[发明专利]一种波纹板冷却装置及应用

说明书

本发明一种波纹板冷却装置及应用，属于航空发动机领域；包括冷侧波纹板、热侧波纹板和中空扰流柱，所述冷侧波纹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；两层波纹板错位设置，即波峰对应波谷；两层波纹板之间形成截面积周期性变化的葫芦形中间通道；所述冷侧波纹板和热侧波纹板之间设置有若干中空扰流柱，通过中空扰流柱内的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通，且中空扰流柱与冷侧波纹板的波谷、热侧波纹板的波峰连接。本发明采用双层波纹板结合中空扰流柱的冷却结构，充分利用了内部对流冷却和波纹板的各方面优势。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种波纹板冷却装置及应用。

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，并且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形式之一，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，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。

冲击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。现有文献中对比了新型冲击/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具有一定的防振效果，能提升加力燃烧室的寿命和可靠性。现有技术中的双层壁冷却结构，利用贯穿两层壁面的柱内气膜孔增强换热效果。该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。

纵向波纹孔板广泛应用于航空发动机的加力燃烧室隔热屏，一方面，波纹离散孔结构可以抑制振荡燃烧，另一方面，冷气在波纹凹槽内驻留，具有较好的冷却效果，同时波纹形变可以释放结构内的热应力。现有的波纹结构能够带来冷却效果的提升，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。

航空发动机加力燃烧室和喷管的隔热屏，一方面要承受高温燃气对壁面的对流加热，另一方面受到高温火焰的辐射加热，因此，隔热屏极易出现高温烧蚀和受热应力破坏的情况。此外，传统波纹板结构，在冷气通道波峰位置容易出现燃气倒灌，而冲击+气膜双层壁隔热屏均内流阻过大，需要一种冷却结构具有较高的冷却效率，能有效避免燃气倒灌，并具有较小的流动阻力。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种波纹板冷却装置，采用双层波纹板结合中空扰流柱的冷却结构，充分利用了内部对流冷却和波纹板的各方面优势。

本发明的技术方案是：一种波纹板冷却装置，包括冷侧波纹板、热侧波纹板和中空扰流柱，所述冷侧波纹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；两层波纹板错位设置，即波峰对应波谷；两层波纹板之间形成截面积周期性变化的葫芦形中间通道；

所述冷侧波纹板和热侧波纹板之间设置有若干中空扰流柱，通过中空扰流柱内的中空孔将冷气通道与高温燃气通道连通，且中空扰流柱与冷侧波纹板的波谷、热侧波纹板的波峰连接。

本发明的进一步技术方案是：所述冷侧波纹板和热侧波纹板均为对称型正弦型波纹板，波纹板的波纹轨迹为垂直和平行于高温主流方向。