[发明专利]一种Ω型回转腔层板冷却结构

说明书

本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种Ω型回转腔层板冷却结构。所述的冷却结构，由多个形状相同的单元体构成，每个单元体的结构要素包括位于进气板的进气孔、位于出气板的气膜孔、扰流柱和呈Ω型的回转腔。Ω型回转腔可分别为进气腔、出气腔和一个中间腔，并在各自中心处分别设有扰流柱，扰流柱的形状与腔体轮廓形状一致。其中单元体形状可近似认为由三个正六边形、正方形或圆形两两并列构成。本发明可以减小空气流动阻力和损失；并增强叶片冷却效果，进一步提高涡轮叶片的抗载荷能力，使得空间利用率相较于已有层板结构的四边形阵列排布提高，单位面积上的结构要素数量可以增加约15％。

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种Ω型回转腔层板冷却结构。

背景技术

为了提高航空发动机的性能水平，涡轮进口温度不断提升，随之带来的是涡轮热端部件工作环境的日趋恶化。这些在高温环境下工作的涡轮部件除了要承受高温热负荷，还要承受由高转速、高压力、大振动等因素引起的载荷。在如此恶劣的工作环境中，要保证涡轮正常、可靠、长期的工作，其中一项有效措施是采用冷却式设计。冷却的原则是使用最少的冷气量来带走尽可能多的热量，保护零部件处于较低的平均温度，并且具有较小的温度梯度。层板冷却结构将导热、对流冷却、冲击冷却和气膜冷却等方式有机的耦合在一起，又因为其丰富的内腔扰流和孔结构，在换热效果上逼近多孔介质发汗式冷却，同时规避发汗式冷却易堵塞的缺点，能够适应目前航空发动机和燃气轮机对于热端部件的冷却要求，有着广泛的应用前景。

对于层板冷却结构，其内腔的扰流柱和腔体的设计，是区别不同层板类型的主要特征，也是影响其流动和换热性能的主要因素。本发明提出一种内腔冷却通道呈Ω型回转的层板结构。该结构可以避免层板内部气流之间的相互冲击、掺混，同时避免出现回流、串流等问题，从而减小流动阻力和流动损失，此外还可通过延长冷气流动距离来综合增强层板换热能力和抗载荷能力，并提高层板内部空间利用率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于航空发动机和燃气轮机热端部件冷却的层板结构，其典型应用为新一代高性能涡轮叶片，有助于提高整机性能和可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种Ω型回转腔层板冷却结构，由多个形状相同的单元体构成，每个单元体的结构要素包括位于进气板的进气孔、位于出气板的气膜孔、扰流柱和呈Ω型的回转腔。Ω型回转腔可分别为进气腔、出气腔和一个中间腔，并在各自中心处分别设有扰流柱，扰流柱的形状与腔体轮廓形状一致。其中单元体形状可近似认为由三个正六边形、正方形或圆形两两并列构成。

以单元体形状为三个两两并列正六边形为例，三个正六边形中心处即Ω型回转腔的进气腔、出气腔和中间腔的中心处，分别设有扰流柱，进气腔与中间腔、中间腔与出气腔之间由一段直通道尽可能光顺的连接，并使冷却通道在俯视上呈近似的Ω型。

进一步的，冷却通道沿程各处的横截面形状均为椭圆形。

进一步的，冷却通道的横截面椭圆形长轴与短轴的长度之比值可在1.2至2之间，其中典型值可为2。

在每个单元体中，进气腔连接进气孔，出气腔连接气膜孔。在垂直于单元体表面的截面内，进气孔和气膜孔的中心线均呈S形曲线。进气孔中心线在进气板外表面处的切线方向与板面的夹角为入射角∠A1，气膜孔中心线在出气板外表面处的切线方向与板面的夹角为出射角∠A2，∠A1和∠A2均为锐角，其值可为30～50°，典型值可为30°。

进一步的，进气孔和气膜孔的横截面形状为椭圆形，且孔型面与Ω型回转腔内的通道相切并光滑转接。

进一步的，进气孔和气膜孔的中心线均由两段相切圆弧组成，两个圆弧的半径分别为R1和R2，弯曲方向相反。半径为R1的圆弧起始端与层板中心轴线相切，半径为R2的圆弧与进/出气板表面的交点处的切线与板面所成夹角为孔的进/出气角，即入/出射角。