[发明专利]一种阵列射流冷却中的扰流结构

说明书

本发明属于燃气轮机及航空发动机高温部件冷却及其他一些涉及到阵列冲击射流冷却的领域，具体为一种阵列射流冷却中高效的扰流柱结构，提供三种扰流柱结构设计，包括一种四棱柱形状扰流柱阵列排布的射流靶板，一种月牙圆弧柱状扰流柱阵列排布的射流靶板，一种哑铃形状扰流柱阵列排布的射流靶板。本次设计的优势在于使用最少的冷却空气量，最大程度的提高冷却效率，并且降低冷却壁面整体的温度梯度，使传热更加均匀稳定。

技术领域：

本发明属于燃气轮机及航空发动机高温部件冷却及其他一些涉及到阵列冲击射流冷却的领域，具体为一种阵列射流冷却中高效的扰流结构。

背景技术：

燃气轮机能够提供强大动力，主要通过其高温高压燃气来实现的，高温燃气的初始温度决定着燃气轮机的工作效率。但是随着燃气温度的提高，对燃气轮机的高温部件工作的稳定性以及寿命带来了严峻的考验。现在燃气轮机透平一级动叶的燃气温度已经达到了1800K以上，这样的恶劣的工作环境极其制约燃气轮机的工作效率以及寿命。必须采用有效的冷却技术。

目前，燃气轮机的发展趋势是提高温升和降低污染物的排放，二者都需要较大范围的提高用于燃气轮机燃烧室的空气比例，由此导致用于燃机热端部件的冷却空气比例降低。在保证燃气轮机热效率的情况下，如何通过更少的冷却空气量，更有效的冷却燃机的热端部件是目前迫切需要解决的问题。

在所有的冷却技术中，阵列射流冲击冷却技术能够最大限度的提高局部传热系数，对于高温，具有大量热量需要被吸收的表面来说，使用冲击冷却是最有效的方法。但是冲击冷却中只有在冲击驻点附近的边界层很薄，在其他区域由于壁面存在气体边界层，影响了壁面的换热效果，导致整个靶板的换热不均匀，从而影响燃气轮机的使用。而在冲击靶板上设置扰流元件的阵列射流冲击冷却，不仅可以在射流驻点区域最大程度的降低边界层的厚度，还可以加强内部通道的扰动，加大冷区通道内部冷却气流的湍流度，扩展换热表面积，进一步强化换热效率。

现有的阵列射流冷却系统中具有如下局限性：

(1)上流冲击孔的冷却气流冲击靶板之后，会在冷却通道内产生一定量的横流，横流会对下流的射流产生影响，使下流射流发生偏移，导致靶板的冷却效果不均匀。

(2)在阵列射流冷却系统的靶板上设置扰流元件后，由于扰流柱形状的不理想，使其不能有效的阻碍横流的发展，导致换热效果的改善不理想，靶板的温度梯度虽然有所改善但温度梯度很大，冲击靶板的换热仍然很不均匀。

发明内容：

本次设计目的在于使用最少的冷却空气量，最大程度的提高冷却效率，同时降低了冷却壁面整体的温度梯度，使传热更加均匀稳定。为实现上述目的，本发明的方案如下：

一种阵列射流冷却中的扰流结构，包括射流孔板及射流靶板，所述的射流孔板上设有多个阵列排列的冲击孔，所述射流孔板位于所述射流靶板的上部，射流靶板与射流孔板之间为空腔设计,所述射流靶板上设有多个扰流柱：

所述扰流柱整体为四棱柱设计，分为三部分组成，上、下两部分别为四棱锥柱状设计且扰流柱上、下面均为菱形；中间部分为六面体，六面体截面为菱形，六面体的棱边正对来流方向；

或者，所述扰流柱为月牙圆弧柱状设计，所述月牙圆弧柱状扰流柱上、下两个面相同，月牙圆弧柱状扰流柱底面的两个长弧线相同，均为半椭圆；

或者，所述扰流柱为哑铃形设计，其上、下两端均为圆柱设计，中间部分同为圆柱设计，上、下两端的圆柱的直径大于中间部分圆柱直径，上、下两端的圆柱高度小于中间部分圆柱高度。

进一步地，所述的冲击孔的直径为D。

进一步地，所述的四棱柱设计的扰流柱上、下面的菱形顶角为90°，底面边长为1.34D，棱边正对来流方向，四棱锥高度为0.5D，锥度为45°；所述的六面体的截面菱形，顶角为90°，截面边长0.89D，高度为D。