CN111520760A - 一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构 - Google Patents

一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构 Download PDF

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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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Abstract

本发明公开了一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，这种复合冷却结构由两层壁组成，外侧为逆向冲击壁，分布有众多垂直于壁面的小孔，内侧为一种叶栅通道多斜孔冷却壁。冷却气流从冲击壁上的小孔喷射出来，在冲击点向四周贴壁流动，形成冲击冷却。然后经过逆向流动流入到叶栅壁面，遇到叶栅孔后，进入叶栅孔，喷射在叶栅孔燃气边形成气膜，保护多斜孔壁燃气边，本结构可以使得火焰筒壁面温度分布更加均匀，减少了火焰筒壁温梯度，提高火焰筒使用寿命。

Description

一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面 结构
技术领域
本发明涉及燃烧室领域，具体涉及一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，外侧为逆向冲击壁，内侧多斜孔壁采用的是一种叶栅通道多斜孔壁，其冲击壁承受机械载荷，叶栅通道多斜孔壁承受热载荷，承热和承力分开，以提高火焰筒使用寿命。该叶栅通道多斜孔的设计增大了内对流换热面积，加强了换热，冷却效果更好。
背景技术
在现代燃烧室中，燃烧过程释放的燃气的温度最高可能超过2100℃，远高于燃烧室火焰筒和涡轮叶片的熔点。因此关于燃烧室的设计必须考虑采取措施充分冷却所有暴露于高温燃气的金属表面，并提高结构完整性和耐久性。此外，应当将冷却空气量减至最少，以使可用于控制排放的空气量增大。
相比于发动机的许多其他组件，燃烧室火焰筒承受的机械应力较小。然而，火焰筒要经受威胁其结构完整性的高温和急剧变化的温度梯度。为了保证满意的火焰筒寿命，将温度及温度梯度保持在可接受的水平是很重要的。必须采取措施加强火焰筒的排热，通常通过向燃烧室机匣辐射和与环腔空气对流来实现，传统方法是沿着火焰筒内表面形成冷却气膜。
燃烧室结构设计方面，既要燃烧性能好，又要求结构质量轻，冷却用气量少，热疲劳强度高。基于目前高温合金材料的主要途径是改变火焰筒冷却方式与室壁结构，发展高效先进的冷却技术。目前国内外的燃烧室火焰筒也由最初的纯气膜冷却发展到冲击、发散、气膜、层板等多种冷却方式的复合冷却形式，冷却结构也由最初的单层壁发展到双层壁、浮动壁等冷却结构形式。
多斜孔火焰筒冷却技术是一种新型高效的冷却技术，对于高性能航空发动机的研制潜能具有重大的应用价值，多斜孔的形式有多种形式，如斜直孔，收缩孔，收缩扩张孔等。叶栅通道斜孔也是一种多斜孔，这种孔型相比较于其他孔型而言，流量系数大，压力损失低，节省冷却用气量，气膜分布更加均匀。这种叶栅通道多斜孔已经在航空发动机的涡轮叶片气膜冷却中得到广泛研究和应用，但在火焰筒壁面冷却技术方面的研究却很少，也没有在双层复合壁面开始进行相关研究，本结构基于此背景所发明的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，这种双层壁外侧为逆向冲击壁，内侧为叶栅通道多斜孔壁，用以解决燃烧室火焰筒冷却效果差的问题。
技术方案
本发明的目的在于提供一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构。
本发明技术方案如下：
一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：该复合冷却方式由双层壁组成，外侧为逆向冲击壁，内侧为一种叶栅通道多斜孔冷却壁结构。
所述的一种双层壁面冷却结构，其外侧壁面的冲击壁面上分布有众多均匀垂直于壁面的小孔，内侧的多斜孔壁分布有一种穿透壁面的叶栅通道形状的孔，叶栅通道孔的进口是在火焰筒内侧壁面上形成的圆孔，出口是由水平半椭圆孔和半圆孔组合而成。
所述的一种双层壁面冷却结构，其特征在于：冲击壁面上的小孔均匀分布，孔径为1mm左右，叶栅通道孔的进口在火焰筒壁面上形成的圆孔直径的大小范围为0.5～2mm，气流穿过叶栅通道孔壁面的过程中，叶栅通道孔的壁面的切线与火焰筒壁面的轴向方向的倾角是不断减小的，变化范围为0-90度，出口水平半椭圆孔和半圆孔的夹角也是可变化的，变化范围为0-180度。
所述的一种双层壁面冷却结构的叶栅通道孔多斜孔壁面，其特征在于：在火焰筒轴向相邻排斜孔排布方式有叉排和顺排两种方式，其排间距的范围为孔径的1～10倍，在火焰筒上同一排的叶栅通道孔具有相同的形状和孔间距，不同排的孔可以具有不同的孔间距，其孔间距的范围为孔径的1～10倍，相邻的分布膜孔之间的夹角可以为0～45°，通过不同排布方式获得更多的组合，来获得更好的冷却效果。
本发明具有以下有益效果：
与现有的火焰筒壁面冷却孔相比，本发明设计的双层壁复合冷却结构，外侧为逆向冲击壁，内侧为一种叶栅通道多斜孔冷却壁，其冲击壁承受机械载荷，叶栅通道多斜孔壁承受热载荷，承热和承力分开，以提高火焰筒使用寿命。使用该双层壁结构，冷却效果更好，冷却气量的流量系数大，压力损失小，气膜与壁面贴附得更好，分布更均匀，湍流强度低，沿火焰筒轴向冷却效果均匀。该双层壁结构使得火焰筒壁面温度分布更加均匀，减少了火焰筒壁温梯度，避免了过高的热应力使得火焰筒壁面在高温状态下产生的弯曲变形。
附图说明位于
图1：本发明的双层壁整体结构示意图
图2：本发明结构轴向方向的火焰筒壁板横截面图
图3：本发明的叶栅通道叉排布置时的俯视图
图4：本发明的叶栅通道顺排布置时的俯视图
图1中1-逆向冲击壁，2-叶栅通道孔壁，3-逆向冲击壁上的冲击小孔，4-叶栅通道孔
具体实施方式
现结合附图1对本发明作进一步描述：
如图所示，本发明提出的一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其中包括外侧的逆向冲击壁(图1中1)和内侧的叶栅通道多斜孔壁(图1中2)。冷却气流从冲击壁上的小孔(图1中3)喷射出来，在冲击点向四周贴壁流动，形成冲击冷却。然后经过逆向流动流入到叶栅壁面，遇到叶栅孔(图1中4)后，进入叶栅孔，喷射在叶栅孔燃气边形成气膜，保护多斜孔壁燃气边。
所述的双层复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其冲击承受机械载荷，多斜孔壁承受热载荷，承热和承力分开，以提高火焰筒使用寿命，使用双层壁面复合方式，充分利用了冲击冷却换热系数高的特点；冷却气体在穿过叶栅通道多斜孔时，沿着火焰筒轴向方向，气膜会更加贴合壁面，气膜厚度也更均匀，气膜的流动状态也更加稳定。
不同的叶栅通道孔排列之间形成的气膜有着相互补偿的效果，叶栅通道多斜孔叉排布置时，没有掺混，沿着火焰筒轴线方向或燃气的流动方向，叶栅通道孔的进口角越来越大，同时使出口夹角更小，这样可以使得冷却空气在穿过内侧叶栅通道孔的时候，沿着火焰筒轴向方向，气膜会更加贴合壁面，气膜的厚度也更薄，气膜的流动状态也更加稳定。叶栅通道多斜孔顺排布置时，气流在火焰筒的周向方向上有掺混，这样可以增加与火焰筒中壁面的接触时间，更好的控制火焰筒的壁温。内层壁使用叶栅通道的好处就是相对于相同的进出口直径的斜直孔的流量系数更大，压力损失低。出口气流的流动状态更加稳定，速度较大，可以更好的保证火焰筒壁面的温度控制在合理的水平，且在相同的出口角度下，孔的长度较短，气流的能量损失小，壁板的结构刚度较高。
同时双层壁结构调整恰当的双层壁间压力降分配可以使多斜孔壁热侧气膜贴壁良好，形成全气膜保护。

Claims (4)

1.一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：该复合冷却方式由双层壁组成，外侧为逆向冲击壁，内侧为一种叶栅通道多斜孔冷却壁结构。
2.根据权利要求1所述的一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：外侧壁面的冲击壁面上分布有众多均匀垂直于壁面的小孔，内侧的多斜孔壁分布有一种穿透壁面的叶栅通道形状的孔，叶栅通道孔的进口是在火焰筒内侧壁面上形成的圆孔，出口是由水平半椭圆孔和半圆孔组合而成。
3.根据权利要求1所述的一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：冲击壁面上的小孔均匀分布，孔径为1mm左右，叶栅通道孔的进口在火焰筒壁面上形成的圆孔直径的大小范围为0.5～2mm，气流穿过叶栅通道孔壁面的过程中，叶栅通道孔的壁面的切线与火焰筒壁面的轴向方向的倾角是不断减小的，变化范围为0-90度，出口水平半椭圆孔和半圆孔的夹角也是可变化的，变化范围为0-180度。
4.根据权利要求1所述的一种冲击/气膜双层壁复合冷却方式的燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：在火焰筒轴向相邻排斜孔排布方式有叉排和顺排两种方式，其排间距的范围为孔径的1～10倍，在火焰筒上同一排的叶栅通道孔具有相同的形状和孔间距，不同排的孔可以具有不同的孔间距，其孔间距的范围为孔径的1～10倍，相邻的分布膜孔之间的夹角可以为0～45°，通过不同排布方式获得更多的组合，来获得更好的冷却效果。
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