CN107120689B - 回流燃烧室内弯管结构及回流燃烧室、燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回流燃烧室内弯管结构及回流燃烧室、燃气涡轮发动机，该回流燃烧室内弯管结构，采用分体式结构，包括用于与火焰筒内环固接的第一连接件及用于与内机匣固接的第二连接件，第一连接件与第二连接件搭接配合，从而形成两端固定约束的内弯管结构。本发明采用分体式结构设计，且形成两端固定约束的内弯管结构，增强了内弯管抗疲劳强度，有效避免了一体成型的小弯管因疲劳强度不够而出现裂纹、掉块的故障，且振动应力水平低，可靠性高。

Description

回流燃烧室内弯管结构及回流燃烧室、燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别地，涉及一种回流燃烧室内弯管结构。此外，本发明还涉及一种包括上述内弯管结构的回流燃烧室及燃气涡轮发动机。

背景技术

中小型燃气涡轮发动机转速非常高，为了避免转子动力学问题，要求压气机和涡轮必须紧凑布置以缩短轴距，为了在有限的空间内组织高效的燃烧，环形回流燃烧室在中小型燃气涡轮发动机中被广泛采用。

相对于直流燃烧室，回流燃烧室火焰筒出口多出了排气弯管，构成排气弯管的内、外型面分别是小弯管(内弯管)和大弯管(外弯管)，因此，可以说小弯管是回流燃烧室上的特有结构。高温高压燃气从火焰筒出口流入该气流通道，受到通道型面的影响，燃气流动方向调转180°，而后进入高压涡轮膨胀做功。

除了形成排气弯管内流道型面之外，小弯管另外一个重要作用就是连接火焰筒内环与燃烧室内机匣，使火焰筒内环、小弯管、内机匣三者之间形成合理的进气腔(内二股通道)，小弯管在燃烧室上的位置如下图1所示。参照图1，回流燃烧室包括小弯管1、大弯管2、外机匣3、火焰筒外环4、燃油喷嘴5、火焰筒内环6、燃烧室内机匣7、内二股通道8、高压涡轮9，冷气11经进气道10进入二股通道，然后进入火焰筒内部随燃油一起加热、燃烧后变为高温燃气12，经火焰筒出口、排气弯管后进入高压涡轮膨胀做功。

现有的国内外中小型燃气涡轮发动机结构中，针对小弯管，人们关注的是如何更好的形成排气弯管内流道型面，以此保证流道型面的连贯性，所以现有的小弯管基本采用整体构造方式，即小弯管在结构上为一个整体件，不可进一步拆分。同时，由于回流燃烧室火焰筒和内机匣相对位置及装配关系的限制，一般小弯管一端固定，另一端采用搭接配合的方式实现连接。按搭接部位的不同又分为以下两种情况：一种小弯管一端固定在内机匣尾部，与内机匣形成一个整体，另一端搭接在火焰筒内环出口的安装槽(或气膜槽)内；另一种小弯管则是由火焰筒内环向内机匣方向延伸，与火焰筒内环形成一体，小弯管尾端整体悬空或搭接在内机匣上，同时内二股通道中可能辅以其他支撑或连接结构。针对前一种情形，由于冷却需要采用双层壁结构，内外壁焊接部位刚好处于小弯管与火焰筒内环搭接配合部位，焊缝势必影响配合部位的强度，且焊接后的配合面尺寸不易保证，容易出现局部碰磨。另外，小弯管外壁仅在配合部位焊接约束，另一端自由搭靠在内壁上，可认为是悬臂结构，且悬臂较长，外壁整体刚性和强度不易保证，如内外壁之间的冷却气流速度较大，则可能造成局部裂纹等强度问题。针对后一种情形，小弯管一端焊接固定在火焰筒内环上，另一端完全悬空，呈典型的长悬臂结构，悬臂结构的突出问题就是悬臂端的刚性和强度很难保证，且小弯管所处部位温度很高，也会对强度产生不利影响。除此之外，该小弯管中后段没有形成有效冷却，分析认为该小弯管中后段的热疲劳强度问题可能较为突出，且端部没有局部加强结构，容易出现疲劳裂纹问题。

综上所述，现有的小弯管基本上是从排气弯管内型面的角度出发进行设计，小弯管一般设计为整体件以保证排气弯管流道型面的连贯性。但小弯管同时也作为连接部件，无法回避强度问题，影响小弯管疲劳强度的应力主要来自以下几个方面：首先，为了方便燃烧室装配与分解，小弯管与火焰筒(或内机匣)配合部位一般设计为间隙配合，发动机正常工作时小弯管两侧存在一定压差，内二股通道中的气流会通过小弯管配合间隙进入排气弯管内，在高状态时气流速度很大(可超过100m/s)，所以配合部位极易因气流激振引起高频振动而产生振动应力；其次，小弯管配合面尺寸或圆度加工不到位，或组合加工和装配时同轴度控制不好，很容易使小弯管配合面局部挤压，发动机正常工作时挤压部位反复碰磨，从而造成局部应力集中；此外，如果小弯管在加工过程中引入较大的材料内部应力(如冲压成型、焊接等)，且内部应力通过热处理等方式未能完全消除，也会影响材料本身的强度。综合以上因素，小弯管容易因疲劳强度不够而出现裂纹、掉块故障，影响发动机的安全性。

发明内容

本发明提供了一种回流燃烧室内弯管结构及回流燃烧室、燃气涡轮发动机，以解决现有的回流燃烧室内弯管容易因疲劳强度不够而出现裂纹、掉块故障，进而影响发动机的安全性的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种回流燃烧室内弯管结构，采用分体式结构，包括用于与火焰筒内环固接的第一连接件及用于与内机匣固接的第二连接件，第一连接件与第二连接件搭接配合，从而形成两端固定约束的内弯管结构。

进一步地，第一连接件包括相对布置的第一端部、第二端部及衔接第一端部与第二端部的第一弧形段，第一端部固接于火焰筒内环出口部位，第二端部与第二连接件搭接配合。

进一步地，第二连接件包括固接于内机匣上的第二弧形段，第二弧形段的另一端部设有用于插接第二端部的U形槽。

进一步地，第二端部处设有用于与U形槽型面匹配的增厚壁。

进一步地，第一连接件与第二连接件在内弯管结构中所占比例接近。

进一步地，第一连接件与第二连接件配合面的同轴度及圆度匹配，以免配合面发生摩擦。

进一步地，第一连接件和/或第二连接件上设置用于将内二股通道内的冷气导入排气管道内的进气孔。

进一步地，第一连接件和/或第二连接件采用锻件及机加工方式加工成型。

根据本发明的另一方面，还提供一种回流燃烧室，包括火焰筒及机匣，火焰筒内环及内机匣之间设置上述的回流燃烧室内弯管结构。

根据本发明的另一方面，还提供一种燃气涡轮发动机，包括上述的回流燃烧室。

本发明具有以下有益效果：

本发明回流燃烧室内弯管结构，采用分体式结构设计，且形成两端固定约束的内弯管结构，增强了内弯管抗疲劳强度，有效避免了一体成型的小弯管因疲劳强度不够而出现裂纹、掉块的故障，且振动应力水平低，可靠性高。

本发明回流燃烧室及燃气涡轮发动机，由于采用上述回流燃烧室内弯管结构，提高了发动机的运行可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的回流燃烧室的结构示意图；

图2是本发明优选实施例回流燃烧室内弯管结构的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中第一连接件的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中第二连接件的结构示意图。

附图标记说明：

100、第一连接件；110、第一端部；120、第二端部；130、第一弧形段；140、增厚壁；

200、第二连接件；210、第二弧形段；220、U形槽；

300、火焰筒内环；

400、内机匣；

500、高温燃气；

600、冷气。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图2，本发明的优选实施例提供了一种回流燃烧室内弯管结构，采用分体式结构，包括用于与火焰筒内环300固接的第一连接件100及用于与内机匣400固接的第二连接件200，第一连接件100与第二连接件200搭接配合，从而形成两端固定约束的内弯管结构。本实施例采用分体式结构设计，且形成两端固定约束的内弯管结构，增强了内弯管抗疲劳强度，有效避免了一体成型的小弯管因疲劳强度不够而出现裂纹、掉块的故障，且振动应力水平低，可靠性高。本实施例内弯管在满足特定部位要求的功能的前提下，具有疲劳强度高，振动应力小，结构简单，连接可靠，组装方便等优点。

本实施例中，第一连接件100包括相对布置的第一端部110、第二端部120及衔接第一端部110与第二端部120的第一弧形段130，第一端部110固接于火焰筒内环300出口部位，第二端部120与第二连接件200搭接配合。

本实施例中，第二连接件200包括固接于内机匣400上的第二弧形段210，第二弧形段210的另一端部设有用于插接第二端部120的U形槽220。

如图2及图3所示，本实施例中，内弯管主要由双重环(即第一连接件100)和鸟嘴(即第二连接件200)两部分组成，两部分在内弯管(又称小弯管)中所占的比例接近，且两部分均呈弓形结构。其中，双重环焊接在火焰筒内环出口部位，与火焰筒内环组合为一体，鸟嘴焊接在燃烧室内机匣上，与内机匣组合为一体。燃烧室装配时，双重环插入鸟嘴端部的U型槽内形成搭接式配合，使火焰筒内环与内机匣连接在一起，同时双重环与鸟嘴组合构成燃烧室小弯管结构。

由于小弯管采取了分体结构，使得小弯管上下两段(双重环和鸟嘴)热端部位强度和刚性更容易保证。为了进一步提高小弯管疲劳强度，优选地双重环和鸟嘴采用锻件、机加工的方式加工成型，材料自身强度高，同时也避免了加工工艺引入较大的材料内部应力。更优选地，双重环配合面端部局部加厚，即第二端部120处设有用于与U形槽220型面匹配的增厚壁140，使得端部薄弱区的疲劳强度得到保证。通过对比分体式与整体式小弯管结构可以看出，两者约束方式也存在一定差异，就整个小弯管结构而言，整体式小弯管仅在一端固定约束，而分体式小弯管则在两端均形成固定约束，分体式小弯管连接的牢靠程度更佳。

燃烧室装配时，双重环加厚端部(即增厚壁140)插入鸟嘴的U型槽内形成配合，使用U形槽的目的是为了使配合部位漏气更少、更合理的形成密封。同时考虑到该配合部位容易产生振动应力和局部应力集中，为了尽量减小外界对配合部位施加的应力，通过机械加工的方式，精确控制两零件配合面处的尺寸，可保证配合部位的间隙处在较小的范围之内，达到限制U型槽内通过的冷气流量和速度的目的，使得双重环加厚端部不受气流激振产生较大的振动应力。另外，双重环、鸟嘴分别与火焰筒内环300和燃烧室内机匣400组合加工过程中，通过工装或夹具在组件中保证配合面处的圆度及同轴度，可使双重环和鸟嘴配合面基本不发生碰磨，避免两零件因相互挤压造成局部应力集中而出现疲劳裂纹。

优选地，第一连接件100和/或第二连接件200上设置用于将内二股通道内的冷气600导入排气管道内的进气孔。因小弯管所处部位高温燃气500温度非常高，为了避免小弯管两侧(内外侧)温差较大引起热疲劳裂纹，同时也为了防止小弯管金属材料的疲劳强度在高温下发生退化，在设计该分体组合式小弯管之初便考虑了小弯管的壁面冷却。通过在双重环和鸟嘴合适位置分别设置一定量、一定大小的冷却进气小孔，使内二股通道中的冷气从小孔进入排气弯管后，能够在排气弯管中主流燃气的带动下紧贴小弯管光滑的流道型面流动，降低了金属壁面的温度，达到冷却保护小弯管(含双重环和鸟嘴两部分)的目的。

根据本发明的另一方面，还提供一种回流燃烧室，包括火焰筒及机匣，火焰筒内环300及内机匣400之间设置上述实施例的回流燃烧室内弯管结构。

根据本发明的另一方面，还提供一种燃气涡轮发动机，包括上述实施例的回流燃烧室。

从以上的描述可以得知，本实施例的分体组合式小弯管在满足中小型燃气涡轮发动机回流燃烧室小弯管功能的前提下，具有以下优点：

1)、小弯管采用分体结构，每段结构强度更易保证；

2)、通过有效措施控制配合部位尺寸、圆度和同轴度，使配合间隙受控，气流激振应力小，且避免了配合面发生挤压碰磨，有效防止了配合面局部应力集中，大幅度降低了小弯管出现疲劳裂纹和掉块的概率，小弯管可靠性高；

3)、小弯管两端约束，连接牢靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，采用分体式结构，包括用于与火焰筒内环(300)固接的第一连接件(100)及用于与内机匣(400)固接的第二连接件(200)，所述第一连接件(100)与所述第二连接件(200)搭接配合，从而形成两端固定约束的内弯管结构。

2.根据权利要求1所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，所述第一连接件(100)包括相对布置的第一端部(110)、第二端部(120)及衔接所述第一端部(110)与所述第二端部(120)的第一弧形段(130)，所述第一端部(110)固接于所述火焰筒内环(300)出口部位，所述第二端部(120)与所述第二连接件(200)搭接配合。

3.根据权利要求2所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第二连接件(200)包括固接于所述内机匣(400)上的第二弧形段(210)，所述第二弧形段(210)的另一端部设有用于插接所述第二端部(120)的U形槽(220)。

4.根据权利要求3所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第二端部(120)处设有用于与所述U形槽(220)型面匹配的增厚壁(140)。

5.根据权利要求4所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第一连接件(100)与所述第二连接件(200)在所述内弯管结构中所占比例接近。

6.根据权利要求5所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第一连接件(100)与所述第二连接件(200)配合面的同轴度及圆度匹配，以免配合面发生摩擦。

7.根据权利要求1至6任一所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第一连接件(100)和/或所述第二连接件(200)上设置用于将内二股通道内的冷气导入排气管道内的进气孔。

8.根据权利要求7所述的回流燃烧室内弯管结构，其特征在于，

所述第一连接件(100)和/或所述第二连接件(200)采用锻件配合机加工方式加工成型。

9.一种回流燃烧室，包括火焰筒及机匣，其特征在于，火焰筒内环(300)及内机匣(400)之间设置如权利要求1至8任一所述的回流燃烧室内弯管结构。

10.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求9所述的回流燃烧室。