[发明专利]用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构

说明书

本发明使用横向波纹冲击板，平板式气膜板构成双层壁冷却结构。冲击孔与气膜孔均为叉排分布；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均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,解决了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，解决了波纹式隔热屏热应力不均的问题。

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，特别涉及一种用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构。

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，同时，须将冷气用量控制在一定范围内，减小对发动机性能的影响，因此，人们不断的对双层壁冷却结构进行改进，以寻求使用最少的冷气达到最佳冷却效果。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：本发明提出一种用于喷管的具有横向波纹冲击孔板的新型双层壁冷却结构。此结构可以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，同时解决波纹式隔热屏热应力不均的问题。

本发明的技术方案是：用于矢量喷管的具有横向波纹冲击孔板的双层壁冷却结构，包括气膜孔板和横向波纹式冲击孔板且两者相互不接触；所述横向波纹式冲击孔板和外壁面构成冷气涵道，横向波纹式冲击孔板和气膜孔板之间构成冷却通道，燃气侧气膜孔板构成矢量喷管筒体内壁，内侧为矢量喷管主燃气涵道；气膜孔板上开有若干通孔作为气膜孔，横向波纹式冲击孔板上开有若干通孔作为冲击孔，且冲击孔与气膜孔均为叉排布置。

本发明的进一步技术方案是：所述横向波纹式冲击孔板沿展向呈正弦型起伏。