CN109931114A - 一种新型冲击冷却扰流结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型冲击冷却扰流结构，包含上壁面、下壁面和若干扰流柱；扰流柱呈柱状，其上端面、下端面为形状相同的椭圆，上端面、下端面之间的中截面为面积小于上端面的椭圆，扰流柱的柱面由上端面、下端面到中截面曲线过度，且上端面、下端面、中截面的长轴均平行；若干扰流柱设置在上壁面、下壁面之间，使得上壁面、下壁面之间形成冷却通道。冷却气体通过冷却通道的扰流柱群进行强化换热后，流出通道。本发明的新型扰流柱结构及组合方法优点在于能够充分利用冷却气体，降低冷却气体在高温部件内部的压力损失，并能提高扰流柱区域的换热能力。

Description

一种新型冲击冷却扰流结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机、航空发动机高温部件冷却以及其他涉及冲击冷却的领域，尤其涉及一种新型冲击冷却扰流结构。

背景技术

燃气轮机作为航空发动机的主要动力来源，一直是航空技术人员的工作核心，燃气涡轮发动机主要通过高温高压燃气推动涡轮叶片转动。

由热力学循环可知，提高涡轮前燃气温度可以提高热循环效率以及推重比，因此提高涡轮前燃气温度是提高燃气涡轮发动机性能的重要手段。随着涡轮前燃气温度的不断提高，涡轮叶片热承受能力受到了严峻的考验，为了保证发动机高效运行，涡轮安全可靠的工作，需要不断提高涡轮叶片的热承受能力。通常从合成新的耐高温材料和开发高效的冷却技术出发。

目前，高效的冷却技术的开发已经取得诸多成果，其中设置扰流柱是涡轮叶片冷却的有效措施之一。扰流柱设置在涡轮盘内部、涡轮叶片内部冷却通道等部位，冷却流体流经扰流柱群时，冷却气体产生边界层分离，从而增强了气体的冷却效果，达到冷却涡轮叶片的目的。

对于燃气轮机涡轮盘以及涡轮叶片来说，扰流柱的设置不仅能够起到增强换热的作用，而且还可以起到增强该部件的结构强度。

现有的冲击冷却扰流结构中具有以下局限性：

当前普遍采用的扰流柱结构为圆形柱、水滴形柱等，圆形柱状扰流柱具有较好的换热能力，但冷却流体压力损失较大；水滴柱状扰流柱带来的压力损失较低，但是其换热能力也受到了限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种新型冲击冷却扰流结构，即减少冷却气体的压力损失，又最大程度的提高冷却能力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种新型冲击冷却扰流结构，包含上壁面、下壁面和若干扰流柱；

所述扰流柱呈柱状，其上端面、下端面为形状相同的椭圆，上端面、下端面之间的中截面为面积小于上端面的椭圆，扰流柱的柱面由上端面、下端面到中截面曲线过度，且上端面、下端面、中截面的长轴均平行；

所述若干扰流柱设置在上壁面、下壁面之间，使得上壁面、下壁面之间形成冷却通道。冷却气体通过冷却通道的扰流柱群进行强化换热后，流出通道。

作为本发明一种新型冲击冷却扰流结构进一步的优化方案，所述扰流柱的迎流面上设有若干通孔，所述通孔的方向和来流方向相同。

作为本发明一种新型冲击冷却扰流结构进一步的优化方案，所述若干扰流柱中一部分扰流柱的迎流面上设有若干通孔、通孔的方向和来流方向相同，另一部分扰流柱的迎流面上不设通孔。

作为本发明一种新型冲击冷却扰流结构进一步的优化方案，所述扰流柱通孔在扰流柱的迎流面均匀分布，且扰流柱上端面的长轴方向和来流方向相同。

作为本发明一种新型冲击冷却扰流结构进一步的优化方案，扰流柱的柱面曲面沿流向半径为11.1a，沿展向半径为19.8b，上端面、下端面长短半轴比为4a:2.25b，中截面的长短半轴比为2.8a:1.6b，扰流柱沿流向间距为17a，横向间距为16.5b，a、b均为预先设定的长度阈值，且4a大于2.25b。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 对于一般的冲击冷却来说，其主要采用的扰流柱类型为平直的柱体，无法兼顾换热能力和压力损失两方面的要求。

2. 月牙状椭圆形设计的扰流柱，其截面为椭圆，符合流线型设计，且柱面采用曲面设计，减小了扰流柱的迎风面积，因此降低了冷却气体的压力损失，其压力损失较圆柱形扰流柱有所减小，；通过对通道上下底面平均努赛尔数的计算，该型设计的平均努赛尔数高于圆形扰流柱和椭圆形扰流柱的平均努赛尔数，即其换热能力高于圆形扰流柱和椭圆形扰流柱。

3. 局部开孔的月牙状椭圆形设计的扰流柱，对上述扰流柱迎流面开孔，对冷却气体进一步分流，较大程度的减小了气体的压力损失，较圆柱形扰流柱压力损失减少程度最大，其换热能力较圆柱形扰流柱有所提高。

4. 月牙状椭圆形与局部开孔的月牙状椭圆形扰流柱组合设计的扰流柱，通过两种类型扰流柱的排列组合，使得整体性能得到综合的提升。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明扰流柱均设置通孔的结构俯视图；

图3是本发明扰流柱均设置通孔的结构示意图；

图4是本发明一部分扰流柱设置通孔的结构示意图；

图5是本发明中未设置通孔的扰流柱的结构示意图；

图6是本发明中设置了通孔的扰流柱的结构示意图。

图中，1-通道出口，2-扰流柱上的孔，3-通道入口，4-带孔的月牙状椭圆形扰流柱，5-月牙状椭圆形结构扰流柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种新型冲击冷却扰流结构，包含上壁面、下壁面和若干扰流柱；如图5所示，扰流柱呈柱状，其上端面、下端面为形状相同的椭圆，上端面、下端面之间的中截面为面积小于上端面的椭圆，扰流柱的柱面由上端面、下端面到中截面曲线过度，且上端面、下端面、中截面的长轴均平行；所述若干扰流柱设置在上壁面、下壁面之间，使得上壁面、下壁面之间形成冷却通道。冷却气体通过冷却通道的扰流柱群进行强化换热后，流出通道。

如图1所示，冷却气流从右侧通道口进入扰流柱群，流经图1所设计的扰流柱区，扰流柱周面为曲面过渡，扰流柱的柱面曲面沿流向半径为11.1a，沿展向半径为19.8b，上端面、下端面长短半轴比为4a:2.25b，中截面的长短半轴比为2.8a:1.6b，扰流柱沿流向间距为17a，横向间距为16.5b。结果发现：在初始条件相同的情况下，相比于圆柱形扰流柱，图一的设计能够减小33%的压力损失，并能提高7%的换热能力。

如图2、图3、图6所示，扰流柱的迎流面上设有若干通孔，通孔的方向和来流方向相同。通孔的开孔直径为0.5b，通孔沿椭圆短半轴方向间距为2b，沿扰流柱高度方向为5b，均为对称分布。结果表明：该设计造成的气体压力损失分别较圆柱形扰流柱和椭圆形扰流柱的压力损失减少42%和25%；其换热能力较圆柱形扰流柱提高3%，但是与椭圆形扰流柱相比换热能力有所降低。

本发明还可以采用另一种方式：若干扰流柱中一部分扰流柱的迎流面上设有若干通孔、通孔的方向和来流方向相同，另一部分扰流柱的迎流面上不设通孔；扰流柱通孔在扰流柱的迎流面均匀分布，且扰流柱上端面的长轴方向和来流方向相同。如图4所示，通过排列组合两种扰流柱结构，使得整体性能达到最佳值，前两排扰流柱选用参考图6类型的扰流柱，后两排采用参考图5类型的扰流柱。结果表明：该设计造成的气体压力损失较圆柱形扰流柱减少36%，其换热能力提高18%。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，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。

Claims (5)

1.一种新型冲击冷却扰流结构，其特征在于，包含上壁面、下壁面和若干扰流柱；

所述扰流柱呈柱状，其上端面、下端面为形状相同的椭圆，上端面、下端面之间的中截面为面积小于上端面的椭圆，扰流柱的柱面由上端面、下端面到中截面曲线过度，且上端面、下端面、中截面的长轴均平行；

所述若干扰流柱设置在上壁面、下壁面之间，使得上壁面、下壁面之间形成冷却通道。

2.根据权利要求1所述的新型冲击冷却扰流结构，其特征在于，所述扰流柱的迎流面上设有若干通孔，所述通孔的方向和来流方向相同。

3.根据权利要求1所述的新型冲击冷却扰流结构，其特征在于，所述若干扰流柱中一部分扰流柱的迎流面上设有若干通孔、通孔的方向和来流方向相同，另一部分扰流柱的迎流面上不设通孔。

4.根据权利要求2所述的新型冲击冷却扰流结构，其特征在于，所述扰流柱通孔在扰流柱的迎流面均匀分布，且扰流柱上端面的长轴方向和来流方向相同。

5.根据权利要求4所述的新型冲击冷却扰流结构，其特征在于，扰流柱的柱面曲面沿来流方向半径为11.1a，沿展向半径为19.8b，上端面、下端面长短半轴比为4a:2.25b，中截面的长短半轴比为2.8a:1.6b，扰流柱沿流向间距为17a，横向间距为16.5b，a、b均为预先设定的长度阈值，且4a大于2.25b。