[发明专利]一种齿式复合结构高温叶片冷却装置及其冷却方法

说明书

本发明属于航空发动机和燃气轮机技术领域，尤其涉及一种齿式复合结构高温叶片冷却装置及其冷却方法。高温透平叶片表面制备直齿/平面复合结构，气雾两相流出流通道为梯形结构。直齿结构对气雾两相流中液滴具有加速作用，可在非能动状态下加速气雾两相流的流动，当主流空气和气雾两相流掺混经过直齿结构表面并对其冷却时，同时实现混合流体快速通过直齿表面，达到平面高温区域并对其进行冷却，实现高温叶片不同区域冷却效果趋于均匀化。

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机技术领域，尤其涉及一种齿式复合结构高温叶片冷却装置及其冷却方法。

背景技术

航空发动机和燃气轮机的核心部件之一是透平叶片，透平的高推重比和大推力等性能提高，依赖于先进气动热力设计、高热力循环参数等实现，而高热力循环参数对透平叶片的设计选材和冷却提出更高的要求。因此，叶片高效冷却是保证透平安全工作的重要前提。

当前叶片冷却采用单相工质(如空气)进行冷却为主，两相流冷却研究较少。其中气雾两相流在冷却方面由于液滴的汽化潜热特性，冷却性能优于单相流体。然而随着气雾两相流在高温叶片表面流动与换热，两相流中雾滴大量气化，导致气雾两相流冷却效果快速降低，高温叶片不同位置温度差异导致热应力较大，不利于叶片安全工作运行。因此，如何提高气雾两相流的冷却效率和在高温叶片表面冷却效率均匀性是亟待解决的科学难题。

因此，需发展针对新型高效的气雾两相流冷却的传热强化方法，为新型航空发动机和燃气轮机透平叶片冷却提供关键技术支撑。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种齿式复合结构高温叶片冷却装置，其技术方案如下：

一种齿式复合结构高温叶片冷却装置，其特征在于，在高温叶片部分表面设置为齿形结构，其余高温表面为平面；当气雾两相流体经过出流通道与主流空气混合后，先略过齿形表面，对高温叶片进行冷却，随后两相流体进入平面区域对高温叶片进行冷却。

优选为：所述齿形结构为等腰直角直齿，直齿倾斜侧面迎着气雾两相混合流体来流方向。

优选为：所述直齿位置在出流通道出口处，高温表面在直齿下游处。

优选为：所述气雾两相流体经出流通道到达高温叶片表面，所述出流通道与高温叶片表面垂直的侧面成一定角度增大，出流通道出口为梯形结构。

优选为：所述气雾两相流体是由雾滴与空气混合而成。

本发明还公开一种齿式复合结构高温叶片冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将高温叶片制备梯形出流通道和直齿/平面复合结构；

步骤2：气雾两相流体经过出流通道到达直齿结构表面，气雾两相流与主流空气掺混，混合流体经过直齿结构并对其进行冷却；

步骤3：混合流体达到平面高温区域并进行冷却；梯形出流通道将气雾两相流体在直齿表面接触范围扩散，进而扩大冷却区域；直齿结构对气雾两相流中液滴具有加速作用，在非能动状态下加速气雾两相流的流速，进而实现高温叶片不同区域冷却效果趋于均匀化。

有益效果：

本发明创造性的提出直齿/复合结构，由于气雾两相流随着液滴蒸发，冷却能力降低，因此，在出流通道出口处设置直齿结构，液滴在直齿结构表面由于液滴蒸发动力和表面能驱动下，液滴裹挟空气加速流动达到平面结构区域并进行冷却。

本发明创新性提出直齿/复合结构，可以达到强化高温叶片冷却的均匀化，是一种高效安全的冷却方式，可以解决高温透平叶片高温冷却问题。

本发明简单可靠的直齿结构可以实现高温叶片壁面冷却区域均匀化，同时，梯形通道可以扩展气雾两相流在高温叶片的覆盖区域，增加冷却表面积。

附图说明