[发明专利]一种应用于燃气轮机过渡段的仿蝴蝶鳞片式换热结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种应用于燃气轮机过渡段的仿蝴蝶鳞片式换热结构。

背景技术

燃气轮机过渡段进气口端为圆形，出气口端为扇环形，承接燃烧室火焰筒和透平，其作用是将燃烧后形成的高温燃气导向第一级透平进口做功。燃气轮机设计和发展的目标之一就是提高燃气轮机的循环热效率，提高热效率的一种手段是提高透平入口的燃气初温。随着透平前温度的大幅提高，过渡段在高达1200℃的高温下工作，金属材料无法承受长时间工作，因而如何对燃烧室过渡段进行冷却也是需同步解决的关键问题。

对于过渡段结构，现有冷却方式主要以冲击冷却为主。具体方法为在燃气轮机燃烧室外表面上增加一个导流衬，并在导流衬上打孔作为冲击冷却的入口。冷却气流从过渡段导流衬壁面冲击孔进入冷空气腔对过渡段进行冲击冷却。一少部分冷空气由燃气出口端的小孔排出，大部分冷却气体由过渡段冷却腔出口排出。目前的围绕过渡段冲击冷却的研究主要集中于冲击孔角度、风向倾角，对于导流衬上冲击孔的优化已趋于瓶颈，因而可对于过渡段结构进行改进以寻求更为高效的冷却方式。

经过亿万年进化优化，自然界中有很多生物体具有优异的结构与功能，利用生物结构和功能原理来研制新技术的学科，被称之为仿生学。在传统过渡段结构上增添仿生学结构，为过渡段冲击冷却提供了新思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于燃气轮机过渡段的仿蝴蝶鳞片式换热结构。

蝴蝶是一种广泛存在于大自然中的鳞翅目类动物，其翅膀一般呈现出丰富的色彩。经研究发现，蝴蝶翅膀色彩的大部分颜色是由翅膀上特殊的鳞片结构导致的结构色，蝴蝶鳞片结构如图1所示。在燃气轮机过渡段结构中，受热壁面的温差大，存在热辐射现象。本发明受仿生学启发，将蝴蝶鳞片非光滑表面引入燃气轮机过渡段的换热系统中，蝴蝶鳞片结构既有较大的有效表面换热面积，因而将新型仿蝴蝶鳞片式换热结构应用于燃气轮机过渡段中提高表面换热能力。

本发明的燃气轮机过渡段主体位于燃烧室火炎筒与透平之间，燃气轮机过渡段具有内外双腔室结构，即具有内腔室和外腔室，内腔室为高温燃气通道，从火焰筒中排出的高温燃气由圆形进口进入内腔室，再由扇形出口排出进入透平做功。在过渡段主体外表面布有仿蝴蝶鳞片式换热结构。外腔室是导流衬包绕在燃气段主体外形成的环形腔，外腔室为冷却介质通道；导流衬上均匀分布多排冲击孔，冷却气体经由冲击孔进入外腔室，流经仿蝴蝶鳞片式换热结构。仿蝴蝶鳞片式换热结构能增大冷却介质与过渡段高温壁面的换热面积，同时通过改变流场流动特性，强化了冲击冷却的扰动。

本发明能够提高燃气轮机过渡段的冷却效率，避免燃气轮机过渡段主体被高温气体所损害。

所述的仿蝴蝶鳞片式换热结构为曲面阵列分布，相邻凸起之间等距分布。

所述的仿蝴蝶鳞片式换热结构相邻凸起高度相同或高度不同即高低交错排列。

所述的仿蝴蝶鳞片式换热结构所在截面与过渡段轴线的法线所成夹角大于等于0度小于等于90度。

所述的仿蝴蝶鳞片式换热结构截面形状位不带倒圆角的、带倒圆角的、上下一致的、上下不一致的。

附图说明

图1为蝴蝶鳞片微观结构电镜示意图。

图2为带有仿蝴蝶鳞片式换热结构的双腔室燃气轮机过渡段示意图。

图3为仿蝴蝶鳞片式换热结构的截面图。

图4为带有仿蝴蝶鳞片式换热结构的过渡段主体示意图。

图5为带有冲击冷却孔的导流衬轴测图。

图6为仿蝴蝶鳞片式换热结构的双腔室燃气轮机过渡段轴测图。

具体实施方式

如图2和图6所示，燃气轮机过渡段位于燃烧室火焰筒和透平之间，燃气轮机过渡段具有内外双腔室结构，即具有内腔室1和外腔室3，内腔室1为高温燃气通道，从火焰筒中排出的高温燃气由圆形进口进入内腔室1，再由扇形出口排出进入透平做功。图4中为内腔室示意图，可以看出在过渡段主体2 外表面布有仿蝴蝶鳞片式换热结构6。外腔室3是导流衬4包绕在燃气段主体 2外形成的环形腔，如图5所示，外腔室3为冷却介质通道；导流衬4上均匀分布多排冲击孔5，冷却气体经由冲击孔5进入外腔室3，冷却气体与燃气轮机主体2外表面经过冷却换热后由外腔室3出口流出，冷却气体进入外腔室3 后，流经仿蝴蝶鳞片式换热结构6。仿蝴蝶鳞片式换热结构6能增大冷却介质与过渡段高温壁面的换热面积，同时通过改变流场流动特性，强化了冲击冷却的扰动。

本发明能够提高燃气轮机过渡段的冷却效率，避免燃气轮机过渡段主体被高温气体所损害。