[發明專利]一種帶有圓弧形曲面凸臺的沖擊冷卻系統

在審

• 申請號: 201710567824.0
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107449308A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 許衛疆;李鵬剛;張博倫;朱惠人;李偉生
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F28D21/00
• 分類號: F28D21/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及一種沖擊冷卻系統，具體地說，涉及一種帶有圓弧形曲面凸臺傳熱分布均勻的高性能沖擊冷卻系統。

技術背景

隨著電子器件不斷向著高集成度、微型化、高功耗的方向發展，其熱流密度迅速提高，電子設備過熱或熱缺陷是電子產品失效的主要原因之一，所以冷卻問題成為制約發展的一個瓶頸。沖擊射流作為一種獨特的流動方式，具有比常規流動強的多的換熱能力，是解決高密度電子器件散熱問題的頗具潛力的方案。

先進高效的沖擊冷卻技術是現代高性能燃氣輪機/航空發動機高溫部件如渦輪葉片、燃燒室等冷卻必須采用的關鍵技術，以保證燃氣機高溫部件高效率、高可靠性地工作，并具有足夠的生命周期。沖擊冷卻自身所具有特點使其非常適合冷卻熱負荷強度大、空間區域受限的冷卻，如渦輪葉片的前緣、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的表面，流程短，并且在滯止點附近形成很薄的邊界層，因而具有非常高的傳熱效率。

隨著民用航空對發動機高效率的要求和軍用發動機對性能、推力的要求的不斷提高，發動機燃燒室和渦輪前燃氣溫度不斷在上升，需要發展更加先進、具有更高效傳熱能力并且使傳熱分布更趨均勻的沖擊冷卻技術。高效的沖擊冷卻系統可以提高高溫部件的工作壽命，減小冷卻空氣的消耗，從而提高發動機的工作效率、降低維護費用。

沖擊冷卻系統一般由多孔射流板，沖擊靶板，以及由多孔射流板和沖擊靶板之間形成的冷卻流道所組成。氣流經過多孔射流板形成多股射流，該射流沖擊到靶板表面，形成沖擊冷卻。如圖1所示。但是，從現有的沖擊冷卻系統的使用情況來看，仍然具有一定的局限性：(1)還需要進一步提高壁面總體傳熱系數，以提高現有的沖擊系統的傳熱能力，從而能夠適應不斷增加的高冷卻負荷的需求；(2)現有的沖擊冷卻系統中，沖擊壁面上的射流沖擊區域內的傳熱系數很高；但是在靶板的射流滯止點區由于射流速度瞬間減小為0且射流方向發生了90度的偏轉，因而造成了極大的動量損失和壓力損失；(3)沖擊區內的壓力梯度和速度梯度大容易造成被冷卻區域形成較大的溫度梯度、引起熱應力導致熱疲勞，對沖擊壁面的結構強度造成了極大的影響，在燃氣輪機和航空發動機的渦輪葉片上尤為突出。

發明內容

為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種帶有圓弧形曲面凸臺的沖擊冷卻系統。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括射流板、沖擊靶板、射流孔、冷卻流道、圓弧形曲面凸臺，在射流板與沖擊靶板之間形成冷卻流道，所述射流板上設有使流體形成射流的射流孔，所述沖擊靶板上設置有圓弧形曲面凸臺陣列，圓弧形曲面凸臺位于射流孔中心下方的沖擊靶板上；所述圓弧形曲面凸臺為帶有圓弧母線的圓錐體結構，圓弧形曲面凸臺高度H_c為0.2～4D_j，圓弧形曲面凸臺底部半徑R_c為0.5～5D_j，圓弧形曲面凸臺的圓弧母線半徑R_h為0.3～16D_j；所述射流孔直徑D_j為0.5～8mm；射流板與沖擊靶板之間間距H為1～8D_j。

所述射流孔為多個,射流孔在射流板上成陣列布設，射流孔中心下方對應有圓弧形曲面凸臺，兩個射流孔之間間距Wc為20～25D_j。

所述沖擊靶板上布設的圓弧形曲面凸臺為相互獨立結構。

有益效果

本發明提出的一種帶有圓弧形曲面凸臺的沖擊冷卻系統，應用射流沖擊技術,在沖擊靶板上布設圓弧形曲面凸臺陣列，在射流板上設有用于流體形成多股射流的射流孔，圓弧形曲面凸臺位于射流孔中心下方，通過圓弧形曲面凸臺的曲形面將來自于射流孔的沖擊射流進行均勻分散，并平緩的改變射流的流動方向。沖擊冷卻系統改善靶板上氣流的流動情況，減小溫度梯度，使傳熱分布更加均勻，減小熱應力集中,提高沖擊冷卻系統整體的傳熱能力；通過使冷卻氣流平緩的改變流向，減小了滯止區動量損失和壓力損失，使得冷卻氣流可以覆蓋更大的面積。沖擊冷卻系統還可廣泛應用于紡織品、紙張、木材的干燥，鋼鐵的冷卻或加熱，飛機機翼的除冰，航空發動機渦輪葉片的冷卻工程領域。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發明一種帶有圓弧形曲面凸臺的沖擊冷卻系統作進一步詳細說明。

圖1為現有技術的沖擊冷卻系統示意圖。

圖2為本發明帶有圓弧形曲面凸臺的沖擊冷卻系統示意圖。

圖3為常規圓錐體與圓弧形曲面凸臺對比示意圖。