一种强化冲击换热减弱横流的装置及应用

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种强化冲击换热减弱横流的装置及应用。

背景技术

随着燃气涡轮发动机的技术逐渐发展，其循环温度逐步提高，这使得涡轮机的性能得到了有效的提升。但是受限于涡轮叶片和燃烧室材料的耐热程度，涡轮前温度达到了一个瓶颈，因此，必须对涡轮叶片和燃烧室壁进行有效的冷却来保证发动机的正常高效工作。冲击对流冷却作为一种高效的内部冷却方式，被广泛应用于涡轮导叶和燃烧室隔热屏的设计中。冲击对流冷却的基本原理：将冷却气通过冲击孔或喷嘴冲击到热壁面上，利用冲击高换热系数的特点带走热壁面上的热量，从而对壁面进行降温保护。

对于减弱横流的冲击冷却，Ekkad研究了延长喷嘴和波纹壁面对冲击换热的增强效果，研究表明，两种几何结构都减少了下游射流上横流引起的冲击换热减弱作用，但不同的结构对冲击换热的增强效果不一。延长喷嘴在高雷诺数下和波纹壁面一样取得了较好的效果，但是在低雷诺数下，由于喷嘴出口形成的流速分布特征，延长喷嘴的表现更加优异。现有技术中研究了波纹孔板加柱排结构对横流减弱的效果，实验数据表明波纹孔板有助于减少柱排结构引起的压降，但对换热的贡献比较有限。

发动机高温部件工作温度远超材料耐温极限，使用冲击对流冷却方式对其进行冷却时，由于阵列冲击孔结构的横流作用，会降低下游孔的冲击换热效果。由于冲击射流结构的流阻较大，供气压力不足容易导致冷却不足，进而导致部件过热失效。因此需要使用新结构来降低目前阵列冲击孔结构的横流效应和减小该结构的流阻。

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，本发明提供一种强化冲击换热减弱横流的装置，包括冷侧波纹板、热侧平板以及冷侧波纹板波谷上突出的圆柱喷嘴，利用了突出的喷嘴流量系数高，流阻小的特点，能对热侧壁面形成高效的冷却；突出的喷嘴和波纹形成的半受限空间，能促使冷却气沿着波峰与平板形成的通道流动，突出的喷嘴能避免短孔效应，增大流量系数，从而减小了结构的流动阻力。该结构适用于发动机燃烧室和涡轮导叶结构等高温部件。经过数值验证，使用该结构，能比现有阵列冲击孔平板结构具有更高的冷却效果，具有更小的流动阻力。

本发明的技术方案是：一种强化冲击换热减弱横流的装置，其特征在于：包括冷侧波纹板、热侧平板和喷嘴，所述冷侧波纹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；在冷侧波纹板和热侧平板之间形成截面积周期性变化的丘陵形中间通道；

所述冷侧波纹板和热侧平板之间设置有若干喷嘴，形成含喷嘴的中间通道，并通过喷嘴内的冲击孔将冷气通道与中间通道连通；且喷嘴与冷侧波纹板的波谷连接。

本发明的进一步技术方案是：所述喷嘴为开有中心孔的圆柱喷嘴，所述中心孔为冲击孔。

本发明的进一步技术方案是：所述热侧平板和冷侧波纹板所形成的通道平均高度H应在1-5倍的冲击孔径D

本发明的进一步技术方案是：所述冷侧波纹板的波纹为正弦型波纹，且波纹轨迹与流向垂直。

本发明的进一步技术方案是：所述冷侧波纹板的波长λ为10-60mm，波纹振幅M为0.5-2倍的冲击孔孔径D

本发明的进一步技术方案是：所述喷嘴的冲击孔孔径D

本发明的进一步技术方案是：所述喷嘴的轴向延长长度L为0.5-2倍的冲击孔径。

本发明的进一步技术方案是：所述冲击孔为矩形分布，孔排流向间距S为4-8D

一种强化冲击换热减弱横流的装置的应用，其特征在于：所述强化冲击换热减弱横流的装置应用于发动机喷管的收敛段。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提供一种强化冲击换热减弱横流的装置，能有效降低阵列孔排的横流效应，降低结构的流阻。具体实现的原理为：如图2所示，冷却气流B，通过位于冷侧波纹板波谷6的冲击孔3，形成冲击射流C冲击到热侧平板1上，对热侧平板进行冷却；突出喷嘴4避免了薄壁冲击孔的短孔效应，从而降低了整个结构的流阻，同时，突出的喷嘴4和波谷6共同作用，阻碍了冷气在沿着流向的流动，削弱了射流的横流效应，增强了换热效果；由于波纹起伏方向与流向垂直，波纹的波峰5与热侧平板形成较大的流向空间，较大的波纹振幅M促使冲击后冷气汇流D向这个流向空间汇集，并沿着这个空间向下游流动，减弱流向的流阻。在这些综合因素作用下，使得整个结构的换热效果好，流阻小。

经过数值验证，如图5，为本发明的一种实施例与传统阵列冲击模型的综合冷却效率对比分布云图，从图上可以看出，本发明的综合冷却效率更高，经过计算，本发明的面平均综合冷却效率从0.602提升至0.618，提升幅度为1.03倍，总压损失系数由0.640下降为0.491，下降至76.7％。

综上所述，该发明的优点为：(1)减弱阵列冲击的横流效应，冷却效率高；(2)冷却结构流阻小，能用较小压力的冷气对结构进行冷却。

附图说明

图1为本发明一种强化冲击换热减弱横流的装置示意图；

图2为本发明一种强化冲击换热减弱横流的装置流动示意图；

图3为本发明一种强化冲击换热减弱横流的装置特征尺寸示意图；

图4为本发明一种强化冲击换热减弱横流的装置孔排布置示意图；

图5为本发明实施案例与阵列冲击孔模型综合冷却效率对比云图；

附图标记说明：1、冷侧波纹板；2、热侧平板；3、冲击孔；4、突出喷嘴；5、冷侧波纹板波峰；6、冷侧波纹板波谷；A、主流燃气；B、外涵冷却气流；C、冲击射流；D、冲击后冷气汇流；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。

本实施案例是强化冲击换热减弱横流装置的具体实施案例。

从燃烧室排出的燃气伴随着旋流，冲击作用到涡轮导叶上，温度远超材料的熔点，因此要对涡轮导叶进行冷却。参阅图1、图2、图3、图4，本实施案例强化冲击换热减弱横流的装置，包括冷侧波纹板1、热侧平板2以及从冷侧波纹波谷6突出的圆柱喷嘴4。冷侧波纹板与外壁面构成冷气通道，在两层板中间形成沿流动法向上呈现波纹形状的中间通道，热侧平板构成高温部件的燃气内壁面。

图2展示了强化冲击换热减弱横流的装置的工作方式，冷却气流B进入冷侧波纹板与喷管收敛段外壁形成的外涵道，通过位于波谷的阵列冲击孔3流出，形成冲击射流C冲击到热侧平板1上，之后冷气汇流B通过波峰与平板形成的通道流动，带走热侧平板的热量，最后从尾部流出。

本实施案例两板板间通道平均高度H为4mm，喷嘴延长长度L为2mm,喷嘴外径为4mm,波纹振幅M为2mm，冲击孔径为2mm，冲击孔排展向间P为12mm,冲击孔排流向间距S为12mm，波纹长度为12mm。

突出的喷嘴提高了冲击孔的流量系数，波纹的波峰5与热侧平板2形成较大的流向空间，以上两种因素的共同作用下，降低了整个结构的流阻。波纹结构和突出的喷嘴设计削弱了横流，提高了靶面的换热系数，从而达到降低热侧平板温度的目的。因此，参数匹配较好的情况下，本发明不仅能提高综合换热效果，还能降低整个结构的流阻。实施案例和相同开孔率、开孔位置的阵列冲击孔结构进行了数值计算对比。具体计算设置见表1，实施案例与阵列冲击孔结构冷效对比见图5所示，在相同冷气消耗情况下，本实施案例提高综合冷却效率至原先结构的1.03倍，减少通道损失为原来的76.7％。

表1实施案例与阵列冲击孔模型数值计算

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。