本发明涉及一种二元喷管上用于收敛段、扩张段及侧壁壁面冷却的鼓包式高效冷却结构。
背景技术：
随着航空技术的不断发展，先进发动机对二元喷管的需求日益迫切。相较于轴对称喷管，二元喷管需要冷却的面积更大，而发动机提供的冷却气体却更少，为了使二元喷管壁面温度低于选材的长期使用温度，需要设计高效的冷却结构，保证二元喷管安全、可靠工作。
在以往轴对称喷管的设计中，冷却方式均较为简单，冷却效率不高。一种方式是在喷管壁面和隔热屏之间形成如图1所示的冷却通道，换热方式为对流换热。另外一种冷却方式为如图2所示的常规气膜冷却方式，相比于第一种冷却方式，在隔热屏上开设了斜孔，除了对流换热外，冷却气还可从气膜孔中流出，在隔热屏壁面上形成冷却气膜。这种冷却结构的冷却效果受主次流压比变化的影响较大，在实际应用中，喷管主次流的参数变化范围较大，这种结构不能保证绝大部分壁面的有效冷却。
技术实现要素：
发明目的
本发明的目的是设计一种冷却结构，该结构能解决二元喷管冷却面积大、可用冷却气少的问题，能适应喷管内沿程的压力梯度，气流从亚音、跨音到超音的特点，实现喷管热壁面的高效冷却，保证喷管安全、可靠工作。
技术方案
本发明的设计思想是将隔热屏分为上隔热屏和下隔热屏，上下隔热屏上形成鼓包，利用鼓包形成的集气腔对次流减速增压，减小次流沿法向的速度，使次流从气膜孔流出后能贴壁流动。次流首先经过冲击孔，对下隔热屏形成冲击冷却；而后次流在空腔内分离，强化了与下隔热屏的换热。当次流从下隔热屏流出时，由于法向动量较小，次流能在下隔热屏表面上形成贴壁流动，将隔热屏与高温燃气隔开。通过上述方式，形成了对下隔热屏的冲击冷却+分离强化换热+气膜冷却。
本发明设计一种含鼓包的冷却结构，在上隔热衬垫(2)冲压出多个鼓包(4)，鼓包顶端开有冲击孔(3)，鼓包(4)与下隔热衬垫(1)构成梯形集气腔(6)，鼓包(4)底部右侧的下隔热衬垫(1)开有气膜孔(5)；上隔热衬垫(2)和下隔热衬垫(1)通过焊接连接；冷却气经过鼓包(4)时，由于鼓包(4)的扰流作用，增强了冷气侧的对流换热，冷却气从鼓包(4)上的冲击孔(3)流入梯形集气腔(6)内，对下隔热衬垫(1)形成冲击冷却；冷却气在梯形集气腔(6)内减速增压后，从气膜孔(5)流出汇入热流，在下隔热衬垫(1)内表面形成气膜，对下隔热衬垫(1)形成保护。
有益技术效果
本发明提出的冷却结构与常规气膜冷却结构对比，提高了冷气的使用率，具有冷却效率高、单位流量冷却面积大的优点；冷却效果受主次流压比影响较小；气膜轴向覆盖长度长，展向上覆盖宽度较宽，冷却结构下游展向与轴向温度分布过渡均匀。
附图说明
图1带隔热屏的冷却结构
图2常规气膜式冷却结构
图3本发明的冷却结构
图4本发明的冷却结构几何参数示意图
图5本发明在二元喷管上的实施例
图6两种冷却结构的壁面冷却效率曲线
图7常规气膜式冷却结构壁面温度分布云图
图8本发明冷却结构壁面温度分布云图
编号说明：1-下隔热衬垫；2-上隔热衬垫；3-冲击孔；4-鼓包；5-气膜孔；6-集气腔；7-圆转方段；8-收敛段；9-扩张段；10-扩张段隔热屏；11-侧壁；12-收敛段隔热屏；13-圆转方段隔热屏。
具体实施方式
本发明的实施例参见图4-5。
本实施例中梯形集气腔(6)的高度h＝3mm，左侧内角α＝45°，右侧外角β＝150°，冲击孔(3)直径d＝0.8mm，气膜孔(5)边长w＝2.5mm。应在气动结构参数允许的情况下，尽量选用较大的β角度，以保证冷却气流在流出气膜孔(5)后能贴壁流动。
图5为本发明的具体实施例，本发明的冷却结构布置于收敛段隔热屏(12)、扩张段隔热屏(10)以及侧壁(11)的隔热屏上。
二元喷管的冷却气从圆转方段(7)和圆转方段隔热屏(13)形成的冷却通道内引入，分别进入了收敛段(8)的冷却通道和侧壁(11)的冷却通道。
收敛段(12)冷却通道的冷却气一部分气体通过鼓包(4)上的冲击孔(3)进入集气腔(6)内，减速增压后，通过气膜孔(5)流出，在收敛段隔热屏(12)壁面上形成气膜，逐渐与高温燃气混合；一部分气体进入扩张段(9)的冷却通道内，对扩张段隔热屏(10)进行保护。
本发明设计用于二元喷管的鼓包式高效冷却结构，用于对二元喷管收敛段、扩张段、侧壁的冷却，可以达到以下技术效果：
a)本发明设计的冷却结构，具有冷却效率高的优点，气膜轴向覆盖长度长，展向上覆盖宽度较宽；根据工作环境需要，可通过调整下隔热屏上的气膜孔几何参数，调整气膜的覆盖长度和宽度。
b)本发明设计的冷却结构，冷却效果受主次流压比变化影响较小，在主次流参数变化时，仍能保证壁面的有效冷却。
图6为两种冷却结构的壁面冷却效率曲线，主流总温为2000k，次流总温为465k。冷却效率η评估公式如下：
式中th为主流进口总温，tw为壁面温度，tc为冷却流进口总温。图中a结构为图2所示的常规气膜式冷却结构的冷却效率曲线，b结构为本发明冷却结构的冷却效率曲线。通过对比可以发现，a结构的冷却效率在出口位置处迅速降低后区域稳定，b型气膜孔的冷却效率沿程逐渐降低，在距气膜孔出口0-25d范围内，b型气膜孔的冷却效率高于a型。本发明的冷却结构的气膜覆盖长度远大于常规气膜冷却结构。
保持主流压力不变，改变次流压力，获得两种冷却结构的壁面温度如图7、图8所示。主次流压比定义为：
rp＝pth/ptc
式中，rp为主次流压比，pth为主流总压，ptc为冷气总压。
可以看出，对于常规气膜式冷却结构，随主次流压比的减小，壁面的低温区域先增加后减小。对于本发明的冷却结构，随主次流压比的减小，低温区域略为增大，即本发明的冷却结构的冷却效果不会因为次流压力的增加而明显降低。
表1为两种冷却结构的有效冷却面积的对比，有效冷却面积的定义为：
ac＝ac/mc
ac为有效冷却面积(单位：cm2/g)，ac为温度小于材料长期工作温度的壁面面积的积分(单位：cm2)，mc为冷却气体的流量(单位：g)。本算例中采用的材料为gh5188，长期工作温度为980℃。
本实施方式中设计的冷却结构与常规气膜式冷却结构有效冷却面积对比表如下，
表1有效冷却面积对比
从上述表可以看出，本发明的有效冷却面积明显大于常规气膜式冷却结构的有效冷却面积，并且随主次流压比的减小，有效冷却面积减小不明显。