[發(fā)明專利]一種高性能沖擊冷卻系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410856711.9
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104712372A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設計）人: 饒宇
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18;F02C7/12
• 代理公司: 上海旭誠知識產(chǎn)權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發(fā)明涉及一種高性能沖擊冷卻系統(tǒng)，尤其涉及一種具有微小W形肋的沖擊冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明可用于燃氣輪機或航空發(fā)動機中高溫部件的高效冷卻，還可用于高功率電子器件等需要高效傳熱與冷卻的技術領域。

背景技術

先進高效的沖擊冷卻技術是高性能燃氣輪機/航空發(fā)動機高溫部件(渦輪葉片、燃燒室等)冷卻必需采用的關鍵技術，以保證燃氣輪機高溫部件高效率、高可靠性地工作，并具有足夠的生命周期。沖擊冷卻非常適合冷卻熱負荷強度大、空間受限區(qū)域的冷卻，如渦輪葉片前緣、燃燒室壁面等冷卻。沖擊冷卻過程中流體直接沖擊需要冷卻表面，流程很短，并且在駐點附近形成很薄的邊界層，因而具有非常高的傳熱效率。另一方面，現(xiàn)代高功率電子設備及高功耗設備的發(fā)展向高集成、小型化方向發(fā)展，也迫切需要發(fā)展高性能的沖擊冷卻技術。

隨著現(xiàn)代高性能燃氣輪機和航空發(fā)動機燃燒室和渦輪進口燃氣溫度參數(shù)(>1600℃)的進一步提高，需要發(fā)展更加先進、具有更高傳熱性能并且傳熱分布均勻的沖擊冷卻技術。更高性能的沖擊冷卻系統(tǒng)，可以提高高溫部件的工作壽命，并節(jié)約冷卻空氣量，提高燃氣輪機和航空發(fā)動機的整體工作效率。

沖擊冷卻系統(tǒng)通常由多孔射流板10，沖擊靶板12，以及由多孔射流板和沖擊靶板形成的冷卻流道26組成。氣流經(jīng)過多孔射流板形成多股射流20，該射流沖擊到靶板表面，形成沖擊冷卻。如圖1所示。圖中箭頭28表示橫流的流動方向。

然而，現(xiàn)有的沖擊冷卻系統(tǒng)具有如下局限性：(1)壁面總體傳熱系數(shù)還需進一步提高以提升現(xiàn)有沖擊冷卻系統(tǒng)的傳熱能力，以適應更高冷卻負荷的需求；(2)現(xiàn)有沖擊冷卻系統(tǒng)中，在沖擊壁面12(靶板)上的射流沖擊區(qū)域傳熱系數(shù)很高；但在壁面上的射流沖擊區(qū)域之間，尤其是斜對角相鄰的沖擊區(qū)域之間的區(qū)域，由于壁面流動邊界層變厚并且流動湍動能量降低，因而這些區(qū)域換熱性能很差。這種冷卻表面?zhèn)鳠岱植嫉牟痪鶆蛐裕沟帽诿嫒菀仔纬蔁釕校⑷菀桩a(chǎn)生熱斑或冷斑，從而產(chǎn)生疲勞應力，影響發(fā)動機高溫部件壽命。因此現(xiàn)有的冷卻性能需要進一步改善，以提高燃氣輪機和航空發(fā)動機性能的總體熱性能。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能提高現(xiàn)有沖擊冷卻系統(tǒng)整體傳熱能力，并且傳熱分布更均勻的高性能沖擊冷卻系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高性能沖擊冷卻系統(tǒng)，包括多孔射流板和沖擊靶板，所述多孔射流板和所述沖擊靶板之間形成冷卻流道，所述多孔射流板具有用于流體形成多股射流的射流孔，其中，所述沖擊靶板上設置有W形肋陣列，所述W形肋陣列包括多個W形肋片，所述W形肋片位于所述射流孔在所述沖擊靶板上形成的投影之外的區(qū)域中。

進一步地，所述W形肋片包括多個“V”字形肋片。

進一步地，所述W形肋片由多個所述“V”字形肋片沿所述沖擊靶板的壁面連接而成。

進一步地，多個所述“V”字形肋片連成的所述W形肋片沿所述沖擊靶板的壁面延伸的方向垂直于所述射流形成的橫流的流動方向。

進一步地，所述“V”字形肋片中的“V”字形的夾角為30°～150°。

進一步地，所述W形肋片的高度小于2mm。

在本發(fā)明的一個較佳實施方案中，多個所述射流孔在所述沖擊靶板上的投影為陣列布置，每兩排由所述射流孔在所述沖擊靶板上形成的投影之間設置有至少一個所述W形肋片。

在本發(fā)明的另一較佳實施方案中，多個所述射流孔在所述沖擊靶板上的投影為陣列布置，每兩排由所述射流孔在所述沖擊靶板上形成的投影之間設置有多個所述W形肋片。進一步地，所述多個W形肋片包括靠近所述投影并使所述投影位于“V”字形的開口中的W形肋片。

對于一般的沖擊冷卻系統(tǒng)，流體通過多孔射流板上的射流孔形成多股射流沖擊到?jīng)_擊靶板的壁面形成壁面射流，并沿流動方向形成橫流，本發(fā)明的沖擊冷卻系統(tǒng)在沖擊靶板上設置微小W形肋陣列，使微小W形肋片與壁面射流和橫流相互作用，產(chǎn)生下洗渦流，增強了W形肋片的下游壁面的流動湍動能量，減薄壁面流動邊界層，因此增強了換熱。另外，在沖擊靶板的壁面設置微小W形肋陣列后，改善了傳統(tǒng)沖擊冷卻系統(tǒng)中存在的位于沖擊靶板上沖擊射流區(qū)域之間的低傳熱區(qū)域的傳熱性能，從而提高了沖擊靶板壁面的傳熱均勻性能。

除此之外，由于微小W形肋高度較小，與常規(guī)的具有平壁面的沖擊冷卻系統(tǒng)相比，本發(fā)明的沖擊冷卻系統(tǒng)的壓力損失不會明顯提高，其重量也不會明顯增加。

以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。