CN108825309A - 一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，在轮毂下表面等间距设置有轮毂肋，每个轮毂肋的根部设置有漩涡发生结构，每个轮毂肋上设置有依次与漩涡发生结构相连通的气流冲击段和冷气导流段，在轮毂上表面设置有贯穿轮毂的圆柱气模孔阵列，且圆柱气模孔阵列与对应的漩涡发生结构连通，圆柱气模孔阵列的行数与轮毂肋的个数相等，每行的圆柱气模孔数是对应的气流冲击段和冷气导流段数量的二倍。本发明是一种用于涡轮轮毂冷却，融合于轮毂肋中，采用冲击气流形成对称旋流的圆柱气膜孔结构形式。此结构形式可以对抑制轮毂表面的温度，降低涡轮叶片根部强受热区域产生显著的作用。

Description

一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构
技术领域
本发明涉及一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，属于航空发动机和燃气轮机领域。
背景技术
根据燃气轮机的性能分析，提高涡轮前温度即提高燃气轮机的总温比可以提高燃机的效率。受制于现在耐高温材料的技术，不可能无限制的提高涡轮前气流进口温度。如采用冷却的方式对受热表面降温，对于适当提高涡轮前温度大有裨益。气膜冷却是采用压气机相应级中抽出的压缩空气通过通路流入气膜孔，在壁面表面形成气体薄层保护实体结构，其关键在于气体薄层不被涡轮流道中复杂的流场吹离，同时使得冷气膜扩大在壁面周向的形成面积。气膜冷却的关键问题是气流与壁面的对流换热问题，故壁面表面的冷热气流混合流场直接关系气膜冷却效率。
气膜冷却一般采用圆柱形气膜孔，其加工简单，对于结构强度的影响较小，但冷却效率较低。若使得气流预旋再进入气膜孔，则可明显的提高气体的对流换热系数，进而提升冷却效率。涡轮轮毂壁面直接受热，由温度分布不均产生的热应力等将严重影响轮毂强度。加厚壁面的方式将加大航空发动机死重，影响推重比，故采用肋来增大轮毂强度，同时肋可以通过热传导的方式起到散热作用。现代机械加工技术比如精密铸造或3D打印技术已经完全能够满足较复杂机械结构的加工，故可采用将冷却结构和轮毂肋融合的结构形式，并包含冷却通腔，冲击孔，气膜孔等复杂结构。
发明内容
本发明的目的是为了设计一种将冲击气流产生旋流的对称旋流通腔融合于轮毂肋中，气膜孔倾斜贯穿轮毂的冷却结构，以同时满足涡轮冷却和轮毂强度的需求。
本发明的目的是这样实现的：在轮毂下表面等间距设置有轮毂肋，每个轮毂肋的根部设置有漩涡发生结构，每个轮毂肋上设置有依次与漩涡发生结构相连通的气流冲击段和冷气导流段，在轮毂上表面设置有贯穿轮毂的圆柱气模孔阵列，且圆柱气模孔阵列与对应的漩涡发生结构连通，圆柱气模孔阵列的行数与轮毂肋的个数相等，每行的圆柱气模孔数是对应的气流冲击段和冷气导流段数量的二倍。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.冷气导流段的进口截面呈长方形，长宽比在2：1之间；气流冲击段孔的直径与圆柱气膜孔直径相同；旋涡发生结构的长度为圆柱气膜孔直径4-6倍；气膜孔与漩涡发生段连接角度为30°—60°。
2.旋涡发生结构为整周通腔结构形式。
3.所述冷气冲击段位于轮毂的冷气导流段60％高度以上，冲击孔结构高度约占总长的20％-40。
4.气膜孔与漩涡发生段连接角度为45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种用于涡轮轮毂冷却，融合于轮毂肋中，采用冲击气流形成对称旋流的圆柱气膜孔结构形式。此结构形式可以对抑制轮毂表面的温度，降低涡轮叶片根部强受热区域产生显著的作用。1.结构采用圆柱形气膜孔最大程度上减少了细长孔的加工难度并拥有较大的结构强度。2.将整体旋流结构隐于加强肋中，最大程度上减少开孔，增大轮毂强度。加强肋采用薄肋增强轮毂热传导，冷气导流段结构有助于肋散热，提高整体散热效果。3.冷气经圆柱冲击段进入整周通腔之后冲击轮毂下表面，并随之向两侧扩散形成对称旋流，增加了气流的紊乱程度，增加了对流换热系数。4.由于在通腔中流场周向对称，在各组结构之间形成气流自封闭，避免气流只在通腔流动，同时在不同组之间气流相互撞击，进一步提高气流紊流程度。
附图说明
图1为本发明的一种融合于轮毂肋中的旋流冲击冷却结构的正三轴测图。
图2为本发明的一种融合于轮毂肋中的旋流冲击冷却结构的主视图。
图3为本发明的一种融合于轮毂肋中的旋流冲击冷却单结构正视图。
图4为本发明的一种融合于轮毂肋中的旋流冲击冷却单结构侧视图。
图中：1-冷气导流段；2-气流冲击孔；3-旋流发生结构(旋流通腔)；4-圆柱气膜孔；5-叶片；6-轮毂肋；7-涡轮轮毂上表面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是为了明显降低壁面材料热强度要求而提供一种冷却效果好的轮毂肋。结合图1至图4，本发明为一种融合于轮毂肋中的旋流冲击冷却结构：该发明包括冷气导流段1，气流冲击段2，旋涡发生结构3，圆柱气膜孔4。冷气导流段入口界面为长方形，向上延伸后为气流冲击段的圆柱形结构；旋流装置为整圆的通腔，与各个气流冲击段圆柱形结构相连；两个气膜孔为一组以冲击段为轴对称排列，沿整周通腔阵列分布。整个旋流装置隐于加强肋之中，气膜孔与旋流装置连接并与肋相交处形成斜面。本发明可以以输入段和一组气膜孔为基准分为若干部分。旋流装置为整圆的通腔，与各个气流冲击段圆柱形结构相连，旋流结构输入段横截面长宽比L1/L2大约在3：2。旋流装置截面长与导流高度之比L1/H1大约为1：2。气膜孔之间间距与气膜孔径之比L3/D1为4：1。整周通腔的高度与气膜孔半径有关，其比例H2/D1大约为2：1。气膜孔的倾斜角度为30°-60°之间。气流收缩短的直径与气膜孔直径相同。其基本单元结构如图3，4所示。
本发明主要应用于涡轮轮毂，也可用于机匣，燃烧室等高热应力部件。结合图1、2，本结构导流段1，冲击孔2和旋流发生结构3均融合于轮毂肋中，轮毂肋在涡轮轮毂下表面，沿涡轮轮毂整周分布，并在流向方向平行分布多条轮毂肋。旋涡发生结构实质上为位于轮毂肋根部位置的气流通腔，其沿周向贯通轮毂肋根，每隔4-6气膜孔直径间距旋涡发生结构3向下以长方形延伸并形成圆型冲击孔2，也即以4-6气膜孔直径为间距，在旋涡发生结构3向下延伸，截面为长方形距离为H2，通过长方体冷气导流段1与冷气来源相连。圆柱形气膜孔4与旋涡发生结构3以45°角相连，贯穿涡轮轮毂，其以冲击圆孔2为对称每两个气膜孔4组成一个冷气腔基本单元。相邻两个冷气腔单元以其间冷气通腔2的中线为分割。基本单元结构如图3、4所示。其中进口导流段1的长宽之比可根据实际轮毂肋的尺寸更改，但导流段1长宽比L1/L2应保持在1：1至3：2之间，截面长度与高度L1/H1之比保持在1：2左右，保证整周的气膜孔数量。冲击孔2尺寸与气膜孔4尺寸保持一致，其位置应在导流段60％高度以上，长度20-40％导流段高度。气膜孔之间间距与气膜孔径之比L3/D1为3：1至4：1之间，在轮毂肋中冷气通腔即旋流发生结构3高度保持在2倍气膜孔4直径左右，倾斜角度30°-60°
结合图1对本发明原理进行说明，图1所示的为涡轮进口第一级导向叶片5及轮毂结构，其下为轮毂肋6，涡轮轮毂上表面7上沿流向方向有圆柱气膜孔4。选取轮毂整周中的一段作为实例展示。轮毂肋在起到加强结构的作用的同时也利用热传导通过肋结构向外散热，压气机相应级冷却气经过通路流入冷气导流段中，此时气流静温远小于涡轮轮毂温度，对于肋散热效果有一定帮助。由于冲击段的圆孔面积小于输入段的横截面积，故气流经过冲击段速度增加。由圆孔喷射出后冲击涡轮下表面，首先起到冲击冷却的作用，对轮毂下壁面第一次冷却。当气流撞击壁面时，气流向两侧扩散，其方向为以冲击段为中心向一组气膜孔的两个相反方向流动，并由于冲击壁面使得气流湍流程度大大增强提高对流换热系数，增强了换热能力。由于整周通腔中心对称，相邻两个旋流单元完全相同，则在进气条件相同时，每个单元的气流流量相同。不同单元的气流在通路掺混形成气壁，阻止了气流沿通路的进一步流动，使得气流形成旋流沿气膜孔向上运动形成单向旋涡。其中相邻两个气膜孔产生的旋涡尺度相同，旋向对称，使得冷气横向扩张，增大了冷气层在轮毂上表面的扩散范围，不易被高温燃气吹离扰乱。本发明的关键指标为气膜孔旋涡结构，旋涡旋度越大，对流换热系数越大，对于壁面的冷却效果越好。
综上，本发明提供一种融合于轮毂肋中的对称旋流冷气结构，应用于燃气轮机涡轮轮毂的冷却。该结构包括冷气导流段，气流冲击段，旋流发生结构和圆柱气膜孔四个部分。冷却气体从输入段经冲击段冲击轮毂下表面使得气流向两侧分流产生对称旋流，通过贯穿轮毂的圆柱形气膜孔在涡轮流道中轮毂的表面形成冷却气膜。该结构具有以下优点：冲击，旋流，肋散热和气膜冷却的综合应用，气流冲击涡轮轮毂下表面增大轮毂上下表面温差，增大热传导效果；采用散热肋结构增大了换热面积；采用旋流使得对流换热系数较大，冷却效果更好；气膜喷射出的冷气流在主流压力和摩擦的作用下附着壁面，将热气流与壁面隔离开；同时肋的应用保证轮毂强度，结构工艺性更好。可显著降低壁面材料的热强度要求。

Claims (5)

1.一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，其特征在于：在轮毂下表面等间距设置有轮毂肋，每个轮毂肋的根部设置有漩涡发生结构，每个轮毂肋上设置有依次与漩涡发生结构相连通的气流冲击段和冷气导流段，在轮毂上表面设置有贯穿轮毂的圆柱气模孔阵列，且圆柱气模孔阵列与对应的漩涡发生结构连通，圆柱气模孔阵列的行数与轮毂肋的个数相等，每行的圆柱气模孔数是对应的气流冲击段和冷气导流段数量的二倍。
2.如权利要求所述1所述的一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，其特征在于：冷气导流段的进口截面呈长方形，长宽比在2：1之间；气流冲击段孔的直径与圆柱气膜孔直径相同；旋涡发生结构的长度为圆柱气膜孔直径4-6倍；气膜孔与漩涡发生段连接角度为30°—60°。
3.如权利要求所述1或2所述的一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，其特征在于：旋涡发生结构为整周通腔结构形式。
4.如权利要求所述1或2所述的一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，其特征在于：所述冷气冲击段位于轮毂的冷气导流段60％高度以上，冲击孔结构高度约占总长的20％-40。
5.如权利要求所述2所述的一种融合于轮毂肋中的对流旋流冷气结构，其特征在于：气膜孔与漩涡发生段连接角度为45°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105840315A (zh) * 2016-03-15 2016-08-10 哈尔滨工程大学 一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构

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