CN107683391A - 具有优化冷却的燃烧室的环形壁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机燃烧室的环形壁，其在冷侧(16a，18a)和热侧(16b，18b)之间包括：多个进气孔(30)，所述进气孔按照至少一个圆周行分布，以使在冷侧流动的空气进入热侧，所述进气孔在它们周围形成具有强的热梯度的区域；以及多个冷却孔(32)，使在冷侧流动的空气能够渗透到热侧，以沿着该环形壁形成一冷却空气膜，所述环形壁在强的热梯度的区域中还包括具有大于90°的角度的成角度的多穿孔(36)，所述角度在多穿孔的几何进口轴线Ae与几何出口轴线As之间测量，该多穿孔的几何出口轴线相对于环形壁的法线N以角度θ3倾斜，所述成角度的多穿孔通过该环形壁沿着所称的回转方向被穿孔，所述回转方向最垂直于燃烧气体的轴向流动方向D。

Description

具有优化冷却的燃烧室的环形壁

技术领域

本发明涉及涡轮发动机燃烧室的一般领域。本发明更具体地涉及一种用“多穿孔”方法冷却的用于向前流动或反向流动的燃烧室的环形壁。

背景技术

通常，环形涡轮发动机燃烧室由内环形壁(也称为内罩)和外环形壁(也称为外部罩)组成，所述内环形壁和外环形壁通过横向壁在上游在一起形成室端壁。

每个内护罩和外护罩均设有多个各种进气孔和孔口，使得在燃烧室周围流动的空气能够进入燃烧室的内部。

因此，在这些护罩中形成所谓的“主”孔和“稀释”孔，以将空气传送到燃烧室的内部。通过主孔的空气有助于产生在该室中点燃空气/燃料混合物，而来自稀释孔的空气则用于增强该空气/燃料混合物的稀释。

内护罩和外护罩经受由空气/燃料混合物的燃烧产生的气体的高温。

为了冷却目的，在整个表面区域上也通过这些护罩制造额外的“多穿孔”孔口。这些多穿孔通常以60°倾斜，并且它们使得流出该室的空气能够进入室的内部，从而沿着护罩形成冷却空气膜。

然而，实际上发现，由于所使用的激光钻孔技术，位于主孔或稀释孔中的每个周围并且尤其是直接位于主孔或稀释孔中的每个下游的内护罩和外护罩的区域没有孔口，因此，他们只受益于低水平的冷却，这意味着他们有裂纹形成和传播的风险。

为了解决该问题，申请人在其申请FR 2982008中提出了在主孔或稀释孔的正下游提供额外的冷却孔口，额外的冷却孔口设置在垂直于燃烧气体的流动方向的平面中。尽管如此，虽然那些被称为旋转式(因为它们在90°处)的附加孔口确实提供了与传统的轴向多孔结构相比有效的冷却，而对于传统的轴向多孔结构由于这些孔的存在而使空气膜停止，但它们仍然存在某些缺点，特别是由于仅仅由在燃烧室周围流动的空气的静压供给。

发明内容

因此，本发明试图通过提出一种利用空气的总压力的环形燃烧室壁来减轻这种缺点，并由此提供在其中可能开始的裂缝的那些区域的更好的冷却，特别是直接位于主孔和稀释孔的下游的那些区域。

为此，提供了一种具有冷侧和热侧的环形涡轮发动机燃烧室壁，所述环形壁包括：

-多个进气孔口，所述多个进气孔口沿着至少一个圆周行分布，以使在所述冷侧上流动的空气能够穿透到所述热侧，所述进气孔口在它们周围形成陡峭的温度梯度区域；和

-多个冷却孔口，所述冷却孔使在所述冷侧上流动的空气能够穿透到所述热侧，以便沿着所述环形壁形成冷却空气膜，所述冷却孔口在多个沿轴向相互隔开的周向行中分布，每个所述冷却孔口的轴线在燃烧气体的轴向流动方向D上以相对于所述环形壁的法向N的倾角θ1倾斜；

所述环形壁的特征在于，在陡峭的温度梯度的所述区域中，所述环形壁还包括多穿孔，所述多穿孔具有大于90°的角度α的相应弯曲件，所述角度α在所述多穿孔的入口轴线Ae与出口轴线As之间测量，所述多穿孔的所述出口轴线以相对于所述环形壁的所述法向N的角度θ3倾斜，具有弯曲件的所述多穿孔通过所述环形壁沿着“回转”方向倾斜，所述“回转”方向最多垂直于燃烧气体的所述轴向流动方向D。

这些冷却孔口在燃烧室的壁内成角度，以像冷却侧上的轴向多孔口那样被送入，同时仍然像回转多穿孔那样在热侧开口，这些冷却孔口的存在使得可获得良好的冷却，具有传统的轴向多穿孔和回转多穿孔的优点。

有利的是，所述角度α位于90°至170°的范围内，并且所述回转方向相对于所述燃烧气体的所述轴向流动方向D以位于50°至90°的范围内的角度β倾斜。

优选地，所述多穿孔具有直径d3，其优选地与所述冷却孔口的所述直径d1相同，并且所述出口倾角θ3优选地与所述冷却孔口的所述倾斜角θ1相同，每个所述多穿孔可能呈现变化的轮廓，以便局部地优化冷却。

有利地，所述多穿孔的所述入口轴线沿着燃烧气体的轴向流动方向D以相对于所述环形壁的所述法向N的角度θ4倾斜，所述入口倾角θ4优选等于所述冷却孔口的所述倾角θ1。

优选地，所述多穿孔在弯曲部分之后分成两部分，从而形成通向热侧的两个排气口，通向每个所述多穿孔的所述一个或两个排气口可呈现锥形的变化的直径d3。

根据所设想的实施例，所述进气孔口是主孔，所述主孔使得在所述冷侧上流动的空气能够穿到所述热侧，以产生空气/燃料混合物，或者所述进气孔口是稀释孔，所述稀释孔能够使在所述冷侧上流动的空气穿到所述热侧，以稀释空气/燃料混合物。

本发明还提供了一种燃烧室和包括如上定义的环形壁的涡轮发动机(具有燃烧室)。

附图说明

从以下参照附图进行的描述中可以看出本发明的其它特征和优点，附图示出了不具有限制特征的实施例。在图中：

图1是在其环境中的涡轮发动机燃烧室的纵向截面图；

图2是本发明的一个实施例中图1燃烧室的环形壁中的一个的局部和展开图；

图3和图4分别是从上面看的局部视图，并且示出了图2环形壁的一部分的立体图；和

图5和6示出了图1燃烧室的环形壁的一个中的成角度多穿孔的两个变型实施例的情况。

具体实施方式

图1示出了在其环境中的涡轮发动机燃烧室10。这样的发动机具体包括一压缩部分(未示出)，在该压缩部分中，空气在被注入到室壳体12中之前被压缩，然后进入安装在其内的燃烧室10中。经压缩的空气经一进气孔进入燃烧室，并在燃烧室中燃烧之前与燃料混合。然后将由这种燃烧产生的气体导向设置在燃烧室出口处的高压涡轮机14。

燃烧室是环形的。它由内环形壁16和外环形壁18组成，该内环形壁16和外环形壁18在它们的上游端由形成室端壁的横向壁20连接在一起。燃烧室可以是前流室或反流室。在这种情况下，在燃烧室与涡轮机的喷嘴之间设置回弯管。

内、外环形壁16和18沿着相对于发动机的纵向轴线22稍微倾斜的纵向轴线延伸。室端壁20设置有多个开口20A，其中安装有相同多个的燃料喷射器24。

由内壳12a和外壳12b组成的室壳体12与燃烧室10配合，以形成环形空间26，为了燃烧、稀释和冷却室的目的，将经压缩的空气引入该环形空间26中。

内环形壁16和外环形壁18中的每一个均具有在经压缩的空气在其中流动的环形空间26旁边的各自的冷侧16a，18a，以及面向燃烧室的内侧的各自的热侧16b，18b(参见图4)。

燃烧室10被细分为“主”区域(或燃烧区域)和位于下游的“次”区域(或稀释区域)(其中下游应相对于由燃烧室内的空气/燃料混合物的燃烧产生的气体的总体轴向流动方向来理解，并由箭头D表示)。

供给燃烧室的主要区域的空气穿过周向行的主孔28，主孔28在内、外环形壁的每一个的整个圆周上形成在室的内、外环形壁16和18中。这些主孔中的每一个均具有对正在共同线28A上的下游边缘。供给室的次区域的空气穿过在内、外环形壁的整个圆周上也形成在内、外环形壁16和18中的多个稀释孔30。这些稀释孔30对齐到一圆周行上，该圆周行在主孔28的下游沿着轴向偏移，它们可以具有不同的直径，具体为大孔与小孔交替。然而，在图2所示的构造中，不同直径的这些稀释孔都具有在一共同线30A上对齐的下游边缘。

为了冷却经受燃烧气体的高温的燃烧室的内、外环形壁16和18，设置了多个冷却孔32(如图2至图4中所示)。在反流燃烧室中，回弯管也设有这样的孔。

用于通过多个孔(也被称为“多穿孔”)冷却壁16和18的这些孔32分布在多个周向行上，所述周向行沿着轴向相互隔开。这些行的多穿孔通常覆盖燃烧室的环形壁的整个表面区域。冷却孔32的数量和直径d1在每一行中是相同的。一给定行中两个孔之间的间距p1是恒定的，并且对于所有的行可以可选择为是相同的。此外，如图2所示，相邻行的孔的排列方式使得孔32以交错的方式排列。

如图4所示，冷却孔32相对于形成它们的环形壁16,18的法线N通常具有一倾角θ1。这个倾角θ1使穿过这些孔的空气能够沿着环形壁的热侧16b，18b形成空气膜。与没有倾角的孔相比，它们用于增加被冷却的环形壁的面积。此外，冷却孔32的倾角θ1的引导方式使得由此形成的空气膜沿着室内的燃烧气体的流动方向(由箭头D表示)流动。

在例中，对于由金属或陶瓷材料制成并且厚度在0.6毫米(mm)至3.5mm范围内的环形壁16,18，冷却孔32的直径d1可以在0.3mm至1mm(优选在0.4mm至0.6mm的范围内)，间距p1可以在1mm至10mm的范围内，并且它们的倾角θ1可以在+30°至+70°的范围内，通常是+60°。作为比较，对于具有相同特性的环形壁，主孔28和稀释孔30具有4mm至20mm量级的直径。

而且，为了确保稀释孔下游的有效冷却，燃烧室的每个环形壁16,18还可以包括多个附加冷却孔34，所述附加冷却孔直接设置在稀释孔30的下游(但是在主孔28下游的类似配置也是可能的，以限制孔处的温度梯度的上升并因此避免形成裂纹)，并且分布在从上游过渡轴线30A开始的多个周向行中。然而，与上述冷却孔输送沿轴向方向D流动的空气膜不同，由这些附加孔输送的空气膜由于它们在垂直于燃烧气体的轴向流动方向D的平面中以90°设置而沿垂直方向流动。垂直于发动机轴线执行的这种多穿孔(在下面的描述中，与冷却孔的轴向多孔穿孔相比，这被称为回转的多穿孔)使附加孔可更靠近稀释孔(或者如果需要的话可以更靠近主孔)，从而起到限制这些孔处温度梯度的上升的作用。

给一定行中的附加孔34具有相同的直径d2，优选与冷却孔32的直径d1相同，它们以恒定的间距p2间隔开，该间距p2可以选择性地与冷却孔32之间的间距p1相同，并且它们的倾角θ2优选与冷却孔32的倾角θ1相同，但设置在一垂直平面中。尽管如此，附加孔34的这些特征可与冷却孔32的特性明显不同，同时保持在上面限定的数值范围内，即相对于环形壁16,18的法向N在一给定行中的附加孔的倾角θ2可以不同于冷却孔的倾角θ1，并且在一给定行中的附加孔的直径d2可以不同于冷却孔32的直径d1。

在本发明中，通过在冷侧(壳体与室壁之间)使用动态压力，同时在热侧保持回转效果，获得在稀释孔周围和主孔周围的良好冷却。为此，在具有陡峭温度梯度的区域(例如主孔或稀释孔)中进行设置，以提供多穿孔36，多穿孔36在室壁中弯曲大于90°的角度α，使得对于轴向多穿孔，它们由在冷侧上的空气总压供气，同时在热侧以回转多穿孔的方式敞开。具体而言，以已知的方式，以90°的回转多穿孔，通过壳体12与室壁之间的空气的静压供给孔，而在轴向多穿孔的情况下，孔由空气的总压力供给。被静压供给的事实意味着不使用壳体与室的壁之间的空气的动态压力(P总-P静压)。然而，在主孔和稀释孔处的动态压力特别大。

角度α通常在90°至170°的范围内，并且在多穿孔的入口轴线Ae和出口轴线As之间测量，出口轴线(在热壁旁边的孔的轴线)以相对于环形壁的法向N的角度θ3倾斜，但是在沿回转方向本身以角度β倾斜的平面中，其与燃烧气流的轴向D最垂直。通常，这个回转角度β在50°到90°的范围内。

这些多穿孔36的直径d3优选与冷却孔32的直径d1相同，其出口倾角θ3优选与孔32的倾角θ1相同。同样，入口轴线(冷侧上孔的轴线)可以是直的(平行于法线N)，或优选具有相对于燃烧气体的轴向流动方向D的法线的倾角度θ4(优选与冷却孔32的倾角θ1相同)。然而，尽管保持在冷却孔32的上述数值范围内，这些不同的特性可能与冷却孔的那些特性有很大不同。

可以观察到，在这些陡峭的温度梯度区域中，每个多穿孔36的轮廓可以有利地改变，即其可以具有角度d3、倾角θ3和θ4(因此角度α)和回转角度β，该回转角度每个孔不同，从而局部地优化冷却。

还应该观察到，对于直径为0.4mm的孔，对于所有三种类型的多穿孔，横向热交换面积(通过孔的空气所润湿的面积)是相同的。因此，可以使用以下公式确定该横向热交换面积S：

S＝π*d3*L

其中L是孔的长度，给出：

对于轴向直孔32，S等于3平方毫米(mm²)；

对于90°的回转直孔34，S等于3.04(mm²)；和

对于具有90°弯曲件的孔36，S等于3.06mm²。因此，具有弯曲件的孔不会因流经其中的空气的力对流而劣化壁的冷却。

利用由三个弯曲件组成的多穿孔，使用在壳体与旋转式多穿孔不使用的燃烧室的壁之间流动的空气的动态压力，能够通过适当地放置这些具有弯曲件的孔而在主孔和稀释孔周围简单地且更大效益地执行冷却。

在图5所示的变型实施例中，在热侧敞开的多穿孔36的出口可具有变化的直径d3以形成锥体，不是如上所述的恒定，而是其直径d3随着靠近出风口而增加。同样，如图6所示，在弯曲部分之后，热侧上的空气出口可以分成两部分，以增加冷却空气与壁之间的热交换面积。直径d3优选沿着多穿孔36全部是相同的，然而弯曲之后的两个部分的入口轴线与各自的出口轴线之间的角度α1和α2可以如所示那样是相同的，或者它们可以是不同的。然而，如上所述，形成孔的终端部分的空气出口也可以具有变化的直径。

Claims (12)

1.一种涡轮发动机燃烧室的环形壁(16,18)，在冷侧(16a，18a)与热侧(16b，18b)之间包括：

-多个进气孔(28,30)，所述进气孔沿至少一个圆周行分布，以使在所述冷侧流动的空气能够穿透到所述热侧，所述进气孔在它们周围形成陡峭的温度梯度的区域；和

-多个冷却孔(32)，以使在所述冷侧流动的空气能够穿透到所述热侧，以便沿着所述环形壁形成一冷却空气膜，所述冷却孔在多个沿着轴向相互间隔开的圆周行上分布，每个所述冷却孔的轴线以沿燃烧气体的轴向流动方向D相对于所述环形壁的法向N以倾角θ1倾斜；

其特征在于，所述环形壁还包括在所述陡峭的温度梯度的区域中的多穿孔(36)，所述多穿孔(36)分别具有大于90°的角度α的弯曲件，所述角度α在所述多穿孔的入口轴线Ae与出口轴线As之间测量，所述多穿孔的所述出口轴线相对于所述环形壁的所述法线N以角度θ3倾斜，具有弯曲件的所述多穿孔沿着一“回转”方向穿过所述环形壁形成，所述“回转”方向最多垂直于燃烧气体的所述轴向流动方向D。

2.根据权利要求1所述的壁，其特征在于，所述角度α位于90°至170°的范围内。

3.根据权利要求1所述的壁，其特征在于，所述回转方向相对于所述燃烧气体的所述轴向流动方向D以50°至90°范围内的角度(β)倾斜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的壁，其特征在于，所述多穿孔的直径d3优选与所述冷却孔的所述直径d1相同，所述出口倾角θ3优选等于所述冷却孔的所述倾角θ1。

5.根据权利要求4所述的壁，其特征在于，所述多穿孔的所述入口轴线沿燃烧气体的轴向流动方向D相对于所述环形壁的所述法向N以角度θ4倾斜，所述入口倾角θ4优选与所述冷却孔的所述倾角θ1相同。

6.根据权利要求4或5所述的壁，其特征在于，所述多穿孔中的每一个均呈现变化的轮廓，以局部地优化冷却。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的壁，其特征在于，所述多穿孔在一弯曲部分之后分离成两个，以形成通向所述热侧的两个出气口。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的壁，其特征在于，通向每个所述多穿孔的热侧的所述一个或两个出气口呈现以锥形变化的直径d3。

9.根据权利要求1所述的壁，其特征在于，所述进气孔是主孔(28)，其使得在所述冷侧流动的空气能够穿透到所述热侧，从而生成空气/燃料混合物。

10.根据权利要求9所述的壁，其特征在于，所述进气孔是稀释孔(30)，其使得在所述冷侧流动的空气能够穿透到所述热侧，以稀释所述空气/燃料混合物。

11.一种涡轮发动机燃烧室(10)，其具有至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的环形壁(16,18)。

12.一种涡轮发动机，其包括燃烧室(10)，该燃烧室具有至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的环形壁(16,18)。