[发明专利]古钱式扰流柱层板结构

说明书

技术领域

在航空发动机中，高温部件的冷却设计很大程度上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，主扰流柱被设计成椭圆柱形，其长轴指向进气孔和出气孔。副扰流柱被设计成星形柱，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，以组织优秀的流动和换热特性，优化涡轮叶片的温度水平和温度分布。

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)之间安装有一个圆柱形的副扰流柱(4)，在以相邻的4个进气孔(2)的轴线所划分的层板单元体中，一个出气孔(5)布置在该单元体中间，且扰流柱的总量为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)，在相邻两进气孔之间有4个1/2副扰流柱(4)，主扰流柱和副扰流柱(3)和(4)均为圆柱形，其直径范围为相邻两进气孔(2)间距L的10％～40％，相邻两进气孔(2)的间距L的取值范围为3mm～6mm。在俯视图中，扰流柱的形状和排列形成了中国古代钱币的形状，古钱式扰流柱层板因而得名。

本发明的层板冷却结构的优点在于：(1)主扰流柱为椭圆柱形，椭圆长轴指向进气孔和出气孔，扰流柱前缘靠近进气孔，可以充分利用进气冲击流动进行换热，尾缘更靠近出气孔，使出气收缩流动的程度变小，从而减小流阻；(2)主扰流柱侧壁面的曲率较小，可以减少气流在其上的分离流动，从而增强换热；(3)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；(4)副扰流柱可以减小内腔流道的体积，减小气流在层板中的扩长程度，从而减小流阻；(5)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；(6)副扰流柱侧面为凹壁面，可以有效抑制气流的分离，从而增强换热；(7)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；(8)冷却气流对副扰流柱形成冲击，使之具有较强的换热效果；(9)主、副扰流柱形成的通道通畅且截面积变化较小，有利于气流流动。

附图说明

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。

图4图2的B-B剖视图。

图中：1.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。