古錢式擾流柱層板結構的製作方法

2023-10-07 19:16:59 4

專利名稱：古錢式擾流柱層板結構的製作方法
古錢式擾流柱層板結構技術領域在航空發動機中，高溫部件的冷卻設計很大程度上決定了整機性能和可靠性。本 發明涉及一種適用於燃氣渦輪發動機的層板冷卻結構，該結構可用於渦輪葉片或者燃 燒室的冷卻，適用於新一代高性能航空發動機對與高溫部件冷卻性能的要求。本結構 中包括進氣板、進氣孔、擾流柱、出氣板和出氣孔五種特徵結構，其擾流柱可分為主 擾流柱和副擾流柱。根據流體力學原理，主擾流柱被設計成橢圓柱形，其長軸指向進 氣孔和出氣孔。副擾流柱被設計成星形柱，且其稜邊正對進氣孔。
背景技術：
在燃氣渦輪發動機中的渦輪葉片緊挨著燃燒室，其所處環境溫度局部高達 2000K。為了改善燃氣渦輪發動機的熱效率， 一般採用提高渦輪前溫度，隨之帶來 的是渦輪部件熱負荷的增加。另外，渦輪葉片(工作葉片)在高轉速下工作(轉速可 達15000rpm以上)，處於非常高的離心力場當中。在如此惡劣的工作環境中，要保 證葉片正常、可靠、長期的工作，就必須對渦輪葉片進行有效的冷卻，保持最佳的熱 應力狀態。燃氣渦輪發動機中的熱端部件的冷卻問題，是制約整機推重比和效率的主 要因素之一，其中，最為突出的是渦輪葉片和燃燒室的冷卻結構設計。冷卻的原則是 使用最少的冷氣量來帶走儘可能多的熱量，保護零部件處於較低的溫度範圍，並且具 有較小的溫度梯度。層板結構中集成了 "衝擊冷卻"、"強化對流冷卻"、"氣膜冷卻" 三種冷卻形式，又因為其豐富的內腔和孔結構，在換熱效果上逼近多孔介質發汗式冷 卻，能夠適應目前燃氣渦輪發動機對於熱端部件的冷卻要求，有著廣泛的應用前景。 對於層板冷卻結構，其內腔的擾流柱設計，是區別不同層板類型的主要特徵，也是影 響其流動和換熱性能的主要因素。本發明將提出一種全新的髙性能的擾流柱結構，以 組織優秀的流動和換熱特性，優化渦輪葉片的溫度水平和溫度分布。
發明 內 容本發明的目的是提供一種適用於燃氣渦輪發動機熱端部件冷卻的通用的層板結構，該結構中，包括位於進氣板中的進氣孔(2)、位於出氣板中的出氣孔(5)、主 擾流柱(3)和副擾流柱(4)，其特徵在於在相鄰兩個進氣孔(2)之間安裝有一 個圓柱形的副擾流柱(4)，在以相鄰的4個進氣孔(2)的軸線所劃分的層板單元體 中， 一個出氣孔(5)布置在該單元體中間，且擾流柱的總量為6個，在相鄰進氣孔 (2)和出氣孔(5)之間有4個完整的主擾流柱(3)，在相鄰兩進氣孔之間有4個 1/2副擾流柱(4),主擾流柱和副擾流柱(3)和(4)均為圓柱形，其直徑範圍為 相鄰兩進氣孔(2)間距丄的10% 40%，相鄰兩進氣孔(2)的間距L的取值範 圍為3mm 6mm。在俯視圖中，擾流柱的形狀和排列形成了中國古代錢幣的形狀， 古錢式擾流柱層板因而得名。本發明的層板冷卻結構的優點在於(1)主擾流柱為橢圓柱形，橢圓長軸指向 進氣孔和出氣孔，擾流柱前緣靠近進氣孔，可以充分利用進氣衝擊流動進行換熱，尾 緣更靠近出氣孔，使出氣收縮流動的程度變小，從而減小流阻；(2)主擾流柱側壁 面的曲率較小，可以減少氣流在其上的分離流動，從而增強換熱；(3)副擾流柱可 以削弱相鄰兩股進氣氣流的相互衝擊，減小二者相匯時的碰撞角度，且利用擾流柱稜 邊可以減小冷氣在擾流柱前緣衝擊流動阻力；(4)副擾流柱可以減小內腔流道的體 積，減小氣流在層板中的擴長程度，從而減小流阻；(5)副擾流柱可以使其下遊通 道內的旋渦流動得到抑制，減少其從主流中吸收的能量，使得整體流動阻力變小；(6) 副擾流柱側面為凹壁面，可以有效抑制氣流的分離，從而增強換熱;(7)副擾流柱 的增加使得內腔換熱面積增大，從而增強內腔換熱；(8)冷卻氣流對副擾流柱形成 衝擊，使之具有較強的換熱效果；(9)主、副擾流柱形成的通道通暢且截面積變化 較小，有利於氣流流動。


圖1本發明的層板結構示意圖
圖2本發明的層板結構俯視圖。 圖3圖2的A—A剖視圖。 圖4圖2的B — B剖視圖。圖中 l.出氣板 2.進氣孔3.主擾流柱 4.副擾流柱5.出氣孔 6.單元體分界面 7.進氣板具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。請參見圖1所示，本發明是一種適用於燃氣渦輪發動機燃燒室和渦輪葉片冷卻 的通用層板結構。其中擾流柱3、 4的結構是區別於其它層板結構的主要特徵。以相 鄰的4個進氣孔2軸線所劃分的區域為層板最小單元體，其界面為6。最小單元體內 包括有4個完整的主擾流柱3，和4個1/2副擾流柱4。主擾流柱3位於相鄰的進 氣孔2和出氣孔5之間，而副擾流柱4位於相鄰的兩個進氣孔2之間。主擾流柱3 被設計成橢圓柱形，其橢圓長軸指向進氣孔2和出氣孔5。副擾流柱4被設計成星形 稜柱形，且其稜邊指向最近的進氣孔。整個層板可以認為是由多個這樣的單元體按照 周期性和對稱性複製擴展而成。請參見圖1和2所示，冷卻氣體由開在進氣板7上的進氣孔2進入到層板內腔 中，在出氣板1的內側形成衝擊流動，具有很強的換熱能力。衝擊過後，冷氣貼著 內腔上壁面向四周流動，在主擾流柱3和副擾流柱4的前緣再次形成衝擊流動，換 熱效果較好。對於主擾流柱3，其前緣靠近進氣衝擊流動區，有利於增強換熱，其尾 緣靠近出氣孔，有利於減小出氣流動的收縮程度，從而減小整體流阻。主擾流柱側面 曲率較小，氣流不易產生分離。對於副擾流柱4，因為其稜邊正對來流，可以將冷卻 氣流有序的分為兩部分，且因為副擾流柱4惻面為凹面，可以有效的抑制氣流的分 離流動，因而會有較高的對流換熱係數。冷氣穿過主擾流柱3和副擾流柱4之間所 形成的通道，最終由出氣孔5流出層板，並且受層板外側流動的影響形成氣膜覆蓋, 從而減少燃氣對層板的直接加熱。層板的受熱面主要來自於出氣板1的外側， 一般
為高溫燃氣。請參見圖l、 2、 3和4所示， 一般情況下，層板中進氣孔2、出氣孔5、主擾 流柱3和副擾流柱4的軸線之間的距離都是相等的，也可以根據需要設計成不等的， 但只要拓撲結構不變，仍認為是本發明所示的結構；根據氣膜冷卻的需要，出氣孔5可以設計成傾斜的；本發明圖示中，主擾流柱3的橢圓短軸長度和副擾流柱4的橫 截面對角線長度相等，可以根據實際需要設計成不等。主擾流柱3的橢圓長短軸比 例可以任意。副擾流柱的稜邊本著便於加工製造的原則而加有倒角，倒角直徑可以適 當取值。本發明經過了三維數值模擬和實驗的驗證，其流動阻力比無副擾流柱的普通層板 結構降低了約24%，其換熱性能提高了約14%。
權利要求
1、一種適用於燃氣渦輪發動機的通用層板冷卻結構，包括位於進氣板中的進氣孔(2)、位於出氣板中的出氣孔(5)、主擾流柱(3)和副擾流柱(4)，其特徵在於在常規層板結構的基礎上，在相鄰兩個進氣孔(2)之間安裝有一個橫截面為星形的副擾流柱(4)，且其稜邊正對著進氣孔(2)，而在進氣孔(2)和出氣孔(5)之間的主擾流柱(3)為橢圓柱形，其長軸指向進氣孔(2)和出氣孔(5)，單元體內擾流柱的總量為6個，在相鄰進氣孔(2)和出氣孔(5)之間有4個完整的主擾流柱(3)，在相鄰兩進氣孔(2)之間有4個1/2副擾流柱(4)，主擾流柱(3)橫截面橢圓形長軸取值範圍為相鄰兩進氣孔(2)間距L的20％～60％，短軸取值範圍為L的10％～40％，副擾流柱(4)橫截面對角線距離的取值範圍為L的10％～40％，相鄰兩進氣孔(2)間距L的取值範圍是3mm～6mm。
全文摘要
本發明公開了一種適用於燃氣渦輪發動機的通用層板結構，其內部的擾流柱由位於相鄰進氣孔和出氣孔之間的主擾流柱，還有位於相鄰兩進氣孔之間的副擾流柱組成。每個層板單元體中，包括4個完整的主擾流柱，和4個1/2副擾流柱。主擾流柱為橢圓柱形，副擾流柱為星形稜柱，且其稜邊正對著最近的進氣孔。相對於普通結構的層板，主擾流柱前緣靠近進氣孔，有利於增強換熱，尾緣靠近出氣孔，有利於減小流阻，且因為側面曲率較小，不易產生分離流動。副擾流柱的增加，削弱了相鄰兩股冷卻氣體的相互撞擊，提供了額外的換熱面積，並且因為其稜邊正對來流，可以減少正面衝擊流動造成的流阻損失，且因為其側面為凹壁面，可以有效抑制氣流在副擾流柱壁面上的分離。
文檔編號F02C7/18GK101126349SQ20071011876
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者丁水汀, 東 呂, 宏 吳, 吳宏偉, 徐國強, 智 陶 申請人:北京航空航天大學