[发明专利]一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构

说明书

本发明提供一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，在轮毂下表面等间距设置有轮毂肋，每个轮毂肋的根部设置有漩涡发生结构，每个轮毂肋上设置有依次与漩涡发生结构相连通的气流冲击段和冷气导流段，在轮毂上表面设置有贯穿轮毂的圆柱气模孔阵列，且圆柱气模孔阵列与对应的漩涡发生结构连通，圆柱气模孔阵列的行数与轮毂肋的个数相等，每行的圆柱气模孔数是对应的气流冲击段和冷气导流段数量的二倍。本发明是一种用于涡轮轮毂冷却，融合于轮毂肋中，采用冲击气流形成对称旋流的圆柱气膜孔结构形式。此结构形式可以对抑制轮毂表面的温度，降低涡轮叶片根部强受热区域产生显著的作用。

技术领域

本发明涉及一种融合于轮毂肋中的对称旋流冲击冷却结构，属于航空发动机和燃气轮机领域。

背景技术

根据燃气轮机的性能分析，提高涡轮前温度即提高燃气轮机的总温比可以提高燃机的效率。受制于现在耐高温材料的技术，不可能无限制的提高涡轮前气流进口温度。如采用冷却的方式对受热表面降温，对于适当提高涡轮前温度大有裨益。气膜冷却是采用压气机相应级中抽出的压缩空气通过通路流入气膜孔，在壁面表面形成气体薄层保护实体结构，其关键在于气体薄层不被涡轮流道中复杂的流场吹离，同时使得冷气膜扩大在壁面周向的形成面积。气膜冷却的关键问题是气流与壁面的对流换热问题，故壁面表面的冷热气流混合流场直接关系气膜冷却效率。

气膜冷却一般采用圆柱形气膜孔，其加工简单，对于结构强度的影响较小，但冷却效率较低。若使得气流预旋再进入气膜孔，则可明显的提高气体的对流换热系数，进而提升冷却效率。涡轮轮毂壁面直接受热，由温度分布不均产生的热应力等将严重影响轮毂强度。加厚壁面的方式将加大航空发动机死重，影响推重比，故采用肋来增大轮毂强度，同时肋可以通过热传导的方式起到散热作用。现代机械加工技术比如精密铸造或3D打印技术已经完全能够满足较复杂机械结构的加工，故可采用将冷却结构和轮毂肋融合的结构形式，并包含冷却通腔，冲击孔，气膜孔等复杂结构。

发明内容

本发明的目的是为了设计一种将冲击气流产生旋流的对称旋流通腔融合于轮毂肋中，气膜孔倾斜贯穿轮毂的冷却结构，以同时满足涡轮冷却和轮毂强度的需求。

本发明的目的是这样实现的：在轮毂下表面等间距设置有轮毂肋，每个轮毂肋的根部设置有漩涡发生结构，每个轮毂肋上设置有依次与漩涡发生结构相连通的气流冲击段和冷气导流段，在轮毂上表面设置有贯穿轮毂的圆柱气模孔阵列，且圆柱气模孔阵列与对应的漩涡发生结构连通，圆柱气模孔阵列的行数与轮毂肋的个数相等，每行的圆柱气模孔数是对应的气流冲击段和冷气导流段数量的二倍。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.冷气导流段的进口截面呈长方形，长宽比在2：1之间；气流冲击段孔的直径与圆柱气膜孔直径相同；旋涡发生结构的长度为圆柱气膜孔直径4-6倍；气膜孔与漩涡发生段连接角度为30°—60°。

2.旋涡发生结构为整周通腔结构形式。

3.所述冷气冲击段位于轮毂的冷气导流段60％高度以上，冲击孔结构高度约占总长的20％-40。

4.气膜孔与漩涡发生段连接角度为45°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种用于涡轮轮毂冷却，融合于轮毂肋中，采用冲击气流形成对称旋流的圆柱气膜孔结构形式。此结构形式可以对抑制轮毂表面的温度，降低涡轮叶片根部强受热区域产生显著的作用。1.结构采用圆柱形气膜孔最大程度上减少了细长孔的加工难度并拥有较大的结构强度。2.将整体旋流结构隐于加强肋中，最大程度上减少开孔，增大轮毂强度。加强肋采用薄肋增强轮毂热传导，冷气导流段结构有助于肋散热，提高整体散热效果。3.冷气经圆柱冲击段进入整周通腔之后冲击轮毂下表面，并随之向两侧扩散形成对称旋流，增加了气流的紊乱程度，增加了对流换热系数。4.由于在通腔中流场周向对称，在各组结构之间形成气流自封闭，避免气流只在通腔流动，同时在不同组之间气流相互撞击，进一步提高气流紊流程度。

附图说明