涡扇发动机排气系统中心锥气膜冷却结构的气动和红外辐射特性实验

以降低涡扇发动机排气系统红外辐射为目的,针对某型涡扇排气系统构建1/3缩比模型,采用实验的方法比较了中心锥有/无冷却的排气系统喷流温度场和红外辐射场,验证了中心锥冷却结构能够大幅度降低涡扇发动机排气系统尾向红外辐射强度.研究结果表明:中心锥表面在外涵气体冷却下温度降低,同时尾焰核心温度也降低.当涵道比为0.3时,在0°~10°范围内,气膜冷却中心锥体排气系统红外辐射降低24%~32%;在20°~90°范围内,红外辐射强度降低0.8%~2.1%.当涵道比增加到0.8时,0°方向的红外辐射强度降低60%;20°~90°范围内的红外辐射强度降低了33%~51%.      

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统，在几何偏转0，10，20°三种角度下，壁面温度和红外辐射特征分布，并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时，密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%，排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%；但是由于冷气流注入，导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高，在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时，收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%，扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%，侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%，导致在排气系统尾向15°~75°范围内，红外辐射强度下降30%以上，最大降幅达80%（几何偏转20°，宽边探测面30°探测方向）。      

全遮挡导流支板对排气系统红外特性的影响

为了降低末级涡轮转子对排气系统尾向红外(IR)辐射贡献,对涡轮后导流支板进行低红外特征结构设计,通过模型试验的方法研究了基准轴对称排气系统和不同支板冷却状态的全遮挡导流支板(FSGS)排气系统的红外特性。研究结果表明:全遮挡导流支板表面温度低于末级涡轮表面温度,但全遮挡导流支板结构会使下游隔热屏和喷管壁面温度明显升高;全遮挡导流支板对排气系统尾向0~10°角域红外辐射有较好的抑制作用,正尾向红外辐射强度比基准轴对称排气系统低13.9%;支板壁面气膜冷能进一步降低排气系统尾向0~10°角域内的红外辐射强度,支板冷却气密流比(BR)为0.5、0.7和0.9时,全遮挡导流支板排气系统0°方向的红外辐射强度的降幅分别为18.1%、25.8%和34.5%。因此,带气膜冷却的全遮挡导流支板是抑制末级涡轮对排气系统红外辐射贡献的一种非常有效的手段。     

气膜孔倾角对层板隔热屏冷却性能影响

为了获得气膜孔倾角对层板隔热屏(冲击/发散复合冷却隔热屏)冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室真实工况,对0°到90°范围内的十种不同气膜孔倾角的层板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,得到了层板隔热屏冲击壁面Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏冷流体热负荷及气膜孔流量系数的变化规律。结果表明,气膜孔倾角的变化对冲击壁面Nu数的影响较小;气膜冷却表面的综合冷却效果随气膜孔倾角的增大而减小,15°倾角模型比10°倾角模型的平均综合冷却效果降低2.8%;单位面积冷流体热负荷随气膜孔倾角的增大而增大,最小值比最大值低30.7%;气膜孔倾角对层板隔热屏平均流量系数的影响不大,但上游气膜孔的出流会对下游气膜孔的流量系数产生影响。     

引气结构对二元塞式喷管冷却和红外辐射特性的影响

为降低加力状态下二元塞锥表面温度和喷管红外辐射强度，对塞锥进行冷却结构设计。采用数值模拟的方法对比分析了引气结构、冷却通道高度和冷气入口总压比对塞锥冷却和喷管红外辐射特性的影响。结果表明：塞锥冷却后其表面温度和喷管红外辐射强度显著降低；引气腔内无冲击板时，引气角度的改变引起射流核心区位置的变化，造成塞锥头部和前缘展向温度分布差异明显，引气角度为90°时塞锥表面最高温度要比30°和60°的模型高50K；加装冲击板后，冷却通道内的流量分配和塞锥前缘的展向温度分布得到有效改善、塞锥头部的换热得以增强，但同时会引起较大的总压损失，因此相同入口总压比下，加装冲击板后冷却流量降低、塞锥外表面温度升高；随着冷却通道高度增大，冷气流量增加、流速降低，故存在一个最佳通道高度使得塞锥冷却效果最好；以塞锥无冷却为基准，入口总压比为1.0～1.8时，塞锥外表面最高温度降低了470～590K,0°探测角上红外辐射强度降低了25%～33%。     

气膜孔排布对排气系统中心锥冷却和红外辐射特性的影响

运用计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)的数值模拟方法,以涡扇发动机排气系统为原型,对中心锥表面气膜冷却方案进行了数值研究,并揭示了中心锥冷却对红外辐射特征的作用效果.研究表明:气膜冷却中心锥可有效降低中心锥表面的温度,抑制排气系统在0°~15°范围内的红外辐射.在所研究的诸多方案中,与无冷却的涡扇排气系统相比,中心锥表面温度可以降低282K,0°方向上可降低总体红外辐射约57%.      

降低表面温度和发射率抑制排气系统红外辐射的研究

为了降低涡扇发动机轴对称排气系统的红外辐射特征,研究了降低排气系统腔体表面温度和发射率抑制红外辐射的规律。首先通过模拟实验研究了对中心锥进行冷却和涂覆低发射率涂层的红外抑制效果;然后用实验数据对本文使用的红外辐射特征计算方法和程序进行了验证;最后通过数值计算研究了典型尺寸的涡扇发动机排气系统降温和发射率分布对红外辐射特征的影响规律。结果表明：降低中心锥等部件的温度和发射率可明显降低排气系统在α〈15°范围内的红外辐射强度;若中心锥的温度降低100K,中心锥、涡轮和径向稳定器等部件的表面发射率降至0.2,则排气系统尾向的红外辐射强度可降低40%以上,探测距离缩短20%左右。     

基于加力内锥冷却的红外隐身技术研究

应用数值仿真方法计算多种冷却方式下的加力内锥流场和温度场,利用红外辐射特性计算软件分析加力内锥的红外辐射特性。研究结果表明：采用小孔与缝隙组合冷却的效果比单用小孔冷却或单用缝隙冷却的好,采用孔/缝组合冷却的加力内锥的红外辐射强度降低68.49%。     

塞锥后体气膜冷却对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响

运用数值模拟方法,在主流质量流量为130 kg/s、总温为920 K和冷却空气总温为480 K的参数条件下,对比分析了塞锥后体气膜孔排布方式、气膜孔倾角(15°~30°)和气膜冷却空气用量(3%主流质量流量以内)对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响。研究结果表明:塞锥后体的气膜冷却对喷管推力系数的影响十分微弱;对塞锥后体提供1%主流质量流量的冷却空气,喷管红外辐射强度相对无冷却喷管降低50%左右;当冷却空气用量增大至3%时,喷管红外辐射强度下降约60%,总压恢复系数降低较为显著;在相同的冷却空气用量下,小孔排间距的多孔排布方式与大孔排间距相比,具有近乎相同的红外辐射抑制效果和低的总压恢复系数下降幅度;气膜孔倾角从30°减小至15°,对塞锥后体表面温度的降低以及喷管总压恢复系数的改善效果微弱。     

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。     

中心锥冷却对喷管腔体红外辐射的抑制作用数值分析

航空发动机高温部件是发动机3~5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究.在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21.1%和46.2%,冷却气量约为外涵流量的1.6%.喷管腔体3~5μm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30%,0°~45°范围内红外辐射则明显降低.      

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量，提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率，提出了非均匀孔排布局波纹板隔热 屏结构，即保持开孔率不变，构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实 工况下，采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律，揭示了振幅比变 化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流 量，从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时，增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游 的冷却效果，又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果，使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高，相比于均匀孔排结构，前密后 疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%；在相同工况下，当振幅比从0.035增大至0.075时，隔热屏的面平均 气膜冷却效率显著提高，最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

冷却抑制二元收扩喷管红外特征的模型实验与数值研究

为研究二元收扩喷管排气系统的红外特征及其采取冷却措施后的红外抑制效果,设计了带有冷却结构的喷管实验模型,测量了3组实验状态下的喷管壁面温度和红外辐射强度分布,分析了喷管腔体内各部件的辐射贡献大小。研究结果表明:二元收扩喷管排气系统的积分辐射强度在0°方向上最大,并且随着角度的增大而减小;扩张板的壁面温度下降21.1%,侧壁的壁面温度下降26.6%,可使积分辐射强度降低11.5%~31.9%;在扩张段冷却的基础上,中心锥的壁面温度下降9%,可使积分辐射强度降低21.7%~38.9%。     

塞锥气膜冷却对二元塞式喷管红外特征的影响

为了研究二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对喷管红外特征的影响,设计了带冷却结构的喷管试验模型,测量了吹风比从0增加到1时的塞锥壁面温度、喷管出口截面处喷流温度以及喷管红外辐射强度.结果表明：随着吹风比的增加,气膜冷却效率逐渐提高,最大达到0.68;喷管出口截面在中心区域喷流的温度逐渐降低,最大降幅为14%;喷管红外辐射强度逐渐降低,在0°方位角上最大降低52.8%,在90°方位角上最大降低13%.     

气膜孔与冲击孔面积比和动量比对加力燃烧室双层壁隔热屏综合冷却效率的影响

基于综合冷却效率模化理论和匹配原则,采用红外测温技术测量了加力燃烧室双层壁隔热屏的综合冷却效率分布,分析了气膜孔与冲击孔面积比( 1、2、3、4)和动量比(I=0.02-0.88)等参数对加力燃烧室双层壁隔热屏冷却特性的影响规律。研究结果表明：综合冷却效率分布由冲击冷却、气膜冷却及冲击孔和气膜孔的相对位置决定。高冷效区域集中在冲击驻点附近和气膜覆盖的区域。沿着主流的流动方向,气膜板下游的综合冷却效率高于上游的综合冷却效率。随着动量比的增大,综合冷却效率增大。随着气膜孔与冲击孔面积比的增大,气膜板上游的综合冷却效率主要是由于冲击换热的增强而增大,气膜板中下游的综合冷却效率是由于冲击换热和气膜冷却效果的增强而增大。气膜孔与冲击孔面积比由1增大到3,面平均综合冷却效率提高72%,气膜孔与冲击孔面积比由3增大到4时,面平均综合冷却效率提高了12%。     

Numerical investigation of of nozzle cavities thermal radiation characteristics with center cone cooled

航空发动机高温部件是发动机3-5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究．在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21．1％和46．2％,冷却气量约为外涵流量的1．6％．喷管腔体3～5Izm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30％,0°-45。范围内红外辐射则明显降低．     

高冷气温度下横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

通过三维数值模拟的方法分别研究了高冷气温度下吹风比、开孔率以及孔排布等气动参数和结构参数对加力燃烧室横向波纹隔热屏气膜冷却效率和流动特性的影响规律。结果表明:吹风比改变时相同流向截面处波峰的温度总是高于波谷的温度,且壁面上温度呈现"锯齿状";随着吹风比的增加,隔热屏壁面冷却效率提高,在吹风比M=2.0时冷却效率达到最大值;当吹风比M≥1.5,气膜冷却效率逐渐递增,最后趋于平缓,且吹风比越大趋于平缓的流向间距越短;单位面积冷却流量相同时,气膜孔开孔率?=3.14%对隔热屏壁面的冷却效率最高,其次开孔率为?=2.18%;当单位面积冷却流量Gf≥3.990kg/(m~2·s)时,开孔率?=1.60%比开孔率?=4.90%时对隔热屏壁面的冷却效率高;相同单位面积冷却流量时,气膜孔流向间距增加,展向孔间距减小,气膜叠加效应积聚在壁面处形成有效的气膜层,使得冷却效率趋于一定值对应的流向间距短,气膜孔排布为展向间距p=4mm,流向间距s=6.25mm较其它气膜孔排布冷却效率要高。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性数值研究

以加力燃烧室纵向波纹隔热屏为研究对象,采用数值方法,对不同吹风比、不同展向间距以及不同流向间距的纵向波纹隔热屏进行计算,获得了纵向波纹隔热屏流场流动特征和气膜冷却效率的变化。结果表明:纵向波纹隔热屏气膜冷却与常规的平板气膜冷却有着本质的区别,表现出气膜射流脱离壁面、较小吹风比下的冷却效率受结构影响大等特征;较低吹风比(M1.3)下气膜冷却效率沿着流向呈现出起伏变化,较高吹风比(M≥1.3)下的气膜冷却效率沿程逐渐增加,最终趋于平缓;对于几何结构,吹风比约为2.5时效率达到最大值;随着展向间距的减小,气膜冷却效率逐渐增加,但增加较为缓慢;气膜冷却效率并不是一直随流向间距的减小而增加,当流向间距从4.2倍孔径减小到3.25倍孔径时,在第二周期波峰区域,冷却效率反而降低,随着流向间距进一步减小,局部冷却效率降低的区域甚至扩大,并占据了波纹隔热屏的第二个波峰。     

截锥不同冷却结构对喷管腔体红外抑制特征影响的数值研究

对发动机喷管高温部件之一的截锥3~5μm波段上红外抑制特征进行了数值研究.在红外辐射信号较强的截锥前端布置气膜缝槽冷却结构和气膜孔冷却结构,将温度较低的外涵气流通过支板引入截锥,有效降低了截锥、支板的壁面温度和红外辐射强度.对两种冷却结构进行比较,结果表明,采用向下气膜缝槽冷却结构能够达到较好的红外抑制效果,但推力损失较大;采用气膜孔冷却结构,喷管红外抑制效果略有减弱,但推力损失较小.