一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置及其制造方法

摘要

一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置及其制造方法，该装置包括：静叶栅本体，每一叶片内形成冷却通道；内环，与静叶栅本体相连，内部形成有与该冷却通道相连的第一冷却空间；外环，与静叶栅本体相连，内部形成有与该冷却通道相连的第二冷却空间，且第二冷却空间通过两开口与一封闭的冷却管形成一环路；以及所述冷却通道、第一冷却空间、第二冷却空间及冷却管构成封闭的环路热虹吸单元，其中充填有冷却介质，从而实现不依靠气膜的自冷却。本发明静叶栅内的液态金属能在重力作用下持续循环流动实现对静叶栅的冷却，无需额外动力源驱动，无需从压气机引气；叶片表面无气膜形成，对主流燃气影响小；结构简单，制造成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，更具体地涉及一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置及其制造方法，是一种利用液态金属热虹吸效应冷却燃气涡轮静叶栅及其叶片的装置。

背景技术

随着燃气涡轮燃烧室出口温度的不断提升，燃气涡轮叶栅的冷却方法一直备受关注。尤其对于高性能燃气涡轮，紧挨其燃烧室出口的第一级涡轮静叶栅，将直接受到高达1800K～2000K的热风冲击，其材料的耐热性能及使用的冷却方法受到严峻的考验。气膜冷却是现代燃气涡轮最常用的冷却方法之一，这是一种从压气机引气使涡轮叶片表面形成气膜、从而对涡轮叶栅冷却并使其表面隔离主流燃气的主动冷却方法。但是当燃烧室出口热风温度提升到1800K以上甚至更高时，需要从压气机的引气量会急剧上升，过大的引气量会造成压气机的工况急剧恶化，从而可能造成整个燃气涡轮工作不稳定。对于受到高进口温度热风冲击的燃气涡轮静叶栅，脱离压气机引气的静叶栅冷却方法是亟需的。

热虹吸管(重力辅助热管)是具有很高传热性能的被动式传热器件，相比于热管具有结构简单制造成本低的优点。钠钾合金(钠22.2％，钾77.8％)熔点低(约-12℃)，室温下呈液态，沸点较高(1个大气压下784℃)，是一种可以用作高温热虹吸管工作介质的液态金属。本发明提出一种利用钠钾合金这类液态金属热虹吸效应冷却燃气涡轮静叶栅的装置，将燃气涡轮静叶栅做成类似液态金属热虹吸管的结构并实现热虹吸式的被动冷却，既无需额外动力源驱动液态金属流动，也无需从压气机额外引气，还具有对主流燃气的流动和能量影响小的优点。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置及其制造方法，以克服燃气涡轮静叶栅冷却结构复杂、需要从压气机额外引气冷却的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

作为本发明的一个方面，本发明提供了一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置，包括：

具有多支叶片的燃气涡轮静叶栅本体，所述燃气涡轮静叶栅本体上的每一个叶片内部形成冷却通道；

内环，与所述燃气涡轮静叶栅本体相连，所述内环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第一冷却空间；

外环，与所述燃气涡轮静叶栅本体相连，所述外环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第二冷却空间，且所述第二冷却空间通过两个开口与一封闭的冷却管形成一环路；以及

所述冷却通道、第一冷却空间、第二冷却空间及冷却管构成封闭的环路热虹吸单元，其中充填有冷却介质；所述冷却介质移动到所述冷却管处进行热交换以对所述燃气涡轮静叶栅本体实现不依靠气膜的自冷却。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，加工环形的燃气涡轮静叶栅本体，在所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片内部形成冷却通道；

步骤2，加工内环和外环；其中，所述内环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第一冷却空间；所述外环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第二冷却空间；

步骤3，加工冷却管，所述冷却管上形成有充装口；

步骤4，将所述冷却管装配到所述外环上，所述冷却管通过两个开口与所述第二冷却空间形成一环路；

步骤5，对完成加工的各个零件清洗去油；

步骤6，将所述内环和外环分别与所述燃气涡轮静叶栅本体装配在一起，再将所述冷却管与所述外环装配在一起；

步骤7，对完成加工的上述装置抽真空；

步骤8，从所述冷却管的充装口向上述装置内充装适当量的冷却介质，完成后封口。

综上所述，本发明的自冷却燃气涡轮静叶栅装置及其制造方法具有以下有益效果：(1)当燃气涡轮静叶栅本体的表面达到较高的温度(800℃以上)时，自冷却燃气涡轮静叶栅内的液态金属能够在重力作用下持续循环流动实现对静叶栅的冷却，无需额外动力源驱动；(2)无需从压气机引气；(3)叶片表面无气膜形成，对燃气涡轮的主流燃气影响小；(4)冷却管的空间布局为半圆环形，能够安装在紧贴内侧机匣的外涵道中，对外涵道气流的流动影响小；(5)结构简单，制造成本低。

附图说明

图1为本发明的自冷却燃气涡轮静叶栅装置的整体示意图；

图2为本发明的燃气涡轮静叶栅本体零件的3D结构示意图；

图3为本发明的内环零件的结构图；

图4为本发明的外环零件的结构图；

图5为本发明的冷却管及充装口零件的结构图；

图中附图标记含义如下：1.燃气涡轮静叶栅本体，2.内环，3.外环，4.冷却管，5.充装口，11.叶片，12.叶冠，31.圆孔，41.直管段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置，包括：

具有多支叶片的燃气涡轮静叶栅本体，该静叶栅本体上的每一个叶片内部形成冷却通道；

内环，与静叶栅本体相连，内环内部形成有与静叶栅本体的每一叶片中的冷却通道相连通的第一冷却空间；

外环，与静叶栅本体相连，外环内部形成有与静叶栅本体的每一叶片中的冷却通道相连通的第二冷却空间，且第二冷却空间通过两个开口与一封闭的冷却管形成一环路；以及

冷却通道、第一冷却空间、第二冷却空间及冷却管构成封闭的环路热虹吸单元，其中充填有冷却介质；冷却介质移动到该冷却管处进行热交换以对静叶栅本体实现不依靠气膜的自冷却。

作为优选，冷却管与第二冷却空间连通的两个开口位于外环外壁以圆心相对的两个位置处；

作为优选，冷却管形成为带有两个直管段的圆弧形管道，并在其最上端形成有一冷却介质充装口；

作为优选，冷却管安装在燃气涡轮的外涵道中，被外涵道中的大量冷空气强制冷却。

作为优选，静叶栅本体通过镍基高温变形合金或耐高温不锈钢等高温金属材料来制造。

作为优选，内环和外环具有翻边结构。

作为优选，冷却介质为钠钾合金、镓铟锡合金等液态合金，或者钠、钾、锂、铷、铯这些在1个大气压下的熔点在200℃以下且沸点在500℃以上的碱金属。

作为优选，环路热虹吸单元在抽真空过程中，该自冷却燃气涡轮静叶栅装置内部的压强小于9×10^-4Pa。

作为优选，冷却管的截面形状为圆形或者矩形。

本发明还公开了一种自冷却燃气涡轮静叶栅装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，加工环形的燃气涡轮静叶栅本体，在所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片内部形成冷却通道；

步骤2，加工内环和外环；其中，所述内环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第一冷却空间；所述外环内部形成有与所述燃气涡轮静叶栅本体的每一个叶片中的冷却通道相连通的第二冷却空间；

步骤3，加工冷却管，所述冷却管上形成有充装口；

步骤4，将所述冷却管装配到所述外环上，所述冷却管通过两个开口与所述第二冷却空间形成一环路；

步骤5，对完成加工的各个零件清洗去油；

步骤6，将所述内环和外环分别与所述燃气涡轮静叶栅本体装配在一起，再将所述冷却管与所述外环装配在一起；

步骤7，对完成加工的上述装置抽真空；

步骤8，从所述冷却管的充装口向上述装置内充装适当量的冷却介质，完成后封口。

作为优选，其中步骤1-3不分先后顺序。

作为优选，冷却介质为钠钾合金、镓铟锡合金等液态合金，或者钠、钾、锂、铷、铯这些在1个大气压下的熔点在200℃以下且沸点在500℃以上的碱金属。

下面结合附图对本发明的一个优选实施例进行更进一步地阐述说明。

如图1所示，本发明的自冷却燃气涡轮静叶栅装置由燃气涡轮静叶栅本体1、内环2、外环3、冷却管4和充装口5组成。为了简便描述起见，图1及图2中的燃气涡轮静叶栅本体上仅有八支叶片11作为示意。选用具有合适厚度的高温合金棒料加工燃气涡轮静叶栅本体1，首先用数控铣床加工出静叶栅本体的整体外形，然后在每支叶片的位置用电火花打孔的方法加工叶片的内腔，形成具有薄壁中空结构的八支叶片，这些薄壁叶片与叶冠12连接为一体。分别用机床加工出内环2和外环3，外环3上有两个相对的圆孔31。冷却管4为包含两个直管段41的半圆形高温钢管，其上端开孔并与充装口5相贯焊接。充装口5为一根直径略小于冷却管4的短的高温钢管。对完成加工的各个零件清洗去油。之后将燃气涡轮静叶栅本体1的叶冠12分别与内环2和外环3焊接，再将冷却管4的两个直管段41与外环3的两个圆孔分别相贯焊接，形成如图1所示的加工完的自冷却燃气涡轮静叶栅装置的壳体。壳体的内部形成相互连通的空间，这些空间将成为后续充装于其中的钠钾合金的流动通道。在高温环境中对壳体进行真空除气，然后通过充装口5对壳体内部抽真空。在抽真空过程中，如果压强能够小于9×10^-4Pa，则认为静叶栅装置的壳体真空度合格。然 后在壳体的内部保持高真空度的状态下，向其中充装适量的钠钾合金。对完成充装的环路热虹吸静叶栅在充装口5的位置封口焊接，使其内部形成具有高真空度的封闭的钠钾合金流动空间。至此，本发明所述的自冷却燃气涡轮静叶栅装置制造完成。

工作时，本发明所述的环路热虹吸静叶栅需要放置在竖直或者接近竖直的状态，如图1所示。当燃气涡轮静叶栅本体1受到800℃以上的高温热风加热时，位于燃气涡轮静叶栅本体1及其8支叶片11内部的液态钠钾合金会受热气化，而此时位于冷却管4中的钠钾合金仍为温度相对较低的液态，而这部分液态钠钾合金的密度相对较高，因此在整个燃气涡轮静叶栅装置的环路内部将形成显著的密度差，在重力作用下，气化的钠钾合金将自燃气涡轮静叶栅本体1向上流动经过外环3上的圆孔31流入冷却管4的直管段41，然后在半圆形的冷却管4中被冷却液化，在重力作用下通过冷却管4的底部，向上经由直管段41流回燃气涡轮静叶栅本体1及其叶片11的内部。由于工作中的燃气涡轮静叶栅本体1和冷却管4之间将形成明显的温度差，充装于自冷却燃气涡轮静叶栅装置内部的钠钾合金在燃气涡轮静叶栅本体1内部受热和冷却管4散热的条件下能够持续循环流动，表现出热虹吸现象。在持续流动的过程中，钠钾合金“源源不断”的吸收燃气涡轮静叶栅本体1表面的热量，并将这些热量传输至冷却管4，冷却管4置于外涵道中被大量的空气强制冷却，散掉钠钾合金传输来的热量，从而不依靠气膜实现了冷却燃气涡轮静叶栅装置的目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。