[发明专利]一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构

说明书

本发明涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构，使用三维波纹冲击板，平板式气膜板构成双层壁冷却结构。冲击孔与气膜孔分布方式为“棋盘”式分布，即在波纹冲击孔板的波谷处布置冲击孔，气膜孔板上的气膜孔则布置在正对波纹冲击孔板的波峰处；波纹冲击孔板与气膜孔板在轴向为多个单元周期结构。波谷与气膜孔板之间形成较小的冲击距，可以增强冲击换热，波峰与气膜孔板之间可以形成较大空间，有利于冷气流动充分发展,利于出流，可以减小流阻，提高冷气利用率,解决为了增强换热而减小冲击距，但为了减小流阻需增大冲击距这两种方法之间的矛盾。同时气膜板为平板，有利于气膜贴附，形成有效热防护，减小热应力。

技术领域

本发明属于航空发动机矢量喷管冷却领域，同样也用于发动机燃烧室的冷却和加力燃烧室隔热屏的冷却，特别涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构。

背景技术

矢量喷管对于提高飞机的机动性有重要作用，喷管内燃气温度可达2000K以上，为保证其结构安全，使其具有合理的寿命，同时为了降低喷管的红外辐射，增强其隐身能力，必须对其进行冷却。由于喷管的冷却空气是从发动机的压气机中抽取的，这部分冷气将无法参与发动机的整个热循环，这会降低发动机的热效率和推力，因此在设计高性能喷管时，要实现以尽可能少的冷气达到较高的冷却效果。

双层壁冷却结构是一种冲击/发散冷却结构，已经被广泛使用，但其冷却效果很大程度上取决于内部不同冷却单元之间的位置关系，因此，人们不断的对双层壁冷却结构进行改进，以寻求最佳冷却效果。冲击板上的离散孔喷出的冷却射流冲击在气膜板上，与气膜板形成对流换热，降低气膜板的温度，冷却射流最后从气膜板上的离散孔喷出，在喷管内壁的高温燃气侧形成气膜，减轻燃气对筒体的热冲蚀，从而提高使用寿命。Multi-hole FilmCooled Afterburner Combustor Liner(US005483794A)公开了一种多孔波纹式气膜板加力燃烧室隔热屏。燃气通道中的波纹所引起的扰动能够强化对流换热，在波谷处，由于波峰的阻挡，使得气膜可以相对稳定的停留在该区域，提高冷却效果。但是现有研究表明，整个波纹板隔热屏的壁温和局部换热受波形影响很大，由于气膜板是波纹形状，冷却气膜难以在整个表面形成有效覆盖，波纹板在迎风面和背风面之间换热效果差异很大，背风面的低换热严重影响了隔热屏的整体换热效果，并导致较大的温度梯度和热应力，从而影响使用寿命和可靠性。《孔径比与冲击距对冲击/发散冷却隔热屏冷却性能影响》中研究了不同冲击距下冲击/发散冷却结构的综合冷却效率，结果表明，随着冲击距的增大，冲击靶面的换热效果会减弱，使整个结构的冷却效果减小。若是想得到较好的冷却效果，需减小冲击距，以此来减小冲击射流的动量损失，提高射流在靶面上的冲击强度，进而提高换热，但是在小冲击距下，流阻增大，气膜孔的出流将受到限制，甚至有些气膜孔无法出流，流量系数减小(参见《双壳型冲击/气膜综合流量系数实验研究》)，不能充分发挥冷气的冷却潜力，因此其冷却效率不能满足减少冷气量的需求。由此可见，若是想通过减小冲击距来提高换热，就必须解决小冲击距带来的流阻增大问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术中需要增强换热而减小冲击距，但需要减小流阻需增大冲击距这两种方法之间的矛盾，同时解决波纹式隔热屏热应力不均的问题，本发明涉及一种用于喷气发动机矢量喷管的双层壁冷却结构。