CN103968418A - 一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏，采用内部对流冷却和燃气侧气膜冷却的形式对加力燃烧室壁面形成冷却保护。其包括燃气侧气膜孔板、冷气侧冲击板、梯形强化框；燃气侧气膜孔板为加力燃烧室筒体内壁，其内侧为加力燃烧室主燃气涵道，冷气侧冲击板与外壁面构成冷气涵道，冲击板与气膜孔板之间有梯形强化框；冲击板、气膜孔板和梯形强化框构成双层壁隔热屏；使冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁形成气膜，减小热负荷及燃气流动损失；另一方面，双层壁内部对流冷却和外部气膜冷却，形成复合冷却，通过对流换热带走传入的热量，提高了冷气利用率；反射后消减具有防震动的效果，提高其加力燃烧室的寿命和可靠性。

Description

一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体地说,涉及一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏。特别适用于燃气涡轮发动机加力燃烧室，也适用于燃气涡轮发动机主燃烧室。

背景技术

加力燃烧室一般用于军用航空喷气发动机，位于涡轮和尾喷管之间，通过对主燃烧室产生并经过涡轮做功的燃气进行二次喷油燃烧，获得额外的更高推力。

由于加力燃烧室燃气进口温度已达950～1000K，加力燃烧后燃气温度可达2000K以上，并且加力燃烧室通常是短时工作的，因此不仅要考虑极高工作温度下的冷却，而且要考虑加力接通和断开时，筒体材料的热应力和热变形。另外加力燃烧室为一中空筒形结构，振荡燃烧导致的筒体防震也必须予以考虑。

美国专利(US 005465572A)公开了一种多孔波纹板加力燃烧室隔热屏。其波纹状结构能够在较大程度上进行伸缩，有效防止震动和筒体热变形造成的损坏。波纹板上的离散气膜孔喷出的冷却射流可以在隔热屏的高温燃气侧形成气膜冷却，减轻燃气对隔热屏的热冲蚀，从而提高使用寿命。但是现有研究表明，整个波纹板隔热屏的壁温和局部换热受波形影响很大，由于波纹形状，冷却气膜难以在整个表面形成有效覆盖，波纹板在冷气迎风面和背风面之间换热效果差异大，背风面的低换热严重影响了隔热屏的整体换热效果，并导致较大的温度梯度和热应力，影响使用寿命和可靠性。

美国专利(US 20140096527A1)介绍了一种带扰流柱的发散冷却隔热屏结构。该发散冷却隔热屏结构通过发散孔形成气膜覆盖，隔绝高温燃气与燃烧室壁的直接接触；同时，在隔热屏冷气侧壁面上安置扰流柱，以强化冷气和隔热屏的对流换热，使冷气带走更多的热量，降低壁面温度。该发散冷却隔热屏结构虽然有扰流柱强化冷气侧的换热，但冷气的流动性较差，并不能够充分发挥冷气的冷却潜力，其冷却效率不能满足减少冷气量的需求。

燃烧强度较高的先进高性能燃气涡轮发动机对加力隔热屏的设计提出了更高要求，由于加力燃烧室的冷却空气是从发动机压气机抽取的，而这种引气会降低发动机的热效率和推力，因此在设计高性能加力燃烧室时，要实现以尽可能少的冷却空气量实现尽可能高的冷却效果。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏，该双层壁隔热屏，一方面使冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁表面形成气膜，减小热负荷；另一方面，在双层壁内部通过对流换热带走传入的热量，有效降低壁温；双侧壁内部结构同时具有结构强化作用；气膜孔也可使振荡燃烧产生的压力波进入双层壁内部，经反射后消减，具有一定的防震动破坏的效果，提高加力燃烧室的寿命和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括气膜孔板、冲击孔板、梯形强化框,气膜孔板为构成加力燃烧室筒体内壁，内侧为加力燃烧室主燃气涵道，冲击孔板与外壁面共同构成冷气涵道，冲击孔板与气膜孔板之间有梯形强化框，冲击孔板、气膜孔板和梯形强化框共同构成双层壁隔热屏；冲击孔板、气膜孔板和梯形强化框在轴向为多个单元周期结构，每个单元冲击孔板壁面环向均布有冲击孔，气膜孔板壁面环向均布有气膜孔，梯形强化框两侧中间部位有节流孔,冲击孔板与梯形强化框固定焊接；所述气膜孔为与主燃气涵道成20-90度的斜孔，气膜孔直径为0.3-10mm。

所述气膜孔在梯形强化框内为单排或多排结构的任意一种。

所述冲击孔在冲击孔板上周向均布为单排或多排结构的任意一种。

有益效果

本发明提出的一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏，采用内部对流冷却和燃气侧气膜冷却的形式对加力燃烧室壁面形成冷却保护。其包括燃气侧气膜孔板、冷气侧冲击板、梯形强化框；燃气侧气膜孔板为加力燃烧室筒体内壁，其内侧为加力燃烧室主燃气涵道，冷气侧冲击板与外壁面构成冷气涵道，冲击板与气膜孔板之间有梯形强化框；冲击板、气膜孔板和梯形强化框构成双层壁隔热屏；一方面燃气侧内壁为一平壁，使冷却空气在隔热屏的燃气侧内壁表面形成气膜，减小热负荷及燃气流动损失，并且有助于气膜冷却射流在壁面形成有效热防护；另一方面，综合应用了双层壁内部对流冷却和外部气膜冷却，形成复合冷却，在双层壁内部通过对流换热带走传入的热量，有效降低壁温，提高了冷气利用率；双侧壁内部结构同时具有结构强化作用，气膜孔可使振荡燃烧产生的压力波进入双层壁内部，经反射后消减，具有一定的防震动破坏的效果，提高加力燃烧室的寿命和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏作进一步详细说明。

图1为本发明加力燃烧室的双层壁隔热屏示意图。

图2为加力燃烧室双层壁轴向剖视图。

图3为加力燃烧室双层壁结构局部放大图。

图4为本发明加力燃烧室的双层壁隔热屏安装示意。

图中:

1.气膜孔板 2.冲击孔板 3.梯形强化框 4.外壁面 5.冲击孔 6.气膜孔7.节流孔 8.主燃气涵道 9.冷气涵道 10.双层壁隔热屏 11.可调节喷嘴

A.主流高温燃气 B.冷却气流 C1.冷却气流 C2.冷却气流 C11.气流 C12.气流C13.冲击射流 C14.冲击射流 C15.气膜射流 C16.气膜射流

具体实施方式

本实施例是一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏。

从涡轮流出的高温、高速、低压燃气经过扩压后进入主燃气涵道8，与从加力燃烧室燃油喷嘴喷出的燃油混合并进行再次燃烧，形成高温、高压燃气，主流高温燃气A的温度可达2200K，已超过材料的许用温度，因此要对隔热屏进行冷却。

参阅图1、图2、图3，本实施例加力燃烧室的双层壁隔热屏，包括气膜孔板1、冲击孔板2、梯形强化框3,燃气侧气膜孔板1为构成加力燃烧室筒体内壁，内侧为加力燃烧室主燃气涵道8，即加力燃烧室主流高温燃气A的流通通道；冷气侧冲击孔板2与外壁面4共同构成冷气涵道9；冲击孔板2与气膜孔板1之间设置有梯形强化框3，冲击孔板2、气膜孔板1和梯形强化框3共同构成双层壁隔热屏10；冲击孔板2、气膜孔板1和梯形强化框3在轴向为多个单元周期结构，每个单元的冲击孔板2壁面环向均布有冲击孔5，气膜孔板1壁面环向均布有气膜孔6，梯形强化框3两侧中间设置有节流孔7,冲击孔板2与梯形强化框3固定焊接，也可一端固定，另一端滑动，以保证热变形结构伸缩时的结构完整性。气膜孔6为与主燃气涵道成20-90度的斜孔，气膜孔6与主流高温燃气A之间的具有一定的倾斜角度以提高气膜冷却效果。气膜孔6直径为0.3-10mm。

气膜孔6在梯形强化框3内为单排或多排结构的任意一种。

冲击孔5在冲击孔板2上周向均布为单排或多排结构的任意一种。

图4中展示了加力燃烧室双层壁隔热屏的工作方式，双层壁隔热屏10固定安装在加力燃烧室外壁面4上，可调节喷嘴11与加力燃烧室外壁面4固定连接。来自压气机的冷却气流B在冷气涵道9中沿轴向向后流动，其压力高于主燃气涵道8内燃气压力，冷却气流B进入冷气涵道9之后在冲击孔5入口处分为两股，分别是冷却气流C1、冷却气流C2。

冷却气流C1经冲击孔5进入双层壁结构，对其相对的气膜孔板1内壁形成冲击冷却，带走传入的热量，冲击后的气流分为气流C11和气流C12两部分，气流C11和气流C12分别从节流孔7进入相邻空间，形成冲击射流C13和冲击射流C14，对气膜孔板1内壁形成二次斜冲击，降低该部分壁温，之后气流从气膜孔6流出形成气膜射流C15和气膜射流C16，对气膜孔板1外壁进行有效的气膜覆盖，形成冷气隔热层，降低主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。振荡燃烧导致的压力波可由气膜孔6进入双层壁内部消减，有一定防震能力。

冷却气流C2沿冷气涵道9向后流动，经下一单元，进一步分流为两股冷却气流，进入双层壁隔热屏和向下游流动，直至加力燃烧室后端。在加力燃烧室尾端主流高温燃气A和冷却气流B最终混合，经可调节喷嘴11喷出。

Claims (3)

1.一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏，其特征在于:包括气膜孔板、冲击孔板、梯形强化框,气膜孔板为构成加力燃烧室筒体内壁，内侧为加力燃烧室主燃气涵道，冲击孔板与外壁面共同构成冷气涵道，冲击孔板与气膜孔板之间有梯形强化框，冲击孔板、气膜孔板和梯形强化框共同构成双层壁隔热屏；冲击孔板、气膜孔板和梯形强化框在轴向为多个单元周期结构，每个单元冲击孔板壁面环向均布有冲击孔，气膜孔板壁面环向均布有气膜孔，梯形强化框两侧中间部位有节流孔,冲击孔板与梯形强化框固定焊接；所述气膜孔为与主燃气涵道成20-90度的斜孔，气膜孔直径为0.3-10mm。

2.根据权利要求1所述的加力燃烧室的双层壁隔热屏，其特征在于:所述气膜孔在梯形强化框内为单排或多排结构的任意一种。

3.根据权利要求1所述的加力燃烧室的双层壁隔热屏，其特征在于:所述冲击孔在冲击孔板上周向均布为单排或多排结构的任意一种。