具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，包括基板、冷卻通道、多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷。其中，冷卻通道、多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷均設(shè)置在基板的壁面，多個(gè)凹陷錯(cuò)列排列或縱向排列，形成凹陷陣列，每個(gè)或多個(gè)凹陷的上游壁面設(shè)置有斜肋，從而形成斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置能克服現(xiàn)有凹陷渦發(fā)生器中凹陷上游壁面的邊界層流動(dòng)湍動(dòng)能量低，凹陷前緣處流動(dòng)易分離，從而傳熱低的缺點(diǎn)，顯著地提高綜合傳熱性能，同時(shí)在相同的冷卻負(fù)荷下，可減小冷卻流體的流量，從而降低泵或風(fēng)機(jī)的功耗，對(duì)實(shí)際的強(qiáng)化換熱或提高冷卻性能的應(yīng)用具有非常重要的意義。
【專利說明】具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種冷卻裝置，尤其涉及一種用于燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫部件的具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)高效的傳熱與冷卻技術(shù)是高性能燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)必需發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)，以保證燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件高效率、高可靠性地工作，并具有足夠的生命周期。燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)中需要高效冷卻的關(guān)鍵高溫部件通常包括:渦輪葉片、燃燒室等，傳統(tǒng)的方法是通過內(nèi)部的肋片和柱肋擾流冷卻、沖擊冷卻，以及外部的氣膜冷卻對(duì)高溫部件進(jìn)行熱防護(hù)。
[0003]但隨著現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度參數(shù)(>1600° C)的進(jìn)一步提高，單獨(dú)地應(yīng)用傳統(tǒng)的肋片或柱肋擾流冷卻技術(shù)已難以充分冷卻高溫部件。表面上的凹陷渦發(fā)生器是一種高效的傳熱結(jié)構(gòu)，它利用產(chǎn)生的強(qiáng)烈非穩(wěn)態(tài)渦流來增強(qiáng)表面的傳熱性能，同時(shí)保持很低的流阻水平。將凹陷與傳統(tǒng)的肋片或柱肋共同使用能進(jìn)一步提高現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片或燃燒室壁面的冷卻能力。
[0004]在燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件冷卻中，球面凹陷渦發(fā)生器是常用的一種傳熱或冷卻結(jié)構(gòu)。盡管從整體上看球面凹陷渦發(fā)生器能夠顯著強(qiáng)化對(duì)流傳熱，但實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究表明，球面凹陷的前半部由于流動(dòng)分離以及低速回流區(qū)，導(dǎo)致傳熱性能很差；而在凹陷的后半部，由于受到流體的附著及沖擊，形成強(qiáng)烈的渦流，換熱性能大幅度增強(qiáng)。球面凹陷前半部的傳熱系數(shù)僅為其后半部的25%，這樣在實(shí)際應(yīng)用中球面凹陷的前半部壁面溫度將比其后半部顯著升高，這將成為熱應(yīng)力產(chǎn)生的根源。為了提高傳熱性能，可以通過改變凹陷形狀，如采用倒圓、斜面或其它先進(jìn)結(jié)構(gòu)，如淚滴形，改善凹陷內(nèi)部渦流結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但在渦輪葉片中加工先進(jìn)復(fù)雜的淚滴形凹陷并非易事，將增加加工難度和成本，這些因素都限制了凹陷渦發(fā)生器總體性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。
[0005]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的且具有更高傳熱性能的基于凹陷渦發(fā)生器的先進(jìn)對(duì)流冷卻技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的且具有更高傳熱性能的基于凹陷渦發(fā)生器的先進(jìn)對(duì)流冷卻技術(shù)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括基板、冷卻通道、多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷；其中，所述冷卻通道設(shè)置在所述基板的壁面；所述基板的壁面上還設(shè)置有多個(gè)所述凹陷，多個(gè)所述凹陷組成凹陷陣列，所述凹陷在所述基板的壁面上錯(cuò)列排列或縱向排列；每個(gè)或多個(gè)凹陷的上游壁面設(shè)置所述斜肋，多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷的組合為斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0008]進(jìn)一步地，所述斜肋由兩條肋組成，形成V字形，V字形夾角60度-180度，所述V字形的開口方向指向相鄰的所述凹陷。
[0009]進(jìn)一步地，所述肋的截面形狀為矩形或具有倒圓角的矩形。
[0010]進(jìn)一步地,所述斜肋中每條肋的寬度不大于2.0mm,且高度不大于2.0mm。
[0011]進(jìn)一步地，所述斜肋分布在所述凹陷的上游壁面，所述斜肋的端點(diǎn)與相鄰的所述凹陷中心的水平距離為所述肋的寬度的0.5-6倍。
[0012]進(jìn)一步地，所述斜肋通過熔模鑄造、銑加工、釬焊形成于所述基板的壁面。
[0013]進(jìn)一步地，所述凹陷形狀為球面的一部分、橢球形、淚滴形。
[0014]進(jìn)一步地，所述凹陷通過模具鑄造、銑加工、沖壓形成于所述基板的壁面。
[0015]進(jìn)一步地，所述凹陷的深度為所述凹陷的直徑的0.05?0.3倍。
[0016]進(jìn)一步地，所述斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)與肋片或柱肋組合，形成肋片-斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)或柱肋-斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明中，當(dāng)流體流入該冷卻裝置的冷卻通道內(nèi)，斜肋不斷地破壞流動(dòng)邊界層，并在每個(gè)斜肋后面產(chǎn)生下洗渦流，該下洗渦流將增強(qiáng)凹陷上游近壁面邊界層的流動(dòng)湍動(dòng)能量，并減緩凹陷前緣流動(dòng)分離的產(chǎn)生，從而提高上游壁面的傳熱性能；另一方面，下洗渦流流過凹陷時(shí)將改善凹陷內(nèi)部流場，特別是凹陷前半部分區(qū)域，從而顯著提高凹陷內(nèi)部傳熱性能；下洗渦流還能提高凹陷后半部流動(dòng)附著湍流混合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)該區(qū)域及下游壁面的傳熱性能。
[0018]由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):本發(fā)明中在凹陷的上游壁面安裝微小斜肋，流體經(jīng)過各微小斜肋后產(chǎn)生下洗渦流，提高了凹陷上游邊界層的流動(dòng)湍動(dòng)能量，改善了凹陷前半部分近壁面流場結(jié)構(gòu)和后半部分流動(dòng)附著湍流混合強(qiáng)度，從而凹陷的上游壁面、內(nèi)部及下游壁面的傳熱性能都有提高。與現(xiàn)有的凹陷渦發(fā)生器相比，本發(fā)明中具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置能克服現(xiàn)有凹陷渦發(fā)生器中凹陷上游壁面邊界層流動(dòng)湍動(dòng)能量低，凹陷前緣處流動(dòng)易分離，從而傳熱低的缺點(diǎn)，顯著地提高綜合傳熱性能，同時(shí)在相同的冷卻負(fù)荷下，可減小冷卻流體的流量，從而降低泵或風(fēng)機(jī)的功耗。另外，在凹陷的上游壁面安裝微小斜肋操作簡單，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性。這些都對(duì)實(shí)際的強(qiáng)化換熱或提高冷卻性能應(yīng)用具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置的主視圖；
[0020]圖2是圖1所示實(shí)施例的俯視圖；
[0021]圖3是圖1所示實(shí)施例的左視圖；
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的具有肋片-微小斜肋-凹陷和柱肋-微小斜肋-凹陷兩種復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的縱向截面示意圖；
[0024]圖6是圖5所示實(shí)施例的柱肋-微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。
[0026]具體實(shí)施例1:
[0027]本實(shí)施例中，如圖1-3所示，一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，包括基板10，冷卻通道11，多個(gè)斜肋12和多個(gè)凹陷13。冷卻11通道設(shè)置在基板10的壁面，多個(gè)凹陷13也設(shè)置在基板10的壁面，多個(gè)凹陷13錯(cuò)列排列，并組成凹陷陣列，每個(gè)凹陷13的上游壁面均設(shè)置有一個(gè)斜肋12。
[0028]多個(gè)斜肋12通過熔模鑄造、銑加工、釬焊形成于基板10的壁面，各斜肋12和基板10均采用高導(dǎo)熱材料制成。每個(gè)斜肋12由一條肋組成或由兩條肋組成形成V字形，V字形夾角60度-180度，肋的截面形狀為矩形。每條肋的寬度不大于2.0mm,且高度不大于
2.0mm。此外，多個(gè)凹陷13通過熔模鑄造、銑加工、沖壓形成于基板10的壁面，凹陷13的形狀可以為球面的一部分、橢球形、淚滴形。凹陷13的深度為其直徑的0.05?0.3倍。斜肋12的端點(diǎn)與相鄰的凹陷13的中心的水平距離為斜肋12中肋的寬度的0.5-6倍。斜肋12中兩肋組成的V字形開口方向指向相鄰的凹陷13。
[0029]本實(shí)施例中，如圖1-3所示，箭頭15的方向指明了冷卻流體流動(dòng)方向。當(dāng)冷卻流體流入冷卻通道11內(nèi)，各斜肋12不斷地破壞流動(dòng)邊界層，并在每個(gè)斜肋12后面產(chǎn)生下洗渦流，該下洗渦流將增強(qiáng)凹陷13上游近壁面邊界層的流動(dòng)湍動(dòng)能量，并減緩凹陷13前緣流動(dòng)分離的產(chǎn)生，從而提高上游壁面的傳熱性能；另一方面，下洗渦流流過凹陷13時(shí)將改善凹陷13的內(nèi)部流場，特別是凹陷13的前半部分區(qū)域，從而顯著提高凹陷13的內(nèi)部傳熱性能；下洗渦流還能提高凹陷13后半部流動(dòng)附著湍流混合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)該區(qū)域及下游壁面的傳熱性能。常規(guī)凹陷由于流動(dòng)分離以及形成回流渦，導(dǎo)致傳熱性能很差，而本實(shí)施例中微小斜肋誘發(fā)產(chǎn)生的渦流顯著改善了凹陷13的內(nèi)、外流動(dòng)，提高了傳熱性能。
[0030]因此，與現(xiàn)有的凹陷渦發(fā)生器相比，本實(shí)施例的具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置能克服現(xiàn)有凹陷渦發(fā)生器中凹陷13上游壁面邊界層流動(dòng)湍動(dòng)能量低，凹陷13前緣處流動(dòng)易分離，從而傳熱低的缺點(diǎn)，顯著地提高綜合傳熱性能，同時(shí)在相同的冷卻負(fù)荷下，可減小冷卻流體的流量，從而降低泵或風(fēng)機(jī)的功耗，節(jié)約材料，另外，在凹陷13的上游壁面安裝微小斜肋12操作簡單，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性，這對(duì)實(shí)際的強(qiáng)化換熱或提高冷卻性能應(yīng)用具有非常重要的意義。
[0031]具體實(shí)施例2:
[0032]本實(shí)施例中，如圖4-6所不，一種具有肋片-微小斜肋-凹陷和柱肋-微小斜肋-凹陷兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片23，包括冷卻通道11，壓力側(cè)壁面20，吸力側(cè)壁面21 ;還包括多個(gè)肋片19，多個(gè)柱肋22，多個(gè)凹陷13和多個(gè)斜肋12。箭頭15所指的方向?yàn)槔鋮s流體流動(dòng)方向。冷卻通道11設(shè)置在壓力側(cè)壁面20和吸力側(cè)壁面21之間，多個(gè)肋片19設(shè)置在相鄰隔板18間的冷卻通道11內(nèi)，多個(gè)肋片19沿流動(dòng)方向15以相同的角度傾斜。每個(gè)肋片19的上游壁面設(shè)置一排凹陷13。
[0033]在葉片尾緣處設(shè)置有多個(gè)柱肋22和多個(gè)凹陷13，柱肋22通過熔模鑄造形成于壓力側(cè)壁面20和吸力側(cè)壁面21之間。柱肋22與壓力側(cè)壁面20和吸力側(cè)壁面21相連接。柱肋22為截面形狀為圓形的柱狀。柱肋22在冷卻流道11內(nèi)按錯(cuò)列方式布置；壓力側(cè)壁面20和吸力側(cè)壁面21上均設(shè)有凹陷13，凹陷13定位于橫向方向上每行柱肋22的每兩個(gè)柱肋22之間的最小流通橫截面處的壁面上；以及縱向方向(流動(dòng)方向15)上的每兩行柱肋22之間。多個(gè)凹陷13通過熔模鑄造、銑加工、沖壓形成于葉片壁面，凹陷13的形狀可以為球面的一部分、橢球形、淚滴形。凹陷13的深度為其直徑的0.05?0.3倍。在壁面上柱肋-凹陷呈錯(cuò)列排列。
[0034]另外，每個(gè)凹陷的上游壁面設(shè)置一個(gè)斜肋，多個(gè)斜肋12通過熔模鑄造、銑加工、釬焊形成于葉片壁面，各斜肋12均采用高導(dǎo)熱材料制成。每個(gè)斜肋12由一條肋組成或由兩條肋組成形成V字形，V字形夾角60度-180度，肋的截面形狀為矩形。每條肋的寬度不大于2.0mm，且高度不大于2.0mm。斜肋12的端點(diǎn)與相鄰的凹陷13的中心的水平距離為斜肋12中肋的寬度的0.5-6倍。斜肋12中兩肋組成的V字形開口方向指向相鄰的凹陷13。
[0035]在本實(shí)施例中，當(dāng)冷卻流體流過時(shí)，凹陷13利用產(chǎn)生的強(qiáng)烈非穩(wěn)態(tài)渦流來增強(qiáng)表面的傳熱性能，同時(shí)保持很低的流阻水平，而微小斜肋12誘發(fā)產(chǎn)生的渦流能克服凹陷13上游壁面邊界層流動(dòng)湍動(dòng)能量低，凹陷13前緣處流動(dòng)易分離的缺點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高現(xiàn)有的主要依靠肋片和柱肋擾流冷卻的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣用量并提高燃?xì)廨啓C(jī)性能。
[0036]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述冷卻裝置包括基板、冷卻通道、多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷；其中， 所述冷卻通道設(shè)置在所述基板的壁面； 所述基板的壁面上還設(shè)置有多個(gè)所述凹陷，多個(gè)所述凹陷組成凹陷陣列，所述凹陷在所述基板的壁面上錯(cuò)列排列或縱向排列； 每個(gè)或多個(gè)凹陷的上游壁面設(shè)置所述斜肋； 多個(gè)斜肋和多個(gè)凹陷的組合為斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述斜肋由兩條肋組成，形成V字形，V字形夾角60度-180度，所述V字形的開口方向指向相鄰的所述凹陷。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述肋的截面形狀為矩形或具有倒圓角的矩形。
4.如權(quán)利要求2所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述斜肋中每條肋的寬度不大于2.0mm,且高度不大于2.0_。
5.如權(quán)利要求1和2所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述斜肋分布在所述凹陷的上游壁面，所述斜肋的端點(diǎn)與相鄰的所述凹陷中心的水平距離為所述肋的寬度的0.5-6倍。
6.如權(quán)利要求1所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述斜肋通過熔模鑄造、銑加工、釬焊形成于所述基板的壁面。
7.如權(quán)利要求1所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述凹陷形狀為球面的一部分、橢球形、淚滴形。
8.如權(quán)利要求1所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述凹陷通過熔模鑄造、銑加工、沖壓形成于所述基板的壁面。
9.如權(quán)利要求1所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述凹陷的深度為所述凹陷的直徑的0.05?0.3倍。
10.如權(quán)利要求1和9任意一項(xiàng)所述的一種具有微小斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻裝置，其特征在于，所述斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)與肋片或柱肋組合，形成肋片-斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)或柱肋-斜肋-凹陷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】F02C7/12GK103967621SQ201410138196
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】饒宇 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)