[发明专利]一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构

说明书

本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构，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圆台加圆柱形凸起和若干气膜孔，所述圆台加圆柱形凸起与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；所述若干气膜孔沿流向位于冲击靶板上的阵列圆台加圆柱形凸起的下游；所述圆台加圆柱形凸起包括圆台和圆柱，圆台大端作为底面平行固定于冲击靶板上，圆柱同轴固定于圆台位于上方的小端面上。本发明基于圆台加圆柱形突起的阵列冲击结构，与圆柱凸起靶板冲击冷却相比，能够在一定程度上增加靶面换热，减少流动损失，使靶面上换热较强区域面积增大。

技术领域

本发明属于发动机涡轮领域，具体涉及一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构。

背景技术

随着航空发动机技术的不断发展，对推重比的要求越来越高，这就需要更高的涡轮前温度，目前涡轮前温度已经远远高于涡轮材料的熔点，这对涡轮冷却提出了挑战。现在已基本形成了由内部冷却和外部冷却以及表面热障涂层的综合保护冷却方案，其中，冲击冷却是内部冷却中换热效果最强的冷却结构之一。

冲击冷却中，气流通过冲击孔冲击靶面，吸收叶片外表面从燃气吸收的热量，从而得到对叶片内部进行冷却的效果。气流冲击靶面后，立即折转，在靶面上形成从冲击点开始发展的边界层，冲击点区域边界层较薄，换热最强，因此为了增强冲击传热效果，冲击点区域不容忽视。可以通过在靶面冲击点设置扰流结构，一方面可以对冲击流体进行扰动，增强传热效果，另一方面可以增强靶面上的换热面积来增加传热量，进一步增强冲击区域的传热效果。

在实际冲击冷却中，多采用排孔和阵列孔冲击传热，孔与孔之间的冲击流体会产生一定的影响，迫使冲击射流向横流流动方向偏转，会削弱冲击射流的强度。三维凸起结构的设置能够对流动在流向和展向起到扰动，减弱冲击射流之间的互相影响，减少流动损失。在专利CN106593541A中，公开了一种射流侧面冲击凹坑冷却技术，采用多种孔冲击进行验证，得到了侧面冲击凹坑优于正面冲击凹坑和冲击平板的换热效果。然而在凹坑结构中，对流动的扰动趋于壁面化，强化传热的效果会受到一定的限制。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，凸起结构多设置为短圆柱或六面体等规则形状，如吴伟龙^[1]等人研究的圆柱状扰流结构，对凸起结构的形状研究有限，而不同形状的结构会对冲击冷却的换热以及流动产生很大的影响，因此，有必要对凸起结构的形状进行研究。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圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构，通过在靶板上设置圆台加圆柱形凸起，冷气由冲击孔射出，垂直射向冲击靶板的圆台加圆柱形凸起上，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，减少流动损失，使靶面上换热较强区域面积增大。

本发明的技术方案是：一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构，包括进气腔、冲击板和冲击靶板，冷却气体进入所述进气腔通过冲击板上的冲击孔垂直射向冲击靶板面上；其特征在于：还包括设置于冲击靶板上的阵列圆台加圆柱形凸起和若干气膜孔，所述圆台加圆柱形凸起与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；所述若干气膜孔沿流向位于冲击靶板上的阵列圆台加圆柱形凸起的下游；冷却气体通过冲击孔垂直射向冲击靶板经阵列圆台加圆柱形凸起折转，流向下游气膜孔，并从气膜孔流出进行外部冷却；