[发明专利]一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构

说明书

本发明一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，属于发动机涡轮领域；包括进气腔、冲击板和冲击靶板，以及设置于冲击靶板上的阵列环形凸起和若干气膜孔，各环形凸起均位于沿流向相邻的冲击孔之间，且阵列环形凸起的展向间距、流向间距均与冲击孔的展向间距、流向间距一致；所述若干气膜孔沿流向位于冲击靶板上的阵列环形凸起的下游；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板，在冲击靶板上折转90°后途经环形凸起，流向下游气膜孔，并从气膜孔流出进行外部冷却。阵列环形凸起增大了换热面积，以达到增大换热量，强化换热效果的目的；且环形凸起在流向上能够对流体进行二次扰动，从而扰动增强，换热增强。

技术领域

本发明属于发动机涡轮领域，具体涉及一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构。

背景技术

随着航空发动机技术的不断发展，涡轮前进口温度已经达到了2000K左右，已经远远超过了用于制造高温部件的材料的熔点。对于涡轮叶片进行必要的冷却，降低其整体温度水平及局部温差，保证在要求的工作范围内不产生严重变形或烧蚀，对其长寿命、安全运行具有非常重要的意义。现代航空发动机涡轮叶片通过内部冷却和外部冷却的合理协调以达到对叶片冷却的目的。其中，冲击冷却是内部冷却中具有最强传热效果的对流传热形式。

冲击传热中，冲击射流通过冲击孔射向靶面，与冲击靶面进行换热，带走叶片内部的热量，对叶片整体进行冷却。实际发动机中，在冲击流体冲击靶面时，靶面周围的流体受到上游冲击射流的影响，通常是流动的，产生横流效应。由于横流的存在，会迫使冲击射流向横流的方向偏转，削弱冲击冷却强度。近年来，通过在冲击靶面布置各种凹坑或突起结构，与冲击冷却结合起来，一方面能够减弱上游横流对冲击射流的影响，另一方面可以增加靶面附近湍流度及换热面积，增强换热。

对于凹坑结构，专利CN110195615A给出了一种截面为半圆形的沟槽，相对于平面靶板换热增强，但对流动的扰动较为壁面化，影响仅存在于靠近壁面附近的一层流体，强化传热的效果受到一定的限制，同时凹坑结构容易聚集灰尘，且不易清洗，这会在一定程度上影响冲击换热强度，会对航空发动机性能产生一定影响。相比于凹坑结构，凸起结构的影响不再趋于壁面化，对上游横流的抑制作用更加明显。

在凸起结构的研究中，通常只针对于常规形状的结构进行研究，或者仅研究常规形状突起结构的几何参数和排列方式等，缺少对特殊形状突起结构的分析，如吴伟龙^[1]等人研究的圆柱状扰流结构，不能为冲击冷却靶面结构的选择提供充分的依据。同时现有技术中靶板上布置的凸起结构多为各种肋，通常可以增强扰动，增大换热面积，改变射流和横流的流动状态。但是在布置凸起肋之后，虽然增大了换热面积，因此增大了换热系数，但同时也产生了更大的压力损失，使得相同压差下冲击换热流量减小，并且肋还会阻挡冷却射流冲击到靶板上肋片底部附近的区域。

参考文献：

[1]吴伟龙,徐华昭,王建华.涡轮叶片带扰流柱尾缘通道冷气流动的数值分析[J].推进技术,2021,42(01):163-172.

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于阵列环形凸起靶板的冲击冷却结构，通过在靶板上设置阵列环形凸起，冷气由冲击孔射出，垂直射向冲击靶板后途经环形凸起，流向下游气膜孔；加设在靶板上的阵列环形凸起增大了换热面积，以达到增大换热量，强化换热效果的目的；且环形凸起在流向上能够对流体进行二次扰动，从而扰动增强，换热增强。因此本发明为了解决现有技术中凹坑结构扰动壁面化以及凸起结构单一、产生更大的压力损失等问题。