[發(fā)明專利]用于矢量噴管的具有縱向波紋沖擊孔板的雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)

有效

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• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN109779782B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭濤;謝龍;劉存良;母鴻瑞;羅紅飛
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: F02K1/82
• 分類號: F02K1/82
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發(fā)明使用縱向波紋沖擊板，平板式氣膜板構(gòu)成雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)。沖擊孔與氣膜孔均為叉排分布；在波紋沖擊孔板的波谷處布置沖擊孔，氣膜孔板上的氣膜孔則布置在正對波紋沖擊孔板的波峰處；波紋沖擊孔板與氣膜孔板在軸向均為多個(gè)單元周期結(jié)構(gòu)。波谷與氣膜孔板之間形成較小的沖擊距，可以增強(qiáng)沖擊換熱，波峰與氣膜孔板之間可以形成較大空間，有利于冷氣流動充分發(fā)展,利于出流，可以減小流阻，提高冷氣利用率,解決了為了增強(qiáng)換熱而減小沖擊距，但為了減小流阻需增大沖擊距這兩種方法之間的矛盾。同時(shí)氣膜板為平板，有利于氣膜貼附，形成有效熱防護(hù)，減小熱應(yīng)力,解決了波紋式隔熱屏熱應(yīng)力不均的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機(jī)矢量噴管冷卻領(lǐng)域，同樣也用于發(fā)動機(jī)燃燒室的冷卻和加力燃燒室隔熱屏的冷卻，特別涉及一種用于矢量噴管的具有縱向波紋沖擊孔板的雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

矢量噴管對于提高飛機(jī)的機(jī)動性有重要作用，噴管內(nèi)燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)2000K以上，為保證其結(jié)構(gòu)安全，使其具有合理的壽命，同時(shí)為了降低噴管的紅外輻射，增強(qiáng)其隱身能力，必須對其進(jìn)行冷卻。由于噴管的冷卻空氣是從發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)中抽取的，這部分冷氣將無法參與發(fā)動機(jī)的整個(gè)熱循環(huán)，這會降低發(fā)動機(jī)的熱效率和推力，因此在設(shè)計(jì)高性能噴管時(shí)，要實(shí)現(xiàn)以盡可能少的冷氣達(dá)到較高的冷卻效果。

雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)是一種沖擊/發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被廣泛使用，但其冷卻效果很大程度上取決于內(nèi)部不同冷卻單元之間的位置關(guān)系，同時(shí)，須將冷氣用量控制在一定范圍內(nèi)，減小對發(fā)動機(jī)性能的影響，因此，人們不斷的對雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以尋求使用最少的冷氣達(dá)到最佳冷卻效果。沖擊板上的離散孔噴出的冷卻射流沖擊在氣膜板上，與氣膜板形成對流換熱，降低氣膜板的溫度，冷卻射流最后從氣膜板上的離散孔噴出，在噴管內(nèi)壁的高溫燃?xì)鈧?cè)形成氣膜，減輕燃?xì)鈱ν搀w的熱沖蝕，從而提高使用壽命。Multi-hole FilmCooled Afterburner Combustor Liner(US005483794A)公開了一種多孔波紋式氣膜板加力燃燒室隔熱屏。燃?xì)馔ǖ乐械牟y所引起的擾動能夠強(qiáng)化對流換熱，在波谷處，由于波峰的阻擋，使得氣膜可以相對穩(wěn)定的停留在該區(qū)域，提高冷卻效果。但是現(xiàn)有研究表明，整個(gè)波紋板隔熱屏的壁溫和局部換熱受波形影響很大，由于氣膜板是波紋形狀，冷卻氣膜難以在整個(gè)表面形成有效覆蓋，波紋板在迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間換熱效果差異很大，背風(fēng)面的低換熱嚴(yán)重影響了隔熱屏的整體換熱效果，并導(dǎo)致較大的溫度梯度和熱應(yīng)力，從而影響使用壽命和可靠性。《孔徑比與沖擊距對沖擊/發(fā)散冷卻隔熱屏冷卻性能影響》中研究了不同沖擊距下沖擊/發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)的綜合冷卻效率，結(jié)果表明，隨著沖擊距的增大，沖擊靶面的換熱效果會減弱，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的冷卻效果減小。若是想得到較好的冷卻效果，需減小沖擊距，以此來減小沖擊射流的動量損失，提高射流在靶面上的沖擊強(qiáng)度，進(jìn)而提高換熱，但是在小沖擊距下，流阻增大，氣膜孔的出流將受到限制，甚至有些氣膜孔無法出流，流量系數(shù)減小(參見《雙殼型沖擊/氣膜綜合流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究》)，不能充分發(fā)揮冷氣的冷卻潛力，因此其冷卻效率不能滿足減少冷氣量的需求。由此可見，若是想通過減小沖擊距來提高換熱，就必須解決小沖擊距帶來的流阻增大問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提出一種用于噴管的具有縱向波紋沖擊孔板的新型雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)，能夠解決為了增強(qiáng)換熱而減小沖擊距，但為了減小流阻需增大沖擊距這兩種方法之間的矛盾，同時(shí)解決波紋式隔熱屏熱應(yīng)力不均的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：用于矢量噴管的具有縱向波紋沖擊孔板的雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)，包括氣膜孔板和縱向波紋式?jīng)_擊孔板且兩者相互不接觸；所述縱向波紋式?jīng)_擊孔板和外壁面構(gòu)成冷氣涵道，縱向波紋式?jīng)_擊孔板和氣膜孔板之間構(gòu)成冷卻通道，燃?xì)鈧?cè)氣膜孔板構(gòu)成矢量噴管筒體內(nèi)壁，內(nèi)側(cè)為矢量噴管主燃?xì)夂溃粴饽た装迳祥_有若干通孔作為氣膜孔，縱向波紋式?jīng)_擊孔板上開有若干通孔作為沖擊孔，且沖擊孔與氣膜孔均為叉排布置。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述縱向波紋式?jīng)_擊孔板波紋沿冷氣流向呈正弦型起伏。