CN110864326B - 一种非全接触式喷嘴隔热帽罩、喷嘴及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非全接触式喷嘴隔热帽罩、喷嘴及设计方法。本发明所述帽罩包括帽端以及自所述帽端边缘延伸的筒形罩壁；所述罩壁包括位于所述罩壁外周的第一罩壁，所述第一罩壁与喷头之间设置有用于减小第一罩壁与喷头接触面积的热保护机构。本发明通过对帽罩结构的改进，明显降低喷嘴出口的燃油温升，对喷嘴有更好的保护效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷油杆结构，特别涉及一种非全接触式喷嘴隔热帽罩、喷嘴及设计方法。
背景技术
随着燃气涡轮发动机的发展和性能的提高，涡轮前的温度也不断升高，燃烧室内的气动条件也越发苛刻，对于推重比10及以上的航空发动机来说，燃烧室进口的空气温度可高达800K以上，这就使得燃烧室内的喷嘴处在极高的环境温度下。喷嘴暴露在高温中会使得内部燃油吸收大量热量，从而导致温度升高，而燃油在超过一定温度后会发生自氧化反应，产生固体积碳，从而有堵塞喷嘴，影响发动机正常工作的风险。
因此，需要对喷嘴采取热防护措施，保证燃油在喷嘴头部流道内流动时温度不至于过高。一方面可以对喷嘴流道进行改进设计，减小流道内部的台阶、突扩等区域，另一方面可采用外部隔热罩，喷嘴帽罩就是保护喷嘴头部(喷头)的重要结构，可以减少外部燃气向喷嘴头部内流道的热量传递，降低燃油在流道内的温升。同时，帽罩上还有进气口，可以使外部气流进入对内部积碳进行吹除。
如图1和图2所示，喷嘴是由喷头和固定于喷头外周的帽罩组成，帽罩位于喷头的前端，现有技术中的帽罩5(model 1)的罩壁和喷头4之间是完全贴合的，与喷头焊接，但是帽罩的材料采用的为高温合金，作为金属其导热率较高，导致帽罩的隔热性能差，现有的改进方法为采用耐高温材料如陶瓷材料(导热率低于高温合金)制作帽罩，由于陶瓷材料韧性差，完全用陶瓷材料替代金属做成帽罩，不能满足喷嘴的强度需要。
发明内容
发明目的：针对现有技术中燃油喷嘴结构的缺陷，提供燃油喷嘴帽罩结构、设计方法及喷嘴结构，提高对喷嘴头部的热防护性能。
技术方案：本发明所述的一种非全接触式喷嘴隔热帽罩，所述帽罩包括帽端以及自所述帽端边缘延伸的筒形罩壁；所述罩壁包括位于所述罩壁外周的第一罩壁，所述第一罩壁与喷头之间设置有用于减小第一罩壁与喷头接触面积的热保护机构。
所述热保护机构为设置于第一罩壁与喷头之间设置的隔热层和/或隔热腔。
所述罩壁靠近所述帽端的端部为第一端，所述罩壁远离所述帽端的端部为第二端，在所述第一罩壁的第一端，设置一个位于所述第一罩壁内壁边缘的台阶。
所述热保护机构为隔热层，所述隔热层为耐高温材料制成；所述隔热腔为为设置于第一罩壁与喷头之间的空腔。
所述热保护机构由隔热层和隔热腔组成，所述隔热腔为设置于所述隔热层上的沿着周向间隔分布的空腔。
所述热保护机构为隔热腔，所述第一罩壁在第二端设置有若干个间隔分布的连接端。
所述热保护机构为以下结构：
所述热保护机构为设置于第一罩壁与喷头之间的耐高温材料制成的隔热层；
或所述热保护机构为设置于第一罩壁与喷头之间的耐高温材料制成的隔热层，所述隔热层上设置有若干隔热腔；
或所述热保护机构为设置于所述第一罩壁与喷头之间的隔热腔，和/或所述第一罩壁端部设置有若干个间隔分布的用于与喷头固定的连接端。
本发明所述的一种喷油杆用喷嘴，包括上述的帽罩以及喷头，所述帽罩与喷头之间设置有热保护机构。
本发明所述的一种非全接触式喷嘴隔热帽罩的设计方法，包括以下步骤：
S1:将帽罩分隔为功能区以及热保护区，功能区包括帽罩的帽端和维持帽罩强度的位于罩壁外围的第一壁面，第一壁面采用高温合金制作，帽罩的第一壁面与喷头之间为热功能保护区；
S2：在热功能保护区设置热保护机构；
S3：热保护机构的优化：优化方式为减小帽罩与喷头的接触面和/或在第一壁面与喷头设置空气层作为隔热腔；
S4：对得到的帽罩结构模型进行验证，得到改进后的帽罩结构。
有益效果：本发明通过对帽罩结构的改进，明显降低喷嘴出口的燃油温升，对喷嘴有更好的保护效果。
附图说明
图1为现有技术中喷头与帽罩的结构以及位置关系示意图；
图2为现有技术帽罩的结构示意图；
图3为本发明帽罩的设计方法；
图4为本发明帽罩的一种优选结构；
图5为本发明帽罩的一种优选结构与喷头之间的连接关系示意图；
图6为本发明帽罩的一种优选结构；
图7为本发明帽罩的一种优选结构与喷头之间的连接关系示意图；
图8为本发明帽罩的一种优选结构；
图9为本发明帽罩的一种优选结构与喷头之间的连接关系示意图；
图10为本发明帽罩的一种优选结构；
图11为本发明帽罩的一种优选结构与喷头之间的连接关系示意图；
图12为fluent模拟得到的各模型燃油出口温升的对比图。
具体实施方式
实施例1：为了解决现有问题的缺陷，本发明提供了一种提高帽罩隔热性能且可满足喷嘴工况要求的帽罩的设计方法。
如图3所示，本发明的设计方法为：
S1:将帽罩分隔为功能区以及热保护区，功能区包括帽罩的帽端和维持帽罩强度的位于罩壁外围的第一壁面，为了维持帽罩的强度，第一壁面依然采用高温合金制作，帽罩的第一壁面与喷头之间为热功能保护区；
S2：在热功能保护区设置热保护机构，用于减小第一罩壁与喷头的接触面积，减小喷头的高温向第一罩壁传递的速率；
S3：热保护机构的优化：优化方式可以选择S31或者是S32，或者同时选择S31或者是S32；
S31：减小帽罩与喷头的接触面积，即减小高温合金制作的第一壁面与喷头之间的接触面积；
S32：在第一壁面与喷头之间设置有空气层作为隔热腔；
S4：对得到的帽罩结构模型进行验证，得到改进后的帽罩结构。
实施例2：基于实施例1的设计方法，本实施例中提供了通过该方法得到的帽罩结构如下(model 2)：
帽罩结构：该热保护机构30为在帽罩1的第一壁面与喷头4之间设置了隔热层310，隔热层310为陶瓷材料制成，使得第一罩壁与喷头4不直接接触(无接触面积)，隔热层310的陶瓷材料有效地减缓了热传导率；具体结构为：如图4所示：帽罩1包括帽端10以及自帽端10边缘延伸的筒形(圆柱面)罩壁20；罩壁20靠近帽端10的端部为第一端210，罩壁20远离帽端10的端部为第二端220，第一端210至第二端220的方向为图4中X轴延伸的方向(轴向)，图4中Y轴的延伸方向为径向，罩壁20包括位于罩壁20外周的第一罩壁201，在第一罩壁的第一端210设置有位于第一罩壁201内壁的台阶202，台阶202为在第一罩壁201内壁设置的一个环形台阶，在此处设置的环形台阶维持了帽罩结构的强度，隔热层为台阶202自第一端向着第二端方向延伸的圆筒形结构。
如图5所示，本实施例2的帽罩结构与喷嘴的喷头焊接固定后的喷嘴结构，喷头与第一壁面之间被隔热层阻断，减小了帽罩向喷头的热量传递。
实施例3：如图6所示，在实施例2结构的基础上，本实施例中帽罩(model 3)利用隔热层310与隔热腔320共同组成了热保护机构30，隔热腔320同样利用了减少接触面积的设计，且空气腔体的同样是一个有效的隔热措施，隔热腔320可以为周向或者轴向对隔热层进行掏空处理形成的结构；本实施例中给出了在轴向方向的掏空处理结构，形成的隔热腔320周向间隔分布于隔热层310，隔热腔320为轴向延伸的长条形空腔结构，隔热腔320位于第一罩壁与喷头之间。
如图7所示，本实施例3的帽罩结构与喷头点焊固定后，掏除部分帽罩实体部分不会对原始帽罩的功能造成影响，仍然可以对内部积碳进行吹除，且其隔热效果更好。
同样的，基于该方法，本发明实施例2、实施例3的隔热层在周向方向等接触面上进行粗糙化处理以减小接触面也为有效手段；从实施例2-3可以看出，虽然结构上与原始帽罩模型相同，但帽罩与喷头接触面上添加热导率低的隔热材料，减小了帽罩向喷头的热量传递，也应在保护范围内。
实施例4：如图8所示，在实施例3结构的基础上，本实施例中帽罩(model 4)去除隔热层结构，仅在第一罩壁201与喷头之间设置有隔热腔320作为热保护机构30(model 4)。
如图9所示，本实施例4的帽罩结构与喷头点焊固定后的喷嘴结构，掏除第一罩壁201与喷头之间的实体部分，帽罩在周向方向上与喷头无接触，帽罩与喷头的接触面刚好形成一密闭的空气腔，一方面空气的高热阻可以减少热量的传递，另一方面也减少了帽罩与喷头的接触面积，不会对原始帽罩的功能造成影响，仍然可以对内部积碳进行吹除，且其隔热效果更好。
实施例5：如图10所示，在实施例4结构的基础上，本实施例中帽罩(model 5)在第一罩壁201与喷头点焊的端面处，去除部分接触面，使得第一罩壁201仅采用部分延伸出的间隔分布的壁面作为连接端330与喷头连接，本实施例中连接端330为自第一罩壁201的端部延伸出的长条形薄壁结构。
如图11所示，本实施例5的帽罩结构与喷头点焊固定后的喷嘴结构，掏除部分第一罩壁与喷头连接部分，进一步减少其在X方向上与喷头的接触面积，不会对原始帽罩的功能造成影响，仍然可以对内部积碳进行吹除，且具有优异的隔热效果。
另外，使帽罩与喷头之间不完全接触的结构不仅仅限于图4-11中所示的这些设计结构，帽罩与喷头之间采用点焊等为减少接触面积的连接方式都应受到保护；
对实施例2-5的结构以及现有结构分别是fluent模拟得到的各模型燃油出口温升的对比，结果如图12所示，可以看到本发明的几种优化模型相对原始模型能明显降低出口的燃油温升，对喷嘴有更好的保护效果。
Claims (5)
1.一种非全接触式喷嘴隔热帽罩，其特征在于，所述帽罩（1）包括帽端（10）以及自所述帽端（10）边缘延伸的筒形罩壁（20）；所述罩壁（20）包括位于喷头外周的第一罩壁（201），所述第一罩壁（201）与喷头之间设置有用于减小第一罩壁与喷头接触面积的热保护机构（30）；所述热保护机构（30）为以下任一种结构：
所述热保护机构为设置于第一罩壁与喷头之间的隔热腔（320），所述隔热腔（ 320 ）为设置于第一罩壁与喷头之间的空腔；
或所述热保护机构由隔热层（310）和隔热腔（320）组成，所述隔热腔（320）为设置于所述隔热层上的沿着周向间隔分布的空腔。
2.根据权利要求1所述的非全接触式喷嘴隔热帽罩，其特征在于，所述罩壁（20）靠近所述帽端（10）的端部为第一端（210），所述罩壁（20）远离所述帽端（10）的端部为第二端（220），在所述第一罩壁（201）靠近帽端（10）的端部设置一个位于所述第一罩壁（201）内壁边缘的台阶（202）。
3.根据权利要求1所述的非全接触式喷嘴隔热帽罩，其特征在于，所述第一罩壁（201）在远离帽端（10）的端部设置有若干个间隔分布的连接端（330）。
4.一种喷油杆用喷嘴，其特征在于，包括如权利要求1-3任一所述的帽罩（1）以及喷头，所述帽罩与喷头之间设置有热保护机构（30）。
5.一种非全接触式喷嘴隔热帽罩的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:将帽罩分隔为功能区以及热保护区，功能区包括帽罩的帽端和维持帽罩强度的位于喷头外围的第一罩壁，第一罩壁采用高温合金制作，帽罩的第一罩壁与喷头之间为热功能保护区；
S2：在热功能保护区设置热保护机构；
S3：热保护机构的优化：优化方式为在第一罩壁与喷头之间设置空气层作为隔热腔；
S4：对得到的帽罩结构模型进行验证，得到改进后的帽罩结构。
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