组合喷管新型燃油再生冷却结构

1.本发明涉及涡轮基组合循环发动机技术领域，尤其涉及一种组合喷管新型燃油再生冷却结构。


背景技术：

2.涡轮基组合循环发动机(tbcc,turbine based combined cycle)可以实现在亚声速到高超声速(ma》6)的宽速域范围、0到30km的大空域范围内的飞行，同时兼具高效性与经济性，具有十分广阔的应用前景与军民用价值。tbcc在高超声速飞行中，发动机产生的高温高压气体在组合喷管中膨胀加速喷出，并产生推力。在高超声速飞行过程中，喷管面临着严酷的热环境压力——燃烧室喷出的燃气温度能够达到2800k以上，同时来流空气的滞止温度很高，当巡航马赫数为6时，来流空气总温超过1600k，无法直接用于对喷管壁面进行冷却。
3.为了改善tbcc组合喷管的热环境，提出采用基于燃油的喷管主动再生冷却技术来解决喷管热防护问题的方案。但是，组合喷管“收敛-扩张”型结构导致冷却通道势必存在弯曲段，其中燃油的流动换热特性不同于常见的直管并联冷却通道，喷管内不均匀的热负荷也会带来再生冷却通道的流量分配问题，同时，在喷口出口扩张段尾缘存在流动死区，换热效果较差。这些问题容易造成组合喷管局部高温超限，严重的甚至导致发动机损毁。现有文献资料中，针对喷管燃油再生冷却的研究较少，同时关于并联弯曲冷却通道的优化设计研究不足。
4.基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种组合喷管新型燃油再生冷却结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种有效缓解喷管壁面弯曲并连通管道的流量分配不均匀现象、减小了喷管壁面局部高温、有效降低喷管壁面平均温度以避免局部超温导致喷管损毁的组合喷管新型燃油再生冷却结构。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明的一种组合喷管新型燃油再生冷却结构，该结构包括：
8.弯曲段；以及
9.形成于所述弯曲段两端的直管段，一侧的所述直管段远离所述弯曲段一端被配置为进口，另一侧的所述直管段远离所述弯曲段一端被配置为出口；
10.该冷却结构内部形成上管路加热通道和下管道加热通道，所述上管路加热通道和所述下管道加热通道均沿该结构的延伸方向延伸；
11.所述弯曲段处开设有用以连通所述上管路加热通道和所述下管路加热通道的连通孔。
12.进一步的，所述连通孔的开孔宽度与所述弯曲段的曲率半径的比值不小于0.1。
13.进一步的，所述进口和所述出口均形成有与所述上管路加热通道和所述下管路加热通道连通的集液腔；
14.所述集液腔为u型结构。
15.在上述技术方案中，本发明提供的一种组合喷管新型燃油再生冷却结构，具有以下有益效果：
16.本发明的冷却结构设计了连通上下管路加热通道的连通孔、以及改进了集液腔为u型结构，有效地缓解了喷管壁面弯曲并联通道的流量分配不均匀现象，减小了喷管壁面局部高温，有效降低喷管壁面平均温度，避免局部超温导致喷管损毁；同时，进入燃烧室的燃油温度升高，燃油裂解产生的小分子物质易于雾化，燃烧效率提升。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的结构示意图；
19.图2为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的连通孔宽度为2mm时的流体温度分布和流场示意图；
20.图3为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的连通孔宽度为3mm时的流体温度分布和流场示意图；
21.图4为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的连通孔宽度为4mm时的流体温度分布和流场示意图；
22.图5为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的曲率半径为20mm时的流体温度分布和流场示意图；
23.图6为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的曲率半径为30mm时的流体温度分布和流场示意图；
24.图7为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的曲率半径为40mm时的流体温度分布和流场示意图；
25.图8为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构的集液腔的结构示意图；
26.图9为现有技术中初始冷却通道耦合面温度分布云图；
27.图10为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构结构优化后的冷却通道耦合面温度分布云图一；
28.图11为本发明实施例提供的组合喷管新型燃油再生冷却结构结构优化后的冷却通道耦合面温度分布云图二。
29.附图标记说明：
30.1、弯曲段；2、直管段；
31.101、进口；102、出口；103、集液腔；
32.201、上管路加热通道；202、下管路加热通道；203、连通孔。
具体实施方式
33.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
34.参见图1～图11所示；
35.本实施例的一种组合喷管新型燃油再生冷却结构，该结构包括：
36.弯曲段1；以及
37.形成于弯曲段1两端的直管段2，一侧的直管段2远离弯曲段1一端被配置为进口101，另一侧的直管段2远离弯曲段1一端被配置为出口102；
38.该冷却结构内部形成上管路加热通道201和下管道加热通道202，上管路加热通道201和下管道加热通道202均沿该结构的延伸方向延伸；
39.弯曲段1处开设有用以连通上管路加热通道201和下管路加热通道202的连通孔。
40.本实施例选取1/4段的并联弯曲冷却通道，前后选择直径两倍以上长度的直管段2整流，冷却通道是上下排布，并上管路加热通道201和下管路加热通道202通过弯曲段1处开设的连通孔203连通。
41.首先，本实施例的上管路加热通道201和下管路加热通道202的截面尺寸为3mm*2mm，因此，依据等差值原则，选取2mm、3mm、4mm宽度的连通孔203，在相同工况下开展rp-3的换热裂解计算。
42.采用不同宽度的连通孔203时，连通结构附近流体温度分布和流场结构可以从图中看出；当连通孔203宽度为2mm时，连通孔203内大面积流体形成了单涡，在孔内形成了一个“流动死区”，产生了局部高温区。而当连通孔203宽度为3mm和4mm时，上、下管两侧流体共同填充进连通孔203，形成对称的双涡，并且贴近上管下壁面的流体温度较低，能够充分冷却下管上壁面的高温流体，连通孔203内换热效果增强，局部高温区被消除。此外，随着连通孔203宽度的增加，孔内的双涡充分发展，掺混作用逐渐增强，流体温度分布趋向于均匀。
43.连通孔宽度(mm)无连通孔流量差(g/s)有连通孔后流量差(g/s)流量差异之比20.168-0.022-13.10％30.1680.0127.14％40.1680.08852.38％
44.表1示出了不同连通孔宽度的对比数据；
45.考虑到tbcc发动机宽速域的工作范围，基于相似准则，选取的曲率半径大小分别为20mm，30mm和40mm，确保各曲率半径下加热功率相同。
46.采用不同曲率半径时，连通结构附近流体温度分布和流场结构，从图中可以看出，当曲率半径为40mm时，孔附近流场表现出和采用2mm连通孔时相似的特征，形成了一个“流动死区”，同样产生了局部高温区。而当曲率半径为20mm和30mm时，孔内形成了对称的双涡结构，连通孔203内换热效果增强，局部高温区被消除。从流动结构上看，曲率半径变大时也与采用较小连通孔结构时类似。
47.曲率半径(mm)无连通孔流量差(g/s)有连通孔后流量差(g/s)流量差异之比200.1520.05838.16％300.1680.0127.14％400.180-0.128-71.11％
48.表2示出了不同曲率半径的对比数据；
49.优选的，本实施例的连通孔203的开孔宽度与弯曲段1的曲率半径的比值不小于0.1。
50.经过上述研究可以得出，曲率半径的影响和连通孔203宽度呈现一个明显的负相关作用，当曲率半径较大时要相应的调整连通孔203的宽度，才能避免局部高温区的产生，起到理想的冷却效果。通过上述研究发现，而为壁面连通孔内高温区的出现，保证连通孔203内形成稳定双流线涡结构，在相应的工况下，需保证连通孔203宽度/曲率半径≥0.1。
51.优选的，本实施例的进口101和出口102均形成有与上管路加热通道201和下管路加热通道202连通的集液腔103；
52.集液腔103为u型结构。
53.本实施例的进出口集液腔103改为u型结构并拉长，增大供油进口两管间距，使冷却剂先流经上壁面附近再流入冷却通道；在弯曲段1添加连通孔，优化流量分配与换热效果；同时，在局部高温区添加扰流柱，强化换热。
54.图9至图11为本发明中初始和优化后冷却通道耦合面温度分布云图，在初始冷却通道下，通道进口段、出口尾缘处以及两个供油口之间出现了明显的高温区(图9中虚线框标注区域)，局部最高温已经接近1100k，冷却效果并不理想。经过优化后，冷却通道出口段壁面和尾缘“尖角”区域的高温区被明显消除，最高温度在1000k左右，截面温度显著下降。
55.从图10至图11中可以看出，初始冷却通道下，在喷管出口尾缘高温区对应区域，形成了一个“流动死区”，尾缘“尖角”区域内流体在该处形成涡旋结构，冷却效果很差；而对于冷却通道出口处附近区域，由于冷却剂的供油管路是垂直于冷却板截面，流体在此处有较大的速度方向偏转，从而形成了“向心”流向的涡，使得该区域内流体速度较低，换热效果较差。在优化的冷却通道下，冷却通道进口附近的“尖角”区域内的“流动死区”消失，高温区被消除。
56.在上述技术方案中，本发明提供的一种组合喷管新型燃油再生冷却结构，具有以下有益效果：
57.本发明的冷却结构设计了连通上下管路加热通道的连通孔203、以及改进了集液腔103为u型结构，有效地缓解了喷管壁面弯曲并联通道的流量分配不均匀现象，减小了喷管壁面局部高温，有效降低喷管壁面平均温度，避免局部超温导致喷管损毁；同时，进入燃烧室的燃油温度升高，燃油裂解产生的小分子物质易于雾化，燃烧效率提升。
58.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.组合喷管新型燃油再生冷却结构，其特征在于，该结构包括：弯曲段(1)；以及形成于所述弯曲段(1)两端的直管段(2)，一侧的所述直管段(2)远离所述弯曲段(1)一端被配置为进口(101)，另一侧的所述直管段(2)远离所述弯曲段(1)一端被配置为出口(102)；该冷却结构内部形成上管路加热通道(201)和下管道加热通道(202)，所述上管路加热通道(201)和所述下管道加热通道(202)均沿该结构的延伸方向延伸；所述弯曲段(1)处开设有用以连通所述上管路加热通道(201)和所述下管路加热通道(202)的连通孔(203)。2.根据权利要求1所述的组合喷管新型燃油再生冷却结构，其特征在于，所述连通孔(203)的开孔宽度与所述弯曲段(1)的曲率半径的比值不小于0.1。3.根据权利要求1所述的组合组合喷管新型燃油再生冷却结构，其特征在于，所述进口(101)和所述出口(102)均形成有与所述上管路加热通道(201)和所述下管路加热通道(202)连通的集液腔(103)；所述集液腔(103)为u型结构。

技术总结
本发明公开了一种组合喷管新型燃油再生冷却结构，包括弯曲段；以及直管段，一侧的直管段远离弯曲段一端被配置为进口，另一侧的直管段远离弯曲段一端被配置为出口；该冷却结构内部形成上管路加热通道和下管道加热通道；弯曲段处开设有用以连通上管路加热通道和下管路加热通道的连通孔。本发明的冷却结构设计了连通上下管路加热通道的连通孔、以及改进了集液腔为U型结构，有效地缓解了喷管壁面弯曲并联通道的流量分配不均匀现象，减小了喷管壁面局部高温，有效降低喷管壁面平均温度，避免局部超温导致喷管损毁；同时，进入燃烧室的燃油温度升高，燃油裂解产生的小分子物质易于雾化，燃烧效率提升。燃烧效率提升。燃烧效率提升。


技术研发人员：朱剑琴 程泽源 焦耀贤 陶智 董昊 赵超凡
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/20