[發明專利]一種陣列沖擊射流冷卻中的擾流結構

在審

• 申請號: 201811049045.2
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN108979754A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 李潤東;郭曾嘉;賀業光
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: F01D25/12
• 分類號: F01D25/12
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

本發明屬于燃氣輪機及航空發動機高溫部件冷卻及其他一些涉及到陣列沖擊射流冷卻的領域，具體為一種陣列沖擊射流冷卻中高性能的擾流結構，提供三種擾流柱結構設計，包括一種異五邊形擾流柱陣列排布的射流靶板，一種穹頂形擾流柱陣列排布的射流靶板，一種水滴形擾流柱陣列排布的射流靶板。本次設計的優勢在于使用最少的冷卻空氣量，最大程度的提高冷卻效率，并且降低冷卻壁面整體的溫度梯度，使傳熱更加均勻穩定。

技術領域：

本發明屬于燃氣輪機及航空發動機高溫部件冷卻及其他一些涉及到陣列沖擊射流冷卻的領域，具體為一種陣列沖擊射流冷卻中的擾流結構。

背景技術：

燃氣輪機能夠提供強大動力，主要通過其高溫高壓燃氣來實現的，高溫燃氣的初始溫度決定著燃氣輪機的工作效率。為了提升燃氣輪機的效率，渦輪進口處燃氣的溫度需要不斷提高。但是隨著燃氣溫度的提高，對燃氣輪機的高溫部件工作的穩定性以及壽命帶來了嚴峻的考驗。與此同時材料的發展卻跟不上燃氣輪機對性能的要求，因此必需采取有效的、先進的冷卻技術來保證燃氣輪機的安全運行和壽命。

目前，燃氣輪機的發展趨勢是提高溫升和降低污染物的排放，二者都需要較大范圍的提高用于燃氣輪機燃燒室的空氣比例，由此導致用于燃機熱端部件的冷卻空氣比例降低。在保證燃氣輪機熱效率的情況下，如何通過更少的冷卻空氣量，更有效的冷卻燃機的熱端部件是目前迫切需要解決的問題。

在沖擊冷卻系統中，沖擊射流在沖擊換熱靶板后形成的流動邊界層極薄，換熱系數比常規的對流換熱要高出幾倍甚至一個量級，能夠最大限度的提高靶板表面的局部傳熱系數，提供良好的冷卻效果，因此沖擊冷卻在燃氣輪機高溫部件的冷卻中有著廣泛的應用。但是在沖擊冷卻系統中只有在沖擊駐點附近的邊界層很薄，而其他區域的壁面存在著氣體邊界層，會影響了靶板表面的換熱效果，導致整個靶板的換熱不均勻，從而影響燃氣輪機的冷卻效率。而在沖擊靶板上設置擾流元件的陣列射流沖擊冷卻，不僅可以在最大程度的降低邊界層的厚度，還可以加強內部通道的擾動，加大冷卻通道內部冷卻氣流的湍流度，擴展換熱表面積，進一步強化換熱效率。

現有的陣列射流冷卻系統中具有如下局限性：

(1)上流沖擊孔的冷卻氣流沖擊靶板之后，會在冷卻通道內產生一定量的橫流，橫流會對下流的射流產生影響，使下流射流發生偏移，導致靶板的換熱效率降低以及靶板表面的冷卻效果不均勻。

(2)在陣列射流冷卻系統的靶板上設置擾流元件后，由于擾流柱形狀的不理想，使其不能有效的阻礙橫流的發展，導致換熱效果的改善不理想，靶板的溫度梯度雖然有所改善但溫度梯度很大，沖擊靶板的換熱仍然很不均勻。

(3)在陣列射流冷卻系統的靶板上設置擾流元件后，沖擊冷卻系統內部由于擾流柱的存在而產生了很大的額外的壓力損失，其對沖擊冷卻系統總體換熱性能的提升不如壓力損失所增加的幅度，即使產生了更好的換熱性能，但是對于沖擊冷卻系統來說也是不合理的。

發明內容：

本次設計目的在于使用最少的冷卻空氣量，最大程度的提高冷卻效率，同時降低了冷卻壁面整體的溫度梯度，使傳熱更加均勻穩定。為實現上述目的，本發明的方案如下：

一種陣列沖擊射流冷卻中的擾流結構，包括射流孔板及射流靶板，所述的射流孔板上設有多個陣列排列的沖擊孔，所述射流孔板位于所述射流靶板的上部，射流靶板與射流孔板之間為空腔設計，所述射流靶板上設有多個擾流柱，所述是擾流柱為截面為異五邊形柱體，或者為截面近半橢圓的穹頂形設計柱體，或者為截面是水滴形狀設計柱體。

進一步地，所述的沖擊孔的直徑為D。

進一步地，所述截面異五邊形設計的擾流柱的截面由一銳角等腰三角形底邊接一長方形組成，截面三角形高為1.2D，截面長方形側邊長為0.2D，截面長方形底邊長為0.7D，擾流柱截面銳角邊正對來流方向，擾流柱的高度為2D。