一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪冷卻方法
【專利摘要】一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻方法，通過在渦輪葉片內的冷卻通道中填充多孔介質材料來增大有效換熱面積，其有效換熱面積取決于微觀孔隙結構的形狀、尺寸和排列方向；以流動阻力小、換熱能力強的超臨界狀態流體為換熱介質，使得渦輪的實際換熱量相比于常規換熱方式更大；可根據實際換熱需求設計葉盤內的冷卻通道數和葉片內的肋板數；可根據實際換熱需求設計多空介質孔隙大小、形狀和排列方向；葉片可通過激光快速成型技術或其它高能束快速成型技術整體加工；本發明直接快速成型，工藝簡單，結構形位可設計性強。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪冷卻方法，主要 用于降低渦輪葉片熱負荷，提高渦輪工作壽命，屬于航空發動機及高速旋轉機械【技術領域】。 一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪冷卻 方法
【背景技術】
[0002] 渦輪前溫度決定著航空發動機的熱效率。渦輪前溫度的提高可以提高航空發動機 的效率，對民機而言能夠降低耗油率帶來經濟上的收益，對軍機能夠提高單位面積推力獲 得更好機動性。而渦輪前溫度不可能無限的增加，這主要受到渦輪材料的限制，溫度過高會 影響材料的強度、韌度和使用壽命。目前第四代戰斗機如F22的發動機F119渦輪前溫度已 接近1800K，這遠高于最新研制的第四代單晶合金1300K的承溫極限，因此必須對渦輪葉片 進行冷卻，降低其熱負荷，目前的主要手段是從壓氣機抽氣來冷卻渦輪葉片。
[0003] 如圖1所示為典型的渦輪動葉冷卻方式，其為GE公司發展的NASA的高效發動機 (E3)高壓渦輪第一級動葉冷卻系統，由壓氣機擴壓器中部抽出的空氣冷卻。由子午截面的 冷卻通道示意圖1中的（a)可以看出該冷卻系統所采用的是雙回路強化對流和氣膜冷卻設 計。在前部回路中前緣沖擊冷卻由帶肋片擾流的三流程蛇行通道供氣。前緣還受到氣膜冷 卻，氣膜冷卻通過三排徑向傾斜孔供氣。壓力面氣膜冷卻所需要的空氣通過一排軸向傾斜 的圓孔供氣，而吸力面的氣膜冷卻空氣通過一排軸向傾斜的擴張孔供氣。第二段回路由一 個三流程帶擾流肋片的前向流動的蛇行通道組成，同時為葉片后緣的帶肋柱面的沖擊冷卻 提供空氣。冷卻葉片后緣的空氣通過壓力面的排氣槽流出，并在葉片后緣的其余部分形成 外部氣膜冷卻。這種冷卻方式的缺點是換熱面積小，只能在如圖1中（b)①所示的冷卻通 道四周進行換熱，有效換熱面積小；此外，由于冷氣來源于壓氣機內的空氣，這勢必會降低 發動機的效率。
【發明內容】
[0004] 本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于多孔介質和超臨界狀 態流體循環的先進渦輪冷卻方法，具有換熱強度大、換熱效率高的優點。
[0005] 本發明技術方案：一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特點在于：在所述葉片的冷卻通道該葉片完全或部分填充多孔介質；所述多孔介 質內的換熱工質為超臨界狀態流體，所述超臨界狀態流體的循環為閉式間冷回熱循環，所 述超臨界狀態流體循環包括第一微小尺度換熱器11、第二微小尺度換熱器12、第三微小尺 度換熱器13、多孔介質14、增壓泵15,其相對位置右后向前為多孔介質14、第三微小尺度換 熱器13、第二微小尺度換熱器12、增壓泵15、第一微小尺度換熱器11，各部件按上述順序依 次連接，且第一微小尺度換熱器11與多孔介質14相連，形成循環。所述超臨界狀態流體循 環中超臨界狀態流體在高壓壓氣機前的第一微小尺度換熱器11中對主流進行冷卻，之后 在高壓渦輪6和低壓渦輪7內的多孔介質中14吸熱升溫，經過高壓壓氣機4后的第三微小 尺度換熱器13對進入燃燒室5前的氣體進行預熱，再流經外涵道的第二微小尺度換熱器12 冷卻降溫，并利用高壓級帶動的增壓泵15對超臨界狀態流體增壓，最后流回高壓壓氣機4 前形成封閉循環；當外涵道流體冷卻能力不夠時，借助與從油箱9中流出，經泵10增壓后的 燃料在第二微小尺度換熱器12中換熱進行降溫。
[0006] 所述葉片的冷卻通道結構設計為單通道單肋板結構、單通道三肋板結構、雙通道 三肋板結構、或為任意通道數和肋板數。
[0007] 所述多孔介質的材料選用金屬鋁泡沫、石墨泡沫、炭泡沫、陶瓷泡沫等。
[0008] 所述超臨界狀態流體包括氮、氦、水、二氧化碳。
[0009] 所述渦輪葉片由厚度1?20mm的金屬材料構成。
[0010] 所述多孔介質的孔隙的形狀、尺寸和排列方向由實際換熱需要控制：在熱負荷大 處通過設計孔隙使有效換熱面積和冷氣工質流量的乘積更大，使實際換熱量更大。
[0011] 在所述多孔介質和渦輪葉片表面之間布置氣冷通道。葉片仍由氣冷通道內的空氣 進行氣膜冷卻和沖擊冷卻，而空氣又能由多孔介質內的超臨界狀態流體冷卻，可以提高對 渦輪葉片的冷卻效果。
[0012] 所述冷卻方法還能夠用在其他需要冷卻的葉輪機械的葉片或輪盤上。
[0013] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0014] (1)本發明與現有的渦輪冷卻方法相比的優點：具有更大的有效換熱面積，換熱 強度更大，換熱結果使渦輪葉片溫度更均勻，熱應力減小；避免了從壓氣機引氣導致發動機 效率下降的問題，所用工質無毒、無污染性，安全環保；換熱過程可設計性強，能夠根據渦輪 葉片的熱應力大小對多孔介質的孔隙特征進行局部設計，達到不同的換熱效果，在熱應力 小處根據需要可選擇不填充多孔介質；利用本發明的渦輪能夠應用超出常規設計的先進氣 動設計，提高渦輪級效率；利用本發明的渦輪更輕，且具有阻尼減震、聲能吸收耗散、電磁屏 蔽等性能。
[0015] (2)本發明利用多孔介質材料來解決有效換熱面積不足的問題，如圖3所示。通過 對多孔介質孔隙孔徑形狀、尺寸和孔隙排列方向對換熱面積進行設計。冷卻介質選用超臨 界狀態流體解決從壓氣機引氣降低發動機效率的問題。
[0016] ⑶本發明涉及超臨界狀態流體具有低溫、高比熱容、低流阻的特點，能夠在小流 量下保證換熱量。多孔介質是由固體物質組成的骨架以及骨架間微小空隙中充滿的流體所 組成的多相物體，具有輕質、高比強度、高比剛度和良好的也設計性。在渦輪葉片內部填充 多孔介質，以多孔介質為換熱載體能夠實現換熱面積的增加，超臨界狀態流體在多孔介質 內以滲流運動方式與渦輪葉片完成換熱。
[0017] 總之，利用一種多孔介質和超臨界狀態流體循環，實現一種新的渦輪葉片冷卻。該 冷卻技術具有換熱強度大、換熱效率高的優點。利用該技術，渦輪葉片能夠實現輕質、高比 強度、高比剛度、高壽命的優點，同時多孔介質還能起到阻尼減震的作用。該技術也為下一 代軍民用發動機進一步提高渦輪前溫度預留了空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為E3發動機高壓渦輪第一級動葉冷卻系統示意圖；其中a為渦輪葉片子午截 面的冷卻通道示意圖，b為渦輪葉片50%葉高橫截面的冷卻通道示意圖；
[0019] 圖2為間冷回熱循環布局方式循環示意圖；
[0020] 圖3為本發明渦輪葉片截面示意圖；
[0021] 圖4為本發明單通道單肋板形式冷卻通道、多孔介質全填充示意圖；
[0022] 圖5為本發明單通道三肋板形式冷卻通道、多孔介質全填充示意圖；
[0023] 圖6為本發明雙通道三肋板形式冷卻通道、多孔介質全填充示意圖；
[0024] 圖7為本發明多孔介質部分填充示意圖；
[0025] 圖8為本發明多孔介質和渦輪葉片表面之間布置氣冷通道示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發明一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪冷卻方法，葉片截面 如圖2所示，該葉片內換熱載體為多孔介質，有效換熱面積取決于微觀孔隙結構的形狀、尺 寸和排列方向；換熱介質為超臨界狀態流體，其在葉片內的宏觀流動方向取決于葉片內冷 卻通道結構；葉片由一定厚度的材料構成，葉片外形可以沿用現有技術的常規設計，由于本 發明的冷卻效果相對其它形式的冷卻效果更優，所以葉片外形有可能應用超出常規設計的 先進氣動設計。
[0027] 超臨界狀態流體是一種兼具氣態和液態性質的物質，其粘性系數和擴散系數接近 氣態，流動損失小；而傳熱系數和密度等接近液態，熱容大，換熱能力強。所以用超臨界狀態 流體進行換熱可得到流動損失低、換熱量大的換熱效果。此外超臨界狀態流體的化學成分 穩定；環保無污染；安全性好，無毒性無危險性；來源廣泛容易獲得。
[0028] 臨界狀態流體包括但不局限于氮、氦、水、二氧化碳。所述的超臨界狀態流體循環 為一閉式間冷回熱循環，如圖2所示。在間冷回熱循環布局中，所述超臨界狀態流體循環包 括第一微小尺度換熱器11、第二微小尺度換熱器12、第三微小尺度換熱器13、多孔介質14、 增壓泵15,其相對位置右后向前為多孔介質14、第三微小尺度換熱器13、第二微小尺度換 熱器12、增壓泵15、第一微小尺度換熱器11，各部件按上述順序依次連接，且第一微小尺度 換熱器11與多孔介質14相連，形成循環。所述超臨界狀態流體循環中超臨界狀態流體在 高壓壓氣機前的第一微小尺度換熱器11中對主流進行冷卻，之后在高壓渦輪6和低壓渦輪 7內的多孔介質中14吸熱升溫，經過高壓壓氣機4后的第三微小尺度換熱器13對進入燃燒 室5前的氣體進行預熱，再流經外涵道的第二微小尺度換熱器12冷卻降溫，并利用高壓級 帶動的增壓泵15對超臨界狀態流體增壓，最后流回高壓壓氣機4前形成封閉循環；當外涵 道流體冷卻能力不夠時，借助與從油箱9中流出，經泵10增壓后的燃料在第二微小尺度換 熱器12中換熱進行降溫。
[0029] 多孔介質為由固體物質組成的骨架和由骨架分割成的密集微小孔隙組成的物質， 作為一種工程功能材料具有優越的可設計性，同時具有優異的物理性能和良好的機械性 能。所述多孔介質內部孔隙是相互連通的，孔隙尺寸遠大于流體分子平均自由程，選小于多 孔介質的宏觀尺寸，孔徑可以由毫米級減小至微米級乃至納米級。多孔介質材料可選用但 不局限于鋁等輕質金屬。所述的冷卻通道結構有別于常規冷卻通道形式，原因是超臨界狀 態流體循環為閉循環。
[0030] 實施例1 :
[0031] 如圖4所示的一高壓渦輪動葉，葉片外形經過氣動設計已滿足發動機總體對渦輪 部件的性能要求。渦輪葉片內部冷卻通道設計為單通道（如圖4中的①所示），葉片內布置 一個肋板（如圖4中的②所示），并稱這種冷卻通道的結構形式為單通道單肋板形式。多孔 介質完全填充于葉片內的冷卻通道中，多孔介質的孔設計為圓形，平均直徑300微米，排列 方式采用類砂巖堆積體。超臨界狀態流體從葉片前端徑向流入冷卻通道進入多孔介質，以 滲流方式運動到后端，流出葉片，流量80kg/s。通過這種冷卻方式，能將渦輪表面溫度在常 規換熱方式的基礎上再降低200k。可根據葉片實際的負荷分布情況，在負荷較大處將孔直 徑加大至500微米。
[0032] 在設計好渦輪葉片及多孔介質孔隙的空間分布結構后，可通過激光快速成型技術 來加工葉片，或者類似的使用任何種類高能束的熔覆快速成型技術。
[0033] 實施例2 :
[0034] 如實施例1中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其中渦輪內的冷卻通道為圖5所示的單通道（圖5中的①）三肋板（圖5中的②） 結構形式。
[0035] 實施例3 :
[0036] 如實施例1中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其中渦輪內的冷卻通道為圖6所示的雙通道（圖6中的①②）三肋板（圖6中的③） 結構形式。
[0037] 實施例4 :
[0038] 如實施例1-3中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻方法，其中渦輪內的冷卻通道可按照實際換熱需要設計任意通道數和肋板數。
[0039] 實施例5 :
[0040] 如實施例1-4中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻方法，在渦輪葉片熱負荷小處，可以不填充多孔介質，如圖7所示，這樣既保證的換熱要 求又盡量減小了渦輪葉片重量。
[0041] 實施例6:
[0042] 如實施例1-5中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻方法，可以在多孔介質和渦輪葉片表面之間布置氣冷通道（圖8中的①），空氣作為直接 換熱介質形成沖擊冷卻和氣膜冷卻等常規的渦輪冷卻方式，超臨界狀態流體作為間接換熱 介質用來冷卻空氣，使得沖擊冷卻和氣膜冷卻的效果相對于常規冷卻更好。
[0043] 實施例7 :
[0044] 如實施例1 一 6中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻方法，可將多孔介質的孔設計為橢圓形、不規則形狀以及不同形狀的組合。孔直徑可以換 熱需要在1?1000微米之間選擇。
[0045] 實施例8 :
[0046] 如實施例1 一 7中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻方法，所述渦輪葉片可通過其他工藝如EDM、釬焊、電化學以及泡沫金屬的各種制造工藝 或任何適當的工藝過程進行加工。
[0047] 實施例9 :
[0048] 如實施例1 一 8中的一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷 卻技術，用于各種葉輪機械的需換熱的葉片和輪盤。
[0049] 總之，本發明的換熱載體為多孔介質，換熱效果好壞取決于多孔介質的孔隙形狀、 尺寸和排列方向；換熱介質為超臨界狀態流體，超臨界狀態流體構成一閉式間冷回熱循環； 葉片表面由一定厚度的金屬材料構成，多孔介質填充在葉片內與葉片固連為一體，通過激 光或其它高能束快速成型技術加工；它可用于現代軍用、民用發動機的渦輪動葉或靜葉中，
[0050] 顯然，對于本領域的普通技術人員來說，參照上文所述的實施例還可能做出其它 的實施方式。上文中的所有實施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本發明的 權利要求技術方案的本質之內的修改都屬于其所要求保護的范圍。
【權利要求】
1. 一種基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻方法，其特征在于： 在所述葉片的冷卻通道該葉片完全或部分填充多孔介質；所述多孔介質內的換熱工質為超 臨界狀態流體，所述超臨界狀態流體的循環為閉式間冷回熱循環，所述超臨界狀態流體循 環包括第一微小尺度換熱器（11)、第二微小尺度換熱器（12)、第三微小尺度換熱器（13)、 多孔介質（14)、增壓泵（15)，其相對位置右后向前為多孔介質（14)、第三微小尺度換熱器 (13)、第二微小尺度換熱器（12)、增壓泵（15)、第一微小尺度換熱器（11)，各部件按上述順 序依次連接，且第一微小尺度換熱器（11)與多孔介質（14)相連，形成循環；所述超臨界狀 態流體循環中超臨界狀態流體在高壓壓氣機前的第一微小尺度換熱器（11)中對主流進行 冷卻，之后在高壓渦輪（6)和低壓渦輪（7)內的多孔介質中（14)吸熱升溫，經過高壓壓氣 機（4)后的第三微小尺度換熱器（13)對進入燃燒室（5)前的氣體進行預熱，再流經外涵道 的第二微小尺度換熱器（12)冷卻降溫，并利用高壓級帶動的增壓泵（15)對超臨界狀態流 體增壓，最后流回高壓壓氣機（4)前形成封閉循環；當外涵道流體冷卻能力不夠時，借助與 從油箱（9)中流出，經泵（10)增壓后的燃料在第二微小尺度換熱器（12)中換熱進行降溫。
2. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述葉片的冷卻通道結構設計為單通道單肋板結構、單通道三肋板結 構、雙通道三肋板結構、或為任意通道數和肋板數。
3. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述多孔介質的材料選用金屬鋁泡沫、石墨泡沫、炭泡沫或陶瓷泡沫。
4. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述超臨界狀態流體包括氮、氦、水、二氧化碳。
5. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述渦輪葉片由厚度1?20mm的金屬材料構成。
6. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述多孔介質的孔隙的形狀、尺寸和排列方向由實際換熱需要控制：在 熱負荷大處通過設計孔隙使有效換熱面積和冷氣工質流量的乘積更大，使實際換熱量更 大。
7. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：在所述多孔介質和渦輪葉片表面之間布置氣冷通道。
8. 根據權利要求1所述的基于多孔介質和超臨界狀態流體循環的先進渦輪葉片冷卻 方法，其特征在于：所述冷卻方法還能夠用在其他需要冷卻的葉輪機械的葉片或輪盤上。
【文檔編號】F01D5/18GK104110275SQ201410314322
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】陳懋章, 鄒正平, 劉火星, 丁超 申請人:北京航空航天大學