[发明专利]一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构

说明书

本发明提供的是一种带有分形沟槽的冲击‑气膜复合冷却结构，冲击孔板内壁和气膜孔板内壁加工有若干具有分形特征的沟槽单元。每个分形沟槽单元由圆环以及一至五级沟槽组成。冲击孔板沟槽单元的圆环中心与冲击孔中心重合，气膜孔板沟槽单元的圆环中心与气膜孔中心重合。冷却流首先通过冲击孔冲击气膜孔板内侧，形成冲击冷却；再通过分形沟槽进行强化对流冷却；最后再经过气膜孔溢流而出，在气膜孔板外侧形成气膜冷却。本发明通过在冲击‑气膜复合冷却结构内开设分形沟槽，强化对流冷却，在提高冷却效率的同时改善热侧壁面温度分布均匀性。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮热端部件气膜冷却技术，具体地说，涉及一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构。

背景技术

在航空燃气涡轮发动机和燃气轮机的发展过程中，为提高其循环效率，压气机的增压比和涡轮进口燃气温度不断被提高。目前，推重比为10的发动机压气机增压比已达到30，涡轮进口燃气温度接近2000K。因此必须使用有效的冷却措施对燃气涡轮热端部件进行保护，避免受到高温腐蚀和损伤。冲击-气膜复合冷却结构(又称为双层板冷却结构)兼具了冲击冷却和气膜冷却的优点，冷却流首先通过冲击孔冲击气膜孔板内侧，形成冲击冷却；再通过与冲击孔板和气膜孔板内壁面进行对流冷却；最后再经过气膜孔溢流而出，在气膜孔板外侧形成气膜冷却。冲击-气膜复合冷却结构已在燃烧室壁面、叶片前缘等高热负荷区域得到了应用。

仿生学经常能为设备优化提供有益启示，比如，人体的呼吸循环系统是一个非常高效的传热传质系统，人体中血管、气管和淋巴管都是从宏观尺度不断分叉到细胞尺度，在这些分叉中，高层次和低层次的分叉结构都是相似的，该种结构又被称为分形结构。分形结构是长期进化而形成的一定形态，其结构应该是阻力、传热、传质的最优或接近最优的结构。如果能将此结构应用于冲击-气膜复合冷却结构中，可以大大提高其热有效性，且由于分形结构呈树网状分布，可以使得热侧表面的温度分布更加均匀。

发明内容

本发明公开的是一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，用以强化冲击-气膜复合冷却结构内表面的对流冷却，提高冷却效率，改善热侧壁面分布温度分布均匀性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种带有分形沟槽的冲击-气膜复合冷却结构，包括气膜孔板和冲击孔板，气膜孔板和冲击孔板分别设有阵列排布的气膜孔和冲击孔；所述气膜孔板和冲击孔板的内壁分别加工有若干具有分形特征的沟槽单元。

进一步的，所述沟槽单元包括圆环以及一至五级沟槽，两个一级沟槽对称分布于圆环外缘，一级沟槽的一端与圆环连接，另一端与两个二级沟槽的一端连通，二级沟槽的另一端连通两个三级沟槽的一端，三级沟槽的另一端连通两个四级沟槽的一端，四级沟槽的另一端连通两个五级沟槽。

进一步的，所述冲击孔板的圆环的中心与冲击孔的中心重合，沟槽单元数量与冲击孔数量相等；气膜孔板的圆环的中心与气膜孔的中心重合，沟槽数量与气膜孔数量相等。

进一步的，所述冲击孔板的圆环的内径是冲击孔直径的2～3倍；气膜孔板的圆环的内径是气膜孔直径的2～3倍。

进一步的，第n级沟槽与n-1级沟槽之间夹角为90°，2≤n≤5。

进一步的，所述气膜孔板和冲击孔板的沟槽深度分别为气膜孔板和冲击孔板厚度的 0.2～0.3。

进一步的，所述冲击孔板的沟槽宽度为冲击孔直径的0.2～0.3倍，气膜孔板的沟槽宽度为气膜孔直径的0.2～0.3倍。

进一步的，所述冲击孔板厚为0.5mm，气膜孔板厚为0.5mm，冲击孔直径为 0.5～1.4mm，冲击孔面积/气膜孔面积为0.25～1，气膜孔排距/间距为1～2，冲击高度/冲击孔径为0.5～2，气膜孔间距/冲击孔径为6～12。