[发明专利]一种双层壁冷却装置及应用

说明书

本发明一种双层壁冷却装置及应用，属于航空发动机领域；包括冷侧平板、热侧波纹板和中空扰流柱，所述冷侧平板位于冷气通道一侧，所述热侧波纹板位于高温燃气通道一侧，两层壁板之间形成截面积周期性变化的倒丘陵形中间通道；所述冷侧平板和热侧波纹板之间设置有若干中空扰流柱，将冷气通道与高温燃气通道连通，且中空扰流柱与热侧波纹板的连接处位于热侧波纹板的波峰上。本发明采用中空柱扰流冷却和外部气膜冷却结合，使用较少的冷气达到高冷却效率的目的，同时减少结构内热应力，降低结构流动阻力。同时避免了传统波纹板冷气通道流阻较大的缺点，有效解决下游隔热屏和喷管隔热屏因冷气总压不足，无法出流的问题。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种双层壁冷却装置及应用。

背景技术

加力燃烧室及其后部的高温部件工作环境恶劣，在加力燃烧室点火复燃后的加力燃烧室内的气体温度可高达2050K-2100K，甚至更高。加力燃烧通常是短时间内开启和断开的，需要考虑温度分布和变化时导致的热应力和热变形。此外，加力燃烧室筒内的发生振荡燃烧也会严重影响其使用寿命，在设计冷却结构时也必须纳入考虑范围之内。

纵向波纹隔热屏是加力燃烧室常用的隔热屏之一，它具有降低热应力和冷气驻留冷效高的优点。为了提高其冷却效果，通常在燃气背风面开设气膜孔，虽然燃气侧波峰凹面处冷气能够驻留，具有高冷效的特点，但由于冷气在冷气通道波峰区域冷气速度高压力低的特点，在冷气波峰1/6区域内不适宜开设气膜孔，容易引起燃气倒灌，参见《正弦型纵向波纹隔热屏流动特性研究[D].南京航空航天大学,2010》，作者常国强。

冲击+发散双层壁气膜冷却技术是现代发动机高温部件先进冷却方式之一，在冷气形成气膜之前，能够充分利用冲击换热系数高的优点，达到局部强化换热的效果。发明专利CN105042640B航空发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，提出了由外壁板、内壁板和扰流柱组成的，采用冲击+发散+扰流柱形成的复合冷却双层壁结构，能保证冷却气用量少的情况下，保证高冷却效果。刘友宏等在《冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能及对比[J].航空动力学报,2014,29(006):1272-1278》中对比了新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能，论证其应用于加力燃烧室的可行性，与波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析，结果表明冲击/发散冷却层板隔热屏具有较好的冷却效果。双层壁结构有结构强化作用，同时气膜孔出流的同时并具有一定的防振效果，能提升加力燃烧室的寿命和可靠性。专利CN205225464U用于航空发动机的双层壁以及航空发动机叶片，公开了一种用于航空发动机的双层壁以及航空发动机叶片，利用了冲击+气膜冷却结构，并利用贯穿两层壁面的柱内气膜孔增强换热效果。冲击+发散双层壁结构虽然能达到较好的换热效果，但内部流动阻力较大，受主次流总压比变化的影响较大，在小压比情况下不容易出流。此外由于双层壁结构为平板结构，热应力不容易释放，在频繁加热-冷却作用下，容易出现破裂情况。

而波纹孔板冷却技术是另一种广泛应用于发动机高温部件的冷却方式，它利用了冷气在波纹凹槽内驻留，具有较好的冷却效果，同时利用波纹结构释放结构内的热应力。Wakeman的专利“Gas Turbine Engine Multi-Hole Film Cooled Combustor Liner andMethod of Manufacture”:USPatent,5181379，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。

专利CN112178692A提出了一种带L型冲击孔板的纵向波纹冷却结构，在波纹板结构的基础上添加L型冲击孔板，利用冲击换热来增强冷却效果。但波纹结构及其改进结构无疑带来了冷却效果的提升，但仍存在冷气量消耗过大，高温部件表面温度不均匀导致的热应力较大。因此，深度挖掘冷气的冷却能力，并减小冷却结构内部流动阻力是现有冷却技术的最大挑战。