CN109340826A - 一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构 - Google Patents

一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构 Download PDF

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张群
李程镐
刘强
杨福正
曹婷婷
寇睿
李承钰
宋亚恒
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    • 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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Abstract

本发明提供了一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，由冲击孔壁和发散孔壁组成，冲击孔壁上均匀分布一定形状的小直径孔即冲击孔，发散孔壁上表面有波纹状凹槽与异形孔结构。本发明的冷却结构，采用“冲击冷却”加“发散孔冷却”的复合微小孔冷却结构，并采用了压窝板结构和复合异形孔结构，“冲击冷却”加“发散孔冷却”的复合冷却结构压力损失小，冷却效率高，压窝板结构的粗糙靶板构型可以显著增大平均换热系数，复合异形孔结构降低小孔出流平均速度，增强扩散能力，从而增强了冷却效果，使冷却气流的冷却能力更好的发挥，提高火焰筒表面耐热强度和使用寿命。

Description

一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种利用双层复合冷却的火焰筒壁面结构。
背景技术
随着涡轮发动机性能的提升，发动机的压比和燃烧室温升也逐渐提高，这就使火焰筒壁面承受更大的热负荷。燃烧用气量增加然而进气量不变，所以冷却用气量只能减少。而火焰筒壁面热负荷也在增加，这就需要采用更先进的冷却方式，用更少的冷气量达到更好的冷却效果。
传统的火焰筒壁一般采用发散冷却、气膜冷却、冲击气膜冷却等冷却方式，结构也多为单层壁结构，基本原理都是冷空气从燃烧室的内外环腔通过各种孔缝进入火焰筒，并在其内壁形成气膜，以起到冷却效果。传统的冷却结构总体冷却效率低，已经不能很好适应当今涡轮发动机热负荷增大，冷气量减少的现状。近年来，微小孔冷却技术已经成为先进涡轮发动机热端部件冷却技术的重要发展方向，其中同时采用多种微小孔冷却方式的复合冷却方式经国外试验有压力损失小，冷却效率高等优点，具有极大地应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，与现有的技术相比，本方案的优点在于复合型冷却结构克服了冲击气膜冷却局部换热系数高，远离驻点处换热系数较低的缺点，采用压窝板结构进一步加大了换热系数，大量的多斜孔方案相比传统方案可以减少冷却用气量，异形孔的使用使出口气流横断面面积增大继而小孔出流的平均速度下降、扩散能力增强，冷却效果较圆形气膜孔更佳，有利于燃烧室实现高温升。
技术方案
1.一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，由双层壁面组成：冲击孔壁(1)和发散孔壁(2)，所述的冲击孔壁(1)上分布一定形状的小直径孔即冲击孔(3)，该孔直径由入口开始逐渐缩小，进出口的直径相差不易过大，所述的发散孔壁(2)上表面有波纹状凹槽(4)，波纹状凹槽(4)方向与气流方向垂直，在发散孔壁(2)上无波纹状凹槽(4)区域均匀分布一种复合异形孔由渐扩扇形孔(5)和横向槽(6)构成，该复合异形孔向主流的下游方向倾斜，倾斜角度为0至90度。
2.火焰筒壁面，其特征在于，冲击孔壁(1)上分布的一定形状的小直径孔(3)其圆心正对发散孔壁(2)上表面的波纹状凹槽(4)，而且每条轴线上一定形状的小直径孔(3)和复合异形孔交替分布。
3.火焰筒壁面，其特征在于，渐扩扇形孔(5)的出口圆心为横向槽(6)的形心，其中横向槽(6)为正方形设计边长约为1.5倍渐扩扇形孔(5)的出口直径，深度约为4分之1渐扩扇形孔(5)的出口直径。
与现有火焰筒壁冷却结构相比，本发明的优点是该复合结构同时拥有基于微小孔冷却的小孔冲击冷却、小孔气膜冷却、运用压窝板结构的粗糙冷却以及异形孔结构这4种先进的冷却结构，4者相辅相成，使该发明的冷却结构冷却效果更好，压力损失小，气膜更加贴壁覆盖面积更大，换热面积更大，换热表面对流场扰动更强，换热效果得到加强。
附图说明
图1：一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构整体外部示意图
图2：一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构的发散孔壁示意图
图3：一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构剖面图
图中1、冲击孔壁，2、发散孔壁，3、冲击孔，4、波纹状凹槽，5、渐扩扇形孔，
6、横向槽
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、图2、图3，本发明提供了一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构。
所述的燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，其工作时，温度较低的冷气流从冲击孔壁(1)上表面经由冲击孔(3)进入并冲击到发散孔壁(2)的波纹状凹槽(4)上，此时冷气流与发散孔壁(2)的上表面进行第一次对流换热进行降温冷却，波纹状凹槽(4)的压窝板结构加大了换热面积并对气流进行扰动，进一步加强了换热。进行换热后的气流以及一些没有换热的冷气流接着从渐扩扇形孔(5)射入火焰筒内主流，这两股气流与渐扩扇形孔(5)壁内侧进行对流换热，由于渐扩扇形孔(5)的孔径逐渐增大且出口处采用了横向槽(6)进一步扩大,使得小孔出流平均速度下降，增加气流与渐扩扇形孔(5)壁的接触时间，提高对流换热量。温度较低的冷气流经由渐扩扇形孔(5)、横向槽(6)后射入火焰筒主流，在发散孔壁(2)的下表面处形成气膜，避免壁面与高温气流直接接触，并与近壁区域的高温气流和火焰筒高温内壁进行换热带走部分热量，对壁面起到冷却作用。

Claims (3)

1.一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，由双层壁面组成：冲击孔壁(1)和发散孔壁(2)，所述的冲击孔壁(1)上分布一定形状的小直径孔(3)，该孔直径由入口开始逐渐缩小，进出口的直径相差不易过大，所述的发散孔壁(2)上表面有波纹状凹槽(4)，波纹状凹槽(4)方向与气流方向垂直，在发散孔壁(2)上无波纹状凹槽(4)区域均匀分布一种复合异形孔由渐扩扇形孔(5)和横向槽(6)构成，该复合异形孔向主流的下游方向倾斜，倾斜角度为0至90度。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，其特征在于，冲击孔壁(1)上分布的一定形状的小直径孔(3)其圆心正对发散孔壁(2)上表面的波纹状凹槽(4)，而且每条轴线上一定形状的小直径孔(3)和复合异形孔交替分布。
3.根据权利要求1、2所述的一种燃烧室火焰筒壁面双层复合冷却结构，其特征在于，渐扩扇形孔(5)的出口圆心为横向槽(6)的形心，其中横向槽(6)为正方形设计边长约为1.5倍渐扩扇形孔(5)的出口直径，深度约为4分之1渐扩扇形孔(5)的出口直径。
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