專利名稱：利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用工質(zhì)的超臨界特性對 高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，可應(yīng)用于航空發(fā)動機、地面燃氣輪機及彈用導彈發(fā)動機等 高溫渦輪葉片的冷卻，是一種新型、高效、快速的高溫渦輪葉片冷卻方法。
背景技術(shù)：
目前高溫渦輪葉片最常用的冷卻方法有強化對流換熱、沖擊冷卻和氣膜冷卻等， 但隨著渦輪前溫度的迅速提高，這些冷卻方法最大的缺點就是所需要的冷卻氣體量也急劇 增加。以目前較先進航空發(fā)動機為例，其冷氣使用量已達到進口總流量的20%甚至更高，這 大大減少了實際做功工質(zhì)流量，降低了整機性能；另外對于進口溫度較高的渦輪其冷卻結(jié) 構(gòu)一般采用復(fù)合冷卻方法，導致冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難，且降低了葉片可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉 片進行冷卻的方法，通過利用在超臨界狀態(tài)下工質(zhì)在冷卻通道內(nèi)的換熱特性，實現(xiàn)航空發(fā) 動機、地面燃氣輪機及彈用導彈發(fā)動機等渦輪葉片的高效快速冷卻。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行 冷卻的方法，該方法包括步驟1 在渦輪葉片的高溫區(qū)域布置冷卻通道，該高溫區(qū)域一般為葉片前緣；步驟2 冷卻通道內(nèi)的工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下，將熱量從渦輪葉片的高溫區(qū)域通過 冷卻通道回路向渦輪流道內(nèi)部相對低溫區(qū)域和渦輪外部傳出，實現(xiàn)對高溫渦輪葉片的冷卻。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道可沿徑向、軸向、周向及交叉方式排列，布置 于渦輪葉片內(nèi)部高溫區(qū)域。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道沿流動垂直方向上的內(nèi)部截面可為圓形、橢 圓形及多邊形形狀，且該冷卻通道的橫截面積及形狀沿工質(zhì)流動方向可變。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道沿橫截面中心點的連線可為直線和曲線。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道的截面水利內(nèi)徑為0. 1 20. 0mm。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道可采用與葉片相同的材料及各種金屬材料、 合金材料、符合強度要求的非金屬材料或高分子材料制作而成。上述方案中，步驟1中所述冷卻通道可通過焊接、鑄造或打孔方式與渦輪葉片成 形，或者直接加工成型于渦輪葉片內(nèi)部，使渦輪葉片和冷卻通道結(jié)合為一體。上述方案中，步驟2中所述超臨界工質(zhì)采用單一工質(zhì)及多種工質(zhì)混合物，通過該 工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的傳熱特性，實現(xiàn)渦輪葉片的快速冷卻。
上述方案中，所述單一工質(zhì)可以是水、空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、制冷劑和惰性 氣體。上述方案中，步驟2中所述超臨界工質(zhì)流經(jīng)渦輪外部冷卻通道流量占總超臨界冷 卻工質(zhì)流量比例為0 100%。上述方案中，步驟2中所述冷卻通道為閉合回路，至少包括渦輪葉片內(nèi)部冷卻通 道與渦輪流道外部冷卻通道所形成的閉合回路，以及經(jīng)過渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與延伸至 渦輪流道內(nèi)的冷卻通道所形成的閉合回路中的一種。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明利用在超臨界狀態(tài)下冷卻通道內(nèi)工質(zhì)的傳熱特性，實現(xiàn)了對航空發(fā)動 機、地面燃氣輪機及彈用導彈發(fā)動機等高溫渦輪葉片的快速高效冷卻。2、本發(fā)明提供的方法，工藝結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且葉片可靠性高。3、可大大提高渦輪前溫度、冷卻效率與速度，并可延長渦輪使用壽命。4、本發(fā)明提供的方法，與常規(guī)冷卻方法(包括沖擊冷卻、氣膜冷卻等)相比，無需 或可以減少主流冷卻氣流引入量從而提高渦輪做功能力和渦輪效率。


圖1是本發(fā)明提供的利用工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的特性對高溫渦輪葉片進行冷卻 的方法流程圖；圖2是依照本發(fā)明實施例渦輪葉片前緣部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中渦輪葉片內(nèi)部如采用直線型冷卻通道時的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。在超臨界狀態(tài)下，流體(工質(zhì))會出現(xiàn)密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等物 性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象，此時流體具有極好的流動性和熱傳遞性。本發(fā)明正是利用超臨界 狀態(tài)下流體這種特性而應(yīng)用在葉片冷卻上的一種新型冷卻方法。本發(fā)明利用工質(zhì)在超臨界 狀態(tài)下?lián)Q熱迅速、高效等特點進行渦輪葉片冷卻，無需或可以減少主流冷卻氣流引入量從 而提高渦輪做功能力和渦輪效率，同時降低冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，從而延長渦輪葉片使用壽命， 提高可靠性。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的利用工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的特性對高溫渦輪葉 片進行冷卻的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟1 在渦輪葉片的高溫區(qū)域布置冷卻通道，該高溫區(qū)域一般為葉片前緣等高 溫區(qū)；步驟2 冷卻通道內(nèi)的工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下，將熱量從渦輪葉片的高溫區(qū)域通過 冷卻通道回路向渦輪流道內(nèi)部相對低溫區(qū)域和渦輪外部高效快速傳遞出去，實現(xiàn)對高溫渦 輪葉片的冷卻。步驟1中所述冷卻通道可沿徑向、軸向、周向及交叉等方式排列，布置于渦輪葉片內(nèi)部高溫區(qū)域。步驟1中所述冷卻通道沿流動垂直方向上的內(nèi)部截面可為圓形、橢圓形及多邊形 等形狀，且該冷卻通道的橫截面積及形狀沿工質(zhì)流動方向可變。步驟1中所述冷卻通道沿橫截面中心點的連線可為直線或曲線。步驟1中所述冷卻通道的截面水利內(nèi)徑為0. 1 20. 0mm。步驟1中所述冷卻通道可采用與葉片相同的材料及各種金屬材料、合金材料、符 合強度要求的非金屬材料或高分子材料制作而成。步驟1中所述冷卻通道可通過焊接、鑄造或打孔等多種加工方式與渦輪葉片成 形，也可直接加工成型于渦輪葉片內(nèi)部，使渦輪葉片和冷卻通道結(jié)合為一體。步驟2中所述超臨界工質(zhì)可采用單一工質(zhì)及多種工質(zhì)混合物，通過該工質(zhì)在超臨 界狀態(tài)下的傳熱特性，實現(xiàn)渦輪葉片的快速冷卻。其中所述單一工質(zhì)可以是水、空氣、氮氣、 氧氣、二氧化碳、制冷劑、惰性氣體及滿足物性要求的其他流體制成。步驟2中所述超臨界工質(zhì)流經(jīng)渦輪外部冷卻通道流量占總超臨界冷卻工質(zhì)流量 比例為0 100%。步驟2中所述冷卻通道為閉合回路，至少包括渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與渦輪流道 外部冷卻通道所形成的閉合回路，以及經(jīng)過渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與延伸至渦輪流道內(nèi)的 冷卻通道所形成的閉合回路中的一種。圖2是依照本發(fā)明實施例渦輪葉片前緣部分的結(jié)構(gòu)示意圖，在本實施例中，在渦 輪葉片前緣布置通過超臨界工質(zhì)的冷卻通道，對葉片前緣進行冷卻；超臨界工質(zhì)在葉頂、葉 根等處引出，與外部散熱通道相連，從而形成一個閉式回路，達到高效快速冷卻的目的。也 可單獨或同時將葉片引出的通道與延伸至渦輪流道內(nèi)的相對低溫區(qū)冷卻通道相連，形成閉 合回路從而對葉片前緣進行冷卻。圖3示出了圖2中渦輪葉片內(nèi)部直線型冷卻通道的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的這種利用工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的傳熱特性冷卻渦輪葉片的方法，工 藝結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可同時大大提高渦輪前溫度及冷卻效率，可用于解決目前國內(nèi)外存在 的渦輪葉片冷卻難題，與常規(guī)冷卻方式(沖擊冷卻、氣膜冷卻等)相比，有如下特點1、無 需或可以減少主流冷氣引入量，從而提高渦輪做功能力和渦輪效率；2、工藝結(jié)構(gòu)簡單，成本 低，且葉片可靠性高；3、可大大提高渦輪前溫度、冷卻效率與速度，并可延長渦輪使用壽命。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其特征在于，該方法 包括步驟1 在渦輪葉片的高溫區(qū)域布置冷卻通道，該高溫區(qū)域一般為葉片前緣；步驟2 冷卻通道內(nèi)的工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下，將熱量從渦輪葉片的高溫區(qū)域通過冷卻 通道回路向渦輪流道內(nèi)部相對低溫區(qū)域和渦輪外部傳出，實現(xiàn)對高溫渦輪葉片的冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道可沿徑向、軸向、周向及交叉方式排列，布置于渦輪葉片 內(nèi)部高溫區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道沿流動垂直方向上的內(nèi)部截面可為圓形、橢圓形及多邊 形形狀，且該冷卻通道的橫截面積及形狀沿工質(zhì)流動方向可變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道沿橫截面中心點的連線可為直線和曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道的截面水利內(nèi)徑為0. 1 20. 0mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道可采用與葉片相同的材料及各種金屬材料、合金材料、符 合強度要求的非金屬材料或高分子材料制作而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟1中所述冷卻通道可通過焊接、鑄造或打孔方式與渦輪葉片成形，或者直接 加工成型于渦輪葉片內(nèi)部，使渦輪葉片和冷卻通道結(jié)合為一體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，步驟2中所述超臨界工質(zhì)可采用單一工質(zhì)及多種工質(zhì)混合物，通過該工質(zhì)在超 臨界狀態(tài)下的傳熱特性，實現(xiàn)渦輪葉片的快速冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，其 特征在于，所述單一工質(zhì)可以是水、空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、制冷劑和惰性氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法， 其特征在于，步驟2中所述超臨界工質(zhì)流經(jīng)渦輪外部冷卻通道流量占總超臨界冷卻工質(zhì)流 量比例為0 100%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工質(zhì)的超臨界特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法， 其特征在于，步驟2中所述冷卻通道為閉合回路，至少包括渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與渦輪 流道外部冷卻通道所形成的閉合回路，以及經(jīng)過渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與延伸至渦輪流道 內(nèi)的冷卻通道所形成的閉合回路中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的特性對高溫渦輪葉片進行冷卻的方法，該方法包括步驟1在渦輪葉片的高溫區(qū)域布置冷卻通道，該高溫區(qū)域一般為葉片前緣；步驟2冷卻通道內(nèi)的工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下，將熱量從渦輪葉片的高溫區(qū)域通過冷卻通道回路向渦輪流道內(nèi)部相對低溫區(qū)域和渦輪外部高效快速傳出，從而為航空發(fā)動機、地面燃氣輪機及彈用導彈發(fā)動機等高溫渦輪葉片冷卻提供新方法。
文檔編號F01D5/18GK102146810SQ20101011135
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者夏紅德, 李文, 董平, 譚春青, 陳海生 申請人:中國科學院工程熱物理研究所