CN109083689B - 凹部、冷却结构、冷却组件和形成凹部的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于冷却的凹部，其中，凹部内设置凸起、第一子凹部和第二子凹部，凸起设置于第一子凹部和第二子凹部之间。本发明还提供一种冷却结构、冷却组件以及在冷却通道的壁部形成凹部的方法。

Description

凹部、冷却结构、冷却组件和形成凹部的方法

技术领域

本发明涉及散热领域，尤其涉及一种用于冷却燃气轮机燃烧室、 涡轮等的结构。

背景技术

燃气轮机是一种重要的热功转换装置，燃气轮机的热效率和比功 率随着涡轮进口温度的提高而增加。燃气轮机在使用时，碳氢化合物 的燃烧温度可以高达2500K，远远高于各种金属材料的可以使用的温 度，因此需要采用冷却设备来降低叶片温度，从而保证涡轮叶片在高 温下也可以正常工作。

目前，燃气轮机广泛使用的冷却设备的核心是气膜冷却结构、对 流冷却结构以及冲击冷却结构。但是各种冷却结构各有不足：气膜冷 却结构直接将高温燃气与叶片隔离开来，冷却效果更好，但与外部主 流相互作用强烈，常引起冷气脱离壁面降低冷却效果和掺混损失的不 利影响；对于各种光滑或者带肋通道的对流冷却结构，其强化换热能 力不是很强；冲击冷却结构则对于冲击点附近区域的强化换热效果明 显，但冷气在之后的横向流动会降低相邻冲击冷却能力。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种用于 冷却的凹部，凹部内设置凸起、第一子凹部和第二子凹部，凸起设置 于第一子凹部和第二子凹部之间。

根据一些实施例，凹部的截面为“ω”形。

根据一些实施例，第一子凹部和第二子凹部相对于凸起对称设置。

根据本发明的另一方面，提供一种冷却结构，包括壁部，在壁部 设置多个如前所述的凹部。

根据本发明的又一方面，提供一种冷却组件，包括如前所述的冷 却结构；板体，板体上设置多个孔，冷却流体通过孔进入凹部。

根据本发明的再一方面，提供一种冷却组件，包括如前所述的冷 却结构；在壁部上设置气膜孔；冷却流体通过凹部后从气膜孔流出。

根据本发明的还一方面，提供一种在冷却通道的壁部形成凹部的 方法，在形成凹部的表面设置具有第一半径的圆形轨迹线；在形成凹 部的表面设置具有第二半径的圆形控制线；第一半径大于第二半径， 并且圆形控制线位于圆形轨迹线内，圆形轨迹线的圆心与圆形控制线 的圆心重合；设置轮廓线，轮廓线具有两个端点，其中第一端点位于 圆形轨迹线，第二端点位于表面下方预定距离处，并且第一端点和第 二端点处于具有第三半径的圆弧上，第一端点与第二端点位于圆形控 制线的圆心同侧；轮廓线围绕圆形轨迹线旋转360度生成曲面；利用 曲面切割壁部，生成凹部。

根据本发明的还一方面，提供一种在冷却通道的壁部形成凹部的 方法，在形成凹部的表面设置具有第一半径的圆形轨迹线；在形成凹 部的表面设置具有第二半径的圆形控制线；第一半径大于第二半径， 并且圆形控制线位于圆形轨迹线内，圆形轨迹线的圆心与圆形控制线 的圆心偏离；设置第一轮廓线，第一轮廓线具有两个端点，其中第一 端点位于圆形轨迹线，第二端点位于表面下方预定距离处，并且第一 端点和第二端点处于具有第三半径的圆弧上，第三半径大于预定距离， 第一端点与第二端点位于圆形控制线的圆心同侧；设置第二轮廓线， 第二轮廓线具有两个端点，其中第三端点位于圆形轨迹线，第四端点位于表面下方预定距离处，并且第三端点和第四端点处于具有第四半 径的圆弧上，第四半径大于预定距离，第三端点与第四端点位于圆形 控制线的圆心同侧，第四半径与第三半径大小不同；第一轮廓线围绕 圆形轨迹线旋转180度以及第二轮廓线围绕圆形轨迹线旋转180度后 生成曲面；利用曲面切割壁部，生成凹部。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明为带有内部凸起 的凹部，通过在凹部内布置凸起，在凹部内形成内部凹部，流体流过 凹部时会在凹部产生更小尺度的局部漩涡，增强对流换热系数，从而 增强冷却效果。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和 优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是本发明一个实施例的凹部的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的冷却结构的结构示意图；

图3是本发明一个实施例冷却结构的示意图；

图4是本发明一个实施例的冷却结构的气体流向图；

图5是本发明一个实施例的冷却结构的又一气体流向图；

图6是本发明一个实施例的冷却组件的示意图；

图7是形成本发明的凹部结构的原理示意图；

图8是形成本发明的又一凹部结构的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目 的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或 者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的 通常意义。

本发明提供一种用于冷却的凹部。图1是根据本发明的一个实施 例的凹部的结构示意图。如图1所示，凹部100内设置凸起110、第 一子凹部120和第二子凹部130，凸起110设置于第一子凹部120和 第二子凹部130之间。通过在凹部内布置凸起，在凹部内形成子凹部， 流体流过凹部时会在子凹部产生更小尺度的局部漩涡，增强对流换热 系数，从而增强冷却效果。

凹部的截面为“ω”形。凸起在第一子凹部和第二子凹部之间， 凸起可以高于第一子凹部和第二子凹部底部，也就在凹部的内部形成 了两边低中间高的形状，因此，凹部的截面形成了类似于“ω”的形 状。

此外，也可以在凹部内部形成不同于“ω”形的其他截面形状， 即，利用在凹部内部的不同形状，在流体流过凹部时会在凹部内产生 局部旋涡，增强对流换热系数，从而增强冷却效果。

根据优选的实施例，第一子凹部和第二子凹部相对于凸起对称设 置。第一子凹部和第二子凹部相对于凸起对称设置可以降低制作工艺 的难度。

此外，根据其他实施方式，第一子凹部和第二子凹部可以相对于 凸起不对称设置。

本发明提供一种冷却结构。图2是根据本发明的一个实施例的冷 却结构的示意图。如图2所示，冷却结构200包括壁部210，在壁部 210设置多个如上的凹部100。图中用虚线部分示例性的标出凹部100， 但是并不代表壁部210的上表面以上的部分也属于凹部100。

图3是本发明实施例的冷却结构的示意图。如图3所示，冷却结 构200包括壁部210，在所述壁部210上设置多个凹部100。

图4是本发明实施例冷却结构的气体流向图。根据图4所示，当 气体从右向左流过冷却结构200时，即，横向来流，由边界层理论可 知，流体在流动时，在离固体表面较远处，粘性力比惯性力小得多， 可以忽略；但在固体表面附近，粘性力的影响则不能忽略。由于存在 着粘性力，气体流经壁部210的上表面后首先进入第一子凹部120， 然后经过设置的凸起110，同样由于粘性力，气体会继续沿着表面流 动，从而进入第二子凹部130，这样，气体经过凹部内的凸起，会在 凹部内产生多次的翻转，从而形成多个漩涡，增大该处的对流换热系 数，从而提高冷却效果。

凹部通过表面的下陷来破坏气流的边界层，并诱导形成不同尺度 的漩涡，这些涡旋加快了通过对流方式带走表面热量的速率，达到增 大壁面传热系数的目的。因此，在本实施例中，凹部和凸起的形状不 做具体的限制，只要满足凸起在凹部中即可。

图5是冷却气流垂直来流的情况，如图5所示，气体经过凹部内 的凸起，会在凹部内产生多次的翻转，从而形成多个漩涡，增大该处 的对流换热系数，从而提高冷却效果。如图5所示，当冷却流体垂直 进入凹部100后，首先是对凸起110产生冲击作用，然后，冷却流体 分别沿着第一子凹部120和第二子凹部130向外流出，形成对流冷却。

本发明实施例还提供一种冷却组件。图6是根据本发明的一个实 施例的冷却组件700的示意图。如图6所示，冷却组件700包括冷却 结构200；板体710，板体上设置多个孔，冷却流体通过孔进入凹部 100。

根据某些实施例，孔包括多个冲击冷却孔，多个冲击冷却孔与多 个凹部一一对应。这里的一一对应是指气流可以从一个冲击冷却孔中 垂直进入它对应的凹部中。凹部的布置形式和凹部的间距，可以依据 燃烧室、涡轮叶片或者冷气腔的实际几何形状布置。

根据某些实施例，冲击冷却孔的中心线与凹部的中心线共线。这 样可以使得冲击冷却孔与凹部能够对准，从而使得气流能够垂直射入 凹部中。

根据某些实施例，冲击冷却孔的中心线与凸起的中心线共线。当 凸起在凹部的中心时，凸起的中心线即是凹部的中心线，但是当凸起 不在凹部的中心时，凸起的中心线就不是凹部的中心线。冲击冷却孔 的中心线与凸起的中心线共线，可以使得气流通过冲击冷却孔直接垂 直射入凸起。

根据某些实施例，冲击冷却孔的面积与凸起的上表面的面积相等， 和/或冲击冷却孔的形状与凸起的形状相同。也即是说，冲击冷却孔 和凸起的上表面可以是面积相等，也可以是形状相同，还可以是形状 和大小都相同。这样可以进一步使得通过冲击冷却孔的气流完全射入 凸起，从而提高冷却能力。当然，气流的冲击面积可能比冲击孔的截 面积大，这个具体需要取决于冲击距离。

此外，根据本发明的实施方式，冷却组件可以包括冷却结构200； 在壁部上设置气膜孔；冷却流体通过凹部后从气膜孔流出。

将具有凹部的冷却结构与气膜孔板组合使用，构成冷却组件，凹 部可以布置在气膜板内侧，大吹风比情况下，冷却气流由凹坑流过， 增大了冷气的湍流度，减少气膜冷却的脱流，从而增大气膜冷却效率， 提高综合冷却效率。吹风比是指射流与主流的密度速度乘积之比。

本发明实施例还提供一种在冷却通道的壁部形成上述凹部的方 法，具体步骤如下：

图7是根据本发明一个实施例形成凹部的示意图。图7左图是凹 部的俯视图，右图是左图的A-A截面图。如图7所示，首先，在形 成凹部的表面设置具有第一半径R1的圆形轨迹线810；在形成凹部 的表面设置具有第二半径R2的圆形控制线820；第一半径R1大于第二半径R2，并且圆形控制线820位于圆形轨迹线810内，在X-Y平 面，以圆形轨迹线810的圆心为原点O，圆形轨迹线810的圆心与圆 形控制线820的圆心重合，也即是圆形轨迹线810的圆心与圆形控制 线820的圆心均位于原点O处。

然后设置轮廓线830，轮廓线830具有两个端点，第一端点831 和第二端点832，其中第一端点831位于圆形轨迹线810，第二端点 832位于表面下方预定距离H1处，并且第一端点831和第二端点832 处于具有第三半径R3的圆弧上，本实施例中第三半径R3大于预定距离H1，在其他实施例中，第三半径R3也可以小于或等于预定距离 H1，第一端点831与第二端点832位于圆形控制线820的圆心同侧。

在X-Y平面定义旋转周向位置角度α，α起始位置(即，α＝0°) 为X轴正方向，α正方向为逆时针方向。再将轮廓线830围绕圆形轨 迹线810旋转360度生成曲面；利用曲面切割壁部，生成凹部。

图8是根据本发明一个实施例形成凹部的示意图。图8左图是凹 部的俯视图，右图是左图的A-A截面图。如图8所示，首先，在形 成凹部的表面设置具有第一半径R1的圆形轨迹线910；在形成凹部 的表面设置具有第二半径R2的圆形控制线920；第一半径R1大于第二半径R2，并且圆形控制线920位于圆形轨迹线910内，在X-Y平 面，以圆形轨迹线910的圆心为原点O，圆形轨迹线910的圆心与圆 形控制线920的圆心偏离，与原点O相距Δx或Δy，也即是圆形控 制线920的圆心不在原点O处。

设置第一轮廓线930，第一轮廓线930具有两个端点，第一端点 931和第二端点932，其中第一端点931位于圆形轨迹线910，第二 端点932位于表面下方预定距离H1处，并且第一端点931和第二端 点932处于具有第三半径R3的圆弧上，第三半径R3大于预定距离H1，第一端点931与第二端点932位于圆形控制线920的圆心同侧。

设置第二轮廓线940，第二轮廓线940具有两个端点，第三端点 932和第四端点942，其中第三端点932位于圆形轨迹线910，第四 端点942位于表面下方预定距离H1处，也即是第二端点932和第四 端点942在同一高度上，并且第三端点941和第四端点942处于具有 第四半径R4的圆弧上，第四半径R4大于预定距离H1，当然在其他 的实施例中，第四半径也可以小于或者等于预定距离。第三端点R3 与第四端点R4位于圆形控制线920的圆心同侧，第四半径R4与第 三半径R3大小不同。

同样的，在X-Y平面定义旋转周向位置角度α，α起始位置(即， α＝0°)为X轴正方向，α正方向为逆时针方向。第一轮廓线930围绕 圆形轨迹线910旋转180度，光滑过渡到第二轮廓线940，也即是第 一轮廓线930从α＝0°沿轨迹线光滑过渡至到α＝180°位置处的第二轮 廓线，形成一个光滑渐变曲面；α＝180°～360°曲面与α＝0°～180°曲面 相对X-Z平面镜像，两段曲面恰好形成一个完整的曲面。利用曲面 切割壁部，生成凹部。

此外，上述几何特征参数可以根据冷气量、冷气压力、冷气温度 等条件来确定，以便使得冷却效果优化。

本发明提出的带有内部凸起结构的凹部结构，使得气流进入后， 经凹部内特殊的凸起结构，会在凹部内产生多次翻转，形成多个漩涡， 增大该处的对流换热系数，从而提高冷却效果。冷却结构配合气膜孔 板形成冷却组件，在使用该冷却组件时，在大吹风比情况下，冷却气 流由凹部流过，降低了冷却气流动量，减少气膜冷却的脱流，从而增 大气膜冷却效率，提高综合冷却效率。冷却结构配合冲击孔板形成冷 却组件，冷却气流由冲击冷却孔流出，冲击进入到凹部内，在凹部内 发生冲击作用后流出，再与流道内的横流流动相互混合，既能增大当 地的对流换热能力，又能减少横流对下流冲击冷却的影响，提高综合 冷却效率。气膜孔和冲击冷却孔的位置可调整，以使得冷却效果最好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种在冷却通道的壁部形成凹部的方法，其中，

在形成凹部的表面设置具有第一半径的圆形轨迹线；

在形成所述凹部的表面设置具有第二半径的圆形控制线；

所述第一半径大于所述第二半径，并且所述圆形控制线位于所述圆形轨迹线内，所述圆形轨迹线的圆心与所述圆形控制线的圆心在X-Y平面重合；

设置轮廓线，所述轮廓线具有两个端点，其中第一端点位于所述圆形轨迹线，第二端点位于所述表面下方预定距离处，并且所述第一端点和所述第二端点处于具有第三半径的圆弧上，所述第一端点与所述第二端点位于所述圆形控制线的圆心同侧；

所述轮廓线围绕所述圆形轨迹线旋转360度生成曲面；

利用所述曲面切割所述壁部，生成所述凹部。

2.一种在冷却通道的壁部形成凹部的方法，其中，

在形成凹部的表面设置具有第一半径的圆形轨迹线；

在形成所述凹部的表面设置具有第二半径的圆形控制线；

所述第一半径大于所述第二半径，并且所述圆形控制线位于所述圆形轨迹线内，所述圆形轨迹线的圆心与所述圆形控制线的圆心偏离；

设置第一轮廓线，所述第一轮廓线具有两个端点，其中第一端点位于所述圆形轨迹线，第二端点位于所述表面下方预定距离处，并且所述第一端点和所述第二端点处于具有第三半径的圆弧上，第三半径大于所述预定距离，所述第一端点与所述第二端点位于所述圆形控制线的圆心同侧；

设置第二轮廓线，所述第二轮廓线具有两个端点，其中第三端点位于所述圆形轨迹线，第四端点位于所述表面下方预定距离处，并且所述第三端点和所述第四端点处于具有第四半径的圆弧上，第四半径大于所述预定距离，所述第三端点与所述第四端点位于所述圆形控制线的圆心同侧，所述第四半径与所述第三半径大小不同；

所述第一轮廓线围绕所述圆形轨迹线旋转180度以及所述第二轮廓线围绕所述圆形轨迹线旋转180度后生成曲面；

利用所述曲面切割所述壁部，生成所述凹部。

3.一种用于冷却的凹部，其中，

所述凹部内设置凸起、第一子凹部和第二子凹部，其中，所述凹部采用权利要求1或2所述的方法形成；

所述凸起设置于所述第一子凹部和第二子凹部之间。

4.一种冷却结构，其包括壁部，其中，

在所述壁部设置多个根据权利要求3所述的凹部。

5.一种冷却组件，其包括：

根据权利要求4所述的冷却结构；

板体，所述板体上设置多个孔，

冷却流体通过所述孔进入所述凹部。

6.一种冷却组件，其包括：

根据权利要求4所述的冷却结构；

在所述壁部上设置气膜孔；

冷却流体通过所述凹部后从所述气膜孔流出。

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