CN104791848A - 一种采用叶栅通道多斜孔冷却方式的燃烧室火焰筒壁面 - Google Patents

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闫东博
范玮
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武越
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Abstract

本发明公开了一种采用叶栅通道多斜孔冷却方式的燃烧室火焰筒壁面，这种叶栅通道孔在穿透壁板的过程中，叶栅孔的壁面的切线与火焰筒壁板的轴线方向的倾角是不断减小，通过改变叶栅通道孔的进出口角度和进出口直径、在火焰筒壁板之上的排布方式和掺混角可以获得更多的组合。由这种叶栅通道孔构成的火焰筒壁板在壁面形成的气膜相较于其他孔的形式，流量系数大，压力损失低，节省冷却用气量，气膜分布更均匀，湍流强度低，沿火焰筒轴向冷却效果均匀，可以获得更好的火焰筒内壁面的气膜的性能，以更好的减小热应力，以避免在高温状态下会弯曲变形，提高火焰筒表面的耐热强度和使用寿命。

Description

一种采用叶栅通道多斜孔冷却方式的燃烧室火焰筒壁面
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机领域，涉及一种采用新型叶栅通道多斜孔的火焰筒壁面高效冷却方式。
背景技术
现代航空发动机的发展要求燃烧室具有高温升的特性，在油气比固定的条件下，必须增加参与燃烧用气量，在燃烧室进气量一定的条件下，这意味着冷却用气量不断减少，高温升与壁面冷却对冷气量的要求形成矛盾，因此迫切需要在火焰筒上采用新型高效的冷却技术。目前用于燃烧室火焰筒冷却的基本方式有气膜冷却、对流气膜冷却，冲击气膜冷却、发散冷却和层板冷却，其基本冷却原理都是温度较低的空气从燃烧室的内外环腔通过各种类型的孔或缝进入火焰筒内，在火焰筒内壁表面形成一层气膜，气膜紧贴火焰筒内壁面流动，气膜起到冷却壁面和隔离燃气冲刷火焰筒壁面的作用。高品质的气膜冷却可以有效的利用冷却气，并获得高的气膜冷却效率。
多斜孔火焰筒冷却技术是一种新型复合高效的冷却技术，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。叶栅通道孔也是一种多斜孔，只是其倾角在穿过壁面的过程中是不断减小和变化，这种孔型相比较其他孔型而言，流量系数大，压力损失小。这种叶栅通道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，但是目前为止，还未见到使用叶栅通道孔的火焰筒壁面冷却技术应用在燃气轮机燃烧室中的详细报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种新型采用叶栅通道多斜孔的燃气轮机燃烧室火焰筒壁面冷却方式，与现有技术相比，本发明的优点是相对于其他类型的冷却方式，获得更好的火焰筒内壁面的气膜的性能，提高冷却孔的流量系数，降低火焰筒的压力损失，提高了火焰筒表面的耐热强度和使用寿命，同时还减少了冷却用气量，提高了用于主燃烧的气量，使燃烧室有效地实现了高温升。
技术方案
1.一种采用叶栅通道多斜孔冷却方式的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：所述火焰 筒壁面上分布有一种穿透壁面的叶栅通道形状的孔，叶栅通道孔的出口和进口在火焰筒壁面上形成的圆孔的直径的大小范围为0.5-3mm。
2.火焰筒壁面，其特征在于，所述叶栅通道孔以蚀刻的方式在穿透壁面的过程中，叶栅通道孔的壁面的切线与火焰筒壁面的轴线方向的倾角是不断减小，其变化幅度在进口角与出口角之间，进口处和出口处的倾角的变化范围为0-90度。
3.火焰筒壁面，其特征在于，从火焰筒壁面的法向方向看，叶栅通道孔的中心线和火焰筒的中轴线的投影所形成的夹角中的锐角称为掺混角，该掺混角的变化范围为0-90度。
4.火焰筒壁面，其特征在于，在火焰筒轴向的同一位置处的一排叶栅通道孔具有相同的形状和孔间距，在火焰筒不同排的叶栅通道孔可以具有不同的形状和孔间距，在火焰筒轴向的相邻排的孔的排布方式可以有叉排和顺排两种选择，其排间距的可选变化范围为孔径的1-10倍，其孔间距的可选变化范围为孔径的1-10倍。
有益效果
与现有的火焰筒壁面冷却孔相比，本发明的优点是这种叶栅通道孔型的火焰筒壁面冷却效果更好，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，同时还可以更好的减小热应力，以避免火焰筒壁面在高温状态下产生的弯曲变形。
附图说明
图1：叉排布置不带周向掺混的叶栅通道的多斜孔火焰筒壁板
图2：顺排布置带轴向掺混的叶栅通道的多斜孔火焰筒壁板
图3：火焰筒壁板三维图
图4：燃气轮机燃烧室基本结构
图中1-火焰筒板；2-叶栅通道孔 
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图3和图4所示，本发明提供了一种新型采用叶栅通道多斜孔的火焰筒壁面冷却方式。从燃气轮机燃烧室的扩压器出来的气流被分成三股，中间的一股气流进入火焰筒内部与燃油燃烧形成核心温度可达2500K的燃气，而另外两股气流的温度较低，将这两股气流的温度通过火焰筒壁板上的叶栅通道孔进入火焰筒内部，遇高温燃气掺混，使火焰筒壁面附近的气流温度降低到合理的水平，减小热应力，提高火焰筒的寿命。
实施例1如图1所示，火焰筒壁板上的叶栅通道多斜孔是叉排布置的，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，出口角越来越小，这样可以使得，冷却气体在穿过叶栅通道孔的时候，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。叶栅通道的好处就是相对于相同的进出口的直径的斜直孔的流量系数更大，压力损失低。出口处的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，而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。图3是这种火焰筒壁板的三维结构图，图4是这种壁板构成的火焰筒和燃气轮机燃烧室基本结构。
实施例2如图2所示，火焰筒壁板上的叶栅通道孔是顺排布置的，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，其他情形如实例1中所述。

Claims (4)

1.一种采用叶栅通道多斜孔冷却方式的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：所述火焰筒壁面上分布有一种穿透壁面的叶栅通道形状的孔，叶栅通道孔的出口和进口在火焰筒壁面上形成的圆孔的直径的大小范围为0.5-3mm。
2.根据权利要求1所述的火焰筒壁面，其特征在于，所述叶栅通道孔以蚀刻的方式在穿透壁面的过程中，叶栅通道孔的壁面的切线与火焰筒壁面的轴线方向的倾角是不断减小，其变化幅度在进口角与出口角之间，进口处和出口处的倾角的变化范围为0-90度。
3.根据权利要求1、2所述的火焰筒壁面，其特征在于，从火焰筒壁面的法向方向看，叶栅通道孔的中心线和火焰筒的中轴线的投影所形成的夹角中的锐角称为掺混角，该掺混角的变化范围为0-90度。
4.根据权利要求1、2、3所述的火焰筒壁面，其特征在于，在火焰筒轴向的同一位置处的一排叶栅通道孔具有相同的形状和孔间距，在火焰筒不同排的叶栅通道孔可以具有不同的形状和孔间距，在火焰筒轴向的相邻排的孔的排布方式可以有叉排和顺排两种选择，其排间距的可选变化范围为孔径的1-10倍，其孔间距的可选变化范围为孔径的1-10倍。
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