CN103967621B - 具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置 - Google Patents

具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，包括基板、冷却通道、多个斜肋和多个凹陷。其中，冷却通道、多个斜肋和多个凹陷均设置在基板的壁面，多个凹陷错列排列或纵向排列，形成凹陷阵列，每个或多个凹陷的上游壁面设置有斜肋，从而形成斜肋-凹陷复合结构。本发明中具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置能克服现有凹陷涡发生器中凹陷上游壁面的边界层流动湍动能量低，凹陷前缘处流动易分离，从而传热低的缺点，显著地提高综合传热性能，同时在相同的冷却负荷下，可减小冷却流体的流量，从而降低泵或风机的功耗，对实际的强化换热或提高冷却性能的应用具有非常重要的意义。

Description

具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种冷却装置，尤其涉及一种用于燃气轮机或航空发动机中高温部件的具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置。
背景技术
先进高效的传热与冷却技术是高性能燃气轮机或航空发动机必需发展的核心关键技术，以保证燃气轮机高温部件高效率、高可靠性地工作，并具有足够的生命周期。燃气轮机或航空发动机中需要高效冷却的关键高温部件通常包括：涡轮叶片、燃烧室等，传统的方法是通过内部的肋片和柱肋扰流冷却、冲击冷却，以及外部的气膜冷却对高温部件进行热防护。
但随着现代燃气轮机或航空发动机的温度参数（>1600°C）的进一步提高，单独地应用传统的肋片或柱肋扰流冷却技术已难以充分冷却高温部件。表面上的凹陷涡发生器是一种高效的传热结构，它利用产生的强烈非稳态涡流来增强表面的传热性能，同时保持很低的流阻水平。将凹陷与传统的肋片或柱肋共同使用能进一步提高现有的燃气轮机涡轮叶片或燃烧室壁面的冷却能力。
在燃气轮机高温部件冷却中，球面凹陷涡发生器是常用的一种传热或冷却结构。尽管从整体上看球面凹陷涡发生器能够显著强化对流传热，但实验和数值计算研究表明，球面凹陷的前半部由于流动分离以及低速回流区，导致传热性能很差；而在凹陷的后半部，由于受到流体的附着及冲击，形成强烈的涡流，换热性能大幅度增强。球面凹陷前半部的传热系数仅为其后半部的25％，这样在实际应用中球面凹陷的前半部壁面温度将比其后半部显著升高，这将成为热应力产生的根源。为了提高传热性能，可以通过改变凹陷形状，如采用倒圆、斜面或其它先进结构，如泪滴形，改善凹陷内部涡流结构来实现，但在涡轮叶片中加工先进复杂的泪滴形凹陷并非易事，将增加加工难度和成本，这些因素都限制了凹陷涡发生器总体性能的发挥和实际应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种设计简单、易于实现的且具有更高传热性能的基于凹陷涡发生器的先进对流冷却技术。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种设计简单、易于实现的且具有更高传热性能的基于凹陷涡发生器的先进对流冷却技术。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，所述冷却装置包括基板、冷却通道、多个斜肋和多个凹陷；其中，所述冷却通道设置在所述基板的壁面；所述基板的壁面上还设置有多个所述凹陷，多个所述凹陷组成凹陷阵列，所述凹陷在所述基板的壁面上错列排列或纵向排列；每个或多个凹陷的上游壁面设置所述斜肋，多个斜肋和多个凹陷的组合为斜肋-凹陷复合结构。
进一步地，所述斜肋由两条肋组成，形成V字形，V字形夹角60度-180度，所述V字形的开口方向指向相邻的所述凹陷。
进一步地，所述肋的截面形状为矩形或具有倒圆角的矩形。
进一步地，所述斜肋中每条肋的宽度不大于2.0mm，且高度不大于2.0mm。
进一步地，所述斜肋分布在所述凹陷的上游壁面，所述斜肋的端点与相邻的所述凹陷中心的水平距离为所述肋的宽度的0.5-6倍。
进一步地，所述斜肋通过熔模铸造、铣加工、钎焊形成于所述基板的壁面。
进一步地，所述凹陷形状为球面的一部分、椭球形、泪滴形。
进一步地，所述凹陷通过模具铸造、铣加工、冲压形成于所述基板的壁面。
进一步地，所述凹陷的深度为所述凹陷的直径的0.05～0.3倍。
进一步地，所述斜肋-凹陷复合结构与肋片或柱肋组合，形成肋片-斜肋-凹陷复合结构或柱肋-斜肋-凹陷复合结构。
本发明中，当流体流入该冷却装置的冷却通道内，斜肋不断地破坏流动边界层，并在每个斜肋后面产生下洗涡流，该下洗涡流将增强凹陷上游近壁面边界层的流动湍动能量，并减缓凹陷前缘流动分离的产生，从而提高上游壁面的传热性能；另一方面，下洗涡流流过凹陷时将改善凹陷内部流场，特别是凹陷前半部分区域，从而显著提高凹陷内部传热性能；下洗涡流还能提高凹陷后半部流动附着湍流混合强度，从而增强该区域及下游壁面的传热性能。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明中在凹陷的上游壁面安装微小斜肋，流体经过各微小斜肋后产生下洗涡流，提高了凹陷上游边界层的流动湍动能量，改善了凹陷前半部分近壁面流场结构和后半部分流动附着湍流混合强度，从而凹陷的上游壁面、内部及下游壁面的传热性能都有提高。与现有的凹陷涡发生器相比，本发明中具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置能克服现有凹陷涡发生器中凹陷上游壁面边界层流动湍动能量低，凹陷前缘处流动易分离，从而传热低的缺点，显著地提高综合传热性能，同时在相同的冷却负荷下，可减小冷却流体的流量，从而降低泵或风机的功耗。另外，在凹陷的上游壁面安装微小斜肋操作简单，具有良好的可实现性。这些都对实际的强化换热或提高冷却性能应用具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例1的具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置的主视图；
图2是图1所示实施例的俯视图；
图3是图1所示实施例的左视图；
图4是本发明实施例2的燃气轮机涡轮叶片内部冷却结构的横截面示意图；
图5是本发明实施例2的具有肋片-微小斜肋-凹陷和柱肋-微小斜肋-凹陷两种复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片的纵向截面示意图；
图6是图5所示实施例的柱肋-微小斜肋-凹陷复合结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明保护范围不限于下述实施例。
具体实施例1：
本实施例中，如图1-3所示，一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，包括基板10，冷却通道11，多个斜肋12和多个凹陷13。冷却11通道设置在基板10的壁面，多个凹陷13也设置在基板10的壁面，多个凹陷13错列排列，并组成凹陷阵列，每个凹陷13的上游壁面均设置有一个斜肋12。
多个斜肋12通过熔模铸造、铣加工、钎焊形成于基板10的壁面，各斜肋12和基板10均采用高导热材料制成。每个斜肋12由一条肋组成或由两条肋组成形成V字形，V字形夹角60度-180度，肋的截面形状为矩形。每条肋的宽度不大于2.0mm，且高度不大于2.0mm。此外，多个凹陷13通过熔模铸造、铣加工、冲压形成于基板10的壁面，凹陷13的形状可以为球面的一部分、椭球形、泪滴形。凹陷13的深度为其直径的0.05～0.3倍。斜肋12的端点与相邻的凹陷13的中心的水平距离为斜肋12中肋的宽度的0.5-6倍。斜肋12中两肋组成的V字形开口方向指向相邻的凹陷13。
本实施例中，如图1-3所示，箭头15的方向指明了冷却流体流动方向。当冷却流体流入冷却通道11内，各斜肋12不断地破坏流动边界层，并在每个斜肋12后面产生下洗涡流，该下洗涡流将增强凹陷13上游近壁面边界层的流动湍动能量，并减缓凹陷13前缘流动分离的产生，从而提高上游壁面的传热性能；另一方面，下洗涡流流过凹陷13时将改善凹陷13的内部流场，特别是凹陷13的前半部分区域，从而显著提高凹陷13的内部传热性能；下洗涡流还能提高凹陷13后半部流动附着湍流混合强度，从而增强该区域及下游壁面的传热性能。常规凹陷由于流动分离以及形成回流涡，导致传热性能很差，而本实施例中微小斜肋诱发产生的涡流显著改善了凹陷13的内、外流动，提高了传热性能。
因此，与现有的凹陷涡发生器相比，本实施例的具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置能克服现有凹陷涡发生器中凹陷13上游壁面边界层流动湍动能量低，凹陷13前缘处流动易分离，从而传热低的缺点，显著地提高综合传热性能，同时在相同的冷却负荷下，可减小冷却流体的流量，从而降低泵或风机的功耗，节约材料，另外，在凹陷13的上游壁面安装微小斜肋12操作简单，具有良好的可实现性，这对实际的强化换热或提高冷却性能应用具有非常重要的意义。
具体实施例2：
本实施例中，如图4-6所示，一种具有肋片-微小斜肋-凹陷和柱肋-微小斜肋-凹陷两种复合结构的燃气轮机涡轮叶片23，包括冷却通道11，压力侧壁面20，吸力侧壁面21；还包括多个肋片19，多个柱肋22，多个凹陷13和多个斜肋12。箭头15所指的方向为冷却流体流动方向。冷却通道11设置在压力侧壁面20和吸力侧壁面21之间，多个肋片19设置在相邻隔板18间的冷却通道11内，多个肋片19沿流动方向15以相同的角度倾斜。每个肋片19的上游壁面设置一排凹陷13。
在叶片尾缘处设置有多个柱肋22和多个凹陷13，柱肋22通过熔模铸造形成于压力侧壁面20和吸力侧壁面21之间。柱肋22与压力侧壁面20和吸力侧壁面21相连接。柱肋22为截面形状为圆形的柱状。柱肋22在冷却流道11内按错列方式布置；压力侧壁面20和吸力侧壁面21上均设有凹陷13，凹陷13定位于横向方向上每行柱肋22的每两个柱肋22之间的最小流通横截面处的壁面上；以及纵向方向（流动方向15）上的每两行柱肋22之间。多个凹陷13通过熔模铸造、铣加工、冲压形成于叶片壁面，凹陷13的形状可以为球面的一部分、椭球形、泪滴形。凹陷13的深度为其直径的0.05～0.3倍。在壁面上柱肋-凹陷呈错列排列。
另外，每个凹陷的上游壁面设置一个斜肋，多个斜肋12通过熔模铸造、铣加工、钎焊形成于叶片壁面，各斜肋12均采用高导热材料制成。每个斜肋12由一条肋组成或由两条肋组成形成V字形，V字形夹角60度-180度，肋的截面形状为矩形。每条肋的宽度不大于2.0mm，且高度不大于2.0mm。斜肋12的端点与相邻的凹陷13的中心的水平距离为斜肋12中肋的宽度的0.5-6倍。斜肋12中两肋组成的V字形开口方向指向相邻的凹陷13。
在本实施例中，当冷却流体流过时，凹陷13利用产生的强烈非稳态涡流来增强表面的传热性能，同时保持很低的流阻水平，而微小斜肋12诱发产生的涡流能克服凹陷13上游壁面边界层流动湍动能量低，凹陷13前缘处流动易分离的缺点，从而进一步提高现有的主要依靠肋片和柱肋扰流冷却的燃气轮机涡轮叶片的冷却能力，实现节约燃气轮机冷却空气用量并提高燃气轮机性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，所述冷却装置包括基板、冷却通道和多个凹陷，所述冷却通道设置在所述基板的壁面，所述基板的壁面上设置有多个所述凹陷，多个所述凹陷组成凹陷阵列；
其特征在于，所述凹陷在所述基板的壁面上错列排列或纵向排列；
所述冷却装置还包括多个斜肋；其中，
每个或多个凹陷的上游壁面设置所述斜肋；
多个斜肋和多个凹陷的组合为斜肋-凹陷复合结构；
所述斜肋由两条肋组成，形成V字形；所述斜肋中每条肋的宽度不大于2.0mm，且高度不大于2.0mm。
2.如权利要求1所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，V字形夹角60度-180度，所述V字形的开口方向指向相邻的所述凹陷。
3.如权利要求2所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述肋的截面形状为矩形或具有倒圆角的矩形。
4.如权利要求1或2所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述斜肋分布在所述凹陷的上游壁面，所述斜肋的端点与相邻的所述凹陷中心的水平距离为所述肋的宽度的0.5-6倍。
5.如权利要求1所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述斜肋通过熔模铸造、铣加工、钎焊形成于所述基板的壁面。
6.如权利要求1所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述凹陷形状为球面的一部分、椭球形、泪滴形。
7.如权利要求1所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述凹陷通过熔模铸造、铣加工、冲压形成于所述基板的壁面。
8.如权利要求1所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述凹陷的深度为所述凹陷的直径的0.05～0.3倍。
9.如权利要求1和8任意一项所述的一种具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置，其特征在于，所述斜肋-凹陷复合结构与肋片或柱肋组合，形成肋片-斜肋-凹陷复合结构或柱肋-斜肋-凹陷复合结构。
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