CN111648866A - 一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构 - Google Patents

一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构 Download PDF

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魏杰立
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    • F01D25/12—Cooling

Abstract

本发明公开了一种冲击气膜‑发散孔复合冷却结构，包括待冷却壁面和导流板；待冷却壁面在上游区域设有至少一排冲击孔；导流板安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从冲击孔进入导流通道进行整流形成上游冷却介质薄膜层；待冷却壁面在其下游区域还设有若干排发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在下游继续形成冷却介质薄膜层。本发明解决了单一发散孔冷却结构时上游部分的冷却效率较低的问题，同时利用流动阻力相对较小、冷却介质需求量相对较少的发散孔冷却方式延伸冷却介质薄膜保护长度，增加了保护面积，解决了单一冲击气流冷却结构需要较大进气压差和冷却介质需求量大问题。

Description

一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构
技术领域
本发明涉及新型高效复合冷却技术领域，尤其涉及一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，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。
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。
现有的冷却技术中，一般采用单一形式的冷却方式，然而随着高温环境的不断苛刻严峻，在工程应用中的缺陷不断显现。冷却效率比较高的冷却方式，冷却介质的需求量较大，同时，需要较大的进气压差。进气压差较小的冷却结构，冷却效率相对较低，尤其在冷却的初始段，无法满足冷却的要求。随着燃烧技术的不断发展，越来越迫切需要一种冷却介质需求量相对较小而效率却相对较高的冷却结构。冷却结构逐渐向高效的复合冷却发展。但是，由于各种冷却方式均需要按一定的结构形式来实现冷却的功能，并且单一的冷却结构形式众多复杂。如何从纷繁复杂的众多单一冷却结构中设计出高效的复合冷却结构形式成为亟须解决的技术难题。
通过对各种单一冷却结构的研究，发现冲击气膜冷却结构具有高的冷却效率，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。唯一的缺陷是冷却介质需求量相对较大；而发散孔冷却方式可以在较少的冷气量下获得合适的冷却效率，但它的缺陷是初始段冷却效果较差，需要在一定发散孔排数后才可以发挥较好的冷却作用。这两种冷却方式间可以形成优势互补，尤其当面临冷却介质量有限的情况时。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，能够有效提高发散孔冷却结构的初始段的冷却效率，克服纯冲击气膜冷却介质用量较多的问题，实现在相对较少冷却介质用量的基础上保持较好的冷却效果。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，包括待冷却壁面和导流板；
所述待冷却壁面为承受高温热源的板型构件，沿高温热介质的流动方向在其上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述导流板对应待冷却壁面的冲击孔安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述冲击孔为圆柱形孔，且每排冲击孔中冲击孔之间的间距相等。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述的发散孔为圆柱形孔。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述导流板包含连接板和延伸板，所述连接板一端和延伸板的一端相连、另一端和待冷却壁面相连，所述延伸板的内壁和待冷却壁面平行。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述延伸板在高温热介质流动方向上的截面为矩形。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述延伸板在高温热介质流动方向上的截面为三角形。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述连接板、延伸板的外壁在高温热介质流动方向呈流线型。
作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述若干排发散孔排列方式为顺排或叉排。
本发明还公开了另一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，包含前端壁面、连接壁面、待冷却壁面和导流板；
所述前端壁面、连接壁面、待冷却壁面均为承受高温热源的板型构件，其中，待冷却壁面其沿需要冷却的高温热介质的流动方向在上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述前端壁面、待冷却壁面平行错位设置，所述连接壁面一端和前端壁面在高温热介质流动方向的末端相连，另一端和待冷却壁面在高温热介质流动方向的前端相连；
所述导流板设置在连接壁面和前端壁面的连接处、和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得用于冷却高温热介质的冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述导流板的高温介质侧壁和前端壁面的高温介质侧壁在同一个平面上；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、有效提高发散孔冷却结构初始段冷却效率，使得待冷却壁面的温度分布更加均匀；
2、在相对较少的冷却介质用量的情况下，获得较好的冷却效果。
3、采用流线型导流板设计，可有效抑制导流板上游待冷却壁面及导流板近壁区流动分离，减弱高温介质对导流板迎风端面冲刷，有效保护导流板，提高冷却结构寿命；
4、有效拓宽冲击气膜冷却结构和发散孔冷却结构使用范围，尤其适合在冷却气量较少、冷却介质供给压力不大的条件下使用，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1是本发明的结构示意图；
图2a~2f分别为本发明的主视图、侧视图、俯视图、剖视图、冲击孔的局部放大图、发散孔的局部放大图；
图3a~图3b分别为本发明中发散孔顺排、叉排时的结构示意图。
图4为延伸板在高温热介质流动方向上的截面为三角形时本发明的剖示图；
图5为连接板、延伸板的外壁在高温热介质流动方向呈流线型时本发明的剖示图；
图6a~图6c分别为延伸板在高温热介质流动方向上的截面为矩形、三角形、流线型时的介质流动原理图；
图7a、7b分别为本发明待冷却壁面向下弯曲、向上弯曲时的结构示意图；
图8a~8g分别为本发明另一种结构的主视图、侧视图、俯视图、立体图、剖视图、冲击孔的局部放大图、发散孔的局部放大图。
图中，1-导流板，2-待冷却壁面，3-冲击孔，4-导流通道，5-发散孔，6-前端壁面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，包括待冷却壁面和导流板。
如图2a至图2f所示，所述待冷却壁面为承受高温热源的板型构件，沿高温热介质的流动方向在其上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述导流板对应待冷却壁面的冲击孔安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
所述冲击孔为圆柱形孔，且每排冲击孔的冲击孔之间的间距相等；所述的发散孔为圆柱形孔。如图2e所示，令冲击孔的直径为dj，第一排冲击孔中心在高温热介质流动方向上距离导流板上游一端的长度为s、第一排冲击孔之间的间距为pj、导流板在高温热介质流动方向上的长度为L、导流通道的高度为h，则s/L大于等于1/4且小于等于3/4，pj/dj大于等于2且小于等于6，h/dj大于等于0.5且小于等于5，且第一排发散孔与导流通道出口之间的距离Ln大于等于10dj小于等于80dj，如图2d所示。
所述若干排发散孔排列方式为顺排或叉排，如图3a、图3b所示。
本发明冲击气膜与复合冷却结构的工作过程如下：冷却介质经过冲击孔冲击导流板对其进行冷却，同时，导流板改变冷却介质流动方向。导流通道对改变方向后混乱的冷却介质进行整流并将其排出，在下游待冷却壁面形成冷却介质薄膜。冷却介质流过发散孔在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成冷却介质薄膜层。
所述导流板包含连接板和延伸板，所述连接板一端和延伸板的一端相连、另一端和待冷却壁面相连，所述延伸板的内壁和待冷却壁面平行；所述延伸板在高温热介质流动方向上的截面为矩形（如图1d所示）或者三角形（如图4所示），或者进一步连接板、延伸板的外壁在高温热介质流动方向呈流线型，如图5所示。
图6a为延伸板截面为矩形时的流动示意图。
图6b为延伸板截面为三角形时流动示意图。采用三角形截面后可以防止冷却介质流出导流通道后发生流动分离，减小冷却介质与高温介质之间的混合，提高冷却效率。
图6c为导流板截面为流线型时流动示意图。采用流线型截面，可以减小高温介质对导流板的冲刷加热，有利于保护导流板。同时，减少导流板对高温介质的扰动，减弱经过导流板后的高温介质与冷却介质间的相互混合，提高冷却效率。
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7a、7b所示，相应的，导流板1的形状也跟随待冷却壁面适当的弯曲。
如图8a~8g所示，本发明还公开了另一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，包含前端壁面、连接壁面、待冷却壁面和导流板；
所述前端壁面、连接壁面、待冷却壁面均为承受高温热源的板型构件，其中，待冷却壁面沿高温热介质的流动方向在其上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述前端壁面、待冷却壁面平行错位设置，所述连接壁面一端和前端壁面在高温热介质流动方向的末端相连，另一端和待冷却壁面在高温热介质流动方向的前端相连；
所述导流板设置在连接壁面和前端壁面的连接处、和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得用冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述导流板的高温介质侧壁和前端壁面的高温介质侧壁在同一个平面上；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
这种结构和图1中的结构相比，由于前端壁面的高温介质侧面与导流板的高温介质侧面位于同一平面，一方面可以阻止高温介质对导流板的冲刷加热，提高导流板的使用寿命；另一方面，消除了导流板对高温介质的扰动，使得高温介质与从导流通道与发散孔流场的冷却介质间的混合减弱，提高冷却效率。此外，这种结构很便于拼接，若干这种结构只需要把后者的前段壁面和前者的待冷却壁面接在一起即可。
基于冲击气膜冷却结构和发散孔冷却结构的工作特点以及各自的优缺点，发展冲击气膜-发散孔复合冷却结构，在发散孔的上游段设计冲击气膜冷却结构。一方面，上游处冷却介质的供给压差较大，可以使冲击气膜冷却发挥较好冷却作用，有效保护待冷却壁面；另一方面，提高发散孔冷却结构初始段的冷却效率，有利于借助发散孔冷却结构，在较少的冷却介质量的情况下获得好的冷却效果。该复合冷却结构实现两种单一冷却结构的优势互补。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，包括待冷却壁面和导流板；
所述待冷却壁面为承受高温热源的板型构件，沿高温热介质的流动方向在其上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述导流板对应待冷却壁面的冲击孔安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
2.根据权利要求1所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述冲击孔为圆柱形孔，且每排冲击孔中冲击孔之间的间距相等。
3.根据权利要求1所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述的发散孔为圆柱形孔。
4.根据权利要求1所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述导流板包含连接板和延伸板，所述连接板一端和延伸板的一端相连、另一端和待冷却壁面相连，所述延伸板的内壁和待冷却壁面平行。
5.根据权利要求4所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述延伸板在高温热介质流动方向上的截面为矩形。
6.根据权利要求4所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述延伸板在高温热介质流动方向上的截面为三角形。
7.根据权利要求4所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述连接板、延伸板的外壁在高温热介质流动方向呈流线型。
8.根据权利要求1所述的冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，所述若干排发散孔排列方式为顺排或叉排。
9.一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，其特征在于，包含前端壁面、连接壁面、待冷却壁面和导流板；
所述前端壁面、连接壁面、待冷却壁面均为承受高温热源的板型构件，其中，待冷却壁面其沿高温热介质的流动方向在上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；
所述前端壁面、待冷却壁面平行错位设置，所述连接壁面一端和前端壁面在高温热介质流动方向的末端相连，另一端和待冷却壁面在高温热介质流动方向的前端相连；
所述导流板设置在连接壁面和前端壁面的连接处、和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；
所述导流板的高温介质侧壁和前端壁面的高温介质侧壁在同一个平面上；
所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。
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