[发明专利]一种用于冷却两侧均有气流的壁的装置

说明书

本发明涉及的是一种用于冷却壁的装置，热介质在其外侧环流而冷介质在其内侧环流。

这种需要进行冷却的例如是涡轮机的内部冷却的叶片，特别是有轴向气流通过的燃气轮机的叶片。

大家都很了解那些用液体、蒸汽或空气作为冷却介质的中空、内部冷却的涡轮机叶片。一个突出的问题是这些叶片的后缘的冷却，在叶片中冷却介质沿一个闭环流动。形成后缘的壁围起一个窄的缝隙，热量从该狭缝中传导出去。为此，狭缝的宽度不能低于一个最小值。为了避免后缘的过热现象，不能存在任何材料的大量积聚。另外，为了满足强度要求，壁的厚度不得小于一规定的尺寸。这些要求使得内部冷却的叶片在后缘处的曲率半径较大，这将会对叶片的性能产生不良影响。

因此，本发明的一个目的是在冷却的壁上增加一种装置，该装置能提高热量的扩散能力，尤其是从狭缝中的扩散能力。

在本发明中，这是通过在冷却介质环流的壁上安装热桥来实现的，热桥由具有高导热性的耐热销钉组成，销钉伸入到冷却介质能够作用到的空间中。

本发明的显著优点是尺寸简单。如果要冷却的壁是铸铁涡轮叶片、销钉能与叶片铸在一起。另外，该尺寸对叶片后缘的结构性能更有利。

通过参考下面的对内部冷却的燃气轮机叶片的详细描述能更清楚地了解本发明及许多相关的优点，其中：

图1所示的是一个叶片的横截面；

图2所示的是图1的细节部分Z，其具有先有技术后缘；

图3所示的是图1的细节部分Z，其具有本发明后缘；

图4所示的是叶片后缘区域的纵截面图。

图中仅示出了那些与理解本发明有关的部件，其中的介质流向以箭头表示。

现在参照附图，所有几个附图中相同的标号表示同一或相应的部件，图1中示出的铸铁叶片有三个内腔a，b和c，冷却介质如蒸汽通过该三个内腔垂直于图形平面流动。在这种情况下，冷却介质沿构成了叶片轮廓的壁W的内侧面流动，在壁的外侧热的气体从两侧流动一壁将热量散发给冷却介质。很显然，为提高壁的冷却性能，至少在前面二个腔体a，b内有大量附属装置(未示出)，如导流肋板、流体通道、用于影响冷却的衬套等。在本例中，冷却介质在一个封闭的回路中循环，这意谓着无论在前缘、进气侧、排气侧还是在后缘区域中均不会有冷却介质被吹出而进入到气流管路内。

这将会导致与后缘几何形状有关的问题，参考图2进行解释。为了能将产生的热量传导出去，壁形成的狭缝E必须有一个最小尺寸以便能容纳足够多的冷却介质。因而后缘的内部曲率直径为d。从强度考虑，壁的厚度T不能小于一最小值。为了避免后缘的过热现象，后缘部分不能有材料的大量积聚。因而，尺寸La与壁厚度T相关。所有这些导致了后缘的相对较大的外部曲率直径Da。这一点在冷却的后缘是很明显的。

本发明提供了一个改进的方法。根据图3为提高散热能力，在冷却介质围绕流动的壁上安装销钉S形式的热桥。这些销钉伸入到冷却介质作用的空间中，即进入到狭缝E中。

从生产考虑，热桥必须用耐热材料制成。由于该内部冷却叶片通常是铸造的，因而将销钉事先放入铸件芯中并将其与叶片铸在一起是一个很好的解决办法。这种方法的优点是在该范围内省去了通常使用的石英或铝合金垫片。

从图3可以看出，采用恒定的壁厚T和恒定的内缘曲率直径d，可在后缘Ln尺寸范围内有较大量的材料积聚。这种情况反过来会使得后缘结构变得更加尖锐，这可通过较小的后缘曲率直径Dn表示出来。

为了确保需要的热量散失，需选用高导热性的销钉。实现该目标的合适的材料是人造金刚石。在热传导性能方面，用C-14同位素合成的人造金刚石经验证是最佳的。

在本例中，销钉S呈圆柱形设计。也可采用其它类型的具有较大热交换表面的形状，如采用横截面为多边形或锯齿状的销钉等。

在以下条件确定的情况下—即给定的后缘的几何形状和壁的厚度；冷却介质流经的狭缝E的几何形状；叶片后缘的热负荷；冷却介质的类型、温度和流速等，选取的销钉材料的热传导性和销钉伸入到冷却介质流经的狭缝中的热交换面积对于叶片高度方向上采用的销钉的数量是十分重要的因素。

根据图4，后腔C的纵向截面所示的是在叶片高度方向径向平面上销钉的阶梯排列。根据叶片高度方向上热负荷的不同，也可以采用不均匀的分布，或者采用均匀分布方式，但销钉的热交换表面不同。