專利名稱：一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強(qiáng)化傳熱與熱防護(hù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代飛機(jī)和直升機(jī)的主要?jiǎng)恿Γ瑸轱w機(jī)提供推進(jìn)力，為直升機(jī)提 供升力。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件，它的燃燒特性與高溫?zé)岱雷o(hù)效率，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī) 的工作與性能。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，燃燒室部件的設(shè)計(jì)將向高溫升、高熱容燃 燒方向發(fā)展，因此對(duì)火焰筒的冷卻研究也變得更加重要， 一般來(lái)說(shuō)，該問(wèn)題的解決途徑主要 有兩個(gè) 一是提高燃燒室制造材料的許用工作溫度，然而，當(dāng)前進(jìn)一步提高現(xiàn)有材料的耐熱 性能已經(jīng)十分困難。盡管隨著科技的發(fā)展，新研制的耐高溫材料，如陶瓷復(fù)合材料等耐熱材 料，能使火焰筒壁面的耐溫性能提高到1600K 1900K左右，但根據(jù)這類材料的研制狀況 來(lái)看，要實(shí)際應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒上還需一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。二是加強(qiáng)熱防護(hù)，即改進(jìn)火焰 筒壁面的冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)提高冷卻效率。亳無(wú)疑問(wèn)，傳統(tǒng)的純氣膜冷卻結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足先進(jìn)航 空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升高熱容燃燒室發(fā)展的需求，需要研究出更加高效的冷卻方式。
目前現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室大部分采用層疊環(huán)帶冷卻方式或者機(jī)械加工環(huán)帶方式，所形成的 縫式貼壁冷卻氣膜大約需要40%的冷空氣流量，能夠滿足推重比8 —級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口 溫度的需要，但對(duì)于推重比IO—級(jí)的燃燒室，則需冷氣流量60-70%，這是發(fā)動(dòng)機(jī)不能滿 足的。為此，必須發(fā)展先進(jìn)的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，具有代表性的幾種先進(jìn)的復(fù)合冷卻方式如下
(1) 層板冷卻結(jié)構(gòu)。典型的層板冷卻結(jié)構(gòu)是美國(guó)AADC (Allison Advanced Development Company)研制的Lamilloy層板冷卻結(jié)構(gòu)和Rolls-Royce公司研制的 Tmnsply層板冷卻結(jié)構(gòu)孫昌沐層板冷卻結(jié)構(gòu)流阻與換熱特性研究.西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué) 位論文，2001，均屬于半發(fā)散冷卻(Semitranspiration Cooling)方式。AADC公司的 Lamilloy層板是由數(shù)層經(jīng)過(guò)光刻或化學(xué)腐蝕的金屬板經(jīng)擴(kuò)散焊接而成的，層間布滿許多基 柱，在層與層之間起連接作用，并且可以加強(qiáng)冷卻氣體的紊流度和增強(qiáng)換熱面積。Transply 層板結(jié)構(gòu)是由數(shù)層電化學(xué)力工的金屬板焊接而成。它是直接在每層層板上加工內(nèi)部流通通道。 冷卻氣體從進(jìn)氣孔進(jìn)來(lái)后先沖擊到層板內(nèi)壁上然后沿著通道流向出氣孔。這種冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu) 點(diǎn)在于層板內(nèi)部有豐富的換熱面積、擾流柱等強(qiáng)化換熱方式，同時(shí)具有沖擊冷卻這種高換 熱系數(shù)的冷卻方式，其冷氣消耗量可比常規(guī)冷卻減少30%，這樣可以大大改善燃燒室出口溫 度分布。
(2) 多斜孔孔壁冷卻結(jié)構(gòu)。該冷卻結(jié)構(gòu)的特征是在進(jìn)行冷卻的壁面上開(kāi)出大量非常密集
3的離散小直徑氣膜孔陣，與傳統(tǒng)氣膜冷卻相比其孔的直徑的要小得多，而與發(fā)散冷卻相比， 其熱側(cè)面盡可能形成完整覆蓋的冷卻氣膜，從而達(dá)到由多孔介質(zhì)而形成的發(fā)散冷卻的效果。 該冷卻方式的冷氣流從這些孔以一定的入射角射入流過(guò)壁面的熱主流中，將主流與壁面隔離， 起到保護(hù)的作用陳焱.致密微孔壁復(fù)合冷卻數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué) 位論文，2005。總的來(lái)說(shuō)，致密微孔壁復(fù)合冷卻包含了冷側(cè)、氣膜小孔內(nèi)對(duì)流換熱和熱惻
的氣膜冷卻這三種冷卻方式。
(3)沖擊-發(fā)散復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。該冷卻方式由兩層平壁組成，外側(cè)壁為沖擊壁，內(nèi)側(cè)壁 為發(fā)散孔壁。沖擊壁上分布著垂直壁面的沖擊孔，發(fā)散孔壁面上分布著與壁面夾角為a的小孔。 該冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)如下A.充分利用沖擊冷卻換熱系數(shù)高的特點(diǎn)冷卻局部熱點(diǎn)；B.發(fā)散孔 與壁面傾斜，極大的增加了內(nèi)對(duì)流換熱面積。另外，孔入口處的附面層抽吸作用也加強(qiáng)了換 熱；C.恰當(dāng)?shù)碾p層壁間壓降分配可以使發(fā)散壁熱惻氣膜貼壁良好，形成全氣膜保護(hù)。沖擊發(fā) 散復(fù)合冷卻方式在F-119發(fā)動(dòng)機(jī)和V2500發(fā)動(dòng)機(jī)上取得了較好的效果方昌德.世界航 空發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè).北京航空工業(yè)出版社，1996。
關(guān)于燃燒室火焰筒的先進(jìn)冷卻方案，美、英等航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了大量研究工 作， 一種方向是追求氣膜的冷卻效率，其最佳的方案是發(fā)汗冷卻，但由于孔徑和內(nèi)部通道太 小，易賭塞，應(yīng)用上有困難。另外一種方向是探討各種組合冷卻方案，這就形成了沖擊-氣膜 冷卻、沖擊-對(duì)流冷卻以及發(fā)散孔壁冷卻等，這類研究，現(xiàn)已達(dá)到了應(yīng)用階段，例如GE-90 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)散孔壁冷卻，其氣膜冷卻效率不高，僅為0.6-0.72，而純氣膜冷卻的效率可達(dá) 0.78-0.82左右，但發(fā)散孔壁方案在形成氣膜前，先對(duì)火焰筒進(jìn)行內(nèi)對(duì)流冷卻，因此總的冷 卻效率可達(dá)0.9左右，可見(jiàn)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)能夠有效地提高火焰筒的熱防護(hù)效果。然而，隨著 航空技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有冷卻方案已經(jīng)不能滿足要求，高溫升、高熱容燃燒室的設(shè)計(jì)需要 研制出具有更高冷卻效率的冷卻結(jié)構(gòu)。
大量的實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐表明在沖擊發(fā)散冷卻的基礎(chǔ)上，參考層板冷卻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)， 可進(jìn)一步加大冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)部的換熱面積，提高火焰筒的內(nèi)對(duì)流冷卻；而通過(guò)改變氣膜孔的形 狀則可以更好的提高多斜孔孔壁的冷卻效果D. G. Hyams，丄H. Leylek. A Detailed Analysis of Film Cooling Physics: Part III—Streamwise Injection With Shaped Holes: ASME Journal of Turbomachinery, 2000， 122: 122-132R. A. Brittingham， J. H. Leylek. A Detailed Analysis of Film Cooling Physics: Part IV—Compound-Angle Injection With Shaped Holes. ASME Journal of Turbomachinery, 2000， 122: 133-145。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在沖擊發(fā)散冷卻的基礎(chǔ)上參考層板冷卻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)保留原有的沖擊冷卻和 多斜孔孔壁冷卻方案，并引入新的技術(shù)措施來(lái)提高冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括端壁、外惻壁、內(nèi)惻壁； 在外惻壁和內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)有中間壁，外側(cè)壁、中間壁與外側(cè)壁組成三層壁結(jié)構(gòu)，通過(guò)端壁將 內(nèi)側(cè)壁與外側(cè)壁兩端封閉，中間壁后端與后端壁相連；外側(cè)壁的后端設(shè)有幾排沖擊孔，所述 沖擊孔可以為圓孔，也可以為其它形狀的孔。冷卻氣體在外側(cè)壁的后段以沖擊氣流的形式進(jìn) 入該冷卻結(jié)構(gòu)；中間壁的前端與前端壁之間形成一定間隔的冷卻空氣槽，內(nèi)側(cè)壁與中間壁間 形成下冷卻通道，外側(cè)壁與中間壁間形成上冷卻通道。中間壁的外側(cè)面上布置有陷窩狀丁胞 坑。所述的丁胞坑形狀為魚(yú)鱗型，也可為其它形狀，使對(duì)冷卻氣體的阻力達(dá)到最小。
內(nèi)側(cè)壁為多斜孔孔壁冷卻結(jié)構(gòu)，采用縮擴(kuò)氣膜孔，縮擴(kuò)氣膜孔為兩端粗口中間細(xì)的結(jié)構(gòu)， 冷卻氣體在孔內(nèi)呈先收縮，后擴(kuò)張的流動(dòng)方式。
冷卻氣體在三層壁間折返流動(dòng)，氣體在由外側(cè)壁和中間壁組成的上冷卻通道中由后向前 流動(dòng)，通過(guò)中間壁上丁胞坑的作用可有效提高中間壁前段的換熱效率；氣體通過(guò)冷卻空氣槽 進(jìn)入下冷卻通道折返流動(dòng)，然后由縮擴(kuò)氣膜孔流出內(nèi)側(cè)壁，在內(nèi)側(cè)壁熱側(cè)形成氣膜保護(hù)；縮 擴(kuò)氣膜孔的收縮進(jìn)氣可有效提高氣膜孔內(nèi)壁的對(duì)流換熱，而擴(kuò)張出氣則可降低射流的穿透能 力，強(qiáng)化氣膜在內(nèi)惻壁熱惻的覆蓋效果，有效保護(hù)火焰筒。
本發(fā)明的的優(yōu)點(diǎn)為
1) 通過(guò)在中間壁外惻面上布置丁胞坑，可在兩方面強(qiáng)化換熱效果， 一是增大換熱而積， 二是產(chǎn)生擾動(dòng)?；谒啓C(jī)葉片上魚(yú)鱗狀磨痕以及高爾夫球氣動(dòng)阻力的研究，本發(fā)明丁胞坑 的形狀設(shè)計(jì)為魚(yú)鱗形狀，在不考慮阻力損失的情況下，也可設(shè)計(jì)為其它形狀。
2) 縮擴(kuò)氣膜孔的收縮進(jìn)氣導(dǎo)致入口冷氣速度的不斷加快，強(qiáng)化了縮擴(kuò)氣膜孔內(nèi)壁的對(duì)流 換熱，而擴(kuò)張出氣則可降低射流的穿透能力，強(qiáng)化氣膜在內(nèi)惻壁熱惻的覆蓋效果，有效保護(hù) 火焰筒。
3) 該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于推廣應(yīng)用。


圖l為本發(fā)明提供的折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖2為在不同吹風(fēng)比M下的冷卻效率隨X/D的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明
本發(fā)明一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，'如圖1所示，括端壁l、外側(cè)壁2、內(nèi)惻壁4;在外 側(cè)壁2和內(nèi)側(cè)壁4之間設(shè)有中間壁3，內(nèi)側(cè)壁4、中間壁3與外側(cè)壁2組成三層壁結(jié)構(gòu)，并 通過(guò)端壁1將其兩端封閉，中間壁4后端與后端壁1相連；
外側(cè)壁2的后段設(shè)有幾排沖擊孔6，可使冷卻氣體在外側(cè)壁2的后段以沖擊氣流的形式 進(jìn)入該冷卻結(jié)構(gòu)；所述沖擊孔6可以為圓孔，也可以為其它形狀的孔。
中間壁3的前端與端壁1之間形成一定間隔的冷卻空氣槽8，內(nèi)側(cè)壁4與外側(cè)壁2間的 上冷卻通道9和中間壁3與內(nèi)側(cè)壁4間的下冷卻通道10;中間壁3的外側(cè)面上布置有陷窩
5狀丁胞坑5。所述的丁胞形狀為魚(yú)鱗型，也可為其它形狀，使對(duì)冷卻氣體的阻力達(dá)到最小。 內(nèi)側(cè)壁4為多斜孔孔壁的冷卻結(jié)構(gòu)，采用縮擴(kuò)氣膜孔7，此縮擴(kuò)氣膜孔7為兩端粗口中
間細(xì)的結(jié)構(gòu)，冷卻氣體在縮擴(kuò)氣膜孔7內(nèi)呈先收縮后擴(kuò)張的流動(dòng)方式。
該冷卻結(jié)構(gòu)通過(guò)多種形式對(duì)流換熱，并在內(nèi)側(cè)壁2熱側(cè)形成氣膜層，可有效實(shí)現(xiàn)燃燒室
火焰筒的高溫?zé)岱雷o(hù)。
發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)流過(guò)來(lái)的冷卻氣流通過(guò)本結(jié)構(gòu)外側(cè)壁2的前半部分時(shí)，冷卻空氣與外側(cè)壁 2的外表面進(jìn)行對(duì)流換熱，降低外側(cè)壁2的外表面的溫度。當(dāng)冷卻氣流流至外側(cè)壁2的后部 時(shí)，冷卻空氣從外側(cè)壁2上的幾排沖擊孔6進(jìn)入上冷卻通道9，冷卻空氣直接沖擊中間壁3 的上表面，對(duì)其進(jìn)行沖擊冷卻，降低中間壁3上表面的溫度；另一方面，冷卻空氣在上冷卻 通道9內(nèi)向前逆向流動(dòng)，分別與中間壁3的丁胞坑5的上表面和外側(cè)壁2的內(nèi)表面進(jìn)行對(duì)流 換熱。當(dāng)冷卻空氣流至中間壁3的前端時(shí)，通過(guò)從中間壁3前端與冷卻結(jié)構(gòu)端壁1之間的冷 卻空氣槽8進(jìn)入下冷卻通道10。冷卻空氣在下冷卻通道10內(nèi)從前向后的流動(dòng)過(guò)程中，與中 間壁3的下表面和內(nèi)側(cè)壁4的內(nèi)表面進(jìn)行對(duì)流換熱，同時(shí)，冷卻空氣通過(guò)內(nèi)側(cè)壁4上的縮擴(kuò) 氣膜孔7流入高溫?zé)釔?，此時(shí)，冷卻氣流與縮擴(kuò)氣膜孔7熱側(cè)表面進(jìn)行對(duì)流換熱帶走熱量， 并在熱側(cè)形成一層均勻的氣膜將燃?xì)夂蛢?nèi)側(cè)壁4壁面隔開(kāi)，對(duì)壁面起到很好的冷卻保護(hù)作用。
由此可見(jiàn)，折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)集沖擊換熱、對(duì)流換熱、丁胞壁面換熱和氣膜保護(hù)于一 身，兼具沖擊冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)流換熱冷卻結(jié)構(gòu)和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)合理，冷卻效率高， 是一種創(chuàng)新性的新型冷卻結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例
釆用本發(fā)明一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行吹風(fēng)研究，研究參數(shù)參照國(guó)內(nèi)外典型航空發(fā)動(dòng) 機(jī)燃燒室中的參數(shù)，其中熱燃?xì)饬鞯倪M(jìn)口溫度和進(jìn)口速度分別為T嚴(yán)l595K和U,80m/s; 冷卻氣流的進(jìn)口溫度為T^800K，進(jìn)口速度分別取U^8m/s、 20m/s和40m/s，此吋所 對(duì)應(yīng)的冷卻氣流的吹風(fēng)比則分別為M=0.2、 0.5和1.0。
結(jié)果表明冷卻氣流從外側(cè)壁2后腔的沖擊孔6以后腔沖擊射流方式進(jìn)入冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)部 后，先對(duì)中間壁3后段進(jìn)行沖擊冷卻，然后向前逆向流動(dòng)，進(jìn)行對(duì)流換熱，流經(jīng)丁胞坑5使 得換熱強(qiáng)化，當(dāng)冷卻氣流流到上冷卻通道9前端時(shí)，經(jīng)冷卻空氣槽8進(jìn)入下冷卻通道10前 端，先對(duì)內(nèi)側(cè)壁上壁面進(jìn)行沖擊換熱，然后向后流動(dòng)，進(jìn)行對(duì)流換熱，最后氣流從縮擴(kuò)氣膜 孔7流出，在內(nèi)側(cè)壁4熱側(cè)形成保護(hù)氣膜。
折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)在不同吹風(fēng)比M下的冷卻效率隨X/D (X為距內(nèi)側(cè)壁4前端的距 離，D為縮擴(kuò)氣膜孔7的折算直徑)的變化關(guān)系如圖2所示，可以看出，吹風(fēng)比越大整體冷 卻效率越高，在內(nèi)側(cè)壁前端的冷卻效率最低已經(jīng)達(dá)到0.6以上，遠(yuǎn)高于相同吹風(fēng)比下多斜孔 壁冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率，可見(jiàn)充分的內(nèi)冷起到了很大的作用。另外，由于冷氣流從前腔的窄 縫流出的沖擊作用，使得在縮擴(kuò)氣膜孔7開(kāi)始的地方冷卻效率就比較大，隨著縮擴(kuò)氣膜孔7 內(nèi)換熱和熱側(cè)氣膜覆蓋的相應(yīng)作用，到了內(nèi)側(cè)壁4的后部冷卻效率達(dá)到一個(gè)很髙的值，超過(guò)了0.97，并且保持不變，可見(jiàn)該冷卻結(jié)構(gòu)能夠得到充分內(nèi)冷，并且使冷卻結(jié)構(gòu)壁面的整體溫, 度分布比較均勻。
權(quán)利要求
1、一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，主要包括端壁、外側(cè)壁、內(nèi)側(cè)壁，其特征在于在外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)有中間壁，外側(cè)壁、中間壁內(nèi)外側(cè)壁組成三層壁結(jié)構(gòu)，并通過(guò)端壁將內(nèi)側(cè)壁與外側(cè)壁兩端封閉，中間壁后端與后端壁相連；外側(cè)壁的后段設(shè)有沖擊孔，冷卻氣體在外側(cè)壁的后段以沖擊氣流的形式進(jìn)入該冷卻結(jié)構(gòu)；中間壁的前端與端壁之間設(shè)置一定間隔的冷卻空氣槽，中間壁與外側(cè)壁間形成一定間隔的上冷卻通道，中間壁與內(nèi)側(cè)壁間形成一定間隔的下冷卻通道；中間壁的外側(cè)面上布置有陷窩狀丁胞坑；內(nèi)側(cè)壁為多斜孔孔壁冷卻結(jié)構(gòu)，采用縮擴(kuò)氣膜孔，冷卻氣體在孔內(nèi)呈先收縮后擴(kuò)張的流動(dòng)方式。
2、 按照權(quán)利要求l所述一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述沖擊孔為圓孔。
3、 按照權(quán)利要求1所述一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的陷窩狀丁胞坑 形狀為魚(yú)鱗型。
4、 按照^C利要求1所述的折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述縮擴(kuò)氣膜孔為兩端 粗口中間細(xì)的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種折返式復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括外側(cè)壁、中間壁、內(nèi)側(cè)壁與端壁。外側(cè)壁的后段設(shè)有沖擊孔；中間壁與前端壁間形成一定間隔的冷卻空氣槽；內(nèi)側(cè)壁為多斜孔孔壁的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻氣體在三層壁間折返流動(dòng)。冷卻氣體采用沖擊進(jìn)氣方式，氣體在由外側(cè)壁和中間壁組成的上冷卻通道中由后向前流動(dòng)，通過(guò)中間壁上丁胞坑的作用可有效提高中間壁前段的換熱效率；氣體通過(guò)冷卻空氣槽進(jìn)入下冷卻通道后折返流動(dòng)，通過(guò)縮擴(kuò)氣膜孔流出內(nèi)層壁，在內(nèi)側(cè)壁熱側(cè)形成氣膜保護(hù)；用縮擴(kuò)氣膜孔的收縮進(jìn)氣可有效提高縮擴(kuò)氣膜孔內(nèi)壁的對(duì)流換熱，而擴(kuò)張出氣則可降低射流的穿透能力，強(qiáng)化氣膜在內(nèi)側(cè)壁熱側(cè)的覆蓋效果，有效保護(hù)火焰筒。該冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)便，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)F23R3/00GK101526228SQ200910081179
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者李志強(qiáng), 濤 田 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)