CN110107914A - 一种基于三角形截面导流板（环）的冲击-气膜冷却结构 - Google Patents

一种基于三角形截面导流板（环）的冲击-气膜冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三角形截面导流板(环)的冲击‑气膜冷却结构，包括：分布在待冷却壁面上的冲击孔、安装在待冷却壁面上的三角形截面导流板(环)、形成于三角形截面导流板(环)与待冷却壁面之间的导流通道，冷却介质通过冲击孔进入导流通道中，通过导流通道对被三角形截面导流板(环)滞止后的冷却介质进行整流，然后将其排出，在下游形成冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面。本发明采用三角形截面导流板(环)，有效抑制导流通道下游流动分离，降低高温介质与冷却介质薄膜间混合，保护冷却介质薄膜，提高冷却效率，从而拓宽冲击‑气膜冷却结构使用范围，尤其适合在冷却气量较少、吹风比较小的条件下使用。

Description

一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构
技术领域
本发明涉及一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，主要用于冷却航空发动机主燃烧室火焰筒或航空发动机加力燃烧室和冲压发动机燃烧室隔热屏，属于新型高效复合冷却技术领域。
背景技术
随着对发动机高推重比的追求，发动机燃烧室向着高油气比、高温升的方向发展，燃烧室内燃气温度可以达到2100K，远大于火焰筒材料的许用温度；同时，为实现高温升，越来越多的燃烧室进口空气将参与燃烧。此外，在过去20年，随着污染排放标准越来越严格，对氮氧化物低排放的要求使得需要更多的新鲜空气用于对燃烧过程进行调节与控制。这导致可用于冷却的空气量持续减小。另一方面，冷却气的冷却品质不断下降。燃烧室进口温度对发动机效率影响较大，通常进口空气初始温度每增加100℃，发动机效率提高2-3％。为此，燃烧室进口温度、压力不断升高。综上，燃烧室内的热端部件的冷却面临巨大挑战。
传统单一的冷却结构已无法满足热端部件冷却要求，冷却结构逐渐向高效的复合冷却发展，冲击-气膜冷却结构为一种新型的复合冷却结构。冲击气膜冷却具有高冷却效率的优点，但是传统的双层壁冲击冷却增加燃烧室重量同时具有较大的流动阻力。气膜冷却具有结构相对简单、加工设计容易等优点，但是该冷却结构在初始4-5排气膜孔的距离内冷却效率较低，离散冷却孔使得冷却分布不均匀，射流热流中的冷却气流为引发二次涡流动，强化冷热气流间的混合，降低冷却效率。而冲击-气膜冷却结构可以有效避免上述缺陷，高效的冲击冷却方式可以对导流板(环)进行冷却，导流通道的整流作用使得冷却气膜分布更均匀，在下游形成的更加致密的冷却气膜。
然而，现有的冲击-气膜冷却结构中导流板横截面一般为矩形(如图2a所示)，在冷却气量较少的小吹风比状态下，导流通道下游易出现流动分离，破坏冷却气膜，降低冷却效率。因此，确有必要发展三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，采用三角形截面导流板可以有效抑制流动分离，提高冲击-气膜冷却效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，在相同冷却气量下，可有效抑制冷流动分离，保护冷却气膜结构不被破坏，提高冲击-气膜冷却效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其单组冷却结构包括有：
待冷却壁面，所述待冷却壁面为承受高温热源的板型构件；
冲击孔，所述冲击孔分布在待冷却壁面上，冷却介质通过冲击孔进入导流通道中；
三角形截面导流板(环)，所述三角形截面导流板(环)安装在待冷却壁面上，用于将冷却介质与高温热介质隔开，并滞止冷却介质，改变其流动方向；
导流通道，所述导流通道形成于三角形截面导流板(环)与待冷却壁面之间，通过导流通道对被三角形截面导流板(环)滞止后的冷却介质进行整流，然后将其排出，在下游形成冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面。
本发明中，所述待冷却壁面不限制其形状，可以为平面也可以为曲面，且待冷却壁面上有按一定规律排列的具有一定结构特征的冲击孔；导流板(环)与待冷却壁面间形成导流通道，对冷却介质进行整流然后排出，在待冷却壁面形成冷却介质薄膜。
进一步的，所述冲击孔为圆柱形孔，且等间距排列于待冷却壁面上。
进一步的，所述冲击孔(3)尺寸d、冲击孔(3)位置s、冲击孔(3)间距p、导流板(环)长度L、导流通道(4)高度h、三角形尖角角度α满足s/L＝1/4～3/4、p/d＝2～6、h/d＝0.5～5、α<10°的要求。
进一步的，所述单组冷却结构中，三角形截面导流板(环)与待冷却壁面之间呈t型或f型布局；所述t型布局是将三角形截面导流板(环)附于待冷却壁面安装，f型布局是指待冷却壁面与三角形截面导流板(环)一体化布置，通过待冷却壁面末端部分实现三角形截面导流板(环)的功能。
进一步的，所述三角形截面导流板/环(1)的外形采用流线型设计。
现有的冲击-气膜冷却结构中导流板为非流线型设计(如图2a所示)，对待冷却壁面近壁区的流场结构影响较大，加剧了冷热介质间的混合，甚至出现流动分离，导致冷却效率降低；此外，导流板(环)迎风端面直接受到高温介质冲刷，易出现烧毁变形，破坏冲击-气膜冷却结构使冷却失效。
因此，采用流线型导流板(环)设计，抑制待冷却壁面近壁区流动分离，减弱高温介质对导流板(环)迎风端面冲刷，有效保护导流板(环)，提高冷却结构寿命；另一方面，可以有效降低高温介质与待冷却壁面冷却介质薄膜的混合，提高冷却效率。
进一步的，由单组冷却结构自由排列形成多组复合冷却结构。
有益效果：本发明提供的一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，相对于现有技术，具有以下优点：
1、在相同冷却气量下，三角形截面导流板(环)可有效抑制导流通道下游流动分离，降低高温介质与冷却介质薄膜间混合，保护冷却介质薄膜，提高冷却效率；
2、采用流线型导流板(环)设计，可有效抑制导流板(环)上游待冷却壁面及导流板(环)近壁区流动分离，减弱高温介质对导流板(环)迎风端面冲刷，有效保护导流板(环)，提高冷却结构寿命；
3、多组复合冷却时，上游段的冷却介质可以在导流板(环)表面形成冷却介质薄膜，保护流线型导流板(环)，减小导流板(环)的热负荷；
4、有效拓宽冲击-气膜冷却结构使用范围，尤其适合在冷却气量较少、吹风比较小的条件下使用，同时结构简单，有利于完成冷却结构设计，同时有效减轻冷却结构重量，从而减轻燃烧室重量。
附图说明
图1a～1f分别为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构t型布局的主视图、侧视图、俯视图、立体图、剖视图、局部放大图；
图2a、2b、2c分别为矩形截面导流板(环)、三角形截面导流板(环)及流线型三角截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构的介质流动原理图；
图3a～3f分别为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构f型布局的主视图、侧视图、俯视图、立体图、剖视图、局部放大图；
图4a～4f分别为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构流线型设计的主视图、侧视图、俯视图、立体图、剖视图、局部放大图；
图5a、5b为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构t型布局、曲形待冷却壁面的结构示意图；
图6a、6b为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构f型布局、曲形待冷却壁面的结构示意图；
图7a、7b为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构流线型设计、曲形待冷却壁面的结构示意图；
图8a～8d为本发明基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构多组复合冷却结构示意图；
图中包括：1、三角形截面导流板/环，2、待冷却壁面，3、冲击孔，4、导流通道。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其单组冷却结构包括有：
待冷却壁面2，所述待冷却壁面2为承受高温热源的板型构件；
冲击孔3，所述冲击孔3分布在待冷却壁面2上，冷却介质通过冲击孔3进入导流通道4中；
三角形截面导流板/环1，所述三角形截面导流板/环1安装在待冷却壁面2上，用于将冷却介质与高温热介质隔开，并滞止冷却介质，改变其流动方向；
导流通道4，所述导流通道4形成于三角形截面导流板/环1与待冷却壁面2之间，通过导流通道4对被三角形截面导流板/环1滞止后的冷却介质进行整流，然后将其排出，在下游形成冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面2。
所述冲击孔3为圆柱形孔，且等间距排列于待冷却壁面2上。
如图1f所示，本发明三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构的特征尺寸包括：冲击孔3尺寸d，冲击孔3位置s，冲击孔3间距p、导流板环长度L，导流通道4高度h，三角形尖角角度α，且满足s/L＝1/4～3/4、p/d＝2～6、h/d＝0.5～5、α<10°的要求。
如图2b所示，本发明三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构的工作过程如下：冷却介质经过冲击孔3冲击三角形截面导流板/环1对其进行冷却，同时，三角形截面导流板/环1改变冷却介质流动方向。导流通道4对改变方向后混乱的冷却介质进行整流并将其排出，在下游待冷却壁面2形成冷却介质薄膜。在上述流动过程中，三角形截面导流板(环)的另一个作用是引导高温介质与冷却介质薄膜的汇合，从而消除导流通道4下游的分离涡。
实施例1
如图1a～1f所示，所述单组冷却结构中，三角形截面导流板/环1与待冷却壁面2之间呈t型布局，即三角形截面导流板/环1附于待冷却壁面2安装。
实施例2
如图3a～3f所示，所述单组冷却结构中，三角形截面导流板/环1与待冷却壁面2之间呈f型布局，即待冷却壁面2与三角形截面导流板/环1一体化布置，通过待冷却壁面2末端部分实现三角形截面导流板/环1的功能。
实施例3
如图4a～4f所示，所述三角形截面导流板/环1的外形采用流线型设计，如图2c所示，高温介质流过流线型导流板(环)时，可以紧贴壁面壁面抑制流动分离，消除非流线型导流板产生的分离涡。
本发明中，所述待冷却壁面不限制其形状，可以为平面也可以为曲面，曲面结构如图5a、5b、6a、6b、7a、7b所示。
如图8a～8d所示，本发明三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，可以单组布置也可以多组组合布置形成多组复合冷却结构，复合型式可以为t+t型、f+f型、f+t型等。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，其单组冷却结构包括：
待冷却壁面(2)，所述待冷却壁面(2)为承受高温热源的板型构件；
冲击孔(3)，所述冲击孔(3)分布在待冷却壁面(2)上，冷却介质通过冲击孔(3)进入导流通道(4)中；
三角形截面导流板/环(1)，所述三角形截面导流板/环(1)安装在待冷却壁面(2)上，用于将冷却介质与高温热介质隔开，并滞止冷却介质，改变其流动方向；
导流通道(4)，所述导流通道(4)形成于三角形截面导流板/环(1)与待冷却壁面(2)之间，通过导流通道(4)对被三角形截面导流板/环(1)滞止后的冷却介质进行整流，然后将其排出，在下游形成冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面(2)。
2.根据权利要求1所述的基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)为圆柱形孔，且等间距排列于待冷却壁面(2)上。
3.根据权利要求2所述的基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)尺寸d、冲击孔(3)位置s、冲击孔(3)间距p、导流板(环)长度L、导流通道(4)高度h、三角形尖角角度α满足s/L＝1/4～3/4、p/d＝2～6、h/d＝0.5～5、α<10°的要求。
4.根据权利要求1所述的基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，所述单组冷却结构中，三角形截面导流板/环(1)与待冷却壁面(2)之间呈t型或f型布局；所述t型布局是将三角形截面导流板/环(1)附于待冷却壁面(2)安装，f型布局是指待冷却壁面(2)与三角形截面导流板/环(1)一体化布置，通过待冷却壁面(2)末端部分实现三角形截面导流板/环(1)的功能。
5.根据权利要求4所述的基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，所述三角形截面导流板/环(1)的外形采用流线型设计。
6.根据权利要求4或5所述的基于三角形截面导流板(环)的冲击-气膜冷却结构，其特征在于，由单组冷却结构排列形成多组复合冷却结构。
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