CN112855280B - 基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔及其设计方法，设计出了棱柱形气膜孔、棱柱形扩张气膜孔、棱柱形扩张‑突扩气膜孔和圆‑棱柱形扩张‑突扩气膜孔。该气膜冷却孔的出口截面为六边形，该六边形两条长边的边长等于两条编织纬纱的宽度与编织间距之和，剩余四条短边边长由编织经纱决定；所述气膜孔的倾斜角度最小不低于70.5°；所述气膜冷却孔的进口截面包括六边形或圆形。本发明提出的大倾角气膜冷却孔能在气膜孔具有大倾斜角度，可充分重构气膜孔内部的流动特征和冷却气膜在材料表面的覆盖特性，又提高了编织陶瓷基复合材料构件的气膜综合冷却效率。
Description
技术领域
本发明属于高端装备制造产业领域，特别涉及一种基于陶瓷基复合材料的大倾角气 膜冷却孔及其设计方法。
背景技术
目前陶瓷基复合材料(CMC)已成为未来先进航空发动机热端部件的热门候选材料之一。CMC材料的安全使用温度可达1650℃左右(1923K)，但未来推重比为12-15 的航空涡轮发动机的燃烧室出口燃气温度高达2100K～2300K。而在火箭发动机以及使 用火箭基组合循环推进系统的高超音速飞行器的发动机中燃气温度更是高达 2400k-3600k(STEPHANS W.Evaluation of ultra-high temperature ceramics and coating systems fortheir application in or-bital and air-breathing propulsion[C]//18th AIAA/3AFInternational Space Planes and Hypersonic Systems and TechnologiesConference.Reston: AIAA,2012.)。尽管以2.5D编织型陶瓷基复合材料为代表的CMC材料，其安全使用 温度显著高于传统的镍基耐高温合金，但为了避免复合材料中各类增强相在高温下发生 氧化反应导致增韧效果降低，将编织型陶瓷基复合材料应用于燃烧室火焰筒、涡轮叶片 等高强度热负荷热端部件时，仍然需要对热端部件进行冷却。
气膜冷却技术是目前应用的最广泛的技术之一，针对现有气膜冷却技术应用时使用 的气膜冷却孔，气膜孔的倾斜角度对气膜冷却效果有重要的影响，较小的倾角有利于促进冷却射流与壁面保持附着，一般情况下该角度为25°～45°(Baldauf S,Scheurlen M,Schulz A,et al.Correlation of Film-Cooling Effectiveness from Ther-mographicMeasurements at EnginelikeConditions[J].Journal of Turbomachinery,2002,124:686–698.)。 但这些基于金属材料设计的气膜孔，都未能考虑CMC材料的编织结构特征，若把基于 金属材料设计的小倾角气膜孔直接应用于CMC材料，在气膜孔加工时会造成CMC材料中的增韧纤维大规模损坏，进而使得材料的机械性能大大降低，对材料的安全使用有 很大的威胁。但是圆柱形气膜孔在大倾角下又会使得气膜冷却效率显著下降(Foster N W,Lampard D.The Flow and Film Cooling Effectiveness Following Injection Througha Row of Holes[J].Journal of Engineering for Power,1980,102:584–588.)。
发明内容
为避免使用基于金属材料设计的小倾斜角气膜孔对CMC材料的编织结构造成破坏， 同时提高大倾斜角度下气膜冷却孔的综合冷却效率，本发明提出了一种基于陶瓷基复合 材料的大倾角气膜冷却孔及其设计方法。为航空发动机等先进推进系统的热端部件热防 护提供了技术支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔，所述气膜冷却孔的出口截面为六边形， 该六边形第一对边(1)和第二对边(2)长度相等，等于两条编织纬纱的宽度与编织间距之和，剩余四条短边边长由变形经纱决定，四条短边的长度与该处发生变形的经纱长 度一致；所述气膜冷却孔的进口截面包括六边形或圆形。
基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔的设计方法，包括以下步骤：
1)将所述气膜孔的进口截面等截面倾斜拉伸到出口截面，得到进出口形状大小一致的棱柱形气膜孔；
2)将所述气膜孔的进口截面变截面倾斜拉伸到出口截面，得到进出口形状一致大小成比例的扩张气膜孔；
3)将所述气膜孔的进口截面等截面倾斜拉伸出气膜孔的上半部分，再沿着该角度变截面拉伸下半部分，得到进出口形状一致大小成比例的棱柱形扩张-突扩气膜孔；
4)将所述气膜孔的进口截面先拉伸出一段圆柱段后，再从出口截面反向变截面拉伸，并与圆柱光滑过渡，得到进口截面为圆形，出口截面为六边形的圆-棱柱形扩张-突 扩气膜孔。
进一步的，所述步骤1)至步骤4)中气膜孔的倾斜角度最小不超过70.5°，在小角度内即可充分重构气膜孔内部的流动特征和冷却气膜在材料表面的覆盖特性，大倾斜角度则不会破坏或者尽量少破坏CMC材料内部的编织纤维。
进一步的，所述步骤2)和步骤3)中的变截面是指：保持气膜孔进出口形状一样 的同时，调整气膜孔进出口截面的大小比例，使得进出口气膜形状相同但大小比例不同。
进一步的，所述调整气膜孔进出口截面的大小比例包括调整进口截面大小为出口截 面的1/2。
进一步的，所述步骤3)中气膜孔上半部分的长度包括上半部分占总拉伸段的1/3。
进一步的，所述步骤4)中圆柱段的长度包括圆柱段占总拉伸段的1/3。
进一步的，所述步骤4)中圆形截面面积的大小包括圆形截面面积与出口截面面积相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中棱柱形气膜孔具有较大的气膜孔倾斜角度，能够在制造气膜冷却孔时不损 伤气膜孔周围的增韧纤维，同时在被保护壁面形成有效的保护气膜，取得较好的综合冷却效果。
圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔在棱柱形气膜孔的基础上进一步实现了对气膜孔内流场 结构的重构，使得气膜孔能够更好的附着在保护壁面上，能够用有效的保护壁面，取得 较为理想的冷却效果。
附图说明
图1为本发明气膜孔，其中，(a)棱柱形气膜孔及孔周围纤维示意图，(b)为棱 柱形扩张气膜孔及孔周围纤维示意图，(c)为棱柱形扩张-突扩气膜孔及孔周围纤维示 意图，(d)为圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔及孔周围纤维示意图；
图2为气膜孔倾斜角度及气流流向示意图；
图3为气膜覆盖面温度云图，其中，(a)传统圆柱气膜孔平板气膜面温度云图， (b)棱柱形气膜孔平板气膜面温度云图，(c)棱柱形扩张平板气膜面温度云图；(d) 为棱柱形扩张-突扩气膜面温度云图；(e)为圆-棱柱形扩张-突扩气膜面温度云图；
图4为气膜覆盖面上中心特征线上综合冷却效率分布图；
图5为不同孔型气流流线云图，其中，(a)传统圆柱气膜孔气流流线云图，(b)棱 柱形气膜孔气流流线云图，(c)棱柱形扩张气膜孔气流流线云图；(d)为棱柱形扩张- 突扩气膜孔气流流线云图；(e)为圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔气流流线云图；
其中，1-第一对边、2-第二对边。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明以2.5维编织结构复合材料平板为例阐述一种基于2.5D编织陶瓷基复合材料 (CMC)的大倾角气膜冷却孔。图1(a)所示为本发明中棱柱形气膜孔以及气膜孔周 围纤维的编织结构。气膜孔的进出口气膜孔形状，其形状为六边形，该六边形特征为第 一对边1和第二对边2长度相等，等于两条编织纬纱的宽度与编织间距之和，剩余四条 短边边长由变形经纱决定。将所述气膜孔的进口截面等截面倾斜拉伸到出口截面，即可 得到进出口形状一致，倾斜角度(如图2所示)为70.5°的气膜孔。
图1(b)所示为本发明棱柱形扩张气膜孔，该气膜孔进出口形状一样与本发明棱柱形气膜孔的截面形状一致，但棱柱形扩张气膜孔进出口的大小比例与棱柱形气膜孔不同，即出口气膜形状与棱柱形气膜孔大小一致，但进口截面积为出口的1/2，该气膜孔为进 口气膜孔形状沿70.5°的倾斜角度直接变截面拉伸到出口截面而来，气膜孔光滑过度内 部无突扩。
图1(c)所示为本发明棱柱形扩张-突扩气膜孔，该气膜孔拉伸时，先使其按照进口截面形状等截面拉伸气膜孔的上半部分，再沿着该角度变截面拉伸下半部分，即可得 到本发明中带有突扩的棱柱形扩张-突扩气膜孔。
图1(d)所示为本发明中棱柱形扩张-突扩气膜孔，该气膜孔成型方法与棱柱形扩张-突扩气膜孔一致，在气膜孔拉伸时，其进口形状由菱形变为圆形，先拉伸出一段圆 柱段后，再从出口截面反向变截面拉伸，并与圆柱光滑过渡，得到进口截面为圆形，出 口截面为六边形的圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔。
本发明以2.5D编织平板上分别采取传统圆柱气膜孔、棱柱形气膜孔、棱柱形扩张气膜孔、棱柱形扩张-突扩气膜孔和圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔时的气膜冷却数值模拟为例，阐述本发明的优势。
图3给出了在相同计算条件下，2.5D编织平板上分别采取传统圆柱气膜孔、棱柱形气膜孔、棱柱形扩张气膜孔、棱柱形扩张-突扩气膜孔和圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔时平板气膜覆盖面温度云图。由图3可知，采取本文气膜孔的平板其气膜覆盖面上的温度 均要低于采取传统圆柱气膜孔的平板。其中传统圆柱气膜孔的平板气膜覆盖面上的温度 明显要高于采取棱柱形气膜孔和圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔的平板气膜覆盖面上的温度，同时采取圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔的平板气膜覆盖效果要好于采取棱柱形气膜孔的平板，即采取圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔的平板气膜覆盖面上温度要低于采取棱柱形气膜孔的平板气膜覆盖面上温度。
图4给出了分别采取三种气膜孔时气膜中心特征线上的气膜综合冷却效率分布图。 由图4可知，棱柱形气膜孔、棱柱形扩张气膜孔、棱柱形扩张-突扩气膜孔特征线上的气膜综合冷却效率明显高于传统圆柱气膜孔，棱柱形气膜孔与传统圆柱气膜孔相比，其 气膜综合冷却效率提高了5％～10％左右。圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔会使得气膜冷却效 率在棱柱形气膜孔的基础上得到进一步的提升，尤其在气膜孔下游最大提升约18％。
图5分别给出了三种气膜孔气流流线云图。由图5(a)传统圆柱气膜孔气流流线云图可知，冷气垂直流过气膜孔后，在热气的压迫下覆盖在平板壁面上，能够形成有效的 气膜保护平板。但是从图5(a)中可知冷气以垂直方向冲入热气中，冷气由于是由圆柱 气膜孔流出，其在流出以后总体保持一个狭窄的长圆柱状，未能充分覆盖在壁面上。由 图5(b)棱柱形气膜孔气流流线云图可知，由于气膜孔出口为狭长的六边形，因此气膜 得以很好的贴合在壁面上，进而使得棱柱形气膜孔的综合冷却效率相比传统圆柱气膜孔 的综合冷却效率有显著提升。由图5(c)和图5(d)棱柱形扩张气膜孔、棱柱形扩张- 突扩气膜孔气流流线云图可知，虽然与传统圆柱孔相比其气膜覆盖效果更好，但是与棱 柱形气膜孔相比，有部分热气入侵进入到气膜孔内部，也使得这两种孔型的气膜综合冷 却效率与棱柱形气膜孔相比有所降低。由图5(e)圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔气流流线 云图可知，圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔在棱柱形气膜孔的基础上进一步改善了气膜在壁 面上的覆盖效果，几乎覆盖了气膜孔下游的整个壁面，因此圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔 可以取得较为理想的气膜综合冷却效果。
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 (8)
1.基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述气膜孔的进口截面等截面倾斜拉伸到出口截面，得到进出口形状大小一致的棱柱形气膜孔；
2)将所述气膜孔的进口截面变截面倾斜拉伸到出口截面，得到进出口形状一致大小成比例的扩张气膜孔；
3)将所述气膜孔的进口截面等截面倾斜拉伸出气膜孔的上半部分，再变截面倾斜拉伸到出口截面，得到进出口形状一致大小成比例的棱柱形扩张-突扩气膜孔；
4)将所述气膜孔的进口截面先拉伸出一段圆柱段后，再从出口截面反向变截面拉伸，并与圆柱光滑过渡，得到进口截面为圆形，出口截面为六边形的圆-棱柱形扩张-突扩气膜孔。
2.根据权利要求1所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤1)至步骤4)中气膜孔的倾斜角度最小不低于70.5°。
3.根据权利要求1所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中的变截面是指：保持气膜孔进出口形状一样的同时，调整气膜孔进出口截面的大小比例，使得进出口气膜形状相同但大小比例不同。
4.根据权利要求3所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述调整气膜孔进出口截面的大小比例包括调整进口截面大小为出口截面的1/2。
5.根据权利要求1所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中气膜孔上半部分的长度包括上半部分占总拉伸段的1/3。
6.根据权利要求1所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤4)中圆柱段的长度包括圆柱段占总拉伸段的1/3。
7.根据权利要求1所述的大倾角气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤4)中圆形截面面积的大小包括圆形截面面积与出口截面面积相等。
8.根据权利要求1-7任一所述方法制作的基于陶瓷基复合材料的大倾角气膜冷却孔，其特征在于，所述气膜冷却孔的出口截面为六边形，该六边形第一对边(1)和第二对边(2)长度相等，等于两条编织纬纱的宽度与编织间距之和，剩余四条短边边长由变形经纱决定，四条短边的长度与该处发生变形的经纱长度一致；所述气膜冷却孔的进口截面包括六边形或圆形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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