CN106761950A - 一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置及方法，包括均温热板和涡轮叶片；均温热板包括蒸发段、冷凝段和端盖，蒸发段处于涡轮叶片内部，热板的金属丝网在热板的外圈，蒸汽通道在均温热板的内部。冷凝段被端盖封闭，冷凝段内侧除了与涡轮叶片连接的壁面外，其余壁面全部分布金属丝网，冷凝段外侧设置肋片；涡轮叶片与端盖连接，涡轮叶片的外表面由热障涂层覆盖；本发明的有益效果为：涡轮叶片温度分布均匀；热板均温无掺混技术替代气膜冷却，完全避免冷却空气与高温燃气的掺混，提高发动机的可靠性；大幅提高冷却效率，降低燃料消耗，提高发动机的效率。

Description

一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置及方法
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却领域，涉及一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置及方法。
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远大于高温部件材料耐温性能的提升速度，因此高效的冷却技术是实现高推重比的关键技术。
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十九世纪七十年代提出，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障碍。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，同时满足涡轮叶片温度趋于均匀且无冷气与燃气发生掺混的要求，本发明提出采用热板均温无掺混涡轮叶片冷却的新装置及方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置及方法，本发明根据涡轮叶片的结构，采用内嵌热板对涡轮叶片进行冷却。
本发明所采用的技术方案为：
一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置，包括均温热板和涡轮叶片两部分。
所述的均温热板包括蒸发段、冷凝段和端盖，蒸发段处于涡轮叶片内部，液体在蒸发段汽化吸热，为涡轮叶片降低温度；冷凝段被端盖封闭，蒸汽在冷凝段液化，为蒸发段提供源源不断的液体；热板的金属丝网在热板的外圈，相当于热板的吸液芯，把冷凝段的液体运输到蒸发段，蒸汽通道在均温热板的内部，由于液体在蒸发段汽化，蒸发段的压力升高，在蒸发段与冷凝段的压差下，蒸汽通过蒸汽通道由蒸发段流向冷凝段。冷凝段除了与涡轮叶片连接的壁面外，其他壁面全部分布金属丝网，以保证金属丝网在任何情况下都能与冷凝段的液体接触，冷凝段外侧设置肋片，以增加换热面积，提高冷凝段的换热效率，加速蒸汽的液化。
所述的涡轮叶片与端盖连接，涡轮叶片的外表面由热障涂层覆盖，防止涡轮叶片表面材料熔化。
采用上述装置对涡轮叶片进行冷却的方法，包括以下步骤：
高温燃气通过涡轮叶片，涡轮叶片的温度升高，涡轮叶片内部热板的金属丝网内的液体吸热汽化，液体蒸发后体积增加，蒸发段的压力升高，则蒸汽通过蒸汽通道流向相对压力较低的冷凝段，蒸汽在冷凝段液化，液化的液体又被金属丝网吸到蒸发段，如此循环，对涡轮叶片进行冷却。
本发明的有益效果为：1)热板均温叶片冷却技术，可使叶片温度分布均匀，减小因温度梯度过大产生的热应力，从而延长叶片的使用寿命；2)热板均温无掺混技术替代气膜冷却，可以完全避免冷却空气与高温燃气的掺混，以及由于掺混导致的气动损失，从而大大提高发动机的可靠性；3)热板均温无掺混技术可大幅提高冷却效率，从而降低燃料消耗，提高发动机的效率。
附图说明
图1为本发明装置图；
图中：1蒸汽通道；2金属丝网；3肋片；4冷凝段；5端盖；6蒸发段。
具体实施方式
一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置，包括均温热板、涡轮叶片两部分。均温热板包括蒸发段6、冷凝段4和端盖5，蒸发段6处于涡轮叶片内部，热板的金属丝网2在热板的外圈，相当于热板的吸液芯，蒸汽通道1在均温热板的内部，涡轮叶片的外表面由热障涂层覆盖，涡轮叶片与端盖5连接，端盖封闭均温热板的冷凝段4，冷凝段除了与涡轮叶片连接的壁面外，其他壁面全部分布金属丝网，冷凝段外侧设置肋片3。
采用上述装置对涡轮叶片进行冷却的方法，具体为：
高温燃气通过涡轮叶片，涡轮叶片的温度升高，涡轮叶片内部热板的金属丝网2内的液体吸热汽化，液体蒸发后体积增加，蒸发段的压力升高，则蒸汽通过蒸汽通道1流向相对压力较低的冷凝段4，蒸汽在冷凝段4液化，液化的液体又被金属丝网2吸到蒸发段6，如此循环，对涡轮叶片进行冷却。

Claims (3)

1.一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置，其特征在于，所述的热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置包括均温热板和涡轮叶片；
所述的均温热板包括蒸发段(6)和冷凝段(4)和端盖(5)，蒸发段(6)处于涡轮叶片内部；端盖(5)用于封闭冷凝段(4)；热板的金属丝网(2)位于热板外圈，将冷凝段(4)的液体运输到蒸发段(6)，蒸汽通道(1)在均温热板的内部，蒸汽通过蒸汽通道(1)由蒸发段流向冷凝段；冷凝段(4)内侧除了与涡轮叶片连接的壁面外，其他壁面全部分布金属丝网(2)；
所述的涡轮叶片与端盖(5)连接，涡轮叶片的外表面由热障涂层覆盖。
2.根据权利要求1所述的一种热板均温无掺混涡轮叶片冷却装置，其特征在于，所述的冷凝段(4)外侧设置肋片。
3.采用权利要求1或2所述的装置对涡轮叶片进行冷却的方法，其特征在于，高温燃气通过涡轮叶片，涡轮叶片温度升高，涡轮叶片内部热板的金属丝网(2)内的液体吸热汽化，液体蒸发后体积增加，蒸发段(6)的压力升高，则蒸汽通过蒸汽通道(1)流向相对压力较低的冷凝段(4)，蒸汽在冷凝段(4)液化，液化的液体又被金属丝网(2)吸到蒸发段(6)，外侧设置肋片(3)的冷凝段(4)增加换热面积，如此循环，对涡轮叶片进行冷却。
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