CN111140287A - 一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构。所述的层板冷却结构包括位于进气板的进气孔、位于出气板的出气孔、扰流柱和螺旋腔，扰流柱位于螺旋腔的中心处并形成冷气通道，其边数为3、4、5、6……条任一一种；进气孔和出气孔的横截面形状为平行四边形，进气孔和出气孔与螺旋腔内的通道采用圆弧状滑道光滑相衔接，并从多边形扰流柱的两条邻边向外延伸而出。进气孔中心线和出气孔中心线与水平面所成夹角分别为入射角∠A1和出射角∠A2，均为锐角。本发明空间上相邻却又互不干涉的螺旋腔避免了冷却气流在层板内部的冲击、掺混，可以减小流动阻力和流动损失，并且大幅度的减小了流动阻力损失。

Description

一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构。
背景技术
目前为了提高航空发动机的推力和燃气轮机的功率，一般采用提高涡轮前温度的方法，而随之带来的是涡轮部件热负荷的增加。另外，这些在高温环境下工作的涡轮部件还要承受由高转速、高压力、大振动等因素引起的载荷。在如此恶劣的工作环境中，要保证涡轮正常、可靠、长期的工作，就必须对涡轮部件进行有效的冷却，使其处于可靠工作温度范围。冷却的原则是使用最少的冷气量来带走尽可能多的热量，保护零部件处于较低的平均温度，并且具有较小的温度梯度。层板结构将导热、对流冷却、冲击冷却和气膜冷却等方式有机的耦合在一起，又因为其丰富的内腔扰流和孔结构，在换热效果上逼近多孔介质发汗式冷却，能够适应目前航空发动机和燃气轮机对于热端部件的冷却要求，有着广泛的应用前景。
对于层板冷却结构，其内腔的扰流柱和腔体的设计，是区别不同层板类型的主要特征，也是影响其流动和换热性能的主要因素。本发明提出一种全新的高性能的具有多边形扰流柱的螺旋腔单元体结构。该结构可以避免层板内部气流之间的相互冲击、掺混，同时避免出现回流、串流等问题，从而减小流动阻力和流动损失，此外还可综合增强层板换热能力和抗载荷能力，提高层板内部空间利用率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于航空发动机和燃气轮机热端部件冷却的层板结构，其典型应用为新一代高性能涡轮叶片，有助于提高整机性能和可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，包括位于进气板的进气孔、位于出气板的出气孔、扰流柱和呈近似圆形的螺旋腔，扰流柱位于螺旋腔的中心处并形成冷气通道，其边数为3、4、5、6……条任一一种；
进气孔和出气孔的横截面形状为平行四边形，进气孔和出气孔与螺旋腔内的通道采用圆弧状滑道光滑相衔接，并从多边形扰流柱的两条邻边向外延伸而出。进气孔中心线和出气孔中心线与水平面所成夹角分别为入射角∠A1和出射角∠A2，均为锐角；
每个单元体中进气孔和出气孔的进气孔中心线及出气孔中心线位于水平面内的投影，分别与扰流柱相邻两边相平行，其相互间的夹角与扰流柱的边数有关。
当扰流柱为六边形时，进气孔中心线和出气孔中心线在水平面上的投影夹角为120°；以上特征共同构成单元体，并且多个单元体在层板上呈近似六边形紧密排布。
进一步的，进气孔和出气孔的横截面形状为矩形。
进一步的，进/出气孔与水平面的夹角入射角∠A1和出射角∠A2均为20～45°，典型值可为30°。整个层板可以认为是由多个这样的单元体按照蜂窝状紧密排布而成。
本发明的优点在于：
(1)空间上相邻却又互不干涉的螺旋腔避免了冷却气流在层板内部的冲击、掺混，同时也避免了回流和串流等情况的发生，由此可以减小流动阻力和流动损失。
(2)本发明的进气孔入射角∠A1和出气孔出射角∠A2均为锐角，相对于典型层板结构，避免了冷却气流在狭窄通道内多次完成90°转折，以及出气孔处部分气流140°左右的转折，大幅度的减小了流动阻力损失。图2(a)、图2(b)为典型层板结构和本发明结构中冷却气流动状态对比。
(3)螺旋腔与进/出气孔光顺连接，无明显的截面积变化，使得气流不会出现突扩和节流的现象，也使得层板阻力较小。
(4)与典型层板多孔完全联通结构不同，相对独立的螺旋腔设计使得冷却气流在层板内能够流动更长的路径，让冷却气得到更加充分的利用，提高换热效果。
(5)将扰流柱设计为多边形，可以使得扰流柱在相同横截导热面积下的外柱面换热面积更大，并且可以增强对气流的扰动，换热效果更好。
(6)各单元体呈蜂窝状排布后，相邻单元体之间的形成了隔墙结构，如图3所示，可以对中间扰流柱结构的强化换热功能形成有效的补充，使得冷热壁之间导热和和内腔换热面积都增大。
(7)如图4所示，截面近似平行四边形的出气孔使得出气板气膜覆盖效果更好，增强了气膜冷却的效果。
(8)单元体呈蜂窝状的紧密排布的设计，如图5所示，使得空间利用率相较于已有层板结构的四边形阵列排布有所提高，单位面积上的结构要素数量可以增加约15％。
(9)单元体蜂窝状的排布方式使得层板内形成了网状的支撑肋结构，参考图3，相较于原有的单纯依靠扰流柱连接进/出气板(近似于点支撑)承担载荷的情况，在多个方向上提高了结构整体抗弯曲和扭转载荷能力，带来了发动机整体的安全性和可靠性改善。
附图说明
图1多边形扰流柱层板结构示意图。
图2(a)为常规层板内部内冷却气体流动三维数值仿真结果图。
图2(b)为多边形扰流柱层板内腔内冷却气体流动三维数值仿真结果图。
图3多边形扰流柱层板中截面形状图。
图4多边形扰流柱层出气孔气膜覆盖效果图。
图5多边形扰流柱层板单元体排布方式图。
图6不同多边形扰流柱层板结构示意图。
图中：1.层板；2.进气孔；3.扰流柱；4.螺旋腔；5.出气孔；6.出气板；7.进气板；8.入射角∠A1；9.出射角∠A2；10.进气孔中心线；11.出气孔中心线。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明通过三维数值仿真对常规层板结构和本发明中多边形扰流柱层板内腔进行了内部冷却气流动状态的对比研究，如图2(a)和图2(b)所示，可以得知螺旋腔与进/出气孔光顺连接且转折角度小，无明显的截面积变化，使得气流不会出现突扩和节流的现象以及相互冲击干扰，也使得层板阻力较小。通过数值仿真对本发明结构进行了计算分析，得到其流动阻力较常规层板结构小13％左右，印证了上述结论。
实施例2
如图1所示，本发明是一种适用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，其中扰流柱3和螺旋腔4结构是区别于已有层板结构的主要特征。每一个螺旋腔均为近似圆形并可视为一个相对独立的最小单元体，单元体内中心处的扰流柱3为多边形，例如三角形、四边形、五边形等(如图6所示)。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进/出气孔光滑相连接并总体上呈现螺旋状。在空间上相邻却不互相干涉的进气孔2和出气孔5，截面为平行四边形。每个单元体中进气孔2和出气孔5的进气孔中心线10及出气孔中心线11位于水平面内的投影，分别与扰流柱相邻两边相平行。
进/出气孔与水平面的夹角入射角∠A1和出射角∠A2均为30°。整个层板由多个这样的单元体按照蜂窝状紧密排布而成。
如图1所示，层板的热负荷主要来自于出气板6的外侧，一般为高温燃气。冷却气流由开在进气板7上的进气孔2转折角较小地进入到层板内螺旋腔，绕着多边形3.扰流柱旋转流动一周，在内部与壁面进行充分换热后，从位于出气板6上的出气孔5转折角较小地流出，并受外侧燃气流影响，对出气板形成气膜覆盖，减少燃气对层板的直接加热，覆盖效果如图4所示。
实施例3
本发明是一种适用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，其中扰流柱3和螺旋腔4结构是区别于已有层板结构的主要特征。每一个螺旋腔均为近似圆形并可视为一个相对独立的最小单元体，单元体内中心处的扰流柱3为六边形。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进/出气孔光滑相连接并总体上呈现螺旋状。在空间上相邻却不互相干涉的进气2和出气孔5，截面为近似平行四边形。每个单元体中进气孔2和出气孔5的进气孔中心线10及出气孔中心线11位于水平面内的投影，分别与扰流柱相邻两边相平行，其相互间的夹角近似为120°。
进/出气孔与水平面的夹角入射角∠A1和出射角∠A2均为20°。整个层板由多个这样的单元体按照蜂窝状紧密排布而成。
实施例4
本发明是一种适用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，单元体内中心处的扰流柱3为五边形。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进/出气孔光滑相连接并总体上呈现螺旋状。在空间上相邻却不互相干涉的进气2和出气孔5，截面为近似平行四边形。每个单元体中进气孔2和出气孔5的进气孔中心线10及出气孔中心线11位于水平面内的投影，分别与扰流柱相邻两边相平行，其相互间的夹角近似为108°。
进/出气孔与水平面的夹角入射角∠A1和出射角∠A2均为45°。整个层板由多个这样的单元体按照蜂窝状紧密排布而成。

Claims (5)

1.一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于，包括位于进气板(7)的进气孔(2)、位于出气板(6)的出气孔(5)、扰流柱(3)和螺旋腔(4)，扰流柱(3)位于螺旋腔(4)的中心处并形成冷气通道，扰流柱(3)为多边形，扰流柱(3)的边数为3、4、5、6……条任一一种；
进气孔(2)和出气孔(5)的横截面形状为平行四边形，进气孔(2)和出气孔(5)与螺旋腔(4)内的通道采用圆弧状滑道光滑相衔接，并从多边形扰流柱(3)的两条邻边向外延伸而出；进气孔中心线(10)和出气孔中心线(11)与水平面所成夹角分别为入射角∠A1和出射角∠A2，均为锐角；
每个单元体中进气孔(2)和出气孔(5)的进气孔中心线(10)及出气孔中心线(11)位于水平面内的投影，分别与扰流柱相邻两边相平行；整个层板(1)是由多个这样的单元体按照蜂窝状紧密排布而成。
2.如权利要求1所述的一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于，所述的进气孔(2)和出气孔(5)的横截面形状为矩形。
3.如权利要求1或2所述的一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2均为20～45°。
4.如权利要求1或2所述的一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2均为30°。
5.如权利要求3所述的一种采用多边形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2均为30°。
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