專利名稱：一種超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統及其換熱方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機自適應強化換熱系統及其換熱方法。
背景技術：
目前超燃沖壓發動機燃燒室壁面常用材料為鎳基耐熱合金，為了保證發動 機安全工作， 一般都要使發動機壁面材料工作在材料屈服極限以下，所以此類
發動機材料的耐熱溫度一般在550。C-60(TC之間。超燃沖壓發動機燃燒室壓力 高，經過燃燒室壁面的熱流密度大，燃氣溫度(2500。C左右)遠遠超出了這些材 料所能承受的溫度。發動機內部的復雜激波波系、燃燒脈動和燃燒振蕩導致壁 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 大，局部壁面溫度過高，很短的時間內燃燒室壁面就可能燒毀。因此防止發動 機壁面過熱是發動機熱防護的核心問題之一。超燃沖壓發動機燃燒室內部激波 附面層相互作用導致局部劇烈換熱是產生巨大局部熱流而使壁面超溫的原因 之一。超燃沖壓發動機內部的激波系位置變化劇烈，隨著工況的變化最大熱流 點可能出現遍歷發動機燃燒室的各個位置。
傳熱強化是上世紀六十年代蓬勃發展起來的一種改善傳熱性能的先進技 術。人工粗糙度強化換熱通過在換熱表面設置人為粗糙度以增加表面擾動，提 高流體湍流度，從而增加局部換熱效率，由于簡單易行而成為對流強化換熱中 應用最廣的一種方式，而且這是最有效地提高換熱系數的方法，已經被廣泛應 用于超然沖壓發動機冷卻通道上面，很小的擾動就能很大改善冷卻通道的換熱 性能。然而，使用固定結構及人工粗糙度方法也面臨很多問題和挑戰，固定結 構及人工粗糙度強化換熱無法應對高溫區域變化的情況。為了應對這種情況， 傳統的方法往往是比較保守的，會在高溫區域可能出現的位置都使用強化換熱 結構，這樣會增加流道內的阻力損失，而且會損失冷卻介質熱沉。
如果有一種技術，在高溫側壁面局部溫度為高溫時可以自適應的形成強化 換熱結構，當溫度降低后可以自適應的轉化為平坦結構，并且不需要外部的動 力源，就可以大大的改善發動機高溫區域壁面的溫度，從而實現自適應強化換 熱的目的。
發明內容
本發明的目的是提供一種超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統及其換熱 方法，以解決現有超燃沖壓發動機壁面出現超溫，而采用固定結構及人工粗糙 度強化換熱無法應對高溫區域變化的問題。
本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是本發明的系統包括燃燒室 壁，所述燃燒室壁的外壁上加工有多個凹槽構成冷卻通道；所述系統還包括多 個雙金屬片，所述多個雙金屬片的一端固定在冷卻通道內的燃燒室壁4的外壁 上。
本發明的方法是這樣實現的 一、在燃燒室壁的外壁上加工有多個凹槽構 成冷卻通道，將多個雙金屬片的一端固定在冷卻通道內的燃燒室的外壁上，再 將燃燒室裝在發動機外套的內腔中，燃燒室壁的外壁與發動機外套的內壁相接 觸，向冷卻通道內充入冷卻介質，此時，雙金屬片沒有動作；二、當與冷卻介
質相接觸的燃燒室壁的局部區域的溫度達到550。C 60(TC時，設置在此局部區
域內的雙金屬片受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區 域內的冷卻介質流動強化換熱，當經過強化換熱后的燃燒室壁的局部區域的溫
度降到50(TC 540。C時，設置在此局部區域內的雙金屬片又恢復到初始狀態。 本發明具有以下有益效果 一、本發明的系統采用雙金屬片為執行機構基 本上很少增加系統的重量，雙金屬片兼有傳感和驅動的雙重功能，實現了燃燒 室壁面強化換熱結構的微型化和智能化；同時這一結構沒有電子的測量反饋等 元件，結構簡單、可靠。當雙金屬片所處的溫度變化后，它能通過線膨脹系數 的不同來改變自己的形狀，這就有效地響應系統局部高溫區域的變化，可以在 各種工況下用較小的冷卻介質流量換得較好的冷卻效果。二、本發明的方法通 過雙金屬片(主動層和被動層)熱膨脹系數在某些溫度范圍內差別比較大的性 能，實現了面臨超溫以及高溫區隨機變化問題的燃燒室壁面溫度的自適應強化 換熱，很小的變形就已經能很好地實現強化換熱。因此，本發明的方法特別適 合在超燃沖壓發動機等面臨超溫問題的系統上應用。
圖1是本發明的系統的橫截面圖，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彎曲變形后的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1~圖3說明本實施方式，本實施方式的系統包 括燃燒室壁4，所述燃燒室壁4的外壁上加工有多個凹槽構成冷卻通道5;本 實施方式的系統還包括多個雙金屬片3，所述多個雙金屬片3的一端固定在冷
卻通道5內的燃燒室壁4的外壁上。工作時，將燃燒室裝在發動機外套1的內 腔中，燃燒室壁4的外壁與發動機外套1的內壁相接觸，再向冷卻通道5內充 入冷卻介質。當與冷卻介質相接觸的燃燒室壁4的局部區域2的溫度較低時， 這些雙金屬片3的熱膨脹系數差別不是很明顯，沒有發生彎曲，是其初始的比 較平坦的狀態。當與冷卻通道5內冷卻介質相接觸的燃燒室壁4的局部區域2 的溫度由55(TC升高到60(TC的時候，雙金屬片3彎曲，沒有固定的一端抬高， 形成粗糙度。本實施方式中的雙金屬片3為現有技術，其成分為Ni-Mo-Fe與 Ni-Fe，最高工作溫度為643°C。
具體實施方式
二結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的多個雙 金屬片3的一端均勻固定在冷卻通道5內的燃燒室壁4的外壁上。如此設置， 可以在整個冷卻通道5上更好地實現自適應強化換熱，從而降低燃燒室壁4 的溫度。其它連接關系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖1 圖3說明本實施方式，本實施方式的利用具 體實施方式一所述的系統進行自適應強化換熱是這樣實現的 一、在燃燒室壁 4的外壁上加工有多個凹槽構成冷卻通道5，將多個雙金屬片3的一端固定在 冷卻通道5內的燃燒室4的外壁上，再將燃燒室裝在發動機外套1的內腔中， 燃燒室壁4的外壁與發動機外套1的內壁相接觸，向冷卻通道5內充入冷卻介 質，此時，雙金屬片3沒有動作；二、當與冷卻介質相接觸的燃燒室壁4的局 部區域2的溫度達到55(TC 60(TC時，設置在此局部區域2內的雙金屬片3受 熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區域2內的冷卻介質 流動強化換熱，當經過強化換熱后的燃燒室壁4的局部區域2的溫度降到 500。C 54(TC時，設置在此局部區域2內的雙金屬片3又恢復到初始狀態。
在燃燒室壁4的溫度還沒有達到雙金屬片3的熱膨脹系數差別比較大的范 圍時，雙金屬片3為平坦的形狀，這時傳熱為正常傳熱。當高溫區域位置變化 導致燃燒室壁4的局部區域2的壁面溫度上升時，冷卻通道5的內壁面溫度也 隨著升高，如果冷卻通道5內的燃燒室壁4的外壁溫度位于熱膨脹系數差別比 較大的范圍內時，由于雙金屬片3(主動層和被動層)的熱膨脹系數不同而產生動作(彎曲)，不固定的一端就抬高形成了粗糙度，這將導致這一局部流動 的強化換熱，因此冷卻通道5內的冷卻介質在這一部分帶走的熱量將大于原來
溫度比較低的雙金屬片3沒有動作時的熱量，會有效地避免由于強化換熱效果 不良而出現局部高溫引起系統不工作的情況。當燃燒室壁4的局部區域2轉移 時，原來的燃燒室壁4的高溫區溫度下降，導致雙金屬片3熱膨脹系數差別減 小，恢復為原來的比較平坦的形狀；而在新的高溫區，雙金屬片3又轉變為強 化換熱的形狀，增加新的局部高溫區的換熱能力，這樣就實現了自適應強化換 熱的目的。雙金屬片3為現有技術。
具體實施方式
四結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的步驟二 中，當與冷卻介質相接觸的燃燒室壁4的局部區域2的溫度達到58(TC時，設 置在此局部區域2內的雙金屬片3受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度， 導致這一局部區域2內的冷卻介質流動強化換熱，當經過強化換熱后的燃燒室 壁4的局部區域2的溫度降到54(TC時，設置在此局部區域2內的雙金屬片3 又恢復到初始狀態，這樣能夠降低燃料熱沉的損失。其它方法步驟與具體實施 方式三相同。
工作原理是在系統內的燃燒室壁4的溫度較低時，雙金屬片3沒有動作， 此時的雙金屬片3粗糙度高度比較小，對換熱影響不是很大，這時傳熱為正常 傳熱(如圖2所示)，當燃燒室壁4的局部區域2出現高溫(55(TC 600。C) 時，冷卻通道5內燃燒室壁4的外壁溫度也隨著升高，如果這個溫度達到雙金 屬片3 (主動層和被動層)熱膨脹系數差別比較大的區域時，雙金屬片3就開 始動作，沒有固定的一端形成較高的粗糙度(如圖3所示)，這將導致這一局 部流動的強化換熱，提高該區域的強化換熱能力。此時，冷卻介質在這一部分 帶走的熱量將大于原來雙金屬片3形成的粗糙度比較小時的熱量，會有效地避 免由于強化換熱效果不好而出現局部高溫引起系統的燃燒室壁4燒損或者系 統不工作的情況。當燃燒室壁4的高溫區轉移時，原來的燃燒室壁4的溫度下 降，雙金屬片3恢復為初始的形狀，而在新的局部區域2的溫度升高到 55(TC 600。C時，雙金屬片3又轉變為粗糙度比較高的強化換熱的形狀。
權利要求
1、一種超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統，所述系統包括燃燒室壁(4)，所述燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個凹槽構成冷卻通道(5)；其特征在于所述系統還包括多個雙金屬片(3)，所述多個雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內的燃燒室壁(4)的外壁上。
2、 根據權利要求1所述的一種超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統，其 特征在于所述多個雙金屬片(3)的一端均勻固定在冷卻通道(5)內的燃 燒室壁(4)的外壁上。
3、 一種利用權利要求1所述的系統進行自適應強化換熱的方法，其特征 在于所述方法是這樣實現的 一、在燃燒室壁(4)的外壁上加工有多個凹 槽構成冷卻通道(5)，將多個雙金屬片(3)的一端固定在冷卻通道(5)內 的燃燒室(4)的外壁上，再將燃燒室裝在發動機外套(1)的內腔中，燃燒 室壁(4)的外壁與發動機外套(1)的內壁相接觸，向冷卻通道(5)內充入 冷卻介質，此時，雙金屬片(3)沒有動作；二、當與冷卻介質相接觸的燃燒 室壁(4)的局部區域(2)的溫度達到55(TC 60(TC時，設置在此局部區域(2)內的雙金屬片(3)受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致 這一局部區域(2)內的冷卻介質流動強化換熱，當經過強化換熱后的燃燒室 壁(4)的局部區域(2)的溫度降到50(TC 54(TC時，設置在此局部區域(2) 內的雙金屬片(3)又恢復到初始狀態。
4、 根據權利要求3所述的一種利用超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統 的換熱方法，其特征在于歩驟二中，當與冷卻介質相接觸的燃燒室壁(4) 的局部區域(2)的溫度達到58(TC時，設置在此局部區域(2)內的雙金屬 片(3)受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，導致這一局部區域(2) 內的冷卻介質流動強化換熱，當經過強化換熱后的燃燒室壁(4)的局部區域(2)的溫度降到54(TC時，設置在此局部區域(2)內的雙金屬片(3)又恢復到初始狀態。
全文摘要
一種超燃沖壓發動機自適應強化換熱系統及其換熱方法，它涉及一種發動機換熱系統及其換熱方法。針對超燃沖壓發動機無法應對高溫區域隨機變化問題。系統雙金屬片的一端固定在冷卻通道內的燃燒室壁的外壁上；方法在燃燒室外壁上加工凹槽構成冷卻通道，將雙金屬片一端固定在冷卻通道內的燃燒室壁的外壁上，再將燃燒室裝在發動機外套的內腔中，燃燒室壁的外壁與發動機外套的內壁相接觸，向冷卻通道內充入冷卻介質；當燃燒室壁的局部區域溫度達到550℃～600℃時，設置在此局部區域內的雙金屬片受熱彎曲，沒有固定的一端抬高形成粗糙度，強化換熱，當此局部區域溫度降到500℃～540℃時，雙金屬片又恢復到初始狀態。本發明的系統和方法能有效響應系統局部高溫區域的變化。
文檔編號F02K7/00GK101509438SQ200910071590
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者于達仁, 周偉星, 段艷娟, 文 鮑 申請人:哈爾濱工業大學