一種低流阻層板結構的製作方法

2023-10-09 03:05:49 1

專利名稱：一種低流阻層板結構的製作方法
一種低流阻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。擾流柱為圓柱形。
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。為了實現高效燃氣渦輪機的性能隨著渦輪前溫度的進一步提高，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。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 一種全新的高性能的擾流柱結構。該結構可以避免層板內部氣流之間的相互衝擊，從 而減小流動的阻力，同時還可增強層板換熱能力。
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。本發明的層板冷卻結構的優點在於(1)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，從而降低流動阻力；(2)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；(3)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；(4)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；(5) 冷卻氣流對副擾流柱形成衝擊，使之具有較強的換熱效果。


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4圖2的B —B剖視。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
具體實施例方式
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的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。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。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l的外側， 一般為高溫燃氣。請參見圖l、 2和3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，但根 據相似原理，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和副擾流柱4為圓柱形且直徑相等，可以 根據實際需要設計成直徑不等。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20%，其換熱性能提高了約10%。
權利要求
1、一種用於燃氣渦輪發動機的層板冷卻結構，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L的10％～40％，相鄰兩進氣孔(2)的間距L的取值範圍為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。相對於普通結構的層板，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，並且更加充分的利用了進氣衝擊氣流，所以其流動阻力減少了約20％，換熱能力增強了約10％。
文檔編號F02C7/16GK101126351SQ200710118770
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, 品 呂, 徐國強, 鄧宏武, 智 陶 申請人:北京航空航天大學