[發明專利]一種雙層壁冷卻裝置及應用

在審

• 申請號: 202210371388.0
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114812257A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 朱惠人;徐志鵬;張麗;周道恩;郭濤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F28F13/06
• 分類號: F28F13/06;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

本發明一種雙層壁冷卻裝置及應用，屬于航空發動機領域；包括冷側平板、熱側波紋板和中空擾流柱，所述冷側平板位于冷氣通道一側，所述熱側波紋板位于高溫燃氣通道一側，兩層壁板之間形成截面積周期性變化的倒丘陵形中間通道；所述冷側平板和熱側波紋板之間設置有若干中空擾流柱，將冷氣通道與高溫燃氣通道連通，且中空擾流柱與熱側波紋板的連接處位于熱側波紋板的波峰上。本發明采用中空柱擾流冷卻和外部氣膜冷卻結合，使用較少的冷氣達到高冷卻效率的目的，同時減少結構內熱應力，降低結構流動阻力。同時避免了傳統波紋板冷氣通道流阻較大的缺點，有效解決下游隔熱屏和噴管隔熱屏因冷氣總壓不足，無法出流的問題。

技術領域

本發明屬于航空發動機領域，具體涉及一種雙層壁冷卻裝置及應用。

背景技術

加力燃燒室及其后部的高溫部件工作環境惡劣，在加力燃燒室點火復燃后的加力燃燒室內的氣體溫度可高達2050K-2100K，甚至更高。加力燃燒通常是短時間內開啟和斷開的，需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。

縱向波紋隔熱屏是加力燃燒室常用的隔熱屏之一，它具有降低熱應力和冷氣駐留冷效高的優點。為了提高其冷卻效果，通常在燃氣背風面開設氣膜孔，雖然燃氣側波峰凹面處冷氣能夠駐留，具有高冷效的特點，但由于冷氣在冷氣通道波峰區域冷氣速度高壓力低的特點，在冷氣波峰1/6區域內不適宜開設氣膜孔，容易引起燃氣倒灌，參見《正弦型縱向波紋隔熱屏流動特性研究[D].南京航空航天大學,2010》，作者常國強。

沖擊+發散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。發明專利CN105042640B航空發動機燃燒室火焰筒的冷卻結構，提出了由外壁板、內壁板和擾流柱組成的，采用沖擊+發散+擾流柱形成的復合冷卻雙層壁結構，能保證冷卻氣用量少的情況下，保證高冷卻效果。劉友宏等在《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》中對比了新型沖擊/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。雙層壁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。專利CN205225464U用于航空發動機的雙層壁以及航空發動機葉片，公開了一種用于航空發動機的雙層壁以及航空發動機葉片，利用了沖擊+氣膜冷卻結構，并利用貫穿兩層壁面的柱內氣膜孔增強換熱效果。沖擊+發散雙層壁結構雖然能達到較好的換熱效果，但內部流動阻力較大，受主次流總壓比變化的影響較大，在小壓比情況下不容易出流。此外由于雙層壁結構為平板結構，熱應力不容易釋放，在頻繁加熱-冷卻作用下，容易出現破裂情況。

而波紋孔板冷卻技術是另一種廣泛應用于發動機高溫部件的冷卻方式，它利用了冷氣在波紋凹槽內駐留，具有較好的冷卻效果，同時利用波紋結構釋放結構內的熱應力。Wakeman的專利“Gas Turbine Engine Multi-Hole Film Cooled Combustor Liner andMethod of Manufacture”:USPatent,5181379，提出了一種正弦型薄壁波紋板，板上開密集的氣膜孔，孔徑推薦大小為0.5mm左右，孔與流向的傾角為20°。這種結構具有統一的壁面厚度，能減少徑向溫度梯度。

專利CN112178692A提出了一種帶L型沖擊孔板的縱向波紋冷卻結構，在波紋板結構的基礎上添加L型沖擊孔板，利用沖擊換熱來增強冷卻效果。但波紋結構及其改進結構無疑帶來了冷卻效果的提升，但仍存在冷氣量消耗過大，高溫部件表面溫度不均勻導致的熱應力較大。因此，深度挖掘冷氣的冷卻能力，并減小冷卻結構內部流動阻力是現有冷卻技術的最大挑戰。