[发明专利]用于冲击扰流气膜复合冷却的双层壁人字形扰流柱结构

说明书

本发明属于航空发动机热防护领域，特别涉及一种用于冲击‑扰流‑气膜复合冷却的双层壁人字形扰流柱结构，包括阵列无间隔排布的多个基元，各基元包括相对布置的两个层壁、供流体流入基元的冲击孔、人字形扰流柱和供流体流出基元的气膜孔；冲击孔、人字形扰流柱和气膜孔布置于两个层壁之间；人字形扰流柱包括顶部和从顶部分别向两侧且由上向下向外倾斜扩展的两个侧翼；气膜孔布置于顶部上方；各侧翼分别与两个层壁形成减缩通道，冲击孔布置于两个侧翼下方并且配置成使得流入流体经过减缩通道流向气膜孔。本发明通过改变外环块冲击腔内部的流动结构，扩大了腔内流体覆盖效果及横流效果，增强了腔内换热，提高了腔内冷气利用率。

技术领域

本发明属于航空发动机热防护领域，特别涉及一种用于冲击-扰流-气膜复合冷却的双层壁人字形扰流柱结构。

背景技术

目前航空发动机涡轮前温度的温度达到了2000K左右，涡轮前温度的提高带来了发动机推重比的提升，远远超过了材料的耐温极限，先进复合冷却是解决材料耐温极限与高涡轮前温度矛盾的重要手段。涡轮外部机匣承受来自燃烧室的高温燃气作用，工作条件极为恶劣，需要利用可靠的冷却手段保证其有效的工作，延长其可用寿命，提高安全性。现有设计中普遍采用冲击-扰流-气膜的复合型冷却方法，内部冷却中扰流柱的排布，形状，进排气的位置分布等均对内部类冷却产生极大的影响，内部冷却合理高效的设计是保证涡轮外环块能够正常工作的关键。

扰流柱冲击冷却可以减少横流的影响、增加靶板表面的换热面积和湍流度，从而可以使换热靶板获得高效的换热效率。然而，在现有的冲击-圆柱形扰流柱-气膜孔复合冷却结构(冲击孔1数量：圆柱形扰流柱2数量：气膜孔3数量之比为1:4:1)中，如图1所示，由于气膜孔3的存在，冲击孔1驻点产生的横流向四方流动的过程中，在流经气膜孔过程中会极大损失流量及动能，导致在气膜孔后方无法保证有效的换热，从而造成冲击板存在部分高温区。解决这种高温区的一个途径是增加扰流柱2的数量，但这又增加了制造困难以及压损的增大，最终导致了复合冷却结构较低的综冷却效果。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种用于冲击-扰流-气膜复合冷却的双层壁人字形扰流柱结构，通过改变外环块冲击腔内部的流动结构，扩大了腔内流体覆盖效果及横流效果，增强了腔内换热，提高了腔内冷气利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于冲击扰流气膜复合冷却的双层壁人字形扰流柱结构，沿流体流动方向依次包括冲击板、冲击腔和气膜板；所述冲击腔包括阵列无间隔排布的多个基元，各基元包括相对布置的两个层壁、供流体流入所述基元的冲击孔、人字形扰流柱和供流体流出所述基元的气膜孔；所述冲击孔、所述人字形扰流柱和所述气膜孔布置于所述两个层壁之间；所述冲击孔开设于所述冲击板上且靠近所述两个层壁之一；所述气膜孔开设于所述气膜板上且靠近所述两个层壁另一个；

其中，所述人字形扰流柱包括顶部和从所述顶部分别向两侧且由上向下向外倾斜扩展的两个侧翼；所述气膜孔布置于所述顶部上方；各侧翼分别与所述两个层壁形成减缩通道，所述冲击孔布置于所述两个侧翼下方并且配置成使得从所述冲击孔流入流体经过所述减缩通道流向所述气膜孔。

在一些实施方式中，各基元包括1-2个冲击孔、1个人字形扰流柱和满足最小加工间距要求的多个气膜孔。

在一些实施方式中，2个冲击孔布置于所述人字形扰流柱正下方，多个气膜孔均布于所述人字形扰流柱正上方。

在一些实施方式中，各基元大小为纵向长度3.72mm～6.4mm，轴向长度3mm～6mm。

在一些实施方式中，所述两个侧翼的宽度为0.4mm～0.8mm。

在一些实施方式中，所述冲击孔和所述气膜孔的孔径为0.4mm～0.5mm。

本发明的有益效果：

1)本发明通过双层壁人字形扰流柱改变了冲击腔内流体的流动结构，保证了横流的冷却效果，降低了涡轮外环的平均温度及最高温度；