專利名稱：一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)及其換熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)及其換熱方法。
背景技術(shù)：
目前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面常用材料為鎳基耐熱合金，為了保證發(fā)動(dòng) 機(jī)安全工作， 一般都要使發(fā)動(dòng)機(jī)壁面材料工作在材料屈服極限以下，所以此類
發(fā)動(dòng)機(jī)材料的耐熱溫度一般在550。C-60(TC之間。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力 高，經(jīng)過(guò)燃燒室壁面的熱流密度大，燃?xì)鉁囟?2500。C左右)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些材 料所能承受的溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜激波波系、燃燒脈動(dòng)和燃燒振蕩導(dǎo)致壁 面的換熱條件變化很大，這樣惡劣的條件很容易引起燃燒室局部熱流密度過(guò) 大，局部壁面溫度過(guò)高，很短的時(shí)間內(nèi)燃燒室壁面就可能燒毀。因此防止發(fā)動(dòng) 機(jī)壁面過(guò)熱是發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)的核心問(wèn)題之一。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部激波 附面層相互作用導(dǎo)致局部劇烈換熱是產(chǎn)生巨大局部熱流而使壁面超溫的原因 之一。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的激波系位置變化劇烈，隨著工況的變化最大熱流 點(diǎn)可能出現(xiàn)遍歷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的各個(gè)位置。
傳熱強(qiáng)化是上世紀(jì)六十年代蓬勃發(fā)展起來(lái)的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技 術(shù)。人工粗糙度強(qiáng)化換熱通過(guò)在換熱表面設(shè)置人為粗糙度以增加表面擾動(dòng)，提 高流體湍流度，從而增加局部換熱效率，由于簡(jiǎn)單易行而成為對(duì)流強(qiáng)化換熱中 應(yīng)用最廣的一種方式，而且這是最有效地提高換熱系數(shù)的方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng) 用于超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道上面，很小的擾動(dòng)就能很大改善冷卻通道的換熱 性能。然而，使用固定結(jié)構(gòu)及人工粗糙度方法也面臨很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，固定結(jié) 構(gòu)及人工粗糙度強(qiáng)化換熱無(wú)法應(yīng)對(duì)高溫區(qū)域變化的情況。為了應(yīng)對(duì)這種情況， 傳統(tǒng)的方法往往是比較保守的，會(huì)在高溫區(qū)域可能出現(xiàn)的位置都使用強(qiáng)化換熱 結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)增加流道內(nèi)的阻力損失，而且會(huì)損失冷卻介質(zhì)熱沉。
如果有一種技術(shù)，在高溫側(cè)壁面局部溫度為高溫時(shí)可以自適應(yīng)的形成強(qiáng)化 換熱結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度降低后可以自適應(yīng)的轉(zhuǎn)化為平坦結(jié)構(gòu)，并且不需要外部的動(dòng) 力源，就可以大大的改善發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域壁面的溫度，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)強(qiáng)化換 熱的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)及其換熱 方法，以解決現(xiàn)有超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁面出現(xiàn)超溫，而采用固定結(jié)構(gòu)及人工粗糙 度強(qiáng)化換熱無(wú)法應(yīng)對(duì)高溫區(qū)域變化的問(wèn)題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的系統(tǒng)包括燃燒室 壁，所述燃燒室壁的外壁上加工有多個(gè)凹槽構(gòu)成冷卻通道；所述系統(tǒng)還包括多 個(gè)雙金屬片，所述多個(gè)雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁4的外壁 上。
本發(fā)明的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的 一、在燃燒室壁的外壁上加工有多個(gè)凹槽構(gòu) 成冷卻通道，將多個(gè)雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室的外壁上，再 將燃燒室裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外套的內(nèi)腔中，燃燒室壁的外壁與發(fā)動(dòng)機(jī)外套的內(nèi)壁相接 觸，向冷卻通道內(nèi)充入冷卻介質(zhì)，此時(shí)，雙金屬片沒(méi)有動(dòng)作；二、當(dāng)與冷卻介
質(zhì)相接觸的燃燒室壁的局部區(qū)域的溫度達(dá)到550。C 60(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)
域內(nèi)的雙金屬片受熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度，導(dǎo)致這一局部區(qū) 域內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)化換熱，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱后的燃燒室壁的局部區(qū)域的溫
度降到50(TC 540。C時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域內(nèi)的雙金屬片又恢復(fù)到初始狀態(tài)。 本發(fā)明具有以下有益效果 一、本發(fā)明的系統(tǒng)采用雙金屬片為執(zhí)行機(jī)構(gòu)基 本上很少增加系統(tǒng)的重量，雙金屬片兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，實(shí)現(xiàn)了燃燒 室壁面強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的微型化和智能化；同時(shí)這一結(jié)構(gòu)沒(méi)有電子的測(cè)量反饋等 元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。當(dāng)雙金屬片所處的溫度變化后，它能通過(guò)線膨脹系數(shù) 的不同來(lái)改變自己的形狀，這就有效地響應(yīng)系統(tǒng)局部高溫區(qū)域的變化，可以在 各種工況下用較小的冷卻介質(zhì)流量換得較好的冷卻效果。二、本發(fā)明的方法通 過(guò)雙金屬片(主動(dòng)層和被動(dòng)層)熱膨脹系數(shù)在某些溫度范圍內(nèi)差別比較大的性 能，實(shí)現(xiàn)了面臨超溫以及高溫區(qū)隨機(jī)變化問(wèn)題的燃燒室壁面溫度的自適應(yīng)強(qiáng)化 換熱，很小的變形就已經(jīng)能很好地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。因此，本發(fā)明的方法特別適 合在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等面臨超溫問(wèn)題的系統(tǒng)上應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面圖，圖2是圖1的A-A剖面圖(雙金屬片3 未彎曲變形的情況下)，圖3是圖2中的雙金屬片3彎曲變形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1~圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的系統(tǒng)包 括燃燒室壁4，所述燃燒室壁4的外壁上加工有多個(gè)凹槽構(gòu)成冷卻通道5;本 實(shí)施方式的系統(tǒng)還包括多個(gè)雙金屬片3，所述多個(gè)雙金屬片3的一端固定在冷
卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁上。工作時(shí)，將燃燒室裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外套1的內(nèi) 腔中，燃燒室壁4的外壁與發(fā)動(dòng)機(jī)外套1的內(nèi)壁相接觸，再向冷卻通道5內(nèi)充 入冷卻介質(zhì)。當(dāng)與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度較低時(shí)， 這些雙金屬片3的熱膨脹系數(shù)差別不是很明顯，沒(méi)有發(fā)生彎曲，是其初始的比 較平坦的狀態(tài)。當(dāng)與冷卻通道5內(nèi)冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2 的溫度由55(TC升高到60(TC的時(shí)候，雙金屬片3彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高， 形成粗糙度。本實(shí)施方式中的雙金屬片3為現(xiàn)有技術(shù)，其成分為Ni-Mo-Fe與 Ni-Fe，最高工作溫度為643°C。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的多個(gè)雙 金屬片3的一端均勻固定在冷卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁上。如此設(shè)置， 可以在整個(gè)冷卻通道5上更好地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱，從而降低燃燒室壁4 的溫度。其它連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的利用具 體實(shí)施方式一所述的系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)強(qiáng)化換熱是這樣實(shí)現(xiàn)的 一、在燃燒室壁 4的外壁上加工有多個(gè)凹槽構(gòu)成冷卻通道5，將多個(gè)雙金屬片3的一端固定在 冷卻通道5內(nèi)的燃燒室4的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外套1的內(nèi)腔中， 燃燒室壁4的外壁與發(fā)動(dòng)機(jī)外套1的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道5內(nèi)充入冷卻介 質(zhì)，此時(shí)，雙金屬片3沒(méi)有動(dòng)作；二、當(dāng)與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局 部區(qū)域2的溫度達(dá)到55(TC 60(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3受 熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度，導(dǎo)致這一局部區(qū)域2內(nèi)的冷卻介質(zhì) 流動(dòng)強(qiáng)化換熱，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱后的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度降到 500。C 54(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3又恢復(fù)到初始狀態(tài)。
在燃燒室壁4的溫度還沒(méi)有達(dá)到雙金屬片3的熱膨脹系數(shù)差別比較大的范 圍時(shí)，雙金屬片3為平坦的形狀，這時(shí)傳熱為正常傳熱。當(dāng)高溫區(qū)域位置變化 導(dǎo)致燃燒室壁4的局部區(qū)域2的壁面溫度上升時(shí)，冷卻通道5的內(nèi)壁面溫度也 隨著升高，如果冷卻通道5內(nèi)的燃燒室壁4的外壁溫度位于熱膨脹系數(shù)差別比 較大的范圍內(nèi)時(shí)，由于雙金屬片3(主動(dòng)層和被動(dòng)層)的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生動(dòng)作(彎曲)，不固定的一端就抬高形成了粗糙度，這將導(dǎo)致這一局部流動(dòng) 的強(qiáng)化換熱，因此冷卻通道5內(nèi)的冷卻介質(zhì)在這一部分帶走的熱量將大于原來(lái)
溫度比較低的雙金屬片3沒(méi)有動(dòng)作時(shí)的熱量，會(huì)有效地避免由于強(qiáng)化換熱效果 不良而出現(xiàn)局部高溫引起系統(tǒng)不工作的情況。當(dāng)燃燒室壁4的局部區(qū)域2轉(zhuǎn)移 時(shí)，原來(lái)的燃燒室壁4的高溫區(qū)溫度下降，導(dǎo)致雙金屬片3熱膨脹系數(shù)差別減 小，恢復(fù)為原來(lái)的比較平坦的形狀；而在新的高溫區(qū)，雙金屬片3又轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng) 化換熱的形狀，增加新的局部高溫區(qū)的換熱能力，這樣就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)強(qiáng)化換 熱的目的。雙金屬片3為現(xiàn)有技術(shù)。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟二 中，當(dāng)與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁4的局部區(qū)域2的溫度達(dá)到58(TC時(shí)，設(shè) 置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3受熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度， 導(dǎo)致這一局部區(qū)域2內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)化換熱，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱后的燃燒室 壁4的局部區(qū)域2的溫度降到54(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域2內(nèi)的雙金屬片3 又恢復(fù)到初始狀態(tài)，這樣能夠降低燃料熱沉的損失。其它方法步驟與具體實(shí)施 方式三相同。
工作原理是在系統(tǒng)內(nèi)的燃燒室壁4的溫度較低時(shí)，雙金屬片3沒(méi)有動(dòng)作， 此時(shí)的雙金屬片3粗糙度高度比較小，對(duì)換熱影響不是很大，這時(shí)傳熱為正常 傳熱(如圖2所示)，當(dāng)燃燒室壁4的局部區(qū)域2出現(xiàn)高溫(55(TC 600。C) 時(shí)，冷卻通道5內(nèi)燃燒室壁4的外壁溫度也隨著升高，如果這個(gè)溫度達(dá)到雙金 屬片3 (主動(dòng)層和被動(dòng)層)熱膨脹系數(shù)差別比較大的區(qū)域時(shí)，雙金屬片3就開(kāi) 始動(dòng)作，沒(méi)有固定的一端形成較高的粗糙度(如圖3所示)，這將導(dǎo)致這一局 部流動(dòng)的強(qiáng)化換熱，提高該區(qū)域的強(qiáng)化換熱能力。此時(shí)，冷卻介質(zhì)在這一部分 帶走的熱量將大于原來(lái)雙金屬片3形成的粗糙度比較小時(shí)的熱量，會(huì)有效地避 免由于強(qiáng)化換熱效果不好而出現(xiàn)局部高溫引起系統(tǒng)的燃燒室壁4燒損或者系 統(tǒng)不工作的情況。當(dāng)燃燒室壁4的高溫區(qū)轉(zhuǎn)移時(shí)，原來(lái)的燃燒室壁4的溫度下 降，雙金屬片3恢復(fù)為初始的形狀，而在新的局部區(qū)域2的溫度升高到 55(TC 600。C時(shí)，雙金屬片3又轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诙缺容^高的強(qiáng)化換熱的形狀。
權(quán)利要求
1、一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括燃燒室壁(4)，所述燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個(gè)凹槽構(gòu)成冷卻通道(5)；其特征在于所述系統(tǒng)還包括多個(gè)雙金屬片(3)，所述多個(gè)雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內(nèi)的燃燒室壁(4)的外壁上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)，其 特征在于所述多個(gè)雙金屬片(3)的一端均勻固定在冷卻通道(5)內(nèi)的燃 燒室壁(4)的外壁上。
3、 一種利用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)強(qiáng)化換熱的方法，其特征 在于所述方法是這樣實(shí)現(xiàn)的 一、在燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個(gè)凹 槽構(gòu)成冷卻通道(5)，將多個(gè)雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內(nèi) 的燃燒室(4)的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外套(1)的內(nèi)腔中，燃燒 室壁(4)的外壁與發(fā)動(dòng)機(jī)外套(1)的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道(5)內(nèi)充入 冷卻介質(zhì)，此時(shí)，雙金屬片(3)沒(méi)有動(dòng)作；二、當(dāng)與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒 室壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度達(dá)到55(TC 60(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬片(3)受熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度，導(dǎo)致 這一局部區(qū)域(2)內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)化換熱，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱后的燃燒室 壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度降到50(TC 54(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域(2) 內(nèi)的雙金屬片(3)又恢復(fù)到初始狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng) 的換熱方法，其特征在于歩驟二中，當(dāng)與冷卻介質(zhì)相接觸的燃燒室壁(4) 的局部區(qū)域(2)的溫度達(dá)到58(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬 片(3)受熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度，導(dǎo)致這一局部區(qū)域(2) 內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)化換熱，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱后的燃燒室壁(4)的局部區(qū)域(2)的溫度降到54(TC時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域(2)內(nèi)的雙金屬片(3)又恢復(fù)到初始狀態(tài)。
全文摘要
一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)及其換熱方法，它涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)及其換熱方法。針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法應(yīng)對(duì)高溫區(qū)域隨機(jī)變化問(wèn)題。系統(tǒng)雙金屬片的一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁的外壁上；方法在燃燒室外壁上加工凹槽構(gòu)成冷卻通道，將雙金屬片一端固定在冷卻通道內(nèi)的燃燒室壁的外壁上，再將燃燒室裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外套的內(nèi)腔中，燃燒室壁的外壁與發(fā)動(dòng)機(jī)外套的內(nèi)壁相接觸，向冷卻通道內(nèi)充入冷卻介質(zhì)；當(dāng)燃燒室壁的局部區(qū)域溫度達(dá)到550℃～600℃時(shí)，設(shè)置在此局部區(qū)域內(nèi)的雙金屬片受熱彎曲，沒(méi)有固定的一端抬高形成粗糙度，強(qiáng)化換熱，當(dāng)此局部區(qū)域溫度降到500℃～540℃時(shí)，雙金屬片又恢復(fù)到初始狀態(tài)。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能有效響應(yīng)系統(tǒng)局部高溫區(qū)域的變化。
文檔編號(hào)F02K7/00GK101509438SQ200910071590
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者于達(dá)仁, 周偉星, 段艷娟, 文 鮑 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)