CN113669756B - 用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁及双效冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁及双效冷却方法，所述加力燃烧室的内壁包括气膜孔板和冲击孔板，在气模孔板和冲击孔板之间的空腔内矩阵排列有多个米字桁架，所述的米字桁架是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，三根桁架杆两端分别与冲击孔板和气膜孔层相连；在所述的气膜孔板上设置有气膜孔；在所述冲击孔板上设置有冲击孔。本发明隔热壁在对流通道中的两个两股纵向旋转涡加速换热，充分降低冲击孔板与气膜孔板之间的温度，加速减小气膜孔板上的冷却压力，并通过该结构在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触，提高加力燃烧室的寿命和可靠性，具有较好的力学性能。

Description

用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁及双效冷却方法

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体地说，涉及加力燃烧室双层壁隔热壁结构及冷却方法。

背景技术

超音速飞机发动机通常有加力燃烧室，超音速飞机十分强调飞机的加速性。发动机涡轮后的燃气中仍然含有一部分氧气，超音速飞机发动机在涡轮后设有加力燃烧室，将含氧燃气与外涵道的新鲜空气混合，再向其中喷入燃料，点火后继续燃烧，提高尾喷管出口的高温燃气速度，使发动机的推力在原有基础上进一步加大。加力通常用在起飞段以及需要迅速增速的机动飞行段，接通加力时推力通常可以增大50％～70％，流经加力燃烧室的燃气温度很轻松的超过2000K，已远远超过可用高温材料的耐热极限，这样就会出现强烈的压力振荡，这种现象称为振荡燃烧，振荡燃烧会引起结构零件振动、筒体过热熄火，甚至加力燃烧室损坏，因此，必须对加力燃烧室的承力结构进行有效的防护。

此前公开了几种加力燃烧室隔热屏，包括一种多孔波纹板加力燃烧室隔热屏(US005465572A)，其波纹状结构的伸缩性可以有效防止振动核筒体热变形造成的影响，又通过波纹板上离散气膜孔的冷却射流对隔热屏的高温燃气侧进行气膜冷却。然而，正是由于波纹状结构，冷却气膜射流难以覆盖整个表面，使其局部壁温过高，无法形成有效的气膜覆盖和换热；另外一种为带扰流柱的发散冷却隔热屏结构(US 20140096527A1)，通过发散的冷却形式在壁面形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的直接接触，同时，隔热屏冷气侧壁面上的扰流柱结构可以对冷气进行扰动混合，强化对流换热，使冷气带走更多的热量而降低壁温。然而，单纯的发散冷却形式难以使扰流柱发挥更好的作用，冷却流动混合不够强烈，无法提升其冷却效率。

基于以上的经验，结合传统的气膜冷却、冲击冷却等方式，专利(CN103968418A)公开了一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏。此结构包括靠近燃气侧带有气膜孔的壁面、靠近冷气侧带有冲击孔的壁面以及气膜孔板和冲击孔板之间的梯形强化框，这样就形成了冷气侧冲击冷却、内部对流换热和燃气测气膜覆盖的复合冷却形式。此种结构可以通过对流换热带走传入的热量，提高冷气利用率，同时具有较好的力学性能，然而，此结构并未考虑梯形强化框在内部对流换热的过程中带来的流动阻力。

随着超音速飞机发动机的发展，流经加力燃烧室的燃气温度不断提高。另外，随着主流燃烧需要的空气流量的增大，导致用于冷却的空气流量减少，因此，必须应用具有对超音速飞机发动机进行高效冷却能力的隔热屏结构，即以尽可能少的冷气空气达到更好的冷气效果，最大限制的降低超音速飞机发动机的温度。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种结构简单，力学性能良好，双层且双效帮助加力燃烧室内降温，提高发动机性能的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁及双效冷却方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，所述加力燃烧室的内壁包括气膜孔板和冲击孔板，在气模孔板和冲击孔板之间的空腔内矩阵排列有多个米字桁架，所述的米字桁架是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，三根桁架杆两端分别与冲击孔板和气膜孔层相连；

在所述的气膜孔板(1)上设置有气膜孔(5)；所述三根桁架杆在气膜孔板(1)上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，所述的气膜孔(5)设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且气膜孔(5)沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；

在所述冲击孔板(2)上设置有冲击孔(6)，所述三根桁架杆在冲击孔板(2)上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，所述的冲击孔(6)设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且冲击孔(6)沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；

所述多个米字桁架的矩阵排列具体为：以Sx为米字桁架轴向排布间距，Sz为米字桁架周向排布间距，H为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，d为米字桁架的直径，则两两米字桁架轴向和周向的设置距离为：

H≥Sx≥2d、H≥Sz≥2d；

所述的米字桁架在所述气膜孔板与冲击孔板之间的空腔的轴向上按照设置距离连续延展排布，在周向上按照设置距离交错延展排布。

进一步的，所述的气膜孔为与气膜孔板的法向夹角为20～60°的通孔，气膜孔的直径为0.3～10mm。

进一步的，所述的米字桁架直径d与冲击孔板和气膜孔板间距H的比值变化范围为：0.05～0.25。

进一步的，所述的冲击孔是冲击孔板的法向通孔；所述的冲击孔的直径为1～2mm。

进一步的，所述的米字桁架与所述的气膜孔板的壁面法向角度为θ，θ为30-60°；所述组成米字桁架的桁架杆长度为l，H为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，则l＝H/cosθ。

本发明还涉及一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁的双效冷却方法，包括以下步骤：

在所述冷气外涵道中的冷却气流的部分垂直与冲击孔板的冲击射流，经所述冲击孔板上的冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔；

进入气膜孔板和冲击孔板之间空腔的冲击射流，一部分为直接对所述的气膜孔板内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流，另一部分冲击所述的米字桁架，并与米字桁架表面碰撞形成环绕米字桁架的绕流，

由所述米字桁架环绕下降的绕流的一部分对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击，另一部分绕流与气膜孔板和冲击孔板之间的主气流混合，在沿气流流动方向上的米字桁架两侧形成两股充满米字桁架两侧空腔的纵向涡系，对气膜孔板和冲击孔板之间加强冷却；

所述对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击的绕流进入气膜孔板的气膜孔中形成气流射流，由气膜孔板的外壁面流出的气流射流形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道内主流高温燃气对燃烧室壁面的热负荷。

本发明的有益效果是：本发明提供的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其结构包括燃气侧气膜孔板、冷气侧冲击孔板以及连接气膜孔板和冲击孔板的米字桁架阵列结构，冲击孔板与加力燃烧室外壁面形成冷气涵道、气膜孔板为加力燃烧室的筒体内壁，米字桁架结构作为内部冷却结构，一方面，可以通过冲击-气膜的复合冷却方式在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触；另一方面，可以通过米字桁架结构对冲击射流进行扰动混合，沿气流流动方向上的米字桁架两侧形成两股纵向涡系，迅速将膜孔板和冲击孔板之间的热量带出，强化内部的对流换热，可以有效降低壁温，提高冷气利用率，对加力燃烧室起到了双效隔热、散热作用，实现了双效冷却；同时，米字桁架结构可以将冲击孔板和气膜孔板有效固定，增强其结构性能，提高加力燃烧室的寿命和可靠性，具有较好的力学性能。

附图说明

图1为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏结构示意图；

图2为本发明三杆米字桁架单元及其阵列结构图；

图3为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏在气流方向上的轴向剖面示意图；

图4为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏结构局部耦合作用示意图；

图5为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏在气流方向上的截面剖视示意图；

图中，1.气膜孔板、2.冲击孔板、3.米字桁架、4.燃烧室的外壁面、5.气膜孔、6.冲击孔、7.冷气外涵道、8.主流燃气涵道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：如图1-图3所示，一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，加力燃烧室的内壁包括气膜孔板1和冲击孔板2，在气模孔板1和冲击孔板2之间的空腔内矩阵排列有多个米字桁架3，所述的米字桁架3是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，三根桁架杆两端分别与冲击孔板2和气膜孔层1相连；米字桁架3直径d与冲击孔板2和气膜孔板1间距H的比值变化范围为：0.05～0.25。米字桁架3与所述的气膜孔板1的壁面法向角度为θ，θ为30-60°；组成米字桁架3的桁架杆长度为l，H为气膜孔板1与冲击孔板2之间的距离，则l＝H/cosθ。

多个米字桁架3的矩阵排列具体为：以Sx为米字桁架轴向排布间距，Sz为米字桁架周向排布间距，H为气膜孔板1与冲击孔板2之间的距离，d为米字桁架的直径，则两两米字桁架轴向和周向的设置距离为：

H≥Sx≥2d、H≥Sz≥2d；

米字桁架3在所述气膜孔板1与冲击孔板2之间的空腔的轴向上按照设置距离连续延展排布，在周向上按照设置距离交错延展排布。

在所述的气膜孔板1上设置有气膜孔5；所述三根桁架杆在气膜孔板1上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，所述的气膜孔5设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且气膜孔5沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；所述的气膜孔5为与气膜孔板1的法向夹角为20～60°的通孔，气膜孔5的直径为0.3～10mm。

在所述冲击孔板2上设置有冲击孔6，所述三根桁架杆在冲击孔板2上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，所述的冲击孔6设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且冲击孔6沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；所述的冲击孔6是冲击孔板2的法向通孔；所述的冲击孔6的直径为1～2mm。

如图3所示，本实施例为用于加力燃烧室的双层双效隔热壁，包括气膜孔板1、冲击孔板2、米字桁架3。燃气侧气膜孔板1为构成加力燃烧室筒体内壁，内侧为加力燃烧室主燃气涵道8，即加力燃烧室主流高温燃气A的流动通道；冷气侧冲击孔板2与外壁面4共同构成冷气涵道7；冲击孔板2与气膜孔板1之间设置有米字桁架3，共同形成双层壁隔热壁；冲击孔板2、气膜孔板1和米字桁架3在轴向为多个单元周期结构。由于米字桁架3与气膜孔板1和冲击孔板2采用点接触的焊接形式固定，构成结构性完整的一体化结构，同时在气模孔板1和冲击孔板2上设有的气膜孔5和冲击孔6均是与所述米字桁架3配合的单排孔，且在米字桁架3中心点上、下位置，使从冲击板2冲击射入的气流，能够在米字桁架3两侧纵向旋转涡，对所述的气膜孔板进行加强冷却。

图2中展示了米字桁架3阵列结构的排列方式。米字桁架3的三根桁架杆具有相同的倾斜角度、长度和直径，构成正多面体桁架结构。此多米字桁架3的两端与冲击孔板相连，相邻桁架杆在轴向X方向的间距Sz以及相邻两列米字桁架3在周向Z方向的列间距Sx可以为非恒定值。

随着其角度的变化，桁架杆长度变化，导热能力变化，对流体的流动阻力也发生变化；直径的增加或减小影响了固体率以及与流体接触面积的变化，直径影响了流动阻力和换热性能的变化。阵列结构的疏密程度可以由米字桁架3的间距来控制，当其间距为恒定值时，多面体桁架阵列即为规则的结构，而当阵列结构的形式发生变化时，其对冲击射流的扰动混合也发生变化，导致内冷结构冷却效率的变化和冷气用量的变化。

实施例2：如图4、图5所示，本发明还涉及一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁的双效冷却方法，包括以下步骤：

如图4所示，在所述冷气外涵道7中的冷却气流B的部分垂直与冲击孔板2的冲击射流C1，经所述冲击孔板2上的冲击孔6进入气膜孔板1和冲击孔板2之间的空腔；

进入气膜孔板1和冲击孔板2之间空腔的冲击射流C1，一部分为直接对所述的气膜孔板1内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流C3，另一部分冲击所述的米字桁架3，并与米字桁架3表面碰撞形成环绕米字桁架的绕流C2；

由所述米字桁架3环绕下降的绕流C2的一部分对气膜孔板1的内壁面进行扫掠和斜冲击，另一部分绕流C2与气膜孔板1和冲击孔板2之间的主气流混合，在沿气流流动方向上的米字桁架3两侧形成两股充满米字桁架3两侧空腔的纵向涡系C4，对气膜孔板1和冲击孔板2之间加强冷却；

所述对气膜孔板1的内壁面进行扫掠和斜冲击的绕流C2进入气膜孔板的气膜孔5中形成气流射流C5，由气膜孔板1的外壁面流出的气流射流C5形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道8内主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。

图5中展示了沿气流流动方向上的米字桁架3两侧形成两股纵向涡系C4，两股纵向涡系C4延伸在气流流动方向上，迅速将膜孔板1和冲击孔板2之间的热量带出，同时，由气膜孔5中流出至气膜孔板1外壁面又形成冷气隔热层，对加力燃烧室起到了双效隔热、散热作用，实现了双效冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其特征在于，所述加力燃烧室的内壁包括气膜孔板（1）和冲击孔板（2），在气模孔板（1）和冲击孔板（2）之间的空腔内矩阵排列有多个米字桁架（3），所述的米字桁架（3）是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，三根桁架杆两端分别与冲击孔板（2）和气膜孔板（1）相连；

在所述的气膜孔板（1）上设置有气膜孔（5）；所述三根桁架杆在气膜孔板（1）上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，所述的气膜孔（5）设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且气膜孔（5）沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；在所述冲击孔板（2）上设置有冲击孔（6），所述三根桁架杆在冲击孔板（2）上的三个连接点中，有两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，第三连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，所述的冲击孔（6）设置在所述的两个连接点和第三连接点之间，且冲击孔（6）沿周向上为至少三个孔组成的单排孔；

所述多个米字桁架的矩阵排列具体为：以Sx为米字桁架轴向排布间距，Sz为米字桁架周向排布间距，H为气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的距离，d为米字桁架的直径，则两两米字桁架轴向和周向的设置距离为：

H≥Sx≥2d、H≥Sz≥2d；

所述的米字桁架（3）在所述气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的空腔的轴向上按照设置距离连续延展排布，在周向上按照设置距离交错延展排布。

2.如权利要求1所述的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其特征在于，所述的气膜孔（5）为与气膜孔板（1）的法向夹角为20°～60°的通孔，气膜孔（5）的直径为0.3～10mm。

3.如权利要求1所述的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其特征在于，所述的米字桁架（3）直径d与冲击孔板（2）和气膜孔板（1）间距H的比值变化范围为：0.05～0.25。

4.如权利要求1所述的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其特征在于，所述的冲击孔（6）是冲击孔板（2）的法向通孔；所述的冲击孔（6）的直径为1～2mm。

5.如权利要求1-3任一所述的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁，其特征在于，所述的米字桁架与所述的气膜孔板（1）的壁面法向角度为θ，θ为30°～60°；组成米字桁架（3）的桁架杆长度为l，H为气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的距离，则l=H/cosθ。

6.如权利要求1-5任一所述的用于加力燃烧室腔体的双层双效隔热壁的双效冷却方法，其特征在于，

所述的冲击孔板（2）与隔热壁的外壁面（4）共同构成冷气外涵道（7），在所述冷气外涵道（7）中的冷却气流（B）的部分垂直与冲击孔板（2）的冲击射流（C1），经所述冲击孔板（2）上的冲击孔（6）进入气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间的空腔；

进入气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间空腔的冲击射流（C1），一部分为直接对所述的气膜孔板（1）内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流（C3），另一部分冲击所述的米字桁架（3），并与米字桁架（3）表面碰撞形成环绕米字桁架的绕流（C2），

由所述米字桁架（3）环绕下降的绕流（C2）的一部分对气膜孔板（1）的内壁面进行扫掠和斜冲击，另一部分绕流（C2）与气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间的主气流混合，在沿气流流动方向上的米字桁架（3）两侧形成两股充满米字桁架（3）两侧空腔的纵向涡系（C4），对气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间加强冷却；

所述对气膜孔板（1）的内壁面进行扫掠和斜冲击的绕流（C2）进入气膜孔板的气膜孔（5）中形成气流射流（C5），由气膜孔板（1）的外壁面流出的气流射流（C5）形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道（8）内主流高温燃气（A）对燃烧室壁面的热负荷。

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