一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.参考文献：
7.[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.


技术实现要素：

[0008]
要解决的技术问题：
[0009]
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。
[0010]
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；
[0011]
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；
[0012]
所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离h，所述冲击孔的直径为d。
[0013]
本发明的进一步技术方案是：所述冲击距离h为1.8～2.2d，沿流向相邻冲击孔间距为9～11d，展向相邻冲击孔间距为7～9d。
[0014]
本发明的进一步技术方案是：第一排所示冲击孔的出口中心沿流向距离最近一排气膜孔入口中心为10倍气膜孔直径。
[0015]
本发明的进一步技术方案是：所述圆台加圆柱形凸起的圆台外周面的母线与轴线夹角为45
°
；所述圆台大端直径等于冲击孔直径，小端直径与圆柱的直径相等，均等于冲击孔直径的1/2。
[0016]
本发明的进一步技术方案是：所述圆柱的轴向高度为0.16～0.17d。
[0017]
本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔的入射角为15
°
～45
°
。
[0018]
有益效果
[0019]
本发明的有益效果在于：本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构，在冲击靶板上布置圆台加圆柱形凸起结构，具体优势为：
[0020]
1、与二维肋相比，减小流动损失。二维肋会使得流体流向侧壁，对壁面有一个冲刷作用，达到一定的强化换热的目的，但与此同时会带来较大的流动损失，对于圆台加圆柱形凸起结构，不会形成向侧壁的流动，减少了流动损失。
[0021]
2、与凹坑扰流结构相比，换热能力增强。凹坑扰流结构对流体的扰动趋于壁面化，传热效果受到一定的限制，凸起结构能够改善这种情况。
[0022]
3、较圆柱扰流结构，换热更加均匀。冲击射流冲击圆台加圆柱形凸起结构的上表面后，会沿着圆台加圆柱侧壁面流向靶面，从而在接触靶面后形成二次冲击，进一步增强冲击驻点外较大范围的换热，与短圆柱等规则形状结构相比，换热较强区域面积增大。
[0023]
4、较圆柱扰流结构，在靠近靶板附近增加了扰流结构体积，对靶面附近的流体有一个扰动作用，一方面破坏壁面边界层，强化换热，另一方面，削弱了射流间的相互影响，增强冲击换热强度。
[0024]
综上所述，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。
[0025]
基于本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构，在冷气腔入口速度
为0.5m/s的工况下，进行了数值模拟。圆台加圆柱形凸起结构位于冲击靶板上，与冲击靶面相接触的底面直径为3mm，另一底面直径为1.5mm，高度为1.25mm，圆台侧壁面倾斜角度为45
°
，冲击距离为6mm。凸起结构阵列布置于冲击靶板一侧，流向间距为30mm，展向间距为24mm。气膜孔位于冲击靶板另一侧，孔径2.8mm，气膜孔轴线与水平面夹角为30
°
，流向间距为12mm，展向间距为12mm，第一排冲击孔出口中心沿流向距离最近的气膜孔入口中心为28mm。数值模拟结果如图8，结果表明，相比于圆柱凸起结构，基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构能够明显增强冲击靶面的换热，换热较强区域面积增大，靶板整体换热更加均匀。
[0026]
本发明冲击距离的设置能够比较贴合实际冲击冷却尺寸，圆台加圆柱形凸起结构中，圆柱和圆台接触面面积相等，保证了冷气冲击到突起结构后，能够沿突起结构表面平滑流向靶面进行二次冲击，减小流动损失的产生。圆台和圆柱的尺寸设置既能保证对流体进行扰动，增加换热面积，同时又可以不过多的增大不必要的流动损失。
附图说明
[0027]
图1为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元的正视图。
[0028]
图2为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元的俯视图。
[0029]
图3为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元的仰视图。
[0030]
图4为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元的轴测图。
[0031]
图5为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元中冲击靶板的轴测图。
[0032]
图6为本发明圆台加圆柱形凸起结构的轴测图。
[0033]
图7为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元冲击靶板的立体图。
[0034]
图8为本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构单元冲击靶板与圆柱凸起靶板在实施例条件下换热系数的对比图。
[0035]
附图标记说明：1.冲击靶板2.圆台加圆柱形凸起结构3.冷气腔4.气膜孔5.冲击孔6.换热单元周期面。
具体实施方式
[0036]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
参照图1
‑
6所示，本发明一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击结构，包括进气腔3、冲击板和冲击靶板1，冷却气体进入进气腔3通过冲击板上的冲击孔5垂直射向冲击靶板1面上；以及设置于冲击靶板1上的阵列圆台加圆柱形凸起2和若干气膜孔4，圆台加圆柱形凸
起2与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；若干气膜孔4沿流向位于冲击靶板1上的阵列圆台加圆柱形凸起2的下游；冷却气体通过冲击孔5垂直射向冲击靶板1经阵列圆台加圆柱形凸起2折转，流向下游气膜孔4，并从气膜孔4流出进行外部冷却；所述气膜孔的入射角为15
°
～45
°
。
[0039]
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；所述圆台加圆柱形凸起的圆台外周面的母线与轴线夹角为45
°
；所述圆台大端直径等于冲击孔直径，小端直径与圆柱的直径相等，均等于冲击孔直径的1/2。所述圆柱的轴向高度为0.16～0.17d。
[0040]
所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离h，所述冲击孔的直径为d。冲击距离h为1.8～2.2d，沿流向相邻冲击孔间距为9～11d，展向相邻冲击孔间距为7～9d。第一排所示冲击孔的出口中心沿流向距离最近一排气膜孔入口中心为10倍气膜孔直径。
[0041]
实施例：
[0042]
本实施是一种基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构。
[0043]
参见图1，本实例阵列换热结构为圆台加圆柱形凸起结构2，位于冲击靶板1上，与冲击靶面相接触的底面直径为3mm，另一底面直径为1.5mm，高度为1.25mm，圆台侧壁面倾斜角度为45
°
，冲击距离为6mm。参见图2，凸起结构阵列布置于冲击靶板一侧，流向间距为30mm，展向间距为24mm。参见图3，气膜孔4位于冲击靶板另一侧，孔径2.8mm，气膜孔轴线与水平面夹角为30
°
，流向间距为12mm，展向间距为12mm，第一排冲击孔出口中心沿流向距离最近的气膜孔入口中心为28mm。
[0044]
本实例中，冷气通过冲击孔5冲击到位于冲击靶板1上的圆台加圆柱形凸起结构2上，凸起结构对此处的流体进行扰动，增强换热，之后沿着凸起结构侧壁面对冲击靶板进行二次冲击，进一步增强靶面上的换热效果，随后流经位于冲击靶板另一侧的气膜孔4，从气膜孔流出与外部进行换热。
[0045]
数值模拟结果如图8，结果表明，相比于圆柱凸起结构，基于圆台加圆柱形凸起的阵列冲击换热结构能够明显增强冲击靶面的换热，换热较强区域面积增大，靶板整体换热更加均匀。
[0046]
综上所述，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。
[0047]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。