具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)及流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)作為一種新型動(dòng)力裝置，在國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的眾多領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要作用?；谔岣呷?xì)廨啓C(jī)性能的迫切需要，作為燃?xì)廨啓C(jī)三大關(guān)鍵部件之一的渦輪進(jìn)口溫度不斷升高，目前已達(dá)到2200K左右，遠(yuǎn)高于材料熔點(diǎn)溫度。為了保證渦輪葉片在高溫環(huán)境下安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行有效冷卻。渦輪葉片的冷卻主要從葉片外部和內(nèi)部?jī)煞矫嬲归_。近年來，渦輪葉片內(nèi)部冷卻方式得到迅猛發(fā)展，主要的冷卻技術(shù)包括沖擊射流冷卻、肋片擾流柱冷卻、柱-肋冷卻，以及組合冷卻。
[0003]目前，隨著渦輪溫度的進(jìn)一步提高，用于渦輪葉片內(nèi)部冷卻的空氣量減少，以及冷卻空氣溫度的提升，導(dǎo)致現(xiàn)行渦輪葉片內(nèi)冷技術(shù)提升空間越來越小，很難再取得階躍性的進(jìn)展。由此可見，必須提出創(chuàng)新性的高效的渦輪葉片內(nèi)部冷卻技術(shù)，從而保障燃?xì)廨啓C(jī)在高溫工況下安全高效運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)，以保證燃?xì)廨啓C(jī)在高溫工況下同樣能夠安全可靠高效運(yùn)行。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明提供了一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置，該渦輪葉片裝置包括:渦輪葉片本體，其內(nèi)部具有冷卻通道，在該冷卻通道內(nèi)采用冊(cè)13作為冷卻工質(zhì)。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)具有以下有益效果:
[0010](I)提高渦輪葉片內(nèi)部冷卻效率，傳統(tǒng)空氣冷卻僅僅是在渦輪葉片內(nèi)部，利用低溫空氣對(duì)高溫壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，而NH3冷卻工質(zhì)不僅與壁面之間存在對(duì)流換熱，而且還吸收壁面的熱量，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，帶走大量的吸收熱；
[0011](2)由于渦輪葉片內(nèi)部冷卻效率的提高，允許更高的渦輪入口燃?xì)鉁囟?，自然?huì)提高熱效率；從渦輪葉片出來的高溫混合氣在合成冊(cè)13的過程中也對(duì)壓氣機(jī)中的低溫空氣放熱，有助于提高熱效率；nh3冷卻氣的存在減少了用于冷卻葉片的來自壓氣機(jī)的低溫空氣，使更多的空氣用于燃燒做功，有助于提高熱效率；
[0012](3)氨氣原料價(jià)格較低，使本發(fā)明的方法經(jīng)濟(jì)可行；
[0013](4)由于全程密封，氨氣的循環(huán)使用，無污染，無危險(xiǎn)，環(huán)境兼容性好。
【附圖說明】
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明以氣態(tài)的NH3為冷卻工質(zhì)從內(nèi)部對(duì)渦輪葉片進(jìn)行冷卻，冷卻效率更高，保證燃?xì)廨啓C(jī)安全可靠運(yùn)行，同時(shí)還具有成本低、環(huán)境兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置包括:渦輪葉片本體、換熱器、風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)。其中，本實(shí)施例渦輪葉片本體內(nèi)部具有冷卻通道，在該冷卻通道內(nèi)，采用NH3作為冷卻工質(zhì)。
[0018]以下分別對(duì)本實(shí)施例的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]本實(shí)施例中，渦輪葉片本體位于渦輪機(jī)殼中，渦輪機(jī)殼的入口連接至燃燒室。渦輪葉片本體的內(nèi)部具有冷卻通道。在該冷卻通道內(nèi)，冷卻工質(zhì)NH3不僅與壁面之間存在對(duì)流換熱，而且還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收渦輪葉片壁面的熱量:
[0020]2NH3— N 2+3H2
[0021]ΔΗ = +46.2kJ/mol
[0022]為了促進(jìn)上述化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，在冷卻通道的內(nèi)壁上均勻涂覆有催化劑。對(duì)于冷卻工質(zhì)NH3而言，該催化劑可以由MgO附載活性組分Ni及其他助長(zhǎng)劑構(gòu)成。
[0023]換熱器的冷工質(zhì)出口連接至渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的入口，熱工質(zhì)入口連接至渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的出口。由渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道傳輸來的高溫的隊(duì)和!12的混合氣，進(jìn)入該換熱器中，在低溫催化劑的環(huán)境下發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng):
[0024]N2+3H2— 2NH 3
[0025]ΔΗ = -46.2kJ/mol
[0026]為了促進(jìn)上述化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，在換熱器的內(nèi)壁上均勻涂覆催化劑。其中，該催化劑可以為:鐵觸媒。
[0027]其中，生成的低溫MV混合氣(主要是NH3)通過換熱器冷卻工質(zhì)出口進(jìn)入渦輪葉片內(nèi)部的冷卻通道中繼續(xù)吸熱進(jìn)行分解，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的內(nèi)部冷卻。
[0028]換熱器的另一側(cè)連接至壓氣機(jī)。該壓氣機(jī)為換熱器提供低溫空氣，從而為高溫的隊(duì)和H 2的混合氣降溫并為化學(xué)反應(yīng)提供低溫環(huán)境。
[0029]此外，為了實(shí)現(xiàn)冷卻工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)，在換熱器向渦輪葉片本體輸送冷卻工質(zhì)的通路上，還設(shè)置有風(fēng)機(jī)。其中，低溫MV混合氣(主要是NH3)進(jìn)入渦輪葉片內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)的動(dòng)力依靠小型風(fēng)機(jī)進(jìn)行。
[0030]本實(shí)施中，采用風(fēng)機(jī)為冷卻工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以采用其他機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)促進(jìn)冷卻工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。
[0031]請(qǐng)參照?qǐng)D1，以下介紹本實(shí)施例渦輪葉片裝置的工作過程:低溫NH3在布滿催化劑的渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道內(nèi)，吸收葉片內(nèi)部壁面的熱量，進(jìn)行分解，生成NJPH2;反應(yīng)后的高溫混合氣(主要是NjPH2)進(jìn)入壓氣機(jī)處布滿催化劑的換熱器，壓氣機(jī)換熱器另一側(cè)為壓氣機(jī)的低溫空氣，高溫合成氣被低溫空氣降溫后，在催化劑的作用下合成NH3;隨后，低溫MV混合氣(主要是NH3)依靠風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)力進(jìn)入渦輪葉片內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)的動(dòng)力依靠小型風(fēng)機(jī)進(jìn)行。
[0032]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以看出:傳統(tǒng)空氣冷卻僅僅是在渦輪葉片內(nèi)部，利用低溫空氣對(duì)高溫壁面進(jìn)行對(duì)流換熱。而本實(shí)施例中，冷卻工質(zhì)NH3冷卻氣不僅與壁面之間存在對(duì)流換熱，而且還吸收壁面的熱量，發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):
[0033]2NH3——N2+3H2
[0034]ΔΗ = +46.2kJ/mol
[0035]相比于單純的對(duì)流換熱，非常明顯可以提高渦輪葉片內(nèi)部的冷卻效率。
[0036]此外，冊(cè)13市價(jià)6000元/噸，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；全程密封，可循環(huán)，無污染，無危險(xiǎn)，環(huán)境兼容性好。
[0037]在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，還提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)。該燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用上述實(shí)施例中的渦輪葉片裝置。
[0038]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚:由于渦輪葉片內(nèi)部冷卻效率的提高，允許更高的渦輪入口燃?xì)鉁囟?，使得燃?xì)庾龉υ黾?，這自然會(huì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率；從葉片出來的高溫混合氣在合成冊(cè)13的過程也對(duì)壓氣機(jī)中的低溫空氣放熱，使得燃燒室進(jìn)口高壓空氣的溫度有所提高，有助于節(jié)省燃料；NH3冷卻氣的存在減少了用于冷卻渦輪葉片的來自壓氣機(jī)的低溫冷氣，可以使更多的低溫高壓空氣進(jìn)入燃燒室燃燒做功，也有助于提高熱效率。
[0039]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0040]此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如:
[0041](I)除了壓氣機(jī)換熱器之外，還可以采用外接冷卻水的形式，只要能夠使得合成氨產(chǎn)生的熱流耗散掉即可；
[0042](2)除了上述已經(jīng)給出的實(shí)施例之外，還可以采用其他的，能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的催化劑，同樣應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0043]綜上所述，本發(fā)明具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置及應(yīng)用其的燃?xì)廨啓C(jī)以氣態(tài)的NH3為冷卻工質(zhì)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行冷卻，冷卻效率更高，同時(shí)還具有成本低、環(huán)境兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。
[0044]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置，其特征在于，包括: 渦輪葉片本體，其內(nèi)部具有冷卻通道，在該冷卻通道內(nèi)采用冊(cè)13作為冷卻工質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，所述冷卻工質(zhì)NH3在冷卻通道內(nèi)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)吸熱:2NH3— N2+3H2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，所述冷卻通道的內(nèi)壁涂覆催化劑以催化上述化學(xué)反應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，所述催化劑由MgO附載活性組分Ni及助長(zhǎng)劑構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，還包括: 換熱器，其冷工質(zhì)出口連接至渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的入口，熱工質(zhì)入口連接至渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的出口； 其中，由渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道傳輸來的隊(duì)和H 2的混合氣進(jìn)入換熱器中，發(fā)生放熱反應(yīng):N2+3H2— 2NH3o
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，所述換熱器的內(nèi)壁涂覆催化劑以催化上述化學(xué)反應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，所述催化劑為鐵觸媒。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，還包括: 壓氣機(jī)，其連接至所述換熱器，用于為進(jìn)入換熱器內(nèi)部的隊(duì)和H 2的混合氣降溫并為上述放熱反應(yīng)的進(jìn)行提供低溫環(huán)境。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪葉片裝置，其特征在于，還包括: 風(fēng)機(jī)，連接于所述渦輪葉片本體和換熱器之間，用于實(shí)現(xiàn)冷卻工質(zhì)在兩者之間的循環(huán)流動(dòng)。
10.一種燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，應(yīng)用權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的渦輪葉片裝置。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有內(nèi)部冷卻功能的渦輪葉片裝置，該渦輪葉片裝置包括：渦輪葉片本體，其內(nèi)部具有冷卻通道，在該冷卻通道內(nèi)采用NH3作為冷卻工質(zhì)。本發(fā)明中，NH3冷卻工質(zhì)不僅與壁面之間存在對(duì)流換熱，而且還吸收壁面的熱量，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，帶走大量的吸收熱，極大的提高了冷卻效率。
【IPC分類】F01D5-18
【公開號(hào)】CN104832219
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510204514
【發(fā)明人】成克用, 淮秀蘭
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院工程熱物理研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月27日