一种气膜加内部扰流的冷却装置及应用

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种气膜加内部扰流的冷却装置及应用。

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，并引发严重后果。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。但现有技术中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。

先进航空发动机加力燃烧室较短，燃烧火焰斜冲击作用到喷管的收敛段上。由于受到燃气的冲刷作用，一方面喷管的收敛段隔热屏热负荷大，受扩张段开孔抽吸影响，燃气容易从收敛段气膜孔倒灌入冷气通道，使得隔热屏失去隔热能力。传统多孔结构平板冷效较低，难以形成对收敛段壁面的有效保护，而冲击+气膜双层壁结构由于内部流动阻力较大，在小压比小不易出流。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，同时加剧了收敛段的燃气倒灌的发生。

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，本发明提供一种气膜加内部扰流的冷却装置，在两层平板中间形成带扰流柱的中间通道，中空扰流柱错排布置，利用了中空孔流阻小，易于出流的特点，可避免燃气发生倒灌，同时，利用了倾斜中空扰流柱内部扰流流阻小，外部气膜贴附好的优点。该结构适用于需要高冷却效率但易发生燃气倒灌的区域，例如高温喷管壁面。经过数值验证，使用该结构，能比现有冲击+气膜双层壁结构具有更好的冷却效果，更小的流动阻力。

本发明的技术方案是：一种气膜加内部扰流的冷却装置，其特征在于：包括冷侧平板、热侧平板和中空扰流柱，所述冷侧平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；

所述冷侧平板和热侧平板之间设置有若干中空扰流柱，通过中空扰流柱的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通，两层平板之间形成含有中空扰流柱的中间通道。

本发明的进一步技术方案是：所述中空扰流柱为交错布置，与中间通道气流方向成20-90°倾角。

本发明的进一步技术方案是：所述中空扰流柱的中空孔孔径D

本发明的进一步技术方案是：所述中空孔的展向孔间距P和流向孔间距S为3-10倍的中空孔孔径D

本发明的进一步技术方案是：所述中空孔在流向上呈正菱形分布。

本发明的进一步技术方案是：所述热侧平板和冷侧平板所形成通道的平均高度H在1-10倍的中空孔孔径D

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，其特征在于：包括所述气膜加内部扰流的冷却装置，所述气膜加内部扰流的冷却装置安装于发动机喷管收敛段的外壁内侧，并通过过渡波纹连接在加力燃烧室单层波纹板上；

所述冷侧平板与喷管收敛段外壁构成外涵道，所述热侧平板构成喷管内壁面；所述冷侧平板与喷管收敛段外壁面在末端为封闭结构，使得外涵道的冷气全部通过中空扰流柱的中空孔流出,在所述热侧平板形成冷却气膜；且利用总压出流，降低燃气倒灌发生率。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提供一种带中空柱的气膜加内部扰流的冷却装置，充分利用了斜扰流柱流阻小能加强对流冷却和倾斜中空孔易出流气膜贴附好的优点，达到高效冷却的目的。具体实现原理为：如图2所示，一部分冷却气B，通过中空孔3，在热侧平板燃气侧出流D，形成气膜层，减小主流燃气A向热侧平板的传热；另一部分冷却气C，在喷管扩张段燃气的抽吸作用下，高速通过扰流柱排4，带走热侧平板2和中空柱的热量；扰流柱的错排布置使得扰流更加充分的同时，保证中空孔出流在热侧平板表面形成均匀覆盖；扰流柱4与中间通道气流C成20-90°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D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，减少喷管的掺混损失。如图5所示，冷侧平板与喷管收敛段外壁面在末端相连形成封闭腔，利用总压出流，能尽可能地降低燃气倒灌发生的风险；内部扰流冷却和外部气膜冷却相结合，提高冷效的同时避免了传统双层壁冲击+气膜结构的流动阻力太大的缺点。如图6所示，椭圆形12、双曲形13、水滴形14的柱面形状，不仅可以使气膜在燃气表面贴敷更好，增强换热效果，还可以降低内部柱排的流动阻力。

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传统冲击+气膜双层壁模型的综合冷却效率对比分布云图和对比线图，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0.636增加到0.818，提高综合冷却效率至传统结构的1.29倍，冷气的总压损失系数从传统冲击+气膜双层壁的1.03下降到0.62，下降至60.2％。

综上所述，该发明的优点为：(1)冷却空气用量少，冷却效率高；(2)冷气与主流夹角小，掺混损失低；(3)结构内部流动阻力小，冷气总压出流，能避免燃气倒灌。

附图说明

图1为本发明一种气膜加内部扰流的冷却装置示意图；

图2为本发明一种气膜加内部扰流的冷却装置流动示意图；

图3为本发明一种气膜加内部扰流的冷却装置特征尺寸示意图；

图4为本发明一种气膜加内部扰流的冷却装置孔排布置示意图；

图5为本发明在发动机喷管收敛段应用场景示意图；

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斜孔板模型综合冷却效率对比云图；

图8为本发明实施案例与单层多斜孔平板模型展向平均综合冷却效率对比线图；

附图标记说明：1、冷侧平板；2、热侧平板；3、中空孔；4、中空扰流柱；5、加力燃烧室外壁；6、加力燃烧室单层波纹板；7、主燃气涵道；8、喷管收敛段外壁；9、喷管扩张段外壁；10、喷管扩张段冲击-气膜双层壁冷却结构；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、外涵冷却气流；C、双层板间冷却气流；D、中空孔出流；D

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气膜加内部扰流的冷却装置在发动机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7，与燃油喷嘴喷出的燃油混合后再燃，形成高温燃气，并对喷管收敛段形成斜冲击作用，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，本实施案例带中空柱的气膜加内部扰流的冷却装置，包括冷侧平板1、热侧平板2以及连接两层平板的中空扰流柱4。冷侧板上含有错排布置的中空孔3，冷侧平板1与喷管收敛段外壁面8构成冷气通道，在两层平板中间形成中间通道，热侧平板2构成高温部件的燃气内壁面。

图2和图5中展示了喷管收敛段的带中空柱的气膜加内部扰流的冷却装置的工作方式，带中空柱的气膜加内部扰流的冷却装置通过过渡波纹连接在加力燃烧室单层波纹板上，来自加力燃烧室外涵的冷却气一部分进入冷侧平板与喷管收敛段外壁形成的外涵道成为冷却气流B，收敛段的外涵道末端为封闭形式，致使冷气全部通过中空柱形成出流D,在热侧平板2形成冷却气膜；另一部分来自加力燃烧室外涵的冷气通过中间通道，在与流向成一定角度的中空柱排的扰流作用和扩张段的抽吸作用下，对热侧平板进行冷却。

本实施案例两板板间通道平均高度H为2.5mm，中空扰流柱内径D

由于冷侧平板和外壁形成了平直的冷气通道，并在末端封闭，同时中空孔相比冲击气膜结构的双层壁流阻较小，可以降低燃气发生倒灌的风险。来自加力燃烧室的一部分冷却气在封闭腔的限制下通过中空孔，并在热侧平板形成气膜层，进而大量减少燃气向热侧平板的传热量；另外一部分冷却气通过中间通道的中空柱排，在喷管扩张段的强抽吸作用下，加强了对流换热，带走热侧平板的热量，进一步降低了热侧平板温度，从而对整个喷管扩张段壁面形成良好的保护作用。本实施案例和相同开孔率和开孔位置的传统冲击+气膜双层壁，进行了数值计算对比。具体计算设置见表1，实施案例与传统冲击+气膜双层壁模型的冷效对比见图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至传统冲击+气膜双层壁结构的1.29倍，冷气的总压损失系数下降60.2％。

表1实施案例与冲击+气膜双层壁模型数值计算方法

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。