CN100489287C - 一种低流阻层板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于燃气涡轮发动机的通用层板结构，其内部的扰流柱由位于相邻进气孔和出气孔之间的主扰流柱，还有位于相邻两进气孔之间的副扰流柱组成。每个层板单元体中，包括4个完整的主扰流柱，和4个1/2副扰流柱。相对于普通结构的层板，副扰流柱的增加，削弱了相邻两股冷却气体的相互撞击，提供了额外的换热面积，并且更加充分的利用了进气冲击气流，所以其流动阻力减少了约20%，换热能力增强了约10%。

Description

一种低流阻层板结构

技术领域

在航空发动机中，高温部件的冷却设计很大程度上决定了整机性能和可靠性。本发明涉及一种适用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构。该结构可用于涡轮叶片或者燃烧室的冷却，适用于新一代高性能航空发动机对与高温部件冷却性能的要求。本结构中包括进气板、进气孔、扰流柱、出气板和出气孔五种特征结构，其扰流柱可分为主扰流柱和副扰流柱。扰流柱为圆柱形。

背景技术

在燃气涡轮发动机中的涡轮叶片紧挨着燃烧室，其所处环境温度局部高达2000K。为了改善燃气涡轮发动机的热效率，一般采用提高涡轮前温度，随之带来的是涡轮部件热负荷的增加。另外，涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作(转速可达15000rpm以上)，处于非常高的离心力场当中。在如此恶劣的工作环境中，要保证叶片正常、可靠、长期的工作，就必须对涡轮叶片进行有效的冷却，保持最佳的热应力状态。为了实现高效燃气涡轮机的性能随着涡轮前温度的进一步提高，高温部件的冷却设计很大程度上决定了整机性能和可靠性。燃气涡轮发动机中的热端部件的冷却问题，是制约整机推重比和效率的主要因素之一，其中，最为突出的是涡轮叶片和燃烧室的冷却结构设计。冷却的原则是使用最少的冷气量来带走尽可能多的热量，保护零部件处于较低的温度范围，并且具有较小的温度梯度。层板结构中集成了“冲击冷却”、“强化对流冷却”、“气膜冷却”三种冷却形式，又因为其丰富的内腔和孔结构，在换热效果上逼近多孔介质发汗式冷却，能够适应目前燃气涡轮发动机对于热端部件的冷却要求，有着广泛的应用前景。对于层板冷却结构，其内腔的扰流柱设计，是区别不同层板类型的主要特征，也是影响其流动和换热性能的主要因素。本发明将提出一种全新的高性能的扰流柱结构。该结构可以避免层板内部气流之间的相互冲击，从而减小流动的阻力，同时还可增强层板换热能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于燃气涡轮发动机热端部件冷却的通用的层板结构，该结构中包括位于进气板中的进气孔(2)、位于出气板中的出气孔(5)、主扰流柱(3)和副扰流柱(4)，其特征在于：在相邻两个进气孔(2)之间安装有一个圆柱形的副扰流柱(4)，在以相邻的4个进气孔(2)的轴线所划分的层板单元体中，一个出气孔(5)布置在该单元体中间，且扰流柱的总量为6个，在相邻进气孔(2)和出气孔(5)之间有4个完整的主扰流柱(3)，在相邻两进气孔之间有4个1/2副扰流柱(4)，主扰流柱和副扰流柱(3)和(4)均为圆柱形，其直径范围为相邻两进气孔(2)间距L的10％～40％，相邻两进气孔(2)的间距L的取值范围为3mm～6mm。

本发明的层板冷却结构的优点在于：(1)副扰流柱可以削弱相邻两股进气气流的相互冲击，减小二者相汇时的碰撞角度，从而降低流动阻力；(2)副扰流柱可以减小内腔流道的体积，减小气流在层板中的扩长程度，从而减小流阻；(3)副扰流柱可以使其下游通道内的旋涡流动得到抑制，减少其从主流中吸收的能量，使得整体流动阻力变小；(4)副扰流柱的增加使得内腔换热面积增大，从而增强内腔换热；(5)冷却气流对副扰流柱形成冲击，使之具有较强的换热效果。

附图说明

图1本发明的层板结构示意图

图2本发明的层板结构俯视图。

图3图2的A—A剖视图图。

图4图2的B—B剖视图图。

图中：     1.出气板        2.进气孔       3.主扰流柱     4.副扰流柱

5.出气孔   6.单元体分界面  7.进气板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种适用于燃气涡轮发动机燃烧室和涡轮叶片冷却的通用层板结构。其中扰流柱3、4的结构是区别于其它层板结构的主要特征。以相邻的4个进气孔2的轴线所划分的区域为层板最小单元体，其界面为6。最小单元体内包括有4个完整的主扰流柱3，和4个1/2副扰流柱4。主扰流柱3位于相邻的进气孔2和出气孔5之间，而副扰流柱4位于相邻的两个进气孔2之间。整个层板可以认为是由多个这样的单元体按照周期性和对称性复制扩展而成。

请参见图1和2所示，冷却气体由开在进气板7上的进气孔2进入到层板内腔中，在出气板1的内侧形成冲击流动，具有很强的换热能力。冲击过后，冷气贴着内腔上壁面向四周流动，在主扰流柱3和副扰流柱4的前缘再次形成冲击流动，换热效果较好。冷气穿过主扰流柱3和副扰流柱4之间所形成的通道，最终由出气孔5流出层板，并且受层板外侧流动的影响形成气膜覆盖，从而减少燃气对层板的直接加热。层板的受热面主要来自于出气板1的外侧，一般为高温燃气。

请参见图1、2和3所示，一般情况下，层板中进气孔2、出气孔5、主扰流柱3和副扰流柱4的轴线之间的距离都是相等的，也可以根据需要设计成不等的，但根据相似原理，仍认为是本发明所示的结构；根据气膜冷却的需要，出气孔5可以设计成倾斜的；本发明图示中，主扰流柱3和副扰流柱4为圆柱形且直径相等，可以根据实际需要设计成直径不等。

本发明经过了三维数值模拟和实验的验证，其流动阻力比无副扰流柱的普通层板结构降低了约20％，其换热性能提高了约10％。

Claims (1)

1、一种用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，包括位于进气板中的进气孔(2)、位于出气板中的出气孔(5)、主扰流柱(3)和副扰流柱(4)，其特征在于：在相邻两个进气孔(2)之间安装有一个圆柱形的副扰流柱(4)，在以相邻的4个进气孔(2)的轴线所划分的层板单元体中，一个出气孔(5)布置在该单元体中间，且扰流柱的总量为6个，在相邻进气孔(2)和出气孔(5)之间的4个完整的主扰流柱(3)以及在相邻两进气孔之间的4个1/2副扰流柱(4)，主扰流柱和副扰流柱(3)和(4)均为圆柱形，其直径范围为相邻两进气孔(2)间距L的10％～40％，相邻两进气孔(2)的间距L的取值范围为3mm～6mm。

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