CN106988787A - 转子叶片和叶轮机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转子叶片和叶轮机械，其中，转子叶片包括叶片本体，叶片本体内设有密封的相变换热腔，在相变换热腔内部分地填充有在常温下呈非气态的相变工质；在工作状态下，非气态的相变工质受离心力的作用向叶片本体的叶尖方向流动并吸热相变成气态的相变工质，气态的相变工质向叶片本体的叶根方向流动并放热相变成非气态的相变工质，以实现相变工质的循环相变换热。相变工质在相变换热腔内沿叶尖和叶根之间的方向往复流动从而形成一个往复循环的相变冷却，从而实现对转子叶片进行持续冷却，改善了转子叶片换热效果，有效提高了冷却效率。

Description

转子叶片和叶轮机械
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，尤其涉及一种转子叶片和叶轮机械。
背景技术
叶轮机械的流道通常由导叶、动叶和外环构成，直接与高温燃气接触，对于动叶来讲，同时要受到热应力和离心力的作用，所以必须进行有效的冷却。常规的冷却叶片通常采用在叶片内部设置冷却结构并通过内部冷却空气以冲击、对流换热等方式强化内部换热，并通过叶身设置的气膜孔在叶片表面形成一层冷却气膜以降低外换热。但是由于冷却空气量通常较低，所以叶片换热系数通常较低，时常导致叶片表面温度过高并烧毁，严重影响叶轮机械运转的安全性和寿命。
发明内容
为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种转子叶片和叶轮机械，能够改善转子叶片换热效果，有效提高冷却效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种转子叶片，其包括叶片本体，叶片本体内设有密封的相变换热腔，在相变换热腔内部分地填充有在常温下呈非气态的相变工质；在工作状态下，非气态的相变工质受离心力的作用向叶片本体的叶尖方向流动并吸热相变成气态的相变工质，气态的相变工质向叶片本体的叶根方向流动并放热相变成非气态的相变工质，以实现相变工质的循环相变换热。
进一步地，转子叶片还包括设置在叶根处的冷却结构。
进一步地，冷却结构包括供冷气流通的风冷通道。
进一步地，风冷通道为蛇形通道。
进一步地，风冷通道的内壁面上设有强化换热结构。
进一步地，强化换热结构包括沿着风冷通道的方向延伸的肋、槽或凸起颗粒。
进一步地，叶片本体包括叶片外层壁和叶片内层壁，叶片外层壁和叶片内层壁之间形成相变换热腔。
进一步地，叶片内层壁内设有对流冷却腔和冷却结构，冷却结构包括供冷气流通的风冷通道，风冷通道的冷气出口与对流冷却腔相通，叶片本体还包括用于连接叶片外层壁和叶片内层壁的连接肋，连接肋上设有连通对流冷却腔和叶片外层壁的外壁面的冷却孔。
进一步地，叶片外层壁的内壁面上设有强化换热结构。
进一步地，强化换热结构包括沿着相变工质流动方向延伸的肋、槽或凸起颗粒。
本发明还提供了一种叶轮机械，其包括上述的转子叶片。
由此，基于上述技术方案，本发明转子叶片通过在其叶片本体内设置密封的相变换热腔并在相变换热腔内部分地填充在常温下呈非气态的相变工质，转子叶片在工作状态下高速旋转，相变换热腔中气态的相变工质在离心力的作用下向叶尖的方向流动，并吸收叶片本体叶尖区域的热量，此时非气态的相变工质相变为气态的相变工质之后密度降低并在非气态相变工质的推挤下向叶片本体的叶根方向流动，并向叶片本体叶根区域释放热量，此时气态的相变工质又重新相变为非气态的相变工质，并在离心力的作用下重新向叶尖的方向流动，因而相变工质在相变换热腔内沿叶尖和叶根之间的方向往复流动从而形成一个往复循环的相变冷却，从而实现对转子叶片进行持续冷却，改善了转子叶片换热效果，有效提高了冷却效率。本发明提供的叶轮机械相应地也具有上述有益效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明转子叶片实施例的一个纵向剖面结构示意图；
图2为本发明转子叶片实施例的一个横向剖面结构示意图；
图3为本发明转子叶片实施例从叶根至叶尖视角的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面所述的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
通常物质与物质之间的对流传热通常受以下几方面因素影响：流体的物性、流动状态、换热表面几何、是否存在相变。在上述因素中，流体是否存在相变对表面换热系数有非常明显的影响，流体有相变条件下的表面换热系数要远大于无相变的状态，因而采用相变换热的形式进行叶片冷却的表面换热系数要比液体强制对流换热系数高出数倍、比常规的无相变的气体强制对流换热高出一个数量级。
由此，针对目前现有的转子叶片的冷却方式冷却空气量通常较低和叶片换热系数通常较低的技术缺陷，本发明设计了一种转子叶片，转子叶片通过在其叶片本体内设置密封的相变换热腔并在相变换热腔内部分地填充在常温下呈非气态的相变工质，相变工质在相变换热腔内沿叶尖和叶根之间的方向往复流动从而形成一个往复循环的相变冷却，从而实现对转子叶片进行持续冷却，改善了转子叶片换热效果，有效提高了冷却效率。
在本发明转子叶片一个示意性的实施例中，如图1～图3所示，转子叶片包括叶片本体，叶片本体内设有密封的相变换热腔3，在相变换热腔3内部分地填充有在常温下呈非气态的相变工质4；
在工作状态下，非气态的相变工质4受离心力的作用向叶片本体的叶尖方向流动并吸热相变成气态的相变工质4，气态的相变工质4向叶片本体的叶根方向流动并放热相变成非气态的相变工质，以实现相变工质的循环相变换热。
在该示意性的实施例中，转子叶片通过在其叶片本体内设置密封的相变换热腔3并在相变换热腔3内部分地填充在常温下呈非气态的相变工质4，相变工质4在常温状态下可以为固态或液态，例如熔融盐，其沸点低于转子叶片在正常工作条件下的壁面温度。
转子叶片在工作状态下高速旋转，相变换热腔3中气态的相变工质4在离心力的作用下向叶尖的方向流动，并吸收叶片本体叶尖区域的热量，从而降低叶片本体叶尖区域的温度，此时非气态的相变工质4因吸热相变为气态的相变工质4之后密度降低，并在尚未相变的非气态相变工质4的推挤下向叶片本体的叶根方向流动，由于叶片本体叶根区域的温度低于叶尖区域的温度，气态的相变工质4向叶片本体叶根区域释放热量，此时气态的相变工质4又重新相变为非气态的相变工质4，并在离心力的作用下重新向叶尖的方向流动，因而相变工质4在相变换热腔3内沿叶尖和叶根之间的方向往复流动从而形成一个往复循环的相变冷却，从而实现对转子叶片进行持续冷却，改善了转子叶片换热效果，有效提高了冷却效率，而且循环冷却避免了相变工质4的添加，节约了材料。
为了有效地保证叶片本体叶根区域与叶尖区域的温度差足够大来使得气态的相变工质4向叶片本体叶根区域释放热量后重新相变为非气态的相变工质4，转子叶片还可以优选地包括设置在叶根处的冷却结构，冷却结构能够保证叶片本体叶根区域的温度足够低来保证气态的相变工质4重新相变为非气态的相变工质4。
需要说明的是，冷却机构的设置与否取决于转子叶片自身的尺寸参数和相变工质4的材料选取，对于叶片较长、叶身和叶根温差比较大的叶片也可以不在叶根处设置冷却结构。
其中，冷却结构可以采用液体冷却的结构，也可以优选地采用风冷冷却，在一个优选的实施例中，如图1所示，冷却结构包括供冷气流通的风冷通道5。通过设置风冷通道5，从风冷通道5的冷气入口7进入的冷气能够有效地降低叶片本体叶根区域的温度，易于实现，可实施性高。为了增加冷气与叶片本体叶根区域的接触面积来进一步地提高冷却效果，一方面，风冷通道5优选地为蛇形通道，蜿蜒迂回的蛇形通道能够尽可能地增加风冷通道5在叶片本体叶根区域内的长度；另一方面，风冷通道5的内壁面上优选地设有强化换热结构6来增加风冷通道5的内壁面积，其中，如图3所示，强化换热结构可以优选地通过在风冷通道5的内壁面上设置沿着风冷通道的方向延伸的肋61、槽或凸起颗粒，当然，强化换热结构还可以为其他现有技术中常用的强化换热部件。
叶片本体可以是单一层壁结构，其内设有相变换热腔，也可以优选地如图1所示包括叶片外层壁1和叶片内层壁2，叶片外层壁1和叶片内层壁2之间形成相变换热腔3，该结构形式的叶片本体可以在减小相变换热腔3的容积的前提下保证相变换热腔3的换热面积，有利于节约相变工质4并实现转子叶片的轻量化设计，节约成本。
作为对上述优选实施例的改进，如图1和图2所示，叶片内层壁2内设有对流冷却腔8和冷却结构，冷却结构包括供冷气流通的风冷通道5，风冷通道5的冷气出口与对流冷却腔8相通，叶片本体还包括用于连接叶片外层壁1和叶片内层壁2的连接肋9，连接肋9上设有连通对流冷却腔8和叶片外层壁1的外壁面的冷却孔10。通过设置对流冷却腔8和冷却孔10，对叶片本体的叶根区域进行冷却后的冷气进入对流冷却腔8，使对流冷却腔8的冷气通过设置于叶片本体叶身或叶顶的冷却孔10流到叶片外层壁1的外壁面并在叶片表面形成冷却气膜，进一步降低转子叶片的温度，保护转子叶片。此外，连接肋9不仅用于设置冷却孔10并避免对流冷却腔8与相变换热腔3，而且有利于提高转子叶片的整体结构强度。
同理地，为了增加相变工质与的外层壁1的内壁面接触面积来进一步地提高冷却效果，在一个优选的实施例中，叶片外层壁1的内壁面上设有强化换热结构，强化换热结构优选地包括沿着相变工质4流动方向延伸的肋、槽或凸起颗粒。当然，强化换热结构还可以为其他现有技术中常用的强化换热部件。
本发明还提供了一种叶轮机械，其包括上述的转子叶片。由于本发明转子叶片能够改善转子叶片换热效果，有效提高冷却效率。相应地，本发明叶轮机械也具有上述的有益技术效果，在此不再赘述。
以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种转子叶片，其特征在于，包括叶片本体，所述叶片本体内设有密封的相变换热腔(3)，在所述相变换热腔(3)内部分地填充有在常温下呈非气态的相变工质(4)；
在工作状态下，非气态的所述相变工质(4)受离心力的作用向所述叶片本体的叶尖方向流动并吸热相变成气态的所述相变工质(4)，气态的所述相变工质(4)向所述叶片本体的叶根方向流动并放热相变成非气态的所述相变工质，以实现所述相变工质的循环相变换热。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，还包括设置在所述叶根处的冷却结构。
3.根据权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，所述冷却结构包括供冷气流通的风冷通道(5)。
4.根据权利要求3所述的转子叶片，其特征在于，所述风冷通道(5)为蛇形通道。
5.根据权利要求3所述的转子叶片，其特征在于，所述风冷通道(5)的内壁面上设有强化换热结构(6)。
6.根据权利要求5所述的转子叶片，其特征在于，所述强化换热结构包括沿着所述风冷通道的方向延伸的肋(61)、槽或凸起颗粒。
7.根据权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，所述叶片本体包括叶片外层壁(1)和叶片内层壁(2)，所述叶片外层壁(1)和所述叶片内层壁(2)之间形成所述相变换热腔(3)。
8.根据权利要求7所述的转子叶片，其特征在于，所述叶片内层壁(2)内设有对流冷却腔(8)和所述冷却结构，所述冷却结构包括供冷气流通的风冷通道(5)，所述风冷通道(5)的冷气出口与所述对流冷却腔(8)相通，所述叶片本体还包括用于连接所述叶片外层壁(1)和所述叶片内层壁(2)的连接肋(9)，所述连接肋(9)上设有连通所述对流冷却腔(8)和所述叶片外层壁(1)的外壁面的冷却孔(10)。
9.根据权利要求7所述的转子叶片，其特征在于，所述叶片外层壁(1)的内壁面上设有强化换热结构。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，所述强化换热结构包括沿着所述相变工质(8)流动方向延伸的肋、槽或凸起颗粒。
11.一种叶轮机械，其特征在于，包括权利要求1～10任一项所述的转子叶片。
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