一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构制造技术

一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，涉及燃气轮机冷却技术，用于燃气轮机涡轮叶片冷却。包括外侧板、内侧板和开缝圆形扰流柱；外侧板上设置有倾斜的气膜孔，外侧板靠近燃气侧；内侧板设置有冲击孔，内侧板靠近冷气侧；开缝圆形扰流柱置于外侧板和内侧板之间形成的冷却通道内；冷却气体通过冲击孔先冲击外侧板并进入冷却通道与扰流柱强化换热，后沿外侧板气膜孔流出。开缝圆形扰流柱的缝隙倾斜角β＝0°时，与常规层板冷却系统相比可以降低压力损失，改善层板的热均匀性，提高气流的冷却效率；开缝圆形扰流柱的缝隙倾斜角β＝90°时，与常规层板冷却系统相比可以增大冷却通道内气体的湍流强度，提高气流的换热能力。

【技术实现步骤摘要】
一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构
本技术涉及燃气轮机冷却
，尤其涉及一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构。
技术介绍
目前涡轮增压发动机的涡轮前温度已经达到了2000K，并且以每年20℃的平均增长率逐年递增。远远超出了现有金属材料的耐温性。为了满足涡轮叶片的耐温需求，需要冷却技术尽可能发挥出最大化的冷却效率。由燃气轮机的工作原理可知，压气机压缩空气得到的高压大部分用来参与燃烧反应，产生的热能推动涡轮叶片做功；少部分气体则需要通过引气冷却燃气轮机高温部件，这部分气体消耗的越多，压气机的效率就越低。为了保证发动机高效运行，涡轮安全可靠的工作，需要发展冷却效率更高、冷气用量更少的高效的透平冷却技术。目前，高效的透平冷却技术已取得诸多成果，其中设置扰流柱的层板冷却技术是涡轮叶片冷却的有效措施之一。扰流柱可以设置在涡轮叶片内部冷却通道的任何位置上，目前通常设置在叶片尾缘。流经冷却通道的冷却气体经过扰流柱扰流增大其湍流强度，与层板壁面的换热强度增加，且扰流柱自身也可以充当传热元件，从而增大层板冷却技术的冷却效率。扰流柱形状是影响层板冷却效率的一个重要因素。目前研究较多的方形扰流柱具有较好的换热强度，但流动阻力较大；椭圆形、水滴形扰流柱具有较低的阻力系数，但其换热强度也受到了限制。
技术实现思路
本技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，改进扰流柱形状，以进一步提高其结构的冷却效率，以期在减小引气量的同时最大化其换热能力。为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，包括外侧板、内侧板和开缝圆形扰流柱；所述外侧板上设置有倾斜的气膜孔，外侧板为燃气侧；所述内侧板设置有冲击孔，内侧板为冷气侧；所述开缝圆形扰流柱置于外侧板和内侧板之间形成的冷却通道内；其中，冷却气体通过冲击孔先冲击外侧板并进入冷却通道与扰流柱强化换热，后沿外侧板气膜孔流出。所述开缝圆形扰流柱为在基准圆形扰流柱基础上经过开缝处理得到；开缝圆形扰流柱的排列方式为顺排或者叉排。所述开缝圆形扰流柱的直径d为0.5～2.0mm，高度H为0.5～2.0mm。所述开缝圆形扰流柱的缝宽S与直径d的比值为0.1～0.5。所述开缝圆形扰流柱的缝隙与冷气流方向V0之间的缝隙倾斜角β为0°～90°。所述开缝圆形扰流柱的展向间距P为1.5d～3d。所述开缝圆形扰流柱的流向间距W为1.5d～3d。所述气膜孔与主流方向V1的夹角α为30°～90°。所述气膜孔的直径Dout为0.5d～1d。所述冲击孔的直径Din为0.5d～1.5d。相对于现有技术，本技术技术方案取得的有益效果是：1、对于一般的层板冷却结构，其主要采用的扰流柱为圆形柱状，扰流柱背面存在冷却气体无法到达或者很少到达的“死区”，换热效果较差。本技术中，缝隙倾斜角β＝0°时，气体经过缝结构流入扰流柱背面“死区”，可以改善层板冷却的均匀性；当缝隙倾斜角β＝90°时，气体经过缝后钝体重新绕流形成边界层，也可以改善圆柱后方的流动情况。2、缝隙倾斜角β＝0°的扰流柱结构减小了扰流柱的迎风面积，在压力最高点卸荷，因此可以降低冷却气体的压力损失，并且缝内壁面增大了扰流柱与气流的换热面积，可以降低因开缝结构带来的换热能力的损失。缝隙倾斜角β＝90°的扰流柱结构增大了气流在冷却通道内的扰流强度，从而增大了冷却气体的湍流度，通过对通道外侧板面平均努赛尔数的计算，该型设计的平均努赛尔数高于圆形扰流柱和椭圆形扰流柱的平均努赛尔数，即相比带基准圆柱的层板冷却结构能够增大换热强度。3、本技术的开缝圆形扰流柱可以用于多种部件，例如燃气涡轮发动机的涡轮叶片、燃烧室壁等，适用范围广。附图说明图1为本技术的侧面结构示意图；图2为开缝圆形扰流柱的立体结构示意图，其中(a)为缝隙倾斜角β＝90°的开缝圆形扰流柱图，(b)为缝隙倾斜角β＝0°的开缝圆形扰流柱图；图3为开缝圆形扰流柱的平面示意图；图4为本技术的内部结构示意图，其中(a)为缝隙倾斜角β＝90°的层板冷却结构图，(b)为缝隙倾斜角β＝0°的层板冷却结构图；图5为本技术的俯视示意图，其中(a)为缝隙倾斜角β＝90°的层板冷却结构俯视图，(b)为缝隙倾斜角β＝0°的层板冷却结构俯视图。附图标记：1-气膜孔，2-开缝圆形扰流柱，3-冲击孔。具体实施方式为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本技术做进一步详细说明。如图1～3所示，本技术应用在涡轮叶片上，包括外侧板、内侧板和开缝圆形扰流柱2；所述内侧板为进气板，靠近冷气侧，内侧板上均匀等距设置有垂直于主流气流方向(主流方向V1)的若干冲击孔3；所述外侧板为出气板，外侧板靠近燃气侧，外侧板上设置有倾斜的气膜孔1；所述开缝圆形扰流柱2以顺排或者叉排的方式布置于外侧板和内侧板之间形成的冷却通道内；所述气膜孔1布置在两排开缝圆形扰流柱2中间。所述开缝圆形扰流柱2为在基准圆形扰流柱对其中间开缝处理得到的两块类半圆柱组成。所述开缝圆形扰流柱2的直径d为0.5～2.0mm，高度H为0.5～2.0mm。所述开缝圆形扰流柱2的缝宽S与直径d的比值为0.1～0.5。如图3所示，在冷却通道内，冷气流方向V0与主流方向V1一致，所述开缝圆形扰流柱2的缝隙与冷气流方向V0之间的缝隙倾斜角β为0°～90°，经过仿真计算，当β为0°时，缝隙结构起到卸荷的作用，与基准圆柱相比可以明显地降低层板冷却结构的压力损失；当β为90°时，在一定来流雷诺数范围内，气流与热源壁面的平均换热努塞尔数大于带基准圆柱的层板结构，即换热能力增强。如图5所示，两排开缝圆形扰流柱2之间的距离即展向间距P，所述展向间距P为1.5d～3d，两列开缝圆形扰流柱2之间的距离即流向间距W，所述流向间距W为1.5d～3d。所述气膜孔1的直径Dout为0.5d～1d。所述冲击孔3的直径Din为0.5d～1.5d。如图1所示，所述气膜孔1与主流方向V1的夹角α为30°～90°，当夹角α小于90°时，更有利于出流的冷却气体与外侧板外壁面形成气膜，降低了冷气出流的法向动量，使得冷气在外壁面形成较好的气膜覆盖，保护叶片结构。本技术的工作原理如下：冷源气体经过压气机引气进入涡轮叶片内腔，内腔的冷却气体通过内侧板上冲击孔3冲击外侧板，经过冷却通道的开缝圆形扰流柱2扰流后，增大气体的湍流强度，形成的涡结构可以增大冷却气体的利用率，然后通过气膜孔1流入叶片栅道内，与外侧板热源主流气流形成气膜冷却。实施例1本实施例是应用在涡轮叶片上的带开缝圆形扰流柱2的层板冷却结构，图4(a)和图5(a)分别展示了β＝90°的开缝圆形扰流柱2在顺排条件下的内部视图和俯视图，开缝圆形扰流柱2是以直径d为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于：包括外侧板、内侧板和开缝圆形扰流柱；所述外侧板上设置有倾斜的气膜孔，外侧板靠近燃气侧；所述内侧板设置有冲击孔，内侧板靠近冷气侧；所述开缝圆形扰流柱置于外侧板和内侧板之间形成的冷却通道内；其中，冷却气体通过冲击孔先冲击外侧板并进入冷却通道与扰流柱强化换热，后沿外侧板气膜孔流出。/n

【技术特征摘要】
1.一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于：包括外侧板、内侧板和开缝圆形扰流柱；所述外侧板上设置有倾斜的气膜孔，外侧板靠近燃气侧；所述内侧板设置有冲击孔，内侧板靠近冷气侧；所述开缝圆形扰流柱置于外侧板和内侧板之间形成的冷却通道内；其中，冷却气体通过冲击孔先冲击外侧板并进入冷却通道与扰流柱强化换热，后沿外侧板气膜孔流出。


2.如权利要求1所述的一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于：所述开缝圆形扰流柱为在基准圆形扰流柱基础上经过开缝处理得到；开缝圆形扰流柱的排列方式为顺排或者叉排。


3.如权利要求1所述的一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于：所述开缝圆形扰流柱的直径d为0.5～2.0mm，高度H为0.5～2.0mm。


4.如权利要求3所述的一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构，其特征在于：所述开缝圆形扰流柱的缝宽S与直径d的比值为0.1～0.5。

【专利技术属性】
技术研发人员：吴榕，王博，鲍锋，李亚忠，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：福建;35