CN109707533A - 一种搭接式引射降温结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于热防护技术领域，具体涉及一种搭接式引射降温结构。本发明的降温结构采用分段设计的思想，由降温结构单元通过瓦式搭接组成，所述的降温结构单元为类波纹结构，包括上搭区(1)、平板区(2)、下搭区(3)；所述的上搭区(1)呈类波纹状，其上开有冲击气膜孔(4)；所述的下搭区(3)呈卡扣状；所述的平板区(2)开有斜孔(5)。采用本发明的结构实现了结构的减重优化、热防护与红外隐身的目的，并避免了由于温度分布不均匀而导致自身的热应力增加的问题。

Description

一种搭接式引射降温结构

技术领域

本发明属于热防护技术领域，具体涉及一种搭接式引射降温结构。

背景技术

目前在对飞机排气管的热防护与红外隐身设计中，排气管大多被设计成双层引射降温结构。而且，排气管内外层基本都采用同一种材料做成一个整体。在内外双层都承力的情况下可能会因为较大的温度梯度而导致很多问题。主要存在以下问题：

(1)双层引射降温结构应用在排气管上，在内外两层之间固连的情况下，由于内外层之间的较高的温差会引起较大的高温热应力，其可能会导致结构失效；

(2)应用在发动机火焰筒的纵向波纹板隔热屏有一个不容忽视的缺陷，其综合冷效沿流向呈现一定的波纹性，温度分布不均匀而导致自身的热应力增加；

(3)排气管不同的部位受热情况差异很大，而大多轻质材料的耐受温度低。因此，排气管“内层”若不分段设计，在材料的耐受温度大于结构最高温度的条件下，所选择的材料势必牺牲了重量的代价。

发明内容

本发明的目的是：设计一种搭接式引射降温结构，实现热防护指标和红外隐身目标的同时，以解决减重优化和消除结构内部的热不匹配和高温热应力的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种搭接式引射降温结构，所述的降温结构进行分段设计，由降温结构单元通过瓦式搭接组成，所述的降温结构单元为类波纹结构，包括上搭区1、平板区2、下搭区3；所述的上搭区1呈类波纹状，其上开有冲击气膜孔4；所述的下搭区3呈卡扣状；所述的平板区2开有斜孔5，且斜孔5的轴线与气流方向的夹角α为锐角。

所述的上搭区1沿气流方向的横截面为挂钩形状，且挂钩末端是直的；下搭区3沿气流方向的横截面为弯钩形状，且弯曲部末端是直的，根部伸出一段，整体呈“h”形状。

所述的斜孔(5)的轴线与气流方向的夹角α为锐角。

所述的斜孔(5)的直径为3mm；夹角α范围为20°～30°。

所述的冲击气膜孔(4)的直径为5mm。

本发明的有益效果是：本发明的搭接式引射降温结构，采用分段设计，由降温结构单元通过瓦式搭接组成，具有如下有益效果：

(1)相比于将排气管设计成双层引射降温结构，仅仅将排气管“内层”作为功能层实现热防护与红外隐身的功能，而“外层”才作为承力结构。因此，避免了双层管壁之间由于较大的温差所导致的高温热应力，保护排气管结构不被损坏；

(2)保留纵向波纹隔热屏“波峰”设计，在其上保持冲击气膜孔的设计。但是，在保留其较高的溢流换热效率的情况下，避免了由于温度分布不均匀而导致自身的热应力增加的问题；

(3)与将排气管内层设计成整体的结构相比较，采用分段设计的瓦片式搭接结构，在受热不严重的部位可以采用轻质的材料进行设计。因此，可以实现结构的减重优化。

附图说明

图1整体结构示意图；

图2降温结构单元示意图；

图3放大图X示意图；

图4放大图Y示意图；

图5装配示意图；

图6工作原理示意图；

其中，1为上搭区、2为平板区、3为下搭区、4为冲击气膜孔、5为斜孔、X为上搭区1与下搭区3构成的搭接段、Y为平板区2上开的斜孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细描述如下：

一、整体结构：

本发明的搭接式引射降温结构的整体结构示意图如图1所示，所述的降温结构采用分段设计的思想，由降温结构单元通过瓦式搭接组成，如图2所示。所述的降温结构单元是对纵向波纹隔热屏做出了改进，包括上搭区1、平板区2、下搭区3；所述的上搭区1呈类波纹状，沿气流方向的横截面为挂钩形状，且挂钩末端是直的，其上开有冲击气膜孔4；所述的下搭区3呈卡扣状，沿气流方向的横截面为弯钩形状，且弯曲部末端是直的，根部伸出一段，整体呈“h”形状；所述的平板区2开有斜孔5，且斜孔5的轴线与气流方向的夹角α为锐角。下搭区3的根部伸出一段的目的或作用：与上搭区1形成“互补”尽可能保证排气管内形面的光滑，以此减少对发动机推力的损失。同时，下搭区3的根部与上搭区1之间的缝槽可以作为冷却流体进入高温核心流的流道，详细见图3和图4所示。

所述的冲击气膜孔4和斜孔5的大小与位置等参数等在满足降温需求的前提下并保证发动机推力损失最小，通过数值计算与实验方法确定。

二、设计原理：

为了实现结构的减重设计，对排气管的冷却降温结构进行分段设计，采用特殊的搭接方式将各个部分连接在一起。由于各个部分之间的热膨胀系数不同，特殊的搭接设计(上搭区1和下搭区3)可以部分消除其所导致环向与航向的热不匹配问题。对应用在发动机火焰筒上的纵向波纹隔热屏进行改进，作为排气管的引射降温结构的单元。对结构单元的左端为下搭区3，右端作为上搭区1，然后通过搭接段的设计将各个部分搭接成整个“内层”。最后，将该搭接式引射降温结构通过铆接的方式与单层排气管内壁连接，详细装配图见图5所示。该引射降温结构与排气管壁之间的区域为冷流体通道，自然引气或者外涵道引气从上搭区1处的气膜冲击孔4流经槽缝6然后进入高温核心流通道，并且附着在高温通道壁面形成一层冷却气膜阻隔热量进入排气管，并保护引射降温结构不被高温损坏。同时，另外一部分冷流体通过开在平板区2的斜孔5流入高温核心流通道，也附着在壁面上隔热降温，工作原理如图6所示。气膜孔的大小与位置对于气膜冷却效率以及发动机力损失都有关系，满足降温需求的前提下并保证发动机推力损失最小，可以通过数值计算与实验方法确定吹风比和动量比，从而计算其参数，吹风比和动量比的计算方式如下：

吹风比：

动量比：

其中ρ代表流体的密度，v代表流速，g代表高温核心流，c代表冷流体。吹风比表示冷气和燃气的密流比，动量比则表示冷气与燃气的动量比，冷气注入后与燃气进行质量与动量的交换，气膜冷却特性特别是有效性很大程度取决于这两种交换过程的情形。采用CFD数值仿真计算确定气膜孔轴向与流体流向的夹角在20°～30°之间，冲击气膜孔直径为5mm，斜孔直径为3mm，所取得的气膜冷却效果最佳。

Claims (6)

1.一种搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的降温结构为分段式结构，由降温结构单元通过瓦式搭接组成，所述的降温结构单元为类波纹结构，包括上搭区(1)、平板区(2)、下搭区(3)；所述的上搭区(1)呈类波纹状，其上开有冲击气膜孔(4)；所述的平板区(2)开有斜孔(5)；所述的下搭区(3)呈卡扣状。

2.根据权利要求1所述的搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的上搭区(1)沿气流方向的横截面为挂钩形状，且挂钩末端是直的。

3.根据权利要求1所述的搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的下搭区(3)沿气流方向的横截面为弯钩形状，且弯曲部末端是直的，根部伸出一段，整体呈“h”形状。

4.根据权利要求1所述的搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的斜孔(5)的轴线与气流方向的夹角α为锐角。

5.根据权利要求4所述的搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的斜孔(5)的直径为3mm；夹角α范围为20°～30°。

6.根据权利要求1至4任一项所述的搭接式引射降温结构，其特征在于：所述的冲击气膜孔(4)的直径为5mm。