专利名称：方形副扰流柱层板结构的制作方法
方形副扰流柱层板结构技术领域在航空发动机中，高温部件的冷却设计决定了整机性能和可靠性。本发明涉及一 种适用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，该结构可用于涡轮叶片或者燃烧室的冷 却，适用于新一代高性能航空发动机对与高温部件冷却性能的要求。本结构中包括进 气板、进气孔、扰流柱、出气板和出气孔五种特征结构，其扰流柱可分为主扰流柱和 副扰流柱。根据流体力学原理，副扰流柱被设计成方形，且其棱边正对进气孔。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中的涡轮叶片紧挨着燃烧室，其所处环境温度局部高达 2000K。为了改善燃气涡轮发动机的热效率， 一般采用提高涡轮前温度，随之带来 的是涡轮部件热负荷的增加。另外，涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作(转速可 达15000rpm以上)，处于非常高的离心力场当中。在如此恶劣的工作环境中，要保 证叶片正常、可靠、长期的工作，就必须对涡轮叶片进行有效的冷却，保持最佳的热 应力状态。燃气涡轮发动机中的热端部件的冷却问题，是制约整机推重比和效率的主 要因素之一，其中，最为突出的是涡轮叶片和燃烧室的冷却结构设计。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温度范围，并且具 有较小的温度梯度。层板结构中集成了 "冲击冷却"、"强化对流冷却"、"气膜冷却" 三种冷却形式，又因为其丰富的内腔和孔结构，在换热效果上逼近多孔介质发汗式冷 却，能够适应目前燃气涡轮发动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。本发明将提出一种全新的高性能的扰流柱结构。该 结构可以避免层板内部气流之间的相互冲击，从而减小流动的阻力，同时还可增强层 板换热能力。
发 明 内 容本发明的目的是提供一种适用于燃气涡轮发动机热端部件冷却的通用的层板结 构，该结构中包括位于进气板中的进气孔(2)、位于出气板中的出气孔(5)、主扰 流柱(3)和副扰流柱(4)，其特征在于在相邻两个进气孔(2)之间安装有一个 正四棱柱形的副扰流柱(4)，且其棱边正对着进气孔(2)，在层板单元体中，扰流 柱的总量为6个，在相邻进气孔(2)和出气孔(5)之间有4个完整的主扰流柱(3)， 在相邻两进气孔(2)之间有4个l/2副扰流柱(4)，主扰流柱(3)为圆柱形，其 直径范围是相邻两进气孔(2)间距丄的10% 40%，副扰流柱为正四棱柱，且横 截面方形对角线的长度范围为Z的10% 40%，相邻两进气孔(2)间距丄的取值 范围是3mm 6mm。本发明的层板冷却结构的优点在于(1)副扰流柱可以削弱相邻两股进气气流 的相互冲击，减小二者相汇时的碰撞角度，且利用扰流柱棱边可以减小冷气在扰流柱 前缘冲击流动阻力；(2)副扰流柱可以减小内腔流道的体积，减小气流在层板中的 膨胀程度，从而减小流阻；(3)副扰流柱可以使其下游通道内的旋涡流动得到抑制, 减少其从主流中吸收的能量，使得整体流动阻力变小；(4)副扰流柱侧面为平米， 可以减少气流的分离，从而增强换热(5)副扰流柱的增加使得内腔换热面积增大， 从而增强内腔换热；(6)冷却气流对副扰流柱形成冲击，使之具有较强的换热效果。
图1本发明的层板结构示意图 图2本发明的层板结构俯视图。 图3图2的A-A剖视。 图4图2的B — B剖视。图中 l.出气板 2.进气孔3.主扰流柱 4.副扰流柱5.出气孔 6.单元体分界面 7.进气板具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。请参见图1所示，本发明是一种适用于燃气涡轮发动机燃烧室和涡轮叶片冷却 的通用层板结构。其中扰流柱3、 4的结构是区别于其它层板结构的主要特征。以相 邻的4个进气孔2轴线所划分的区域为层板最小单元体，其界面为6。最小单元体内 包括有4个完整的主扰流柱3，和4个1/2副扰流柱4。主扰流柱3位于相邻的进 气孔2和出气孔5之间，而副扰流柱4位于相邻的两个进气孔2之间。主扰流柱3 被设计成圆柱形，副扰流柱4被设计成四棱柱形，且其棱边指向最近的进气孔。整 个层板可以认为是由多个这样的单元体按照周期性和对称性复制扩展而成。请参见图1和2所示，冷却气体由开在进气板7上的进气孔2进入到层板内腔 中，在出气板1的内侧形成冲击流动，具有很强的换热能力。冲击过后，冷气贴着 内腔上壁面向四周流动，在主扰流柱3和副扰流柱4的前缘再次形成冲击流动，换 热效果较好。对于副扰流柱4，因为其棱边正对来流，可以将冷却气流有序的分为两 部分，且因为副扰流柱4侧面为平面，气流在其上不易产生分离，因而会有较高的 对流换热系数。冷气穿过主扰流柱3和副扰流柱4之间所形成的通道，最终由出气 孔5流出层板，并且受层板外侧流动的影响形成气膜覆盖，从而减少燃气对层板的 直接加热。层板的受热面主要来自于出气板1的外侧， 一般为高温燃气。请参见图l、 2和3所示， 一般情况下，层板中进气孔2、出气孔5、主扰流柱 3和副扰流柱4的轴线之间的距离都是相等的，也可以^艮据需要设计成不等的，但只 要拓扑结构不变，仍认为是本发明所示的结构；根据气膜冷却的需要，出气孔5可 以设计成倾斜的；本发明图示中，主扰流柱3的直径和副扰流柱4的横截面对角线 长度相等，可以根据实际需要设计成不等。本发明经过了三维数值模拟和实验的验证，其流动阻力比无副扰流柱的普通层板 结构降低了约22%，其换热性能提高了约12%。
权利要求
1、一种用于燃气涡轮发动机的层板冷却结构，包括位于进气板中的进气孔(2)、位于出气板中的出气孔(5)、主扰流柱(3)和副扰流柱(4)，其特征在于在相邻两个进气孔(2)之间安装有一个正四棱柱形的副扰流柱(4)，且其棱边正对着进气孔(2)，在层板单元体中，扰流柱的总量为6个，在相邻进气孔(2)和出气孔(5)之间有4个完整的主扰流柱(3)，在相邻两进气孔(2)之间有4个1/2副扰流柱(4)，主扰流柱(3)为圆柱形，其直径范围是相邻两进气孔(2)间距L的10％～40％，副扰流柱为正四棱柱，且横截面方形对角线的长度范围为L的10％～40％，相邻两进气孔(2)间距L的取值范围是3mm～6mm。
全文摘要
本发明公开了一种适用于燃气涡轮发动机的通用层板结构，其内部的扰流柱由位于相邻进气孔和出气孔之间的主扰流柱，还有位于相邻两进气孔之间的副扰流柱组成。每个层板单元体中，包括4个完整的主扰流柱，和4个1/2副扰流柱。主扰流柱为圆柱形，副扰流柱为正四棱柱形，且其棱边正对着最近的进气孔。相对于普通结构的层板，副扰流柱的增加，削弱了相邻两股冷却气体的相互撞击，提供了额外的换热面积，并且因为其棱边正对来流，可以减少正面冲击流动造成的流阻损失，且可以抑制气流在副扰流柱壁面上的分离。
文档编号F02C7/16GK101126350SQ20071011876
公开日2008年2月20日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者丁水汀, 东 吕, 徐国强, 隽 郭, 洁 闻, 智 陶 申请人:北京航空航天大学