CN108626751B - 火焰筒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃烧室的火焰筒，该燃烧室包括外机匣和内机匣，该火焰筒位于该外机匣和该内机匣之间，该火焰筒的外环火焰筒壁和内环火焰筒壁皆为双层结构，该双层结构中靠近燃气侧的一层为承温壁，另一层为承力壁，该火焰筒的头部设有帽罩，该帽罩固定至该外机匣，该承温壁在前端部分具有台阶部，该台阶部与该帽罩连接，以使该承温壁形成该双层结构中的固定件，并在该帽罩与该承温壁之间形成环形槽，该承力壁的前端部分位于该环形槽内，以使该承力壁形成该双层结构中能在轴向和周向自由膨胀的自由浮动结构。

Description

火焰筒

技术领域

本发明涉及航空发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，尤其涉及一种航空发动机燃烧室双层壁火焰筒的冷却结构。

背景技术

随着发动机推重比不断提高，燃烧室的温升也不断提高，高温升、高热容燃烧室壁面的强化冷却面临着非常突出的矛盾：一方面，燃烧室温升的增加，使得参与燃烧的空气量随之增加而导致用于冷却的空气量减少；另外，压气机出口温度的提高又使得用于冷却火焰筒壁面的空气温度上升而导致冷却潜力下降，同时寿命、可靠性及全寿命周期维护成本控制等要求更加严格。

传统单一的冷却形式己经不能满足使用需求，为了进一步降低火焰筒壁温，采用了冲击发散的双层壁复合冷却结构，能有效降低了火焰筒壁温，提高火焰筒寿命，尤其是采用浮动瓦块形式的冲击发散冷却结构，在军、民发动机上都获得了广泛应用。美国普惠(P&W)公司于上世纪七十年代开始使用浮动壁冷却结构，浮动壁结构的典型代表机型有V2500、PW4084、PW6000等主燃烧室火焰筒。

浮动瓦块形式主要用于解决双层壁火焰筒的承温壁与承力壁变形不协调的问题，但是浮动瓦块形式同样存在一些问题，比如瓦块连接可靠性问题、连接螺栓的冷却问题、瓦块与瓦块之间存在的间隙导致承力壁暴露在燃气中等等，因此，为了更好的发展冲击发散的双层壁复合冷却结构，必须采用一定的技术来解决双层壁火焰筒的承温壁与承力壁变形不协调的问题，同时不带来新的问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于燃烧室的火焰筒，该燃烧室包括外机匣和内机匣，该火焰筒位于该外机匣和该内机匣之间，该火焰筒的外环火焰筒壁和内环火焰筒壁皆为双层结构，该双层结构中靠近燃气侧的一层为承温壁，另一层为承力壁，该火焰筒的头部设有帽罩，该帽罩固定至该外机匣，该承温壁在前端部分具有台阶部，该台阶部与该帽罩连接，以使该承温壁形成该双层结构中的固定件，并在该帽罩与该承温壁之间形成环形槽，该承力壁的前端部分位于该环形槽内，以使该承力壁形成该双层结构中能在轴向和周向自由膨胀的自由浮动结构。

在一实例中，该承力壁沿周向呈波状结构，以使该承力壁能在周向上自适应地伸缩。

在一实例中，该承温壁在面向该承力壁的一侧上设有沿轴向延伸的若干突起的脊部，用于支撑该承力壁并在该承力壁与该承温壁之间获得间隙。

在一实例中，该承温壁上的各个脊部分别与波浪形结构的该承力壁的波谷位置相接以支撑该承力壁。

在一实例中，该脊部在火焰筒轴向上呈连续或断续地延伸。

在一实例中，该承温壁的末端部分在面向该承力壁的一侧上绕周向设有凸台，该凸台在周向上呈波状结构，该凸台的波状结构与该承力壁的波状结构相匹配，以使得该承温壁的末端部分上的该凸台与该承力壁相贴合。

在一实例中，该凸台中设有沿轴向穿过该凸台的多个冷却孔。

在一实例中，该承温壁的该凸台上设有至少一个凸起部，该承力壁上设有相应的凹槽以与该凸起部相配合。

在一实例中，该承温壁和该承力壁上皆设有冷却孔。

在一实例中，该承温壁的该台阶部的高度设置为使得火焰筒冷态情况下该环形槽在容纳该承力壁的前端部分之后仍有一定间隙，而火焰筒工作状态下该环形槽在容纳该承力壁的前端部分之后没有间隙。

在本发明中，通过将双层结构的火焰筒壁中的承温壁设置为固定件，将承力壁设置为可轴向及周向自由膨胀的浮动结构，解决了双层壁火焰筒承力壁与承温壁轴向及周向方向的冷热态匹配问题。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了根据本发明的一方面的使用双层壁火焰筒的燃烧室的自误截面视图；

图2示出了图1中的火焰筒的外环火焰筒壁的截面视图；

图3示出了图2中的局部放大图A；

图4a示出了图2中的火焰筒的AA-AA截面图；

图4b示出了图4a中的局部放大图B；

图5示出了图2中的局部放大图C；

图6a示出了图2中的火焰筒的AB-AB截面图；以及

图6b示出了图6a中的局部放大图D。

符号说明

1：燃烧室

11a：外机匣

11b：内机匣

12a、12b：承力壁

121：凹槽

122：冷却孔

13a、13b：承温壁

131：台阶部

132：环形槽

133：脊部

134：凸台

1341：凸起部

1342：冷却孔

14：帽罩

141：螺栓

142：定位销

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1是示出了根据本发明的一方面的使用双层壁火焰筒的燃烧室1的子午截面视图。

如图1所示，燃烧室1由外机匣11a和内机匣11b构成，外机匣11a和内机匣11b在燃烧室1的头部汇合构成嘴部111。气流从嘴部111进入燃烧室1的内部。在嘴部111附近还设有扩压器以用于对气流扩压。

火焰筒设置在外机匣11a和内机匣11b之间的燃烧室1内部空间内。火焰筒的火焰筒壁分为外环火焰筒壁和内环火焰筒壁，皆为双层结构，其中靠近燃气侧的一层为承温壁，另一层为承力壁。具体而言，外环火焰筒壁包括承温壁13a和承力壁12a，内环火焰筒壁也包括承温壁13b和承力壁12b。

火焰筒的头部设有帽罩14，一方面，帽罩14固定至内外环火焰筒壁，另一方面帽罩14固定至外机匣11a。在图中所示的实例中，帽罩14可通过螺栓141与火焰筒固定连接，以及通过定位销142与外机匣11a固定连接。

进入燃烧室的气流分为三股，如图中的三个粗箭头所示，从上往下依次是外环腔冷气、火焰筒头部空气、以及内环腔冷气。内外环火焰筒壁的承温壁和承力壁上皆设有冷却孔，部分外环腔冷气和内环腔冷气分别通过火焰筒内外环承力壁与承温壁上开设的冷却孔进入火焰筒内。

由于内环火焰筒壁和外环火焰筒壁的结构关于两者间的同心圆周对称，因此以下仅具体描述外环火焰筒壁的双层结构，且以下的外环火焰筒壁的承温壁13a和内环火焰筒壁的承温壁13b统称为承温壁13，外环火焰筒壁的承力壁12a和内环火焰筒壁的承力壁12b统称为承力壁12。

图2示出了图1中的火焰筒的外环火焰筒壁的截面视图，图3示出了图2中的局部放大图A。从图中可以看出，承温壁13在前端部分具有台阶部131，台阶部131与帽罩14连接。由于帽罩14通过定位销142与外机匣11a固定连接，因此承温壁13构成双层结构中的固定件。

由于台阶部131的存在，在承温壁13与帽罩14之间形成环形槽132。承力壁12的前端部分位于环形槽132内。承力壁12为可轴向及周向自由膨胀件，环形槽132提供了承力壁12在轴向及周向膨胀的空间，由此承力壁12形成双层结构中能在轴向和周向自由膨胀的自由浮动结构。

在一实例中，承温壁13的台阶部131的高度设置为保证火焰筒在冷态情况下环形槽132在容纳了承力壁12的前端部分之后仍有一定间隙，另一方面保证火焰筒在工作状态下环形槽132在容纳了承力壁12的前端部分之后没有间隙。承力壁12的前端部分距离承温壁13的台阶部131有一段间隙，也提供了承力壁12在轴向上的膨胀空间。

在本发明中，考虑到火焰筒压力脉动的影响，由于承力壁12的温度与承温壁13的温度相比较低，其轴向膨胀量也相对较小，因此结构能够有效的释放轴向应力。

图4a示出了图2中的火焰筒的AA-AA截面图，图4b示出了图4a中的局部放大图B。

承力壁12沿周向呈波状结构，该结构使得承力壁12能在周向上自适应地伸缩，从而在周向上具有较大的膨胀余量。承温壁13在面向承力壁12的一侧上设有沿轴向延伸的若干突起的脊部133，可用于支撑承力壁12并在承力壁12与承温壁13之间获得间隙。脊部133的存在同时增大了承温壁13的换热面积，强化了冷却效果。

在图中所示的实例中，承温壁13上的各个脊部133分别与波浪形结构的承力壁12的波谷位置相接以支撑承力壁12。在一实例中，脊部在火焰筒轴向上呈连续或断续地延伸。

由于承力壁12的温度与承温壁13的温度相比较低，承力壁12的径向膨胀量也相对较小，导致周向应力较大，通过脊部133支撑承力壁12，而波浪型结构的承力壁12可以自适应性的扩大或者缩小，从而能够有效扼释放周向应力。

图5示出了图2中的局部放大图C，图6a示出了图2中的火焰筒的AB-AB截面图，以及图6b示出了图6a中的局部放大图D。

为了保证火焰筒末段的密封性，承温壁13的末端部分在面向承力壁12的一侧上绕周向带有凸台134，凸台134在周向上呈波状结构，且凸台134的波状结构与承力壁12的波状结构相匹配，以使得承温壁13的末端部分上的凸台134与承力壁12相贴合。

在一实例中，承温壁13的该凸台134上设有至少一个凸起部1341，承力壁12上设有相应的凹槽121以与凸起部1341相配合，此处配合保证过盈配合。由此保证了密封性，同时能防止承力壁12转动。实践中，凸起部1341可具有一定的倒圆角，方便装配。

凸台134中设有沿轴向穿过凸台134的多个冷却孔1342，这些冷却孔1342可用于强化凸台134处的冷却效果。此外，如前所述，承力壁12和承温壁上皆设有冷却孔。因此，在承力壁12末段的冷却孔122在用于冲击冷却承温壁12末段的同时，以上两股冷却气汇合后通过承力壁12和承温壁13之间形成的环形槽排出，可用于冷却高压涡轮一级导叶缘板。

在本发明中，通过将双层结构的火焰筒壁中的承温壁设置为固定件，将承力壁设置为可轴向及周向自由膨胀的浮动结构，解决了双层壁火焰筒承力壁与承温壁轴向及周向方向的冷热态匹配问题。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种用于燃烧室的火焰筒，所述燃烧室包括外机匣和内机匣，所述火焰筒位于所述外机匣和所述内机匣之间，所述火焰筒的外环火焰筒壁和内环火焰筒壁皆为双层结构，所述双层结构中靠近燃气侧的一层为承温壁，另一层为承力壁，所述火焰筒的头部设有帽罩，所述帽罩固定至所述外机匣，其特征在于，所述承温壁在前端部分具有台阶部，所述台阶部与所述帽罩连接，以使所述承温壁形成所述双层结构中的固定件，并在所述帽罩与所述承温壁之间形成环形槽，所述承力壁的前端部分位于所述环形槽内，以使所述承力壁形成所述双层结构中能在轴向和周向自由膨胀的自由浮动结构。

2.如权利要求1所述的火焰筒，其特征在于，所述承力壁沿周向呈波状结构，以使所述承力壁能在周向上自适应地伸缩。

3.如权利要求2所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁在面向所述承力壁的一侧上设有沿轴向延伸的若干突起的脊部，用于支撑所述承力壁并在所述承力壁与所述承温壁之间获得间隙。

4.如权利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁上的各个脊部分别与波浪形结构的所述承力壁的波谷位置相接以支撑所述承力壁。

5.如权利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述脊部在火焰筒轴向上呈连续或断续地延伸。

6.如权利要求2所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁的末端部分在面向所述承力壁的一侧上绕周向设有凸台，所述凸台在周向上呈波状结构，所述凸台的波状结构与所述承力壁的波状结构相匹配，以使得所述承温壁的末端部分上的所述凸台与所述承力壁相贴合。

7.如权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，所述凸台中设有沿轴向穿过所述凸台的多个冷却孔。

8.如权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁的所述凸台上设有至少一个凸起部，所述承力壁上设有相应的凹槽以与所述凸起部相配合。

9.如权利要求1所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁和所述承力壁上皆设有冷却孔。

10.如权利要求1所述的火焰筒，其特征在于，所述承温壁的所述台阶部的高度设置为使得火焰筒冷态情况下所述环形槽在容纳所述承力壁的前端部分之后仍有一定间隙，而火焰筒工作状态下所述环形槽在容纳所述承力壁的前端部分之后没有间隙。

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