CN109882314B - 用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明使用横向波纹冲击板，平板式气膜板构成双层壁冷却结构。冲击孔与气膜孔均为叉排分布；在波纹冲击孔板的波谷处布置冲击孔，气膜孔板上的气膜孔则布置在正对波纹冲击孔板的波峰处；波纹冲击孔板与气膜孔板在轴向均为多个单元周期结构。波谷与气膜孔板之间形成较小的冲击距，可以增强冲击换热，波峰与气膜孔板之间可以形成较大空间，有利于冷气流动充分发展,利于出流，可以减小流阻，提高冷气利用率,解决了为了增强换热而减小冲击距，但为了减小流阻需增大冲击距这两种方法之间的矛盾。同时气膜板为平板，有利于气膜贴附，形成有效热防护，减小热应力，解决了波纹式隔热屏热应力不均的问题。

Description

用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构

技术领域

本发明属于航空发动机矢量喷管冷却领域，同样也用于发动机燃烧室的冷却和加力燃烧室隔热屏的冷却，特别涉及一种用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构。

背景技术

矢量喷管对于提高飞机的机动性有重要作用，喷管内燃气温度可达2000K以上，为保证其结构安全，使其具有合理的寿命，同时为了降低喷管的红外辐射，增强其隐身能力，必须对其进行冷却。由于喷管的冷却空气是从发动机的压气机中抽取的，这部分冷气将无法参与发动机的整个热循环，这会降低发动机的热效率和推力，因此在设计高性能喷管时，要实现以尽可能少的冷气达到较高的冷却效果。

双层壁冷却结构是一种冲击/发散冷却结构，已经被广泛使用，但其冷却效果很大程度上取决于内部不同冷却单元之间的位置关系，同时，须将冷气用量控制在一定范围内，减小对发动机性能的影响，因此，人们不断的对双层壁冷却结构进行改进，以寻求使用最少的冷气达到最佳冷却效果。冲击板上的离散孔喷出的冷却射流冲击在气膜板上，与气膜板形成对流换热，降低气膜板的温度，冷却射流最后从气膜板上的离散孔喷出，在喷管内壁的高温燃气侧形成气膜，减轻燃气对筒体的热冲蚀，从而提高使用寿命。Multi-hole FilmCooled Afterburner Combustor Liner(US005483794A)公开了一种多孔波纹式气膜板加力燃烧室隔热屏。燃气通道中的波纹所引起的扰动能够强化对流换热，在波谷处，由于波峰的阻挡，使得气膜可以相对稳定的停留在该区域，提高冷却效果。但是现有研究表明，整个波纹板隔热屏的壁温和局部换热受波形影响很大，由于气膜板是波纹形状，冷却气膜难以在整个表面形成有效覆盖，波纹板在迎风面和背风面之间换热效果差异很大，背风面的低换热严重影响了隔热屏的整体换热效果，并导致较大的温度梯度和热应力，从而影响使用寿命和可靠性。

《孔径比与冲击距对冲击/发散冷却隔热屏冷却性能影响》中研究了不同冲击距下冲击/发散冷却结构的综合冷却效率，结果表明，随着冲击距的增大，冲击靶面的换热效果会减弱，使整个结构的冷却效果减小。若是想得到较好的冷却效果，需减小冲击距，以此来减小冲击射流的动量损失，提高射流在靶面上的冲击强度，进而提高换热，但是在小冲击距下，流阻增大，气膜孔的出流将受到限制，甚至有些气膜孔无法出流，流量系数减小(参见《双壳型冲击/气膜综合流量系数实验研究》)，不能充分发挥冷气的冷却潜力，因此其冷却效率不能满足减少冷气量的需求。由此可见，若是想通过减小冲击距来提高换热，就必须解决小冲击距带来的流阻增大问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提出一种用于喷管的具有横向波纹冲击孔板的新型双层壁冷却结构。此结构可以解决为了增强换热而减小冲击距，但为了减小流阻需增大冲击距这两种方法之间的矛盾，同时解决波纹式隔热屏热应力不均的问题。

本发明的技术方案是：用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构，包括气膜孔板和横向波纹式冲击孔板且两者相互不接触；所述横向波纹式冲击孔板和外壁面构成冷气涵道，横向波纹式冲击孔板和气膜孔板之间构成冷却通道，燃气侧气膜孔板构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道；气膜孔板上开有若干通孔作为气膜孔，横向波纹式冲击孔板上开有若干通孔作为冲击孔，且冲击孔与气膜孔均为叉排布置。

本发明的进一步技术方案是：所述横向波纹式冲击孔板沿展向呈正弦型起伏。

本发明的进一步技术方案是：所述横向波纹式冲击孔板和气膜孔板均为一体成型板，定义由若干个相同的板件单元组成；每个单元横向波纹式冲击孔板波谷处布置冲击孔，气膜孔板壁面上的气膜孔正对波纹冲击孔板的波峰。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明通过使用波纹式冲击孔板获得了较小的冲击距，得到较高的冲击换热强度，带走较多热量，同时减小了流阻；由于气膜板为平壁，有助于气膜贴附，形成有效热防护。综合应用了双层壁内部对流冷却和外部气膜冷却，形成复合冷却，通过使用波纹冲击板，减少冲击射流的动量损失，在双层壁内部通过对流换热带走更多传入的热量，同时减小流阻，增大气膜板的出流量，有效降低壁温，提高了冷气的利用率。

附图说明

图1为本发明矢量喷管的双层壁冷却结构安装示意图；

图2为本发明矢量喷管的双层壁冷却结构示意图；

图3为二维横向波纹式冲击板示意图；

图4为二维横向波纹式冲击板俯视图及剖视图；

图5为平板式气膜板；

图6为平板式气膜板俯视图及剖视图；

图7为冲击孔和气膜孔位置关系及单元结构示意图；

图8为气膜板仰视图及双层壁冷却结构气流流动示意图。

图中：1.气膜孔板2.横向波纹式冲击孔板3.外壁面4.冲击孔5.气膜孔6.主燃气涵道7.冷气涵道8.双层壁冷却结构A.主流高温燃气B.冷却气流C1.冷却气流C2.冷却气流C11.冲击射流C12.冲击射流C21.气膜射流C22.气膜射流

具体实施方式

参见图1—图8，本发明提出一种用于喷管的具有横向波纹冲击孔板的新型双层壁冷却结构8，如附图2所示。此结构可以解决为了增强换热而减小冲击距，但为了减小流阻需增大冲击距这两种方法之间的矛盾，同时解决波纹式隔热屏热应力不均的问题。双层壁冷却结构8由二维横向波纹式冲击板2与平板式气膜孔板1共同构成。燃气侧气膜孔板1为构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道6；冷气侧波纹冲击孔板2与外壁面3共同构成冷气涵道7；来自压气机的冷却气流B在冷气涵道7中沿轴向后流动，一部分冷气B1经冲击孔4进入双层壁结构，形成冲击射流，对其相对的气膜孔板1内壁面形成冲击冷却，最后从气膜孔流出，形成气膜冷却。另一部分冷气B2在喷管尾部与燃气混合，流入大气。

使用图3所示的横向波纹式冲击板2与图5所示的平板式气膜孔板1共同构成双层壁冷却结构8。在附图1中，双层壁冷却结构8固定安装在矢量喷管外壁面3上，对喷管进行保护。燃气侧气膜孔板1构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道6，即为矢量喷管主流高温燃气A的流通通道；冷气侧波纹冲击孔板2与外壁面3共同构成冷气涵道7，即为矢量喷管冷气B的流通通道。

如附图2，附图7右图所示，在每个单元横向波纹冲击孔板2波谷处布置冲击孔4，气膜孔板1上的气膜孔5正对波纹冲击孔板2的波峰。如附图7所示，冲击孔4与气膜孔5均为叉排布置。如图8所示,来自压气机的冷却射流B在冷气涵道7中沿轴向后流动，其压力高于主燃气涵道6内燃气压力，冷却气流B进入冷气涵道7之后在冲击孔4入口分为两股，分别是冷却气流C1和C2。冷却气流C1经冲击孔4进入双层壁结构，对其相对的气膜孔板1内壁面形成冲击冷却，此冲击距离为气膜板与冲击波纹板波谷之间的距离，相对较小，可以增大冲击换热强度，带走气膜板上的更多热量；随后，冲击射流流入气膜板与冲击波纹板波峰所形成的大空间中，使冲击射流充分发展，减小其流阻，最后从气膜孔流出，形成气膜冷却，由于气膜板为平壁，使气膜更容易贴附在气膜板燃气侧壁面上，热防护效果更好。冷却气流C2沿冷气通道向后流动，经下一单元，进一步分为两股冷却气流，分别进入双层壁冷却结构和向下流流动，直至喷管尾部与燃气混合，流入大气。

如附图4,6所示,冲击孔4与燃气流动方向所成角度θ_c为90度，气膜孔5与燃气流动方向所成角度θ_f为30度或90度，冲击孔直径d_c为0.8-1mm，气膜孔直径d_f为0.8-1mm。波纹冲击板振幅A_c取值范围为0.2-0.8d_c，冲击孔沿流向间距P_c1为8-10d_c，展向间距P_c2为4-5d_c，气膜孔沿流向间距P_f1为8-10d_c，展向间距P_f2为4-5d_c。波纹式冲击孔板的厚度δ_c为0.8-1d_c，气膜孔板的厚度δ_f为0.8-1d_c。如附图8所示,冲击距h为2-4d_c。

本实施例是一种用于矢量喷管的带有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构。

参数说明

d_c 阵列冲击孔直径

d_f 阵列气膜孔直径

θ_c 冲击孔与燃气流动方向所成角度

θ_f 气膜孔与燃气流动方向所成角度

h 冲击距

A_c 波纹冲击板振幅

P_c1 冲击孔沿流向间距

P_c2 冲击孔展向间距

P_f1 气膜孔沿流向间距

P_f2 气膜孔展向间距

δ_c 横向波纹式冲击孔板的厚度

δf 气膜孔板的厚度

如图1所示，双层壁冷却结构8固定安装在矢量喷管外壁面3上，燃气侧气膜孔板1为构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道6，冷气侧波纹冲击孔板2与外壁面3共同构成冷气涵道7。波纹冲击孔板的沿展向呈正弦型起伏。

波纹冲击孔板2和气膜孔板1在轴向均为多个单元周期结构。如附图7右图所示，每个单元波纹冲击孔板2波谷处布置冲击孔4，气膜孔板1壁面上的气膜孔5正对波纹冲击孔板2的波峰。如附图7所示，冲击孔4与气膜孔5均为叉排分布。

如附图8左图所示,波纹冲击板上的冲击孔位于波谷处，使得冷却气流C1与气膜板之间的距离减小，可以获得较小的冲击距，减小冲击射流的动量损失，进而得到较高的冲击换热强度，带走较多热量；冷却气流C1冲击到气膜孔板后会形成两股冲击射流C11,C12，随后，气流C11，C12分别流入冲击波纹孔板波峰与气膜孔板所形成的两个相对较大空间中，使冲击射流充分发展，减小流阻，之后气流从气膜孔5流出形成气膜射流C21，C22对气膜孔板外壁进行气膜覆盖，由于燃气侧内壁为平壁,有助于气膜在壁面形成有效热防护,降低主流高温燃气A对矢量喷管壁面的热负荷。

冷却气流C2沿冷气通道向后流动，经下一单元，进一步分为两股冷却气流，分别进入双层壁冷却结构和向下流流动，直至喷管尾部与燃气混合，流入大气。

Claims (3)

1.用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构，其特征在于，包括气膜孔板(1)和二维横向波纹式冲击孔板(2)且两者相互不接触；所述横向波纹式冲击孔板(2)和外壁面构成冷气涵道，横向波纹式冲击孔板(2)和气膜孔板(1)之间构成冷却通道，燃气侧气膜孔板(1)构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道；气膜孔板(1)上开有若干通孔作为气膜孔(5)，横向波纹式冲击孔板(2)上开有若干通孔作为冲击孔(4)，且冲击孔(4)与气膜孔(5)均为叉排布置；燃气侧气膜孔板1为构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道6；冷气侧波纹冲击孔板2与外壁面3共同构成冷气涵道7；来自压气机的冷却气流B在冷气涵道7中沿轴向后流动，一部分冷气B1经冲击孔4进入双层壁结构，形成冲击射流，对其相对的气膜孔板1内壁面形成冲击冷却，最后从气膜孔流出，形成气膜冷却；另一部分冷气B2在喷管尾部与燃气混合，流入大气；气膜板为平壁，使气膜更容易贴附在气膜板燃气侧壁面上，热防护效果好；波纹冲击板上的冲击孔位于波谷处，使得冷却气流C1与气膜板之间的距离减小；冲击孔4与燃气流动方向所成角度θ_c为90度，气膜孔5与燃气流动方向所成角度θ_f为30度或90度，冲击孔直径d_c为0.8-1mm，气膜孔直径d_f为0.8-1mm；波纹冲击板振幅A_c取值范围为0.2-0.8d_c，冲击孔沿流向间距P_c1为8-10d_c，展向间距P_c2为4-5d_c，气膜孔沿流向间距P_f1为8-10d_c，展向间距P_f2为4-5d_c；波纹式冲击孔板的厚度d_c为0.8-1d_c，气膜孔板的厚度d_f为0.8-1d_c；冲击距h为2-4d_c。

2.如权利要求1所述的用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构，其特征在于，所述横向波纹式冲击孔板(2)沿展向呈正弦型起伏。

3.如权利要求1所述的用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构，其特征在于，所述横向波纹式冲击孔板(2)和气膜孔板(1)均为一体成型板，定义由若干个相同的板件单元组成；每个单元横向波纹式冲击孔板(2)波谷处布置冲击孔(4)，气膜孔板(1)壁面上的气膜孔(5)正对波纹冲击孔板(2)的波峰。

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