一种局部发汗冷却抑制激波的超声速气膜冷却装置及其防护方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种能用于高超飞行器中高温部件在出现激波作用时，可以根据激波的出现打开局部发汗冷却结构，自适应的通过局部发汗冷却强化冷却的方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却结构及其冷却方法。本发明专利技术能够有效地减少冷却气体的消耗。所涉及到的部件均为机械结构的部件，所应用的原理基本为机械、流体本身的特性，不涉及到电动控制、电子信号等设备，因此本发明专利技术设计方案具有很好的可靠性和实用性。

Supersonic gas film cooling device with local transpiration cooling and suppressing shock wave and protection method thereof

The invention provides a can be used in high temperature parts of hypersonic vehicle in shock wave, shock wave can according to open local sweatcooling structure, through local adaptive transpiration cooling enhanced cooling method to realize the damage effect of restraining the shock of supersonic film cooling structure and cooling method thereof. The invention can effectively reduce the consumption of the cooling gas. Involved parts are mechanical structure parts, the application of the basic principle for mechanical characteristics, the fluid itself, does not involve electric control, electronic signals and other equipment, so the design scheme of the invention has good reliability and practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种局部发汗冷却抑制激波的超声速气膜冷却装置及其防护方法
本专利技术涉及一种高超飞行器高温部件的热防护装置及防护方法,特别是关于一种在高温超声速气流中存在激波入射时壁面超声速气膜冷却的热防护装置及防护方法。
技术介绍
气膜冷却的基本原理是指沿壁面切线方向或以一定的入射角射入冷却气体，形成一层贴近受保护壁面的缓冲冷却气膜，用以将壁面与高温气体环境隔离，从而对壁面进行有效地热防护和化学防护。目前已成为很多场合高温部件的冷却措施，如高温透平叶片、燃烧室等。气膜冷却分为亚声速气膜冷却和超声速气膜冷却。其中，超声速气膜冷却由于其结构简单、冷却效果好等特点，被纳入火箭高温部件冷却、未来高超声速飞行器热端部件冷却的考虑范围。然而，在超声速流场中，常常伴随着激波的出现，激波入射气膜边界层往往对超声速气膜冷却造成影响。研究激波作用对冷却效果的影响成了超声速气膜冷却研究一个不可缺少的组成部分。已有对于超声速气膜冷却受激波影响的研究表明激波入射会削弱气膜冷却的保护效果。由于激波对超声速气膜冷却的破坏作用，将影响使其工程实际应用。因而研究和发展有效抑制激波破坏超声速气膜冷却的方法和装置对于超声速气膜冷却的工程实际应用具有重要的意义。对于高速飞行器高温部件的热防护而言，一方面希望其冷却效果好能保护部件，另外一方面又希望用于热防护的冷却流体使用量尽量少。而超声速流场中，激波的出现很多时候和主流和冷却流流体压力的不均匀不匹配、通道中流动参数的改变、结构的变化、局部流场中燃爆等因素的密切相关，因此激波可能并不是一直出现和发生。如果能开发出一种能够实时监测激波的出现，自适应地通过局部增强冷却方式来抵御激波的入射的结构和装置对于最优化的使用冷却流体具有重要意义。本专利技术提出一种采取局部发汗冷却辅助的超声速气膜冷却结构，通过自适应监测激波引起的压力变化，局部打开发汗冷却降低激波对超声速气膜冷却的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能用于高超飞行器中高温部件在出现激波作用时，可以根据激波的出现自适应的启动局部发汗冷却方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却结构。为了能够实现热防护的目的，超声速气膜冷却结构通过从壁面冷却流喷嘴中平行于高温主流以超声速喷出冷却流体覆盖在受保护壁面上，将壁面与高温主流隔开。然而，在超声速流场中，当主流和冷却流流体压力的不均匀不匹配、通道中流动参数的改变、结构的变化、局部流场中燃爆时，将引发激波的产生，激波将入射冷却气体边界层，对气膜冷却进行破坏，此时原有设计的超声速气膜冷却结构将不能抵御激波的破坏效果，受保护壁面的温度将升高，直至局部损坏失效。为抑制激波对超声速气膜冷却的这种破坏作用，本专利技术的技术方案提供一种可以实时监测激波的出现，自适应地打开局部发汗冷却结构，通过局部发汗冷却的增强冷却方式，达到抑制激波的破坏效果。一种局部发汗冷却自适应激波作用的超声速气膜冷却装置，压力监测管道、压力启闭阀门、发汗冷却冷却流体供给通道、发汗冷却储气腔室、设置在受保护壁压力检测区域的壁面发汗冷却多孔介质以及超声速气膜冷却通道，所述压力监测管道为金属管道结构，其一端布置在受保护壁面的监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上，所述受保护壁面监测点设置在壁面发汗冷却多孔介质内，发汗冷却冷却流体供给通道一端压力启闭阀门连接，另一端与与发汗冷却储气腔室连接，发汗冷却储气腔室设置为在外部环绕受保护壁面监测点，压力监测管道穿过该发汗冷却储气腔室后设置在在受保护壁面监测点处；通过压力监测管道中的流体压力来实现阀门启闭，当激波的强度大于一定值后，由此引起的压力可以顶开阀门，当激波减弱或者消失时，压力监测管道中流体的压力不足以顶开阀门，阀门关闭，通过所述压力启闭阀来控制发汗冷却流体的供给通道，当该阀门打开时，冷却流体将通过该阀门流入发汗冷却储气腔室，当该阀门关闭时，将切断发汗冷却流体的供给。。压力监测管道为金属管道结构，根据实际结构设计合适的管道直径，其一端布置在受保护壁面监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上。其功能在通过监测受保护壁面的流体压力，当局部受到激波的作用时，壁面处流体压力升高，通过压力监测管道可以将激波的高压传递至压力启闭阀门处，从而达到开启阀门的作用。压力启闭阀门通过合适的计算和设计，当流场中出现激波的情况下，当激波强度达到一定值后，边界层内流体压力将超过某一值，此时该强度下激波引起的高压刚好能打开压力启闭阀门，从而在此情况下打开发汗冷却流体供给通道，冷却流体进入发汗冷却储气腔室，随后再通过壁面的多孔介质渗透到受保护壁面上方进行冷却，达到抵御激波破坏的作用。超声速气膜冷却通道主要承担正常工况的热负荷。其设计工况主要为无激波或者弱激波的情况下，冷却流体通过超声速气膜冷却通道的喷嘴平行喷出，覆盖在受保护壁面上进行热防护。最终达到可以根据激波的出现自适应打开和关闭局部发汗冷却结构来达到热防护效果，实现最优化利用冷却流体。由于本专利技术设计中，所涉及到的部件均为机械结构的部件，所应用的原理基本为机械、流体本身的特性，不涉及到电动控制、电子信号等设备，因此本专利技术设计方案具有很好的可靠性和实用性。附图说明图1为本专利技术实施例的方案示意图；其中：1-高温主流；2-超声速气膜冷却流通道；3-冷却流喷嘴；4-压力监测管道；5-压力启闭阀门；6-发汗冷却流体供给通道；7-发汗冷却储气腔室；8-多孔介质；9-受保护壁面；10-激波；11-高压区域。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。一种可以根据激波的出现自适应的打开局部发汗冷却的方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却装置，该装置包括：压力监测管道4、压力启闭阀门5、发汗冷却冷却流体供给通道6、发汗冷却储气腔室7、设置在受保护壁压力检测区域的壁面发汗冷却多孔介质8以及超声速气膜冷却通道2，所述压力监测管道为金属管道结构，其一端布置在受保护壁面9的监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上，所述受保护壁面监测点设置在壁面发汗冷却多孔介质内，发汗冷却冷却流体供给通道一端压力启闭阀门连接，另一端与与发汗冷却储气腔室连接，发汗冷却储气腔室设置为在外部环绕受保护壁面监测点，压力监测管道穿过该发汗冷却储气腔室后设置在在受保护壁面监测点处；通过压力监测管道中的流体压力来实现阀门启闭，当激波的强度大于一定值后，由此引起的压力可以顶开阀门，当激波减弱或者消失时，压力监测管道中流体的压力不足以顶开阀门，阀门关闭，通过所述压力启闭阀来控制发汗冷却流体的供给通道，当该阀门打开时，冷却流体将通过该阀门流入发汗冷却储气腔室，当该阀门关闭时，将切断发汗冷却流体的供给。本专利技术装置实际应用中，其运行原理过程如下步骤：1)超声速流场中，正常情况下，当高温主流1流入通道后，通过超声速气膜冷却流通道2引入冷却流体经常用冷却流喷嘴3喷入冷却气体对受保护壁面9进行热保护；2)由于局部流动参数或者结构的变化，诱发激波10的入射，导致冷却气体边界层内压力升高，形成高压区域11，激波的入射将破坏冷却气体边界层，从而导致冷却效果下降；此时，受保护壁面的压力监测管道4中流体由于和激波作用区域相连，其流体压力急剧升高；压力监测管道4中的流体压力升高后，高压流体将打开压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可以根据激波的出现自适应的打开局部发汗冷却的方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却装置，该装置包括：压力监测管道(4)、压力启闭阀门(5)、发汗冷却冷却流体供给通道(6)、发汗冷却储气腔室(7)、设置在受保护壁压力检测区域的壁面发汗冷却多孔介质(8)以及超声速气膜冷却通道(2)，所述压力监测管道为金属管道结构，其一端布置在受保护壁面(9)的监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上，所述受保护壁面监测点设置在壁面发汗冷却多孔介质内，发汗冷却冷却流体供给通道一端压力启闭阀门连接，另一端与与发汗冷却储气腔室连接，发汗冷却储气腔室设置为在外部环绕受保护壁面监测点，压力监测管道穿过该发汗冷却储气腔室后设置在在受保护壁面监测点处；通过压力监测管道中的流体压力来实现阀门启闭，当激波的强度大于一定值后，由此引起的压力可以顶开阀门，当激波减弱或者消失时，压力监测管道中流体的压力不足以顶开阀门，阀门关闭，通过所述压力启闭阀来控制发汗冷却流体的供给通道，当该阀门打开时，冷却流体将通过该阀门流入发汗冷却储气腔室，当该阀门关闭时，将切断发汗冷却流体的供给。

【技术特征摘要】
1.一种可以根据激波的出现自适应的打开局部发汗冷却的方法来实现抑制激波的破坏效果的超声速气膜冷却装置，该装置包括：压力监测管道(4)、压力启闭阀门(5)、发汗冷却冷却流体供给通道(6)、发汗冷却储气腔室(7)、设置在受保护壁压力检测区域的壁面发汗冷却多孔介质(8)以及超声速气膜冷却通道(2)，所述压力监测管道为金属管道结构，其一端布置在受保护壁面(9)的监测点处，另一端布置在压力启闭阀门上，所述受保护壁面监测点设置在壁面发汗冷却多孔介质内，发汗冷却冷却流体供给通道一端压力启闭阀门连接，另一端与与发汗冷却储气腔室连接，发汗冷却储气腔室设置为在外部环绕受保护壁面监测点，压力监测管道穿过该发汗冷却储气腔室后设置在在受保护壁面监测点处；通过压力监测管道中的流体压力来实现阀门启闭，当激波的强度大于一定值后，由此引起的压力可以顶开阀门，当激波减弱或者消失时，压力监测管道中流体的压力不足以顶开阀门，阀门关闭，通过所述压力启闭阀来控制发汗冷却流体的供给通道，当该阀门打开时，冷却流体将通过该阀门流入发汗冷却储气腔室，当该阀门关闭时，将切断发汗冷却流体的供给。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：超声速气膜冷却是通过从壁面冷却流喷嘴中平行于高温主流以超声速喷出冷却流体覆盖在受保护壁面上，将壁面与高温主流隔开来实现热防护。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：基本工况的热负荷由超声速气膜冷却来承担，当出现激波的入射时候，通过局部打开发汗冷却的辅助方式来实现热防护。4.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：无激波或者弱激波的情况下，冷却流体通过超声速气膜冷却通道的喷嘴平行喷出，覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜培学，彭威，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11