CN114542194A - 一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构 - Google Patents

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CN114542194A CN202210167744.7A CN202210167744A CN114542194A CN 114542194 A CN114542194 A CN 114542194A CN 202210167744 A CN202210167744 A CN 202210167744A CN 114542194 A CN114542194 A CN 114542194A
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李洁博
许卫疆
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Abstract

本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，属于航空发动机涡轮叶片冲击气膜冷却技术领域；包括进气腔、冲击板和冲击靶板，还包括设置于冲击靶板表面上的圆锥形凸起和气膜孔，所述圆锥形凸起与冲击板上的冲击孔同轴对应设置；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板的圆锥形凸起上，并沿圆锥形凸起的侧面继续流向冲击靶板的板面，对冲击靶板进行强化换热后从气膜孔流出。本发明较平板换热而言，圆锥形凸起的冲击换热结构可以破坏冲击驻点以外区域的边界层，提高靶板表面的换热系数，同时圆锥凸起的存在增加了靶板表面的换热面积，从而增强换热效果。

Description

一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片冲击气膜冷却技术领域，具体涉及一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构。
背景技术
随着航空发动机技术水平的提升，发动机涡轮前温度越来越高，已经远远超出涡轮叶片材料的耐温极限，在现有的冷却结构条件下，叶片冷却所需的冷气量越来越多，不利于发动机推重比的提升。因此，如何保证涡轮叶片在远高于自身材料承受温度的情况下安全可靠地工作已经成为航空发动机的研究重点。
目前，为保证涡轮叶片安全可靠地工作主要有两种方式：一是研制具有更高耐温极限的可用于航空发动机涡轮叶片的耐温材料；二是采用新型冷却技术增强涡轮叶片的冷却，降低叶片温度。常用的涡轮叶片冷却形式分为内部冷却和外部冷却，在内部冷却技术中，冲击换热可以有效提升换热效果，低温气体经过冲击孔，以很高的速度冲击到叶片内壁面，对其进行强化冷却。国内外增强冲击换热的研究主要集中在冲击+扰流柱复合换热形式以及冲击靶面的造型设计，冲击+扰流柱的换热形式结构复杂，加工成本高。因此，在增强叶片内部冲击冷却的同时降低叶片的加工成本，对冲击靶面型面的设计是很有必要的。
专利CN110145371A提出一种在冲击靶板上布置圆锥凸台的结构，专利CN112879103A提出一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构。这些结构在一定程度上可以增强气体扰动及局部湍流度，从而提高对凸台的冲击冷却效果，但是由于冷气冲击凸台后速度方向横向偏转，导致在凸台与冲击靶面接触位置附近的换热减弱，总的来看，凸台对叶片外表面的冷却效果提高不够明显。为解决该问题，本发明提出了一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其中圆锥顶部尖端正对冲击孔中心，底面与叶片内表面重合，冷气经过冲击孔射流冲击到圆锥侧面进行冲击换热后继续冲向叶片内壁面，加强叶片整体的冲击换热效果。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，通过在冲击靶板上设置圆锥形凸起和气膜孔，提高航空发动机涡轮叶片的冷却效果，降低叶片表面温度。
本发明的技术方案是：一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，包括进气腔、冲击板和冲击靶板；其特征在于：还包括设置于冲击靶板表面上的圆锥形凸起和气膜孔，所述圆锥形凸起与冲击板上的冲击孔同轴对应设置；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板的圆锥形凸起上，并沿圆锥形凸起的侧面继续流向冲击靶板的板面，对冲击靶板进行强化换热后从气膜孔流出；
所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离H，所述冲击孔的直径为D。
本发明的进一步技术方案是：所述圆锥形凸起的底面位于冲击靶板板面上，圆锥高度与冲击距离H的比值为0.2～0.6，锥底面直径与冲击距离H的比值为0.2～0.8。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击孔直径D与冲击距离H的比值为0.5～1.0。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0，冲击孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0。
本发明的进一步技术方案是：所述圆锥形凸起沿流向和展向与气膜孔交错布置。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔直径d与冲击距离H的比值为0.2～1.0，气膜孔轴线与冲击靶板板面的夹角为30°～60°。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～4.0，气膜孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～6.0。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击靶板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击板与冲击靶板之间的距离为0.8～5mm。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于圆锥形凸起的冲击换热结构，即在涡轮叶片常规的冲击换热靶板上布置圆锥形凸起结构，并在冲击靶板上设置气膜孔。
本发明的优势如下：
1、较平板换热而言，圆锥形凸起的冲击换热结构可以破坏冲击驻点以外区域的边界层，提高靶板表面的换热系数，同时圆锥凸起的存在增加了靶板表面的换热面积，从而增强换热效果。
2、与圆锥形凸台相比，圆锥形凸起的冲击换热结构的冷气流贴壁性好，高换热区域较大，可以提高靶板整体的换热效果。对于圆锥形凸台，当冷气冲击在凸台顶的平面后，气流发生横向偏转，在凸台侧面区域形成低速涡(见图7)，导致在凸台与靶面平面交界附近位置换热较弱，仅在凸台顶部存在高换热区；而对于圆锥形凸起，由于顶部为尖头，当冷气射流冲击靶面的凸起后，直接沿圆锥凸起侧面流向靶面其余位置，在凸起与靶面平面交界处形成二次冲击，进一步提高了冲击换热效果。
3、在冲击靶板上设置气膜孔，将内部冷却与外部冷却结合使得综合冷却性能明显。
本发明是一种基于圆锥形凸起的冲击换热结构，在冲击靶板表面布置圆锥形凸起扰流元，具有良好的换热特性，可用于各种航空发动机及燃气轮机涡轮叶片冷却结构。
设定冲击孔进口速度20m/s、温度300K，主流速度为30m/s、温度400K的条件下，对基于本发明的圆锥形凸起的冲击换热结构和圆锥凸台换热结构进行了流固耦合数值模拟。冲击孔径D＝1.0mm，冲击距离H＝2.0mm，冲击板厚度与冲击距离H的比值为1.0，冲击孔展向间距与冲击距离H的比值为1.5，冲击孔流向间距与冲击距离H的比值为3.0，气膜孔轴线与水平面的夹角为40°，气膜孔展向间距与冲击距离H的比值为3.0，气膜孔流向间距与冲击距离H的比值为3.0，冲击靶板厚度与冲击距离H的比值为1.0。对比分析显示，本发明的圆锥形凸起冲击靶板表面的平均换热系数较圆锥凸台冲击靶板增加约14％，冲击靶板主流侧温度降低约1K。
附图说明
图1为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元的正视图。
图2为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元的右视图。
图3为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元的俯视图。
图4为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元的仰视图。
图5为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元的截剖面图。
图6为本发明一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构单元冲击靶板的立体图。
图7为本发明与圆锥凸台冲击位置流线图。
图8为本发明与圆锥凸台冲击靶板主流侧线平均温度随流向距离的对比曲线图。
附图标记说明：1.冲击靶板2.冲击板3.圆锥形凸起4.气膜孔5.冲击孔。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施是一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构。
参阅图1～图5，本实例一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构应用于航空发动机涡轮叶片的冲击气膜结构，由冲击靶板1、冲击板2、圆锥形凸起3、气膜孔4、冲击孔5组成。冲击距离H，即冲击板与冲击靶板之间的距离为0.8～5mm，冲击板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0，冲击孔直径D与冲击距离H的比值为0.5～1.0，冲击孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0，冲击孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0，气膜孔直径d与冲击距离H的比值为0.2～1.0，气膜孔轴线与冲击靶板的夹角为30°～60°。气膜孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～4.0，气膜孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～6.0。冲击靶板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0。所述的冲击板与所述的冲击靶板平行。
所述圆锥形凸起是由一个圆锥作为凸起布置于冲击靶板表面，圆锥高度与冲击距离H的比值为0.2～0.6，锥底直径与冲击距离H的比值为0.2～0.8，圆形底面贴合在冲击靶面，锥顶正对冲击孔。
本实例中，冷却空气经过冲击板2，从冲击孔5中吹出，喷射至冲击靶板1表面的圆锥形凸起3上，随后沿圆锥形凸起的侧面流向靶板其他区域，最终从气膜孔4流出，与涡轮叶片外部进行换热。圆锥形凸起结构破坏了冲击换热过程中在冲击靶面上的边界层，减小了边界层厚度，同时，冷却空气与圆锥形凸起顶部进行冲击换热后，沿圆锥形凸起侧面流向冲击靶面，形成二次冲击，进一步增强叶片冲击换热强度，因此基于圆锥形凸起的冲击换热结构可以有效增强叶片内部的冲击换热效果。
具体参数设定为：设定冲击孔进口速度20m/s、温度300K，主流速度为30m/s、温度400K的条件下，对基于本发明的圆锥形凸起的冲击换热结构和圆锥凸台换热结构进行了流固耦合数值模拟。冲击孔径D＝1.0mm，冲击距离H＝2.0mm，冲击板厚度与冲击距离H的比值为1.0，冲击孔展向间距与冲击距离H的比值为1.5，冲击孔流向间距与冲击距离H的比值为3.0，气膜孔轴线与水平面的夹角为40°，气膜孔展向间距与冲击距离H的比值为3.0，气膜孔流向间距与冲击距离H的比值为3.0，冲击靶板厚度与冲击距离H的比值为1.0。对比分析显示，本发明的圆锥形凸起冲击靶板表面的平均换热系数较圆锥凸台冲击靶板增加约14％，冲击靶板主流侧温度降低约1K。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，包括进气腔、冲击板和冲击靶板；其特征在于：包括设置于冲击靶板表面上的圆锥形凸起和气膜孔，所述圆锥形凸起与冲击板上的冲击孔同轴对应设置；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板的圆锥形凸起上，并沿圆锥形凸起的侧面继续流向冲击靶板的板面，对冲击靶板进行强化换热后从气膜孔流出；
所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离H，所述冲击孔的直径为D。
2.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述圆锥形凸起的底面位于冲击靶板板面上，圆锥高度与冲击距离H的比值为0.2～0.6，锥底面直径与冲击距离H的比值为0.2～0.8。
3.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述冲击板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0。
4.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述冲击孔直径D与冲击距离H的比值为0.5～1.0。
5.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述冲击孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0，冲击孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～5.0。
6.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述圆锥形凸起沿流向和展向与气膜孔交错布置。
7.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述气膜孔直径d与冲击距离H的比值为0.2～1.0，气膜孔轴线与冲击靶板板面的夹角为30°～60°。
8.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述气膜孔展向间距与冲击距离H的比值为1.0～4.0，气膜孔流向间距与冲击距离H的比值为1.0～6.0。
9.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述冲击靶板厚度与冲击距离H的比值为0.5～2.0。
10.根据权利要求1所述基于圆锥形凸起的冲击气膜换热结构，其特征在于：所述冲击板与冲击靶板之间的距离为0.8～5mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200011199A1 (en) * 2018-07-06 2020-01-09 Rolls-Royce Corporation Hot section dual wall component anti-blockage system
CN112879103A (zh) * 2021-03-10 2021-06-01 西北工业大学 一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构

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