CN110185554B - 一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构，使用三维波纹冲击板，平板式气膜板构成双层壁冷却结构。冲击孔与气膜孔分布方式为“棋盘”式分布，即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。

Description

一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构
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，特别涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构。
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，因此，人们不断的对双层壁冷却结构进行改进，以寻求最佳冷却效果。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：为了解决现有技术中需要增强换热而减小冲击距，但需要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，本发明涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构。
本发明的技术方案是：一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构，包括波纹式冲击孔板和气膜孔板；波纹式冲击孔板位于喷气发动机外壁面下方，气膜孔板位于波纹式冲击孔板下方；外壁面、波纹式冲击孔板和气膜孔板三者不接触，外壁面和波纹式冲击孔板之间形成冷气通道，波纹式冲击孔板和气膜孔板之间形成冷却通道；所述气膜孔板为平板状，板面上开有若干通孔作为气膜孔；波纹式冲击孔板为波浪式一体成形件，定义由若干个相同的波纹单元组成，每个波纹单元波谷处开有通孔作为冲击孔，气膜孔板壁面上的气膜孔正对波纹单元的波峰，冲击孔与气膜孔位置关系为“棋盘”式分布，即四个波峰包围一个波谷；冲击波纹板波谷处冲击孔与气膜板可以形成较小冲击距，增强冲击换热。冲击波纹板波峰可以与气膜板形成较大空间，此空间可使冲击射流充分发展，减小流阻；来自压气机的冷却气流在冷气通道中沿轴向后流动，一部分冷却气流经冲击孔进入冷却通道，形成冲击射流，对其相对的气膜孔板内壁面形成冲击冷却，最后从气膜孔流出，形成气膜冷却；另一部分冷却气流在喷管尾部与燃气混合，流入大气。
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为三维波纹式冲击板示意图；
图4为三维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其单元结构示意图；
图8为双层壁冷却结构气流流动示意图；
图9为当Rec为1700，冲击距为3mm时，不同冷却结构流量系数对比；
图10为当Rec为1700，冲击距为3mm时，不同结构Nu数的对比。
图中：1.气膜孔板 2.三维波纹式冲击孔板 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 C13.冲击射流 C14.冲击射流 C21.气膜射流C22.气膜射流 C23.气膜射流 C24.气膜射流。
具体实施方式
参见图1—图10，本发明提出一种用于喷管的新型双层壁冷却结构8，如附图2所示。能够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由三维波纹式冲击板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所示的三维波纹式冲击板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。
如附图7所示，波纹冲击孔板2和气膜孔板1在轴向为多个单元周期结构,冲击孔4与气膜孔5分布方式为“棋盘式”分布。单元结构如附图7中C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，即四个波峰包围一个波谷。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为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。
如图8左图所示,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θc为90度。气膜孔5与燃气流动方向所成角度θf为30度或90度。冲击孔直径dc为0.8-1mm，气膜孔直径df为 0.8-1mm。波纹冲击板振幅Ac取值范围为0.2-0.8dc。冲击孔沿流向间距Pc1为8-10dc，展向间距Pc2为4-5dc，气膜孔沿流向间距Pf1为8-10dc，展向间距Pf2为4-5dc。波纹式冲击孔板的厚度δc为0.8-1dc，气膜孔板的厚度δf为0.8-1dc。如附图8所示,冲击距 h为2-4dc。
下面通过几个实施例对本发明一种用于发动机尾喷管的双层壁冷却结构作进一步详细说明
本实施例是一种用于矢量喷管的双层壁冷却结构。
参数说明：
dc 阵列冲击孔直径
df 阵列气膜孔直径
θc 冲击孔与燃气流动方向所成角度
θf 气膜孔与燃气流动方向所成角度
h 冲击距
Ac 波纹冲击板振幅
Pc1 冲击孔沿流向间距
Pc2 冲击孔展向间距
Pf1 气膜孔沿流向间距
Pf2 气膜孔展向间距
δc 波纹式冲击孔板的厚度
δf 气膜孔板的厚度
Cd 流量系数
Nu 冲击靶面展向平均努塞尔数
Nuflat 传统结构冲击靶面展向平均努塞尔数
X/d 冲击靶面的无量纲位置
Re 雷诺数
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2和气膜孔板1在轴向为多个单元周期结构,单元结构如图7中C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，即四个波峰包围一个波谷。冲击孔与气膜孔分布方式为“棋盘式”分布。
如附图8右图所示,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四股冲击射流C11,C12,C13,C14，随后，气流C11，C12，C13，C14分别流入冲击波纹孔板波峰与气膜孔板所形成的四个相对较大空间中，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，C23，C24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。
本实施例采用数值计算的方式进行验证:
实施例一:冲击孔直径dc为1mm,气膜孔直径为df为1mm,冲击距h为3dc，冲击孔沿燃气流向间距Pc1为10mm,冲击孔展向间距Pc2为5mm,气膜孔沿燃气流向间距Pf1为10mm,气膜孔展向间距Pf2为5mm。冲击板分为两种，一种为冲击波纹板振幅Ac为 0.2mm，另一种为冲击平板，即传统冲击板。冲击板与气膜板厚度δc，f均为1mm，冲击孔以及气膜孔与燃气流动方向所成角度θc，θf均为90°，Re为1700。
实施例二:冲击孔直径dc为1mm,气膜孔直径为df为1mm,冲击距h为3dc，冲击孔沿燃气流向间距Pc1为10mm,冲击孔展向间距Pc2为5mm,气膜孔沿燃气流向间距Pf1为10mm,气膜孔展向间距Pf2为5mm。冲击板分为两种，一种为冲击波纹板振幅Ac为 0.5mm，另一种为冲击平板，即传统冲击板。冲击板与气膜板厚度δc，f均为1mm，冲击孔以及气膜孔与燃气流动方向所成角度θc，θf均为90°，Re为1700。
实施例三:冲击孔直径dc为1mm,气膜孔直径为df为1mm,冲击距h为3dc，冲击孔沿燃气流向间距Pc1为10mm,冲击孔展向间距Pc2为5mm,气膜孔沿燃气流向间距 Pf110mm,气膜孔展向间距Pf2为5mm。冲击板分为两种，一种为冲击波纹板振幅Ac为 0.8mm，另一种为冲击平板，即传统冲击板。冲击板与气膜板厚度δc，δf均为1mm，冲击孔以及气膜孔与燃气流动方向所成角度θc，θf均为90°，Re为1700。
分析结果时采用努塞尔数Nu衡量换热效果，采用流量系数Cd的衡量压力损失。如附图9所示，横轴为冲击波纹板振幅，冲击波纹板振幅A＝0.2,0.5,0.8时，其流量系数Cd均高于平板，这表明冲击波纹板冷却结构的的压损要比平板冷却结构小。
如附图10所示，冲击波纹板振幅A＝0.2,0.5,0.8时，其努塞尔数Nu均高于平板式冷却结构，这表明冲击波纹板冷却结构换热效果要比平板冷却结构的换热效果好
综上，在相同冲击距下，冲击波纹板冷却结构比平板冷却结构具有更小的流阻和更好的换热效果。因此，使用波纹式冲击板能够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。

Claims (1)

1.一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构，其特征在于，包括波纹式冲击孔板(2)和气膜孔板(1)；波纹冲击孔板(2)和气膜孔板(1)在轴向为多个单元周期结构；波纹式冲击孔板(2)位于喷气发动机外壁面下方，气膜孔板(1)位于波纹式冲击孔板(2)下方；外壁面、波纹式冲击孔板(2)和气膜孔板(1)三者不接触，外壁面和波纹式冲击孔板(2)之间形成冷气涵道，波纹式冲击孔板(2)和气膜孔板(1)之间形成冷却通道；所述气膜孔板(1)为平板状，板面上开有若干通孔作为气膜孔(5)；波纹式冲击孔板(2)为波浪式一体成形件，定义由若干个相同的波纹单元组成，每个波纹单元波谷处开有通孔作为冲击孔(4)，气膜孔板(1)壁面上的气膜孔(5)正对波纹单元的波峰，冲击孔与气膜孔位置关系为“棋盘”式分布，即四个波峰包围一个波谷；冲击波纹板波谷处冲击孔与气膜板形成较小冲击距，增强冲击换热；冲击波纹板波峰与气膜板形成较大空间，此空间可使冲击射流充分发展，减小流阻；冲击孔(4)与燃气流动方向所成角度θc为90度；气膜孔(5)与燃气流动方向所成角度θf为30度或90度；冲击孔直径dc为0.8-1mm，气膜孔直径df为0.8-1mm；波纹冲击板振幅Ac取值范围为0.2-0.8dc；冲击孔沿流向间距Pc1为8-10dc，展向间距Pc2为4-5dc，气膜孔沿流向间距Pf1为8-10dc，展向间距Pf2为4-5dc；波纹式冲击孔板的厚度δc为0.8-1dc，气膜孔板的厚度df为0.8-1dc；
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)为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)，即为矢量喷管冷却气流B的流通通道；来自压气机的冷却气流在冷气涵道中沿轴向后流动，一部分冷却气流经冲击孔(4)进入冷却通道，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；另一部分冷却气流在喷管尾部与燃气混合，流入大气；
来自压气机的冷却气流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，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；
波纹冲击板上的冲击孔位于波谷处，冷却气流C1冲击到气膜孔板后会形成四股冲击射流C11,C12,C13,C14，随后，气流C11，C12，C13，C14分别流入冲击波纹孔板波峰与气膜孔板所形成的四个相对较大空间中，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，C23，C24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。
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