CN106628111B - 一种自适应激波作用的超声速气膜冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能用于高超飞行器中高温部件在出现激波作用时，可以根据激波的出现自适应的改变冷却流体的喷射方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却结构。该装置包括：压力监测管道、压力启闭阀门以及冷却气体超声速喷嘴。当流场中出现激波的作用时，通过压力监测管道将激波引起的流体压力升高或流体压力下降而实现压力启闭阀门的开启或关闭，从而达到可以根据激波的出现自适应增加和减少冷却流流量来达到热防护效果。本发明具有很好的可靠性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高超飞行器高温部件的热防护方法,特别是关于一种在高温超声速气流中存在激波入射时壁面超声速气膜冷却的热防护方法。
背景技术
气膜冷却的基本原理是指沿壁面切线方向或以一定的入射角射入冷却气体，形成一层贴近受保护壁面的缓冲冷却气膜，用以将壁面与高温气体环境隔离，从而对壁面进行有效地热防护和化学防护。目前已成为很多场合高温部件的冷却措施，如高温透平叶片、燃烧室等，也被纳入高超声速飞行器热端部件的有效冷却技术之一。
然而在超声速条件下，常常伴随着激波的出现，激波入射气膜边界层往往对超声速气膜冷却造成影响。已有研究表明，激波的入射将大大破坏超声速气膜冷却的效果。
在超声速流场中，由于主流和冷却流流体压力的不均匀不匹配、通道中流动参数的改变、结构的变化、局部流场中燃爆等因素的影响，都可以诱发激波的产生，从而对壁面的超声速气膜冷却造成危害。对于激波的入射，一种有效的应对其破坏的作用的方法是可以通过增大冷却气体流量来抑制激波的作用。然而对于高超飞行器而言，怎样用最少的冷却气体流量实现其热防护目标是其设计的一个重要指标。因此，发展和开发出能够自适应抑制流场中激波破坏的超声速气膜冷却结构对于其实用性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能用于高超飞行器中高温部件在出现激波作用时，可以根据激波的出现自适应的改变冷却流体的喷射方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却结构。
超声速流场中，当主流和冷却流的流动参数发生改变，或者燃料在流场中局部产生燃爆时，都可能会诱发激波的产生，此时原有设计的超声速气膜冷却结构有可能不能完全抑制住激波的破坏效果，从而将导致受保护壁面受损失效。为抑制激波的这种破坏作用，本发明的技术方案提供一种可以跟随激波的出现，自适应改变冷却流喷射方式，达到抑制激波的破坏效果。
一种自适应激波作用的超声速气膜冷却结构，包括压力监测管道、压力启闭阀门以及冷却气体超声速喷嘴。
该装置具体包括：压力监测管道、压力启闭阀门以及冷却气体超声速喷嘴；所述压力监测管道包括多个分支，每个压力监测管道分支均由金属管道以及微型逆止阀连接组成，每个压力监测管道分支的一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上，即在受保护壁面处布置多个压力监测点，每个监测点均设置压力监测管道分支，并且在每个压力监测管道分支上均设置微型逆止阀，上述多个压力监测管道分支最终汇集成一个压力监测管道，所述压力监测管道与压力启闭阀门连接，所述冷却气体超声速喷嘴设置在高温主流流入侧的下方，其由两部分组成，通过隔板分开，上部为常用冷却流通道，下部为应急冷却流通道，在常用冷却流通道和应急冷却流通道的流出端部分别设置有常用流喷嘴和应急冷却流喷嘴，压力启闭阀门设置在应急冷却流通道的上游，常用冷却流通道用于维持基本热负荷，应急冷却流通道用于当受保护壁面处收到了激波的作用时，冷却流从下部喷嘴中喷出保护受保护壁面。
压力监测管道为数个普通的金属管道以及数个微型逆止阀组成，根据实际结构选择合适的管道直径，其一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上。其功能在通过和受保护壁面直接接触，当局部受到激波的作用时，流体压力升高，通过压力监测管道可以将激波的高压传递至压力启闭阀门处，从而达到开启阀门的作用。设置微型逆止阀用来防止数个监测点之间流体出现从激波的高压区域直接旁通的现象。
压力启闭阀门通过合适的计算和设计，当流场中出现激波的情况下，激波作用的压力超过某一值后，证明激波达到了一定的强度，此时该强度下激波引起的高压刚好能打开压力启闭阀门，从而在此情况下打开应急冷却流通道，增大冷却流的流量。
冷却气体超声速喷嘴由两部分组成，通过隔板分开，上部为常用冷却流通道，用于维持正常工况的热负荷，下部为应急冷却流通道，即当受保护壁面处受到了激波的作用，此时压力启闭阀门开启，冷却流从下部喷嘴中喷出保护受保护壁面。其中，常用冷却通道设计在上部的原因还在于，冷却流通道的上表面和高温主流相接触，由于常用冷却通道中流体一直维持喷入状态，因此其可以维持住对上表面的冷却作用。
由于本发明设计中，所涉及到的部件基本为机械结构的部件，所应用的原理基本为机械、流体本身的特性，不涉及到电动控制、电子信号等设备，因此本发明设计方案具有很好的可靠性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例的方案示意图；
其中：1-高温主流；2-常用冷却流通道；3-常用冷却流喷嘴；4-应急冷却流通道；5-应急冷却流喷嘴；6-压力启闭阀门；7-压力监测管道；8-微型逆止阀；9-受保护壁面；10-激波；11-高压区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种可以根据激波的出现自适应的改变冷却流体的喷射方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却装装置，该装置包括：压力监测管道7、压力启闭阀门6以及冷却气体超声速喷嘴；所述压力监测管道7包括多个分支，每个压力监测管道分支均由金属管道以及微型逆止阀8连接组成，每个压力监测管道分支的一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力启闭阀门6上，即在受保护壁面9处布置多个压力监测点，每个监测点均设置压力监测管道分支，并且在每个压力监测管道分支上均设置微型逆止阀8，上述多个压力监测管道分支最终汇集成一个压力监测管道7，所述压力监测管道7与压力启闭阀门6连接，所述冷却气体超声速喷嘴设置在高温主流(1)流入侧的下方，其由两部分组成，通过隔板分开，上部为常用冷却流通道2，下部为应急冷却流通道4，在常用冷却流通道2和应急冷却流通道4的流出端部分别设置有常用流喷嘴3和应急冷却流喷嘴5，压力启闭阀门6设置在应急冷却流通道4的上游，常用冷却流通道2用于维持基本热负荷，应急冷却流通道4用于当受保护壁面处收到了激波的作用时，冷却流从下部喷嘴中喷出保护受保护壁面。
本发明装置实际应用中，其运行原理过程如下步骤：
1)超声速流场中，正常情况下，当高温主流1流入通道后，通过常用冷却流通道2引入冷却流体经常用冷却流喷嘴3喷入冷却气体对受保护壁面9进行热保护；
2)由于局部流动参数或者结构的变化，诱发激波10的入射，导致冷却气体边界层内压力升高，形成高压区域11，激波的入射将破坏冷却气体边界层，从而导致冷却效果下降；此时，受保护壁面的压力监测管道7中流体由于和激波作用区域相连，其流体压力急剧升高；由于产生激波的位置不是固定的，所以在受保护壁面处布置多个压力监测点，相互之间通过在管道上面设置微型逆止阀8防止激波作用的高压流体从检测管道中旁通流出；
3)压力监测管道7中的流体压力升高后，高压流体将顶开压力启闭阀门6；
4)压力启闭阀门6开启后，冷却流体进入应急冷却流通道4中，通过引入新的一路冷却流流体经应急冷却流喷嘴5喷入流场中，对受保护壁面9进行增强冷却，从而能减少激波的破坏作用；
5)当流场中参数发生改变后，激波强度变弱或者消失，此时压力监测区域9的流体压力下降，压力监测管道7中流体压力下降，不足以维持打开压力启闭阀门6，此时压力启闭阀门6关闭，应急冷却流通道4中冷却流体关闭。受保护壁面9通过常用冷却流通道2的流体足可维持其冷却效果。从而达到节省冷却流流量的目的。
由以上实施例可以看出，本发明实施例可以方便实现对高超飞行器高温部件中，当出现激波作用时，可以通过监测激波引起的流体压力变化而自适应的增加冷却气体流量来保护壁面的结构。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种可以根据激波的出现自适应的改变冷却流体的喷射方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却装置，其特征在于该装置包括：压力监测管道(7)、压力启闭阀门(6)以及冷却气体超声速喷嘴；所述压力监测管道(7)包括多个分支，每个压力监测管道分支均由金属管道以及微型逆止阀(8)连接组成，每个压力监测管道分支的一端布置在受保护壁面(9)监测点处，另一端布置在压力启闭阀门(6)上，即在受保护壁面(9)处布置多个压力监测点，每个监测点均设置压力监测管道分支，并且在每个压力监测管道分支上均设置微型逆止阀(8)，上述多个压力监测管道分支最终汇集成一个压力监测管道(7)，所述压力监测管道(7)与压力启闭阀门(6)连接，所述冷却气体超声速喷嘴设置在高温主流(1)流入侧的下方，其由两部分组成，通过隔板分开，上部为常用冷却流通道(2)，下部为应急冷却流通道(4)，在常用冷却流通道(2)和应急冷却流通道(4)的流出端部分别设置有常用冷却流喷嘴(3)和应急冷却流喷嘴(5)，压力启闭阀门(6)设置在应急冷却流通道(4)的上游，常用冷却流通道(2)用于维持基本热负荷，应急冷却流通道(4)用于当受保护壁面处收到了激波的作用时，冷却流从下部喷嘴中喷出保护受保护壁面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过压力监测管道(7)中的流体压力来实现压力启闭阀门(6)启闭，当激波的强度大于一定值后，由此引起的压力可以顶开阀门，当激波减弱或者消失时，压力监测管道中流体的压力不足以顶开阀门，阀门关闭。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在受保护壁面处布置多个压力监测点，相互之间通过在管道上面设置微型逆止阀(8)防止激波作用的高压流体从检测管道中旁通流出。
4.使用权利要求1-3任一项所述的装置进行高超飞行器高温部件热防护的步骤，其特征在于包括：
1)超声速流场中，当高温主流(1)流入受保护壁面(9)所在的通道后，通过常用冷却流通道(2)引入冷却流体经常用冷却流喷嘴(3)喷入冷却气体对受保护壁面(9)进行热保护；
2)由于局部流动参数或者结构的变化，诱发激波(10)的入射，导致冷却气体边界层内压力升高，形成高压区域(11)，激波的入射将破坏冷却气体边界层，从而导致冷却效果下降；此时，受保护壁面的压力监测管道(7)中流体由于和激波作用区域相连，其流体压力急剧升高；
3)压力监测管道(7)中的流体压力升高后，高压流体将顶开压力启闭阀门(6)；
4)压力启闭阀门(6)开启后，冷却流体进入应急冷却流通道(4)中，通过引入新的一路冷却流流体经应急冷却流喷嘴(5)喷入流场中，对受保护壁面(9)进行增强冷却，从而能减少激波的破坏作用；
5)当流场中参数发生改变后，激波强度变弱或者消失，压力监测区域的流体压力下降，压力监测管道(7)中流体压力下降，不足以维持打开压力启闭阀门(6)，此时压力启闭阀门(6)关闭，应急冷却流通道(4)中冷却流体关闭。
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