[發明專利]一種帶氣膜孔雙曲擾流柱的雙層壁冷卻結構

有效

• 申請號: 202011159378.8
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112178691B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 朱惠人;徐志鵬;郭濤;張麗;許衛疆;李鑫磊;周道恩
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F23R3/00
• 分類號: F23R3/00
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 云燕春

本發明一種帶氣膜孔雙曲擾流柱的雙層壁冷卻結構，屬于燃氣渦輪發動機領域；包括氣膜孔板、沖擊孔板以及設置于兩板之間的若干帶氣膜孔雙曲擾流柱，形成雙層壁冷卻結構；沖擊孔位于沖擊孔板上，其軸向垂直于沖擊孔板；氣膜孔位于氣膜孔板上，其軸向與涵道氣流方向成20?90°傾角；沖擊孔和氣膜孔沿氣流方向呈周期性交錯排列；帶氣膜孔雙曲擾流柱為帶有雙曲擾流柱內氣膜孔；使得冷卻氣流通過雙曲擾流柱內氣膜孔從冷氣涵道一側通入到燃氣涵道一側。相比傳統結構，冷氣的貼敷效果更好，沿程冷效大幅度提高。

技術領域

本發明屬于燃氣渦輪發動機領域，具體涉及一種帶氣膜孔雙曲擾流柱的雙層壁冷卻結構。

背景技術

軍用飛機在短距起飛、爬飛和快速機動等階段，往往開加力對渦輪后的排氣復燃，以達到短時間內的額外大推力的需求，位于渦輪和尾噴管之間的加力燃燒室用于實施上述目標。但由于加力燃燒室進口溫度已經高達950-1000K，加力燃燒室內重新點火后的氣體溫度可高達2050K-2100K，甚至更高，并且加力燃燒通常是短時間內開啟和斷開的，因此不僅要考慮極高溫度下的冷卻，還要考慮溫度分布和變化時導致的熱應力和熱變形。此外，加力燃燒室筒內的發生振蕩燃燒也會嚴重影響其使用壽命，在設計冷卻結構時也必須納入考慮范圍之內。

沖擊雙層壁氣膜冷卻技術是現代發動機高溫部件先進冷卻方式之一，在冷氣形成氣膜之前，能夠充分利用沖擊換熱系數高的優點，達到局部強化換熱的效果。有研究結果表明，相比于單層壁的純氣膜冷卻，由雙層壁形成的“沖擊/氣膜”復合冷卻方式使氣膜段最高壁溫下降，沿氣膜流動方向壁面溫度梯度減小，該種冷卻技術在提升綜合冷效方面具有較為明顯的優勢。

目前用于加力燃燒室隔熱屏的冷卻結構按其截面形狀分類，有單層平板隔熱屏、橫向波紋隔熱屏、縱向波紋隔熱屏和單層板隔熱屏。劉友宏[1]對比了新型沖擊/發散冷卻層板隔熱屏冷卻性能，論證其應用于加力燃燒室的可行性，與波紋板隔熱屏和單層平板隔熱屏進行了相同工況的對比分析，結果表明沖擊/發散冷卻層板隔熱屏具有較好的冷卻效果，但其受主次流總壓比變化的影響較大。相比波紋板和單層平板，冷氣用量大幅降低。賀業光等[2]研究了擾流柱形狀對沖擊冷卻綜合換熱效率影響，研究了菱形、正方形、圓形和橢圓形擾流柱，結果表明，不同的擾流柱形狀會對沖擊冷卻效果造成較大的影響，帶菱形擾流柱的靶面具有最高的平均努塞爾數，但也具有最高的流動阻力。綜合考慮換熱效果和流動阻力，圓形擾流柱具有最佳的效果。

專利(CN 103968418 B)介紹了一種用于加力燃燒室的雙層壁隔熱屏，用一塊整體的氣膜孔板、梯形強化框以及焊接在梯形強化框上的沖擊孔板構成雙層壁結構。改結構綜合利用了雙層壁內部的對流冷卻和外部氣膜冷卻，形成復合冷卻，有效降低了壁溫，提高了冷氣利用率。雙層壁內部結構有結構強化作用，同時氣膜孔出流的同時并具有一定的防振效果，能提升加力燃燒室的壽命和可靠性。該結構雖然能達到較好的換熱效果，但內部流動阻力較大，冷氣的壓力損失多。

參考文獻：

[1]劉友宏,李英,楊旭.沖擊/發散冷卻層板隔熱屏冷卻性能及對比[J].航空動力學報,2014,29(006):1272-1278.

[2]賀業光,郭曾嘉,李潤東,等.擾流柱形狀對沖擊冷卻綜合換熱效率影響研究[J].推進技術,40(3).

發明內容

要解決的技術問題：

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種帶氣膜孔雙曲擾流柱的雙層壁冷卻結構，該雙層壁冷卻結構，一方面使冷卻空氣在隔熱屏燃氣側形成氣膜，減小熱量向隔熱屏的傳遞；另一方面，通過在雙層壁內部對流換熱帶走熱量，降低壁溫；內部的雙曲擾流柱有減少內部通道流動阻力，擾流增加換熱的作用；擾流柱內部的氣膜通道能進一步帶走柱內的熱量，并在燃氣側形成低動量冷氣層，增強氣膜冷卻作用。