CN109340824A - 一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面 - Google Patents

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张群
刘强
李程镐
曹婷婷
杨福正
海涵
王鑫
张鹏
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明提供了一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，火焰筒壁面沿周向均匀分布着一种倾斜穿透且凹入火焰筒内壁面的冷却槽通道，通道的截面为梯形，通道前半部分与火焰筒内壁成一锐角，后半部分与火焰筒内壁平行。与现有火焰筒壁面结构相比较，采用本发明优点在于：冷却气流流过通道后，能够在火焰筒内壁形成一层均匀、前后连接紧密的冷却气膜，冷却效率高，且冷却槽通道不易堵塞，不易造成局部过热，大大提高燃烧室的工作寿命。且结构简单，易于加工制造，在实际工作中具有重大应用价值。

Description

一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面的高效冷却方式。
背景技术
燃烧室的主燃区燃气温度可高达2400K,是燃气轮机的最高温度区，而目前火焰筒壁金属材料正常工作温度不超过1300K,材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作,因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却,以防止火焰筒被烧坏而降低燃烧室寿命,进而降低发动机寿命。因此，未用于燃烧的空气，大约占60％的总空气流量，被逐渐引入火焰筒。这部分空气大约有三分之一用来在稀释区降低燃气的温度，然后再进入涡轮，而其余的空气则用来冷却火焰筒的壁面。实现这一点借助于一薄层冷却空气沿火焰筒壁的内表面流动，将火焰筒壁面与热燃气隔开。目前用于燃气轮机火焰筒的基本冷却方式主要有气膜冷却、发散冷却、冲击发散组合冷却、层板冷却等,在气膜孔形状方面，研究人员进行了大量的研究，研究结果表明，与传统的圆柱形直孔相比，改善气膜孔形状可以有效地提升气膜冷却效果。传统气膜冷却结构的火焰筒壁消耗冷却气量相对较多，沿火焰筒轴向下游冷却气浪费严重，导致整机效率降低较大；火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，导致占用燃烧室较多的燃烧容积；沿火焰筒轴向迅速下降，导致较高的火焰筒壁温梯度，产生较高的热应力。
多斜孔冷却又称全覆盖气膜冷却、致密微孔壁冷却、开孔壁冷却等，其原理是在火焰筒壁上打出大量的倾斜小孔，冷却空气通过数量众多的倾斜小孔在火焰筒壁的热侧形成全覆盖气膜。相对于常规气膜冷却来说，多斜孔冷却的冷却孔密集得多，孔径也小得多，在热侧形成的气膜更均匀，对火焰筒壁面的覆盖更完全，从而明显地提高冷却效果，可节省40％的冷却气量，综合冷却效率可达90％。但是其缺点也非常明显，由于多斜孔冷却结构的气流孔孔径太小，燃烧所生成的生成物颗粒容易堵塞小孔，使得火焰筒局部区域过热，导致火焰筒被烧蚀。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，在不改变较多火焰筒质量的前提下，能够在燃烧室火焰筒内壁面生成一层流动稳定，压力损失小，与火焰筒内壁面贴附好，分布更加均匀，湍流强度低的冷却气膜，同时还能更好的减小壁面的热应力，防止局部过热，冷却效果好，在实际涡轮发动机中具有很高的应用价值。
技术方案
本发明技术方案如下：
所述具有凹形冷却槽结构的火焰筒壁面，其特征在于：所述火焰筒壁面沿周向均匀分布着一种凹入火焰筒壁面的梯形槽通道，通道前半段为倾斜的，倾斜部分倾斜角度为20-35度，长度为5-20mm，后半段平行于火焰筒壁面，长度为5-10mm。
所述具有凹形冷却槽结构的火焰筒壁面，其特征在于：槽通道的截面是一梯形，通道宽度为5-15mm，冷却槽通道的壁厚与火焰筒壁厚相同。火焰筒同轴向位置的相邻两个冷却槽通道的间距为通道宽度的0.5-3倍。
所述具有凹形冷却槽结构的火焰筒壁面，其特征在于，从火焰筒壁面的法向方向看，通道孔的中心线和火焰筒的中轴线的投影所形成的夹角中的锐角称为掺混角，该掺混角的变化范围为0-90度。在火焰筒轴向同一位置处的冷却槽通道具有相同的形状和相互间距，在火焰筒不同轴向位置处的倾斜通道可以有不同的宽度和间距，在火焰筒轴向相邻的槽通道可以采用错位排列，也可以依次排列，沿火焰筒轴向相邻的通道间距根据在火焰筒不同的轴向位置而有所差别。
本发明具有以下有益效果：
该发明的优点是这种凹形冷却槽通道的冷却效率高，结构简单，冷却气量的流量系数大，火焰筒质量改变不大，当冷却气体因火焰筒内外的压差从槽通道流入火焰筒后，经通道后部的平行于火焰筒内壁的流道作用使冷却气膜与火焰筒内壁贴合紧密，分布更加均匀，沿火焰筒轴向方向的前后相邻的槽通道相互配合能使冷却气体的利用率增加，提高冷却效率，并且冷却气膜分布均匀，大大降低火焰筒轴向的温度梯度差，不会出现局部过热现象，由于槽通道孔径较大，也不会造成通道堵塞。
附图说明
图1：凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面的整体图
图2：凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面的侧视图
图3：凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面的前视图
图4：凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面的俯视图
图中：1-火焰筒壳体2-凹形冷却槽通道
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1至图4，本发明提供了一种新的能够有效提高冷却气膜质量的燃烧室火焰筒壁面的冷却结构设计。图1为带有该凹形冷却槽结构燃烧室火焰筒壁面的整体图，图2为燃烧室火焰筒壁面的侧视图，图3为燃烧室火焰筒壁面的前视图，图4为燃烧室火焰筒壁面的俯视图，结合图3可以看出，冷却槽通道截面为一梯形，通道倾斜凹入火焰筒内部，冷却槽通道的前半部与火焰筒壳体成一锐角，后半部分与火焰筒壁面平行。
根据图一所示的具有凹形冷却槽通道(2)的火焰筒壁面(1)，冷却气流由冷却槽通道(2)流入后，流体的压力损失小，冷却气流的流量系数大。经由与火焰筒壁面(1)平行的后部通道作用，使得冷却气膜与火焰筒内壁面(1)的贴合效果好，气膜的厚度也更均匀，气膜的流动状态也更加稳定，气膜的冷却效果好。另外，沿火焰筒轴向前后相邻的冷却槽通道(2)可以采用错位排列，使前后相邻的冷却槽通道(2)产生的气膜有相互补偿的效果，增强气膜的冷却效果。

Claims (4)

1.一种具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：火焰筒壁面沿周向均匀分布着一种凹入火焰筒内壁面的槽通道，通道的截面为梯形，通道前半部分与火焰筒内壁成一锐角，后半部分与火焰筒内壁平行。
2.根据权利要求1所述的具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：冷却槽通道与火焰筒壳体是一体的，槽通道壁厚与火焰筒壁厚相同，通道前半段与火焰筒内壁成一锐角，角度为20-35度，长度为5-20mm，后半段平行于火焰筒壁面，长度为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：从火焰筒壁面的法向方向看，通道的中心线和火焰筒的中轴线的投影所形成的夹角中的锐角称为掺混角，该掺混角的变化范围为0-90度，在火焰筒轴向同一位置处的槽通道具有相同的形状和相互间距，在火焰筒不同轴向位置处的槽通道可以有不同的宽度和间距，其具体数值由实际情况确定。
4.根据权利要求1所述的具有凹形冷却槽结构的燃烧室火焰筒壁面，其特征在于：槽通道的中心线和火焰筒的中轴线的投影所形成的掺混角应随着火焰筒不同部位而变化，且沿火焰筒轴向方向，前后相邻的槽通道间的距离也应随着火焰筒的部位而改变，以保证冷却效果最佳。
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