[发明专利]一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构

说明书

本发明公开了一种冲击气膜‑发散孔复合冷却结构，包括待冷却壁面和导流板；待冷却壁面在上游区域设有至少一排冲击孔；导流板安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从冲击孔进入导流通道进行整流形成上游冷却介质薄膜层；待冷却壁面在其下游区域还设有若干排发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在下游继续形成冷却介质薄膜层。本发明解决了单一发散孔冷却结构时上游部分的冷却效率较低的问题，同时利用流动阻力相对较小、冷却介质需求量相对较少的发散孔冷却方式延伸冷却介质薄膜保护长度，增加了保护面积，解决了单一冲击气流冷却结构需要较大进气压差和冷却介质需求量大问题。

技术领域

本发明涉及新型高效复合冷却技术领域，尤其涉及一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，主要用于冷却航空发动机主燃烧室火焰筒或航空发动机加力燃烧室和冲压发动机燃烧室隔热屏。

背景技术

随着对发动机高推重比的追求，发动机燃烧室向着高油气比、高温升的方向发展，燃烧室内燃气温度可以达到2100K，远大于火焰筒材料的许用温度；同时，为实现高温升，越来越多的燃烧室进口空气将参与燃烧。此外，在过去20年，随着污染排放标准越来越严格，对氮氧化物低排放的要求使得需要更多的新鲜空气用于对燃烧过程进行调节与控制。这导致可用于冷却的空气量持续减小。另一方面，冷却气的冷却品质不断下降。燃烧室进口温度对发动机效率影响较大，通常进口空气初始温度每增加100℃，发动机效率提高2-3%。为此，燃烧室进口温度、压力不断升高。综上，燃烧室内的热端部件的冷却面临巨大挑战。

现有的冷却技术中，一般采用单一形式的冷却方式，然而随着高温环境的不断苛刻严峻，在工程应用中的缺陷不断显现。冷却效率比较高的冷却方式，冷却介质的需求量较大，同时，需要较大的进气压差。进气压差较小的冷却结构，冷却效率相对较低，尤其在冷却的初始段，无法满足冷却的要求。随着燃烧技术的不断发展，越来越迫切需要一种冷却介质需求量相对较小而效率却相对较高的冷却结构。冷却结构逐渐向高效的复合冷却发展。但是，由于各种冷却方式均需要按一定的结构形式来实现冷却的功能，并且单一的冷却结构形式众多复杂。如何从纷繁复杂的众多单一冷却结构中设计出高效的复合冷却结构形式成为亟须解决的技术难题。

通过对各种单一冷却结构的研究，发现冲击气膜冷却结构具有高的冷却效率，导流通道的整流作用使得冷却气膜分布更均匀，在下游形成的更加致密的冷却气膜。唯一的缺陷是冷却介质需求量相对较大；而发散孔冷却方式可以在较少的冷气量下获得合适的冷却效率，但它的缺陷是初始段冷却效果较差，需要在一定发散孔排数后才可以发挥较好的冷却作用。这两种冷却方式间可以形成优势互补，尤其当面临冷却介质量有限的情况时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，能够有效提高发散孔冷却结构的初始段的冷却效率，克服纯冲击气膜冷却介质用量较多的问题，实现在相对较少冷却介质用量的基础上保持较好的冷却效果。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构，包括待冷却壁面和导流板；

所述待冷却壁面为承受高温热源的板型构件，沿高温热介质的流动方向在其上游区域设有至少一排冲击孔，且每排包含至少一个冲击孔；

所述导流板对应待冷却壁面的冲击孔安装在待冷却壁面的上游区域，和待冷却壁面之间形成和所述冲击孔连通的导流通道，使得冷却介质能够从待冷却壁面的冲击孔进入导流通道进行整流，进而在流出导流通道时形成上游冷却介质薄膜层，保护待冷却壁面的上游区域；

所述待冷却壁面沿高温热介质流动方向在其下游区域还设有若干排发散孔，每排发散孔包含至少一个发散孔，使得冷却介质流过发散孔时在上游冷却介质薄膜层的下游继续形成下游冷却介质薄膜层。

作为本发明一种冲击气膜-发散孔复合冷却结构进一步的优化方案，所述冲击孔为圆柱形孔，且每排冲击孔中冲击孔之间的间距相等。