CN112145233A - 一种s型回转腔层板冷却结构 - 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S型回转腔层板冷却结构。所述的冷却结构由多个形状相同的单元体构成，每个单元体的结构包括位于进气板的进气孔、位于出气板的气膜孔、扰流柱和呈S型的回转腔。S型回转腔可分为进气腔和出气腔，并在各自中心处分别设有扰流柱，扰流柱的形状与腔体轮廓形状一致。在垂直于单元体表面的截面内，进气孔和气膜孔的中心线均呈S形曲线。进气孔中心线在进气板外表面处的切线方向与板面的夹角∠A1、气膜孔中心线在出气板外表面处的切线方向与板面的夹角∠A2均为锐角。本发明减小空气流动阻力和损失，增强叶片冷却效果，提高涡轮叶片的抗载荷能力并且优化层板布局结构。

Description

一种S型回转腔层板冷却结构
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S型回转腔层板冷却结构。
背景技术
为了提高航空发动机的性能水平，涡轮进口温度不断提升，随之带来的是涡轮热端部件工作环境的日趋恶化。这些在高温环境下工作的涡轮部件除了要承受高温热负荷，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，其中一项有效措施是采用冷却式设计。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。层板冷却结构将导热、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，同时规避发汗式冷却易堵塞的缺点，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。本发明提出一种内腔冷却通道呈S型回转的层板结构。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，此外还可通过延长冷气流动距离来综合增强层板换热能力和抗载荷能力，并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S型回转腔层板冷却结构，由多个形状相同的单元体构成，每个单元体的结构包括位于进气板的进气孔、位于出气板的气膜孔、扰流柱和呈S型的回转腔。S型回转腔可分为进气腔和出气腔，并在各自中心处分别设有扰流柱，扰流柱的形状与腔体轮廓形状一致。其中单元体形状可近似认为由两个大小相同的正六边形、正方形或圆形并列构成。
以单元体形状为两个并列正六边形为例。两个正六边形中心处，即S型回转腔的进气腔和出气腔中心处，分别设有扰流柱，两腔之间通过一段直通道尽可能光顺的连通，并使冷却通道在俯视上呈现近似S型。
进一步的，冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形。
进一步的，冷却通道的横截面椭圆形长轴与短轴的长度之比值可在1.2至2之间，其中典型值可为2。
在每个单元体中，进气腔连接进气孔，出气腔连接气膜孔。在垂直于单元体表面的截面内，进气孔和气膜孔的中心线均呈S形曲线。进气孔中心线在进气板外表面处的切线方向与板面的夹角为入射角∠A1，气膜孔中心线在出气板外表面处的切线方向与板面的夹角为出射角∠A2，∠A1和∠A2均为锐角，其值可均为30～50°，典型值可为30°。
进一步的，进气孔和气膜孔的横截面形状为椭圆形，且孔型面与S型回转腔内的通道相切并光滑转接。
进一步的，进气孔和气膜孔的中心线均由两段相切圆弧组成，两个圆弧的半径分别为R1和R2，弯曲方向相反。半径为R1的圆弧起始端与层板中心轴线相切，半径为R2的圆弧与进/出气板表面的交点处的切线与板面所成夹角为孔的进/出气角，即入/出射角。
整个层板可以认为是由多个这样的单元体按照周期性紧密排布而成。
本发明的优点在于：
1.减小空气流动阻力和损失
本发明相对于典型的层板结构，其有益效果首先是冷却气体流动阻力和损失减小约8％～12％，进而带来发动机整机效率的提高。
如图2所示，相对于典型的层板内部各单元相互连通的结构，本发明各单元相互独立设置，避免了从不同进气孔进入的冷却气流在同一单元体内部发生冲击、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。
从冷却气进出腔体时转折角度来看，本发明中进气孔的入射角∠A1和气膜孔的出射角∠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，以及部分冷却气流进入出气孔时140°左右的转折，大幅度的减小了流动阻力损失。
从腔体沿程横截面的变化来看，本发明整个回转腔沿程椭圆形横截面的设计，相对于传统的矩形截面，在保证通道内部换热面积的同时大限度的降低了冷气通道截面的变化，减少流动损失。此外，回转腔与进气孔和气膜孔光顺连接，亦无明显的截面积变化，使得气流在层板内部流动的过程中不会出现突扩和节流的现象，减少此类流动起的能量损失，即使得层板阻力较小。
2.增强叶片冷却效果
相对于典型的层板结构，为达到相同冷却效果，本发明减少冷却气体用量约15％。
如图3所示，S形的气膜孔在有限的空间内可以减小气膜出流与板面的夹角，使得冷却气体贴壁效果更好，近似椭圆形截面的气膜孔相对于传统的圆形气膜孔使得出气板上气膜覆盖效果更好，增强气膜冷却效果。
与典型层板多孔完全联通结构不同，相对独立的回转腔设计使得冷却气流在层板内能够流动更长的路径，特别是两个扰流柱的设计使得流动路径较单扰流柱设计增长了约50％，让冷却气得到更加充分的利用，提高换热效果。
相对于典型层板，S型回转腔的设计使得冷却气可以利用腔体的回转实现加速强化换热，同时两个腔体反向回转设计使得高、低流速区域的气流发生相对位置的交换，气流在腔体内部产生振荡，破坏附面层，提高冷却效果。
S型回转腔流道的弯折使气流在折转处下游壁面发生多次冲击。以正六边形S型回转腔为例，该设计还使得冷却气流可以对壁面形成14次冲击，比无S型回转结构增加1倍以上，增强扰动，提高冷却效果。
各单元体呈周期性排布后，相邻单元体之间形成了隔墙结构，如图4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面积和内腔换热面积都增大。
3.提高涡轮叶片的抗载荷能力
涡轮叶片在工作中主要承受以下方面的载荷：由高速旋转引起的离心载荷、由燃气气流施加的气动载荷、由于振动引起的振动载荷，这些载荷施加在叶片基体上呈现了拉伸、扭转和弯曲等变形趋势以及产生了相应的应力，另外还有由于热膨胀不均匀而引起的热应力。这些应力耦合在一起并且超出了材料所能承受的极限后，则会发生破坏。单元体周期性的排布方式使得层板内形成了网状的支撑肋结构，此外，双扰流柱S型回转腔将支撑肋与扰流柱连接的更紧密，参考图4，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，在各个方向上提高了结构整体抗弯曲和扭转载荷能力，幅度达到18％以上，带来了发动机整体的安全性和可靠性改善。
4.优化层板布局结构
单元体呈周期性的紧密排布的设计，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％。
附图说明
图1S型回转腔层板结构示意图。
图2(a)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)S型回转腔层板内腔内冷却气体流动三维数值仿真结果图。
图3常规层板与S型回转腔层板出气孔气膜覆盖效果对比图。
图4常规层板与S型回转腔层板载荷示意和截面形状对比图。
图5常规层板与S型回转腔层板单元体排布方式对比图。
图6不同腔体形状S型回转腔层板结构示意图。
图中：1.层板；2.进气板；3.进气孔；4.进气孔中心线；5.入射角∠A1；6.进气腔；7.进气腔扰流柱；8.出气腔；9.出气腔扰流柱；10.气膜孔；11.气膜孔中心线；12.出射角∠A2；13.出气板。
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S型回转腔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S型回转腔与进气孔和气膜孔光顺连接且转折角度较小，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，综合通道截面的椭圆形效果也使得层板阻力较小。同时可以得知S型回转腔冷却路径明显增加，实现腔体贴壁气流与内部气流的交换，提高冷却气体利用率。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10％左右，冷却气体用量减少15％，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，其中双扰流柱、S形进气孔3和气膜孔10以及S型回转腔结构是区别于已有层板结构的主要特征。每一个回转腔均为近似S形并可视为一个相对独立的最小单元体，每单元体内设有两个扰流柱分别为进气腔扰流柱7和出气腔扰流柱9，扰流柱形状与腔体形状一致，如正方形和圆形等(如图6所示)。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进气孔3和气膜孔10相切光滑相连接并总体上呈现回转状。位于进气板2上的进气孔3和位于出气板13上的气膜孔10中心对称，孔的通道形状呈S形，即进气孔中心线4和气膜孔中心线11均呈S形，截面为椭圆形。每个单元体中进气孔3的进气孔中心线4和气膜孔10的气膜孔中心线11空间上中心对称。
冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形，椭圆形长轴与短轴的长度之比值为2。
进气孔中心线4与气膜孔中心线11均由两段相切圆弧组成，切点距离层板表面距离为0.3倍的层板厚度，两段圆弧半径值之比为1：3.15。
进气孔3及气膜孔10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周期性紧密排布而成。
如图1所示，层板的热负荷主要来自于出气板11的外侧，一般为高温燃气。冷却气流由开在进气板2上的进气孔3转折角较小地进入到层板内回转腔，先流入进气腔6并绕着进气腔扰流柱7回转流动，然后流入出气腔8并绕出气腔扰流柱9回转流动，在内部与壁面进行充分换热后，从位于出气板13上的气膜孔10转折角较小地流出，并受外侧燃气流影响，对出气板13形成气膜覆盖，减少燃气对层板的直接加热，覆盖效果如图3所示。
实施例3
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，其中双扰流柱、S形进气孔3和气膜孔10以及S型回转腔结构是区别于已有层板结构的主要特征。每一个回转腔均为近似S形并可视为一个相对独立的最小单元体，每单元体内设有两个扰流柱分别为进气腔扰流柱7和出气腔扰流柱9，扰流柱形状与腔体形状一致均为正六边形。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进气孔3和气膜孔10相切光滑相连接并总体上呈现回转状。位于进气板2上的进气孔3和位于出气板13上的气膜孔10中心对称，孔的通道形状呈S形，即进气孔中心线4和气膜孔中心线11均呈S形，截面为椭圆形。每个单元体中进气孔3的进气孔中心线4和气膜孔10的气膜孔中心线11空间上中心对称。
冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形，椭圆形长轴与短轴的长度之比值为1.2。
进气孔中心线4与气膜孔中心线11均由两段相切圆弧组成，切点距离层板表面距离为0.3倍的层板厚度，两段圆弧半径值之比为1：3.15。
进气孔3及气膜孔10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周期性紧密排布而成。
实施例4
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，其中双扰流柱、S形进气孔3和气膜孔10以及S型回转腔结构是区别于已有层板结构的主要特征。每一个回转腔均为近似S形并可视为一个相对独立的最小单元体，每单元体内设有两个扰流柱分别为进气腔扰流柱7和出气腔扰流柱9，扰流柱形状与腔体形状一致均为正方形。单元体内扰流柱周围的空腔结构与进气孔3和气膜孔10相切光滑相连接并总体上呈现回转状。位于进气板2上的进气孔3和位于出气板13上的气膜孔10中心对称，孔的通道形状呈S形，即进气孔中心线4和气膜孔中心线11均呈S形，截面为椭圆形。每个单元体中进气孔3的进气孔中心线4和气膜孔10的气膜孔中心线11空间上中心对称。
冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形，椭圆形长轴与短轴的长度之比值为2。
进气孔中心线4与气膜孔中心线11均由两段相切圆弧组成，切点距离层板表面距离为0.25倍的层板厚度，两段圆弧半径的比值为1：3.42。
进气孔3及气膜孔10与水平面的夹角入射角∠A1和出射角∠A2均为50°。整个层板由多个这样的单元体按照周期性紧密排布而成。

Claims (5)

1.一种S型回转腔层板冷却结构，其特征在于，由多个形状相同的单元体构成，所述的单元体的结构包括位于进气板(2)的进气孔(3)、位于出气板(13)的气膜孔(10)、扰流柱和呈S型的回转腔；
所述的S型回转腔分为进气腔(6)和出气腔(8)，并在各自中心处分别设有进气腔扰流柱(7)和出气腔扰流柱(9)，扰流柱的形状与腔体轮廓形状一致；其中单元体形状可近似认为由两个大小相同的正六边形、正方形或圆形并列构成；
在每个单元体中，进气腔(6)与进气孔(3)相连，出气腔(8)连接气膜孔(10)；在垂直于单元体表面的截面内，进气孔(3)和气膜孔(10)的中心线均呈S形曲线；进气孔中心线(4)在进气板(2)外表面处的切线方向与板面的夹角为入射角∠A1，气膜孔中心线11在出气板(13)外表面处的切线方向与板面的夹角为出射角∠A2，∠A1和∠A2为30～50°；
进气孔(3)和气膜孔(10)的横截面形状为椭圆形，且孔型面与S型回转腔内的通道相切并光滑转接，冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形。
2.如权利要求1所述的一种S型回转腔层板冷却结构，其特征在于，所述的冷却通道的横截面椭圆形长轴与短轴的长度之比值在1.2～2。
3.如权利要求1或2所述的一种S型回转腔层板冷却结构，其特征在于，所述的进气孔(3)和气膜孔(10)的中心线均由两段相切圆弧组成，两个圆弧的半径分别为R1和R2，弯曲方向相反；半径为R1的圆弧起始端与层板中心轴线相切，半径为R2的圆弧与进/出气板表面的交点处的切线与板面所成夹角为孔的进/出气角，即入/出射角。
4.如权利要求1或2所述的一种S型回转腔层板冷却结构，其特征在于，所述的单元体形状为两个并列正六边形时，两个正六边形中心处，即S型回转腔的进气腔(6)和出气腔(8)中心处，分别设有扰流柱，两腔之间通过一段直通道，并使冷却通道在俯视上呈现近似S型。
5.如权利要求3所述的一种S型回转腔层板冷却结构，其特征在于，所述的单元体形状为两个并列正六边形时，两个正六边形中心处，即S型回转腔的进气腔(6)和出气腔(8)中心处，分别设有扰流柱，两腔之间通过一段直通道，并使冷却通道在俯视上呈现近似S型。
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