CN109974033B - 回流燃烧室及其双层壁弯管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种回流燃烧室及其双层壁弯管结构，涉及航空发动机领域。双层壁弯管结构包括弯管内壁和弯管外壁；沿燃气流动方向，弯管内壁分为弯管内壁上段和弯管内壁下段，两段区域的冷却结构不同，弯管内壁上段布置多排发散孔，发散孔除与弯管内壁上段的壁面呈一定的夹角外，与燃气流动方向呈一定的偏转夹角，形成复合角；弯管内壁下段布置多排发散孔，发散孔与弯管内壁下段的壁面呈一定的夹角，不带偏转夹角；弯管外壁套设于弯管内壁的外侧，弯管内壁和弯管外壁之间设置有中间空腔，弯管外壁的壳体上设置有冲击孔。本发明的弯管结构可以有效降低弯管内壁起始段的峰值壁温、降低弯管的壁温梯度，从而提高弯管的强度和使用寿命。

Description

回流燃烧室及其双层壁弯管结构

技术领域

本发明涉及回流燃烧室技术领域，具体而言，涉及一种弯管结构，尤其涉及一种适用于回流燃烧室的双层壁弯管结构。

背景技术

大弯管是回流燃烧室特有的结构，其功能是将火焰筒内的高温燃气折转180°，而后进入涡轮膨胀做功。由于大弯管需承受高温燃气的直接冲击，加上流动特性的差异，该部件的冷却有别于火焰筒外环和内环的冷却，在大弯管的基本型面确定后，合理的冷却设计非常重要。特别是针对高温升燃烧室，先进的冷却设计可以高效地利用有限的冷却空气来降低壁温。高温升回流燃烧室的大弯管普遍采用双层壁结构，双层壁结构在提高大弯管强度和刚度的同时，可以采用复合冷却有效降低大弯管的壁温。冲击发散冷却是一种先进的复合冷却方式，具有冷却效率高、压力损失小的优点，在高温升回流燃烧室大弯管冷却设计中获得了广泛应用。

现有实现方案的双层壁大弯管冲击发散冷却结构，主要由发散孔壁和冲击孔壁组成，其中在发散孔壁上布置了大量的发散冷却孔，在冲击孔壁上布置了大量的冲击冷却孔。现有方案的冲击孔通常为垂直壁面的孔，发散孔与壁面呈一定的夹角。冷却气体经冷却孔进入大弯管内部，在发散孔壁的燃气侧表面形成一层气膜，气膜主要有两个作用：一是避免高温燃气与发散孔壁直接接触；二是与壁面进行对流换热，降低大弯管壁面附近燃气温度，减少高温燃气的热辐射。气膜的这两个作用可以保证大弯管具有足够的使用寿命。

由于双层壁大弯管发散孔壁起始段的冷却效果相对较差，而下半段由于冷却气膜的叠加效应冷却效果逐渐增强，壁温分布呈现“前热后冷”的分布趋势，在起始段容易出现局部高温热斑、峰值壁温高的问题，进而使整个大弯管的壁温梯度大，影响大弯管的使用寿命。随着燃烧室温升的日益提高，该问题日趋严重。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种双层壁弯管结构，以降低弯管内壁的壁温梯度，从而提高双层壁弯管结构的使用寿命。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种回流燃烧室，以提高使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种双层壁弯管结构，包括弯管内壁和弯管外壁；沿燃气流动方向该弯管内壁的壳体分为弯管内壁上段和弯管内壁下段，两个区域采用不同的冷却开孔方式：弯管内壁上段布置多排第一发散孔，第一发散孔的中心轴线与弯管内壁上段的壁面之间具有第一夹角，第一发散孔的中心轴线与燃气流动方向具有第二夹角。弯管内壁下段布置多排第二发散孔，第二发散孔的中心轴线与弯管内壁下段的壁面之间具有第三夹角；弯管外壁套设于所述弯管内壁的外侧，所述弯管外壁和所述弯管内壁间隔设置，以在所述弯管内壁和所述弯管外壁之间设置有中间空腔，所述弯管外壁的壳体上设置有冲击孔；所述中间空腔通过第一发散孔和第二发散孔连通所述弯管内壁的内侧空间；所述中间空腔通过所述冲击孔连通所述弯管外壁外侧空间。

根据本发明的一实施方式，其中沿燃气流动方向所述第一发散孔呈多行设置，相邻行之间的所述第一发散孔错位设置。

根据本发明的一实施方式，其中每一行中的所述第一发散孔等间距设置。

根据本发明的一实施方式，其中所述冲击孔的中心轴线沿所在位置处的所述弯管外壁的法线方向延伸。

根据本发明的一实施方式，其中沿燃气流动方向，所述弯管内壁上段的长度尺寸与所述弯管内壁下段的长度尺寸的比值为0.5-2。

根据本发明的一实施方式，其中所述第一夹角的范围为20°～45°；以及/或者所述第二夹角的范围为15°～90°。

根据本发明的一实施方式，其中所述第三夹角与所述第一夹角大小相同。

根据本发明的另一方面，提供一种回流燃烧室，所述回流燃烧室包括本发明提供的双层壁弯管结构。

由上述技术方案可知，本发明的回流燃烧室及其双层壁弯管结构的优点和积极效果在于：

通过将双层壁弯管结构设置为第一发散孔的中心轴线与弯管内壁上段的壁面之间具有第一夹角，第一发散孔的中心轴线与燃气流动方向之间具有第二夹角，在不增加冷却气量的条件下，可以有效降低大弯管起始段(弯管内壁上段)的峰值壁温、消除局部高温热斑。另一方面，在不增加冷却气量的条件下，可以有效降低大弯管的弯管内壁的壁温梯度，从而提高大弯管的强度和使用寿命。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种双层壁弯管结构的三维结构图。

图2是图1中的双层壁弯管结构的纵向截面图。

图3是图1中的弯管内壁上段的局部放大图。

图4是图3中的第一发散孔的布局图。

图5是图4中的第一发散孔的A-A截面图。

图6是图4中的第一发散孔的第一夹角与第二夹角示意图。

图7是图1中的第二发散孔的布局图。

图8是图7中的第二发散孔的B-B的截面图。

图9是图1中的弯管外壁的周向展开图及冲击孔的布局图。

其中，附图标记说明如下：

100、弯管内壁； 101、弯管内壁上段；

1011、第一发散孔； 102、弯管内壁下段；

1021、第二发散孔； 200、弯管外壁；

201、冲击孔； 300、中间空腔；

α、第一夹角； β、第二夹角；

F1、燃气流动方向； F2、周向方向。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1至图3，根据本发明的一个方面，提供了一种双层壁弯管结构，该双层壁弯管结构可以适用于回流燃烧室，以承受高温燃气的直接冲击。双层壁弯管结构可以包括弯管内壁100和弯管外壁200，其中弯管外壁200可以套设于所述弯管内壁100的外侧，所述弯管外壁200和所述弯管内壁100间隔设置，以在所述弯管内壁100和所述弯管外壁200之间形成中间空腔300。

继续参照图1至图5，根据本发明的一具体实施方式，其中弯管内壁100可以为具有中心空腔的壳体结构，沿燃气流动方向该弯管内壁100的壳体可以分为弯管内壁上段101和弯管内壁下段102，所述弯管内壁上段101可以位于弯管内壁下段102的上游，并且在该弯管内壁上段101上可以设置有第一发散孔1011，所述第一发散孔1011的中心轴线可以与所述弯管内壁上段101的壁面的切线之间具有第一夹角α。所述第一发散孔1011的中心轴线可以与所述燃气流动方向之间具有第二夹角β，该第一夹角α和第二夹角β配合，在靠近弯管内壁上段101区域形成冷却气膜，冷却气膜的分布方向与燃气流动方向具有一定的偏转夹角，沿周向方向的区域也有冷却气膜的覆盖，，可以有效消除弯管内壁上段101的局部高温区，进而降低整个弯管内壁100的壁温梯度，尤其能够避免弯管内壁上段101的局部高温现象。

为了更全面的描述第一发散孔的第一夹角α和第二夹角β，结合图6进一步说明。以某一个第一发散孔为例进行说明，图中，X方向为所述发散孔的当地流向，Y方向为所述发散孔的当地展向(周向方向)，Z方向为所述发散孔的当地法向。图6(a)为弯管壁面上的垂直壁面开孔；在图6(a)的基础上，将发散孔的中心轴线绕当地展向(Y轴)逆时针旋转π/2^-α，形成了与当地流向的第一夹角α，见图6(b)；在图6(b)的基础上，将发散孔的中心轴线沿当地法向(Z轴)顺时针旋转β，形成了与当地流向的第二夹角β，见图6(c)。

根据本发明的一实施方式，其中第一夹角α的范围可以为20°～45°；以及/或者所述第二夹角β的范围可以为15°～90°，当然并不以此为限，可以根据实际需要进行选择第一夹角α或者第二夹角β的大小。

更进一步地，继续参照图1至图3以及图7和图8，根据本发明的一具体实施方式，其中所述弯管内壁下段102可以设置有第二发散孔1021，所述第二发散孔1021的中心轴线可以与所述弯管内壁下段102的壁面的切线之间具有第三夹角。根据本发明的一实施方式，其中所述第三夹角可以与所述第一夹角α大小相同。

继续参照图1至图3，根据本发明的一具体实施方式，其中所述弯管外壁200的壳体上可以设置有冲击孔201。所述中间空腔300可以通过第一发散孔1011连通所述弯管内壁100的内侧空间。所述中间空腔300也可以通过所述冲击孔201连通所述弯管外壁200的外侧空间。

继续参照图1至图3，根据本发明的一实施方式，其中第一发散孔1011可以具有多个，沿燃气流动方向多个该第一发散孔1011可以呈多行设置，相邻行之间的所述第一发散孔1011可以错位设置。根据本发明的一实施方式，其中每一行中的所述第一发散孔1011可以等间距设置。具体地，相邻设置的第一发散孔1011可以呈菱形排布(如图9所示)，但不以此为限。

继续参照图1至图3，根据本发明的一具体实施方式，其中本发明提供的双层壁弯管结构可以为双层壁结构，其中可以包括弯管内壁100和弯管外壁200，弯管外壁200可以为冲击孔壁，弯管内壁100可以为发散孔壁，弯管内壁100和弯管外壁200两者之间可以间隔设置，以在该两者之间形成中间空腔300。弯管外壁200上的冲击孔201可以有规律的均匀布置，例如但不限于，相邻的冲击孔201可以形成为菱形排布(如图8所示)，都在本发明的保护范围内。沿燃气流动方向，冲击孔201可以呈线性排布，例如冲击孔201的中心线可以位于与双层壁弯管结构的中心轴线平行的一条曲线上，相邻的曲线可以等间隔设置，位于同一条曲线上的冲击孔201可以等间隔设置，进而形成各行冲击孔201可以错位分布，该冲击孔201可以作为冷却孔，以使外界的冷空气能够进入到双层壁弯管结构的内部，实现降温。根据本发明的一实施方式，其中所述冲击孔201的中心轴线可以沿所在位置处的所述弯管外壁200的法线方向延伸，例如但不限于，根据本发明的一具体实施方式，其中冲击孔201可以垂直于弯管外壁200的壳体。

参照图1和图9，根据本发明的一具体实施方式，为了能够实现降温，弯管内壁100上布置有发散孔，弯管内壁上段101上可以设置有第一发散孔1011，弯管内壁下段102上可以设置有第二发散孔1021，第一发散孔1011和第二发散孔1021可以分别沿燃气流动方向呈线性分布，例如但不限于，第一发散孔1011和第二发散孔1021可以沿弯管内壁100的周向设置有多行。根据本发明的一具体实施方式，其中第一发散孔1011和第二发散孔1021的各行间距可以相同，以使得相互靠近的第一发散孔1011和第二发散孔1021可以在同一条线上。第一发散孔1011和第二发散孔1021可以作为冷却孔，各行发散孔之间可以错位分布，以使得相邻的发散孔之间布置成菱形，如图9所示。

根据本发明的一实施方式，其中沿燃气流动方向，所述弯管内壁上段101的长度尺寸与所述弯管内壁下段102的长度尺寸的比值可以为0.5-2，也就是说，沿燃气流动方向，弯管内壁上段101的长度尺寸可以占弯管内壁100的长度尺寸的1/3-2/3，都在本发明的保护范围内。

外界冷却气体，例如但不限于，可以为来自压气机的高压空气，首先可以先通过弯管外壁200上的冲击孔201，形成高速射流冲击在弯管内壁100上，随后，冷却气体可以经过弯管内壁100上的第一发散孔1011和第二发散孔1021进入火焰筒内，在弯管内壁100的热侧形成冷却气膜对壁面进行隔热防护，从而可以对双层壁弯管结构进行冷却保护。

弯管内壁100可以采用分段冷却，整个弯管内壁100可以包括沿燃气流动方向相邻排布的弯管内壁上段101和弯管内壁下段102，其中弯管内壁上段101上的第一发散孔1011可以规则排布，例如但不限于，相邻的第一发散孔1011可以呈菱形排布，如图9所示。具体地，参照图9，沿周向方向F2，第一发散孔1011可以呈多行设置，每行内的第一发散孔1011可以等间距设置，相邻行之间的第一发散孔1011可以错位设置，以提高降温效果。第二发散孔1021的排列方式雷同，不再赘述。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种回流燃烧室，所述回流燃烧室可以包括本发明提供的弯管结构。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

Claims (8)

1.一种双层壁弯管结构，其特征在于，包括：

弯管内壁，沿燃气流动方向，该弯管内壁分为弯管内壁上段和弯管内壁下段两个区域，两个区域采用不同的冷却开孔方式：所述弯管内壁上段布置多个第一发散孔，所述第一发散孔的中心轴线与所述弯管内壁上段的壁面之间具有第一夹角，所述第一发散孔的中心轴线与燃气流动方向具有第二夹角，所述弯管内壁下段布置多个第二发散孔，所述第二发散孔的中心轴线与所述弯管内壁下段的壁面之间具有第三夹角；所述第一夹角和所述第二夹角配合，在靠近所述弯管内壁上段区域形成冷却气膜，所述冷却气膜的分布方向与燃气流动方向具有偏转夹角；

弯管外壁，套设于所述弯管内壁的外侧，所述弯管外壁和所述弯管内壁间隔设置，以在所述弯管内壁和所述弯管外壁之间设置有中间空腔，所述弯管外壁的壳体上设置有冲击孔；所述中间空腔通过所述第一发散孔和所述第二发散孔连通所述弯管内壁的内侧空间；所述中间空腔通过所述冲击孔连通所述弯管外壁外侧空间。

2.如权利要求1所述的双层壁弯管结构，其特征在于，沿燃气流动方向所述第一发散孔呈多行设置，相邻行之间的所述第一发散孔错位设置。

3.如权利要求2所述的双层壁弯管结构，其特征在于，每一行中的所述第一发散孔等间距设置。

4.如权利要求1所述的双层壁弯管结构，其特征在于，所述冲击孔的中心轴线沿所在位置处的所述弯管外壁的法线方向延伸。

5.如权利要求1至4中任一项所述的双层壁弯管结构，其特征在于，沿燃气流动方向，所述弯管内壁上段的长度尺寸与所述弯管内壁下段的长度尺寸的比值为0.5-2。

6.如权利要求1至4中任一项所述的双层壁弯管结构，其特征在于，所述第一夹角的范围为20°～45°；以及/或者所述第二夹角的范围为15°～90°。

7.如权利要求6所述的双层壁弯管结构，其特征在于，所述第三夹角与所述第一夹角大小相同。

8.一种回流燃烧室，其特征在于，所述回流燃烧室包括根据权利要求1至7中任一项所述的双层壁弯管结构。

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