CN106556030A - 燃烧室燃油喷嘴及其热防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃烧室燃油喷嘴及其热防护结构，其能降低喷嘴在实际使用过程中易于燃油结焦的可能性。其中的该热防护结构包括热防护管以及换热结构，热防护管用于环绕进油管的外侧，并且热防护管的内壁面还用于与和进油管的外壁面之间形成热防护空间，热防护空间分成相隔的、位于进油管两侧的进气部分和出气部分，进气部分、出气部分用于与喷嘴出口段的管壁内腔构成冷却空气流道，其中，在热防护空间内设置换热结构，换热结构包括多个横向肋板和多个纵向肋板，多个横向肋板设置成垂直于冷却空气流动方向，多个纵向肋板设置成以进油管为中心呈辐射状分布，并与多个横向肋板分别相交，横向肋板提供有多个气流孔，以供冷却空气流动。

Description

燃烧室燃油喷嘴及其热防护结构

技术领域

本发明涉及燃油喷嘴及其热防护结构，尤其涉及燃气轮机的燃油喷嘴及其热防护结构。

背景技术

航空发动机的燃烧室中燃油喷嘴是核心部件之一，燃油从外部通过进油管路供入至喷嘴，通过喷嘴的系列旋转雾化等处理最终喷出至火焰筒内部进行燃烧。喷嘴壳体内的进油管路中的燃油由于在小工况状态下流速有限，在高温的环境下极易发生氧化裂解，最终在油管内部沉积结焦堵塞喷嘴，阻碍了燃油的输送，增加了喷嘴的返修次数，缩短了喷嘴的正常使用寿命，从而对燃烧室的正常工作造成了不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃烧室燃油喷嘴及其热防护结构，降低喷嘴在实际使用过程中易于燃油结焦的可能性。

一种燃烧室燃油喷嘴的热防护结构用于对燃油喷嘴的进油管以及喷嘴出口段提供热防护，该热防护结构包括热防护管以及换热结构，所述热防护管用于环绕所述进油管的外侧，并且所述热防护管的内壁面还用于与和所述进油管的外壁面之间形成热防护空间，所述热防护空间分成相隔的、位于所述进油管两侧的进气部分和出气部分，所述进气部分、所述出气部分用于与所述喷嘴出口段的管壁内腔构成冷却空气流道，其中，在所述热防护空间内设置所述换热结构，所述换热结构包括多个横向肋板和多个纵向肋板，所述多个横向肋板设置成垂直于冷却空气流动方向，所述多个纵向肋板设置成以所述进油管为中心呈辐射状分布，并与所述多个横向肋板分别相交，所述横向肋板提供有多个气流孔，以供所述冷却空气流动。

本发明的优点是：热防护管与进油管间的热防护空间内布置了大量横向肋板和 纵向肋板，提高了冷却气流的换热性能。其中横向肋板上设置有气流孔，以供冷却空气流动。横向肋板和纵向肋板相交的排布方式充分利用了热防护空间的空间，极大的强化了喷嘴热防护性能，降低了进油管内燃油结焦的可能性，最终提高了燃烧室工作稳定性并增加了燃烧室的寿命。

优选的实施例中，热防护管的横截面呈流线型。

优选的实施例中，相邻横向肋板的多个气流孔彼此错开。

优选的实施例中，纵向肋板的横截面包括脊骨以及自脊骨两侧延伸出的肋条。

优选的实施例中，热防护管的内壁面和进油管的两侧相切，从而将热防护空间分成相隔的、位于进油管两侧的进气部分和出气部分。

优选的实施例中，热防护管的相反于喷嘴出口段的一端连接安装座，以便于安装到燃烧室外机匣，安装座外侧设置有外罩，外罩提供连通进气部分的进气孔和连通出气部分的出气孔。

优选的实施例中，进气孔用于引入外涵冷却空气。

一种燃烧室燃油喷嘴，包括进油管以及喷嘴出口段，还包括前述的热防护结构。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一实施例中燃烧室局部结构示意图；

图2为图1中燃烧室燃油喷嘴的热防护结构的右视图；

图3为图1中燃烧室燃油喷嘴的热防护结构的立体图；

图4为沿图2中A－A方向的剖视图；

图5为沿图4中B－B方向的剖视图；

图6为图5中包括横向肋板和进油管的示意图；

图7为图5中纵向肋板的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它 方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图2至图4示出了根据本发明的一实施例中的燃烧室燃油喷嘴的热防护结构。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，燃烧室内空气按照箭头所示的方向通过扩压器12绕过喷嘴壳体热防护管56进入燃烧室头部的旋流器31，然后进入燃烧室火焰筒外环21和火焰筒内环22形成的腔体内与喷嘴出口83出来的燃油进行混合燃烧。

同时结合图2至图4，燃烧室燃油喷嘴的热防护结构用于对进油管51以及喷嘴出口段57提供热防护，其包括热防护管56以及后述的换热结构。进油管51的外侧由热防护管56环绕，热防护管56的内壁面和进油管的外壁面之间形成热防护空间，热防护空间分成相隔的、位于进油管51两侧的进气部分561和出气部分562，喷嘴出口段57的管壁内具有呈环形空腔的热防护层95，进气部分561、热防护层95、出气部分562构成冷却空气流道，其中，进气部分561和出气部分562分别设置有换热结构，换热结构包括多个横向肋板101和多个纵向肋板102，多个横向肋板101设置成大致垂直于冷却空气流动方向，即在图4中为水平方向，如图5所示，多个纵向肋板102设置成以进油管51为中心呈辐射状分布，并与多个横向肋板101分别相交，如图6所示，横向肋板101提供有多个气流孔103，以供冷却空气流动。

燃油喷嘴一般有两个热源以及一个冷源，其中的一个热源是高压压气机出口的高温空气，温度在500～1000K左右，其对整个喷嘴(包括进油管51和喷嘴出口段57)加热。另一个热源是燃烧室内的高温燃气，温度在1800K以上，其通过辐射换热作用于喷嘴进口段57。冷源是燃油，从进油管51处流入，燃油温度在450K以下。进油管51中的燃油由于在小工况状态下流速有限，在高温的环境下极易发生氧化裂解，最终在油管内部沉积结焦堵塞喷嘴，阻碍了燃油的输送，增加了喷嘴的返修次数，缩短了喷嘴的正常使用寿命，从而对燃烧室的正常工作造成了不利影响。

目前，针对燃烧室喷嘴燃油热防护的工作，国内外都做了很多工作，一种是副油路在中心，主油路燃油沿螺旋槽向下流动的螺旋槽方案，另一种是副油路在中心， 主油路燃油沿多个平行凹槽向下流动的平行凹槽方案等等。但是这些都是从燃油流动方式出发考虑的解决燃油结焦的问题，并未从隔热方面，即对进油管路外部的隔热层结构出发，考虑增加隔热层的换热性来提高喷嘴的热防护性能。

如图所示的实施例中，热防护管56与进油管51间的热防护空间内布置了大量横向肋板101和纵向肋板102，提高了冷却气流的换热性能。其中横向肋板101上设置有气流孔103，以供冷却空气流动，较佳地，相邻横向肋板101上开有交错排布的气流孔103，增加了气流的冲击换热。横向肋板101和纵向肋板102相互垂直的排布方式充分利用了热防护空间的空间，极大的强化了喷嘴热防护性能，降低了进油管51内燃油结焦的可能性，最终提高了燃烧室工作稳定性并增加了燃烧室的寿命。

在优选的实施例中，如图7所示，纵向肋板102的横截面采用鱼骨形结构，即其包括脊骨1021以及自脊骨1021的两侧突出的肋条1022，这大大增加了与冷却气流间的换热面积。

如图5所示，热防护管56的横截面呈流线型或者翼型。如今航空发动机的燃烧室多采用直流式短环形燃烧室结构，而环形燃烧室的工作对进口流场比较敏感，不良好的进口流场将会影响燃烧室出口的流场分布，这对后续结构如涡轮的工作状态及寿命等都是十分不利的。在燃烧室设计中的气流局部不规则性问题，是由于必不可少的火焰筒支承件、燃油喷油杆、点火器电嘴等导致流路上的局部障碍而引起的。燃烧室内局部空气的不规则性会增加流动损失，影响燃烧室工作稳定性，导致燃烧室寿命减短。为了令燃烧室火焰筒内得到一个均匀的空气流态，到目前为止，在燃烧室空气流动问题上已经做了很多工作了，比如设计环形扩压器、空气扰流器、估算主燃区空气回流流量等等。虽然这些技术方案解决了部分燃烧室空气进口流场不均匀性的问题，但是并没有很好的处理燃烧室内空气流动局部不规则的问题。图5所示的热防护管的形状能减小进入火焰筒头部前的气流扰动，降低火焰筒前进口空气的局部不规则性，改善了燃烧室内空气流动的均匀性。

以下结合如图所示的实施例，一边描述燃烧室燃油喷嘴的热防护结构的构成，一边描述其工作原理。

如图4所示，热防护管56一端焊接在喷嘴安装座55上，另一端焊接在喷嘴出口段57，进油管51与外部燃油总管(在图中未示出)连接，燃油经过进油口 82进入进油管51，最终从喷口83喷出至燃烧室火焰筒内部进行燃烧。整个喷嘴通过喷嘴安装座55安装在燃烧室外机匣13上。其中在安装座55上端焊有一个外罩53，外罩53可以圆形或者其他形状，外罩53在外部空气来流方向开有一进气孔91，用于引入外部冷却空气，为防止外部气流压力不足，可在进气孔91外部安装一个压力泵用于增加引入气体的气压。安装座55与热防护管56相连处挖有与翼型横截面一致的大孔用于引入和导出冷却空气。从喷嘴外部引入较低温度的外部冷却空气通过进气孔91进入热防护管56和进油管51形成的左半环空腔，冲刷左半环空腔内垂直排布的大量横向肋板101和纵向肋板102，由于横向肋板101上布有大量小孔103，且相邻横向肋板101的小孔103交错排布，冷却气流从上一块肋板101的小孔通过后直接冲击到下一块肋板的101实心区域，增加了气流在横向肋板101上的冲击换热。冲刷后的冷却气再经过喷嘴出口段57上所开的若干引气孔92进入到热防护空腔93内，用于冷却该处进油管内的低速燃油。随后空腔93内的冷却空气通过连接孔94进入到热防护层95内，用以冷却进油管内的被加热的高温燃油，热防护层95为一环形空腔，可将防护层内受热的气体经过若干出气口96排出热防护层95，进入右半环空腔冲刷该空腔内的横竖排布的肋板，然后气体排出到圆形外罩53，最终通圆形外罩53上另一侧开的排气口97排出到外部。

热防护管56的横截面剖视图如图5所示，该热防护管56与进油管51外壁相切，并且在切线处进行焊接加以固定进油管51，因此形成了左右两个半环形空腔，如图5所示。在热防护管与进油管之间的空腔内安装大量垂直进油管的横向肋板101和平行进油管的纵向鱼骨形肋板102，横向肋板的形状如图6所示，横向肋板上开有大量小孔103，且上下相邻两块横向肋板的小孔交错排布，增加气流在肋板上的冲击换热。纵向肋板102形状如图7所示，横截面为鱼骨形，该形状大大增加了肋板的换热面积，从而提高了肋板的热防护性能。纵向肋板与横向肋板垂直排布，纵向肋板在进油管外壁呈辐射式排布，横向肋板垂直进油管布置，且在纵向上排布尽可能多的横向肋板，具体排布方式如图5所示。这样的排布方式充分利用了空腔内空间，提高喷嘴热防护性能。

前述实施例中，热防护管与进油管间形成的空腔内加入的大量的横向和纵向肋板，纵向肋板采用鱼骨形状大大增加了换热面积，横向肋板开有交错排布的小孔增 加了冷却气的冲击换热。纵向肋板平行于进油管呈辐射式排布，横向肋板垂直进油管在纵向方向上尽可能多的排布，这两种肋板的结合使用充分有效的利用了空腔内的空间，提高了空腔内隔热空气的换热性能，提高了喷嘴的热防护性能。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.燃烧室燃油喷嘴的热防护结构，用于对燃油喷嘴的进油管以及喷嘴出口段提供热防护，其特征在于，该热防护结构包括热防护管以及换热结构，所述热防护管用于环绕所述进油管的外侧，并且所述热防护管的内壁面还用于与和所述进油管的外壁面之间形成热防护空间，所述热防护空间分成相隔的、位于所述进油管两侧的进气部分和出气部分，所述热防护空间的所述进气部分、所述出气部分用于与所述喷嘴出口段的管壁内腔构成冷却空气流道，其中，在所述热防护空间内设置所述换热结构，所述换热结构包括多个横向肋板和多个纵向肋板，所述多个横向肋板设置成垂直于冷却空气流动方向，所述多个纵向肋板设置成以所述进油管为中心呈辐射状分布，并与所述多个横向肋板分别相交，所述横向肋板提供有多个气流孔，以供所述冷却空气流动。

2.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述热防护管的横截面呈流线型。

3.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，相邻所述横向肋板的所述多个气流孔彼此错开。

4.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述纵向肋板的横截面包括脊骨以及自脊骨两侧延伸出的肋条。

5.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述热防护管的内壁面和所述进油管的两侧相切，从而将所述热防护空间分成相隔的、位于所述进油管两侧的进气部分和出气部分。

6.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述热防护管的内壁面与所述进油管外壁相切，并且在切线处进行焊接加以固定所述进油管，并因此形成了左右两个半环形空腔，所述两个半环形空腔分别为所述进气部分、出气部分。

7.如权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述热防护管的相反于所述喷嘴出口段的一端连接安装座，以便于安装到燃烧室外机匣，所述安装座外侧设置有外罩，所述外罩提供连通所述进气部分的进气孔和连通所述出气部分的出气孔。

8.如权利要求7所述的热防护结构，其特征在于，所述进气孔用于引入外涵冷却空气。

9.如权利要求7所述的热防护结构，其特征在于，所述进气孔处安装有压力泵用于增加引入气体的气压。

10.燃烧室燃油喷嘴，包括进油管以及喷嘴出口段，其特征在于还包括如权利要求1至9所述的热防护结构。