[实用新型]一种阵列冲击射流冷却中的扰流结构

说明书

本实用新型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，具体为一种阵列冲击射流冷却中高性能的扰流结构，提供三种扰流柱结构设计，包括一种异五边形扰流柱阵列排布的射流靶板，一种穹顶形扰流柱阵列排布的射流靶板，一种水滴形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：

本实用新型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，具体为一种阵列冲击射流冷却中的扰流结构。

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。为了提升燃气轮机的效率，涡轮进口处燃气的温度需要不断提高。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。与此同时材料的发展却跟不上燃气轮机对性能的要求，因此必需采取有效的、先进的冷却技术来保证燃气轮机的安全运行和寿命。

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。

在冲击冷却系统中，冲击射流在冲击换热靶板后形成的流动边界层极薄，换热系数比常规的对流换热要高出几倍甚至一个量级，能够最大限度的提高靶板表面的局部传热系数，提供良好的冷却效果，因此冲击冷却在燃气轮机高温部件的冷却中有着广泛的应用。但是在冲击冷却系统中只有在冲击驻点附近的边界层很薄，而其他区域的壁面存在着气体边界层，会影响了靶板表面的换热效果，导致整个靶板的换热不均匀，从而影响燃气轮机的冷却效率。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，加大冷却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，导致靶板的换热效率降低以及靶板表面的冷却效果不均匀。

(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。

(3)在阵列射流冷却系统的靶板上设置扰流元件后，冲击冷却系统内部由于扰流柱的存在而产生了很大的额外的压力损失，其对冲击冷却系统总体换热性能的提升不如压力损失所增加的幅度，即使产生了更好的换热性能，但是对于冲击冷却系统来说也是不合理的。

实用新型内容：

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，本实用新型的方案如下：

一种阵列冲击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，所述是扰流柱为截面为异五边形柱体，或者为截面近半椭圆的穹顶形设计柱体，或者为截面是水滴形状设计柱体。

进一步地，所述的冲击孔的直径为D。

进一步地，所述截面异五边形设计的扰流柱的截面由一锐角等腰三角形底边接一长方形组成，截面三角形高为1.2D，截面长方形侧边长为0.2D，截面长方形底边长为0.7D，扰流柱截面锐角边正对来流方向，扰流柱的高度为2D。