一种用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构的制作方法

本发明属于航空发动机燃烧室的冷却技术领域，具体涉及一种用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构。

背景技术：

现代军用航空发动机为了满足短距离起飞和快速机动需要，往往装配了加力燃烧室。冲压发动机作为最简单的一类吸气式发动机，由于结构简单和超音速区间的优越性，其燃烧室的性能研究受到许多国家的重视。上述两种燃烧室结构类似，但其严苛的工作条件对设计研究带来了挑战。具体表现为，一方面，燃烧室内点火后气体温度迅速升高到2100k，甚至更高，这一温度极大超过了燃烧室筒体的材料的耐温极限；另一方面，上述燃烧室内气体流速高，压力低，很容易发生振荡燃烧，严重影响其使用寿命。为防止筒体过热和振荡燃烧，在燃烧室筒体和热燃气间需安装带冷却结构的隔热屏。隔热屏形式有多种，其中带气膜孔的纵向波纹隔热屏由于结构简单重量轻，冷却性能较好，得到了广泛的应用。

较早的波纹板隔热屏研究可以追溯到90年代，wakeman[1]的专利提出了一种正弦型薄壁波纹板，板上开密集的气膜孔，孔径推荐大小为0.5mm左右，孔与流向的倾角为20°。这种结构具有统一的壁面厚度，能减少径向温度梯度。napoli[2]的专利在纵向波纹隔热屏的基础上提出了带方向倾角的气膜孔，这些气膜孔在流向上倾角为20°，周向倾角为30-60°。许多实验和数值[3-6]都针对波纹结构，气膜孔位置，排布方式等做了一些研究，证实了不同的气膜孔的布置方式和波纹结构会对纵向波纹隔热屏的冷却性能造成影响。目前大部分研究还是遵循波纹板上整体开均匀密布的孔的形式，大量冷气未能发挥其应有的效能，气膜孔在波纹面上没有得到优化的配置，存在优化空间。

参考文献：

[1]wakeman,t.g.,walker,a.,maclin,h.m.,1993,“gasturbineenginemulti-holefilmcooledcombustorlinerandmethodofmanufacture”:uspatent,5181379.

[2]napoli,p.d.,1993,“combustorlinerwithcircumferentiallyanglesfilmcoolingholes”,uspatent,5233828.

[3]funazaki,k.,igarashi,t.,koide,y.,shinbo,k.,2001,“studiesoncoolingairejectedoveracorrugatedwall:itsaerodynamicbehaviorandfilmeffectiveness”,asmeturboexpo:powerforland,sea,&air,pp.1–12.

[4]ahmed,m.a.,yusoff,m.z.,shuaib,n.h.,2013,“effectsofgeometricalparametersontheflowandheattransfercharacteristicsintrapezoidal-corrugatedchannelusingnanofluid”,internationalcommuninheatandmasstransfer,vol.42,pp.69–74.

[5]ren,h.-l.,liu,y.-h.,du,l.-w.,2017,“anexperimentalstudyofflowandheattransferperformanceofalongitudinalcorrugatedlinerforacombustionchamber”appliedthermalengineering,vol.127,pp.1305-1316.

[6]ren,h.-l.,liu,y.-h.,2016,“experimentalinvestigationoffluidflowandheattransfercharacteristicsofalongitudinalcorrugatedlinerforacombustionchamber”appliedthermalengineering,vol.108,pp.1066-1075.

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构，提高燃烧室冷气通道内冷气的使用效率，使得离开气膜孔的冷气紧紧贴覆在近壁面处，兼顾波纹隔热屏迎风面和背风面的温度均匀性，易于加工制造，具体结构以及流动方式如附图1所示。

本发明的技术方案是：一种用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构，其特征在于：包括波纹隔热屏板以及设置于波纹隔热屏板上的偏置气膜孔排和圆柱孔排；所述波纹隔热屏板为圆筒结构，其内为燃气通道，由圆筒形波纹隔热屏板和燃烧室外筒体组成的环形通道形成冷气通道；所述波纹隔热屏板的每个波纹都包括迎风面和背风面，所述迎风面沿圆筒形波纹隔热屏板的轴向均布有2-3排偏置气膜孔排，所述背风面沿圆筒形波纹隔热屏板的轴向均布有3-4排圆柱孔排；

每排所述偏置气膜孔排内沿圆筒形波纹隔热屏板的周向均布若干偏置气膜孔，所述偏置气膜孔由圆柱气膜孔和偏置旋转圆柱孔叠加组合而成，所述圆柱气膜孔为圆形通孔，所述偏置旋转圆柱孔为圆柱气膜孔绕其位于冷气通道一侧孔口圆心偏置形成，偏置角α＝10°～45°，且圆柱气膜孔和偏置旋转圆柱孔的中心轴位于波纹隔热屏板的同一径向截面内；

每排所述圆柱孔排内沿圆筒形波纹隔热屏的周向均布若干圆柱孔，所述圆柱孔与圆柱气膜孔孔径相同均为df。

本发明的进一步技术方案是：所述波纹隔热屏板中单个波纹长度为λ，取值范围为50-80mm。

本发明的进一步技术方案是：所述波纹隔热屏板的厚度为δ，取值范围为0.5-1.2mm；所述波纹隔热屏板的振幅为m，取值范围为4-8mm。

本发明的进一步技术方案是：每个波纹中与波谷相邻的偏置气膜孔排距离波谷的轴向距离为wo，其范围为1/4λ-1/3λ；每个波纹中与波谷相邻的圆柱孔距离波谷的轴向距离为wc，其范围为1/2λ-2/3λ。

本发明的进一步技术方案是：所述圆柱气膜孔的孔径df的取值范围为0.5-1.5mm。

本发明的进一步技术方案是：所述偏置气膜孔排与圆柱孔排的流向倾角为β，所述流向倾角为偏置气膜孔、圆柱孔的中心轴与圆筒形波纹隔热屏板轴向的夹角，取值范围为30°-60°。

本发明的进一步技术方案是：所述偏置气膜孔排中相邻偏置气膜孔的展向间距为po，其范围为3df-4df。

本发明的进一步技术方案是：相邻两排所述偏置气膜孔排的轴向距离为so，其范围为6df-9df；相邻两排所述偏置气膜孔排中的偏置气膜孔的周向偏置距离为bo，其范围为1.2df-2df。

本发明的进一步技术方案是：所述圆柱孔排中相邻圆柱孔的展向间距为pc，其范围为4df-7df。

本发明的进一步技术方案是：相邻两排所述圆柱孔排的轴向距离为sc，其范围为3df-5df；相邻两排所述圆柱孔排中的圆柱孔的周向偏置距离为bc，其取值为1/2pc。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明是一种用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构，是通过在波纹板主流背风面布置多排偏置气膜孔排和迎风面布置多排圆柱气膜孔排而成，该结构可用于涡扇发动机加力燃烧室或冲压发动机燃烧室。偏置气膜孔通过在圆柱孔的基础上，向周向偏置一定的角度形成。如图6所示，通过布置偏置孔，可使得射流具有一定的展向速度，气膜在偏置孔后形成高冷效区；同时控制前后排偏置气膜孔较小的偏置距离，形成前后射流间的相互作用，降低了气膜孔下游形成的内卷对涡强度，降低冷气与主流的掺混；波纹面迎风面布置偏置孔排利用了波峰附近康达尔效应，提升气膜的贴附作用，形成的冷气层覆盖于背风面圆柱孔出流之上，提升了整体的冷却效果。相比于传统均匀分布的圆柱孔，冷效有明显改善，如图7所示。

另外该冷却结构仅需在原圆柱孔的基础上偏置一定角度打孔，未明显增加加工难度，对加工精度要求不高。

附图说明

图1为本发明偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构示意图；

图2为本发明偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构俯视图；

图3为本发明偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构前视图；

图4为本发明用于波纹隔热屏的偏置孔排加圆柱孔排组合冷却结构位置示意图；

图5为本发明偏置孔冷却结构图；

图6为波纹隔热屏气膜冷却效率分布云图；

图7为波纹隔热屏展向平均气膜冷却效率流向曲线图；

附图标记说明：1、波纹隔热屏板；2、偏置气膜孔排；31、圆柱气膜孔；32、偏置旋转圆柱孔；4、波纹隔热屏波峰；5、圆柱孔排；6、波纹隔热屏波谷；a、主流燃气；b、冷却气流；c、冷却气膜；d、冷却气膜；e、冷却气流；f、冷却气膜；df、圆柱气膜孔孔径；α、偏置旋转圆柱孔偏置角；β、流向倾角；λ、波纹隔热屏板波纹长度；δ、波纹隔热屏板厚度；m、波纹隔热屏板波纹振幅；po、偏置气膜孔展向间距；so、相邻两排所述偏置气膜孔排的轴向距离；bo、相邻两排所述偏置气膜孔排中的偏置气膜孔的周向偏置距离；pc、圆柱孔排中相邻圆柱孔的展向间距；sc、相邻两排所述圆柱孔排的轴向距离；bc、相邻两排所述圆柱孔排中的圆柱孔的周向偏置距离。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1、图2、图3、图4、图5对偏置气膜孔排加圆柱孔排组合冷却结构在波纹隔热屏上的应用布置位置以及偏置孔冷却结构进行详细介绍，图6、图7为实施案例的具体效果。

实施例一:

本实施例是波纹隔热屏上偏置气膜孔排加圆柱孔排组合冷却结构。在波纹隔热屏迎风面上布置两排偏置气膜孔排2，在波纹隔热屏背风面上布置四排圆柱孔排5，偏置气膜孔排2和圆柱孔排5均由波纹隔热屏筒与外燃烧室筒体围成的环形冷气通道供气。偏置气膜孔排2中的偏置气膜孔由圆柱气膜孔和偏置旋转圆柱孔叠加组合而成，所述圆柱气膜孔为圆形通孔，所述偏置旋转圆柱孔为圆柱气膜孔绕其位于冷气通道一侧孔口圆心偏置形成；偏置气膜孔排2集中在迎风面的后半部，相邻孔排间具有较小的偏置距离，圆柱孔排集中在背风面的中部。

所述圆柱气膜孔和圆柱孔当量直径df为1mm。圆柱气膜孔31和偏置旋转圆柱孔32的偏置角度为30°，偏置气膜孔排2和圆柱孔排5的流向倾角为β为60°。

波纹隔热屏的单个波纹长度为λ为66df，波纹板厚度为δ为0.8df，波纹板振幅为m为6df。第一排偏置孔距离波谷轴向距离wo为1/4λ。第一排圆柱孔距离波谷轴向距离为wc，其范围为3/5λ。偏置气膜孔排2中相邻偏置气膜孔的展向间距po为4df，相邻偏置气孔排轴向间距so为6df，相邻两排偏置气膜孔排2中的偏置气膜孔的周向偏置距离bo为2df。燃气背风面布置圆柱孔排展向间距pc为4df，相邻两排圆柱孔排5的轴向距离sc为4df。相邻两排圆柱孔排5中的圆柱孔的周向偏置距离bc为1/2pc。

本实施例中，迎风面偏置孔排数为两排，孔排偏置距离bo为1/2po,背风面圆柱孔的排数为四排，偏置距离bc为1/2pc，此时，迎风面孔排数少背风面孔排数多，主要利用了背风面圆柱孔排射流在背风面波谷区域容易驻留的特性，而迎风面布置两排偏置孔主要是兼顾了迎风面波峰区域冷气覆盖不足的缺点。这样经过多个波纹气膜叠加后，能取得较好的冷却效果。相比于传统均匀分布圆柱孔结构，实施例一的气膜冷却效率提高了10％，见表1。

实施例二:

本实施例是波纹隔热屏上偏置气膜孔排加圆柱孔排组合冷却结构。在波纹隔热屏板1迎风面上布置三排偏置孔排2，在波纹隔热屏板1背风面上布置四排圆柱孔排5，偏置气膜孔排和圆柱孔排均由波纹隔热屏板与外燃烧室筒体围成的环形冷气通道供气。偏置气膜孔排2中的偏置气膜孔由圆柱气膜孔和偏置旋转圆柱孔叠加组合而成，所述圆柱气膜孔为圆形通孔，所述偏置旋转圆柱孔为圆柱气膜孔绕其位于冷气通道一侧孔口圆心偏置形成；偏置气膜孔排集中在迎风面的后半部，前后孔排间具有较小的偏置距离，圆柱孔排集中在背风面的中部。

圆柱气膜孔当量直径df为1mm。圆柱气膜孔31和偏置旋转圆柱孔32的偏置角度为20°，偏置气膜孔排2和圆柱孔排5的流向倾角为β为60°。

隔热屏波纹长度为λ为66df，波纹板厚度为δ为0.8df，波纹板振幅为m为6df。第一排偏置孔距离波谷轴向距离wo为1/4λ。第一排圆柱孔距离波谷轴向距离为wc，其范围为3/5λ。偏置气膜孔排中相邻偏置气膜孔的展向间距po为4df，相邻两排偏置气膜孔排的轴向距离so为5df，相邻两排偏置气膜孔排中的偏置气膜孔的周向偏置距离bo为1.33df。燃气背风面布置的圆柱孔排中相邻圆柱孔的展向间距pc为4df，相邻两排圆柱孔排的轴向距离sc为5df。相邻两排圆柱孔排中的圆柱孔的周向偏置距离bc为1/2pc。

本实施例中，迎风面偏置孔排数为三排，偏置距离bo较小为1.33df,同时减小了偏置孔的偏置角度，背风面圆柱孔排的排数为三排，偏置距离bc为1/2pc，此时，迎风面孔排数和背风面孔排数相同，主要利用了迎风面偏置孔排射流在迎风面展向扩展，前后孔排相互作用，减小了内卷对涡的强度，对壁面贴附较好的特点，背风面布置圆柱孔主要是兼顾了波谷能驻留冷气。这样的布置能使得整个波纹面的温度更加均匀，减小波纹板内部的热应力。相比于传统均匀分布圆柱孔结构，实施例二的气膜冷却效率提高了52.5％，见表1。

实施例三：

本实施例是波纹隔热屏上偏置气膜孔排加圆柱孔排组合冷却结构。在波纹隔热屏板迎风面上布置三排偏置孔排2，在波纹隔热屏板背风面上布置五排圆柱孔排5，上述两孔排均由波纹隔热屏筒与外燃烧室筒体围成的环形冷气通道供气。偏置气膜孔排2中的偏置气膜孔由圆柱气膜孔和偏置旋转圆柱孔叠加组合而成，所述圆柱气膜孔为圆形通孔，所述偏置旋转圆柱孔为圆柱气膜孔绕其位于冷气通道一侧孔口圆心偏置形成；偏置气膜孔排2集中在迎风面的后半部，相邻孔排间具有较小的偏置距离，圆柱孔排集中在背风面的中部。

圆柱气膜孔当量直径df为0.8mm。圆柱气膜孔31和偏置旋转圆柱孔32的偏置角度为20°，偏置气膜孔排2和圆柱孔排5的流向倾角为β为60°。

隔热屏板波纹长度为λ为82.5df，波纹板厚度为δ为1df，波纹板振幅为m为7.5df。第一排偏置孔距离波谷轴向距离wo为1/4λ。第一排圆柱孔距离波谷轴向距离为wc，其范围为3/5λ。偏置气膜孔排2中相邻偏置气膜孔的展向间距po为5df，相邻偏置气孔排轴向间距so为5df，相邻两排偏置气膜孔排2中的偏置气膜孔的周向偏置距离bo为1.67df。燃气背风面布置圆柱孔排展向间距pc为5df，相邻两排圆柱孔排5的轴向距离sc为4df。相邻两排圆柱孔排5中的圆柱孔的周向偏置距离bc为1/2pc。

与实施例一和实施例二相比，本实施例通过减小圆柱气膜孔的孔径df，同时保证开孔率相近，迎风面偏置孔排数为三排，背风面孔排数变为五排，这时，迎风面的偏置孔排数足够能有效形成孔排间的相互作用，减少内卷对涡强度，加强对迎风面壁面的覆盖。同时在背风面，圆柱孔孔排数量增多，单孔面积减小，能有效减小社流动动量，进一步增强射流在波谷附近的驻留作用，有效提高波纹板壁面附近的整体冷却效果。相比于传统均匀分布圆柱孔结构，实施例二的气膜冷却效率提高了20％，见表1。

表1实施例与传统模型数值计算方法

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

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