CN109990309B - 一种燃烧室壁面的复合冷却结构及涡轴发动机回流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轴回流发动机回流燃烧室火焰筒的冷却结构，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔。本发明通过改变起始气膜板开孔(槽)的总面积占总开孔面积的比例来调节冷却气流在起始气膜板与外弧壁斜发散孔和内弧壁垂直斜发散孔之间冷气流量的分配比例。外弧壁上的斜发散孔的排布特点在于沿着主流流动方向前段分布密度大于中段密度，中段密度小于尾段密度，尾段密度大于前段密度。本发明在不增加冷气量的条件下，改善了传统火焰筒弯曲壁面的冷却结构，使回流燃烧室火焰筒的温度梯度减小，从而减小了壁面的热应力，提高了火焰筒的使用寿命。本发明同时提供具有该冷却结构的涡轴发动机回流燃烧室。

Description

一种燃烧室壁面的复合冷却结构及涡轴发动机回流燃烧室

技术领域

本发明涉及一种可调式起始气膜-发散复合冷却结构；属于航空发动机冷却结构设计与热防护技术领域。

本发明还涉及一种涡轴发动机燃烧室设计技术领域。

背景技术

回流燃烧室由于其轴距较短，因此广泛应用于小型航空发动机上。回流燃烧室火焰筒独有的大曲率火焰筒结构在承受高温燃气的冲击的同时也会出现弯曲段温度梯度大，温度分布不均匀，因此容易产生变形和裂纹，影响回流燃烧室火焰筒的使用寿命。为提高大曲率火焰筒的冷却效果和可靠性，必须采取有效的冷却手段来提高火焰筒整体的温度均匀性。但是涡轴发动机回流燃烧室火焰筒型面曲率大、结构复杂，在冷却结构设计上具有一定的难度。

国内外的研究人员针对这一结构开展了多种冷却结构研究，如纯发散冷却结构、冲击加发散冷却等。但是研究发现大弯管的前段冷却效率低，尾段冷却效果也不理想；在此基础上，研究人员提出了新的复合冷却方式：冲击+对流+气膜冷却结构、气膜发散复合冷却结构，虽然一定程度解决了大弯管前段效率低的问题，但没有解决起始气膜流量和大弯管斜发散孔的冷气流量分配问题，起始气膜流量过多会使得大弯管前端壁面气膜厚度太厚，从而让部分冷气被浪费，过少导致冷却效果降低；而且对大弯管尾段冷却效果较差的问题没有改善。因此，以上这些冷却结构依然存在这一个问题就是大弯管整体温度分布不均匀，这样壁板的温度梯度大，产生较高的热应力，从而降低了火焰筒的寿命。

随着功重比的不断提高，回流燃烧室部件设计将向高温升、高热容方向发展，由此对燃烧室火焰筒壁面冷却提出了更为苛刻的要求。一方面燃烧所需的空气量增大、燃烧温度升高，另一方面用于冷却的空气量减少，而且由于压缩比的增大导致冷却空气的品质下降。因此，传统的涡轴发动机火焰筒冷却方法已经无法满足设计需求。

发明内容

发明目的：本发明公开的是一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，用以提高回流燃烧室壁面的冷却效率和温度均匀性，在不增加冷气量的前提下合理分配冷气并充分挖掘其冷却潜力，可以增加燃烧室的使用寿命，延长涡轴发动机的安全运行时间。

本发明同时提供一种含有可调式冷却结构的涡轴发动机燃烧室。

技术方案：为达到上述目的，本发明涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构可采用如下技术方案：

一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁；筒体的筒壁上具有起始气膜板、安装在筒壁内部的舌片；舌片和筒壁之间形成一个狭缝通道；起始气膜板位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔的连通处；外弧壁上布置若干斜发散孔，斜发散孔作为弯管内外弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处；内弧壁上布置若干垂直发散孔；垂直发散孔作为弯管内弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处。

有益效果：燃烧室火焰筒独有的大曲率弯管结构在高温燃气的冲击下造成弯曲段温度梯度大，容易产生变形和裂纹，降低了火焰筒的使用寿命。为了提高外弧壁的冷却效果和温度分布均匀性，采用可调起始气膜+发散冷却(斜发散孔与垂直发散孔作为发散冷却通道)复合冷却结构。可以通过改变起始气膜板上开孔或开槽的面积占总开孔面积的比例来调节起始气膜与外弧壁斜发散孔和内弧壁垂直斜发散孔之间冷气流量的分配比例。起始气膜的出流通道由舌片和火焰筒直管段壁板构成。安装舌片时通过调节弹簧垫片可以控制起始气膜出流通道的高度，从而调节出流气膜的速度和高度。

综上所述，该发明的优点在于：可调起始气膜结构简单，便于调节起始气膜的流量，易于实现流量的有效分配，对火焰筒外弧壁前端部分降低温度梯度、提高冷却效率有明显作用；火焰筒外弧壁部分采用非均匀、非等距斜发散孔排布，在不增加冷气量的情况下可以提高大弯管整体的冷却效率。

进一步的，斜发散孔的孔轴线与外弧壁壁面的夹角为20°～40°；垂直发散孔的孔轴线与内弧壁垂直。

进一步的，所述的外弧壁根据受热情况的不同分为3段，前段是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的30％；尾段是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的40％；中段是外弧壁中除了所述前段和尾段剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30％。

进一步的，舌片的一端和筒壁通过螺栓连接，舌片与筒壁之间有弹簧垫片；舌片与筒壁之间的间距通过弹簧垫片调节。

进一步的，所述斜发散孔的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁上呈非均匀分布，斜发散孔在前段上的排布密度大于斜发散孔在中段上的排布密度，斜发散孔在中段上的排布密度小于斜发散孔在尾段上的排布密度，斜发散孔在尾段上的排布密度大于斜发散孔在前段上的排布密度；在前段，所述斜发散孔沿主流流向间距沿逐渐变大，为4～8倍发散孔孔径；在中段，所述斜发散孔流向间距不变，为前段的最大流向间距；在尾段，所述斜发散孔流向间距从前段的最大流向间距按等比递减，为2～8倍发散孔孔径；斜发散孔在外弧壁上的周向排布间距不变，其间距根据冷气调节为2～4倍发散孔孔径。

进一步的，内弧壁上布置的垂直发散孔排列方式为叉排排布，垂直发散孔孔径为0.5～0.8mm，在轴向和周向上等间距排列，间距为1.5～3倍垂直发散孔孔径。

进一步的，所述起始气膜板上开孔或槽；如选择开孔，开孔为圆形孔，孔径在0.5～3mm之间，孔间距为2～5倍孔径，等间距排列，孔倾斜角度为0°；如选择开槽，开槽的宽度为0.5～2mm。

本发明提供的涡轴发动机燃烧室可采用如下技术方案：

一种涡轴发动机回流燃烧室，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、位于筒体另一侧的头部、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔；所述头部作为燃气的进口；弯管的出口为燃烧室的出口；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁；筒体的筒壁上具有起始气膜板、安装在筒壁内部的舌片；舌片和筒壁之间形成一个狭缝通道；起始气膜板位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔的连通处；外弧壁上布置若干斜发散孔，斜发散孔作为弯管内外弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处；内弧壁上布置若干垂直发散孔；垂直发散孔作为弯管内弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处。

进一步的，斜发散孔的孔轴线与外弧壁壁面的夹角为20°～40°；垂直发散孔的孔轴线与内弧壁垂直；所述的外弧壁根据受热情况的不同分为3段，前段是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的30％；尾段是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的40％；中段是外弧壁中除了所述前段和尾段剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30％。

进一步的，舌片的一端和筒壁通过螺栓连接，舌片与筒壁之间有弹簧垫片；舌片与筒壁之间的间距通过弹簧垫片调节。

进一步的，所述斜发散孔的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁上呈非均匀分布，斜发散孔在前段上的排布密度大于斜发散孔在中段上的排布密度，斜发散孔在中段上的排布密度小于斜发散孔在尾段上的排布密度，斜发散孔在尾段上的排布密度大于斜发散孔在前段上的排布密度；在前段，所述斜发散孔沿主流流向间距沿逐渐变大，为4～8倍发散孔孔径；在中段，所述斜发散孔流向间距不变，为前段的最大流向间距；在尾段，所述斜发散孔流向间距从前段的最大流向间距按等比递减，为2～8倍发散孔孔径。

本发明提供的涡轴发动机回流燃烧室采用了可调式起始气膜-发散的复合冷却结构，可以通过起始气膜比例调节提高外弧壁前端的冷却效率,依靠外弧壁上发散孔的非均匀排布调节外弧壁整体的温度分布均匀性，依靠内弧壁上密集排布的垂直发散孔达到保护内弧壁的目的，对回流燃烧室火焰筒高温壁面进行整体的冷却降温。整个冷却结构简单,加工方便,在不增加冷却气用量的前提下可以对冷却气进行合理的分配和利用，一方面可以提高冷气的利用率，对燃烧室进行整体冷却降温，另一方面可以有效降低大曲率壁面的温度梯度,延长燃烧室的使用寿命。

附图说明

图1所示为回流燃烧室结构示意图；

图2为图1的局部剖面图；

图3(a)为大弯管发散孔三维示意图；

图3(b)为大弯管发散孔排布示意图；

图4(a)为小弯管发散孔的三维示意图；

图4(b)为小弯管发散孔的排布示意图；

图5(a)为开孔起始气膜板的结构示意图；

图5(b)为开槽起始气膜板的结构示意图；

图中，1为燃烧室壳体、2为火焰筒直管段的筒壁、3为外弧壁、4为冷气腔、5为舌片、6为内弧壁、7为斜发散孔、8为垂直发散孔、9为前段、10为中段、11为尾段、12为螺栓、13为起始气膜板、14为弹簧垫片、15为冷气进口、16为燃气、17为出口、18为头部、19为环形火焰筒、20为安装起始气膜板凹槽、21为开孔起始气膜板、22为开槽起始气膜板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步详细描述。

实施例一

本实施例提供一种燃烧室壁面可调式起始气膜-发散的复合冷却结构。

图1为典型的涡轴回流燃烧室的结构示意图，包括头部18,环形火焰筒19,燃烧室壳体1。燃油在头部燃烧后形成高温燃气16在火焰筒19内流动,其温度高达1700K,远高于燃烧室壁面的正常工作温度，因此需要实施有效的冷却措施。本发明是可调式起始气膜-发散的复合冷却结构，大弯管壁面3的发散冷却与前端的可调式起始气膜冷却相结合；内弧壁6采用密集垂直发散冷却。冷却气进入冷气腔4后分三路实施冷却,一路通过外弧壁3上的斜发散孔7进入火焰筒内,一路通过起始气膜板13进入,还有一路通过内弧壁6上的垂直发散孔8进入,最后混入燃气16经出口17流出。

图2为图1的局部剖面图，整体冷却结构上可以通过改变起始气膜板上开孔或开槽的面积占总开孔面积的比例来调节起始气膜和外弧壁3斜发散孔气膜的冷气流量分配。外弧壁3上斜发散孔7呈非均匀排布，斜发散孔7在外弧壁3前段9上的排布密度大于斜发散孔7在中段10上的排布密度，斜发散孔7在中段10上的排布密度小于斜发散孔7在尾段11上的排布密度，斜发散孔7在尾段11上的排布密度大于斜发散孔7在前段9上的排布密度。外弧壁3的前段9是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其弧线长度大约为整个大弯管弧长的30％；外弧壁3的尾段10是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其弧线长度大约为整个大弯管弧长的40％；外弧壁3的中段11是除了所述大弯管前段和尾段剩下的部分，其长度大约为整个大弯管弧长的30％。斜发散孔7为斜孔(斜发散孔7与外弧壁3壁面的夹角α为20°～40°)。相较直孔而言，一方面可以使溢出气在孔内流动路径变长，增加空气流动时间，有利于对流换热；另一方面，斜出流可以防止燃气的倒灌而且可以达到更好的气膜贴壁效果。起始气膜的比例可以通过更换不同开孔/槽尺寸的气膜板13进行调节,其出流速度和高度通过调节舌片5固定位置出的弹簧垫片14达到。

图3(a)为斜发散孔7三维示意图，图3(b)为外弧壁3上斜发散孔7的排布示意图，斜发散孔7呈现长菱形分布，斜发散孔7孔内截面形状为圆形，孔径在0.5～1.0mm之间，孔倾角为20°～40°。为了获得均匀的壁面温度分布,斜发散孔7在整个外弧壁3上呈现非均匀排布,其排布密度尾段>前段>中段。

图4(a)为垂直发散孔8的三维示意图，图4(b)为内弧壁6上垂直发散孔的排布示意图,由于内弧壁6曲率大,半径小,受热集中,所以采用密集的垂直发散孔8排布,孔径0.5～0.8mm,等间距叉排排列,孔间距为1.5～3倍孔径。

图5(a)为开孔的起始气膜板；图5(b)为开槽的起始气膜板；气膜板可以根据需要更换开孔或开槽来调节起始气膜的流量大小与流动阻力,开孔孔径在0.8～3mm之间，孔间距为2～5倍孔径，等间距排列，孔倾斜角度为0°；开槽宽度为0.5～2mm的缝槽。

实施例二

本实施例提供一种涡轴发动机回流燃烧室。

该涡轴发动机回流燃烧室包括燃烧室壳体1、筒体2、位于筒体2一端弯折形成的弯管、位于筒体2另一侧的头部10、燃烧室壳体1包裹筒体及弯管形成的火焰筒冷却腔4。所述头部10作为燃气的进口；弯管的出口为燃烧室的出口。弯管包括外弧壁3和内弧壁6的结构，且该结构是火焰筒的外壁和内壁主要的组成部分；外壁及内壁之间形成火焰筒内部；冷却结构包括可调式起始气膜板13和外弧壁3上的斜发散孔7，内弧壁6上的冷却为密集的垂直发散孔8结构。斜发散孔7、垂直发散孔8结构与实施例一种相同，在此不再赘述。

该涡轴发动机具有如实施例一中的可调式起始气膜-发散的复合冷却结构。燃烧室外壁了冷却结构由可调式起始气膜和大弯管上的发散冷却构成，小弯管上的冷却为密集的垂直发散孔结构；冷却气进入燃烧室分为三部分流入火焰筒内，一路是从大弯管上的斜发散孔进入燃烧室经出口流出，一路是从起始气膜板上的孔或槽流出经舌片导流到大弯管前缘，还有一路是通过小弯管上的垂直发散孔进入。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的冷气腔（4）；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁（3）、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁（6）；筒体的筒壁（2）上具有起始气膜板（13）、安装在筒壁内部的舌片（5）；舌片（5）和筒壁（2）之间形成一个狭缝通道；起始气膜板（13）位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与冷气腔（4）的连通处；外弧壁（3）上布置若干斜发散孔（7），斜发散孔（7）作为弯管的外弧壁（3）位置与冷气腔（4）的连通处；内弧壁（6）上布置若干垂直发散孔（8）；垂直发散孔（8）作为弯管内弧壁（6）位置与冷气腔（4）的连通处。

2.根据权利要求1所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，斜发散孔的孔轴线与外弧壁（3）壁面的夹角为20°~40°；垂直发散孔（8）的孔轴线与内弧壁（6）垂直。

3.根据权利要求1所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，所述的外弧壁（3）根据受热情况的不同分为3段，前段（9）是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁（3）弧长的30%；尾段（11）是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁（3）弧长的40%；中段（10）是外弧壁（3）中除了所述前段（9）和尾段（11）剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30%。

4.根据权利要求1所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，舌片（5）的一端和筒壁（2）通过螺栓（12）连接，舌片（5）与筒壁（2）之间有弹簧垫片（14）；舌片（5）与筒壁（2）之间的间距通过弹簧垫片（14）调节。

5.根据权利要求3所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，所述斜发散孔（7）的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁（3）上呈非均匀分布，斜发散孔（7）在前段（9）上的排布密度大于斜发散孔（7）在中段（10）上的排布密度，斜发散孔（7）在中段（10）上的排布密度小于斜发散孔（7）在尾段（11）上的排布密度，斜发散孔（7）在尾段（11）上的排布密度大于斜发散孔（7）在前段（9）上的排布密度；在前段（9），所述斜发散孔（7）沿主流流向间距逐渐变大，为4～8倍斜发散孔（7）孔径；在中段（10），所述斜发散孔（7）流向间距不变，为前段（9）的最大流向间距；在尾段（11），所述斜发散孔（7）流向间距从前段（9）的最大流向间距按等比递减，为2～8倍斜发散孔（7）孔径；斜发散孔（7）在外弧壁（3）上的周向排布间距不变，其间距根据冷气调节为2～4倍斜发散孔（7）孔径。

6.根据权利要求2所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，内弧壁（6）上布置的垂直发散孔（8）排列方式为叉排排布，垂直发散孔（8）孔径为0.5~0.8mm，在轴向和周向上等间距排列，间距为1.5~3倍垂直发散孔（8）孔径。

7.根据权利要求1所述涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，所述起始气膜板（13）上开孔或槽；如选择开孔，开孔为圆形孔，孔径在0.5～3mm之间，孔间距为2~5倍孔径，等间距排列，孔倾斜角度为0°；如选择开槽，开槽的宽度为0.5~2mm。

8.一种涡轴发动机回流燃烧室，其特征在于，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、位于筒体另一侧的头部（18）、包裹筒体及弯管的冷气腔（4）； 所述头部（18）作为燃气的进口；弯管的出口为燃烧室的出口；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁（3）、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁（6）；筒体的筒壁（2）上具有起始气膜板（13）、安装在筒壁内部的舌片（5）；舌片（5）和筒壁（2）之间形成一个狭缝通道；起始气膜板（13）位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与冷气腔（4）的连通处；外弧壁（3）上布置若干斜发散孔（7），斜发散孔（7）作为弯管的外弧壁（3）位置与冷气腔（4）的连通处；内弧壁（6）上布置若干垂直发散孔（8）；垂直发散孔（8）作为弯管内弧壁（6）位置与冷气腔（4）的连通处。

9.根据权利要求8所述的涡轴发动机回流燃烧室，其特征在于，斜发散孔的孔轴线与外弧壁（3）壁面的夹角为20°~40°；垂直发散孔（8）的孔轴线与内弧壁（6）垂直；所述的外弧壁（3）根据受热情况的不同分为3段，前段（9）是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁（3）弧长的30%；尾段（11）是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁（3）弧长的40%；中段（10）是外弧壁（3）中除了所述前段（9）和尾段（11）剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30%；舌片（5）的一端和筒壁（2）通过螺栓（12）连接，舌片（5）与筒壁（2）之间有弹簧垫片（14）；舌片（5）与筒壁（2）之间的间距通过弹簧垫片（14）调节。

10.根据权利要求9所述的涡轴发动机回流燃烧室，其特征在于，所述斜发散孔（7）的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁（3）上呈非均匀分布，斜发散孔（7）在前段（9）上的排布密度大于斜发散孔（7）在中段（10）上的排布密度，斜发散孔（7）在中段（10）上的排布密度小于斜发散孔（7）在尾段（11）上的排布密度，斜发散孔（7）在尾段（11）上的排布密度大于斜发散孔（7）在前段（9）上的排布密度；在前段（9），所述斜发散孔（7）沿主流流向间距逐渐变大，为4～8倍斜发散孔（7）孔径；在中段（10），所述斜发散孔（7）流向间距不变，为前段（9）的最大流向间距；在尾段（11），所述斜发散孔（7）流向间距从前段（9）的最大流向间距按等比递减，为2～8倍斜发散孔（7）孔径。

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