本發(fā)明涉及葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種轉(zhuǎn)子葉片和葉輪機械。

背景技術(shù)：

葉輪機械的流道通常由導(dǎo)葉、動葉和外環(huán)構(gòu)成，直接與高溫燃氣接觸，對于動葉來講，同時要受到熱應(yīng)力和離心力的作用，所以必須進行有效的冷卻。常規(guī)的冷卻葉片通常采用在葉片內(nèi)部設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)并通過內(nèi)部冷卻空氣以沖擊、對流換熱等方式強化內(nèi)部換熱，并通過葉身設(shè)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(shù)通常較低，時常導(dǎo)致葉片表面溫度過高并燒毀，嚴重影響葉輪機械運轉(zhuǎn)的安全性和壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子葉片，其包括葉片本體，葉片本體內(nèi)設(shè)有密封的相變換熱腔，在相變換熱腔內(nèi)部分地填充有在常溫下呈非氣態(tài)的相變工質(zhì)；在工作狀態(tài)下，非氣態(tài)的相變工質(zhì)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(tài)的相變工質(zhì)，氣態(tài)的相變工質(zhì)向葉片本體的葉根方向流動并放熱相變成非氣態(tài)的相變工質(zhì)，以實現(xiàn)相變工質(zhì)的循環(huán)相變換熱。

進一步地，轉(zhuǎn)子葉片還包括設(shè)置在葉根處的冷卻結(jié)構(gòu)。

進一步地，冷卻結(jié)構(gòu)包括供冷氣流通的風(fēng)冷通道。

進一步地，風(fēng)冷通道為蛇形通道。

進一步地，風(fēng)冷通道的內(nèi)壁面上設(shè)有強化換熱結(jié)構(gòu)。

進一步地，強化換熱結(jié)構(gòu)包括沿著風(fēng)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(nèi)層壁，葉片外層壁和葉片內(nèi)層壁之間形成相變換熱腔。

進一步地，葉片內(nèi)層壁內(nèi)設(shè)有對流冷卻腔和冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻結(jié)構(gòu)包括供冷氣流通的風(fēng)冷通道，風(fēng)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(nèi)層壁的連接肋，連接肋上設(shè)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(nèi)壁面上設(shè)有強化換熱結(jié)構(gòu)。

進一步地，強化換熱結(jié)構(gòu)包括沿著相變工質(zhì)流動方向延伸的肋、槽或凸起顆粒。

本發(fā)明還提供了一種葉輪機械，其包括上述的轉(zhuǎn)子葉片。

由此，基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片通過在其葉片本體內(nèi)設(shè)置密封的相變換熱腔并在相變換熱腔內(nèi)部分地填充在常溫下呈非氣態(tài)的相變工質(zhì)，轉(zhuǎn)子葉片在工作狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，相變換熱腔中氣態(tài)的相變工質(zhì)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(qū)域的熱量，此時非氣態(tài)的相變工質(zhì)相變?yōu)闅鈶B(tài)的相變工質(zhì)之后密度降低并在非氣態(tài)相變工質(zhì)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(qū)域釋放熱量，此時氣態(tài)的相變工質(zhì)又重新相變?yōu)榉菤鈶B(tài)的相變工質(zhì)，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(zhì)在相變換熱腔內(nèi)沿葉尖和葉根之間的方向往復(fù)流動從而形成一個往復(fù)循環(huán)的相變冷卻，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子葉片進行持續(xù)冷卻，改善了轉(zhuǎn)子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率。本發(fā)明提供的葉輪機械相應(yīng)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(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不 構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片實施例的一個縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片實施例的一個橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片實施例從葉根至葉尖視角的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

本發(fā)明的具體實施方式是為了便于對本發(fā)明的構(gòu)思、所解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征和帶來的技術(shù)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(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所述的本發(fā)明的實施方式中涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

通常物質(zhì)與物質(zhì)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(tài)、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(shù)有非常明顯的影響，流體有相變條件下的表面換熱系數(shù)要遠大于無相變的狀態(tài)，因而采用相變換熱的形式進行葉片冷卻的表面換熱系數(shù)要比液體強制對流換熱系數(shù)高出數(shù)倍、比常規(guī)的無相變的氣體強制對流換熱高出一個數(shù)量級。

由此，針對目前現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子葉片的冷卻方式冷卻空氣量通常較低和葉片換熱系數(shù)通常較低的技術(shù)缺陷，本發(fā)明設(shè)計了一種轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子葉片通過在其葉片本體內(nèi)設(shè)置密封的相變換熱腔并在相變換熱腔內(nèi)部分地填充在常溫下呈非氣態(tài)的相變工質(zhì)，相變工質(zhì)在相變換熱腔內(nèi)沿葉尖和葉根之間的方向往復(fù)流動從而形成一個往復(fù)循環(huán)的相變冷卻，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子葉片進行持續(xù)冷卻，改善了轉(zhuǎn)子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率。

在本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片一個示意性的實施例中，如圖1～圖3所示，轉(zhuǎn)子葉片包括葉片本體，葉片本體內(nèi)設(shè)有密封的相變換熱腔3，在相變換熱腔3內(nèi)部分地填充有在常溫下呈非氣態(tài)的相變工質(zhì)4；

在工作狀態(tài)下，非氣態(tài)的相變工質(zhì)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(tài)的相變工質(zhì)4，氣態(tài)的相變工質(zhì)4向葉片本體的葉根方向流動并放熱相變成非氣態(tài)的相變工質(zhì)，以實現(xiàn)相變工質(zhì)的循環(huán)相變換熱。

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

轉(zhuǎn)子葉片在工作狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，相變換熱腔3中氣態(tài)的相變工質(zhì)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(qū)域的熱量，從而降低葉片本體葉尖區(qū)域的溫度，此時非氣態(tài)的相變工質(zhì)4因吸熱相變?yōu)闅鈶B(tài)的相變工質(zhì)4之后密度降低，并在尚未相變的非氣態(tài)相變工質(zhì)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(qū)域的溫度低于葉尖區(qū)域的溫度，氣態(tài)的相變工質(zhì)4向葉片本體葉根區(qū)域釋放熱量，此時氣態(tài)的相變工質(zhì)4又重新相變?yōu)榉菤鈶B(tài)的相變工質(zhì)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(zhì)4在相變換熱腔3內(nèi)沿葉尖和葉根之間的方向往復(fù)流動從而形成一個往復(fù)循環(huán)的相變冷卻，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子葉片進行持續(xù)冷卻，改善了轉(zhuǎn)子葉片換熱效果，有效提高了冷卻效率，而且循環(huán)冷卻避免了相變工質(zhì)4的添加，節(jié)約了材料。

為了有效地保證葉片本體葉根區(qū)域與葉尖區(qū)域的溫度差足夠大來使得氣態(tài)的相變工質(zhì)4向葉片本體葉根區(qū)域釋放熱量后重新相變?yōu)榉菤鈶B(tài)的相變工質(zhì)4，轉(zhuǎn)子葉片還可以優(yōu)選地包括設(shè)置在葉根處的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻結(jié)構(gòu)能夠保證葉片本體葉根區(qū)域的溫度足夠低來保證氣態(tài)的相變工質(zhì)4重新相變?yōu)榉菤鈶B(tài)的相變工質(zhì)4。

需要說明的是，冷卻機構(gòu)的設(shè)置與否取決于轉(zhuǎn)子葉片自身的尺寸參數(shù)和相變工質(zhì)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(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)。

其中，冷卻結(jié)構(gòu)可以采用液體冷卻的結(jié)構(gòu)，也可以優(yōu)選地采用風(fēng) 冷冷卻，在一個優(yōu)選的實施例中，如圖1所示，冷卻結(jié)構(gòu)包括供冷氣流通的風(fēng)冷通道5。通過設(shè)置風(fēng)冷通道5，從風(fēng)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(qū)域的溫度，易于實現(xiàn)，可實施性高。為了增加冷氣與葉片本體葉根區(qū)域的接觸面積來進一步地提高冷卻效果，一方面，風(fēng)冷通道5優(yōu)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(fēng)冷通道5在葉片本體葉根區(qū)域內(nèi)的長度；另一方面，風(fēng)冷通道5的內(nèi)壁面上優(yōu)選地設(shè)有強化換熱結(jié)構(gòu)6來增加風(fēng)冷通道5的內(nèi)壁面積，其中，如圖3所示，強化換熱結(jié)構(gòu)可以優(yōu)選地通過在風(fēng)冷通道5的內(nèi)壁面上設(shè)置沿著風(fēng)冷通道的方向延伸的肋61、槽或凸起顆粒，當(dāng)然，強化換熱結(jié)構(gòu)還可以為其他現(xiàn)有技術(shù)中常用的強化換熱部件。

葉片本體可以是單一層壁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有相變換熱腔，也可以優(yōu)選地如圖1所示包括葉片外層壁1和葉片內(nèi)層壁2，葉片外層壁1和葉片內(nèi)層壁2之間形成相變換熱腔3，該結(jié)構(gòu)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(jié)約相變工質(zhì)4并實現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片的輕量化設(shè)計，節(jié)約成本。

作為對上述優(yōu)選實施例的改進，如圖1和圖2所示，葉片內(nèi)層壁2內(nèi)設(shè)有對流冷卻腔8和冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻結(jié)構(gòu)包括供冷氣流通的風(fēng)冷通道5，風(fēng)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(nèi)層壁2的連接肋9，連接肋9上設(shè)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(shè)置對流冷卻腔8和冷卻孔10，對葉片本體的葉根區(qū)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(shè)置于葉片本體葉身或葉頂?shù)睦鋮s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(zhuǎn)子葉片的溫度，保護轉(zhuǎn)子葉片。此外，連接肋9不僅用于設(shè)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(zhuǎn)子葉片的整體結(jié)構(gòu)強度。

同理地，為了增加相變工質(zhì)與的外層壁1的內(nèi)壁面接觸面積來進一步地提高冷卻效果，在一個優(yōu)選的實施例中，葉片外層壁1的內(nèi)壁 面上設(shè)有強化換熱結(jié)構(gòu)，強化換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括沿著相變工質(zhì)4流動方向延伸的肋、槽或凸起顆粒。當(dāng)然，強化換熱結(jié)構(gòu)還可以為其他現(xiàn)有技術(shù)中常用的強化換熱部件。

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

以上結(jié)合的實施例對于本發(fā)明的實施方式做出詳細說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和實質(zhì)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(fā)明的保護范圍之內(nèi)。