一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构

1.本发明属于发动机涡轮领域，具体涉及一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构。


背景技术：

2.随着航空发动机技术的不断发展，涡轮前进口温度已经达到了2000k左右，已经远远超过了用于制造高温部件的材料的熔点。对于涡轮叶片进行必要的冷却，降低其整体温度水平及局部温差，保证在要求的工作范围内不产生严重变形或烧蚀，对其长寿命、安全运行具有非常重要的意义。现代航空发动机涡轮叶片通过内部冷却和外部冷却的合理协调以达到对叶片冷却的目的。其中，冲击冷却是内部冷却中具有最强传热效果的对流传热形式。
3.冲击传热中，冲击射流通过冲击孔射向靶面，与冲击靶面进行换热，带走叶片内部的热量，对叶片整体进行冷却。实际发动机中，在冲击流体冲击靶面时，靶面周围的流体受到上游冲击射流的影响，通常是流动的，产生横流效应。由于横流的存在，会迫使冲击射流向横流的方向偏转，削弱冲击冷却强度。近年来，通过在冲击靶面布置各种凹坑或突起结构，与冲击冷却结合起来，一方面能够减弱上游横流对冲击射流的影响，另一方面可以增加靶面附近湍流度及换热面积，增强换热。
4.对于凹坑结构，专利cn110195615a给出了一种截面为半圆形的沟槽，相对于平面靶板换热增强，但对流动的扰动较为壁面化，影响仅存在于靠近壁面附近的一层流体，强化传热的效果受到一定的限制，同时凹坑结构容易聚集灰尘，且不易清洗，这会在一定程度上影响冲击换热强度，会对航空发动机性能产生一定影响。相比于凹坑结构，凸起结构的影响不再趋于壁面化，对上游横流的抑制作用更加明显。
5.在凸起结构的研究中，通常只针对于常规形状的结构进行研究，或者仅研究常规形状突起结构的几何参数和排列方式等，缺少对特殊形状突起结构的分析，如吴伟龙
1.等人研究的圆柱状扰流结构，不能为冲击冷却靶面结构的选择提供充分的依据。同时现有技术中靶板上布置的凸起结构多为各种肋，通常可以增强扰动，增大换热面积，改变射流和横流的流动状态。但是在布置凸起肋之后，虽然增大了换热面积，因此增大了换热系数，但同时也产生了更大的压力损失，使得相同压差下冲击换热流量减小，并且肋还会阻挡冷却射流冲击到靶板上肋片底部附近的区域。
6.参考文献：
7.[1]吴伟龙,徐华昭,王建华.涡轮叶片带扰流柱尾缘通道冷气流动的数值分析[j].推进技术,2021,42(01):163
‑
172.


技术实现要素：

[0008]
要解决的技术问题：
[0009]
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，通过在靶板上设置阵列环形凸起，冷气由冲击孔射出，垂直射向冲击靶板后途经环
形凸起，流向下游气膜孔；加设在靶板上的阵列环形凸起增大了换热面积，以达到增大换热量，强化换热效果的目的；且环形凸起在流向上能够对流体进行二次扰动，从而扰动增强，换热增强。因此本发明为了解决现有技术中凹坑结构扰动壁面化以及凸起结构单一、产生更大的压力损失等问题。
[0010]
本发明的技术方案是：一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，包括进气腔、冲击板和冲击靶板，冷却气体进入所述进气腔通过冲击板上的冲击孔垂直射向冲击靶板面上；其特征在于：还包括设置于冲击靶板上的阵列环形凸起和若干气膜孔，各环形凸起均位于沿流向相邻的冲击孔之间，且阵列环形凸起的展向间距、流向间距均与冲击孔的展向间距、流向间距一致；所述若干气膜孔沿流向位于冲击靶板上的阵列环形凸起的下游；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板，在冲击靶板上折转90
°
后途经环形凸起，流向下游气膜孔，并从气膜孔流出进行外部冷却；
[0011]
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。
[0012]
本发明的进一步技术方案是：所示冲击距离h为1.8～2.2d；沿流向相邻冲击孔间距为9～11d，展向相邻冲击孔间距为7～9d。
[0013]
本发明的进一步技术方案是：第一排所示冲击孔的出口中心沿流向距离最近一排气膜孔入口中心为10倍气膜孔直径。
[0014]
本发明的进一步技术方案是：所述环形凸起是径向截面为半圆的环形结构，其底平面平行固定于冲击靶板上，半圆环位于上方。
[0015]
本发明的进一步技术方案是：所述环形凸起的径向截面半圆直径为0.3～0.4d，半圆圆心距环形凸起中心距离为0.6～0.7d。
[0016]
本发明的进一步技术方案是：所述各环形凸起均位于沿流向相邻的冲击孔之间中点的位置，即沿流向相邻的两两冲击射流的中心。
[0017]
本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔的入射角为15
°
～45
°
。
[0018]
有益效果
[0019]
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，即在涡轮叶片冲击冷却靶板上布置环形凸起结构。具体优势如下：
[0020]
1、较圆柱扰流结构，在相同的体积下，环形凸起结构高度较低，阻力较小，但展向距离大于圆柱结构，改变流体流动方向，促进流体横向掺混，增大靶面整体换热，使换热更加均匀。
[0021]
2、相比于圆柱扰流结构，流体经过环形凸起后进入圆心，后会流出凸起结构，基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构在流向上能够对流体进行二次扰动，从而扰动增强，换热增强。
[0022]
3、相比于凹坑结构，环形凸起结构能够对边界层更深处进行扰动，强化传热的效果增强。
[0023]
4、丰富凸起结构形状，为冲击冷却靶面结构的选择提供依据。
[0024]
5、在非冲击区域设置突起结构，能够对此处较厚的边界层进行扰动，增强靶面整体传热效果。
[0025]
基于本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，在冷气腔入口速度为0.5m/s的工况下，进行了数值模拟。环形凸起结构位于冲击靶板上，展向间距为24mm，流向
间距为30mm。气膜孔位于冲击靶板没有冲击孔正对的一侧，直径为2.8mm，流向及展向间距均为12mm，气膜孔轴线与冲击靶面夹角为30
°
。冲击孔直径3mm，流向和展向间距与环形凸起结构一致，第一排冲击孔与最近的气膜孔中心距离28mm，之间没有环形凸起结构。环形凸起结构位于两个冲击射流中心之间，凸起结构由一半圆绕环形凸起的中心旋转而成，半圆直径为1mm，半圆圆心距环形凸起中心为2mm，旋转得到的环形凸起结构在冲击靶面上的内环直径为3mm，外环直径为5mm。数值模拟结果如图8，基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构相比于同体积的圆柱凸起靶板能够在一定程度上增加靶面换热强度，使靶面换热更加均匀。
[0026]
本发明冲击距离的设置能够比较贴合实际冲击冷却尺寸，阵列环形凸起结构的设置使得射流在靶面上必须经过环形凸起结构的扰动后，才能与下游冲击射流汇合，凸起结构的尺寸设置既能保证对流体进行扰动，增加换热面积，同时又可以不过多的增大不必要的流动损失。
附图说明
[0027]
图1为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元的正视图。
[0028]
图2为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元的俯视图。
[0029]
图3为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元的仰视图。
[0030]
图4为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元的轴测图。
[0031]
图5为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元冲击靶板的轴测图。
[0032]
图6为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元的截剖面图。
[0033]
图7为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元冲击靶板的立体图。
[0034]
图8为本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构单元冲击靶板与圆柱靶板在实施例条件下换热系数对比图。
[0035]
附图标记说明：1.冲击靶板2.环形凸起3.冷气腔4.气膜孔5.冲击孔6.换热单元周期面。
具体实施方式
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
参照图1
‑
6所示，本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，包括进气腔3、冲击板和冲击靶板1，以及设置于冲击靶板上的阵列环形凸起2和若干气膜孔4，各环形凸起2均位于沿流向相邻的冲击孔5之间中点的位置，即沿流向相邻的两两冲击射流的中心。
阵列环形凸起2的展向间距、流向间距均与冲击孔5的展向间距、流向间距一致；若干气膜孔4沿流向位于冲击靶板1上的阵列环形凸起2的下游；冷却气体通过冲击孔5垂直射向冲击靶板1，在冲击靶板1上折转90
°
后途经环形凸起2，流向下游气膜孔4，并从气膜孔流出进行外部冷却。
[0039]
所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离h，冲击孔5的直径为d。所示冲击距离h为1.8～2.2d；沿流向相邻冲击孔间距为9～11d，展向相邻冲击孔间距为7～9d。其中，第一排所示冲击孔的出口中心沿流向距离最近一排气膜孔入口中心为10倍气膜孔直径。
[0040]
所述环形凸起2是径向截面为半圆的环形结构，其底平面平行固定于冲击靶板上，半圆环位于上方。环形凸起2的径向截面半圆直径为0.3～0.4d，半圆圆心距环形凸起中心距离为0.6～0.7d。
[0041]
所述气膜孔4的入射角为15
°
～45
°
。
[0042]
实施例：
[0043]
本实施一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，包括冷气腔、冲击孔，冲击靶板、环形凸起、气膜孔。
[0044]
参见图1，环形凸起结构2位于冲击靶板上，展向间距为24mm，流向间距为30mm。参见图2，气膜孔位于冲击靶板没有冲击孔正对的一侧，直径为2.8mm，流向及展向间距均为12mm，气膜孔轴线与冲击靶面夹角为30
°
。参见图3，冲击孔直径3mm，流向和展向间距与环形凸起结构一致，第一排冲击孔与最近的气膜孔中心距离28mm，之间没有环形凸起结构。凸起结构位于两个冲击射流中心之间，使得射流在靶面上必须经过环形凸起结构的扰动后，才能与下游冲击射流汇合，第一排冲击孔由于不用经过其他冲击射流，可不经过靶面凸起结构直接从气膜孔流出。
[0045]
参见图5
‑
图7，环形凸起结构由一半圆绕环形凸起的中心旋转而成，半圆直径为1mm，半圆圆心距环形凸起中心为2mm，旋转得到的环形凸起结构在冲击靶面上的内环直径为3mm，外环直径为5mm。
[0046]
数值模拟结果如图8，基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构相比于同体积的圆柱凸起靶板能够在一定程度上增加靶面换热强度，使靶面换热更加均匀。
[0047]
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。