本發明屬于應用于航空發動機/燃氣輪機渦輪葉片微細通道中的擾流結構領域，特別是涉及一種應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構。

背景技術：

1、對于全天候全域長期服役的航空發動機及燃氣輪機，環境中的砂塵顆粒、火山灰或鹽霧氣溶膠等雜質摻混在空氣中由進氣道進入發動機內部，在葉片內冷通道中沉積，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荷條件下安全可靠的工作，必須設計合適的結構增強換熱，同時應避免顆粒物大量沉積于該結構上影響通道流動換熱特性。

2、相關研究人員發現，相同雷諾數下的通道換熱性能隨直徑較小而提高。在渦輪葉片內壁布置眾多貼近燃氣側的微小冷卻通道(100μm～1mm量級)，一方面提高了換熱系數，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力，提高了渦輪葉片的可靠性和使用壽命。

3、傳統渦輪葉片的內冷通道上常見的擾流結構包括肋片(直肋、斜肋、v肋等)、凹坑等類型。微細通道中的擾流結構應當能夠抑制通道內顆粒沉積對其的影響，因此需要設計一種具有抑制顆粒沉積的擾流結構，防止顆粒在內冷通道中大量沉積甚至發生堵塞，影響通道的流動換熱特性。現有研究發現，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秀的自清潔能力，雜質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，設計出具備一定的流動換熱能力和抑制顆粒沉積的擾流結構，對于葉片安全穩定的工作具有重要意義。

技術實現思路

1、有鑒于此，為了最大化提高渦輪葉片微細通道流動換熱特性的同時，減少顆粒沉積帶來的影響，本發明提出一種具有防顆粒沉積的仿生魚鱗擾流結構，并將其布置于渦輪葉片的微細通道中。該結構參考自然界的魚鱗形態簡化設計而成，相比于光滑表面，冷卻氣體在流經布置有仿生魚鱗結構的通道時，能夠有效地增大流體與其的接觸面積同時能破環流動與傳熱邊界層，促進冷熱流體的摻混。與此同時，流動區域的面積的減小，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、為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構，微細通道中等距布置若干仿生魚鱗結構，通道進出口的寬為1.5mm，高為0.1mm，入口的等效直徑dh＝0.1875mm，仿生魚鱗結構底邊為扇形，其流向方向的長度lf＝1.6dh，前沿寬度wf＝1.07dh，側沿長度sf＝1.5dh，側沿寬度hf＝1.07dh，其后緣為圓弧型等高結構，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、一種微細通道，微細管道軸向均勻排布若干上述仿生魚鱗結構。

5、更進一步地，所述微細通道為矩形通道，所述微細通道的長度為20mm。

6、更進一步地，所述微細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、一種帶仿生魚鱗結構的渦輪葉片，包括若干上述微細通道。

9、與現有技術相比，本發明所述的一種應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構的有益效果是：

10、1、本發明提供一種具有防顆粒沉積能力的仿生魚鱗擾流結構，該結構的布置能夠增加通道內的流體擾動，由于仿生魚鱗擾流結構前側存在傾角，高度沿流向不斷增大，當氣體流經該區域時，由于流動區域面積減小，魚鱗結構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構表面附著堆積，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。該結構簡單緊湊，可采用3d打印的方法加工制造，具有很好的應用前景。

技術特征：

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

2.根據權利要求1所述的應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構，其特征在于：從入口處開始每隔4mm平行等距的布置在微細通道的底部。

3.根據權利要求1所述的應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構，其特征在于：其通過3d打印進行加工制造。

4.一種微細通道，其特征在于：微細管道軸向均勻排布若干權利要求1-3任一項所述的仿生魚鱗結構。

5.根據權利要求4所述的微細通道，其特征在于：所述微細通道為矩形通道，所述微細通道的長度為20mm。

6.根據權利要求4所述的微細通道，其特征在于：所述微細通道的入口為干空氣，溫度為700k，壓力為2mpa。

7.根據權利要求4所述的微細通道，其特征在于：所述微細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構的渦輪葉片，其特征在于：包括若干如權利要求4-7任一項所述的微細通道。

技術總結
本發明提出了一種應用于微細通道冷卻的渦輪葉片內腔抗鹽粒沉積的仿生魚鱗結構，屬于的擾流結構領域。解決了如何最大化提高渦輪葉片微細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。本發明再微細通道中等距布置若干仿生魚鱗結構，通道入口的等效直徑D<subgt;h</subgt;＝0.1875mm，仿生魚鱗結構底邊為扇形，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;，側沿長度S<subgt;f</subgt;＝1.5Dh，側沿寬度H<subgt;f</subgt;＝1.07D<subgt;h</subgt;，其后緣為圓弧型等高結構。本發明的布置能夠增加通道內的流體擾動，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構表面附著堆積，更易隨流向后方運動，具有較強的自清潔功能。

技術研發人員：孔德海,劉存良,李心慧,牛夕瑩
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/6/26