一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构

1.本发明涉及航空发动机热管理技术领域，具体而言，尤其涉及一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构。


背景技术：

2.近年来超音速航空发动机由于推力性能需求提升，发动机进口温度的提高使燃烧室、尾喷管等与高温燃气直接接触部件的散热面临更大的热管理问题。尾喷管是将高温、高压燃气膨胀加速并排出机体，将燃气的可用热能转变为动能的装置，为整机提供矢量推力，始终面临着高温高压以及载荷变化范围大等复杂工作情况。目前尾喷管装置主要应用隔热屏气膜冷却技术，压气机产生的低温高压冷气通过以一定规律排布的离散的气膜冷却孔覆盖在隔热屏上，隔绝主流与喷管壁面，降低壁面温度。
3.圆柱形孔是现阶段航空发动机气膜冷却应用最广泛的孔型，具有易于加工，对整体结构强度影响小等优点。但圆柱形孔使冷却流体快速与壁面分离，与主流相互作用形成肾形涡将高温气体卷向壁面，且无展向扩展，气膜覆盖率和均匀性均有待提高。随着近些年研究发展与增材制造的不断成熟，多种新型孔型的设计对上述圆柱形孔缺点改善，以提高气膜冷却效率，覆盖性和均匀性。降低冷却流量消耗和尾气消耗，使推力提升。


技术实现要素：

4.根据上述提出的隔热屏圆柱形孔气膜冷却流动和传热的技术问题而提供一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，包括：隔热屏、若干气膜冷却孔和调节片壁面，所述隔热屏与调节片壁面中间形成冷却气体流动通道，所述气膜冷却孔离散分布在隔热屏壁面上，所述隔热屏包括收缩段隔热屏和扩张段隔热屏；
7.所述气膜冷却孔的两侧分别为冷却气流进口和冷却气流出口，所述冷却气流进口与冷却气体流动通道相连通，所述冷却气流出口展向扩展至隔热屏壁面，所述气膜冷却孔(改进附壁气膜孔型)产生康达效应实现冷却气体贴附隔热屏壁面流动。
8.进一步地，所述气膜冷却孔至少包括冷却气流出口处的圆弧段，所述圆弧段包括弧背和扩张出口，所述弧背为连接圆弧段入口与扩张出口的弧形曲面，产生康达效应实现冷却气膜贴附隔热屏壁面流动。
9.进一步地，所述气膜冷却孔包括相连的圆弧段和圆柱段，所述圆柱段为圆柱形孔，所述圆弧段基于圆柱段一端进行展向扩展，圆弧段侧为冷却气流出口，圆柱段侧为冷却气流进口；所述圆弧段与圆柱段连接处的边至扩张出口的下圆弧边之间的曲面为弧背。
10.进一步地，所述气膜冷却孔包括相连的呈中心对称的两个圆弧段，第一个圆弧段侧为扩张冷却气流出口，第二个圆弧段侧为扩张冷却气流进口，实现冷气进孔附壁流动；所述两个圆弧段连接处的边至扩张出口(扩张进口)的下圆弧边之间的曲面为弧背。
11.进一步地，所述弧背分别与隔热屏壁面和圆柱段孔壁面在连接处相切。或者，一个圆弧段的弧背与分别与隔热屏壁面和另一个圆弧段在连接处相切。
12.进一步地，所述扩张出口的截面形状呈上下边为圆弧的梯形，下边圆弧由圆柱形孔向下游和横向扩展形成，上边圆弧为圆柱形孔的一部分，两腰与上边圆弧在相交处相切。
13.进一步地，所述气膜冷却孔的总长lh为0.2～3mm，所述圆弧段的长度l2为总长lh的0.5～1倍。
14.进一步地，所述圆柱段的直径dh为0.5～2mm，倾斜角度α为30
°
～90
°
；所述圆弧段向下游扩展长度l1为dh的0.5～1.5倍，扩展角度β为30
°
～60
°
。
15.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
16.1、本发明提供的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，改进的气膜冷却孔型结构由于康达效应使冷却气体更易贴附在壁面，可以有效抑制肾形涡的形成，提高单孔气膜冷却效率。
17.2、本发明提供的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，气膜冷却孔出口展向扩展使单孔气膜冷却覆盖率提升，减小气膜孔的排布数量，降低冷却流量消耗节约尾气消耗，使尾喷管推力提升。
18.3、本发明提供的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，改进气膜孔型结构相比于其他出口扩张类孔型结构，保留了更多隔热屏结构，去除了更少的材料，结构强度更高。
19.4、本发明提供的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，可在原有圆柱孔设计的隔热屏基础上进行加工，改善现有圆柱孔的隔热屏气膜冷却结构。
20.综上，应用本发明的技术方案可以改善隔热屏气膜冷却现有技术中圆柱形气膜冷却孔的冷却气膜与壁面分离、肾形涡形成和气膜覆盖率与均匀性等流动传热问题。
21.基于上述理由本发明可在航空发动机热管理技术等领域广泛推广。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的结构示意图。
24.图2为本发明的改进附壁气膜孔型结构示意图。
25.图3为本发明的改进附壁气膜孔型结构主视图。
26.图4为本发明的改进附壁气膜孔型结构俯视图。
27.图5为本发明的一种特定改进附壁气膜孔型结构示意图。
28.图中：1、隔热屏；11、收缩段隔热屏；12、扩张段隔热屏；2、气膜冷却孔；3、调节片壁面；4、圆弧段；41、弧背；42、扩张出口；5、圆柱段。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
34.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
35.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
36.针对现用航空发动机尾喷管热管理气膜冷却技术存在的缺陷，本发明提供一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，以及应用于隔热屏的新型气膜附壁孔型，其主要用途是使冷却气膜贴附隔热屏壁面流动，提高单孔冷却效率，从而增大孔排布间隔，降低冷气流量。
37.一种带改进气膜附壁孔型的尾喷管隔热屏结构，应用于航空发动机，包括尾喷管
隔热屏1、离散气膜冷却孔2(圆弧气膜孔型结构)和尾喷管调节片壁面3，其中隔热屏1包括收缩段隔热屏11及扩张段隔热屏12。隔热屏1壁面与调节片壁面3中间形成冷却气体流动通道。气膜冷却孔2按照规律离散分布在隔热屏1壁面上。其中离散气膜冷却孔2主体分两部分，分别为圆弧段4与圆柱段5。圆柱段5一侧为冷却气流进口，圆弧段4一侧为冷却气流出口。圆弧段4包括弧背41和扩张出口42，弧背41为连接圆弧段4进口与扩张出口42的弧形曲面，产生康达效应实现冷却气膜贴附隔热屏1壁面流动。
38.优选的，弧背41与隔热屏1壁面与圆柱段5孔壁面在相交处相切，使得气流附壁流动。圆弧段4孔的扩张出口42为上下两边为圆弧的梯形，向下游、两侧扩展，扩展的梯形两腰与未扩展前的基本圆柱孔出口相切。扩张出口42梯形上边(上边圆弧)为原圆柱形孔出口的一部分，下边为圆形孔向后延伸距离为扩展长度l1后所形成的圆弧(即下边圆弧由圆柱孔向下游和横向扩展形成)，出口梯形两腰与上边圆弧在连接处相切。
39.优选的，圆弧段4可以不断向圆柱段5延伸至冷气进口端，此时无圆柱段5，全孔均为圆弧段4，冷气进孔便可附壁流动。
40.优选的，圆弧段4也可以应用在冷气入口端，使得附壁冷气更易进入气膜冷却孔。即气膜冷却孔2包括相连的两个圆弧段4，两个圆弧段4呈中心对称，第一个圆弧段4侧为扩张冷却气流出口，第二个圆弧段4侧为扩张冷却气流进口；两个圆弧段4连接处的边至扩张出口42(扩张进口)的下圆弧边之间的曲面为弧背41。
41.优选的，弧背41与圆柱段5/圆弧段4连接处边与扩张出口42下边圆弧在相交处相切。
42.优选的，气膜冷却孔2的总长为lh，lh为0.2～3mm，圆弧段4的长度l2为lh的0.5～1倍。
43.优选的，圆柱段5的直径dh为0.5～2mm，倾斜角度α为30
°
～90
°
。圆弧段4向下游扩展长度l1为dh的0.5～1.5倍，扩展角度β为30
°
～60
°
。
44.本发明气膜冷却孔使冷却气膜贴附隔热屏壁面流动，提高了该隔热屏气膜冷却单孔气膜冷却效率，从而增大了原孔排布间隔，降低了冷气流量，节约冷气消耗。此外本改进气膜孔型结构相比于其他出口扩张类孔型结构，保留了更多隔热屏结构，去除了更少的材料，结构强度更高，可在原有圆柱孔设计的隔热屏基础上进行加工，改善圆柱孔隔热屏气膜冷却。
45.实施例1
46.如图1-5所示，一种改进气膜孔型的尾喷管隔热结构，用于航空发动机尾喷管隔热屏。本发明一种应用于航空发动机尾喷管隔热屏的气膜冷却附壁孔型结构(气膜冷却孔2)按照规律离散分布在隔热屏1壁面上，气膜孔型结构(气膜冷却孔2)包括圆弧段4和圆柱段5，圆柱段5为圆柱形孔，圆弧段4基于圆柱段5一端进行展向扩展。圆弧段4包括弧背41和扩张出口42，圆弧段4与圆柱段5连接处的边至扩张出口42的下圆弧边之间的曲面为弧背41；弧背41产生康达效应将冷却气体贴附隔热屏1壁面，并展向扩展，扩大冷却气膜覆盖面积。扩展出口42的截面形状为上下两边为圆弧的梯形。
47.本实施例中，圆柱段5孔的圆孔直径dh为0.5～2mm，孔倾斜角度α为30
°
～90
°
，图示中为30
°
。
48.本实施例中，气膜冷却孔型结构孔段总长lh为0.5～3mm。圆弧段4长度l2为总长lh
的0.5-1倍。l2＝lh时全孔均为圆弧段4。扩展长度l1为圆孔直径dh长度的0.5～1.5倍。
49.本实施例中，冷却孔扩展出口42为上下两条边为圆弧的梯形。上边为原圆柱形孔圆出口的一部分。下边为圆形孔向后延伸距离为扩展长度l1所形成的圆弧，其扩展角度β为30
°
～60
°
。
50.本实施例中，当圆弧段41长度l2等于孔段全长lh，且在冷气进出口均使用圆弧段设计时，进出口气流均可附壁流动以提高单孔气膜冷却效率。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，包括：隔热屏(1)、若干气膜冷却孔(2)和调节片壁面(3)，所述隔热屏(1)与调节片壁面(3)中间形成冷却气体流动通道，所述气膜冷却孔(2)离散分布在隔热屏(1)壁面上，所述隔热屏(1)包括收缩段隔热屏(11)和扩张段隔热屏(12)；所述气膜冷却孔(2)的两侧分别为冷却气流进口和冷却气流出口，所述冷却气流进口与冷却气体流动通道相连通，所述冷却气流出口展向扩展至隔热屏(1)壁面，所述气膜冷却孔(2)产生康达效应实现冷却气体贴附隔热屏(1)壁面流动。2.根据权利要求1所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(2)至少包括冷却气流出口的圆弧段(4)，所述圆弧段(4)包括弧背(41)和扩张出口(42)，所述弧背(41)为连接圆弧段(4)入口与扩张出口(42)的弧形曲面，产生康达效应实现冷却气膜贴附隔热屏(1)壁面流动。3.根据权利要求2所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(2)包括相连的圆弧段(4)和圆柱段(5)，所述圆柱段(5)为圆柱形孔，所述圆弧段(4)基于圆柱段(5)一端进行展向扩展，圆弧段(4)侧为冷却气流出口，圆柱段(5)侧为冷却气流进口；所述圆弧段(4)与圆柱段(5)连接处的边至扩张出口(42)的下圆弧边之间的曲面为弧背(41)。4.根据权利要求2所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(2)包括相连的呈中心对称的两个圆弧段(4)，第一个圆弧段(4)侧为扩张冷却气流出口，第二个圆弧段(4)侧为扩张冷却气流进口；所述两个圆弧段(4)连接处的边至扩张出口(42)的下圆弧边之间的曲面为弧背(41)。5.根据权利要求3所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述弧背(41)分别与隔热屏(1)壁面和圆柱段(5)孔壁面在连接处相切。6.根据权利要求4所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，一个圆弧段(4)的弧背(41)分别与隔热屏(1)壁面和另一个圆弧段(4)在连接处相切。7.根据权利要求2-6任意一项权利要求所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述扩张出口(42)的截面形状呈上下边为圆弧的梯形，下边圆弧由圆柱形孔向下游和横向扩展形成，上边圆弧为圆柱形孔的一部分，两腰与上边圆弧在相交处相切。8.根据权利要求2-6任意一项权利要求所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(2)的总长lh为0.2～3mm，所述圆弧段(4)的长度l2为总长lh的0.5～1倍。9.根据权利要求3或5所述的改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，其特征在于，所述圆柱段(5)的直径dh为0.5～2mm，倾斜角度α为30
°
～90
°
；所述圆弧段(4)向下游扩展长度l1为dh的0.5～1.5倍，扩展角度β为30
°
～60
°
。

技术总结
本发明提供一种改进附壁气膜孔型的尾喷管隔热屏结构，包括隔热屏、若干气膜冷却孔和调节片壁面，所述隔热屏与调节片壁面中间形成冷却气体流动通道，所述气膜冷却孔离散分布在隔热屏壁面上，所述隔热屏包括收缩段隔热屏和扩张段隔热屏；所述气膜冷却孔的两侧分别为冷却气流进口和冷却气流出口，所述冷却气流进口与冷却气体流动通道相连通，所述冷却气流出口展向扩展至隔热屏壁面，改进的若干附壁气膜孔型产生康达效应实现冷却气体贴附隔热屏壁面流动。本发明提高了隔热屏气膜冷却单孔气膜冷却效率，增大了原孔排布间隔，降低了冷气流量，节约冷气消耗。节约冷气消耗。节约冷气消耗。


技术研发人员：刘红 赵传奇 奚溪 徐胜利 王博 谢蓉 马天歌
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/6/27