[發明專利]一種雙層吸液芯無開孔高效冷卻渦輪導葉裝置

在審

• 申請號: 201710688163.7
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107687350A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 劉紅;賈明;呂博文;閆燕安;蔡暢;張威龍;高久良
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04;F01D25/12
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 李曉亮,潘迅

技術領域

本發明屬于航空發動機渦輪葉片冷卻領域，涉及一種雙層吸液芯無開孔高效冷卻渦輪導葉裝置。

背景技術

燃氣渦輪發動機是航空飛行器的主要動力裝置，提高渦輪前溫度可以大幅提高發動機的推力并減少油耗。目前，渦輪前入口溫度的提升速度約為20K/年，而高溫部件材料耐溫性能的提升速度約為8K/年，因此高效的冷卻技術是實現高推重比的關鍵。

現役渦輪葉片常采用以對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻及與熱障涂層相結合的復合冷卻方式。其中氣膜冷卻技術于二十世紀七十年代提出，渦輪葉片的氣膜冷卻技術在航空燃氣輪機中的應用使航空發動機渦輪前入口溫度有了較大提升。之后經過眾多努力，渦輪前最高溫度已達2012K。美國和西歐等發達國家的有關公司與研究單位計劃將渦輪前溫度提高到2200K～2255K，甚至對一次使用的發動機要高達2366K。而目前我國的航空發動機渦輪前最高溫度還只有1900K，熱端部件技術落后是我國渦輪發動機研制體系落后的主要原因。目前氣膜冷卻的主要問題在于：氣膜冷卻會使渦輪葉片溫度不均勻，產生較大的熱應力；冷卻氣體用量不斷加大，使得葉柵流道內流動與流場結構更加復雜；噴射孔及縫的存在使得葉片很難保持完整性，易于導致機械問題。

為實現對渦輪葉片的進一步冷卻，使渦輪前最高溫度進一步提升，考慮采用熱板對渦輪葉片進行冷卻，熱板是一種高效的冷卻裝置，而應用內置熱板的渦輪葉片冷卻技術，其關鍵問題是熱板能否具有足夠的攜帶極限和毛細極限，本發明提出一種基于熱板原理的雙層吸液芯無開孔高效冷卻渦輪導葉裝置。

發明內容

針對現有氣膜冷卻技術存在的不足，本發明提出一種雙層吸液芯無開孔高效冷卻渦輪導葉裝置，該冷卻渦輪導葉裝置基于熱板原理。本發明根據渦輪葉片及內部熱板的結構，采用內置雙層吸液芯的熱板對葉片進行冷卻。

本發明所采用的技術方案為：

一種雙層吸液芯無開孔高效冷卻渦輪導葉裝置，包括渦輪導葉裝置和雙層吸液芯熱板兩部分。

所述的渦輪導葉裝置包括隔板外環1、渦輪葉片2、靜葉持環3、肋片4，其中，渦輪葉片2為蒸發段，靜葉持環3為冷凝段，液體在蒸發段汽化吸熱，降低渦輪葉片2溫度，蒸汽在冷凝段液化，為蒸發段提供源源不斷的液體。所述的隔板外環1固定在渦輪葉片2的上表面，起固定作用。所述的肋片4為長方體凹槽結構。

所述的靜葉持環3為中空結構，靜葉持環3上表面開有開口，開口外緣與渦輪葉片2的下表面固定，靜葉持環3通過上表面開口與渦輪葉片2內部連通，用于通過蒸汽；靜葉持環3下表面等距設有多個長條狀開口，肋片4設置于該長條狀開口位置，二者通過長條狀開口貫通，即肋片4為長方體，等距排列在靜葉持環3上，用于增大冷凝段與外界的換熱面積，增強換熱。靜葉持環3內部和肋片4內填充液態冷卻工質，用于提供冷卻液體，蒸汽在此冷凝為液體。渦輪葉片2等距排列在靜葉持環3上。

所述的渦輪葉片2包括熱障涂層8和金屬葉片壁7，金屬葉片壁7為中空結構，中空部分形成蒸汽通道5。熱障涂層8涂覆在金屬葉片壁7的外表面，防止金屬葉片壁7表面材料熔化；金屬葉片壁7為無開孔結構，保持葉片完整性，避免引起機械強度等問題，并且可以避免冷卻氣體與主流燃氣摻混造成的氣動損失。

所述的雙層吸液芯位于渦輪葉片2內部，貼附在金屬葉片壁7的內表面，所述的雙層吸液芯6包括一層金屬氈9和一層金屬絲網10，金屬氈9貼附在金屬葉片壁7內表面，金屬絲網10貼附在金屬氈9上。金屬氈9和金屬絲網10二者具有不同的纖維直徑和孔隙率，能夠更好的提升熱板結構的攜帶極限與毛細極限，避免吸液芯攜帶液體不足或對液體提升高度不夠造成葉片表面得不到充分的冷卻；所述的金屬氈9的纖維直徑為6～20μm，孔隙率為0.5～0.9；金屬絲網10的纖維直徑為6～20μm，孔隙率為0.3～0.7。

所述的隔板外環1和渦輪葉片2和靜葉持環3材質為航空用鈦合金、鎳基高溫合金等。所述的肋片4材質為鋁合金、不銹鋼等。所述的熱障涂層8材質為氧化鋯等。所述的液態冷卻工質包括液態鈉、液態鋰、液態鉀。