CN112855281A - 基于2.5d编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔及其设计方法 - Google Patents

基于2.5d编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔及其设计方法，通过编织纬纱的弯连钩回和编织经纱的挤压变形最终形成十面体直孔气膜孔；通过改变气膜孔周围编织经纱的数目以及挤压变形的程度，进而对十面体直孔气膜孔的形状进行调整，得到台阶直孔气膜孔、第一台阶半斜气膜孔、第二台阶半斜气膜孔和台阶全斜气膜孔。本发明提出的台阶气膜冷却孔能够在不破坏2.5D编织陶瓷基复合材料编织纤维的同时，结合纤维的编织结构，更好的组织气流流经气膜孔时的流场，进而改善冷却气膜在材料表面的覆盖特性，最终有效提高2.5D编织陶瓷基复合材料构件的气膜综合冷却效率。

Description

基于2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔及其设计 方法
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2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶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。显然未来先进火箭发动机以及航空发动机高温部件的工作温度依然高于CMC温度极限，高温环境下CMC中纤维增强相因高温发生氧化反应而降低机械性能，同时高温环境下高温度梯度导致的热应力也对CMC高温部件的可靠性构成威胁。因此为了保证CMC高温部件的安全工作，需要对其采取冷却措施。
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冷却气膜孔，其形状设计大多基于传统金属材料，大多包括圆孔、收敛缝形、converging-slot、以及矩形等。但这些基于金属材料设计的叶片，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。
为避免使用基于金属材料设计的气膜孔对CMC材料的编织结构造成破坏，本发明提出了一种基于2.5D编织陶瓷基复合材料(CMC)的台阶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。
发明内容
本发明针对编织CMC材料在高温构件应用中需要对其采取气膜冷却措施以保证CMC高温构件安全工作，考虑到目前基于金属材料设计的气膜孔直接应用在CMC材料上会损伤CMC的增韧纤维，降低CMC构件的机械性能，对CMC构件安全工作造成影响；同时考虑到工程实际应用，气膜孔要便于工程制造，取得较好的冷却效果。本发明提供了一种基于2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔及其设计方法，该台阶气膜冷却孔能够在制造冷却气膜孔时不损伤气膜孔周围的增韧纤维，同时本发明提出的台阶气膜冷却孔冷却结构在工程上便于加工，且具有较好的冷却效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔的设计方法，包括以下步骤：
1)通过编织纬纱的弯连钩回和编织经纱的挤压变形最终形成一个八棱柱，即十面体直孔气膜孔；
2)通过改变气膜孔周围编织经纱的数目以及挤压变形的程度，进而对步骤1)中的十面体直孔气膜孔形状进行调整，得到台阶气膜孔；
2.1)将步骤1)中所述十面体直孔气膜孔水平分成三部分，分为上部、中部和下部八棱柱；将上部和下部八棱柱分别截去一个多棱柱，形成由两个多棱柱和一个八棱柱组成的台阶直孔气膜孔；
2.2)对步骤2.1)中所述台阶直孔气膜孔中的两个多棱柱的形状进行调整，通过在现有多棱柱的台阶端沿台阶线截去一个多面体，进而使得台阶直孔气膜孔由直孔变为斜孔，得到台阶斜孔气膜孔；
2.2.1)当其中一个多棱柱截去一个多面体时，得到第一台阶半斜气膜孔和第二台阶半斜气膜孔；
2.2.2)当两个多棱柱同时截去一个多面体时，得到台阶全斜气膜孔。
进一步的，所述步骤1)中十面体直孔气膜孔的截面为八边形，所述八边形的第一长边和第二长边的长度相等，其长度是由编织纬纱的宽度决定的，第一短边和第二短边的长度相等，其长度是由编织经纱的间距决定的，其余四条边的边长是根据气膜孔周围经纱的变形决定的。
进一步的，所述步骤2.1)中多棱柱的截去方法为：从所述上部八棱柱位于外部的底面上取一条截线，沿着该截线竖直向下的平面即为多棱柱的截面；所述下部八棱柱与上部八棱柱的截去方法相同，下部八棱柱的截线与上部八棱柱的截线平行，多棱柱截去方向相反。
进一步的，所述多棱柱的截面与八棱柱底面相交的线即为台阶线。
进一步的，所述步骤2.2)中的多面体的截去方法为：从所述多棱柱位于外部的底面上取一条与台阶线平行的截线，该截线与台阶线确定的平面即为所述多面体的截面。
进一步的，所述步骤2.2)中斜孔的角度为30°～75°。
基于上述设计方法制作的2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中十面体直孔气膜孔能够在制造冷却气膜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。
台阶直孔气膜孔在十面体直孔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，进一步提高了气膜的综合冷却效果。
第一台阶半斜气膜孔、第二台阶半斜气膜孔以及台阶全斜气膜孔在台阶直孔气膜孔的基础上进一步调整了气膜孔内气流流动的角度，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)为十面体直孔气膜孔及孔周围纤维示意图，(b)为台阶直孔气膜孔及孔周围纤维示意图，(c)为第一台阶半斜气膜孔及孔周围纤维示意图，(d)为第二台阶半斜气膜孔及孔周围纤维示意图，(e)为台阶全斜气膜孔及孔周围纤维示意图；
图2为由台阶直孔气膜孔得到第一台阶半斜气膜孔的示意图；
图3为本发明气膜孔周围局部放大图，其中：(a)十面体直孔气膜孔及孔周围纤维局部放大示意图；(b)台阶直孔气膜孔及孔周围纤维示局部放大示意图，(c)为第一台阶半斜气膜孔及孔周围纤维示局部放大示意图，(d)为第二台阶半斜气膜孔及孔周围纤维示局部放大示意图，(e)为台阶全斜气膜孔及孔周围纤维示局部放大示意图；
图4为气膜覆盖面温度云图，其中：(a)十面体直孔气膜孔平板气膜面温度云图，(b)台阶直孔气膜孔平板气膜面温度云图，(c)台阶全斜气膜孔平板气膜面温度云图；
图5为气膜覆盖面上中心特征线上综合冷却效率分布图；
图6为气膜孔内气流流线云图，其中：(a)十面体直孔气膜孔气流流线云图，(b)台阶直孔气膜孔气流流线云图，(c)台阶全斜气膜孔气流流线云图。
其中：1-十面体直孔气膜孔、2-台阶直孔气膜孔、3-第一台阶半斜气膜孔、4-第二台阶半斜气膜孔、5-台阶全斜气膜孔、1-1-第一长边、1-2-第二长边、1-3-第一短边、1-4-第二短边。
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)的台阶气膜冷却孔。图1(a)为本发明中截面为八边形的十面体直孔气膜孔1的形状以及气膜孔周围纤维的编织结构。通过编织纬纱的弯连钩回和编织经纱的挤压变形最终形成一个八棱柱，即十面体直孔气膜孔1。由图3(a)可知，该十面体直孔气膜孔1的截面形状是根据气膜孔周围的编织纤维决定的，在八边形截面的边长比例中，第一长边1-1和第二长边1-2的长度相等，其长度是由编织纬纱的宽度决定的，第一短边1-3和第二短边1-4的长度相等，其长度是由编织经纱的间距决定的，其余四条边的边长是根据气膜孔周围经纱的变形决定的。
图1(b)为本发明中台阶直孔气膜孔2的形状以及气膜孔周围纤维的编织结构。由图3(b)可知，该台阶直孔气膜孔2是在本发明中十面体直孔气膜孔1的基础上进一步改型而来的。将所述十面体直孔气膜孔1水平分成三部分，分为上部、中部和下部八棱柱；将上部和下部八棱柱分别截去一个多棱柱，形成由两个多棱柱和一个八棱柱组成的台阶直孔气膜孔2。多棱柱的截去方法为：从所述上部八棱柱位于外部的底面上取一条截线，沿着该截线竖直向下的平面即为多棱柱的截面；所述下部八棱柱与上部八棱柱的截去方法相同，下部八棱柱的截线与上部八棱柱的截线平行，多棱柱截去方向相反。所述多棱柱的截面与八棱柱底面相交的线即为台阶线。与十面体直孔气膜孔1周围经纱全部发生变形不同，在台阶直孔气膜孔2周围的部分经纱为发生变形，而这些为发生变形的纤维会挤占气膜孔的部分位置，进而使得气膜孔会呈台阶状，其中台阶的高度可以通过与变形纤维个数相适应来调节，本发明展示的台阶直孔气膜孔2实施例中孔周围共有8条经纱未发生变形，这八条未发生变形的纤维分别位于气膜孔前缘靠近气膜覆盖壁面处以及气膜孔后缘靠近冷侧壁面。
对所述台阶直孔气膜孔2中的两个多棱柱的形状进行调整，通过在现有多棱柱的台阶端沿台阶线截去一个多面体，进而使得台阶直孔气膜孔2由直孔变为斜孔，得到台阶斜孔气膜孔；多面体的截去方法为：从所述多棱柱位于外部的底面上取一条与台阶线平行的截线，该截线与台阶线确定的平面即为所述多面体的截面。
图1(c)为本发明中第一台阶半斜气膜孔3的形状以及气膜孔周围纤维的编织结构。由图3(c)可知，该第一台阶半斜气膜孔3是在本发明中台阶直孔气膜孔2的基础上进一步改型而来的，即在台阶气孔的上台阶上去掉一个多面体得到的。
图1(d)为本发明中第二台阶半斜气膜孔4的形状以及气膜孔周围纤维的编织结构。由图3(d)可知，与第一台阶半斜气膜孔3相同，第二台阶半斜气膜孔4是在本发明中台阶直孔气膜孔2的基础上进一步改型而来的。但与第一台阶半斜气膜孔3不同的是，第二台阶半斜气膜孔4是在台阶气孔的下台阶上去掉一个多面体得到的。
图1(e)为本发明中台阶全斜气膜孔5的形状以及气膜孔周围纤维的编织结构。由图3(e)可知，台阶全斜气膜孔5是第一台阶半斜气膜孔3与第二台阶半斜气膜孔4组合，台阶全斜气膜孔5同时在台阶气孔的下台阶和上台阶去掉一个多面体得到的，通过调整上下台阶所去掉的多面体形状，集合组合实施得到具有不同斜孔角度的台阶全斜气膜孔5。
具体的多面体大小及比例可以根据实际需求进行调整，调整时台阶高度根据台阶直孔气膜孔2中孔周围未发生变形的经纱数目进行调整，若需要台阶高度变低则减少相应未变形经纱数目；调整时还可以通过改变多面体三角形截面的形状来调整台阶斜孔气膜孔斜面倾角，倾角角度可以在30°～75°间变化。
本发明以2.5D编织平板上分别采取十面体直孔气膜孔1、台阶直孔气膜孔2和台阶全斜气膜孔5时的气膜冷却数值模拟为例，阐述本发明的优势。
图4给出了在相同计算条件下，2.5D编织平板上分别采取十面体直孔气膜孔1、台阶直孔气膜孔2和台阶全斜气膜孔5时平板气膜覆盖面温度云图。由图4可知，采取十面体直孔气膜孔1的平板气膜覆盖面上的温度明显要高于采取台阶直孔气膜孔2和台阶全斜气膜孔5的平板气膜覆盖面上的温度，同时采取台阶全斜气膜孔5的平板气膜覆盖效果要好于采取台阶直孔气膜孔2的平板，即采取台阶全斜气膜孔5的平板气膜覆盖面上温度要低于采取台阶直孔气膜孔2的平板气膜覆盖面上温度。
图5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5可知，台阶直孔气膜孔2特征线上的气膜综合冷却效率明显高于十面体直孔气膜孔1，尤其在气膜孔下游(图中Y/D>2.5D(D为气膜孔的特征直径))处，台阶直孔气膜孔2与十面体直孔气膜孔1相比，其气膜综合冷却效率提高了10％左右。台阶全斜气膜孔5会使得气膜冷却效率在台阶直孔气膜孔2基础上得到进一步的提升，尤其在气膜孔下游0D<Y/D<5D处得到显著提升，最大提升约25％。
图6分别给出了三种气膜孔孔内气流流线云图。由图6(a)十面体直孔气膜孔1气流流线云图可知，冷气垂直流过十面体直孔气膜孔1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。但是从图中可知由于冷气垂直冲入热气中，冷气会与热气掺混进而使得气膜的温度上升，进而不利于降低平板的温度。由图6(b)台阶直孔气膜孔2气流流线云图可知，冷气垂直流入气膜孔后一部分直接冲击在台阶上，带走平板气膜孔附近更多的热量，同时冲击使得气流发生一定的偏转，不再直接垂直冲入热气中，更有利于了气膜的覆盖，以上两种的共同作用下使得台阶直孔气膜孔2的综合冷却效率相比十面体直孔气膜孔1的综合冷却效率有显著提升。但是台阶直孔气膜孔2中冷气冲击发生偏转，也使得部分热气进入气膜孔内，这不利于提高气膜的综合冷却效率。台阶全斜气膜孔5可以有效的避免热气就入气膜孔内，由图6(b)台阶全斜气膜孔5气流流线云图可知，冷气在冲击台阶面后沿着壁面以一定角度射入热气中，台阶全斜气膜孔5克服了台阶直孔气膜孔2的缺陷，因此台阶全斜气膜孔5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 (7)

1.基于2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过编织纬纱的弯连钩回和编织经纱的挤压变形最终形成一个八棱柱，即十面体直孔气膜孔(1)；
2)通过改变气膜孔周围编织经纱的数目以及挤压变形的程度，进而对步骤1)中的十面体直孔气膜孔(1)形状进行调整，得到台阶气膜孔；
2.1)将步骤1)中所述十面体直孔气膜孔(1)水平分成三部分，分为上部、中部和下部八棱柱；将上部和下部八棱柱分别截去一个多棱柱，形成由两个多棱柱和一个八棱柱组成的台阶直孔气膜孔(2)；
2.2)对步骤2.1)中所述台阶直孔气膜孔(2)中的两个多棱柱的形状进行调整，通过在现有多棱柱的台阶端沿台阶线截去一个多面体，进而使得台阶直孔气膜孔(2)由直孔变为斜孔，得到台阶斜孔气膜孔；
2.2.1)当其中一个多棱柱截去一个多面体时，得到第一台阶半斜气膜孔(3)和第二台阶半斜气膜孔(4)；
2.2.2)当两个多棱柱同时截去一个多面体时，得到台阶全斜气膜孔(5)。
2.根据权利要求1所述的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中十面体直孔气膜孔(1)的截面为八边形，所述八边形的第一长边(1-1)和第二长边(1-2)的长度相等，其长度是由编织纬纱的宽度决定的，第一短边(1-3)和第二短边(1-4)的长度相等，其长度是由编织经纱的间距决定的，其余四条边的边长是根据气膜孔周围经纱的变形决定的。
3.根据权利要求1所述的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤2.1)中多棱柱的截去方法为：从所述上部八棱柱位于外部的底面上取一条截线，沿着该截线竖直向下的平面即为多棱柱的截面；所述下部八棱柱与上部八棱柱的截去方法相同，下部八棱柱的截线与上部八棱柱的截线平行，多棱柱截去方向相反。
4.根据权利要求3所述的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述多棱柱的截面与八棱柱底面相交的线即为台阶线。
5.根据权利要求1所述的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤2.2)中的多面体的截去方法为：从所述多棱柱位于外部的底面上取一条与台阶线平行的截线，该截线与台阶线确定的平面即为所述多面体的截面。
6.根据权利要求1所述的台阶气膜冷却孔的设计方法，其特征在于，所述步骤2.2)中斜孔的角度为30°～75°。
7.基于权利要求1-6任一所述的设计方法制作的2.5D编织陶瓷基复合材料的台阶气膜冷却孔。
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