CN110344886B - 一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种带有分形沟槽的冲击‑气膜复合冷却结构，冲击孔板内壁和气膜孔板内壁加工有若干具有分形特征的沟槽单元。每个分形沟槽单元由圆环以及一至五级沟槽组成。冲击孔板沟槽单元的圆环中心与冲击孔中心重合，气膜孔板沟槽单元的圆环中心与气膜孔中心重合。冷却流首先通过冲击孔冲击气膜孔板内侧，形成冲击冷却；再通过分形沟槽进行强化对流冷却；最后再经过气膜孔溢流而出，在气膜孔板外侧形成气膜冷却。本发明通过在冲击‑气膜复合冷却结构内开设分形沟槽，强化对流冷却，在提高冷却效率的同时改善热侧壁面温度分布均匀性。

Description

一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构
技术领域
本发明涉及燃气涡轮热端部件气膜冷却技术，具体地说，涉及一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构。
背景技术
在航空燃气涡轮发动机和燃气轮机的发展过程中，为提高其循环效率，压气机的增压比和涡轮进口燃气温度不断被提高。目前，推重比为10的发动机压气机增压比已达到30，涡轮进口燃气温度接近2000K。因此必须使用有效的冷却措施对燃气涡轮热端部件进行保护，避免受到高温腐蚀和损伤。冲击-气膜复合冷却结构(又称为双层板冷却结构)兼具了冲击冷却和气膜冷却的优点，冷却流首先通过冲击孔冲击气膜孔板内侧，形成冲击冷却；再通过与冲击孔板和气膜孔板内壁面进行对流冷却；最后再经过气膜孔溢流而出，在气膜孔板外侧形成气膜冷却。冲击-气膜复合冷却结构已在燃烧室壁面、叶片前缘等高热负荷区域得到了应用。
仿生学经常能为设备优化提供有益启示，比如，人体的呼吸循环系统是一个非常高效的传热传质系统，人体中血管、气管和淋巴管都是从宏观尺度不断分叉到细胞尺度，在这些分叉中，高层次和低层次的分叉结构都是相似的，该种结构又被称为分形结构。分形结构是长期进化而形成的一定形态，其结构应该是阻力、传热、传质的最优或接近最优的结构。如果能将此结构应用于冲击-气膜复合冷却结构中，可以大大提高其热有效性，且由于分形结构呈树网状分布，可以使得热侧表面的温度分布更加均匀。
发明内容
本发明公开的是一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，用以强化冲击-气膜复合冷却结构内表面的对流冷却，提高冷却效率，改善热侧壁面分布温度分布均匀性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，包括气膜孔板和冲击孔板，气膜孔板和冲击孔板分别设有阵列排布的气膜孔和冲击孔；所述气膜孔板和冲击孔板的内壁分别加工有若干具有分形特征的沟槽单元。
进一步的，所述沟槽单元包括圆环以及一至五级沟槽，两个一级沟槽对称分布于圆环外缘，一级沟槽的一端与圆环连接，另一端与两个二级沟槽的一端连通，二级沟槽的另一端连通两个三级沟槽的一端，三级沟槽的另一端连通两个四级沟槽的一端，四级沟槽的另一端连通两个五级沟槽。
进一步的，所述冲击孔板的圆环的中心与冲击孔的中心重合，沟槽单元数量与冲击孔数量相等；气膜孔板的圆环的中心与气膜孔的中心重合，沟槽数量与气膜孔数量相等。
进一步的，所述冲击孔板的圆环的内径是冲击孔直径的2～3倍；气膜孔板的圆环的内径是气膜孔直径的2～3倍。
进一步的，第n级沟槽与n-1级沟槽之间夹角为90°，2≤n≤5。
进一步的，所述气膜孔板和冲击孔板的沟槽深度分别为气膜孔板和冲击孔板厚度的 0.2～0.3。
进一步的，所述冲击孔板的沟槽宽度为冲击孔直径的0.2～0.3倍，气膜孔板的沟槽宽度为气膜孔直径的0.2～0.3倍。
进一步的，所述冲击孔板厚为0.5mm，气膜孔板厚为0.5mm，冲击孔直径为 0.5～1.4mm，冲击孔面积/气膜孔面积为0.25～1，气膜孔排距/间距为1～2，冲击高度/冲击孔径为0.5～2，气膜孔间距/冲击孔径为6～12。
有益效果：本发明所述的一种带有分形沟槽的冲击—气膜复合冷却结构，利用分形沟槽的强化对流冷却能力提升综合冷效，改善温度分布均匀性。该结构具有加工简单，成本较低的优点，可提高燃气涡轮热端部件工作可靠性及寿命。
附图说明
图1为本发明一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构示意图，其中(a)三维立体图(局部)，(b)沟槽单元平面图；
图2实施例计算区域图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本实施例是一种有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构。冲击孔板2厚0.5mm，冲击孔4直径0.8mm，气膜孔板1厚0.5mm，气膜孔3直径1mm，冲击高度0.8mm，孔间距和排距为5.6mm。冲击孔板2沟槽单元的圆环5的内径为2mm，沟槽深0.15mm，沟槽宽0.2mm；气膜孔板1沟槽单元的圆环5的内径为2.5mm，沟槽深0.1mm，沟槽宽 0.3mm。冲击孔板2和气膜孔板1材料为GH3230，密度为8934kg/m3，比热为550J/(kg·K)，导热率为25W/(m·K)。
计算区域如图2所示，主流通道长为260mm，其中，冲击-气膜复合冷却结构段长度为100mm，宽为100mm，高为70mm；冷却气流采用垂直进气方式，冷却通道高度为40mm。所述的工质为理想可压缩气体，主流入口速度为60m/s，温度为2000K，压力为3.1MPa，主流湍流强度4％，主流湍流长度尺度为0.2mm；温度为860K，压力为 3.2MPa，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1mm。定义吹风比为：
Figure BDA0002077855120000031
式中，ρc、uc为二次流的密度和速度，ρ∞、u∞为主流的密度和速度。本例中，吹风比为1.0。
通过商业软件Ansys Fluent计算求解流场和温度场。定义综合冷却效率为：
Figure BDA0002077855120000032
式中，Tg为主流温度，Tw为热侧壁面温度，Tc为冷却气温度。分形沟槽添加前，冷却段面积平均冷却效率为0.712；添加沟槽后平均冷却效率增加了12.9％，达到0.804。分形沟槽添加前，冷却结构前后压降为2.3％，添加沟槽后，冷却结构前后压降基本保持不变，为2.4％。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，包括气膜孔板(1)和冲击孔板(2)，气膜孔板(1)和冲击孔板(2)分别设有阵列排布的气膜孔(3)和冲击孔(4)；其特征在于，所述气膜孔板(1)和冲击孔板(2)的内壁分别加工有若干具有分形特征的沟槽单元。
2.根据权利要求1所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述沟槽单元包括圆环(5)以及一至五级沟槽，两个一级沟槽(6)对称分布于圆环(5)外缘，一级沟槽(6)的一端与圆环(5)连接，另一端与两个二级沟槽(7)的一端连通，二级沟槽(7)的另一端连通两个三级沟槽(8)的一端，三级沟槽(8)的另一端连通两个四级沟槽(9)的一端，四级沟槽(9)的另一端连通两个五级沟槽(10)。
3.根据权利要求2所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述冲击孔板(2)的圆环(5)的中心与冲击孔(4)的中心重合，沟槽单元数量与冲击孔(4)数量相等；气膜孔板(1)的圆环(5)的中心与气膜孔(3)的中心重合，沟槽数量与气膜孔(3)数量相等。
4.根据权利要求2所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述冲击孔板(2)的圆环(5)的内径是冲击孔(4)直径的2～3倍；气膜孔板(1)的圆环(5)的内径是气膜孔(3)直径的2～3倍。
5.根据权利要求2所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，第n级沟槽与n-1级沟槽之间夹角为90°，2≤n≤5。
6.根据权利要求1所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述气膜孔板(1)和冲击孔板(2)的沟槽深度分别为气膜孔板(1)和冲击孔板(2)厚度的0.2～0.3。
7.根据权利要求1所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述冲击孔板(2)的沟槽宽度为冲击孔(4)直径的0.2～0.3倍，气膜孔板(1)的沟槽宽度为气膜孔(3)直径的0.2～0.3倍。
8.根据权利要求1所述的一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，其特征在于，所述冲击孔板(2)厚为0.5mm，气膜孔板(1)厚为0.5mm，冲击孔(4)直径为0.5～1.4mm，冲击孔面积/气膜孔面积为0.25～1，气膜孔排距/间距为1～2，冲击高度/冲击孔径为0.5～2，气膜孔间距/冲击孔径为6～12。
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