CN104863750B - 一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构，包括端壁、外侧壁及内侧壁，在外侧壁上设有冲击孔，内侧壁上设有气膜孔，内、外侧壁之间为冷却腔。冷却气流经过冲击孔流入冷却腔中，对内侧壁形成冲击冷却，腔中气流经过气膜孔汇入热流中，在内侧壁表面形成气膜，采用带倾斜角度的气膜孔增加了冷流与内侧壁的接触面积，提高了冷却效率。气膜孔孔排距P按照公式P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}变化，冲击孔位于两排气膜孔中间位置。该冷却结构简单易于加工，在不增加冷却气的情况下，使得气膜板上冷却分布更加均匀，提高了冷却效率，从而降低了喷管壁面红外辐射特征。

Description

一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构

技术领域：

本发明涉及一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构，其属于飞行器红外辐射特征抑制技术领域。

背景技术：

飞机的红外辐射源主要由三部分组成：(1)飞机蒙皮；(2)发动机排气系统，包含空腔的和固体部分的红外辐射，对红外中波段的贡献约占90％；(3)发动机尾喷流，即CO₂、H₂O、CO等以及气体颗粒形成的高温燃气流。对红外中波段的贡献约10％。因此研究发动机排气系统的红外辐射具有极其重要的意义。针对发动机排气系统的红外辐射特征抑制也有众多措施：如(1)异型喷管；(2)低发射率涂层；(3)壁面冷却。其中通过采取冷却可以有效的降低表面温度，减小红外辐射量。主要的冷却位置可以分为3个：喷管外侧暴露部分，喷管内表面扩张段以及支板、中心锥、加力筒内壁等。例如最典型的F119发动机，对上述三个部分都采取了冷却或隔热措施，对于喷管扩张段壁面采用气膜冷却，降低喷管内壁温度，从而大幅度的降低了红外辐射特征。

气膜冷却、冲击气膜冷却等冷却措施的研究层出不穷，绝大部分这些研究主要是针对燃烧室以及高温涡轮叶平。针对不同的燃烧室结构，不同的叶片结构提出了各式各样的冷却结构以及优化参数，比如说：采用异性孔、出口采用缝隙结构等，当然也有一些比较基础的平板冷却问题的研究。针对排气系统喷管壁面的冷却相对较少一点，虽然也有，例如额日其太等研究了缝隙式气膜、离散孔、冲击气膜不同冷却结构对于喷管壁面的冷却。斯仁等(斯仁，吉洪湖，刘常春等.冷却抑制二元收扩喷管红外特征的模型实验与数值研究.推进技术，2014，35(4):463-469)研究了不同冷却气下冲击气膜结构的冷却对喷管红外辐射抑制效果。该技术虽然在一定程度上降低了壁面温度，但降幅较小，没有实现壁面温度的整体降温，因此红外辐射抑制效果还有待提高。

发明内容：

本发明提供一种结构简单，冷却效率高，红外抑制效果好的用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构。

本发明采用如下技术方案：一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构，其包括端壁、外侧壁及内侧壁，所述端壁将外侧壁和内侧壁连接起来形成冷却腔，在外侧壁上设有冲击孔，内侧壁上设有气膜孔；所述冲击孔为圆形孔，直径为D₁，方向与外侧壁面法向一致；所述气膜孔为圆形孔，直径为D₂，方向与内侧壁面法向成一偏转角度β，偏转方向与热燃气流方向一致；所述冲击孔孔排距记作P₁，孔间距记作S₁；所述气膜孔孔排距记为P₂，孔间距记作S₂；所述外侧壁和内侧壁之间冷却腔高度记为H，所述冲击孔第一排孔排距记为P_{1_1}，所述冲击孔第n排孔排距记为P_{1_n}，所述气膜孔第一排孔排距记为P_{2_1}，所述气膜孔第n排孔排距记为P_{2_n}，所述气膜孔第n-1排孔排距记为P_{2_n-1}，取D₁/D₂＝0.58；S₂/D₂＝4.17；S₁＝S₂；P_{2_1}/D₂＝3.33，P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}；P_{1_1}＝P_{2_1}，P_{1_n}＝(P_{2_n-1}+P_{2_n})/2,(n≥1)；H/D₂＝3。

进一步地，所述冲击孔和气膜孔均采用叉排分布。

本发明具有如下有益效果：

(1)冲击孔、气膜孔均采用圆柱孔，加工容易，便于实际应用；

(2)冲击板开孔面积与气膜板开孔面积比在1/3左右，气膜板壁面降温效果较好；

(3)气膜板壁面上孔排距与气膜孔直径比在4.2左右导热传热可以保证壁面冷却沿周向展开；

(4)气膜板与冲击板之间冷却腔高度与气膜孔直径比值在3左右，可以保证冷却气主要压降90％作用在冲击孔上，大大提高了冲击冷却效率；

(5)采用与热燃气流相同方向的偏转气膜孔，能够增强冷却气膜的贴壁效果；

(6)气膜孔孔排距满足公式P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}(或P_{2_n}＝e^1/3+nP_{2_n-1})，采用前密后疏的分布，壁面冷却分布更加均匀，能够进一步降低整个喷管壁面的红外辐射。

附图说明：

图1是某二元收扩喷管壁面冷却结构示意图。

图2是冲击气膜冷却结构示意图。

图3是冲击气膜冷却结构气流流路示意图。

图4是不同孔排距分布下气膜板壁面温度分布图。

其中：

1-端壁；2-外侧壁；3-冲击孔；4-冷却腔；5-内侧壁；6-气膜孔；7-喷管侧壁段冷气通道；8-喷管侧壁段冲击板；9-喷管侧壁段气膜板；10-喷管扩张段气膜板；11-喷管扩张段冲击板；12-喷管扩张段冷气通道；13-扩张段旋转轴；14-喷管收敛段气膜板；15-喷管收敛段冲击板；16-喷管收敛段冷气通道。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

请参照图1至图3所示，本发明用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构主要包括端壁1、外侧壁2、内侧壁5。端壁1将外侧壁2和内侧壁5连接起来形成冷却腔4，在外侧壁2上设有冲击孔3，内侧壁5上设有气膜孔6；冲击孔3为圆形孔，直径为D₁，与外侧壁面法向一致；气膜孔6为圆形孔，直径为D₂，与内侧壁面法向成一定偏转角度β，偏转方向与热燃气流方向一致；冲击孔3排距记作P₁，孔间距记作S₁；气膜孔6排距记为P₂，孔间距记作S₂；外侧壁2和内侧壁5之间冷却腔高度记为H；冲击孔第一排孔排距记为P_{1_1}，冲击孔第n排孔排距记为P_{1_n}，气膜孔第一排孔排距记为P_{2_1}，气膜孔第n排孔排距记为P_{2_n}，气膜孔第n-1排孔排距记为P_{2_n-1}，取D₁/D₂＝0.58；S₂/D₂＝4.17；S₁＝S₂；P_{2_1}/D₂＝3.33，P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}；P_{1_1}＝P_{2_1}，P_{1_n}＝(P_{2_n-1}+P_{2_n})/2,(n≥1)；H/D₂＝3。冲击孔3和气膜孔6均采用叉排分布。

图1为采用本发明冲击气膜冷却结构的某典型二元收扩喷管壁面冷却结构示意图。其中冷却气从喷管收敛段冷气通道16流入，经过喷管收敛段冲击板15上的冲击孔形成冲击气流,冲刷喷管收敛段气膜板14，最后冷却气从喷管收敛段气膜板14上的气膜孔中汇入热燃气流，在喷管收敛段气膜板14壁面形成一层冷却气膜。由于喷管收敛段气膜板14下游受到热气流的冲刷比上游严重，下游需要冷却相对较多，此外，从尾向红外辐射贡献来看，收敛段的红外辐射贡献较小，因此采用均匀孔排距分布冲击气膜冷却结构。与此类似的扩张段上的喷管扩张段冷气通道12内的冷却气，经过喷管扩张段冲击板11、喷管扩张段气膜板10，最终形成冷却气膜；侧壁上的喷管侧壁段冷气通道7内的冷却气，经过喷管侧壁段冲击板8、喷管侧壁段气膜板9，最终形成冷却气膜。与喷管收敛段不同的是，侧壁段和扩张段是排气系统尾向±30°范围内的主要辐射部件，喷管侧壁段气膜板9和喷管扩张段气膜板10沿气流方向受到热气流冲刷，上游壁面温度相对下游较高，从普朗克定律中可以看出，降低相同的温度T，高温下降后的红外辐射比低温下降后的红外辐射降幅要大，因此更希望高温区的温度能够降低多点，达到喷管扩张段气膜板10和喷管侧壁段气膜板9上下游表面温度能够均匀下降，采用本发明的变孔排距分布能够提高壁面温度分布的均匀性，降低喷管壁面的红外辐射。

图4显示不同的孔排距分布下的气膜板表面的温度分布。图中计算选取的冷却气温度为300K，热燃气温度为600K，图中可以看出采用常规的均匀孔排距分布的冲击气膜冷却，气膜板下游有一块较大的超低温区域；采用指数(P_{2_n}＝e^1/3+nP_{2_n-1})形式的孔排距分布的冲击气膜冷却，气膜板下游超低温区域有所减少，冷却区域向上游有所延伸；采用线性(P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1})孔排距分布的冲击气膜冷却，气膜板下游超低温区域消失，且冷却区域进一步向上游延伸，低温区得到了扩大。

本发明用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构优点在于：(1)冲击孔、气膜孔均采用圆柱孔，加工容易，便于实际应用；(2)冲击板开孔面积与气膜板开孔面积比在1/3左右，气膜板壁面降温效果较好；(3)气膜板壁面上孔排距与气膜孔直径比在4.2左右导热传热可以保证壁面冷却沿周向展开；(4)气膜板与冲击板之间冷却腔高度与气膜孔直径比值在3左右，可以保证冷却气主要压降90％作用在冲击孔上，大大提高了冲击冷却效率；(4)采用与热燃气流相同方向的偏转气膜孔，能够增强冷却气膜的贴壁效果；(5)气膜孔孔排距满足公式P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}(或P_{2_n}＝e^1/3+nP_{2_n-1})，采用前密后疏的分布，壁面冷却分布更加均匀，能够进一步降低整个喷管壁面的红外辐射。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构，其特征在于：包括端壁(1)、外侧壁(2)及内侧壁(5)，所述端壁(1)将外侧壁(2)和内侧壁(5)连接起来形成冷却腔(4)，在外侧壁(2)上设有冲击孔(3)，内侧壁(5)上设有气膜孔(6)；所述冲击孔(3)为圆形孔，直径为D₁，方向与外侧壁面法向一致；所述气膜孔(6)为圆形孔，直径为D₂，方向与内侧壁面法向成一偏转角度β，偏转方向与热燃气流方向一致；所述冲击孔孔排距记作P₁，孔间距记作S₁；所述气膜孔孔排距记为P₂，孔间距记作S₂；所述外侧壁(2)和内侧壁(5)之间冷却腔高度记为H，所述冲击孔第一排孔排距记为P_{1_1}，所述冲击孔第n排孔排距记为P_{1_n}，所述气膜孔第一排孔排距记为P_{2_1}，所述气膜孔第n排孔排距记为P_{2_n}，所述气膜孔第n-1排孔排距记为P_{2_n-1}，取D₁/D₂＝0.58；S₂/D₂＝4.17；S₁＝S₂；P_{2_1}/D₂＝3.33，P_{2_n}＝1.15ⁿP_{2_1}；P_{1_1}＝P_{2_1}，P_{1_n}＝(P_{2_n-1}+P_{2_n})/2,(n≥1)；H/D₂＝3。

2.如权利要求1所述的用于喷管壁面的变孔排距冲击气膜冷却结构，其特征在于：所述冲击孔(3)和气膜孔(6)均采用叉排分布。