CN114440260B - 燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机热防护技术，具体涉及燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，以解决现有发动机燃烧室高热流区域凹腔采用的主动冷却装置存在换热效率低且使用性能差的问题。本发明所采用的技术方案为：一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，包括外壳体、冷却槽道和定向发汗冷却面板；外壳体背面设置在燃烧室内壁上，外壳体正面设置有凹腔内安装有冷却槽道和定向发汗冷却面板，外壳体的背面设置有进油阀和出油阀，进油阀用于获取燃烧室的燃油供应管路中煤油，出油阀用于向喷注器燃油进口提供煤油。

Description

燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置
技术领域
本发明涉及发动机热防护技术，具体涉及燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置。
背景技术
飞行器在高超声速飞行条件下，发动机前方来流总温最高约为2100K，燃烧室内燃气温度更是高达3000K，燃烧室承受高温气流的高速冲刷。发动机高热流区域作为一种发动机的火焰稳定装置，内部燃气流场复杂，换热系数约为2kW/㎡，换热总热流高达2MW/㎡，热环境极其恶劣。
发动机工作时间小于300s，可以采用复合材料、耐高温合金辅以耐高温热障涂层的方法解决其热防护问题。发动机工作时间大于300s小于3000s时，采用流量有限的燃料对其进行主动冷却，并辅以液/气膜、冲击换热等冷却技术。发动机工作时间超过3000s时，受燃料高温结焦特性和燃料流量小等限制，则无法满足可靠冷却。
发动机高热流区域若采用燃料主动冷却，燃料最高温度约为750℃，热结构壁材温度高达1100℃，目前发动机壁面的高温合金可以短时间使用，长时间使用将会应力集中并引发热胀、疲劳烧蚀等故障。
发明内容
本发明在于解决目前发动机燃烧高热流区域采用燃料进行主动冷却时存在换热效率低且使用性能差的问题，而提供一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置。
本发明所采用的技术方案为：一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，包括外壳体、冷却槽道和定向发汗冷却面板；
外壳体的背面与燃烧室内壁固连，外壳体的正面设置有凹腔；
凹腔的底部开设有多条冷却槽道，定向发汗冷却面板安装在多条冷却槽道上，从而使得多条冷却槽道与定向发汗冷却面板之间形成介质流体的冷却通道；
外壳体的背面上设置有进油阀和出油阀；
进油阀的出口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体的背面后与冷却槽道进口端连接，进油阀的入口端与燃烧室的煤油供应管路出口连接；
出油阀的入口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体的背面后与冷却槽道出口端连接，出油阀的出口端与喷注器燃油进口连接。
进一步地，所述定向发汗冷却面板采用直径为10～100μm的GH3128金属丝网制备；所述定向发汗冷却面板的制备工艺过程为：拉丝、编织、烧结和轧制，所述定向发汗冷却面板的流阻损失与发汗量通过定向发汗冷却面板的丝网间隙和定向发汗孔控制。
进一步地，所述定向发汗冷却面板渗出的发汗冷却剂流动方向与其壁面的夹角为0°～10°。
进一步地，所述GH3128金属丝网在常温状态时，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥180MPa；所述GH3128金属丝网在950℃状态时，抗拉强度≥100MPa，屈服强度≥50MPa。
进一步地，所述定向发汗冷却面板焊接在冷却槽道上，所述定向发汗冷却面板为矩形板状；所述定向发汗冷却面板的长度范围为230mm±5mm，宽度范围为200mm±5mm，厚度范围为8mm±1mm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
一、本发明采用的一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，使用常温航空煤油作为发汗冷却剂，不需要额外提供发汗冷却剂，适应的温度范围为300K～1000K，满足了燃烧室的高温环境要求；
煤油在定向发汗冷却面板上发汗蒸发流动时，进行不饱和吸热、相变吸热、化学裂解吸热等物理或化学热沉，吸热量约为3.5MJ/kg，单位体积煤油带走的热量多，实现了较小发汗冷却剂流量冷却较大热结构面积，提高了定向发汗冷却面板换热效率。
二、本发明为一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，通过煤油和定向发汗冷却面板的配套使用，使定向发汗冷却面板上发汗冷却剂的发汗量≤20～100g/(m2·s)，当定向发汗冷却面板的发汗量为100g/(m2·s)时，定向发汗面板两侧的发汗冷却剂压降≤3.0MPa，发汗冷却剂的发汗剂量与定向发汗冷却面板的流阻匹配性更好，定向发汗冷却面板冷却效果更佳。
三、本发明为一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，定向发汗冷却面板采用直径为10～100μm的GH3128金属丝网，GH3128金属丝网通过拉丝、编织、烧结和轧制制备，GH3128金属丝网的丝材直径变粗，GH3128金属丝网在950℃状态时，抗拉强度≥100MPa，屈服强度≥50MPa，较其他材料强度大，延长了定向发汗冷却面板的使用寿命，而且GH3128金属丝网的丝材直径变粗，提升了定向发汗冷却面板的发汗冷却效果。
四、本发明为一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，定向发汗冷却面板采用的GH3128金属丝网，GH3128金属丝网在650℃的高温煤油长时间浸泡后材料表面积碳结焦量上少、力学性能未衰减、材料的金像组织未发生较大变化，保证了其在高温高热流长时间工作时的力学性能。
五、本发明采用的一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，定向发汗冷却面板渗出的发汗冷却剂流动方向与其壁面的夹角为小于10°，实现较小的发汗剂量冷却较大的热结构面积。
六、本发明采用的一种燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，采用的矩形发汗面板，尺寸大，可应用于高热流区域凹腔的热气侧，提供较大的换热面积，可以满足长时间工作需求。
附图说明
图1为本发明燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置的正面视角立体结构图。
图2为本发明燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置的背面视角立体结构图。
图3为本发明燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置定向发汗冷却面板两侧的煤油介质压差与煤油发汗流量关系图；其中横坐标为煤油发汗流量qm，单位为ml/min，当冷却剂为常温煤油，1ml/min相当于0.013g/s；纵坐标为煤油介质压差Δp，单位为bar。
图4为本发明燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置定向发汗冷却面板的微观尺度图。
图中：
1-外壳体，11-凹腔，2-冷却槽道，3-定向发汗冷却面板，4-进油阀，5-出油阀。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1和图2所示，本实施例中的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，包括外壳体1、冷却槽道2和定向发汗冷却面板3；
外壳体1的背面与燃烧室内壁固连，外壳体1的正面设置有凹腔11；
所述凹腔11的底部开设有多条冷却槽道2，定向发汗冷却面板3安装在多条冷却槽道2上，从而使得多条冷却槽道2与定向发汗冷却面板3之间形成介质流体的冷却通道；
外壳体1的背面上设置有进油阀4和出油阀5；
进油阀4的出口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体1的背面后与冷却槽道2进口端连接，进油阀4的入口端与燃烧室的煤油供应管路出口连接；
出油阀5的入口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体1的背面后与冷却槽道2出口端连接，出油阀5的出口端与喷注器燃油进口连接。
由于发汗面板的冷却效果由介质流体流阻决定，如图3所示，其中Δp为试验测试值，可以得出定向发汗冷却面板3的发汗量与煤油介质的流阻(即煤油介质压差)近似正比关系，当定向发汗冷却面板的发汗量为100g/(m2·s)时，定向发汗面板两侧的煤油介质压差压降≤3.0MPa，发汗冷却剂的发汗剂量与定向发汗冷却面板的流阻匹配性更好，煤油介质流阻越大冷却效果越好；
定向发汗冷却面板3采用直径为10～100μm的GH3128金属丝网制备；定向发汗冷却面板3的制备工艺过程为：拉丝、编织、烧结和轧制。
定向发汗冷却面板3的流阻损失与发汗量通过定向发汗冷却面板3的丝网间隙和定向发汗孔控制。由图4可得出，定向发汗冷却面板经过拉丝、编织、烧结和轧制后，丝材直径变粗和孔隙率变大，丝材直径达到10～15μm，提高了发汗冷却面板的换热面积，达到发汗冷却效果。
本实施例中定向发汗冷却面板3渗出的发汗冷却剂流动方向与其壁面的夹角为小于10°，实现较小的发汗剂量冷却较大的热结构面积。
本实施例中GH3128金属丝网在常温状态时，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥180MPa；GH3128金属丝网在950℃状态时，抗拉强度≥100MPa，屈服强度≥50MPa。
本实施例中定向发汗冷却面板3焊接在冷却槽道2上，定向发汗冷却面板3为矩形板状；定向发汗冷却面板3的长度为230mm，宽度为200mm，厚度为8mm。
本发明燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置使用时，首先控制进油阀4打开，煤油从燃烧室的煤油供应管路出口进入冷却槽道2，煤油填充冷却槽道2并且对定向发汗冷却面板3进行冷却换热，煤油换热时，会对定向发汗冷却面板3进行主动冷却发汗，带走燃烧室中的热量；其次，换热后煤油从出油阀5流出后，依次经过喷注器燃油进口和出口后，进入燃烧室进行循环利用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：
包括外壳体(1)、冷却槽道(2)和定向发汗冷却面板(3)；
所述外壳体(1)的背面与燃烧室内壁固连，外壳体(1)的正面设置有凹腔(11)；
所述凹腔(11)的底部开设有多条冷却槽道(2)，定向发汗冷却面板(3)安装在多条冷却槽道(2)上，从而使得多条冷却槽道(2)与定向发汗冷却面板(3)之间形成介质流体的冷却通道；
所述外壳体(1)的背面上设置有进油阀(4)和出油阀(5)；
所述进油阀(4)的出口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体(1)的背面后与冷却槽道(2)进口端连接，进油阀(4)的入口端与燃烧室的煤油供应管路出口连接；
所述出油阀(5)的入口端依次穿过燃烧室内壁、外壳体(1)的背面后与冷却槽道(2)出口端连接，出油阀(5)的出口端与喷注器燃油进口连接；
所述定向发汗冷却面板(3)采用直径为10～100μm的GH3128金属丝网制备。
2.根据权利要求1所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)渗出的发汗冷却剂流动方向与定向发汗冷却面板(3)上表面的夹角为0°～10°。
3.根据权利要求1或2任一所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)的流阻损失与发汗量通过定向发汗冷却面板(3)的丝网间隙和定向发汗孔控制。
4.根据权利要求3所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)的制备工艺过程为：拉丝、编织、烧结和轧制。
5.根据权利要求4所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述GH3128金属丝网在常温状态时，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥180MPa；所述GH3128金属丝网在950℃状态时，抗拉强度≥100MPa，屈服强度≥50MPa。
6.根据权利要求5所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)焊接在冷却槽道(2)上。
7.根据权利要求6所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)为矩形板状。
8.根据权利要求7所述的燃烧室用高温合金丝网编织的定向发汗冷却凹腔装置，其特征在于：所述定向发汗冷却面板(3)的长度范围为230mm±5mm，宽度范围为200mm±5mm，厚度范围为8mm±1mm。
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