CN113153573B - 压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法 - Google Patents

压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法，该压电式发汗冷却板包括：基底，其分为有孔区域和无孔区域，在基底上的有孔区域布满圆台状的微锥孔，各微锥孔均贯通于基底，且微锥孔的小直径端位于内侧面端；压电陶瓷环，为多个，间隔平贴在基底上的无孔区域，且位于外侧面壁面上；各压电陶瓷环的两相对壁面分别与交流电源的正负极相连接。压电陶瓷环用于：在接通交流电源时，压电陶瓷环产生周期性机械振动，带动基底做周期性变形振动，使各微锥孔发生形变。微锥孔用于：在发生形变的过程中，将冷却液挤入燃烧室内。使用该压电式发汗冷却板，解决了疏松多孔发汗冷却介质由于过热产生的流量分配不均的缺点。

Description

压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法
技术领域
本发明属于传热和流动技术领域，具体涉及压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法。
背景技术
发汗冷却技术可视为一种仿生技术,当被冷却表面处于高温环境时,通过“发汗”降低受热面的温度,进而达到热防护的目的。发汗冷却过程中，冷却流体通过外界泵压从压力仓流过多孔壁面，渗入主流中，在被保护壁面形成一层连续分布的膜结构，减弱高温主流向壁面的传热。发汗冷却按照传热结构可以分为多孔发汗冷却和层板发汗冷却。多孔发汗冷却结构简单，但是，当受热面出现局部过热时，会引起该处的局部流阻增加，发汗介质在此处的流强减小，使发汗介质不经过热区而由相通的多孔流道流向别处，继而出现局部过热处的扩大和恶化。层板发汗虽然通过控制流道的结构方法，克服了多孔发汗冷却可能出现的局部过热问题。但是，发汗层板结构工艺复杂，造价较高，且壁厚要求越薄，加工越困难。这些缺陷使得现有的发汗冷却方式在可重复使用运载器等应用场合的应用受到了阻碍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供压电式发汗冷却板、发动机燃烧室及冷却方法，使冷却液摆脱了对流动结构的依赖，解决了疏松多孔发汗冷却介质由于过热产生的流量分配不均的缺点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，压电式发汗冷却板，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；其朝向燃烧室内的一侧为内侧面，朝向冷却液流通通道的一侧为外侧面，包括：
基底，其分为有孔区域和无孔区域，在基底上的有孔区域布满圆台状的微锥孔，各微锥孔均贯通于基底，且微锥孔的小直径端位于内侧面端；
压电陶瓷环，为多个，均为圆环状，间隔平贴在基底上的无孔区域，且位于外侧面壁面上；各压电陶瓷环的两相对壁面分别与交流电源的正负极相连接。
压电陶瓷环用于：在接通交流电源时，压电陶瓷环产生周期性机械振动，带动基底做周期性变形振动，使各微锥孔发生形变。
微锥孔用于：在发生形变的过程中，各将冷却液挤入燃烧室内。
进一步地，各微锥孔的内径为微米量级。
进一步地，该基底采用弹性模量较小的金属板。
进一步地，该有孔区域和无孔区域间隔排布，且有孔区域的面积大于无孔区域的面积。
进一步地，该多个微锥孔均匀排布，横向成排，竖向成列。
本发明还公开了一种具有压电式发汗冷却的发动机燃烧室，使用上述的压电式发汗冷却板，火箭发动机燃烧室为带有夹层的壳体结构，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；冷却液流通通道的入口端用于与外界压力仓相连接；
压电式发汗冷却板用于：在接通交流电源时，压电式发汗冷却板振动弯曲，冷却液流通通道内的冷却液由各微锥孔流出，至燃烧室内壁面。
本发明还公开了一种基于压电材料的压电式发汗冷却方法，使用上述的压电式发汗冷却板，具体冷却方法如下：
接通交流电源，交流电的一个正弦波的变化周期对应于压电陶瓷环的一个振动周期，交流电的一个正弦波又平分为振动的前半周期和振动的后半周期；
在振动的前半周期，基板朝向冷却液侧振动弯曲，与冷却液液面接触；同时，各微锥孔发生形变，容积增大，冷却液由各微锥孔的大直径端流入锥孔内部；
在振动的后半周期，基板由冷却液侧朝向主流通道振动弯曲，反向振动弯曲，各微锥孔发生形变，容积减小，冷却液由各微锥孔的小直径端流出，至压电式发汗冷却板内侧面；
重复上述振动周期，冷却液持续由各微锥孔的小直径端流出。
本发明具有如下优点：1.通过交流电驱动压电陶瓷环产生高频振动和挤压，从而产生流量稳定的液滴，使冷却液彻底摆脱了对流动结构的依赖，解决了疏松多孔发汗冷却介质由于过热产生的流量分配不均，以及高孔隙率下带来的力学性能下降的缺点。2.压电陶瓷具有优良的力学性能和可加工性能，可以制成任意形状和大小，有效降低结构质量。3.可通过改变施加在压电陶瓷环上的电压幅值和频率的方式来调节冷却液流量。
附图说明
图1为本发明中压电式发汗冷却板的结构示意图；
图2为本发明中压电式发汗冷却板局部放大剖视图；
图3为本发明中微锥孔工作原理示意图；
其中：1.基底；2.微锥孔；3.压电陶瓷环。
具体实施方式
在本发明公开了一种压电式发汗冷却板，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；其朝向燃烧室内的一侧为内侧面，朝向冷却液流通通道的一侧为外侧面。
如图1和2所示，包括：基底1，其分为有孔区域和无孔区域，在基底1上的有孔区域布满圆台状的微锥孔2，各微锥孔2均贯通于基底1，且微锥孔2的小直径端位于内侧面端。
压电陶瓷环3，为多个，均为圆环状，间隔平贴在基底1上的无孔区域，且位于外侧面壁面上；各压电陶瓷环3的两相对壁面分别与交流电源的正负极相连接；压电陶瓷环3用于：在接通交流电源时，压电陶瓷环3产生周期性机械振动，带动基底1做周期性变形振动，使各微锥孔2发生形变；微锥孔2用于：在发生形变的过程中，各将冷却液挤入燃烧室内。
各微锥孔2的内径为微米量级。多个微锥孔2均匀排布，横向成排，竖向成列。微锥孔2采用激光加工，微锥孔2数量及孔径可根据对冷却剂流量需求计算。
在压电陶瓷环3的振动时，带动基底1产生振动，为了实现更好的振动，上述基底1采用弹性模量较小的金属板。基底1及压电陶瓷环3可采用不同的材料。基底1选择应综合考虑韧性和刚度性能，如选用钛合金Ti150A，压电陶瓷环3应选择介电常数大，压电性能和机电耦合系数好的材料，如锆钛酸铅PZT-4。
上述有孔区域和无孔区域间隔排布，且有孔区域的面积大于无孔区域的面积。压电陶瓷环3机械振动时，其所带动的基底1的有效面积为其圆环内面积的1.5倍左右，根据一个压电陶瓷环3所能带动的基底1的振动的有效面积，以确定有孔区域和无孔区域的面积大小。
本发明还公开了一种具有压电式发汗冷却的发动机燃烧室，使用上述的压电式发汗冷却板，火箭发动机燃烧室为带有夹层的壳体结构，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；冷却液流通通道的入口端用于与外界压力仓相连接；冷却液为吸热型碳氢燃料。
压电式发汗冷却板用于：在接通交流电源时，压电式发汗冷却板振动弯曲，冷却液流通通道内的冷却液由各微锥孔2流出，至燃烧室内壁面。
本发明还公开了一种基于压电材料的压电式发汗冷却方法，使用上述的压电式发汗冷却板，具体冷却方法如下：
接通交流电源，交流电的一个正弦波的变化周期对应于压电陶瓷环3的一个振动周期，交流电的一个正弦波又平分为振动的前半周期和振动的后半周期。
如图3所示，在振动的前半周期，基板1朝向冷却液侧振动弯曲，与冷却液液面接触；同时，各微锥孔2发生形变，容积增大，冷却液由各微锥孔2的大直径端流入锥孔内部；
在振动的后半周期，基板1由冷却液侧朝向主流通道振动弯曲，反向振动弯曲，各微锥孔2发生形变，容积减小，冷却液由各微锥孔2的小直径端流出，至压电式发汗冷却板内侧面；
重复上述振动周期，冷却液持续由各微锥孔2的小直径端流出，
压电发汗的原理完全不同于传统的疏松多孔发汗或者层板发汗，传统的发汗方式，例如疏松多孔发汗过于依赖流体在多孔材料孔隙内的流动，而液体在多孔介质内的流动和传热过程十分复杂且难以准确预测；层板发汗中流体更加依赖控制流道和散布流道的结构，且加工成本高昂。
图1为压电式发汗冷却板的结构示意图，图中以金属板为整体的基底1，锥孔在金属板上呈均匀排布，锥孔直径为微米量级。压电陶瓷环以粘接的方式与金属板相连接。
图2为压电式发汗冷却局部放大剖视图，陶瓷环与金属板紧贴，金属片打有圆台形状微锥孔群。在陶瓷与金属片两端连接高频交流电，利用压电陶瓷环3的LE振动模态，垂直于电场方向的长度伸缩振动模态，带动基底1做周期性变形振动，使冷却液从微锥孔2大直径端流入，并从小直径端流出，达到发汗的效果。
图3给出了在一个振动周期内，基底1上单个微锥孔2的形变过程。以图3中指示的上下方向为准，在振动的前半周期，金属片向下弯曲与液面接触，同时锥孔发生形变，容积增大，液体由微锥孔2大直径端流入锥孔内部；在振动的后半周期，基底1由最低点向上振动，锥孔容积不断减小，液体由微锥孔2小直径端流出形成液滴。基底1振动最低点即为微锥孔2容积最大处，金属板振动最高点即为微锥孔2容积最小处。根据微锥孔2容积的变化，可以预估每个周期内单个微锥孔2的流量，也可以推算出多个微锥孔2的单位时间内的流量。
本发明中的压电式发汗冷却可以通过改变施加在压电陶瓷环3两相对壁面的交流电电压来改变冷却剂的质量流率，通过提高或降低电压可以使压电陶瓷振动幅度增加或减小，从而提高或降低单位时间内冷却剂的质量流率。

Claims (7)

1.压电式发汗冷却板，其特征在于，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；其朝向燃烧室内的一侧为内侧面，朝向冷却液流通通道的一侧为外侧面，包括：
基底(1)，其分为有孔区域和无孔区域，在所述基底(1)上的有孔区域布满圆台状的微锥孔(2)，各所述微锥孔(2)均贯通于所述基底(1)，且所述微锥孔(2)的小直径端位于内侧面端；
压电陶瓷环(3)，为多个，均为圆环状，间隔平贴在所述基底(1)上的无孔区域，且位于外侧面壁面上；各所述压电陶瓷环(3)的两相对壁面分别与交流电源的正负极相连接；可通过改变施加在压电陶瓷环(3)两相对壁面的交流电电压来改变冷却剂的质量流率；
所述压电陶瓷环(3)用于：在接通所述交流电源时，所述压电陶瓷环(3)产生周期性机械振动，带动所述基底(1)做周期性变形振动，使各所述微锥孔(2)发生形变；
所述微锥孔(2)用于：在发生形变的过程中，将冷却液挤入所述燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的压电式发汗冷却板，其特征在于，各所述微锥孔(2)的内径为微米量级。
3.根据权利要求2所述的压电式发汗冷却板，其特征在于，所述基底(1)采用弹性模量较小的金属板。
4.根据权利要求3所述的压电式发汗冷却板，其特征在于，所述有孔区域和无孔区域间隔排布，且所述有孔区域的面积大于无孔区域的面积。
5.根据权利要求4所述的压电式发汗冷却板，其特征在于，多个所述微锥孔(2)均匀排布，横向成排，竖向成列。
6.一种具有压电式发汗冷却的发动机燃烧室，其特征在于，使用所述权利要求1-5中任一项所述的压电式发汗冷却板，所述火箭发动机燃烧室为带有夹层的壳体结构，该压电式发汗冷却板作为火箭发动机燃烧室的内壁，且其与火箭发动机燃烧室的外壁间形成冷却液流通通道；所述冷却液流通通道的入口端用于与外界压力仓相连接；
所述压电式发汗冷却板用于：在接通所述交流电源时，所述压电式发汗冷却板振动弯曲，所述冷却液流通通道内的冷却液由各所述微锥孔(2)流出，至燃烧室内壁面。
7.一种基于压电材料的压电式发汗冷却方法，其特征在于，使用权利要求1-5中任一项所述的压电式发汗冷却板，具体冷却方法如下：
接通所述交流电源，交流电的一个正弦波的变化周期对应于所述压电陶瓷环(3)的一个振动周期，交流电的一个正弦波又平分为振动的前半周期和振动的后半周期；
在振动的前半周期，所述基底(1)朝向冷却液侧振动弯曲，与冷却液液面接触；同时，各所述微锥孔(2)发生形变，容积增大，冷却液由各所述微锥孔(2)的大直径端流入锥孔内部；
在振动的后半周期，所述基底(1)由冷却液侧朝向主流通道振动弯曲，反向振动弯曲，各所述微锥孔(2)发生形变，容积减小，冷却液由各所述微锥孔(2)的小直径端流出，至压电式发汗冷却板内侧面；
重复上述振动周期，冷却液持续由各所述微锥孔(2)的小直径端流出。
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