CN106703997A - 前倾缝发动机支板热气防冰结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，适用于航空发动机前缘部件防冰结构设计，属于航空发动机防冰领域。本发明包括：复合材料叶片基体、笛形管。特征在于使用复合材料制作叶片基体，气膜缝前倾，且气膜缝壁面与热气冲击壁面相切。本发明充分利用了射流冲击换热的优点，可以提高发动机导向叶片热气防冰效果，减小发动机引气量及引气温度，同时可以减小发动机重量，有利于提高航空发动机的性能、安全性和经济性。

Description

前倾缝发动机支板热气防冰结构

技术领域

本发明涉及一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，适用于航空发动机前缘部件防冰结构设计，属于航空发动机防冰领域。

背景技术

航空发动机在结冰气象条件下会发生结冰现象，发动机前缘进气部件结冰对发动机的影响很大，会使发动机功率降低，严重时造成发动机损坏。目前我国国军标和适航规章均对涡扇发动机防冰提出了一定的设计要求。

飞机结冰一直是影响飞行安全的重要问题，发动机进口结冰同样具有严重的危害。由于复合材料性能具有上述优点，再加上发动机推重比设计目标的要求，防冰部件材料也在由金属向复合材料发生变化。国内在研的高推重比发动机进口冷端部件拟应用复合材料。但是，复合材料防冰已经成为制约其在发动机进口部件上的应用的关键问题，其为发动机防冰专业提出了新的内容和要求。复合材料相对金属材料导热系数低且各向异性，如果简单沿用传统金属部件热气防冰形式进行方案设计，势必会造成引自压气机的防冰热气需求量的增加，制约发动机性能的提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提高复合材料发动机进气部件防冰系统效果，提出一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，复合材料导热系数较小，为实现前缘及中后部待防护壁面的防冰要求，可采用高效的冲击-热气膜复合式热气防冰结构，即采用热气冲击部件前缘内部，采用气膜缝结构排气。冲击气体通过前缘壁面导热进行防冰，气膜缝排出气体对缝后壁面进行加热，同时可将撞击到中后部的水滴吹离壁面，具有一定的防冰效果。

一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，包括支板、防冰热气笛形管，支板采用复合材料；

复合材料支板内设有笛形管腔A，复合材料支板前端设有防冰热气腔B，笛形管腔A与防冰热气腔B之间设置有冲击孔，防冰热气笛形管包括主管和支管，支管垂直连接主管，主管位于笛形管腔A内，支管位于冲击孔内，防冰热气腔B外侧的支板上设有气膜缝，气膜缝上下对称，气膜缝与水平方向呈30°夹角，防冰热空气经防冰热气笛形管主管分配到各个支管，进入防冰热气腔B，冲击支板前缘，经气膜缝排出，吹向支板上下表面进行防冰。

本发明的优点在于：

(1)充分利用了射流冲击换热的优点，可以提高发动机导向叶片热气防冰效果；

(2)减小发动机引气量及引气温度，同时可以减小发动机重量；

(3)前倾气膜缝能显著降低撞击前缘的水滴量，而且外部热气膜能提高前缘及缝后温度，使得壁面可形成冰型的水量减少；

(4)有利于提高航空发动机的性能、安全性和经济性。

附图说明

图1支板结构等轴侧视图；

图2支板正视图；

图3剖视图A-A；

图4支板俯视图；

图5剖视图B-B；

图6B-B剖视图局部放大图；

图7装配图；

图8防冰热气笛形管；

图9局部水收集系数曲线对比图；

图10气膜加热效率曲线图。

图中：

1-支板 2-防冰热气笛形管

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，如图1至图7所示，包括支板1、防冰热气笛形管2，支板1采用复合材料；

如图1、图2所示，复合材料支板1内设有笛形管腔A，用于放置与前端相连的笛形管，如图3所示，复合材料支板1前端设有防冰热气腔B，热气在该腔内进行冲击换热，笛形管腔A与防冰热气腔B之间设置有冲击孔，如图7、图8所示，防冰热气笛形管2包括主管和支管，支管垂直连接主管，主管位于笛形管腔A内，支管位于冲击孔内，防冰热气笛形管2主管与防冰热气腔B相切，各个支管通过防冰热气腔B上的冲击孔伸入防冰热气腔B，支管在展向上均匀分布，如图4所示，防冰热气腔B外侧的支板上设有气膜缝，气膜缝上下对称，采用条缝式热气射流形式，如图6所示，气膜缝与水平方向呈30°夹角，气膜缝左侧边均紧贴防冰热气腔B前缘，气膜缝与冲击孔的位置个数存在对应关系，每个气膜缝中心即两个气膜缝间对应一个冲击孔。

如图5所示，发动机引气经防冰热气笛形管2进入防冰热气腔B，冲击支板前缘，经气膜缝排出，吹向支板上下表面进行防冰。

实施例：

试验中采用的支板气膜缝的开缝角度指向前缘方向，其结构参数如表1中所示，其外形结构如图1和图3所示。

表1复合材料支板基本结构参数

前缘厚度δ	气膜缝宽l
		冲击孔距s	气膜缝长b
冲击距离Zn	冲击孔径dh

气膜缝开缝角度对支板防冰特性有明显的影响，包括外壁面气膜加热特性、外壁面水滴撞击特性、内部前缘壁面冲击换热特性。

为了初步探索热气膜对支板防冰特性的影响机理，编写欧拉法UDF离散相水滴撞击程序，以二维支板模型为研究对象，在不考虑水滴蒸发的情况下，初步分析热射流对内部冲击换热、外部壁面加热及水滴运动的影响。从影响流场特性的射流动量大小和射流出流方位两个角度出发，具体分析了气膜缝角度和吹风比、动量比等参数对外壁面气膜加热、水滴撞击特性、内腔前缘冲击换热的影响。

气膜缝30°结构射流出口位置靠前，与主流速度夹角大，前缘流场改变剧烈，使水滴获得较大向上的速度，偏离流线，撞击到前缘的水滴量明显减少；从图9可以看出，在有气膜缝的情况下，与无气膜缝相比，壁面局部水收集系数明显下降，特别是支板前缘部分。支板后部区域结构局部水收集系数β均先增大，再逐渐减小并达到撞击极限，平均局部水收集系数与无气膜缝结构相比分别下降了44％；撞击极限差异不大，比无气膜缝情况减小约5％。

气膜缝30°结构射流沿下游不断与主流掺混，对水滴的向上吹拂作用变小，β逐渐增加。随着吹风比的增大，局部水滴收集系数逐渐减小，越快达到撞击极限。吹风比增大使得射流流量和速度均增大，对水滴的吹拂作用增强。

支板壁面局部水收集系数的大小及分布同时受到气膜缝角度和吹风比的影响。前缘是支板防冰的驻点区域。

从图10可以看到，由于开设了气膜缝，壁面温度显著下降，即气膜加热效率小于1。对开缝角度30°的结构进行计算，对于气膜缝前，也就是支板前缘，气膜加热效率不随着吹风比的变化而变化，最多因为内部冲击换热强弱以及固体导热作用，使得不同吹风比下的壁面温度有所差异。当吹风比在较小的范围时，增大时，气膜加热效率也显著增大；但当吹风比增大到一定值后，再增大，气膜加热效率就不会变化了。结合图中对比分析原因：当吹风比较小时，增大吹风比能使气膜覆盖作用增强，使得加热效率变高，吹风比过于大时，射流与主流掺混作用加强，但流量也增大，因此没有影响到对于壁面的气膜加热效果。

壁面冲击换热Nu的分布都是前缘驻点处冲击换热效果最好，30°结构的气膜缝前倾，因此射流冲击到前缘时，只有一部分是直接冲击到前缘壁面，还有很多流量是从侧边流走，因此Nu明显低于其他两种结构，甚至出现传热方向反向。对前缘的加热作用，30°结构来说主要依靠的是气膜加热。

全复合材料支板设计中需要考虑加工难度的问题，结合对冲击腔冲击换热特性的计算研究，设计并加工全复合材料支板。

针对复合材料支板的具体设计计算方法和金属前缘支板的方法步骤基本一致，利用全复材支板二维结构进行数值计算，以得到一定外流条件下的支板表面的水滴收集系数分布。计算结果可以看出，支板前缘部位的水滴收集系数随着距离驻点距离增大迅速降低，而气膜缝后的表面收集的水量很少。

Claims (7)

1.一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，包括支板、防冰热气笛形管，支板采用复合材料；

复合材料支板内设有笛形管腔A，复合材料支板前端设有防冰热气腔B，笛形管腔A与防冰热气腔B之间设置有冲击孔，防冰热气笛形管包括主管和支管，支管垂直连接主管，主管位于笛形管腔A内，支管位于冲击孔内，防冰热气腔B外侧的支板上设有气膜缝，气膜缝上下对称，气膜缝与水平方向呈30°夹角，防冰热空气经防冰热气笛形管主管分配到各个支管，进入防冰热气腔B，冲击支板前缘，经气膜缝排出，吹向支板上下表面进行防冰。

2.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的防冰热气笛形管主管与防冰热气腔B相切。

3.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的支管在展向上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的支管通过防冰热气腔B上的冲击孔伸入防冰热气腔B。

5.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的气膜缝采用条缝式热气射流形式。

6.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的气膜缝左侧边均紧贴防冰热气腔B前缘。

7.根据权利要求1所述的一种前倾缝发动机支板热气防冰结构，所述的气膜缝与冲击孔的位置个数存在对应关系，每个气膜缝中心即两个气膜缝间对应一个冲击孔。