一種用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，其屬于飛行器紅外輻射特征抑制技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
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[0002]飛機的紅外輻射源主要由三部分組成:(I)飛機蒙皮；(2)發(fā)動機排氣系統(tǒng)，包含空腔的和固體部分的紅外輻射，對紅外中波段的貢獻約占90% ；(3)發(fā)動機尾噴流，即C02、H20、CO等以及氣體顆粒形成的高溫燃氣流。對紅外中波段的貢獻約10%。因此研宄發(fā)動機排氣系統(tǒng)的紅外輻射具有極其重要的意義。針對發(fā)動機排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征抑制也有眾多措施:如(I)異型噴管；(2)低發(fā)射率涂層；(3)壁面冷卻。其中通過采取冷卻可以有效的降低表面溫度，減小紅外輻射量。主要的冷卻位置可以分為3個:噴管外側(cè)暴露部分，噴管內(nèi)表面擴張段以及支板、中心錐、加力筒內(nèi)壁等。例如最典型的F119發(fā)動機，對上述三個部分都采取了冷卻或隔熱措施，對于噴管擴張段壁面采用氣膜冷卻，降低噴管內(nèi)壁溫度，從而大幅度的降低了紅外輻射特征。
[0003]氣膜冷卻、沖擊氣膜冷卻等冷卻措施的研宄層出不窮，絕大部分這些研宄主要是針對燃燒室以及高溫渦輪葉平。針對不同的燃燒室結(jié)構(gòu)，不同的葉片結(jié)構(gòu)提出了各式各樣的冷卻結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化參數(shù)，比如說:采用異性孔、出口采用縫隙結(jié)構(gòu)等，當然也有一些比較基礎的平板冷卻問題的研宄。針對排氣系統(tǒng)噴管壁面的冷卻相對較少一點，雖然也有，例如額日其太等研宄了縫隙式氣膜、離散孔、沖擊氣膜不同冷卻結(jié)構(gòu)對于噴管壁面的冷卻。斯仁等(斯仁，吉洪湖，劉常春等.冷卻抑制二元收擴噴管紅外特征的模型實驗與數(shù)值研宄.推進技術(shù)，2014，35 (4):463-469)研宄了不同冷卻氣下沖擊氣膜結(jié)構(gòu)的冷卻對噴管紅外輻射抑制效果。該技術(shù)雖然在一定程度上降低了壁面溫度，但降幅較小，沒有實現(xiàn)壁面溫度的整體降溫，因此紅外輻射抑制效果還有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效率高，紅外抑制效果好的用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，其包括端壁、外側(cè)壁及內(nèi)側(cè)壁，所述端壁將外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁連接起來形成冷卻腔，在外側(cè)壁上設有沖擊孔，內(nèi)側(cè)壁上設有氣膜孔；所述沖擊孔為圓形孔，直徑SD1，方向與外側(cè)壁面法向一致；所述氣膜孔為圓形孔，直徑為D2，方向與內(nèi)側(cè)壁面法向成一偏轉(zhuǎn)角度β，偏轉(zhuǎn)方向與熱燃氣流方向一致；所述沖擊孔孔排距記作P1，孔間距記作S1;所述氣膜孔孔排距記為P 2，孔間距記作S2;所述外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁之間冷卻腔高度記為H，所述沖擊孔第一排孔排距記為Pl_l，所述沖擊孔第η排孔排距記為Ρ1_η，所述氣膜孔第一排孔排距記為P2_l，所述氣膜孔第η排孔排距記為Ρ2_η，所述氣膜孔第η-1排孔排距記為Ρ2_η_1，取D1ZiD2= 0.58 ;S2/D2 =4.17 ；S1= S2；P21/D2= 3.33, P2 n= 1.15 nP2 1;P 丄」=P 2」，Pl n= (P2j^P2jl)A (η 彡 I);H/D2= 3 ο
[0006]進一步地，所述沖擊孔和氣膜孔均采用叉排分布。
[0007]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0008](I)沖擊孔、氣膜孔均采用圓柱孔，加工容易，便于實際應用；
[0009](2)沖擊板開孔面積與氣膜板開孔面積比在1/3左右，氣膜板壁面降溫效果較好；
[0010](3)氣膜板壁面上孔排距與氣膜孔直徑比在4.2左右導熱傳熱可以保證壁面冷卻沿周向展開；
[0011](4)氣膜板與沖擊板之間冷卻腔高度與氣膜孔直徑比值在3左右，可以保證冷卻氣主要壓降90%作用在沖擊孔上，大大提高了沖擊冷卻效率；
[0012](5)采用與熱燃氣流相同方向的偏轉(zhuǎn)氣膜孔，能夠增強冷卻氣膜的貼壁效果；
[0013](6)氣膜孔孔排距滿足公式P2 η= 1.15 nP21 (或P2 n= e l73tnP2 ^1)，采用前密后疏的分布，壁面冷卻分布更加均勻，能夠進一步降低整個噴管壁面的紅外輻射。
【附圖說明】
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[0014]圖1是某二元收擴噴管壁面冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)氣流流路示意圖。
[0017]圖4是不同孔排距分布下氣膜板壁面溫度分布圖。
[0018]其中:
[0019]1-端壁；2_外側(cè)壁；3_沖擊孔；4_冷卻腔；5_內(nèi)側(cè)壁；6_氣膜孔；7_噴管側(cè)壁段冷氣通道；8_噴管側(cè)壁段沖擊板；9_噴管側(cè)壁段氣膜板；10_噴管擴張段氣膜板；11_噴管擴張段沖擊板；12_噴管擴張段冷氣通道；13_擴張段旋轉(zhuǎn)軸；14_噴管收斂段氣膜板；15_噴管收斂段沖擊板；16_噴管收斂段冷氣通道。
【具體實施方式】
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[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0021]請參照圖1至圖3所示，本發(fā)明用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)主要包括端壁1、外側(cè)壁2、內(nèi)側(cè)壁5。端壁I將外側(cè)壁2和內(nèi)側(cè)壁5連接起來形成冷卻腔4，在外側(cè)壁2上設有沖擊孔3，內(nèi)側(cè)壁5上設有氣膜孔6 ;沖擊孔3為圓形孔，直徑為D1，與外側(cè)壁面法向一致；氣膜孔6為圓形孔，直徑為D2，與內(nèi)側(cè)壁面法向成一定偏轉(zhuǎn)角度β，偏轉(zhuǎn)方向與熱燃氣流方向一致；沖擊孔3排距記作P1，孔間距記作S1;氣膜孔6排距記為P2，孔間距記作S2;外側(cè)壁2和內(nèi)側(cè)壁5之間冷卻腔高度記為H ;沖擊孔第一排孔排距記為Pl_l，沖擊孔第η排孔排距記為Ρ1_η，氣膜孔第一排孔排距記為P2_l，氣膜孔第η排孔排距記為Ρ2_η，氣膜孔第 n-Ι 排孔排距記為 Ρ2_η-1，取 D1ZiD2= 0.58 ；S 2/D2= 4.17 ；S 1= S 2；P 2 /D2 =3.33，P2 n= 1.15 nP2j；P L1= P 2」，Pl n= (P 2/2，(n 彡 I) ；H/D2= 3。沖擊孔 3 和氣膜孔6均采用叉排分布。
[0022]圖1為采用本發(fā)明沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的某典型二元收擴噴管壁面冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。其中冷卻氣從噴管收斂段冷氣通道16流入，經(jīng)過噴管收斂段沖擊板15上的沖擊孔形成沖擊氣流，沖刷噴管收斂段氣膜板14，最后冷卻氣從噴管收斂段氣膜板14上的氣膜孔中匯入熱燃氣流，在噴管收斂段氣膜板14壁面形成一層冷卻氣膜。由于噴管收斂段氣膜板14下游受到熱氣流的沖刷比上游嚴重，下游需要冷卻相對較多，此外，從尾向紅外輻射貢獻來看，收斂段的紅外輻射貢獻較小，因此采用均勻孔排距分布沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。與此類似的擴張段上的噴管擴張段冷氣通道12內(nèi)的冷卻氣，經(jīng)過噴管擴張段沖擊板11、噴管擴張段氣膜板10，最終形成冷卻氣膜；側(cè)壁上的噴管側(cè)壁段冷氣通道7內(nèi)的冷卻氣，經(jīng)過噴管側(cè)壁段沖擊板8、噴管側(cè)壁段氣膜板9，最終形成冷卻氣膜。與噴管收斂段不同的是，側(cè)壁段和擴張段是排氣系統(tǒng)尾向±30°范圍內(nèi)的主要輻射部件，噴管側(cè)壁段氣膜板9和噴管擴張段氣膜板10沿氣流方向受到熱氣流沖刷，上游壁面溫度相對下游較高，從普朗克定律中可以看出，降低相同的溫度T，高溫下降后的紅外輻射比低溫下降后的紅外輻射降幅要大，因此更希望高溫區(qū)的溫度能夠降低多點，達到噴管擴張段氣膜板10和噴管側(cè)壁段氣膜板9上下游表面溫度能夠均勻下降，采用本發(fā)明的變孔排距分布能夠提高壁面溫度分布的均勻性，降低噴管壁面的紅外輻射。
[0023]圖4顯示不同的孔排距分布下的氣膜板表面的溫度分布。圖中計算選取的冷卻氣溫度為300K，熱燃氣溫度為600K，圖中可以看出采用常規(guī)的均勻孔排距分布的沖擊氣膜冷卻，氣膜板下游有一塊較大的超低溫區(qū)域；采用指數(shù)(P2—?= e 1/3+nP2 n_i)形式的孔排距分布的沖擊氣膜冷卻，氣膜板下游超低溫區(qū)域有所減少，冷卻區(qū)域向上游有所延伸；采用線性(P2 n= 1.15 nP21)孔排距分布的沖擊氣膜冷卻，氣膜板下游超低溫區(qū)域消失，且冷卻區(qū)域進一步向上游延伸，低溫區(qū)得到了擴大。
[0024]本發(fā)明用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于:⑴沖擊孔、氣膜孔均采用圓柱孔，加工容易，便于實際應用；(2)沖擊板開孔面積與氣膜板開孔面積比在1/3左右，氣膜板壁面降溫效果較好；(3)氣膜板壁面上孔排距與氣膜孔直徑比在4.2左右導熱傳熱可以保證壁面冷卻沿周向展開；(4)氣膜板與沖擊板之間冷卻腔高度與氣膜孔直徑比值在3左右，可以保證冷卻氣主要壓降90%作用在沖擊孔上，大大提高了沖擊冷卻效率；(4)采用與熱燃氣流相同方向的偏轉(zhuǎn)氣膜孔，能夠增強冷卻氣膜的貼壁效果；(5)氣膜孔孔排距滿足公式P2—n= 1.15 nP21 (或P2 n= e 1/3+nP2 n_i)，采用前密后疏的分布，壁面冷卻分布更加均勻，能夠進一步降低整個噴管壁面的紅外輻射。
[0025]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括端壁(1)、外側(cè)壁(2)及內(nèi)側(cè)壁(5)，所述端壁(I)將外側(cè)壁(2)和內(nèi)側(cè)壁(5)連接起來形成冷卻腔(4)，在夕卜側(cè)壁⑵上設有沖擊孔⑶，內(nèi)側(cè)壁(5)上設有氣膜孔(6);所述沖擊孔(3)為圓形孔，直徑為D1，方向與外側(cè)壁面法向一致；所述氣膜孔(6)為圓形孔，直徑為仏，方向與內(nèi)側(cè)壁面法向成一偏轉(zhuǎn)角度β，偏轉(zhuǎn)方向與熱燃氣流方向一致；所述沖擊孔孔排距記作P1，孔間距記作S1;所述氣膜孔孔排距記為P2，孔間距記作S2;所述外側(cè)壁⑵和內(nèi)側(cè)壁(5)之間冷卻腔高度記為H，所述沖擊孔第一排孔排距記為Pl_l，所述沖擊孔第η排孔排距記為Ρ1_η，所述氣膜孔第一排孔排距記為P2_l，所述氣膜孔第η排孔排距記為Ρ2_η，所述氣膜孔第η_1排孔排距記為卩2_11-1，取 D1ZD2= 0.58 -,S2ZO2= 4.17 ；S 丄=S2；P21/D2= 3.33，P2 n= 1.15nP2 1；Pi—1= P 2—1，P 1_η= (P 2—η-1+Ρ2—η)/2，(n 彡 I) ；H/D2= 3。
2.如權(quán)利要求1所述的用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述沖擊孔(3)和氣膜孔(6)均采用叉排分布。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于噴管壁面的變孔排距沖擊氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，包括端壁、外側(cè)壁及內(nèi)側(cè)壁，在外側(cè)壁上設有沖擊孔，內(nèi)側(cè)壁上設有氣膜孔，內(nèi)、外側(cè)壁之間為冷卻腔。冷卻氣流經(jīng)過沖擊孔流入冷卻腔中，對內(nèi)側(cè)壁形成沖擊冷卻，腔中氣流經(jīng)過氣膜孔匯入熱流中，在內(nèi)側(cè)壁表面形成氣膜，采用帶傾斜角度的氣膜孔增加了冷流與內(nèi)側(cè)壁的接觸面積，提高了冷卻效率。氣膜孔孔排距P按照公式P2_n＝1.15nP2_1變化，沖擊孔位于兩排氣膜孔中間位置。該冷卻結(jié)構(gòu)簡單易于加工，在不增加冷卻氣的情況下，使得氣膜板上冷卻分布更加均勻，提高了冷卻效率，從而降低了噴管壁面紅外輻射特征。
【IPC分類】F02K1-78
【公開號】CN104863750
【申請?zhí)枴緾N201510229030
【發(fā)明人】吉洪湖, 盧浩浩, 劉健
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月7日