[发明专利]带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机

说明书

技术领域

本发明涉及流体动力学及传热学技术领域，尤其涉及一种带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机作为一种动力装置，可应用于航空发动机、陆地发电、船舶推进等领域。为了保证有较高的热效率和功率输出，现代燃气轮机设计的涡轮进口运行温度很高，目前已经达到2200K左右，远超出了当前涡轮叶片材料的温度极限。因此，必须采用相应的保护措施，从而保证燃气轮机安全和高效的运行。目前，除了提高材料和绝热层的温度极限外，还必须配合复杂的冷却技术，如：气膜冷却、冲击射流冷却、肋柱扰流冷却等方法，来保持涡轮叶片的寿命和在高温下的正常运行。

在燃气轮机中，叶片可根据其在涡轮不同位置或用于导向、旋转等用途，分别采用气膜冷却结构、冲击冷却结构和肋片扰流结构；也可根据实际运行工况及叶片所受热负荷的大小综合其中的两种或者三种冷却结构。

为了保证合理的寿命，冷却系统设计不仅涉及到叶片表面上的温度水平，温度梯度也要考虑，从而避免材料局部热应力过高导致叶片失效。而且，用于叶片冷却的空气来自压气机，过多的冷却用气量意味着做功用气量减少，导致燃气轮机热效率低下。因此，掌握涡轮叶片冷却技术，优化涡轮叶片冷却结构，合理利用涡轮叶片冷却系统，以使最小的冷却工质流量获得最高的收益，已成为本领域技术人员不懈追求的目标。

目前，对于传统涡轮叶片，其冷却结构一旦设计加工成型并安装在燃气轮机上，在实际运行过程中不能根据涡轮内部实际运行工况和叶片表面温度分布情况进行实时动态自行调整，不利于叶片表面温度均匀分布，而且冷却工质利用率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种带冷却结构的涡轮叶片。该涡轮叶片包括：叶片本体；以及冷却插件，固定与所述叶片本体上，由形状记忆合金材料制备；其中，所述冷却插件经过训练，相对于预设温度以下，在预设温度以上时，其形状和/或结构发生变化，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而达到强化换热的目的。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种燃气轮机。该燃气轮机包括：一个或多个的上述的涡轮叶片。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明带冷却结构的涡轮叶片及应用其的燃气轮机冷却结构中，能够根据涡轮内部实际运行工况和叶片表面温度分布现象进行冷却结构形状和/或结构的自行调整，以增加所在区域的冷却工质的量或增强冷却工质的扰动，从而提高冷却工质利用率和叶片表面温度分布均匀性，同时保证燃气轮机安全运行。

附图说明

图1A和图1B分别为根据本发明实施例气膜冷却涡轮叶片在预设温度以下和预设温度以上时的结构示意图；

图2A为根据本发明实施例冲击冷却涡轮叶片的结构示意图；

图2B为图2A所示冲击冷却涡轮叶片中冲击冷却插件在圆形冲击孔位置的剖面图；

图3A为涡轮叶片内部通过肋片来增强冷却工质扰动的示意图；

图3B为第一级涡轮叶片进口处径向温度分布曲线；

图4A～图4C为根据本发明实施例的涡轮叶片内部冷却腔体中扰流肋片三种设置方式的示意图。

具体实施方式

本发明中，针对叶片表面气膜冷却、叶片前缘冲击冷却和叶片内部肋片扰流冷却，对气膜孔结构、冲击孔结构、肋片扰流结构分别进行设计，据此对叶片复合冷却结构进行综合系统改进，将其应用于燃气轮机。

在对本发明各实施例进行详细介绍之前，首先对所涉及到的通用概念进行说明：

(1)本发明中，叶片冷却通道中的冷却工质主要是空气，也可以是氮气、氨气或者航空煤油等其他冷却工质。

(2)本发明中，优选地，预设温度以上为1000～1300℃，预设温度以下为300～1000℃。

(3)本发明的叶片冷却结构中的形状记忆合金材料优选高温类型，例如Ru-Ta合金、Ru-Nb合金、Ru-Nb-Fe合金等覆盖温度区间为600～1300℃。也可是Ni-Ak基形状记忆高温合金，Cu基形状记忆高温合金，Ti-Ni基形状记忆高温合金，Ni-Mn基形状记忆高温合金，Co基形状记忆高温合金，Zr基形状记忆高温合金等。