CN108592086A - 发动机及其燃烧组件与燃烧组件的一体化设计及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机的燃烧组件、燃烧组件的一体化设计与制造方法、及发动机。燃烧组件包括火焰筒及喷嘴。火焰筒包括主体。主体形成有燃烧腔。主体上开设有通孔，通孔连通燃烧腔与火焰筒的外界。燃烧腔包括相背的头部和尾部。气体从头部及通孔进入火焰筒且从尾部流出火焰筒。喷嘴设置在头部，喷嘴与火焰筒通过增材制造技术一体化制造。本发明利用增材制造技术对发动机的燃烧组件进行一体化设计及制造，将火焰筒及喷嘴融合为一个整体，可以简化燃烧组件的结构，减少燃烧组件各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，更具体而言，涉及一种发动机的燃烧组件、发动机的燃烧组件的一体化设计与制造方法、及发动机。
背景技术
航空发动机燃烧室的部件多、部件支撑和连接结构复杂。现有技术的航空发动机的燃烧室的制造方法是先设计及制造燃烧室的单一部件，然后再进行组装，燃烧室设计及制造流程复杂。
发明内容
本发明实施方式提供一种发动机的燃烧组件、发动机的燃烧组件的一体化设计与制造方法、及发动机。
本发明实施方式的发动机的燃烧组件包括：
火焰筒，所述火焰筒包括主体，所述主体形成有燃烧腔，所述主体上开设有通孔，所述通孔连通所述燃烧腔与所述主体的外部，所述燃烧腔包括相背的头部和尾部，气体从所述头部及火焰筒壁面上的所述通孔进入所述火焰筒且从所述尾部流出所述火焰筒；和
喷嘴，所述喷嘴设置在所述头部，所述喷嘴与所述火焰筒融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。
本发明实施方式的发动机，包括：
上述实施方式所述的燃烧组件；
靠近所述头部设置的扩压组件；
靠近所述尾部设置的涡轮；和
连接轴，所述连接轴穿设所述火焰筒并连接所述扩压组件与所述涡轮。
本发明实施方式的发动机的燃烧组件的一体化设计与制造方法，包括步骤：
将所述喷嘴与所述火焰筒融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造火焰筒和喷嘴，所述火焰筒包括主体，所述主体上开设有通孔，所述通孔连通所述燃烧腔与所述主体的外部，所述主体形成有燃烧腔，所述燃烧腔包括相背的头部和尾部，气体从所述头部及所述通孔进入所述火焰筒且从所述尾部流出所述火焰筒，所述喷嘴设置在所述头部。
本发明实施方式的发动机的燃烧组件、及发动机利用增材制造技术对发动机的燃烧组件进行一体化设计及制造，将火焰筒及喷嘴融合为一个整体，可以简化燃烧组件的结构，减少燃烧组件各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施方式的发动机的结构示意图；
图2为本发明实施方式的燃烧组件的立体示意图；
图3为图2的燃烧组件的结构示意图；
图4为本发明实施方式的燃烧组件的局部结构示意图；
图5为本发明实施方式的燃烧组件的平面示意图；
图6为本发明实施方式的燃烧组件的平面示意图；
图7为本发明实施方式的燃烧组件的立体图；
图8为图7的燃烧组件的结构示意图；
图9为本发明实施方式的两段式火焰筒的结构示意图；
图10为本发明实施方式的火焰筒的第一段的结构示意图；
图11为本发明实施方式的火焰筒的第二段的结构示意图；和
图12为本发明实施方式的火焰筒的局部结构示意图。
主要元件符号说明：
发动机1000；
燃烧组件100、扩压组件200、压气机210、扩压器220、涡轮300、动叶310、连接轴400、轴套500、机匣600；
火焰筒10、主体11、通孔110、燃烧腔111、头部1111、尾部1112、第一孔112、第二孔113、内筒114、底座1141、安装孔1142、外筒115、内腔116、外环腔117、挡板118、第三孔119、第一段12、第一开口121、凹槽122、定位块123、第二段13、第二开口131、凸起132；
喷嘴20、喷嘴侧壁21、螺旋管22、喷射孔221、喷嘴进口23、喷嘴出口24、喷嘴顶壁25、喷嘴底壁26、喷油腔27；
涡轮导叶30、第一连接端31、第二连接端32、气膜孔33；
燃油管路40、主管41、分配腔42、支管43。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参阅图1，本发明实施方式的发动机1000包括燃烧组件100、扩压组件200、涡轮300和连接轴400。发动机1000可以为燃气轮机和航空燃气涡轮发动机。
燃烧组件100设置在扩压组件200与涡轮300之间。扩压组件200用于向燃烧组件100输入高压气体，燃油与高压气体在燃烧组件100中进行混合与燃烧，以将燃油中的化学能转化成为高温气体中的热能。
扩压组件200设置在靠近燃烧组件100头部的位置。扩压组件200包括压气机210及扩压器220。压气机210用于从发动机1000的头部吸入气体。压气机210与扩压器220连接的位置形成有狭窄通道，发动机1000外界的气体被压气机210吸入并在穿过狭窄通道的过程中加速。扩压器220用于减小气体的速度以增大气体的压强。扩压器220将气体压入燃烧组件100。
涡轮300设置在靠近燃烧组件100的尾部的位置。涡轮300包括动叶310。涡轮300用于将从燃烧组件100流出的高温气体的热能转换成机械能。具体地，从燃烧组件100排出的高温高压气体冲击涡轮300的动叶310，使动叶310转动。
连接轴400穿设燃烧组件100的火焰筒10并连接扩压组件200与涡轮300。发动机1000还包括轴套500。轴套500包裹住连接轴400以隔绝燃烧组件100的高温从而保护连接轴400。另外，轴套500与扩压组件200连接。涡轮300在运转时，通过带动连接轴400转动，从而带动压气机210转动。如此，压气机210能够持续地为发动机1000吸入气体。
在某些实施方式中，发动机1000还包括机匣600。燃烧组件100设置在机匣600内。
请一并参阅图1、图2及图3，燃烧组件100包括火焰筒10及喷嘴20。火焰筒10包括主体11。主体11形成有燃烧腔111。燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112。气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。喷嘴20设置在头部1111，喷嘴20与火焰筒10融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。
具体地，主体11为中空的、圆筒状的薄壁结构。主体11上开设有通孔110。燃油在燃烧腔111燃烧主要分为主燃区、补燃区、掺混区。主燃区位于靠近头部1111位置，补燃区位于主体11的中部，掺混区位于靠近尾部1112的位置。由扩压组件200输入的高压气体一部分从头部1111进入主燃区，与燃油混合并进行燃烧。在主燃区燃烧后的燃油与气体在补燃区进一步燃烧，以提高燃油的燃烧效率。然后在掺混区与来自火焰筒10外界的剩余空气掺混。掺混后的高温高压气体从燃烧腔111的尾部1112流出火焰筒10，并进入涡轮300。
通孔110连通燃烧腔111与火焰筒10的外界。在本实施例中，火焰筒10的外界指燃烧腔111以外的区域，包括火焰筒10的外侧壁与机匣600形成的空间，即外环腔117(图1所示)，还包括内腔116(图2所示)。通孔110包括至少两个第一孔112，第一孔112设置在主体11靠近头部1111的位置。由扩压组件200输入的气体沿主体11的外侧壁流动。一部分气体继续沿主体11的外侧壁流动，一部分气体从第一孔112进入燃烧腔111，并继续向尾部1112流动，从而在主体11的内侧壁上形成冷却气膜。由于从第一孔112进入的气体温度较低，冷却气膜覆盖在主体11的侧壁上以冷却火焰筒10，从而避免了火焰筒10温度过高。进一步地，第一孔112与主体11的侧壁之间的夹角为锐角或者直角，如此，气体以射流的形式进入燃烧腔111，增大冷却气膜与主体11侧壁接触的面积，从而更好地冷却火焰筒10。
通孔110还包括至少两个第二孔113。具体地，第二孔113设置在主体11靠近尾部1112的位置。第二孔113的直径大于第一孔112的直径。沿主体11的外侧壁流动的气体从第二孔113进入燃烧腔111，从而与燃烧腔111内的高温气体掺混，使气体达到燃烧腔111出口要求的温度。
喷嘴20设置在头部1111。具体地，请参阅图4，喷嘴20包括喷嘴侧壁21及设置在喷嘴侧壁21内的至少两个中空的螺旋管22，至少两个螺旋管22连通火焰筒10的外界与燃烧腔111。喷嘴20还包括喷嘴进口23及喷嘴出口24。喷嘴进口23朝向压气机210的吸入口，喷嘴出口24朝向燃烧腔111。从扩压组件200输入的高压高速气体从喷嘴进口23进入螺旋管22，经螺旋管22加速后从喷嘴出口24射出喷嘴20，从而形成一定锥角张度的旋流，并进入燃烧腔111内。另外，喷嘴20还包括喷嘴顶壁25及喷嘴底壁26。螺旋管22的侧壁上开设有喷射孔221，从而使螺旋管22的内部及螺旋管22的外部连通。螺旋管22的侧壁、喷嘴侧壁21、喷嘴顶壁25及喷嘴底壁26共同形成的喷油腔27。燃油进入喷油腔27并存储在喷油腔27内，当燃烧组件100工作时，燃油在喷油腔27内膨胀、蒸发，然后通过喷射孔221喷入螺旋管22内。燃油被螺旋管22内的高速空气冲击并进一步雾化及蒸发，从而形成燃油空气混合气体，然后从螺旋管22喷出后进入燃烧腔111燃烧。
其中，喷嘴20的类型包括但不限于蒸发管式、离心雾化式、气动雾化式。燃烧组件100的类型包括但不限于直流式、折流式、回流式。
本发明实施方式还包括发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法，包括步骤：
将火焰筒10与喷嘴20融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造火焰筒10和喷嘴20。其中，火焰筒10包括主体11。主体11形成有燃烧腔111。燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112。气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。喷嘴20设置在头部1111。也即是说，将喷嘴20和火焰筒10融合为一个部件。
综上，本发明的发动机1000的燃烧组件100及发动机1000利用增材制造技术对发动机1000的燃烧组件100进行一体化设计及制造，将火焰筒10及喷嘴20融合为一个整体，可以简化燃烧组件100的结构，减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
请继续一并参阅图1、图2及图3，在某些实施方式中，火焰筒10的主体11包括内筒114和外筒115。内筒114位于外筒115内，且内筒114与外筒115之间形成燃烧腔111，喷嘴20连接内筒114与外筒115。
具体地，内筒114呈中空的、圆筒状的薄壁结构。由内筒114的侧壁形成远离燃烧腔111的内腔116。内腔116与火焰筒10的外界连通。包裹在轴套500内的连接轴400穿设于内腔116中。在内筒114的靠近头部1111的位置，内筒114形成有第一孔112。内筒114的第一孔112连通内腔116与燃烧腔111。扩压组件200输入的气体从内筒114的头部进入内腔116，然后穿过内筒114的第一孔112进入燃烧腔111。由于从内筒114的第一孔112进入的气体与燃烧腔111内燃烧后的高温气体之间存在温差，以进一步冷却内筒114。在内筒114的靠近尾部1112的位置，内筒114形成有第二孔113。内筒114的第二孔113连通燃烧腔111与内腔116。内腔116内的气体从内筒114的第二孔113进入燃烧腔111，从而为燃烧腔111内的高温燃油及气体补充氧气，以使燃油充分燃烧，并且进一步降低燃烧腔111内的高温燃油及气体的温度，从而降低尾部1112出口气体的温度。
请结合图4，外筒115呈中空的、圆筒或者椭圆筒状的薄壁结构。内筒114位于外筒115内，且内筒114与外筒115之间形成燃烧腔111。外筒115的直径在靠近尾部1112的位置逐渐减小以与涡轮300的进口对应。外筒115与机匣600形成外环腔117(如图1所示)。在外筒115靠近头部1111的位置，外筒115形成第一孔112。外筒115的第一孔112连通燃烧腔111与外环腔117。扩压组件200输入的部分气体沿着外筒115的外侧壁及机匣600的内侧壁在外环腔117流动，然后穿过外筒115的第一孔112进入燃烧腔111。由于从外筒115的第一孔112进入燃烧腔111的气体与燃烧腔111内燃烧后的高温气体之间存在温差，以进一步冷却外筒115。在外筒115靠近尾部1112的位置，外筒115形成有第二孔113。外筒115的第二孔113连通燃烧腔111与外环腔117。外环腔117内的气体从外筒115的第二孔113进入燃烧腔111，从而为燃烧腔111内的高温燃油及气体补充氧气，以使燃油充分燃烧，并且进一步降低燃烧腔111内的高温燃油及气体的温度，从而降低尾部1112出口气体的温度。
由于内筒114在靠近头部1111的位置设置有第一孔112及在靠近尾部1112的位置设置有第二孔113，且外筒115在靠近头部1111的位置设置有第一孔112及在靠近尾部1112的位置设置有第二孔113，可以有效降低主体11的温度。
在某些实施方式中，至少两个第一孔112排布在内筒114及外筒115的靠近头部1111的位置。
具体地，主体11的截面为圆形或者椭圆形。第一孔112在主体11上的排列关于主体11的中心轴对称。以主体11的截面为圆形为例，内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上。排列的方式可以为N个内筒114的第一孔112以θN＝360°/N(N≥2，N为正整数，例如2，3，4)的角度间隔设置在内筒114的同一个圆周上，或/和，N个外筒115的第一孔112以θN＝360°/N(N≥2，N为正整数，例如2，3，4)的角度间隔设置在外筒115的同一个圆周上，也即是说，内筒114的第一孔112沿着内筒114的侧壁呈圆周排列，或/和，外筒115的第一孔112沿着外筒115的侧壁呈圆周排列。内筒114上的第一孔112的中心对称点可以与外筒115上的第一孔112的中心对称点重叠，也可以错开。例如，12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的同一个圆周上，12个外筒115的第一孔112以30°的间距设置在外筒115的同一个圆周上，同时内筒114的第一孔112的中心对称点可以与外筒115的第一孔112的中心对称点重叠。排列的方式还可以为多个内筒114的第一孔112为一组，多组内筒114的第一孔112以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，多个外筒115的第一孔112为一组，多组外筒115的第一孔112以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。具体地，一共有N个内筒114的第一孔112，每m个内筒114的第一孔112为一组，共M＝N/m组内筒114的第一孔112以θM＝360°/M(M为正整数，例如1，2，3，4；1＜m≤N，m为正整数，例如2，3，4)的角度设置在内筒114的同一个圆周上，或/和，一共有N个外筒115的第一孔112，每m个外筒115的第一孔112为一组，M＝N/m组外筒115的第一孔112以θM＝360°/M(M为正整数，例如1，2，3，4；1＜m≤N，m为正整数，例如2，3，4)的角度设置在外筒115的同一个圆周上。例如，60个内筒114的第一孔112，每5个内筒114的第一孔112为一组，共有12组。每组中的相邻两个内筒114的第一孔112的间距相等，间距为L1。相邻的两组内筒114的第一孔112的间距也相等，间距为L2。本发明实施例中，L2大于L1。12组内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的同一个圆周上，或/和，60个外筒115的第一孔112，每5个外筒115的第一孔112为一组，共有12组，12组外筒115的第一孔112以30°的间距设置在外筒115的同一个圆周上(如图2所示)。如此，使冷却气膜均匀覆盖在内筒114及外筒115的侧壁上，有利于散热冷却。
在其他实施方式中，内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上，或/和，外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上。主体11的不同圆周的直径可以相等，也可以不相等。每一个圆周中，第一孔112的排列方式可以为上述实施方式中的排列方式。也即是说，内筒114的第一孔112可以以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，外筒115的第一孔112可以以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上，也可以为多个内筒114的第一孔112为一组，多组内筒114的第一孔112以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，多个外筒115的第一孔112为一组，多组外筒115的第一孔112以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。仍以主体11的截面为圆形为例，N个内筒114的第一孔112以θN＝360°/N的角度设置在内筒114的圆周1上，N个内筒114的第一孔112以θN＝360°/N的角度设置在内筒114的圆周2上。在沿火焰筒10的轴向上，圆周1的第一孔112与圆周2的第一孔112可以同时设置在圆周对应的角度的位置上，也可以交错设置。例如，12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的圆周1上，12个内筒114的第一孔112以30°的间距设置在内筒114的圆周2上。圆周1上的12个第一孔112与圆周2上的12个第一孔112依次排列在内筒114的圆周1及圆周2的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°的位置上；或/和，圆周1上的12个内筒114的第一孔112依次排列在圆周1的0°(360°)、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°的位置上，圆周2上的12个内筒114的第一孔112依次排列在圆周2的15°、45°、75°、105°、135°、165°、195°、225°、255°、285°、315°、345°的位置上。外筒115的第一孔112排列在外筒115的方式与内筒114的第一孔112排列在内筒114的方式一样，在此不再赘述。其中，内筒114上的第一孔112的中心对称点可以与外筒115上的第一孔112的中心对称点重叠，也可以错开。内筒114的第一孔112以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上，或/和，外筒115的第一孔112以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上，增大冷却气膜覆盖在内筒114及外筒115的侧壁上的面积，有利于散热冷却。
在某些实施方式中，至少两个第二孔113排布在内筒114及外筒115的靠近尾部1112的位置。
具体地，主体11的截面为圆形或者椭圆形。第二孔113在主体11上的排列关于主体11的中心轴对称。至少两个第二孔113的排列方式可以参照上述实施方式所述的至少两个第一孔112的排列方式。具体地，内筒114的第二孔113以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，外筒115的第二孔113以一定的间距均匀排布在外筒116的同一个圆周上。内筒114的第二孔113也可以以一定的间距均匀排布在内筒114的不同圆周上，或/和，外筒115的第二孔113也可以以一定的间距均匀排布在外筒115的不同圆周上。主体11的不同圆周的直径可以相等，也可以不相等。每一个圆周中，内筒114的第二孔113可以以一定的间距均匀排布在内筒114的同一个圆周上(如图2所示)，或/和，外筒115的第二孔113可以以一定的间距均匀排布在外筒115的同一个圆周上，也可以为多个内筒114的第二孔113为一组，多组内筒114的第二孔113以一定的间距排布在内筒114的同一个圆周上，或/和，多个外筒115的第二孔113为一组，多组外筒115的第二孔113以一定的间距排布在外筒115的同一个圆周上。在沿火焰筒10的轴向上，内筒114的不同圆周的第二孔113可以同时设置在内筒114的不同圆周对应的角度的位置上，也可以交错设置，或/和，外筒115的不同圆周的第二孔113可以同时设置在外筒115的不同圆周对应的角度的位置上，也可以交错设置。如此，从尾部1112进入的气体与燃烧腔111内的高温气体掺混得更加充分，提高燃油的燃烧效率。
请参阅图3，在某些实施方式中，主体11还包括自外筒115和内筒114的侧壁向燃烧腔111延伸的挡板118，内筒114上的挡板118与内筒114的第一孔112的位置对应，且外筒115上的挡板118与外筒115的第一孔112的位置对应。各个挡板118为连续的层状结构。外筒115上的挡板118与外筒115的夹角，内筒114上的挡板118与内筒114的夹角均为锐角。内筒114上的挡板118与内筒114的第一孔112的位置对应，且外筒115上的挡板118与外筒115的第一孔112的位置对应，以引导从内筒114的第一孔112及外筒115的第一孔112进入燃烧腔111的气体的流动，从而使从内筒114的第一孔112及外筒115的第一孔112进入的气体在外筒115及内筒114的侧壁上形成气膜，以对外筒115及内筒114进行冷却。
请一并参阅图2及图3，在某些实施方式中，通孔110还包括形成有设置在内筒114及外筒115中间的位置上的至少两个第三孔119，第三孔119与补燃区对应。内筒114的至少两个第三孔119设置在内筒114的第一孔112与内筒114的第二孔113之间，或/和，外筒115的至少两个第三孔119设置在外筒115的第一孔112与外筒115的第二孔113之间。一方面温度较低的气体穿过内筒114及外筒115的第三孔119进入燃烧腔111，起到进一步冷却内筒114及外筒115的作用；另一方面，进入燃烧腔111的气体与来自头部1111的燃油及气体进一步混合，起到补充燃烧的作用。
请一并参阅图5及图6，在某些实施方式中，喷嘴20的数量为至少两个，至少两个喷嘴20环绕内筒114设置。具体地，Q个喷嘴20以θQ＝360°/Q(Q≥2，Q为正整数，例如2，3，4)的角度设置在内筒114与外筒115的相接处上。例如，12个喷嘴20以30°的间距设置在内筒114的圆周上。如此，设置在主体11头部的喷嘴20能均匀地向燃烧腔111内喷入燃油空气混合气体，从而使燃烧腔111内的燃油与混合气体燃烧的更加成分。喷嘴20与火焰筒10的连接方式包括但不限于融合、包覆、镶嵌、多点支撑，也可以为融合、包覆、镶嵌、多点支撑的组合。例如，火焰筒10的头部设置有多个安装槽，安装槽包裹整个喷嘴侧壁21以将喷嘴20固定在火焰筒10的头部；或安装槽仅包裹住喷嘴20的底部以将喷嘴20镶嵌在安装槽内。又例如，火焰筒10的内筒114及外筒115均设置有多个爪状支撑架，内筒114上的爪状支撑架沿喷嘴侧壁21延伸并抵持住喷嘴底壁26，外筒115上的爪状支撑架沿喷嘴侧壁21延伸并抵持住喷嘴顶壁25，如此，以将喷嘴20固定在火焰筒10的头部。
请一并参阅图1及图3，在某些实施方式中，燃烧组件100还包括涡轮导叶30，涡轮导叶30设置在尾部1112，且连接内筒114与外筒115，涡轮导叶30位于火焰筒10与涡轮300之间，涡轮导叶30与火焰筒10融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。
涡轮导叶30的作用是使高温高压的气体工质(实现热、功转换的工作物质)加速膨胀，获得动能以推动涡轮300的动叶310做功，同时工质膨胀后温度降低，可改善动叶310进口工质的条件，提高涡轮300的动叶310的寿命和安全性。
具体地，涡轮导叶30包括第一连接端31、第二连接端32、及气膜孔33。第一连接端31与外筒115的靠近尾部1112的位置连接，第二连接端32与内筒114的靠近尾部1112的位置连接。涡轮导叶30内部为中空结构。气膜孔33的数量为至少两个。至少两个气膜孔33以阵列的形式排列在涡轮导叶30靠近燃烧腔111的一侧。气膜孔33连通涡轮导叶30的内部及涡轮导叶30的外界。涡轮导叶30的内部通有冷却空气，冷却空气从气膜孔33喷出较低温空气，从而在涡轮导叶30的表面形成气膜，以对涡轮导叶30进行冷却保护并降低燃烧腔111的出口气体的温度。在某些实施方式中，至少两个气膜孔33以阵列的形式排列在涡轮导叶30靠近涡轮300的一侧，靠近燃烧腔111一侧的气膜孔33的数量大于靠近涡轮300一侧的气膜孔33的数量，如此，以进一步地对涡轮导叶30进行冷却保护并降低燃烧腔111的出口气体的温度。
本发明实施方式的发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法，还包括以下步骤：
将火焰筒10及涡轮导叶30融合为一个整体，通过增材制造技术一体化设计及制造火焰筒10和涡轮导叶30。火焰筒10包括主体11，主体11形成有燃烧腔111，燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112，气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。涡轮导叶30设置在尾部1112，且连接内筒114与外筒115。也即是说，将涡轮导叶30和火焰筒10融合为一个部件。
本发明利用增材制造技术对发动机1000的燃烧组件100进行一体化设计及制造，将火焰筒10及涡轮导叶30融合为一个整体，可以简化燃烧组件100的结构，减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
请参阅图3，在某些实施方式中，内筒114还包括环形底座1141，底座1141与第二连接端32连接。底座1141上设置有安装孔1142。安装孔1142用于安装涡轮300。由轴套500包裹的连接轴400从内腔116穿设出来与涡轮300连接。如此，底座1141增加了火焰筒10的支撑强度，以更好地支撑涡轮导叶30及涡轮300。在本发明实施例中，安装孔1142的数量为三个，当然，在其他实施方式中，安装孔1142的数量不限于3个，比如2个，4个或者更多。
请一并参阅图7及图8，在某些实施方式中，燃烧组件100还包括燃油管路40，燃油管路40设置在外筒115的侧壁上，燃油管路40与火焰筒10融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。燃油管路40在燃烧组件100工作时起到预热、蒸发燃油的效果，即起到燃油预热蒸发管的作用。同时，燃油管路40还对薄壁结构的外筒115起到增加强度的效果，即起到外筒115加强筋的作用。
具体地，燃油管路40包括主管41、分配腔42、及支管43。
主管41设置在外筒115的侧壁上，沿头部1111指向尾部1112的方向延伸。主管41的一端用于连接外部燃油源。在本发明实施例中，主管41的数量为一条，当然，在其他实施方式中，主管41的数量也可以是多条。
分配腔42沿垂直于头部1111指向尾部1112的方向延伸且与主管41的另一端连通。分配腔42环绕设置在外筒115上。
支管43沿头部1111指向尾部1112的方向延伸，支管43的一端与分配腔42连通，另一端与喷嘴20连通。支管43设置在外筒115的内侧面上。支管43的数量为至少两条。支管43的数量与喷嘴20的数量相等且位置对应。至少两条支管43以θW＝360°/W(W≥2，W为正整数，例如2，3，4)的角度设置在外筒115上。从外部燃油源输入的燃油经过主管41时预热、蒸发，然后通过分配腔42进入多条支管43，在经过多条支管43时进一步蒸发，然后进入喷嘴20。
本发明实施方式的发动机1000的燃烧组件100的一体化设计与制造方法，还包括以下步骤：
将火焰筒10及燃油管路40融合为一个整体，通过增材制造技术一体化设计及制造火焰筒10和燃油管路40。火焰筒10包括主体11，主体11形成有燃烧腔111，燃烧腔111包括相背的头部1111和尾部1112，气体从头部1111进入火焰筒10且从尾部1112流出火焰筒10。燃油管路40设置在外筒115的侧壁上。燃油管路40包括主管41、分配腔42、及支管43。主管41沿头部1111指向尾部1112的方向延伸，主管41的一端用于连接外部燃油源。分配腔42沿垂直于头部1111指向尾部1112的方向延伸且与主管41的另一端连通。支管43沿头部1111指向尾部1112的方向延伸，支管43的一端与分配腔42连通，另一端喷嘴20连通。也即是说，将燃油管路40和火焰筒10融合为一个部件。
本发明利用增材制造技术对发动机1000的燃烧组件100进行一体化制造，将火焰筒10及燃油管路40融合为一个整体，可以简化燃烧组件100的结构，减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
在某些实施方式中，喷嘴20与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造；或/和，涡轮导叶30与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造；或/和，燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造。具体地，喷嘴20、涡轮导叶30、燃油管路40可以同时与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造；或先将喷嘴20及燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造，再将由增材制造技术制造的涡轮导叶30组装到火焰筒10上；或先将涡轮导叶30及燃油管路40与火焰筒10通过增材制造技术一体化设计及制造，再将由增材制造技术制造的喷嘴20组装到火焰筒10上。
本发明利用增材制造技术对发动机1000的燃烧组件100进行一体化设计及制造，将火焰筒10及喷嘴20、涡轮导叶30、及燃油管路40融合为一个整体，可以简化燃烧组件100的结构，减少燃烧组件100各部件之间的支撑和连接结构，便于加工，有利于减重，提高可靠性，降低加工及维护成本。
请一并参阅图9、图10及图11，在某些实施方式中，根据振动特性、强度、热变形等要求将火焰筒10设计为一段或多段，也即是说，火焰筒10为一段式结构或火焰筒10为多段式结构。多段指两段或者两段以上。
具体地，通过增材制造技术一体化同时制造喷嘴20、涡轮导叶30、燃油管路40、及火焰筒10，此时火焰筒10为一段式结构。
两段式结构火焰筒10包括第一段12及第二段13。头部1111形成在第一段12，第一段12形成有与头部1111相背的第一开口121，第一段12的外壁上形成有凹槽122。尾部1112形成在第二段13，第二段13形成有与尾部1112相背的第二开口131，第二段13的外壁上形成有凸起132，凸起132与凹槽122配合以连通第一开口121及第二开口131(如图12所示)。凹槽122的数量可以为多个，凸起132的数量与凹槽122数量相等且位置对应。凹槽122以θR＝360°/R(R≥2，R为正整数，例如2，3，4)的角度设置在第一段12靠近第一开口121的位置，凸起132以θR＝360°/R的角度设置在第二段13靠近第二开口131的位置。例如，3个凹槽122分别以120°间隔设置在第一段12靠近第一开口121的位置，3个凸起132对应地设置在第二段13靠近第二开口131的位置。
请参阅图10，在某些实施方式中，在第一段12上靠近第一开口121的位置形成有定位块123。定位块123的数量为至少两个。在组装第一段12与第二段13时，定位块123抵持住第二段13，便于将第二段13的凸起132卡进第一段12的凹槽122中。
多段式火焰筒10的结构与上述实施方式中的两段式火焰筒10的结构类似。将火焰筒10设计为多段，具有以下有益效果：
1.从振动特性的角度：将火焰筒10分段设计，容易根据火焰筒10的振动特性要求的改变火焰筒10的固有频率，从而在工程上为燃烧腔111设计过程中解决热声振荡问题提供了快捷有效的手段。
2.从强度和刚度的角度：将火焰筒10分段设计，可以改变火焰筒10整体的刚性约束条件，降低结构整体的刚度，有利于降低火焰筒10受外载荷时的应力水平，提高寿命。
3.从热变形和热应力的角度：火焰筒10在工作状态时，要承受高温而发生热变形，当热变形受到约束时，则会产生热应力。将火焰筒10分段设计，可以改变火焰筒10发生热变形时的刚性约束条件，有助于降低火焰筒10工作状态时的热应力水平，提高寿命。
本发明实施方式的增材制造技术的流程为：
将三维CAD设计图纸保存为增材制造设备切片软件能够识别的格式，将文件导入切片软件进行切片，3D打印机执行切片软件生成的代码，进行3D打印。
本发明实施方式的增材制造技术的一体化设计与制造方法是激光选区熔化：通过切片软件对零件三维CAD模型进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，将高能量激光束聚焦在需要成形的区域，逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，以完成增材制造。本发明实施方式的金属材料为钛合金、镍合金等。
具体地，本发明实施方式的增材制造技术的流程包括以下步骤：
1.根据发动机1000总体设计给出的燃烧组件100进出口参数要求，确定燃烧组件100的尺寸，完成宏观轮廓设计；
2.根据燃烧组件100进口气动要求，设计扩压器220及燃烧组件100头部的形状；
3.根据燃烧组织方式和气动要求，确定喷嘴20的类型和尺寸参数，将喷嘴20和火焰筒10进行一体化设计，通过多种连接方式将喷嘴20和火焰筒10融合为一个部件。
4.根据火焰筒10的壁面冷却要求，设计火焰筒10冷却结构，例如内筒114的第一孔112、外筒115的第一孔112、内筒114的第二孔113、外筒115的第二孔113、挡板118；
5.根据气体流量分配要求，确定内筒114的第一孔112、外筒115的第一孔112、内筒114的第二孔113、外筒115的第二孔113等开孔位置、大小、数量和间距；
6.根据燃油分配要求，设计主管41和与各个喷嘴20连通的支管43，并将燃油管路40和火焰筒10进行一体化设计，通过多种连接方式将燃油管路40和火焰筒10融合为一个部件；
7.根据涡轮300的工作要求设计涡轮导叶30，并将涡轮导叶30和火焰筒10进行一体化设计，将涡轮导叶30和火焰筒10融合为一个部件；
8.根据燃烧组件100振动特性、强度、热变形等要求，将火焰筒10设计为两段或多段；
9.对上述步骤完成的设计模型进行数值模拟，分析燃烧组件100的流动、传热等特性，并通过模拟结果对模型设计参数进行优化调整；
10.对上述步骤完成的模型进行一体化增材制造。
综上，本发明实施方式的发动机1000的燃烧组件100及发动机1000具有以下有益效果：
1.简化燃烧组件100的结构，减少喷嘴20、涡轮导叶30、燃油管路40与火焰筒10的连接及支撑结构，显著减轻燃烧组件100的整体重量；
2.通过增材制造技术一体化成型使燃烧组件100的结构更简单，在保证发动机1000的燃烧性能的同时，燃烧组件100的结构稳定性好；
3.有利于改善燃烧组件100的流动结构，降低燃烧组件100的流阻损失，提高燃烧组件100的整体性能；
4.通过增材制造技术一体化成型使燃烧组件100的制造成本大幅降低，同时降低后期维护成本；
5.减少设计、制造、实验的中间环节，简化流程，缩短研发周期。
在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种发动机的燃烧组件，其特征在于，所述燃烧组件包括：
火焰筒，所述火焰筒包括主体，所述主体形成有燃烧腔，所述主体上开设有通孔，所述通孔连通所述燃烧腔与所述火焰筒的外界，所述燃烧腔包括相背的头部和尾部，气体从所述头部及所述通孔进入所述火焰筒且从所述尾部流出所述火焰筒；和
喷嘴，所述喷嘴设置在所述头部，所述喷嘴与所述火焰筒融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。
2.根据权利要求1所述的燃烧组件，其特征在于，所述主体包括内筒和外筒，所述内筒位于所述外筒内，且所述内筒与所述外筒之间形成所述燃烧腔，所述喷嘴连接所述内筒与所述外筒。
3.根据权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述燃烧组件还包括涡轮导叶，所述涡轮导叶设置在所述尾部，且连接所述内筒与所述外筒，所述涡轮导叶与所述火焰筒融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造。
4.根据权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述燃烧组件还包括燃油管路，所述燃油管路设置在所述外筒的侧壁上，所述燃油管路与所述火焰筒融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造，所述燃油管路包括：
主管，所述主管沿所述头部指向所述尾部的方向延伸，所述主管的一端用于连接外部燃油源；
分配腔，所述分配腔沿垂直于所述头部指向所述尾部的方向延伸且与所述主管的另一端连通；和
支管，所述支管沿所述头部指向所述尾部的方向延伸，所述支管的一端与所述分配腔连通，另一端与所述喷嘴连通。
5.根据权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述喷嘴的数量为至少两个，至少两个所述喷嘴环绕所述内筒设置，所述喷嘴包括喷嘴侧壁及设置在所述喷嘴侧壁内的至少两个中空的螺旋管，至少两个所述螺旋管连通所述火焰筒的外界与所述燃烧腔，所述喷嘴侧壁与所述螺旋管的侧壁共同形成喷油腔。
6.根据权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述通孔包括至少两个排布在所述内筒及所述外筒的靠近所述头部位置的第一孔，所述主体还包括自所述外筒和所述内筒的侧壁向所述燃烧腔延伸的挡板，所述挡板与所述第一孔的位置对应。
7.根据权利要求2所述的燃烧组件，其特征在于，所述通孔还包括至少两个排布在所述内筒及所述外筒的靠近所述尾部位置的第二孔。
8.根据权利要求1所述的燃烧组件，其特征在于，所述火焰筒为一段式结构；或
所述火焰筒包括：
第一段，所述头部形成在所述第一段，所述第一段形成有与所述头部相背的第一开口，所述第一段的外壁上形成有凹槽；和
第二段，所述尾部形成在所述第二段，所述第二段形成有与所述尾部相背的第二开口，所述第二段的外壁上形成有凸起，所述凸起与所述凹槽配合以连通所述第一开口及所述第二开口。
9.一种发动机，其特征在于，包括：
如1-8任意一项所述的燃烧组件；
靠近所述头部设置的扩压组件；
靠近所述尾部设置的涡轮；和
连接轴，所述连接轴穿设所述火焰筒并连接所述扩压组件与所述涡轮。
10.一种发动机的燃烧组件的一体化设计与制造方法，其特征在于，包括步骤：
将所述火焰筒与所述喷嘴融合为一个整体，通过增材制造技术一体化制造火焰筒和喷嘴，所述火焰筒包括主体，所述主体形成有燃烧腔，所述主体上开设有通孔，所述通孔连通所述燃烧腔与所述主体的外部，所述燃烧腔包括相背的头部和尾部，气体从所述头部及所述通孔进入所述火焰筒且从所述尾部流出所述火焰筒，所述喷嘴设置在所述头部。
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