[發(fā)明專利]一種旋流與沖擊相結(jié)合的透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711397796.9
• 申請(qǐng)日: 2017-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN108150224A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李亮;王杰楓;周源遠(yuǎn);范小軍;杜長(zhǎng)河
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F01D5/18
• 分類號(hào): F01D5/18;F01D9/04;F01D25/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明公開了一種旋流與沖擊相結(jié)合的透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，是由旋流冷卻和沖擊冷卻組合而成。冷氣進(jìn)入進(jìn)氣腔室后，經(jīng)由旋流噴嘴和沖擊噴嘴進(jìn)入到冷卻腔室，通過旋流與沖擊的相互作用產(chǎn)生了新的復(fù)合流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻腔室壁面的冷卻。本發(fā)明具有換熱性能好、壓力損失低、抗橫流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平葉片的內(nèi)部冷卻中。本發(fā)明在換熱方面具有換熱分布均勻，局部換熱強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于溫度高且溫度場(chǎng)不均勻的燃?xì)猸h(huán)境；其次，本發(fā)明在流動(dòng)方面抗橫流能力強(qiáng)，壓力損失小，效率高。最后，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、噴嘴排布方式靈活，適于大范圍的工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于葉輪機(jī)械領(lǐng)域，涉及一種旋流與沖擊相結(jié)合的透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

目前，透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1600K以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了透平葉片材料的耐熱極限。因此，必須對(duì)葉片采取有效的冷卻措施，才能保護(hù)葉片免受高溫燃?xì)馄茐模?dāng)前主要采用葉片前緣沖擊冷卻、葉片內(nèi)部蛇形通道對(duì)流冷卻、葉片尾緣擾流柱肋冷卻和氣膜冷卻相結(jié)合的復(fù)合冷卻方式。隨著透平進(jìn)氣溫度的不斷提高，如繼續(xù)采用現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)，則必須增加冷卻氣體的流量，會(huì)導(dǎo)致透平功率和效率的降低，抵消提高進(jìn)氣溫度帶來的收益。因而發(fā)展新的高效的冷卻結(jié)構(gòu)是透平冷卻技術(shù)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

沖擊冷卻，是使冷氣通過沖擊噴嘴射入冷卻腔室，并以較高的速度沖擊靶面，與靶面間發(fā)生強(qiáng)烈的對(duì)流換熱從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的冷卻。該冷卻方式中，冷氣高速?zèng)_擊靶面破壞了滯止點(diǎn)附近的邊界層，因此該冷卻方式具有局部區(qū)域(滯止點(diǎn)附近)換熱強(qiáng)度高的特點(diǎn)。但靶面其他位置換熱強(qiáng)度低，同時(shí)沖擊射流易受到橫向氣流推擠。這些缺點(diǎn)削弱了沖擊冷卻的冷卻效果。

旋流冷卻是一種新的葉片前緣冷卻方式。該冷卻方式中，進(jìn)氣腔室中的冷氣通過旋流噴嘴切向進(jìn)入冷卻腔室，形成大尺度的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沖刷靶面邊界層，同時(shí)加強(qiáng)了冷氣摻混以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的冷卻。旋流冷卻具有冷卻能力好、氣動(dòng)特性優(yōu)良等特點(diǎn)。相較于沖擊冷卻，旋流冷卻的換熱分布更為均勻，同時(shí)其抵抗橫流的能力也更強(qiáng)。但旋流冷卻的局部換熱能力弱于沖擊冷卻。目前的燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口氣流溫度分布不均勻，存在“熱斑”等局部高溫區(qū)域；而旋流冷卻不能有效應(yīng)對(duì)畸變的溫度場(chǎng)。這一缺點(diǎn)影響了旋流冷卻的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的旋流冷卻和沖擊冷卻的缺點(diǎn)，綜合兩種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱分布合理、冷卻效果好的旋流與沖擊相結(jié)合的透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用于復(fù)雜高溫燃?xì)猸h(huán)境下的葉片內(nèi)部冷卻。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種旋流與沖擊相結(jié)合的透平葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)氣腔室、冷卻腔室、出口和若干噴嘴；進(jìn)氣腔室和冷卻腔室通過若干噴嘴相連接；冷氣在進(jìn)氣腔室內(nèi)通過若干噴嘴進(jìn)入到冷卻腔室中，形成旋流射流與沖擊射流，并且兩股射流相互作用，形成復(fù)合流動(dòng)結(jié)構(gòu)，與冷卻腔室壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶面的冷卻。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

噴嘴包括沖擊噴嘴和旋流噴嘴，進(jìn)氣腔室和冷卻腔室通過旋流噴嘴和沖擊噴嘴相連接。

旋流噴嘴的截面為矩形，位于與冷卻腔室圓弧段相切的位置。

沖擊噴嘴的截面為圓形，垂直于冷卻腔室的上表面中間位置。

冷卻腔室與進(jìn)氣腔室寬度相同，且平行布置。

出口的截面為矩形，位于冷卻腔室末端上表面中間位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：