專利名稱：一種超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)及其換熱方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)及其換熱方法。
背景技術(shù)：
目前超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面常用材料為鎳基耐熱合金，為了保證發(fā)動 機安全工作， 一般都要使發(fā)動機壁面材料工作在材料屈服極限以下，所以此類
發(fā)動機材料的耐熱溫度一般在550。C-60(TC之間。超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壓力 高，經(jīng)過燃燒室壁面的熱流密度大，燃氣溫度(2500。C左右)遠遠超出了這些材 料所能承受的溫度。發(fā)動機內(nèi)部的復雜激波波系、燃燒脈動和燃燒振蕩導致壁 面的換熱條件變化很大，這樣惡劣的條件很容易引起燃燒室局部熱流密度過 大，局部壁面溫度過高，很短的時間內(nèi)燃燒室壁面就可能燒毀。因此防止發(fā)動 機壁面過熱是發(fā)動機熱防護的核心問題之一。超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)部激波 附面層相互作用導致局部劇烈換熱是產(chǎn)生巨大局部熱流而使壁面超溫的原因 之一。超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)部的激波系位置變化劇烈，隨著工況的變化最大熱流 點可能出現(xiàn)遍歷發(fā)動機燃燒室的各個位置。
傳熱強化是上世紀六十年代蓬勃發(fā)展起來的一種改善傳熱性能的先進技 術(shù)。人工粗糙度強化換熱通過在換熱表面設置人為粗糙度以增加表面擾動，提 高流體湍流度，從而增加局部換熱效率，由于簡單易行而成為對流強化換熱中 應用最廣的一種方式，而且這是最有效地提高換熱系數(shù)的方法，已經(jīng)被廣泛應 用于超然沖壓發(fā)動機冷卻通道上面，很小的擾動就能很大改善冷卻通道的換熱 性能。然而，使用固定結(jié)構(gòu)及人工粗糙度方法也面臨很多問題和挑戰(zhàn)，固定結(jié) 構(gòu)及人工粗糙度強化換熱無法應對高溫區(qū)域變化的情況。為了應對這種情況， 傳統(tǒng)的方法往往是比較保守的，會在高溫區(qū)域可能出現(xiàn)的位置都使用強化換熱 結(jié)構(gòu)，這樣會增加流道內(nèi)的阻力損失，而且會損失冷卻介質(zhì)熱沉。
如果有一種技術(shù)，在高溫側(cè)壁面局部溫度為高溫時可以自適應的形成強化 換熱結(jié)構(gòu)，當溫度降低后可以自適應的轉(zhuǎn)化為平坦結(jié)構(gòu)，并且不需要外部的動 力源，就可以大大的改善發(fā)動機高溫區(qū)域壁面的溫度，從而實現(xiàn)自適應強化換 熱的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)及其換熱 方法，以解決現(xiàn)有超燃沖壓發(fā)動機壁面出現(xiàn)超溫，而采用固定結(jié)構(gòu)及人工粗糙 度強化換熱無法應對高溫區(qū)域變化的問題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的系統(tǒng)包括燃燒室 壁，所述燃燒室壁的外壁上加工有多個凹槽構(gòu)成冷卻通道；所述系統(tǒng)還包括多 個雙金屬片，所述多個雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁4的外壁 上。
本發(fā)明的方法是這樣實現(xiàn)的 一、在燃燒室壁的外壁上加工有多個凹槽構(gòu) 成冷卻通道，將多個雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室的外壁上，再 將燃燒室裝在發(fā)動機外套的內(nèi)腔中，燃燒室壁的外壁與發(fā)動機外套的內(nèi)壁相接 觸，向冷卻通道內(nèi)充入冷卻介質(zhì)，此時，雙金屬片沒有動作；二、當與冷卻介
質(zhì)相接觸的燃燒室壁的局部區(qū)域的溫度達到550。C 60(TC時，設置在此局部區(qū)
域內(nèi)的雙金屬片受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區(qū) 域內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動強化換熱，當經(jīng)過強化換熱后的燃燒室壁的局部區(qū)域的溫
度降到50(TC 540。C時，設置在此局部區(qū)域內(nèi)的雙金屬片又恢復到初始狀態(tài)。 本發(fā)明具有以下有益效果 一、本發(fā)明的系統(tǒng)采用雙金屬片為執(zhí)行機構(gòu)基 本上很少增加系統(tǒng)的重量，雙金屬片兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能，實現(xiàn)了燃燒 室壁面強化換熱結(jié)構(gòu)的微型化和智能化；同時這一結(jié)構(gòu)沒有電子的測量反饋等 元件，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。當雙金屬片所處的溫度變化后，它能通過線膨脹系數(shù) 的不同來改變自己的形狀，這就有效地響應系統(tǒng)局部高溫區(qū)域的變化，可以在 各種工況下用較小的冷卻介質(zhì)流量換得較好的冷卻效果。二、本發(fā)明的方法通 過雙金屬片(主動層和被動層)熱膨脹系數(shù)在某些溫度范圍內(nèi)差別比較大的性 能，實現(xiàn)了面臨超溫以及高溫區(qū)隨機變化問題的燃燒室壁面溫度的自適應強化 換熱，很小的變形就已經(jīng)能很好地實現(xiàn)強化換熱。因此，本發(fā)明的方法特別適 合在超燃沖壓發(fā)動機等面臨超溫問題的系統(tǒng)上應用。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面圖，圖2是圖1的A-A剖面圖(雙金屬片3 未彎曲變形的情況下)，圖3是圖2中的雙金屬片3彎曲變形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1~圖3說明本實施方式，本實施方式的系統(tǒng)包 括燃燒室壁4，所述燃燒室壁4的外壁上加工有多個凹槽構(gòu)成冷卻通道5;本 實施方式的系統(tǒng)還包括多個雙金屬片3，所述多個雙金屬片3的一端固定在冷
卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁上。工作時，將燃燒室裝在發(fā)動機外套1的內(nèi) 腔中，燃燒室壁4的外壁與發(fā)動機外套1的內(nèi)壁相接觸，再向冷卻通道5內(nèi)充 入冷卻介質(zhì)。當與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度較低時， 這些雙金屬片3的熱膨脹系數(shù)差別不是很明顯，沒有發(fā)生彎曲，是其初始的比 較平坦的狀態(tài)。當與冷卻通道5內(nèi)冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2 的溫度由55(TC升高到60(TC的時候，雙金屬片3彎曲，沒有固定的一端抬高， 形成粗糙度。本實施方式中的雙金屬片3為現(xiàn)有技術(shù)，其成分為Ni-Mo-Fe與 Ni-Fe，最高工作溫度為643°C。
具體實施方式
二結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的多個雙 金屬片3的一端均勻固定在冷卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁上。如此設置， 可以在整個冷卻通道5上更好地實現(xiàn)自適應強化換熱，從而降低燃燒室壁4 的溫度。其它連接關系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1 圖3說明本實施方式，本實施方式的利用具 體實施方式一所述的系統(tǒng)進行自適應強化換熱是這樣實現(xiàn)的 一、在燃燒室壁 4的外壁上加工有多個凹槽構(gòu)成冷卻通道5，將多個雙金屬片3的一端固定在 冷卻通道5內(nèi)的燃燒室4的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動機外套1的內(nèi)腔中， 燃燒室壁4的外壁與發(fā)動機外套1的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道5內(nèi)充入冷卻介 質(zhì)，此時，雙金屬片3沒有動作；二、當與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局 部區(qū)域2的溫度達到55(TC 60(TC時，設置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3受 熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區(qū)域2內(nèi)的冷卻介質(zhì) 流動強化換熱，當經(jīng)過強化換熱后的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度降到 500。C 54(TC時，設置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3又恢復到初始狀態(tài)。
在燃燒室壁4的溫度還沒有達到雙金屬片3的熱膨脹系數(shù)差別比較大的范 圍時，雙金屬片3為平坦的形狀，這時傳熱為正常傳熱。當高溫區(qū)域位置變化 導致燃燒室壁4的局部區(qū)域2的壁面溫度上升時，冷卻通道5的內(nèi)壁面溫度也 隨著升高，如果冷卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁溫度位于熱膨脹系數(shù)差別比 較大的范圍內(nèi)時，由于雙金屬片3(主動層和被動層)的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生動作(彎曲)，不固定的一端就抬高形成了粗糙度，這將導致這一局部流動 的強化換熱，因此冷卻通道5內(nèi)的冷卻介質(zhì)在這一部分帶走的熱量將大于原來
溫度比較低的雙金屬片3沒有動作時的熱量，會有效地避免由于強化換熱效果 不良而出現(xiàn)局部高溫引起系統(tǒng)不工作的情況。當燃燒室壁4的局部區(qū)域2轉(zhuǎn)移 時，原來的燃燒室壁4的高溫區(qū)溫度下降，導致雙金屬片3熱膨脹系數(shù)差別減 小，恢復為原來的比較平坦的形狀；而在新的高溫區(qū)，雙金屬片3又轉(zhuǎn)變?yōu)閺?化換熱的形狀，增加新的局部高溫區(qū)的換熱能力，這樣就實現(xiàn)了自適應強化換 熱的目的。雙金屬片3為現(xiàn)有技術(shù)。
具體實施方式
四結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的步驟二 中，當與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度達到58(TC時，設 置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度， 導致這一局部區(qū)域2內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動強化換熱，當經(jīng)過強化換熱后的燃燒室 壁4的局部區(qū)域2的溫度降到54(TC時，設置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3 又恢復到初始狀態(tài)，這樣能夠降低燃料熱沉的損失。其它方法步驟與具體實施 方式三相同。
工作原理是在系統(tǒng)內(nèi)的燃燒室壁4的溫度較低時，雙金屬片3沒有動作， 此時的雙金屬片3粗糙度高度比較小，對換熱影響不是很大，這時傳熱為正常 傳熱(如圖2所示)，當燃燒室壁4的局部區(qū)域2出現(xiàn)高溫(55(TC 600。C) 時，冷卻通道5內(nèi)燃燒室壁4的外壁溫度也隨著升高，如果這個溫度達到雙金 屬片3 (主動層和被動層)熱膨脹系數(shù)差別比較大的區(qū)域時，雙金屬片3就開 始動作，沒有固定的一端形成較高的粗糙度(如圖3所示)，這將導致這一局 部流動的強化換熱，提高該區(qū)域的強化換熱能力。此時，冷卻介質(zhì)在這一部分 帶走的熱量將大于原來雙金屬片3形成的粗糙度比較小時的熱量，會有效地避 免由于強化換熱效果不好而出現(xiàn)局部高溫引起系統(tǒng)的燃燒室壁4燒損或者系 統(tǒng)不工作的情況。當燃燒室壁4的高溫區(qū)轉(zhuǎn)移時，原來的燃燒室壁4的溫度下 降，雙金屬片3恢復為初始的形狀，而在新的局部區(qū)域2的溫度升高到 55(TC 600。C時，雙金屬片3又轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诙缺容^高的強化換熱的形狀。
權(quán)利要求
1、一種超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括燃燒室壁(4)，所述燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個凹槽構(gòu)成冷卻通道(5)；其特征在于所述系統(tǒng)還包括多個雙金屬片(3)，所述多個雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內(nèi)的燃燒室壁(4)的外壁上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)，其 特征在于所述多個雙金屬片(3)的一端均勻固定在冷卻通道(5)內(nèi)的燃 燒室壁(4)的外壁上。
3、 一種利用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)進行自適應強化換熱的方法，其特征 在于所述方法是這樣實現(xiàn)的 一、在燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個凹 槽構(gòu)成冷卻通道(5)，將多個雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內(nèi) 的燃燒室(4)的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動機外套(1)的內(nèi)腔中，燃燒 室壁(4)的外壁與發(fā)動機外套(1)的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道(5)內(nèi)充入 冷卻介質(zhì)，此時，雙金屬片(3)沒有動作；二、當與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒 室壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度達到55(TC 60(TC時，設置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬片(3)受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致 這一局部區(qū)域(2)內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動強化換熱，當經(jīng)過強化換熱后的燃燒室 壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度降到50(TC 54(TC時，設置在此局部區(qū)域(2) 內(nèi)的雙金屬片(3)又恢復到初始狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng) 的換熱方法，其特征在于歩驟二中，當與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁(4) 的局部區(qū)域(2)的溫度達到58(TC時，設置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬 片(3)受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區(qū)域(2) 內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動強化換熱，當經(jīng)過強化換熱后的燃燒室壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度降到54(TC時，設置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬片(3)又恢復到初始狀態(tài)。
全文摘要
一種超燃沖壓發(fā)動機自適應強化換熱系統(tǒng)及其換熱方法，它涉及一種發(fā)動機換熱系統(tǒng)及其換熱方法。針對超燃沖壓發(fā)動機無法應對高溫區(qū)域隨機變化問題。系統(tǒng)雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁的外壁上；方法在燃燒室外壁上加工凹槽構(gòu)成冷卻通道，將雙金屬片一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動機外套的內(nèi)腔中，燃燒室壁的外壁與發(fā)動機外套的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道內(nèi)充入冷卻介質(zhì)；當燃燒室壁的局部區(qū)域溫度達到550℃～600℃時，設置在此局部區(qū)域內(nèi)的雙金屬片受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，強化換熱，當此局部區(qū)域溫度降到500℃～540℃時，雙金屬片又恢復到初始狀態(tài)。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能有效響應系統(tǒng)局部高溫區(qū)域的變化。
文檔編號F02K7/00GK101509438SQ200910071590
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者于達仁, 周偉星, 段艷娟, 文 鮑 申請人:哈爾濱工業(yè)大學