[发明专利]一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构

说明书

本发明公开了一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，包括透平叶片及多孔介质层；透平叶片内设置有空腔，多孔介质层位于透平叶片内的空腔内，多孔介质层内设置有内部腔室，多孔介质层的外壁与透平叶片的内壁之间形成中间腔室，透平叶片的侧壁上设置有蒸汽出口，内部腔室内充满有饱和水，中间腔室内充满过热蒸汽，该结构能够利用蒸汽实现透平叶片内部的冷却，且不需要外置蒸汽发生器。

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，涉及一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构。

背景技术

燃气轮机在国民经济中起着重要作用，透平进口温度是决定燃气轮机输出功率的重要参数之一。随着燃气轮机的出力不断提高，透平进口温度也越来越高。目前H级先进重型燃气轮机透平进口温度已经达到1430℃-1600℃。透平叶片直接承受高温燃气的冲刷，为了保证叶片正常工作，必须采用高效的冷却措施对叶片进行冷却。

目前常用的叶片冷却方式为内部冷却和外部冷却构成的复合冷却。内部冷却包括冲击冷却、带肋U型通道冷却和柱肋冷却等。外部冷却则采用气膜冷却。气膜冷却是将冷却气流从叶片内部引至叶片外表面形成气膜从而对叶片形成保护，气膜冷却引入的二次气流会对主流产生扰动，引起气动损失。

目前的复合冷却技术中多采用空气作为冷却介质，然而空气比热容、热传导系数较低，且粘性较高，因此传热强度低，冷却工质需求多，流动阻力较大。与空气相比，水蒸气的冷却性能更为优异，其导热、载热能力更大，且流动阻力更小。例如在500℃时，水蒸气的定压比热较空气增加98％，热传导系数增加24％，而粘性系数降低72％。采用水蒸气作为冷却工质，仅用内部冷却技术即可满足叶片的冷却要求，不仅避免了气膜冷却带来的二次流损失，还可大大降低叶片加工的复杂性。GE公司的联合循环“H SystemTM”燃机中采用闭式蒸汽冷却技术对第一级和第二级透平进行冷却，与采用空气冷却的G级机组在相同的透平导叶出口温度(1427℃)下相比，联合循环热效率达到了60％。东芝公司的H级燃气轮机采用蒸汽冷却静叶，燃气初温达到1500℃。三菱公司M701G2机组的燃气进口初温为1500℃，联合循环效率为59.3％；而其H级燃机的燃烧室、透平第一级动、静叶采用了蒸气冷却技术，使得联合循环效率达到60％。

在现有的燃气轮机蒸汽冷却技术中，外置的蒸汽发生器是不可或缺的重要设备，使其仅限于在燃蒸联合循环机组中采用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构，该结构能够利用蒸汽实现透平叶片内部的冷却，且不需要外置蒸汽发生器。

为达到上述目的，本发明所述的基于蒸汽冷却的双层透平叶片内部冷却结构包括透平叶片及多孔介质层；

透平叶片内设置有空腔，多孔介质层位于透平叶片内的空腔内，多孔介质层内设置有内部腔室，多孔介质层的外壁与透平叶片的内壁之间形成中间腔室，透平叶片的尾缘或端部设置有蒸汽出口，内部腔室内充满饱和水，中间腔室内充满过热蒸汽；

在工作时，内部腔室内的饱和水吸收过热蒸汽的热量后形成饱和蒸气，然后穿过多孔介质层的孔隙进入到中间腔室内，中间腔室内的过热蒸汽在透平叶片的内壁面处进行对流换热，然后从蒸汽出口排出，以实现透平叶片的冷却。

多孔介质层的大小及形状根据透平叶片叶型进行确定，且多孔介质层位于透平叶片的中心位置处。

传热过程包括燃气主流在透平叶片外表面的对流换热、透平叶片外表面向透平叶片内表面的导热、水蒸气在中间腔室的对流换热以及饱和水在多孔介质层孔隙内的相变换热。

燃气主流向透平叶片外表面的对流换热量可以表示为：

q₁＝h₁(T_∞-T₁) (1)