[发明专利]一种气膜加内部扰流的冷却装置及应用

说明书

本发明一种气膜加内部扰流的冷却装置及应用，属于航空发动机领域；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。

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_i在0.5-5mm之间。