[实用新型]一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构

说明书

本发明一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构，属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域；包括进气腔、冲击板、冲击靶板、导流肋以及设置于冲击靶板上的气膜孔和椭球形凸起；冲击板与冲击靶板之间的距离为H，冲击靶板朝向冲击板一侧面上以矩形阵列形式排布有多干椭球形凸起，使得冷却气体通过冲击孔垂直射向椭球形凸起并沿其椭球面流动；气膜孔沿流向位于冲击靶板上的椭球形凸起的下游；多个导流肋垂直设置于冲击靶板上，用于支撑冲击板，并将冲击板和冲击靶板之间的冲击区域沿展向划分为多个换热单元，每个换热单元内包括两排椭球形凸起。本发的椭球形凸起扰流元，具有良好的换热特性，可用于各种航空发动机及燃气轮机涡轮叶片冷却结构。

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构。

背景技术

在现代航空发动机设计开发过程中，提高发动机的推重比和热效率，可以通过不断提高涡轮前入口温度来实现。当前航空发动机涡轮前进口温度最大可达到2000K以上，这远远超过了航空发动机材料的耐温极限。因此，如何保证涡轮叶片在远高于自身材料承受温度的情况下正常工作已经成为众多专家学者研究的重点。

目前，降低涡轮叶片温度主要有两种方式：一是不断开发研制更有效地可用于航空发动机涡轮叶片的耐温材料；二是采用包括内部冷却和外部冷却在内的新型冷却技术。在内部冷却技术中，冲击冷却可以有效提升局部换热系数。冷却气体通过冲击孔，以很高的速度冲击到叶片内壁面，对其进行有效的冷却。因此，冲击靶面设计对于冲击换热效果具有重要影响，通过在靶面布置不同的凸起或凹陷结构可以显著提升冲击换热效果，从而进一步提升航空发动机性能。

ChangShyyWoei等人^[1]研究了阵列冲击凹表面的换热特性，射流中心与凹坑中心之间的偏心距为0、1/4、1/2，实验雷诺数为5000至15000，冲击孔版间距为0.5至11.结果表明偏心距为1/2，即凹坑位于射流中心时，换热效果最佳。

虽然该研究给出凹坑位于射流中心，换热效果最佳，但是对于凹坑形状研究较为有限，且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。

另外考虑内部冲击换热结构与外部冷却结合，可以有效提高综合冷却性能，为航空发动机叶片使用寿命的延长具有重要意义。

以下是检索的相关文献：

[1]Chang S W,Liou H F.Heat transfer of impinging jet-array ontoconcave-and convex-dimpled surfaces with effusion[J].International Journal ofHeatMass Transfer,2009,52(19-20):4484-4499.

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椭球形凸起的阵列冲击气膜结构，通过在涡轮叶片冲击换热结构的靶板上布置椭球形凸起结构，在冲击靶板上设置气膜孔，来增强气体扰动及局部湍流度，从而提高了冷却气体对于冲击靶板的冷却效果。

本发明的技术方案是：一种基于椭球形凸起的阵列冲击气膜结构，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：还包括导流肋和设置于冲击靶板上的气膜孔和椭球形凸起；

所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离H，冲击靶板朝向冲击板一侧面上以矩形阵列形式排布有多干椭球形凸起，所述椭球形凸起的曲率为0.25～2，位于冲击孔下方，使得冷却气体通过冲击孔垂直射向椭球形凸起并沿其椭球面流动，然后从冲击靶面上的气膜孔流出；

所述冲击靶板上设置有若干气膜孔，所述气膜孔沿流向位于冲击靶板上的椭球形凸起的下游；