改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室

专利名称：改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211032885.4

专利申请（专利权）人：西安航天动力研究所
权利人地址：陕西省西安市航天基地飞天路289号

专利发明（设计）人：宋坤,黄乐萍,豆飞龙,梁俊龙,赵楠楠,南向谊,宋亚恒

专利摘要：本发明提供了一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室，主要解决再生冷却燃烧室壁面安装接口上下游冷却通道内的冷却剂流量分配不均匀，导致燃烧室壁面冷却不均匀及热防护效果差的技术问题。本发明的冷却单元包括壳体、垂直壳体轴线设置在壳体上的安装接口，以及沿轴向均匀布置在壳体外壁面上的多个等高的肋，相邻的两个肋之间构成冷却槽道；中心肋被安装接口分为第一中心肋和第二中心肋，第二中心肋与安装接口外壁面通过弧形肋连接，位于安装接口周边除中心肋之外的其他肋与安装接口外壁之间留有距离，构成冷却区间，位于弧形肋两侧的下游冷却区间内分别设置有数量相等的多个扰流柱，实现对冷却剂流向和流速的控制。

主权利要求：
1.一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：
包括壳体(1)、垂直壳体(1)轴线设置在壳体(1)上的安装接口(2)，以及沿轴向均匀布置在壳体(1)外壁面上的多个等高的肋(3)，相邻的两个肋(3)之间构成冷却槽道(4)；
所述安装接口(2)为空心柱状结构，其外端面高于肋(3)的高度，所述肋(3)中有一个与安装接口(2)上游和下游的外壁相连接，且其延长线经过安装接口(2)的中心线；定义该延长线经过安装接口(2)中心轴线的肋为中心肋，中心肋位于上游的一段为第一中心肋(31)，位于下游的一段为第二中心肋(32)；第一中心肋(31)与安装接口(2)外壁面直接连接，其宽度不变；第二中心肋(32)与安装接口(2)外壁面之间设有弧形肋(33)，通过弧形肋(33)实现两者之间的过渡连接；
位于安装接口(2)周边中心肋之外的其他肋(3)与安装接口(2)外壁之间留有距离，构成冷却区间(5)，位于弧形肋(33)两侧的下游冷却区间内分别设置有数量相等的多个扰流柱(6)；位于扰流柱(6)下游的肋(3)端面之间连线为下游圆弧段，位于安装接口(2)周边其他肋(3)端面之间连线为上游圆弧段；所述上游圆弧段与安装接口(2)同心，所述下游圆弧段的圆心与安装接口(2)中心轴线的距离为10～15mm；
所述扰流柱(6)为实心圆柱体结构，其直径小于或等于肋(3)的宽度，多个扰流柱(6)呈一字间隔排开，且其连接线垂直中心肋，多个扰流柱(6)的连接线与下游圆弧段所在圆弧的切线的垂直距离L1为扰流柱(6)直径的5～8倍，所述下游圆弧段所在圆弧的切线指该圆弧的所有切线中与多个扰流柱(6)的连接线平行的切线。
2.根据权利要求1所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：
每个所述冷却槽道(4)的宽度相等，均为4～5mm。
3.根据权利要求1或2所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：所述上游圆弧段距离安装接口(2)外壁面之间的距离L2为冷却槽道(4)的4～5倍。
4.根据权利要求3所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：
所述扰流柱(6)的数量小于或等于位于扰流柱(6)下游的肋(3)的数量。
5.根据权利要求4所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：
所述安装接口(2)的外径小于30mm。
6.根据权利要求5所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特征在于：
所述肋(3)、中心肋宽度均为2～3mm。
7.一种再生冷却燃烧室，其特征在于：包括燃烧室壳体和至少1个冷却单元，所述冷却单元为权利要求1‑6任一所述的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，所述燃烧室壳体包括相互嵌套的内壳体和外壳体，所述冷却单元设于内壳体与外壳体之间，所述冷却单元的肋和冷却槽道分别与燃烧室壳体上的肋和冷却槽道连通，冷却剂经过各冷却槽道实现再生冷却燃烧室的均匀冷却。 说明书 : 改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室技术领域[0001] 本发明涉及发动机燃烧室冷却技术，具体涉及一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室。背景技术[0002] 高超声速飞行器因较强的突防能力，而具有较大的应用价值，但在飞行过程中，随着飞行马赫数的提升，其发动机燃烧室的燃气温度通常可高达3000K，使得燃烧室的热环境较为恶劣，这为发动机冷却带来了极大的挑战，此时，燃烧室冷却系统的有效性对发动机性能和工作的可靠性至关重要。目前，燃烧室一般选择再生冷却燃烧室，其冷却原理为：将冷却剂引入燃烧室喷管壁面的冷却通道，对喷管壁面进行冷却，随后将冷却剂引入燃烧室中进行掺混、燃烧，之后经喷管膨胀而产生推力。再生冷却燃烧室的冷却效果较好，且冷却剂还可重复利用，因此，其优势逐渐被研制人员重视起来。[0003] 要保证燃烧室稳定高效的工作，燃烧组织和冷却热防护是核心。在燃烧室的再生冷却通道内总冷却剂流量确定的情况下，各流道冷却剂的分配情况对冷却效果起着决定性的影响。若冷却剂流量分配不均匀，则会导致燃烧室壁面与冷却剂换热效果变差，从而对燃烧室冷却施加“正反馈”效应，若燃烧室壁面冷却效果持续恶化，会引起热防护失效，使得燃烧室温度持续升高，进而将燃烧室结构破坏，导致飞行任务失利的严重后果。[0004] 在实际燃烧室结构的设计中，由于总装结构需要，一般会布置点火器安装座、测压座、测温座等安装接口，而这些安装接口均会穿过燃烧室壁面的再生冷却通道，对冷却剂流道进行局部“分割”，同时也会侵占部分冷却剂流道，进而破坏冷却通道的完整性，导致安装接口前后冷却通道内的冷却剂流量分配不均，影响热防护效果。发明内容[0005] 本发明为解决再生冷却燃烧室壁面安装接口上下游冷却通道内的冷却剂流量分配不均匀，导致燃烧室壁面冷却不均匀及热防护效果差的技术问题，而提供一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室，本发明在总冷却剂流量不变的情况下，可提升再生冷却燃烧室冷却通道内冷却剂流量的均匀性，从而确保再生冷却燃烧室均匀有效的冷却。[0006] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：[0007] 一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，其特殊之处在于：包括壳体、垂直壳体轴线设置在壳体上的安装接口，以及沿轴向均匀布置在壳体外壁面上的多个等高的肋；相邻的两个肋之间构成冷却槽道；[0008] 所述安装接口为空心柱状结构，其外端面高于肋的高度，所述肋中有一个与安装接口上游和下游的外壁相连接，且其延长线经过安装接口的中心线；定义该延长线经过安装接口中心轴线的肋为中心肋，中心肋位于上游的一段为第一中心肋，位于下游的一段为第二中心肋；第一中心肋与安装接口外壁面直接连接，其宽度不变；第二中心肋与安装接口外壁面之间设有弧形肋，通过弧形肋实现两者之间的过渡连接；[0009] 位于安装接口周边中心肋之外的其他肋与安装接口外壁之间留有距离，构成冷却区间，位于弧形肋两侧的下游冷却区间内分别设置有数量相等的多个扰流柱，；位于扰流柱下游的肋端面之间连线为下游圆弧段，位于安装接口周边其他肋端面之间的连线为上游圆弧段；所述上游圆弧段与安装接口同心，所述下游圆弧段的圆心与安装接口中心轴线的距离为10～15mm。[0010] 进一步地，所述扰流柱为实心圆柱体结构，多个扰流柱呈一字间隔排开，且其连接线垂直中心肋，多个扰流柱的连接线与下游圆弧段所在圆弧的切线的垂直距离L1为扰流柱直径的5～8倍，所述下游圆弧段所在圆弧的切线指该圆弧的所有切线中与多个扰流柱的连接线平行的切线；若距离过小，经过扰流柱的流量不能一一对应流入下游冷却槽道，扰流效果较差；若距离过大，则扰流柱无法发挥其作用。[0011] 进一步地，每个所述冷却槽道的宽度相等，均为4～5mm，以此提高冷却剂分布及冷却的均匀性。[0012] 进一步地，所述上游圆弧段距离安装接口外壁面之间的距离L2为冷却槽道的4～5倍。[0013] 进一步地，所述扰流柱的数量小于或等于位于扰流柱(6)下游的肋的数量；所述扰流柱的直径小于或等于肋的宽度，以确保扰流柱不会侵占过大面积冷却通道而造成过大流阻，同时还可起到导流作用。[0014] 进一步地，所述安装接口的外径小于30mm，一方面可保证其与外接设备有效连接，另一方面可保证其设置不影响冷却剂整体的流动性，从而提高冷却效果。[0015] 进一步地，所述肋、中心肋宽度均为2～3mm。[0016] 此外，本发明还提供一种再生冷却燃烧室，包括燃烧室壳体和至少1个上述的冷却单元，所述燃烧室壳体包括相互嵌套的内壳体和外壳体，所述冷却单元设于内壳体与外壳体之间，所述冷却单元的肋和冷却槽道分别与燃烧室壳体上的肋和冷却槽道连通，冷却剂经过各冷却槽道实现再生冷却燃烧室的均匀冷却。[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：[0018] 1、本发明提出的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，通过在安装接口下游设置扰流柱的设计，对冷却剂的流动方向和流速进行控制，避免冷却剂堆积在安装接口下游而导致冷却不均，同时在安装接口下游增加弧形肋，进一步确保下游冷却剂流量分配均匀性，提高了冷却通道内流量分布的均匀性，进而提高冷却单元的冷却效果。[0019] 2、本发明提出的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，在安装接口上游设有第一中心肋，第一中心肋和安装接口直接连接，下游设有第二中心肋，第二中心肋通过弧形肋与安装接口连接，使得冷却剂在上游和下游都被均匀分流，进一步提高了冷却通道内流量分布的均匀性。[0020] 3、本发明提出的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，不仅可用于燃烧室壁面的结构优化设计中，同时也可用于其他不局限于冷却但需要考虑流道流动均匀性的结构设计上，如水利工程等领域，具有很好的参考价值。[0021] 4、本发明提出的再生冷却燃烧室结构，包括燃烧室壳体和至少1个本发明中所述的冷却单元，燃烧室壳体包括相互嵌套的内壳体和外壳体，冷却单元设于内壳体与外壳体之间，该设计在总装条件约束导致冷却通道完整性被破坏的情况下，对冷却通道局部结构进行优化，进而提高了燃烧室冷却效果的可靠性及发动机工作的稳定性，整体改造成本较低，具有很好的应用前景和工程使用价值。附图说明[0022] 图1为现有的冷却单元结构示意图；[0023] 图2为本发明实施例的结构示意图；[0024] 图3为本发明实施例的安装接口放大图；[0025] 图4为现有的冷却单元冷却通道内冷却剂流动云图；[0026] 图5为本发明实施例的冷却通道内冷却剂流动云图；[0027] 图6为现有冷却单元与本发明实施例各冷却通道内冷却剂流量对比图；[0028] 图7为本发明再生冷却燃烧室实施例的结构示意图。[0029] 附图标记如下：[0030] 1‑壳体，2‑安装接口，3‑肋，31‑第一中心肋，32‑第二中心肋，33‑弧形肋，4‑冷却槽道，5‑冷却区间，6‑扰流柱。具体实施方式[0031] 本发明的原理为：再生冷却燃烧室冷却通道流量均匀性对燃烧室正常工作至关重要。然而，燃烧室壁面的一些安装接口(如点火器、测压座、测温座安装接口)会占据所在位置的冷却通道，其下游会形成大面积低速回流区，使得下游冷却通道内的冷却剂流量分配不均匀，影响燃烧室壁面冷却效果，对发动机工作产生不利影响。如图1所示，因现有冷却单元在使用时，当冷却剂通过安装接口时，会堆积在安装接口下游，从而使得冷却剂在冷却单元的整体流道内分布不均匀，导致冷却单元无法正常稳定的发挥其冷却功能。如图2所示，本发明针对此缺陷对冷却单元进行了改进，通过在恰当位置布置扰流柱，并增加弧形肋，以减小安装接口下游的低速回流区，使得安装接口下游的冷却剂沿着扰流柱之间的通道流动，并进入相对应的冷却槽道，从而提高冷却通道流量分布的均匀性，提升再生冷却燃烧室的冷却效果。[0032] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元及再生冷却燃烧室作进一步详细说明。需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。另外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0033] 如图2和图3所示，本发明提供了一种改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，包括壳体1，垂直壳体1轴线设置在壳体1上的安装接口2，以及沿轴向均匀布置在壳体1外壁面上的多个等高的肋3，本实施例中，肋3的宽度为2～3mm。相邻的两个肋3之间构成冷却槽道4，由于冷却槽道4是肋3之间形成的通道，为了保证燃烧室周向冷却效果，冷却槽道4一般在燃烧室周向上是等宽度布置的，同时，该设计也使得燃烧室的设计方案和加工过程更容易实现，本实施例中，每个冷却槽道4的宽度均为4～5mm。[0034] 安装接口2为空心柱状结构，用于根据实际测试需求连接点火器、测压座、测温座等设备，安装接口2的尺寸根据所连接设备接口的尺寸而定，安装接口2的外径一般小于30mm，一方面可保证其与外接设备有效连接，另一方面可保证其设置不影响冷却剂整体的流动性，从而提高冷却效果。本实施例中，安装接口2的内径为22.5mm，外径为26.5mm。安装接口2外端面高于肋3的高度，从而避免冷却槽道4内的冷却剂因堆积过多而进入安装接口2，影响燃烧室的性能。[0035] 肋3中有一个与安装接口2上游和下游的外壁相连接，且其延长线经过安装接口2的中心线，本实施例中定义该延长线经过安装接口2中心轴线的肋3为中心肋，宽度也为2～3mm。中心肋位于上游的一段为第一中心肋31，位于下游的一段为第二中心肋32；第一中心肋31与安装接口2外壁面直接连接，其宽度不变，保证在上游冷却区间即可将冷却剂分流。第二中心肋32与安装接口2外壁面之间设有弧形肋33，通过弧形肋33实现两者之间的过渡连接，从而将下游冷却空间内的冷却剂均匀分流，避免安装接口2下游形成大面积低速回流区，造成下游的冷却槽道4内的流量过小而导致冷却不均匀的现象出现。[0036] 位于安装接口2周边中心肋之外的其他肋与安装接口2外壁之间留有距离，构成冷却区间5，位于弧形肋33两侧的下游冷却区间内分别设置有数量相等的多个扰流柱6，位于扰流柱6下游的肋3端面之间连线为下游圆弧段，位于安装接口2周边其他肋3端面之间连线为上游圆弧段。上游圆弧段与安装接口2同心，上游圆弧段距离安装接口2外壁面之间的距离L2为冷却槽道4的4～5倍。下游圆弧段的圆心与安装接口2中心轴线的距离为10～15mm。冷却剂经安装接口2上游的冷却槽道4到达冷却区间5，之后被扰流柱6、弧形肋33及第二中心肋32均匀分流至安装接口2下游的冷却槽道4，从而避免了冷却剂在下游冷却区间的堆积，实现了壳体1内部环境的均匀冷却。[0037] 扰流柱6是一种实心的圆柱体结构，扰流柱6的数量与安装接口2下游肋3的数量相当，一般小于或等于安装接口2下游肋3的数量；扰流柱6的直径与位于其下游的肋3的宽度相当，一般小于或等于肋3的宽度，以确保扰流柱不会侵占过大面积冷却通道而造成过大流阻，同时还可起到导流作用。扰流柱6的位置根据安装接口2的外径尺寸确定，可以通过数值仿真计算获得安装接口2下游的低速回流区面积，再确定布置扰流柱6的位置。多个扰流柱6一字间隔排开，且其连接线垂直中心肋，多个扰流柱6的连接线与下游圆弧段所在圆弧的切线的垂直距离L1为扰流柱6直径的5～8倍，所述下游圆弧段所在圆弧的切线指的是该圆弧的所有切线中与多个扰流柱6的连接线平行的切线。具体距离依据安装接口2的外径尺寸确定，若距离过小，经过扰流柱6的流量无法一一对应流入下游冷却槽道4，扰流效果较差；若距离过大，则扰流柱6无法发挥其作用，因此5～8倍较为合适，也恰好能发挥本结构的优势，保证流动充分发展。[0038] 通过分别对现有冷却单元和本发明的冷却单元的结构进行流动均匀性数值仿真以及试验研究，结论如下：[0039] 1)图4和图5分别给出了现有的冷却单元和本发明提出的冷却单元内冷却剂流动云图，由此可看出，与现有冷却单元的机构相比，本发明通过增加扰流柱6，弧形肋33，及将第一中心肋31与安装接口2连接的方式对冷却单元进行改进后，在安装接口2上游和下游冷却区间5内的冷却剂低速回流区的面积大幅减小，各冷却槽道4内冷却剂流量分布的均匀性得到了较大的改善。[0040] 2)图6给出了现有冷却单元与本发明提出的冷却单元各冷却槽道4内冷却剂流量对比图，其中m1～m22指各冷却槽道，m7～m16表示安装接口2下游的冷却槽道，由此可见，本实施例的冷却单元内冷却剂流量在各槽道内基本呈均匀分布，在经过安装接口2进入下游后整体波动也较为平稳，表示冷却剂流量整体分布较为均匀，从图6中可看出，本实施例冷却单元下游冷却槽道内的最小流量比现有冷却单元冷却槽道内的最小流量提高了近三倍，冷却剂流量分配均匀性显著提升。[0041] 如图7所示，本发明还提供一种再生冷却燃烧室，包括燃烧室壳体和至少1个上述的冷却单元；本实施例中，燃烧室壳体为筒状结构，包括相互嵌套的内壳体和外壳体，内壳体围成燃烧室的内流道；冷却单元设于内壳体与外壳体之间，冷却单元的肋和冷却槽道分别与燃烧室壳体上的肋3和冷却槽道4连通，扰流柱6分布在安装接口2下游，冷却剂经过扰流柱6后会进行流量再分配，起到提升冷却槽道4流量均匀性的效果，以保证再生冷却燃烧室的有效冷却。[0042] 通过以上改进，可以起到冷却单元内冷却剂自整流效果，在不增加明显流阻的情况下使安装接口2下游冷却通道内的冷却剂流量均匀性大大提升，确保燃烧室冷却效果满足设计需要。[0043] 在燃烧室设计阶段，根据本发明的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元的设计思路，通过数值仿真迭代方法进行持续优化，形成最终方案。同时，该结构对原冷却通道的优化方法简单，可以通过增材制造技术(如3D打印等工艺)进行实现，可实现性与可操作性均较高。[0044] 本发明的改善冷却通道流量均匀性的冷却单元，主要用于再生冷却燃烧室壁面冷却结构设计，可以用于组合动力领域或火箭发动机领域。此外，也可用于类似其他不局限于冷却但需要考虑流道流动均匀性设计上，如水利工程等领域，具有很好的参考价值。[0045] 以上内容仅用来说明本发明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-08-26

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115614775B