CN104712372B - 一种高性能冲击冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能冲击冷却系统，包括多孔射流板和冲击靶板，多孔射流板和冲击靶板之间形成冷却流道，多孔射流板具有用于流体形成多股射流的射流孔，其中，冲击靶板上设置有W形肋阵列，W形肋阵列包括多个W形肋片，W形肋片位于射流孔在冲击靶板上形成的投影之外的区域中。本发明的冲击冷却系统能提高现有冲击冷却系统整体传热能力，并且使传热分布更均匀。本发明可用于燃气轮机或航空发动机中高温部件的高效冷却，还可用于高功率电子器件等需要高效传热与冷却的技术领域。

Description

一种高性能冲击冷却系统

技术领域

本发明涉及一种高性能冲击冷却系统，尤其涉及一种具有微小W形肋的冲击冷却系统。本发明可用于燃气轮机或航空发动机中高温部件的高效冷却，还可用于高功率电子器件等需要高效传热与冷却的技术领域。

背景技术

先进高效的冲击冷却技术是高性能燃气轮机/航空发动机高温部件(涡轮叶片、燃烧室等)冷却必需采用的关键技术，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。冲击冷却非常适合冷却热负荷强度大、空间受限区域的冷却，如涡轮叶片前缘、燃烧室壁面等冷却。冲击冷却过程中流体直接冲击需要冷却表面，流程很短，并且在驻点附近形成很薄的边界层，因而具有非常高的传热效率。另一方面，现代高功率电子设备及高功耗设备的发展向高集成、小型化方向发展，也迫切需要发展高性能的冲击冷却技术。

随着现代高性能燃气轮机和航空发动机燃烧室和涡轮进口燃气温度参数(>1600℃)的进一步提高，需要发展更加先进、具有更高传热性能并且传热分布均匀的冲击冷却技术。更高性能的冲击冷却系统，可以提高高温部件的工作寿命，并节约冷却空气量，提高燃气轮机和航空发动机的整体工作效率。

冲击冷却系统通常由多孔射流板10，冲击靶板12，以及由多孔射流板和冲击靶板形成的冷却流道26组成。气流经过多孔射流板形成多股射流20，该射流冲击到靶板表面，形成冲击冷却。如图1所示。图中箭头28表示横流的流动方向。

然而，现有的冲击冷却系统具有如下局限性：(1)壁面总体传热系数还需进一步提高以提升现有冲击冷却系统的传热能力，以适应更高冷却负荷的需求；(2)现有冲击冷却系统中，在冲击壁面12(靶板)上的射流冲击区域传热系数很高；但在壁面上的射流冲击区域之间，尤其是斜对角相邻的冲击区域之间的区域，由于壁面流动边界层变厚并且流动湍动能量降低，因而这些区域换热性能很差。这种冷却表面传热分布的不均匀性，使得壁面容易形成热应力集中，并容易产生热斑或冷斑，从而产生疲劳应力，影响发动机高温部件寿命。因此现有的冷却性能需要进一步改善，以提高燃气轮机和航空发动机性能的总体热性能。

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能提高现有冲击冷却系统整体传热能力，并且传热分布更均匀的高性能冲击冷却系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种高性能冲击冷却系统，包括多孔射流板和冲击靶板，所述多孔射流板和所述冲击靶板之间形成冷却流道，所述多孔射流板具有用于流体形成多股射流的射流孔，其中，所述冲击靶板上设置有W形肋阵列，所述W形肋阵列包括多个W形肋片，所述W形肋片位于所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之外的区域中。

进一步地，所述W形肋片包括多个“V”字形肋片。

进一步地，所述W形肋片由多个所述“V”字形肋片沿所述冲击靶板的壁面连接而成。

进一步地，多个所述“V”字形肋片连成的所述W形肋片沿所述冲击靶板的壁面延伸的方向垂直于所述射流形成的横流的流动方向。

进一步地，所述“V”字形肋片中的“V”字形的夹角为30°～150°。

进一步地，所述W形肋片的高度小于2mm。

在本发明的一个较佳实施方案中，多个所述射流孔在所述冲击靶板上的投影为阵列布置，每两排由所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之间设置有至少一个所述W形肋片。

在本发明的另一较佳实施方案中，多个所述射流孔在所述冲击靶板上的投影为阵列布置，每两排由所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之间设置有多个所述W形肋片。进一步地，所述多个W形肋片包括靠近所述投影并使所述投影位于“V”字形的开口中的W形肋片。

对于一般的冲击冷却系统，流体通过多孔射流板上的射流孔形成多股射流冲击到冲击靶板的壁面形成壁面射流，并沿流动方向形成横流，本发明的冲击冷却系统在冲击靶板上设置微小W形肋阵列，使微小W形肋片与壁面射流和横流相互作用，产生下洗涡流，增强了W形肋片的下游壁面的流动湍动能量，减薄壁面流动边界层，因此增强了换热。另外，在冲击靶板的壁面设置微小W形肋阵列后，改善了传统冲击冷却系统中存在的位于冲击靶板上冲击射流区域之间的低传热区域的传热性能，从而提高了冲击靶板壁面的传热均匀性能。

除此之外，由于微小W形肋高度较小，与常规的具有平壁面的冲击冷却系统相比，本发明的冲击冷却系统的压力损失不会明显提高，其重量也不会明显增加。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有的冲击冷却系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例1的冲击冷却系统的结构示意图；

图3是图2中的冲击冷却系统的冲击靶板壁面的结构示意图；

图4是本发明实施例1的具有微小W形肋表面的冲击冷却与相应的平板表面冲击冷却基于浸润面积的对流换热系数比较图；

图5是本发明的实施例2的冲击冷却系统的冲击靶板壁面的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种冲击冷却系统，如图2～3所示，该冲击冷却系统包括多孔射流板10和冲击靶板12，多孔射流板10和冲击靶板12之间形成冷却流道26，多孔射流板10具有用于流体形成多股射流的射流孔14，流体通过多孔射流板10上的射流孔14形成多股射流冲击到冲击靶板12的壁面形成壁面射流，并沿流动方向形成横流，图2中的箭头28的方向表示横流的流动方向，箭头22的方向表示壁面射流的流动方向。

本实施例中，多个射流孔在冲击靶板12上的投影20为阵列布置，冲击靶板12上设置有W形肋阵列，该W形肋阵列包括多个W形肋片16，每两排由射流孔14在冲击靶板12上形成的投影20之间设置有一个W形肋片16。W形肋片16与相邻一排的由射流孔14在冲击靶板16上形成的投影20的距离为2.5倍于射流孔14直径。其中，W形肋片16由多个“V”字形肋片沿冲击靶板12的壁面连接而成。多个“V”字形肋片连成的W形肋片16沿冲击靶板12的壁面延伸的方向垂直于射流形成的横流的流动方向28。“V”字形肋片中的“V”字形的夹角θ为30°～150°。较佳地，W形肋片16的高度应小于2mm，本实施例中，W形肋片16的高度为1mm。

本实施例的W形肋阵列通过熔模铸造、铣加工、冲压或焊接形成于冲击靶板12的壁面。

本实施例的冲击冷却系统在冲击靶板12上设置微小W形肋阵列，使微小W形肋片与壁面射流和横流相互作用，产生下洗涡流，增强了W形肋片16的下游壁面的流动湍动能量，减薄壁面流动边界层，因此增强了换热。另外，在冲击靶板12的壁面设置微小W形肋阵列后，改善了传统冲击冷却系统中存在的位于冲击靶板上冲击射流区域之间的低传热区域的传热性能，从而提高了冲击靶板壁面的传热均匀性能。

除此之外，由于微小W形肋高度较小，与常规的具有平壁面的冲击冷却系统相比，本实施例的冲击冷却系统的压力损失不会明显提高，其重量也不会明显增加。

图4是本实施例的具有微小W形肋的表面冲击冷却与相应的平板表面冲击冷却基于浸润面积的对流换热系数比较图。该图说明了本实施例提供的具有微小W形肋的表面冲击冷却结构，与相关的仅具有平板表面的冲击冷却结构，在不同雷诺数条件下基于浸润面积的对流换热系数的比较。其中，仅具有平板表面的冲击冷却结构中射流孔的布置与该具有微小W形肋的表面冲击冷却结构射流孔的布置是一样的。对流换热系数代表了在相同温差下，单位面积的表面换热功率的大小。图4的结果表明，本实施例中的具有微小W形肋的表面冲击冷却的对流换热系数比对应的平板表面冲击冷却的对流换热系数高10％以上；如果再考虑到具有微小W形肋的表面换热面积比相应平板增加，因此总的换热性能前者比后者具有微小W形肋的表面冲击冷却比相应平板表面冲击冷却性能提高20％以上。由此说明具有微小W形肋的表面冷却结构具有显著提高的传热/冷却性能。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种冲击冷却系统，与实施例1中的冲击冷却系统的不同之处在于，每两排由射流孔在冲击靶板12上形成的投影20之间设置有多个W形肋片，包括第一W形肋片17和第二W形肋片18，如图5所示。其中，第一W形肋片17与相邻一排的由射流孔在冲击靶板12上形成的投影20的距离为1.25倍于射流孔14直径；第二W形肋片18靠近由射流孔在冲击靶板12上形成的投影20，并使投影20位于第二W形肋片18中的“V”字形的开口中。

本实施例的冲击冷却系统在冲击靶板12上设置微小W形肋阵列，使微小W形肋片与壁面射流和横流相互作用，产生下洗涡流，增强了W形肋片16的下游壁面的流动湍动能量，减薄壁面流动边界层，因此增强了换热。另外，在冲击靶板12的壁面设置微小W形肋阵列后，改善了传统冲击冷却系统中存在的位于冲击靶板上冲击射流区域之间的低传热区域的传热性能，从而提高了冲击靶板壁面的传热均匀性能。与实施例1相比，由于两排射流孔在冲击靶板12形成的投影20之间设置有多个W形肋片，这使得W形肋片与壁面射流和横流的相互作用更加强烈，从而产生更好的传热与冷却性能。

除此之外，由于微小W形肋高度较小，与常规的具有平壁面的冲击冷却系统相比，本实施例的冲击冷却系统的压力损失不会明显提高，其重量也不会明显增加。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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 (7)

1.一种高性能冲击冷却系统，包括多孔射流板和冲击靶板，所述多孔射流板和所述冲击靶板之间形成冷却流道，所述多孔射流板具有用于流体形成多股射流的射流孔，其特征在于，所述冲击靶板上设置有W形肋阵列，所述W形肋阵列包括多个W形肋片，所述W形肋片位于所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之外的区域中；

其中，所述W形肋片的高度小于2mm。

2.如权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述W形肋片包括多个“V”字形肋片。

3.如权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述W形肋片由多个“V”字形肋片沿所述冲击靶板的壁面连接而成。

4.如权利要求3所述的冲击冷却系统，其特征在于，多个所述“V”字形肋片连成的所述W形肋片沿所述冲击靶板的壁面延伸的方向垂直于所述射流形成的横流的流动方向。

5.如权利要求2或3所述的冲击冷却系统，其特征在于，所述“V”字形肋片中的“V”字形的夹角为30°～150°。

6.如权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，多个所述射流孔在所述冲击靶板上的投影为阵列布置，每两排由所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之间设置有至少一个所述W形肋片。

7.如权利要求1所述的冲击冷却系统，其特征在于，多个所述射流孔在所述冲击靶板上的投影为阵列布置，每两排由所述射流孔在所述冲击靶板上形成的投影之间设置有多个所述W形肋片。