轉子葉片和葉輪機械的制作方法

本發明涉及葉輪機械技術領域，尤其涉及一種轉子葉片和葉輪機械。

背景技術：

葉輪機械的流道通常由導葉、動葉和外環構成，直接與高溫燃氣接觸，對于動葉來講，同時要受到熱應力和離心力的作用，所以必須進行有效的冷卻。常規的冷卻葉片通常采用在葉片內部設置冷卻結構并通過內部冷卻空氣以沖擊、對流換熱等方式強化內部換熱，并通過葉身設置的氣膜孔在葉片表面形成一層冷卻氣膜以降低外換熱。但是由于冷卻空氣量通常較低，所以葉片換熱系數通常較低，時常導致葉片表面溫度過高并燒毀，嚴重影響葉輪機械運轉的安全性和壽命。

技術實現要素：

為克服以上技術缺陷，本發明解決的技術問題是提供一種轉子葉片和葉輪機械，能夠改善轉子葉片換熱效果，有效提高冷卻效率。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種轉子葉片，其包括葉片本體，葉片本體內設有密封的相變換熱腔，在相變換熱腔內部分地填充有在常溫下呈非氣態的相變工質；在工作狀態下，非氣態的相變工質受離心力的作用向葉片本體的葉尖方向流動并吸熱相變成氣態的相變工質，氣態的相變工質向葉片本體的葉根方向流動并放熱相變成非氣態的相變工質，以實現相變工質的循環相變換熱。

進一步地，轉子葉片還包括設置在葉根處的冷卻結構。

進一步地，冷卻結構包括供冷氣流通的風冷通道。

進一步地，風冷通道為蛇形通道。

進一步地，風冷通道的內壁面上設有強化換熱結構。

進一步地，強化換熱結構包括沿著風冷通道的方向延伸的肋、槽或凸起顆粒。

進一步地，葉片本體包括葉片外層壁和葉片內層壁，葉片外層壁和葉片內層壁之間形成相變換熱腔。

進一步地，葉片內層壁內設有對流冷卻腔和冷卻結構，冷卻結構包括供冷氣流通的風冷通道，風冷通道的冷氣出口與對流冷卻腔相通，葉片本體還包括用于連接葉片外層壁和葉片內層壁的連接肋，連接肋上設有連通對流冷卻腔和葉片外層壁的外壁面的冷卻孔。

進一步地，葉片外層壁的內壁面上設有強化換熱結構。

進一步地，強化換熱結構包括沿著相變工質流動方向延伸的肋、槽或凸起顆粒。

本發明還提供了一種葉輪機械，其包括上述的轉子葉片。

由此，基于上述技術方案，本發明轉子葉片通過在其葉片本體內設置密封的相變換熱腔并在相變換熱腔內部分地填充在常溫下呈非氣態的相變工質，轉子葉片在工作狀態下高速旋轉，相變換熱腔中氣態的相變工質在離心力的作用下向葉尖的方向流動，并吸收葉片本體葉尖區域的熱量，此時非氣態的相變工質相變為氣態的相變工質之后密度降低并在非氣態相變工質的推擠下向葉片本體的葉根方向流動，并向葉片本體葉根區域釋放熱量，此時氣態的相變工質又重新相變為非氣態的相變工質，并在離心力的作用下重新向葉尖的方向流動，因而相變工質在相變換熱腔內沿葉尖和葉根之間的方向往復流動從而形成一個往復循環的相變冷卻，從而實現對轉子葉片進行持續冷卻，改善了轉子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率。本發明提供的葉輪機械相應地也具有上述有益效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明僅用于解釋本發明，并不 構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明轉子葉片實施例的一個縱向剖面結構示意圖；

圖2為本發明轉子葉片實施例的一個橫向剖面結構示意圖；

圖3為本發明轉子葉片實施例從葉根至葉尖視角的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

本發明的具體實施方式是為了便于對本發明的構思、所解決的技術問題、構成技術方案的技術特征和帶來的技術效果有更進一步的說明。需要說明的是，對于這些實施方式的說明并不構成對本發明的限定。此外，下面所述的本發明的實施方式中涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

通常物質與物質之間的對流傳熱通常受以下幾方面因素影響：流體的物性、流動狀態、換熱表面幾何、是否存在相變。在上述因素中，流體是否存在相變對表面換熱系數有非常明顯的影響，流體有相變條件下的表面換熱系數要遠大于無相變的狀態，因而采用相變換熱的形式進行葉片冷卻的表面換熱系數要比液體強制對流換熱系數高出數倍、比常規的無相變的氣體強制對流換熱高出一個數量級。

由此，針對目前現有的轉子葉片的冷卻方式冷卻空氣量通常較低和葉片換熱系數通常較低的技術缺陷，本發明設計了一種轉子葉片，轉子葉片通過在其葉片本體內設置密封的相變換熱腔并在相變換熱腔內部分地填充在常溫下呈非氣態的相變工質，相變工質在相變換熱腔內沿葉尖和葉根之間的方向往復流動從而形成一個往復循環的相變冷卻，從而實現對轉子葉片進行持續冷卻，改善了轉子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率。

在本發明轉子葉片一個示意性的實施例中，如圖1～圖3所示，轉子葉片包括葉片本體，葉片本體內設有密封的相變換熱腔3，在相變換熱腔3內部分地填充有在常溫下呈非氣態的相變工質4；

在工作狀態下，非氣態的相變工質4受離心力的作用向葉片本體的葉尖方向流動并吸熱相變成氣態的相變工質4，氣態的相變工質4向葉片本體的葉根方向流動并放熱相變成非氣態的相變工質，以實現相變工質的循環相變換熱。

在該示意性的實施例中，轉子葉片通過在其葉片本體內設置密封的相變換熱腔3并在相變換熱腔3內部分地填充在常溫下呈非氣態的相變工質4，相變工質4在常溫狀態下可以為固態或液態，例如熔融鹽，其沸點低于轉子葉片在正常工作條件下的壁面溫度。

轉子葉片在工作狀態下高速旋轉，相變換熱腔3中氣態的相變工質4在離心力的作用下向葉尖的方向流動，并吸收葉片本體葉尖區域的熱量，從而降低葉片本體葉尖區域的溫度，此時非氣態的相變工質4因吸熱相變為氣態的相變工質4之后密度降低，并在尚未相變的非氣態相變工質4的推擠下向葉片本體的葉根方向流動，由于葉片本體葉根區域的溫度低于葉尖區域的溫度，氣態的相變工質4向葉片本體葉根區域釋放熱量，此時氣態的相變工質4又重新相變為非氣態的相變工質4，并在離心力的作用下重新向葉尖的方向流動，因而相變工質4在相變換熱腔3內沿葉尖和葉根之間的方向往復流動從而形成一個往復循環的相變冷卻，從而實現對轉子葉片進行持續冷卻，改善了轉子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率，而且循環冷卻避免了相變工質4的添加，節約了材料。

為了有效地保證葉片本體葉根區域與葉尖區域的溫度差足夠大來使得氣態的相變工質4向葉片本體葉根區域釋放熱量后重新相變為非氣態的相變工質4，轉子葉片還可以優選地包括設置在葉根處的冷卻結構，冷卻結構能夠保證葉片本體葉根區域的溫度足夠低來保證氣態的相變工質4重新相變為非氣態的相變工質4。

需要說明的是，冷卻機構的設置與否取決于轉子葉片自身的尺寸參數和相變工質4的材料選取，對于葉片較長、葉身和葉根溫差比較大的葉片也可以不在葉根處設置冷卻結構。

其中，冷卻結構可以采用液體冷卻的結構，也可以優選地采用風 冷冷卻，在一個優選的實施例中，如圖1所示，冷卻結構包括供冷氣流通的風冷通道5。通過設置風冷通道5，從風冷通道5的冷氣入口7進入的冷氣能夠有效地降低葉片本體葉根區域的溫度，易于實現，可實施性高。為了增加冷氣與葉片本體葉根區域的接觸面積來進一步地提高冷卻效果，一方面，風冷通道5優選地為蛇形通道，蜿蜒迂回的蛇形通道能夠盡可能地增加風冷通道5在葉片本體葉根區域內的長度；另一方面，風冷通道5的內壁面上優選地設有強化換熱結構6來增加風冷通道5的內壁面積，其中，如圖3所示，強化換熱結構可以優選地通過在風冷通道5的內壁面上設置沿著風冷通道的方向延伸的肋61、槽或凸起顆粒，當然，強化換熱結構還可以為其他現有技術中常用的強化換熱部件。

葉片本體可以是單一層壁結構，其內設有相變換熱腔，也可以優選地如圖1所示包括葉片外層壁1和葉片內層壁2，葉片外層壁1和葉片內層壁2之間形成相變換熱腔3，該結構形式的葉片本體可以在減小相變換熱腔3的容積的前提下保證相變換熱腔3的換熱面積，有利于節約相變工質4并實現轉子葉片的輕量化設計，節約成本。

作為對上述優選實施例的改進，如圖1和圖2所示，葉片內層壁2內設有對流冷卻腔8和冷卻結構，冷卻結構包括供冷氣流通的風冷通道5，風冷通道5的冷氣出口與對流冷卻腔8相通，葉片本體還包括用于連接葉片外層壁1和葉片內層壁2的連接肋9，連接肋9上設有連通對流冷卻腔8和葉片外層壁1的外壁面的冷卻孔10。通過設置對流冷卻腔8和冷卻孔10，對葉片本體的葉根區域進行冷卻后的冷氣進入對流冷卻腔8，使對流冷卻腔8的冷氣通過設置于葉片本體葉身或葉頂的冷卻孔10流到葉片外層壁1的外壁面并在葉片表面形成冷卻氣膜，進一步降低轉子葉片的溫度，保護轉子葉片。此外，連接肋9不僅用于設置冷卻孔10并避免對流冷卻腔8與相變換熱腔3，而且有利于提高轉子葉片的整體結構強度。

同理地，為了增加相變工質與的外層壁1的內壁面接觸面積來進一步地提高冷卻效果，在一個優選的實施例中，葉片外層壁1的內壁 面上設有強化換熱結構，強化換熱結構優選地包括沿著相變工質4流動方向延伸的肋、槽或凸起顆粒。當然，強化換熱結構還可以為其他現有技術中常用的強化換熱部件。

本發明還提供了一種葉輪機械，其包括上述的轉子葉片。由于本發明轉子葉片能夠改善轉子葉片換熱效果，有效提高冷卻效率。相應地，本發明葉輪機械也具有上述的有益技術效果，在此不再贅述。

以上結合的實施例對于本發明的實施方式做出詳細說明，但本發明不局限于所描述的實施方式。對于本領域的技術人員而言，在不脫離本發明的原理和實質精神的情況下對這些實施方式進行多種變化、修改、等效替換和變型仍落入在本發明的保護范圍之內。