[发明专利]受热壁面冷却结构以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种受热壁表面的冷却结构，以及使用该冷却结构的燃气轮机叶片，属于热工技术领域。

背景技术

对处于高温环境中的机械结构进行必要的冷却，以保证结构的安全运行，一直是生产生活中常见的问题。在涉及到热机的应用领域中，需要冷却的高温表面比比皆是，例如：车用柴油机和汽油机的气缸壁、火箭推力室、燃气轮机叶片、超高速飞行器外壁、超燃发动机的内筒等等。对于燃气轮机而言，提高热效率和功率意味着透平进口温度的提高。逐年上升的透平进口温度已经突破了2000℃，而叶片等金属部件的最高耐热温度一般仅在1000℃左右，因此对燃气轮机叶片进行高效冷却是决定未来燃气轮机发展程度的一个关键因素。

按照施加位置，高温表面的冷却包括内冷却和外冷却两大类。内冷却指在受热壁的内侧(也就是高温环境的相对一侧)采取冷却措施，将高温环境传递到表面的热量迅速带走，例如通过对流换热的再生冷却；外冷却指在受热表面的外侧(也就是和高温环境的相接触的一面)采取冷却措施，将高温燃气和壁面隔开，以减少两者之间的传热，例如气/液膜冷却、发汗冷却、屏蔽冷却、烧蚀冷却。气膜冷却和发汗冷却均利用温度相对较低的流体作为冷却剂，将其从一定形式的壁面开口排出，形成冷却保护层，从而对高温壁面形成有效的主动冷却。但两者有很大程度的区别：气膜冷却一般通过在致密壁面上开设直径在毫米量级的离散通孔，甚至是宽度为毫米量级的直槽；而发汗冷却一般通过具有微米量级孔隙的多孔介质形成，例如孔隙在几十到上百微米的烧结金属颗粒多孔介质、孔隙率在几十到上百PPI的金属丝网。

常见的受热壁面如燃气轮机叶片、火箭推力室、航空发动机的火焰筒等等，这些受热壁面的一个共同点是一侧受到高温主流的冲刷，因此通常在另一侧采用冷却剂冷却，或者使冷却剂从受热壁面上一定形式的出口中喷入高温主流，直接对被高温主流冲刷一侧的壁面进行强制冷却。图1所示为常规的气膜冷却结构示意图，致密壁面层1的一侧(图中为上侧)收到高温流体5的冲刷，例如对于燃气轮机叶片而言，为燃烧室出口的高温燃气，因而致密壁面层1被该侧的高温环境6所加热。利用激光打孔等方式，在需要冷却的致密壁面层1上形成多个离散通孔3，或称之为气膜孔，该气膜孔的直径一般为数毫米，并在受热的相对一侧构成冷却通道8，从而使冷却剂7从离散通孔3中喷出，在致密壁面层1的受热一侧形成膜状冷却剂保护层，对致密壁面层1进行冷却保护，避免其被烧毁。由该冷却方式的结构特点可知，由于喷出冷却剂的气膜孔为离散分布，因此致密壁面受热一侧上的膜状冷却剂也为离散分布，当高温环境的温度较高时，致密壁面由于存在较大的温度梯度，而产生较大的热应力，会导致致密壁面疲劳失效，这对于利用气膜冷却作为主要冷却方式的燃气轮机叶片而言是非常不利的，因为燃气轮机叶片经常还受到高温主流的热冲击等。

图2所示为常规的发汗冷却结构示意图，将致密壁面层1受热强烈的部分替换成多孔介质层2，并在受热的相对一侧构成冷却通道8，从而使冷却剂7从多孔介质层2中的孔隙中喷出，在致密壁面层1的受热一侧形成发汗状冷却剂保护层，对致密壁面层1进行冷却保护，避免其被烧毁。这种冷却方式的优点是可以对整个被冷却区域提供均匀的冷却保护，而且在使用相同流量的冷却剂情况下，冷却效率一般要高于前述的气膜冷却。但是，由于发汗冷却要求整体为多孔材料，且孔隙相对较小，因此，最大的弊端在于其壁面的结构强度不仅大大不如未施加冷却措施的致密壁面，也远远不如带有气膜孔的壁面，同时另一个使其至今仍然无法有效投入复杂情况的实际应用的缺点在于其容易堵塞，并且局部堵塞容易引起局部高温失效，进而使整个冷却壁面很快被烧毁。

现有的燃气轮机叶片采用的冷却结构为：叶片内部具有带强化换热措施的对流冷却通道、壁面设有用于气膜冷却的离散通孔。图7所示为现有的燃气轮机叶片的冷却结构，冷却剂在叶片内部冷却剂通道4中流动，并通过叶片表面上开设的离散通孔3喷出，从而在叶片表面上形成冷却气膜层，有效保护被高温燃气冲刷的叶片。图8所示为现有气膜冷却的燃气轮机叶片的横截面图，冷却剂在叶片中央的叶片内部冷却剂通道4中流过，通过开设在叶片致密壁面层1上的离散通孔3喷出，形成为围绕叶片致密壁面的冷却气膜。有学者提出了利用多孔介质构建叶片，以使用发汗冷却，以进一步提高冷却能力。简而言之，现有的燃气轮机气膜冷却存在以下不足：冷却能力有限；采用离散通孔导致冷却不均匀，热应力相应较大，材料容易疲劳失效。发汗冷却存在以下不足：形成发汗冷却的多孔介质强度较差；容易由于局部堵塞导致整体失效。

发明内容