流燃气掺混造成的气动损失。
所述的双层吸液芯位于涡轮叶片2内部，贴附在金属叶片壁7的内表面，所述的双层吸液芯6包括一层金属毡9和一层金属丝网10，金属毡9贴附在金属叶片壁7内表面，金属丝网10贴附在金属毡9上。金属毡9和金属丝网10二者具有不同的纤维直径和孔隙率，能够更好的提升热板结构的携带极限与毛细极限，避免吸液芯携带液体不足或对液体提升高度不够造成叶片表面得不到充分的冷却；所述的金属毡9的纤维直径为6～20μm，孔隙率为0.5～0.9；金属丝网10的纤维直径为6～20μm，孔隙率为0.3～0.7。
所述的隔板外环1和涡轮叶片2和静叶持环3材质为航空用钛合金、镍基高温合金等。所述的肋片4材质为铝合金、不锈钢等。所述的热障涂层8材质为氧化锆等。所述的液态冷却工质包括液态钠、液态锂、液态钾。
本发明的工作过程为：高温燃气与涡轮叶片2接触，涡轮叶片2的温度升高；此时，涡轮叶片2内部的双层吸液芯6通过毛细力，将静叶持环3内的液态冷却工质运输到涡轮叶片2，双层吸液芯6内液态冷却工质吸收涡轮叶片2的热量，吸热汽化后的蒸汽直接进入蒸汽通道5中，液态冷却工质蒸发后体积增加，蒸发段涡轮叶片2处的压力升高，蒸汽通过蒸汽通道5流向相对压力较低的冷凝段，由于蒸汽通道5与静叶持环3连通，蒸汽在冷凝段液化，液化放出的热量通过肋片4传向外部，液化后的液体又被双层吸液芯6通过毛细力吸到蒸发段，如此循环，对涡轮叶片2进行冷却。
本发明的有益效果为：1)使冷却叶片保持温度分布均匀，降低因温差而引起的热应力，从而延长叶片的使用寿命；2)避免冷却空气与高温燃气的掺混，以及由于掺混造成的气动损失，提高发动机的可靠性；3)叶片无开孔，保证叶片完整性，提高叶片的机械强度；4)双层吸液芯结构，增大了热板结构的携带极限与毛细极限；5)大幅度提高冷却效率，降低燃料消耗，提高发动机效率。
附图说明
图1为本发明装置整体图；
图2为本发明装置涡轮叶片结构图；
图3为本发明装置双层吸液芯结构图；
图4为静叶持环的结构图；
图中：1隔板外环；2涡轮叶片；3静叶持环；4肋片；5蒸汽通道；6双层吸液芯；7金属叶片壁；8热障涂层；9金属毡；10金属丝网。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，包括涡轮导叶装置和双层吸液芯热板。所述的涡轮导叶装置包括隔板外环1、涡轮叶片2、静叶持环3、肋片4，其中，涡轮叶片2为蒸发段，静叶持环3为冷凝段。所述的隔板外环1固定在涡轮叶片2的上表面。所述的肋片4为长方体凹槽结构。所述的静叶持环3为中空结构，静叶持环3上表面开有开口，开口外缘与涡轮叶片2的下表面固定，静叶持环3通过上表面开口与涡轮叶片2内部连通，用于通过蒸汽；静叶持环3下表面等距设有多个长条状开口，与肋片4连接，二者通过长条状开口贯通，肋片4用于增大冷凝段与外界的换热面积。静叶持环3内部和肋片4内填充液态冷却工质液态钠，用于将蒸汽冷凝为液体。所述的涡轮叶片2包括热障涂层8和金属叶片壁7，金属叶片壁7为中空结构，中空部分形成蒸汽通道5。热障涂层8涂覆在金属叶片壁7的外表面，防止金属叶片壁7表面材料熔化；金属叶片壁7为无开孔结构。所述的双层吸液芯位于涡轮叶片2内部，贴附在金属叶片壁7的内表面，所述的双层吸液芯6包括一层金属毡9和一层金属丝网10，金属毡9贴附在金属叶片壁7内表面，金属丝网10贴附在金属毡9上。隔板外环1、涡轮叶片2、静叶持环3的材质为航空用钛合金，肋片4材质为铝合金，热障涂层8材质为氧化锆。

Claims (8)

1.一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置包括涡轮导叶装置和双层吸液芯热板；
所述的涡轮导叶装置包括隔板外环(1)、涡轮叶片(2)、静叶持环(3)、肋片(4)，其中，涡轮叶片(2)为蒸发段，静叶持环(3)为冷凝段；所述的隔板外环(1)固定在涡轮叶片(2)的上表面；所述的肋片(4)为长方体凹槽结构；
所述的静叶持环(3)为中空结构，静叶持环(3)上表面开有开口，开口外缘与涡轮叶片(2)的下表面固定，静叶持环(3)通过上表面开口与涡轮叶片(2)内部连通，用于通过蒸汽；静叶持环(3)下表面等距设有多个长条状开口，与肋片(4)连接，二者通过长条状开口贯通，肋片(4)用于增大冷凝段与外界的换热面积；静叶持环(3)内部和肋片(4)内填充液态冷却工质，用于提供冷却液体，蒸汽在此冷凝为液体；
所述的涡轮叶片(2)包括热障涂层(8)和金属叶片壁(7)，金属叶片壁(7)为中空结构，中空部分形成蒸汽通道(5)；热障涂层(8)涂覆在金属叶片壁(7)的外表面，防止金属叶片壁(7)表面材料熔化；金属叶片壁(7)为无开孔结构；
所述的双层吸液芯位于涡轮叶片(2)内部，贴附在金属叶片壁(7)的内表面，所述的双层吸液芯(6)包括金属毡(9)和金属丝网(10)，金属毡(9)贴附在金属叶片壁(7)内表面，金属丝网(10)贴附在金属毡(9)上；所述的金属毡(9)和金属丝网(10)二者具有不同的纤维直径和孔隙率，金属毡(9)的纤维直径为6～20μm，孔隙率为0.5～0.9；金属丝网(10)的纤维直径为6～20μm，孔隙率为0.3～0.7；
本发明的工作过程为：高温燃气与涡轮叶片(2)接触，涡轮叶片(2)的温度升高；涡轮叶片(2)内部的双层吸液芯(6)通过毛细力，将静叶持环(3)内的液态冷却工质运输到涡轮叶片(2)，双层吸液芯(6)内液态冷却工质吸收涡轮叶片(2)的热量，吸热汽化后的蒸汽直接进入蒸汽通道(5)中，液态冷却工质蒸发后体积增加，蒸发段涡轮叶片(2)处的压力升高，蒸汽通过蒸汽通道(5)流向相对压力较低的冷凝段，由于蒸汽通道(5)与静叶持环(3)连通，蒸汽在冷凝段液化，液化放出的热量通过肋片(4)传向外部，液化后的液体又被双层吸液芯(6)通过毛细力吸到蒸发段，如此循环，对涡轮叶片(2)进行冷却。
2.根据权利要求1所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的液态冷却工质包括液态钠、液态锂、液态钾。
3.根据权利要求1或2所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的隔板外环(1)、涡轮叶片(2)、静叶持环(3)的材质为航空用钛合金、镍基高温合金。
4.根据权利要求1或2所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的肋片(4)材质为铝合金、不锈钢。
5.根据权利要求3所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的肋片(4)材质为铝合金、不锈钢。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的热障涂层(8)材质为氧化锆。
7.根据权利要求3所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的热障涂层(8)材质为氧化锆。
8.根据权利要求4所述的一种双层吸液芯无开孔高效冷却涡轮导叶装置，其特征在于，所述的热障涂层(8)材质为氧化锆。
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