CN104533538A - 一种带肋结构的换热流道壁 - Google Patents
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Abstract
一种带肋结构的换热流道壁，涉及换热流道结构。提供可明显强换热冷却效果的一种带肋结构的换热流道壁。包括换热流道壁本体，在换热流道壁本体的表面间隔设有倾斜凸起的斜锥形肋阵列，斜锥形肋阵列的各个锥体是顺流道流体流向倾斜，倾斜的方向与流体流向成锐角。三维结构，近壁扰流更强。相比于传统二维的肋条或肋片，它们是横亘在通道中，只有气流翻滚过去在背压区形成涡，而单个分布的斜锥形肋既造成由下方高压区卷到上方低压区的涡，也有从底部两侧绕过的扰流，带动了下方较多气流运动；且越接近壁面，横截面面积越大，使得扰动更多集中在有效的近壁区域。单位体积换热表面积大。撞击阻力较小。流体沿斜面爬坡，而非正面撞击，因此阻力较小。
Description
技术领域
本发明涉及换热流道结构，尤其是涉及适用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片的内冷通道的一种带肋结构的换热流道壁。
背景技术
目前燃气涡轮发动机涡轮前温度已经远远超过涡轮叶片材料的极限工作温度，所以涡轮叶片内部冷却结构至关重要。带肋内冷通道是一种普遍使用的冷却方式，肋能增大换热面积，更重要的是对壁面附近气体进行扰流，增大湍流度，降低附面层厚度，使得增强换热。衡量肋的冷却效果，有两个重要指标，即换热强度与流阻系数，理想目标是得到换热强而流阻低的肋结构。现有技术大多是在通道表面设肋条、肋片等。肋条和肋片本质都是较简单的长方体，目前研究大多集中在改进肋的几何大小和排列上，例如变化高度、距离、与流向的夹角等参数，并得到特定状态的最优值。但是，这些研究并没有对肋本身的形状有突破性的进展，使得带肋内冷通道的换热冷却效果仍然不理想。
中国专利CN101358545A公开一种具有非对称肋片参数的涡轮叶片内冷通道，特征就是其旋转前后缘面布置有不同肋片间距-高度比的叶片。
中国专利CN101813005A公开一种大小肋片交替结构的强化换热装置，特征是在强化换热壁面的大肋片之间，间隔地平行设置有尺寸较小的相同形状的肋片，小肋片的高度为大肋片高度的0.3-0.5倍。
发明内容
本发明的目的在于提供可明显强换热冷却效果的一种带肋结构的换热流道壁。
本发明包括换热流道壁本体，在换热流道壁本体的表面间隔设有倾斜凸起的斜锥形肋阵列，斜锥形肋阵列的各个锥体是顺流道流体流向倾斜，倾斜的方向与流体流向成锐角。
所述斜锥形肋阵列中的锥体的结构形状可为斜半圆锥，斜三角锥，斜四棱锥，斜圆弧与斜三角组合锥等不同结构形状椎体中的一种。所述斜锥形肋阵列的锥体数量、自身结构尺寸及相互之间的间距等参数是根据具体情况设定。
与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：
1、三维结构，近壁扰流更强。相比于传统二维的肋条或肋片，它们是横亘在通道中，只有气流翻滚过去在背压区形成涡，而单个分布的斜锥形肋既造成由下方高压区卷到上方低压区的涡，也有从底部两侧绕过的扰流，带动了下方较多气流运动；且越接近壁面，横截面面积越大，使得扰动更多集中在有效的近壁区域。
2、单位体积换热表面积大。
3、撞击阻力较小。流体沿斜面爬坡，而非正面撞击，因此阻力较小。
附图说明
图1为本发明实施例用于涡轮叶片的内冷通道的结构示意图。
图2为本发明实施例的B部放大结构示意图。
图3为本发明实施例使用状态示意图(图1的A-A剖视)。
图4为本发明实施例的斜锥形肋的扰流原理示意图(图3中C部放大图)。
具体实施方式
参见图1～4，本实施例包括叶片1内的换热流道壁本体2。在换热流道壁本体2的表面间隔设有倾斜凸起的斜锥形肋阵列，斜锥形肋阵列的各个锥体21是顺流道流体流向倾斜，倾斜的方向与流体流向成锐角。
所述斜锥形肋阵列中的锥体21的结构形状外为斜圆弧与斜三角组合锥(可为斜半圆锥、斜三角锥、斜四棱锥等不同结构形状的椎体)。所述斜锥形肋阵列的锥体数量、自身结构尺寸及相互之间的间距等参数是根据具体情况设定。
参见图3，显示了冷却气流3朝着一个方向流动，在近壁处的气流是附面层31。各个锥体21对近壁处流体产生很大扰动，形成大量涡，可增强换热。
参见图4，各个锥体21产生涡扰动。近壁气流31一部分沿着锥体21的上表面爬升，相当于进入更窄的流道，因此速度增大，气压降低。另一部分绕过锥体的两侧进后方以后，相当于进入更宽的流道，因此速度减小，气压升高。因此上下方，就出现了压差，下方压强高的气流会绕过锥体21的边缘卷入压强低的上方，这股旋转的气流伴随主流继续进行旋转运动，形成了连续的涡串32，此后在扰动的作用下易发展成卡门涡街式的交替非对称涡串，对气流的扰动作用可显著增强换热。
图1～4中，箭头表示气流流动方向。
Claims (2)
1.一种带肋结构的换热流道壁，包括换热流道壁本体，其特征在于，在换热流道壁本体的表面间隔设有倾斜凸起的斜锥形肋阵列，斜锥形肋阵列的各个锥体是顺流道流体流向倾斜，倾斜的方向与流体流向成锐角。
2.如权利要求1所述一种带肋结构的换热流道壁，其特征在于，所述斜锥形肋阵列中的锥体的结构形状为斜半圆锥，斜三角锥，斜四棱锥，斜圆弧与斜三角组合锥中的一种。
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