本發(fā)明屬于應(yīng)用于航空發(fā)動機/燃?xì)廨啓C渦輪葉片微細(xì)通道中的擾流結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、對于全天候全域長期服役的航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C，環(huán)境中的砂塵顆粒、火山灰或鹽霧氣溶膠等雜質(zhì)摻混在空氣中由進氣道進入發(fā)動機內(nèi)部，在葉片內(nèi)冷通道中沉積，并逐漸形成一定的沉積形貌。顆粒的沉積不僅會影響渦輪葉片的氣動效率亦會改變其傳熱性能，甚至直接影響渦輪葉片的使用壽命。因此，為了保障渦輪葉片在高熱負(fù)荷條件下安全可靠的工作，必須設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)增強換熱，同時應(yīng)避免顆粒物大量沉積于該結(jié)構(gòu)上影響通道流動換熱特性。

2、相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，相同雷諾數(shù)下的通道換熱性能隨直徑較小而提高。在渦輪葉片內(nèi)壁布置眾多貼近燃?xì)鈧?cè)的微小冷卻通道(100μm～1mm量級)，一方面提高了換熱系數(shù)，另一方面也增大了換熱的表面積，使得微小通道的冷卻性能大幅提高，葉片冷卻更加均勻，從而顯著改善大尺度冷卻方式換熱不均勻而引起的熱應(yīng)力，提高了渦輪葉片的可靠性和使用壽命。

3、傳統(tǒng)渦輪葉片的內(nèi)冷通道上常見的擾流結(jié)構(gòu)包括肋片(直肋、斜肋、v肋等)、凹坑等類型。微細(xì)通道中的擾流結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠抑制通道內(nèi)顆粒沉積對其的影響，因此需要設(shè)計一種具有抑制顆粒沉積的擾流結(jié)構(gòu)，防止顆粒在內(nèi)冷通道中大量沉積甚至發(fā)生堵塞，影響通道的流動換熱特性?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在漫長的進化過程中，大量水生生物，如魚類皮膚外覆蓋的鱗片具備優(yōu)秀的自清潔能力，雜質(zhì)物不易在鱗片表面沉積生長。因此，在不增加冷氣流量的情況下，設(shè)計出具備一定的流動換熱能力和抑制顆粒沉積的擾流結(jié)構(gòu)，對于葉片安全穩(wěn)定的工作具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了最大化提高渦輪葉片微細(xì)通道流動換熱特性的同時，減少顆粒沉積帶來的影響，本發(fā)明提出一種具有防顆粒沉積的仿生魚鱗擾流結(jié)構(gòu)，并將其布置于渦輪葉片的微細(xì)通道中。該結(jié)構(gòu)參考自然界的魚鱗形態(tài)簡化設(shè)計而成，相比于光滑表面，冷卻氣體在流經(jīng)布置有仿生魚鱗結(jié)構(gòu)的通道時，能夠有效地增大流體與其的接觸面積同時能破環(huán)流動與傳熱邊界層，促進冷熱流體的摻混。與此同時，流動區(qū)域的面積的減小，使得流場的局部速度梯度增大，提高了局部壁面剪切應(yīng)力的大小，使得顆粒更容易剝離壁面，有助于抑制顆粒的沉積。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，微細(xì)通道中等距布置若干仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，通道進出口的寬為1.5mm，高為0.1mm，入口的等效直徑dh＝0.1875mm，仿生魚鱗結(jié)構(gòu)底邊為扇形，其流向方向的長度lf＝1.6dh，前沿寬度wf＝1.07dh，側(cè)沿長度sf＝1.5dh，側(cè)沿寬度hf＝1.07dh，其后緣為圓弧型等高結(jié)構(gòu)，其高度if＝0.26dh。

3、更進一步地，從入口處開始每隔4mm平行等距的布置在微細(xì)通道的底部更進一步地，其通過3d打印進行加工制造。

4、一種微細(xì)通道，微細(xì)管道軸向均勻排布若干上述仿生魚鱗結(jié)構(gòu)。

5、更進一步地，所述微細(xì)通道為矩形通道，所述微細(xì)通道的長度為20mm。

6、更進一步地，所述微細(xì)通道的入口為干空氣，溫度為700k，壓力為2mpa。

7、更進一步地，所述微細(xì)通道的四周壁面均為無滑移等溫壁面，壁面溫度tw＝900k。

8、一種帶仿生魚鱗結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，包括若干上述微細(xì)通道。

9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)的有益效果是：

10、1、本發(fā)明提供一種具有防顆粒沉積能力的仿生魚鱗擾流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的布置能夠增加通道內(nèi)的流體擾動，由于仿生魚鱗擾流結(jié)構(gòu)前側(cè)存在傾角，高度沿流向不斷增大，當(dāng)氣體流經(jīng)該區(qū)域時，由于流動區(qū)域面積減小，魚鱗結(jié)構(gòu)附近的速度梯度較大，在其上表面形成較強水平的剪切流動，使氣體中摻混的顆粒物難以在擾流結(jié)構(gòu)表面附著堆積，更易隨流向后方運動，具有較強的自清潔功能。

11、2、另外，隨著通道入口氣流流量增大，其中較大的顆粒具有更高的能量，不易因碰撞導(dǎo)致能量損失而沉積，同時流動速度較大，更易使顆粒吹離。該結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可采用3d打印的方法加工制造，具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，其特征在于：微細(xì)通道中等距布置若干仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，通道進出口的寬為1.5mm，高為0.1mm，入口的等效直徑dh=0.1875mm，仿生魚鱗結(jié)構(gòu)底邊為扇形，其流向方向的長度lf=1.6dh，前沿寬度wf=1.07dh，側(cè)沿長度sf=1.5dh，側(cè)沿寬度hf=1.07?dh，其后緣為圓弧型等高結(jié)構(gòu)，其高度if=0.26dh。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，其特征在于：從入口處開始每隔4mm平行等距的布置在微細(xì)通道的底部。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，其特征在于：其通過3d打印進行加工制造。

4.一種微細(xì)通道，其特征在于：微細(xì)管道軸向均勻排布若干權(quán)利要求1-3任一項所述的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微細(xì)通道，其特征在于：所述微細(xì)通道為矩形通道，所述微細(xì)通道的長度為20mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微細(xì)通道，其特征在于：所述微細(xì)通道的入口為干空氣，溫度為700k，壓力為2mpa。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微細(xì)通道，其特征在于：所述微細(xì)通道的四周壁面均為無滑移等溫壁面，壁面溫度tw=900k。

8.一種帶仿生魚鱗結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，其特征在于：包括若干如權(quán)利要求4-7任一項所述的微細(xì)通道。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于微細(xì)通道冷卻的渦輪葉片內(nèi)腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，屬于的擾流結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。解決了如何最大化提高渦輪葉片微細(xì)通道流動換熱特性的同時，減少顆粒沉積帶來的影響的問題。本發(fā)明再微細(xì)通道中等距布置若干仿生魚鱗結(jié)構(gòu)，通道入口的等效直徑D<subgt;h</subgt;＝0.1875mm，仿生魚鱗結(jié)構(gòu)底邊為扇形，其流向方向的長度L<subgt;f</subgt;＝1.6D<subgt;h</subgt;，前沿寬度W<subgt;f</subgt;＝1.07D<subgt;h</subgt;，側(cè)沿長度S<subgt;f</subgt;＝1.5Dh，側(cè)沿寬度H<subgt;f</subgt;＝1.07D<subgt;h</subgt;，其后緣為圓弧型等高結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的布置能夠增加通道內(nèi)的流體擾動，在其上表面形成較強水平的剪切流動，使氣體中摻混的顆粒物難以在擾流結(jié)構(gòu)表面附著堆積，更易隨流向后方運動，具有較強的自清潔功能。

技術(shù)研發(fā)人員：孔德海,劉存良,李心慧,牛夕瑩
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/6/26