CN115898693A - 一种波纹扰流平面冷却装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明一种波纹扰流平面冷却装置及应用，属于航空发动机领域；包括冷侧波纹板、热侧平板和中空扰流柱，所述冷侧波纹板位于冷气通道一侧，所述热侧平板位于高温燃气通道一侧；在冷侧波纹板和热侧平板之间形成截面积周期性变化的丘陵形中间通道；所述冷侧波纹板和热侧平板之间设置有若干中空扰流柱，形成含中空扰流柱的中间通道，并通过中空扰流柱内的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通；且中空扰流柱与热侧平板、冷侧波纹板的波谷连接；利用冷侧波纹板波谷高压区出流，在热侧平板上形成气膜保护层。本发明减少了喷管壁面附近的冷气量，达到较高的冷却效率的情况下，减少了因冷气掺混造成的发动机推力损失。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种波纹扰流平面冷却装置及应用。
背景技术
军用战机在短距起飞以及快速机动时，在发动机最大油门开度之外，往往通过加力燃烧来获得额外推力。由于加力燃烧室空间有限，还在燃烧的燃气以斜冲击形式作用在发动机收敛段喷管壁上，容易造成燃气倒灌，并引起严重后果。研究表明，此时尾喷管的燃气温度将高达2000K以上。另外，发动机喷管入口到出口压力梯度较大，容易造成扩张段燃气的强烈抽吸，加剧了收敛段倒灌现象的发生。
冲击双层壁气膜冷却技术是现代发动机高温部件先进冷却方式之一，在冷气形成气膜之前，能够充分利用冲击换热系数高的优点，达到局部强化换热的效果。现有文献中对比了新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能，论证其应用于加力燃烧室的可行性，与波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析，结果表明冲击/发散冷却层板隔热屏具有较好的冷却效果。双层壁结构有结构强化作用，同时气膜孔出流的同时具有一定的防振效果，能提升加力燃烧室的寿命和可靠性。
现有技术中的双层壁冷却结构，虽然能达到较好的换热效果，但双层壁内部流动阻力较大，受主次流总压比变化的影响较大，在小压比情况下不容易出流，不适宜应用在发动机喷管的收敛段。目前国内外均开始对降低双层壁内部流阻的方法进行研究，例如在靶面添加凹坑，以及改变扰流柱的形状等方法，但受限于流体在冲击-气膜情况下气流经过的较大的转折和旋涡，流动损失较大，改进的效果尚不显著。
而波纹孔板冷却技术是另一种广泛应用于发动机高温部件的冷却方式，它利用了冷气在波纹凹槽内驻留，具有较好的冷却效果，同时利用波纹结构释放结构内的热应力。但该结构燃气侧为波纹结构，流动阻力较大，应用于流动特性要求高的喷管壁面上会引起很大的推力损失。
航空发动机喷管承受加力燃烧火焰的斜冲击作用，一方面，喷管壁面要承受高温喷流燃气对壁面的对流加热作用，而喷管壁面要达到较低的温度来满足先进战机的隐身特性的需求。另一方面，过多使用冷气冷却壁面，在壁面形成较厚的气膜边界层，会对发动机推力造成损失。此外，由于扩张段燃气的低压抽吸作用，导致大部分冷却气被抽吸到工作条件较温和的扩张段，一定程度上造成了冷气的浪费。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种波纹扰流平面冷却装置，采用冷侧波纹板、热侧平板结合中空扰流柱的冷却结构，减少了喷管壁面附近的冷气量，达到较高的冷却效率的情况下，减少了因冷气掺混造成的发动机推力损失。同时，利用结构的总压出流特点，能尽可能地降低喷管收缩段燃气倒灌发生的风险。经过数值验证，使用该结构，能比现有单层多孔平板结构具有更高的冷却效率。
本发明的技术方案是：一种波纹扰流平面冷却装置，包括冷侧波纹板、热侧平板和中空扰流柱，所述冷侧波纹板位于冷气通道一侧，所述热侧平板位于高温燃气通道一侧；在冷侧波纹板和热侧平板之间形成截面积周期性变化的丘陵形中间通道；
所述冷侧波纹板和热侧平板之间设置有若干中空扰流柱，形成含中空扰流柱的中间通道，并通过中空扰流柱内的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通；且中空扰流柱与热侧平板、冷侧波纹板的波谷连接；利用冷侧波纹板波谷高压区出流，在热侧平板上形成气膜保护层。
本发明的进一步技术方案是：所述冷侧波纹板为对称型正弦型波纹板或非对称型波纹板，其波纹轨迹为垂直和平行于高温主流方向。
本发明的进一步技术方案是：所述冷侧波纹板的波长λ为10-60mm之间，波纹振幅M为1-10mm。
本发明的进一步技术方案是：所述热侧平板和冷侧波纹板所形成通道的平均高度H在1-5倍的波纹振幅M内。
本发明的进一步技术方案是：所述中空扰流柱的中空孔截面为圆形，中空孔孔径Di在0.5-5mm之间，中空孔的倾角为30°-90°；所述中空扰流柱的壁厚在0.25-2mm之间。
本发明的进一步技术方案是：相邻所述中空扰流柱的中空孔展向间距P为4-8Di，流向间距S为0.33-1倍波纹波长λ，波长为流向孔间距的整数倍。
本发明的进一步技术方案是：所述中空扰流柱的径向截面形状为圆形、椭圆形、水滴形或双曲形。
本发明的进一步技术方案是：所述中空扰流柱的中空孔截面与中空扰流柱的径向截面形状一致。
一种发动机喷管，包括波纹扰流平面冷却装置，所述波纹扰流平面冷却装置通过过渡波纹连接在加力燃烧室单层波纹板上；所述冷侧波纹板与喷管外壁构成冷气通道，所述热侧平板构成喷管内壁面。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提供一种带中空扰流柱的波纹扰流平面冷却装置，采用抽吸加强中空柱扰流冷却和外部气膜冷却结合，减少进入喷管的气膜冷气，达到较高的冷却效率。具体实现的原理为：如图2所示，一部分冷却气B，通过中空孔3，在热侧平板2表面形成较薄的气膜层，减小主流燃气A的热量向隔热屏的传递；另一部分冷气C通过热侧平板1和冷侧波纹板2形成的通道中，在喷管尾部的低压抽吸作用下，高速通过扰流柱排4，对热侧平板1进行冷却，冷气直排大气，减少因冷气造成的发动机推力损失；扰流柱4与中间通道气流C成30-90°倾角，一方面使得流动截面为椭圆，降低了内部流阻，另一方面使得冷却气流D1和D2与主流A有较小的夹角，保证冷气对壁面的贴敷，从而达到更高的冷却效果，减少喷管的冷气掺混损失；利用冷侧波纹板2波谷速度低压力高的特点，在波谷开孔，能尽可能地降低喷管收缩段燃气倒灌发生的风险；如图6所示，椭圆形12、水滴形13、双曲形14扰流柱有利于降低流动阻力，增强换热效果。
经过数值验证，如图7和图8分别为本发明的一种实施例与同位置开孔的单层多孔板结构综合冷却效率对比分布云图和线图，在使用相同气膜冷却气量情况下，本发明的的综合冷却效率从0.307提升至0.606，提高幅度为2.58倍，并且从图中可以看出，隔热屏综合冷效分布更加均匀，因此整个隔热屏面临的热应力相应减小。
综上所述，该发明的优点为：(1)冷却空气量少，冷却效率高；(2)柱排扰流冷却气直排大气，减小了喷管的推力损失；(3)结构流动阻力小，保证冷气顺利出流。
附图说明
图1为本发明一种波纹扰流平面冷却装置示意图；
图2为本发明一种波纹扰流平面冷却装置流动示意图；
图3为本发明一种波纹扰流平面冷却装置特征尺寸示意图；
图4为本发明一种波纹扰流平面冷却装置孔排布置示意图；
图5为本发明在喷管的应用场景示意图；
图6为本发明中空扰流柱的结构形式示意图；
图7为本发明实施案例与单层多孔平板结构综合冷却效率对比云图；
图8为本发明实施案例与单层多孔平板结构展向平均综合冷却效率对比线图；
附图标记说明：1、冷侧波纹板；2、热侧平板；3、中空孔；4、中空扰流柱；5、冷侧波纹板的波峰；6、冷侧波纹板的波谷；7、加力燃烧室外壁；8、加力燃烧室单层波纹隔热屏；9、主燃气涵道；10、喷管外壁；11、圆形中空扰流柱；12、椭圆形中空扰流柱；13、水滴形中空扰流柱；14、双曲形中空扰流柱；A、主流燃气；B、冷却气流；C、板间冷却气流；D1、中空孔出流；D2、中空孔出流；Di、中空扰流柱内径；Do、中空扰流柱外径；H、板间通道平均高度；M、波纹振幅；P、中空扰流柱排展向间距；S、中空扰流柱排流向间距；λ、波纹长度。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施案例是带中空柱的波纹扰流平面冷却装置在喷管的具体实施案例。
从涡轮排出的高温低压燃气经过扩压后进入主燃气涵道9，与燃油喷嘴喷出的燃油混合后再燃，形成高温燃气，燃气在喷管持续加速到音速以上，主流高温燃气A温度可高达2200K，远超材料的熔点，因此要对喷管壁面进行冷却。
参阅图1、图2、图3、图4，本实施案例发动机喷管的波纹扰流平面冷却装置，包括冷侧波纹板1、热侧平板2以及连接冷侧波纹板1和热侧平板2的中空柱4。冷侧波纹板1与外壁7构成冷气通道，在冷侧波纹板1和热侧平板2中间形成截面积周期性丘陵形变化的中间通道，热侧平板2构成高温部件的喷管内壁面。
图2和图5中展示了发动机喷管的波纹扰流平面冷却装置，带中空柱的波纹扰流平面冷却装置通过过渡波纹连接在加力燃烧室单层波纹板8上，来自加力燃烧室外涵的冷却气部分进入冷侧波纹板1与喷管壁10形成的外涵道冷却气B，通过中空柱形成出流D1和D2,并在热侧平板2形成出流气膜。部分进入冷侧波纹板1和热侧平板2中间形成中间通道通过气流C，通过对流换热对热侧平板2进行冷却。
本实施案例采用的波纹长度λ为12mm，两板板间通道平均高度H为6mm，波纹振幅M为2mm，中空柱内径Di为2mm，中空柱外径Do为4mm，中空柱排展向间距P为12mm,中空柱排流向间距S为12mm。冷气出流D1和D2对热侧波纹板的良好覆盖，进而大量减少燃气向热侧平板的传热量；此外，冷却气流C通过两层波纹板中间通道，由于喷管尾部的强抽吸作用，对热侧平板进行冷却，带走热侧平板的热量，进一步降低了热侧平板温度，从而对整个加力燃烧室形成良好的保护作用；通过内部冷却气流C和孔出流的双保险，大幅降低了收敛段发生燃气倒灌发生的风险。本实施案例和相同开孔率和开孔位置的单层多孔板结构，进行了数值计算对比。具体计算设置见表1，实施案例与传统单层多孔板结构的冷效对比见图7及图8。在相同冷气消耗情况下，本实施案例提高综合冷却效率原先结构的2.58倍。
表1实施案例与单层多孔板模型数值计算方法
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：包括冷侧波纹板、热侧平板和中空扰流柱，所述冷侧波纹板位于冷气通道一侧，所述热侧平板位于高温燃气通道一侧；在冷侧波纹板和热侧平板之间形成截面积周期性变化的丘陵形中间通道；
所述冷侧波纹板和热侧平板之间设置有若干中空扰流柱，形成含中空扰流柱的中间通道，并通过中空扰流柱内的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通；且中空扰流柱与热侧平板、冷侧波纹板的波谷连接；利用冷侧波纹板波谷高压区出流，在热侧平板上形成气膜保护层。
2.根据权利要求1所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述冷侧波纹板为对称型正弦型波纹板或非对称型波纹板，其波纹轨迹为垂直和平行于高温主流方向。
3.根据权利要求2所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述冷侧波纹板的波长λ为10-60mm之间，波纹振幅M为1-10mm。
4.根据权利要求3所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述热侧平板和冷侧波纹板所形成通道的平均高度H在1-5倍的波纹振幅M内。
5.根据权利要求1所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述中空扰流柱的中空孔截面为圆形，中空孔孔径Di在0.5-5mm之间，中空孔的倾角为30°-90°；所述中空扰流柱的壁厚在0.25-2mm之间。
6.根据权利要求1所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：相邻所述中空扰流柱的中空孔展向间距P为4-8Di，流向间距S为0.33-1倍波纹波长λ，波长为流向孔间距的整数倍。
7.根据权利要求1所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述中空扰流柱的径向截面形状为圆形、椭圆形、水滴形或双曲形。
8.根据权利要求7所述波纹扰流平面冷却装置，其特征在于：所述中空扰流柱的中空孔截面与中空扰流柱的径向截面形状一致。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述波纹扰流平面冷却装置的发动机喷管，其特征在于：包括波纹扰流平面冷却装置，所述波纹扰流平面冷却装置通过过渡波纹连接在加力燃烧室单层波纹板上；所述冷侧波纹板与喷管外壁构成冷气通道，所述热侧平板构成喷管内壁面。
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