CN214836724U - 带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构 - Google Patents
带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击‑气膜的帽罩防冰传热结构，属于航空发动机帽罩气热防冰技术领域；包括冲击孔板、帽罩双层壁内壁、帽罩双层壁外壁、帽罩前缘壁面、气膜孔和帽罩内壁冲击孔；多个气膜孔沿周向均布于帽罩前缘壁面，帽罩内壁冲击孔沿帽罩双层壁内壁母线呈线性阵列分布，沿母线方向孔间距与帽罩前缘冲击孔直径D的比为1～3；进气腔内的热气通过帽罩内壁冲击孔垂直冲击帽罩双层壁外壁面，与帽罩双层壁内壁换热后沿热气通道通过帽罩前缘冲击孔喷射至帽罩前缘冲击内腔，与帽罩前缘壁面换热后通过气膜孔流出，与帽罩外部进行换热。该结构具有良好的综合加热特性，另外该结构较好的加工可实施性；可用于各种航空发动机整流帽罩中。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机帽罩气热防冰技术领域，具体涉及一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构。
背景技术
飞机在高空飞行时会穿过带有冰晶，雨滴的低温云层。水滴撞击至飞机上包括机翼，尾缘，进气道前缘，风挡玻璃等各部件表面时会产生结冰现象。随着冰层的逐渐积累，飞机的重量不断增加，使得飞机工作效率下降，严重威胁飞机安全。因此，设计一种高效的航空发动机帽罩防冰技术对于发动机正常运行具有重要意义。
目前，航空发动机帽罩防冰主要是通过从压气机引入温度较高的气体，通过对流换热，冲击换热等方式使水分蒸发或者冰层融化。其优点是设计结构简单，质量轻便，可靠性高。其缺点是压气机引气会使压气机工作环境恶化，导致发动机做功能力下降。因此，航空发动机帽罩防冰结构设计应在保证换热效果的基础上尽量降低引气量，保证发动机正常高效工作。
在专利CN203753413U中于2014年公开了一种航空发动机进口整流帽罩的防冰传热结构，该防冰传热结构包括帽罩内壁前缘射流孔，帽罩内壁上周向均布的射流孔，防冰热气通道，帽罩尾端的通气孔。防冰热气通道由内外两层薄壁组成，两层薄壁之间的距离从整流帽罩前端到尾端，逐渐变小，中间形成一条换热通道。
虽然该结构对帽罩前缘单位面积防冰热需求量大的问题进行了解决，但是由于冲击换热结构过于简单，换热强度不大，部分仍具有大量热量的气流只从尾部排出，使得热气的利用率降低。同时热气在帽罩前缘壁面的冲击换热高效区域较小，且仅对帽罩前缘区域进行了高效的冲击换热，对于帽罩后部的加热效果仅仅依靠对流换热，换热效果受限。且忽略了帽罩外部的加热措施。
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，充分利用压气机来流的高温气体，尽量降低引气量，提高帽罩防冰效果，本发明提出一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构。即在帽罩双层壁系统中内壁设置一定数量的冲击孔，使从压气机引入的高温气体经冲击孔垂直射向帽罩内壁面，使用阵列冲击换热来增强高温气体与帽罩内壁面换热强度。针对外部防冰措施，在帽罩前缘设置气膜孔，这种设计可以通过热气与冷空气掺混提高实际与帽罩外壁面换热的气流的温度，从而实现外部防冰的目的，同时对冰晶，雨滴等有一定吹拂作用，在一定程度上缓解了帽罩表面结冰的现象。
本发明的技术方案是：一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，包括冲击孔板、帽罩双层壁内壁、帽罩双层壁外壁和帽罩前缘壁面；所述帽罩双层壁内壁、外壁之间的环形间隙构成双层壁间热气通道，帽罩双层壁内壁内的空腔为进气腔；所述冲击孔板中心处开有直径为D的帽罩前缘冲击孔，冲击孔板同轴安装于帽罩前缘壁面内锥面，与帽罩前缘壁面之间的空腔为帽罩前缘冲击内腔；其特征在于：还包括气膜孔和帽罩内壁冲击孔；
所述帽罩前缘壁面沿周向均布有多个气膜孔，所述气膜孔的中心轴与帽罩的中心轴的夹角为90°，孔型为圆柱孔；所述多个气膜孔的轴线所在平面与帽罩前缘倒圆面的距离为L，该距离与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为1～3；
所述帽罩内壁冲击孔沿帽罩双层壁内壁母线呈线性阵列分布，沿母线方向孔间距与帽罩前缘冲击孔直径D的比为1～3；
进气腔内的热气通过帽罩内壁冲击孔垂直冲击帽罩双层壁外壁面，与帽罩双层壁内壁换热后沿热气通道通过帽罩前缘冲击孔喷射至帽罩前缘冲击内腔，与帽罩前缘壁面换热后通过气膜孔流出，与帽罩外部进行换热。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩前缘壁面沿周向均布有14个气膜孔。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔的直径d1与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为0.3～0.6。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩双层壁内壁上部的帽罩内壁冲击孔共8排，每排21个孔沿周向均布；内壁下部的帽罩内壁冲击孔共5排，每排35个孔沿周向均布。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩的锥角角度为60°～84°。
本发明的进一步技术方案是：帽罩前缘的倒圆内径与所述帽罩前缘冲击孔直径D的比值为3～5。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩前缘冲击孔的轴向长度与其直径D的比值为1.2～3.6。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩前缘冲击孔的端面与帽罩前缘倒圆面的轴向距离为前缘冲击距离H，前缘冲击距离H与前缘冲击孔直径D的比值为2～3。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩双层壁内壁、外壁之间的间距与帽罩前缘冲击孔直径D比值为0.5～1。
本发明的进一步技术方案是：所述帽罩双层壁内壁厚度与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为0.5～1。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，在内壁面设置冲击孔，通过阵列冲击，增强了热气与外壁面的内表面的换热。同时气膜孔的设置使与壁面发生换热后的热气经气膜孔喷出，在外壁面形成一层气膜，通过热气与冷空气的掺混提高从而达到外部防冰的目的，同时吹拂空气中的冰晶，雨滴，降低其附着在帽罩表面的可能性。根据对气膜孔和帽罩内壁冲击孔位置、直径等参数的限定和优化，使得帽罩的强度和气动性能不受影响。
本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，在帽罩内部设计双层壁结构，在双层壁内壁设置一定数量的冲击孔，通过阵列冲击换热提升内部换热强度，从而提高了热气的利用率，同时提高了对帽罩后部的加热效果，另外采用前缘冲击-气膜结构，将内部及外部防冰措施结合，使得帽罩前缘的强化换热效果更为明显，同样提高了热气的利用率。综上所述，该结构具有良好的综合加热特性，另外该结构较好的加工可实施性；可用于各种航空发动机整流帽罩中。
基于本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，进行数值模拟，具体结构参数如下：帽罩的锥角角度为72°，前缘冲击孔直径D为10mm，内壁冲击孔径d为5mm，外壁气膜孔孔径d1为4mm。帽罩前缘的倒圆内径与前缘冲击孔直径D的比值为4；前缘冲击孔长与冲击孔直径的比值为2.4；前缘冲击距离，即前缘冲击孔与帽罩前缘倒圆面的距离H与前缘冲击孔直径D的比值为2.5；内外壁间距与前缘冲击孔直径D比值为0.6；双层壁内壁厚度与前缘冲击孔直径D的比值为0.7；内壁冲击孔沿母线线性阵列分布，内壁上排冲击孔共8排，沿母线方向孔间距为2D，每排21个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。内壁下排冲击孔共5排，沿母线方向孔间距为2D，每排35个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。气膜孔轴线所在平面与帽罩前缘倒圆面的距离L与前缘冲击孔直径D的比值为2。沿周向在帽罩前缘上均布14个气膜孔。气膜孔的直径d1与冲击孔直径D的比值为0.4。气膜孔轴线与帽罩轴线的夹角为90°，孔型为圆柱孔。相比于只有前缘冲击加热的帽罩防冰结构，当外流温度为300K，内流温度为320K，相同流量下，本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁平均温度为319K，而只带有前缘冲击加热结构的帽罩防冰结构外壁平均温度为305K。
附图说明
图1为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构正俯视图与半剖视图。
图2为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构轴测图。
图3为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构内壁正视图。
图4为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构内壁俯视图。
图5为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构内壁轴侧图。
图6为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁正视图。
图7为一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁剖视图与局部视图(A-A)。
图8为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁俯视图。
图9为本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁轴测图。
附图标记说明：1.进气腔；2.帽罩双层壁外壁；3.双层壁间热气通道；4.帽罩双层壁内壁；5.帽罩内壁冲击孔；6.冲击孔板；7.帽罩前缘冲击孔；8.帽罩前缘冲击内腔；9.帽罩前缘壁面；10.气膜孔。
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。
参阅图1～图9，本实例带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构应用于航空发动机整流帽罩。由进气腔1，帽罩双层壁外壁2，双层壁间热气通道3，帽罩双层壁内壁4，内壁冲击孔5，冲击孔板6，帽罩前缘冲击孔7，帽罩前缘冲击内腔8，帽罩前缘壁面9，气膜孔10组成。进气腔内的热气通过双层壁内壁面阵列冲击孔垂直冲击帽罩内壁面，与内壁面换热后沿热气通道通过帽罩前缘冲击孔喷射至前缘内腔区域，与帽罩前缘壁面换热后通过气膜孔流出，与帽罩外部进行换热。帽罩的锥角角度为60°～84°，帽罩前缘的倒圆内径d与冲击孔直径D的比值为0.5～2，冲击孔长与冲击孔直径的比值为0.25～1.25，冲击距离，即冲击孔与帽罩前缘倒圆面的距离H与冲击孔直径D的比值为6～10。内外壁间距为0.4～0.8D，内壁冲击孔沿母线线性阵列分布，内壁上排冲击孔共8排，沿母线方向孔间距为1.8～2.2D，每排21个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。内壁下排冲击孔共5排，沿母线方向孔间距为1.8～2.2D，每排35个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。气膜孔轴线所在平面与帽罩前缘倒圆面的距离L与冲击孔直径D的比值为1.2～2.4。沿周向在帽罩前缘上均布14个气膜孔。气膜孔的直径d1与冲击孔直径D的比值为0.3～0.5。气膜孔轴线与帽罩轴线的夹角为90°，孔型为圆柱孔。
本实例中，在帽罩内部通过设置双层壁结构，双层壁内壁面设置阵列冲击孔，进气腔1中的热气通过帽罩双层壁内壁4上的内壁冲击孔5垂直冲击帽罩双层壁外壁面2的内侧表面，与其换热后沿双层壁间热气通道3流动，随后通过冲击孔板6上的帽罩前缘冲击孔7进入帽罩前缘冲击内腔8，与帽罩前缘壁面9换热，最终通过气膜孔10流出。在帽罩双层壁内壁4设置冲击孔，通过阵列冲击，增强了热气与帽罩外壁面内表面的换热。同时气膜孔设置使与壁面发生换热后的热气经气膜孔喷出，在外壁面形成一层气膜，通过热气与冷空气的掺混提高从而达到外部防冰的目的，同时吹拂空气中的冰晶，雨滴，降低其附着在帽罩表面的可能性。
基于本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，进行数值模拟，具体结构参数如下：帽罩的锥角角度为72°，前缘冲击孔直径D为10mm，内壁冲击孔径d为5mm，外壁气膜孔孔径d1为4mm。帽罩前缘的倒圆内径与前缘冲击孔直径D的比值为4；前缘冲击孔长与冲击孔直径的比值为2.4；前缘冲击距离，即前缘冲击孔与帽罩前缘倒圆面的距离H与前缘冲击孔直径D的比值为2.5；内外壁间距与前缘冲击孔直径D比值为0.6；双层壁内壁厚度与前缘冲击孔直径D的比值为0.7；内壁冲击孔沿母线线性阵列分布，内壁上排冲击孔共8排，沿母线方向孔间距为2D，每排21个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。内壁下排冲击孔共5排，沿母线方向孔间距为2D，每排35个孔，围绕帽罩前缘中心点圆周平均分布。气膜孔轴线所在平面与帽罩前缘倒圆面的距离L与前缘冲击孔直径D的比值为2。沿周向在帽罩前缘上均布14个气膜孔。气膜孔的直径d1与冲击孔直径D的比值为0.4。气膜孔轴线与帽罩轴线的夹角为90°，孔型为圆柱孔。相比于只有前缘冲击加热的帽罩防冰结构，当外流温度为300K，内流温度为320K，相同流量下，本发明一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构外壁平均温度为319K，而只带有前缘冲击加热结构的帽罩防冰结构外壁平均温度为305K。
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 (10)
1.一种带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，包括冲击孔板、帽罩双层壁内壁、帽罩双层壁外壁和帽罩前缘壁面；所述帽罩双层壁内壁、外壁之间的环形间隙构成双层壁间热气通道，帽罩双层壁内壁内的空腔为进气腔；所述冲击孔板中心处开有直径为D的帽罩前缘冲击孔，冲击孔板同轴安装于帽罩前缘壁面内锥面，与帽罩前缘壁面之间的空腔为帽罩前缘冲击内腔；其特征在于：还包括气膜孔和帽罩内壁冲击孔；
所述帽罩前缘壁面沿周向均布有多个气膜孔，所述气膜孔的中心轴与帽罩的中心轴的夹角为90°，孔型为圆柱孔；所述多个气膜孔的轴线所在平面与帽罩前缘倒圆面的距离为L，该距离与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为1～3；
所述帽罩内壁冲击孔沿帽罩双层壁内壁母线呈线性阵列分布，沿母线方向孔间距与帽罩前缘冲击孔直径D的比为1～3；
进气腔内的热气通过帽罩内壁冲击孔垂直冲击帽罩双层壁外壁面，与帽罩双层壁内壁换热后沿热气通道通过帽罩前缘冲击孔喷射至帽罩前缘冲击内腔，与帽罩前缘壁面换热后通过气膜孔流出，与帽罩外部进行换热。
2.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩前缘壁面沿周向均布有14个气膜孔。
3.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述气膜孔的直径d1与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为0.3～0.6。
4.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩双层壁内壁上部的帽罩内壁冲击孔共8排，每排21个孔沿周向均布；内壁下部的帽罩内壁冲击孔共5排，每排35个孔沿周向均布。
5.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩的锥角角度为60°～84°。
6.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：帽罩前缘的倒圆内径与所述帽罩前缘冲击孔直径D的比值为3～5。
7.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩前缘冲击孔的轴向长度与其直径D的比值为1.2～3.6。
8.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩前缘冲击孔的端面与帽罩前缘倒圆面的轴向距离为前缘冲击距离H，前缘冲击距离H与前缘冲击孔直径D的比值为2～3。
9.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩双层壁内壁、外壁之间的间距与帽罩前缘冲击孔直径D比值为0.5～1。
10.根据权利要求1所述带有双层壁冲击与前缘冲击-气膜的帽罩防冰传热结构，其特征在于：所述帽罩双层壁内壁厚度与帽罩前缘冲击孔直径D的比值为0.5～1。
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