CN111023151A - 回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机 - Google Patents

回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机，包括衔接火焰筒内壁的弧形件，以及连接弧形件和燃烧室内机匣的连接件。所述弧形件和连接件相对于燃烧室和涡轮导向器分离构造。弧形件在上侧具有局部圆柱面，用于和燃烧室火焰筒内壁配合搭接。连接件后端固定在燃烧室内机匣上，所述连接件下侧与涡轮导向器通过密封圈密封连接。连接件下侧具有局部弧形结构，与弧形件前侧、涡轮导向器共同配合，构成弯管内壁流道型面A。这种连接结构具有合理的流道型面和冷却结构，其固定结构在保证强度的基础上具有足够的轴向和径向自由度，同时与弯管内壁分离构造，易于维护更换。

Description

回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别地，涉及回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构。
背景技术
环形回流燃烧室由于其轴向长度短，与离心式压气机配合良好，广泛应用于航空涡轴、涡桨发动机和辅助动力装置中。
目前，典型的环形回流燃烧室构造参照图1，来自离心式压气机的压缩空气通过扩压段1进入燃烧室，然后通过燃烧室外机匣3和火焰筒外壁2构成的通道进入火焰筒头部4，并与燃油喷嘴5喷出的燃油混合燃烧，形成高温燃气。高温燃气经由内壁7和外壁8构成的排气弯管和涡轮导向器9进入涡轮膨胀做功。此外，为了协助燃烧组织、冷却火焰筒壁面、优化出口温度分布，火焰筒上还分布着大小不一的主燃孔、掺混孔和冷却孔。
相较于轴流式燃烧室，回流燃烧室的一个显著特点是拥有排气弯管，用于将高温燃气回转180度后排入涡轮。在结构上，排气弯管连接了火焰筒和涡轮导向器，其中连接结构11最为复杂，排气弯管内壁7连接了火焰筒内壁6和涡轮导向器9，并通过燃烧室内机匣10进行固定。连接结构11的设计需要考虑以下几方面的因素：
1、为了防止气流分离，降低弯管处的总压损失，需要保证连接处和弯管内壁具有合理的流道型面。
2、弯管内壁要考虑如何可靠固定。结合流道型面要求，目前的弯管内壁7一般设计为与火焰筒内壁6或燃烧室内机匣10整体构造焊接连接的形式，采用薄壁件加工，另一端采用搭接的方式实现连接配合，这种结构可以有效保证流道型面连贯，加工简单，但也存在相应的问题，弯管内壁7相对于焊点来说为悬臂结构，结构强度不易保证；弯管内壁7的曲率大，且在内外温差高的环境中工作，其身为薄壁件易产生热疲劳问题；整体构造使得弯管内壁7产生局部裂纹等问题时，无法单独更换修理，必须整体拆装。
3、由于弯管内壁7周边温度环境一般较为恶劣，需设置冷却结构。目前常用的冷却结构为壁面小孔结构和气膜缝槽结构，壁面小孔结构即在弯管内壁7上打出几排小孔，空气通过小孔流出实现冷却，常用于双层薄板结构的内壁组件。这种冷却方式结构简单，但会导致燃烧室出口温度分布在周向出现不均匀。气膜缝槽结构将弯管内壁分为几段，通过薄壁件的弯折结合形成窄缝，替代小孔。这种结构冷却空气均匀，冷却效率高，但结构复杂。
4、由于燃烧室内温度高，各组件在受热时均会产生不同程度的尺寸变化，这种尺寸变化在设计时需予以充分的考虑，给予组件结合点足够的自由度，避免出现挤压应力，影响连接结构11的整体结构强度。目前常见的弯管内壁7一端焊接一端搭接的方式可以给予一定的轴向自由度，但径向自由度无法保证。
5、考虑到受热导致的尺寸变化，连接结构11组件的各连接处常采用间隙配合，这也导致了发动机正常工作时连接处易出现挤压碰磨，这种磨损会降低连接的可靠性，需要视情况更换磨损组件，这也对连接结构11可维护性提出了的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机，这种新设计的连接结构具有合理的流道型面和冷却结构，其固定结构在保证强度的基础上具有足够的轴向和径向自由度，同时与弯管内壁分离构造，易于维护更换。
本发明提供一种回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，包括衔接火焰筒内壁的弧形件，以及连接弧形件和燃烧室内机匣的连接件。所述弧形件和连接件相对于燃烧室和涡轮导向器分离构造。弧形件与连接件共同配合，形成具有合理流道型面的弯管内壁结构、同时具有轴向和径向的自由度的固定结构、可以提供均匀冷却气流的冷却结构。
所述弧形件在上侧具有局部圆柱面，用于和燃烧室火焰筒内壁配合搭接。
所述连接件后端固定在燃烧室内机匣上，所述连接件下侧与涡轮导向器通过密封圈密封连接。
所述连接件下侧具有局部弧形结构，与弧形件前侧、涡轮导向器共同配合，构成弯管内壁流道型面A。
进一步地，所述弧形件后侧具有径向向内的凸缘，凸缘上有径向向内开口的凹槽；所述连接件中部有径向向外的突出部，突出部上有孔；所述凸缘和所述突出部在安装时在轴向留有一定间隙，凹槽和孔通过销钉连接，提供对弧形件的周向定位和径向限位，同时具有径向向内和轴向的自由度。
进一步地，所述弧形件内具有径向向内的凸块，凸块根部具有凹槽结构；所述连接件前端具有径向向外凸块；安装时连接件凸块嵌入弧形件凸块后侧，提供对弧形件的轴向定位，同时凹槽结构确保弧形件具有径向向外自由度和周向自由度。
进一步地，所述连接件前端面上设有一排小孔，用于提供冷却空气；所述连接件前端面和所述弧形件内部端面配合形成狭缝，用于将来自于小孔的不均匀冷却空气均匀化后通入排气弯管尾部。
进一步地，所述连接件后端具有厚壁结构，用螺钉固定在燃烧室内机匣上。
进一步地，所述弧形件在前侧具有光滑圆弧面，用于防止气流分离降低总压损失。
本发明具有以下有益效果：
1、该连接结构与采用分离设计，相对于燃烧室和涡轮导向器分离构造，易于维护更换。
2、该连接结构在可靠固定的前提下同时具有轴向和径向的自由度。
3、该连接结构具有独特的冷却结构，可以为弯管末端提供均匀冷却气流。
附图说明
图1为现有的环形回流燃烧室结构示意图；
图2为本发明优选实施例包含各组成部分的总体连接结构示意图；
图3为本发明优选实施例中弧形件和连接件的安装方式；
图4为本发明优选实施例中弧形件的立体结构示意图；
图5为本发明优选实施例中连接件的立体结构示意图。
图中：1.扩压段， 2.火焰筒外壁，3.燃烧室外机匣，4.火焰筒头部，5.燃油喷嘴,6.火焰筒内壁，7.排气弯管内壁,8.排气弯管外壁,9.涡轮导向器,10. 燃烧室内机匣10,11.连接结构。
100.弧形件,200.连接件,300.燃烧室火焰筒末端,400涡轮导向器,500.密封圈,600.燃烧室内机匣,700.销钉，800.狭缝。
110.局部圆柱面,120.光滑圆弧面,130.凸缘，140.凹槽,150.弧形件凸块,160.凹槽结构，170.弧形件内端面
210.突出部,220.圆孔,230.连接件凸块，240.冷却孔，250.连接件前端面。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
需要说明的是，附图仅用于解释本发明专利，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。下面描述中使用的词语“前”、“后”分别指气流箭头所示的方向，来流方向为“前”，反向为“后”，描述中使用的词语“左”、“右”、“上”和“下”分别指的附图所示的方向，“外”和“内”分别指主流道一侧及其反向方向。
参见图2，本发明的优选实施例提供了一种回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，包括弧形件100、连接件200、燃烧室火焰筒末端300、涡轮导向器400、密封圈500、燃烧室内机匣600。弧形件100和连接件200相对于燃烧室和涡轮导向器分离构造，均是单独的部件，易于维护更换。
图3、图4、图5为本实施例的立体结构示意图，选取1/18周期性扇形段进行展示。
本实施例中，弧形件100在上侧具有局部圆柱面110，该局部圆柱面110与燃烧室火焰筒内壁300配合搭接，对火焰筒内壁300提供径向的支撑。这种支撑方式使燃烧室火焰筒内壁末端足够的轴向自由度。弧形件100在前侧具有光滑圆弧面120，用于防止气流分离，降低总压损失。
本实施例中，弧形件100在后侧具有径向向内的凸缘130，凸缘上有径向向内开口的凹槽140。连接件200中部有径向向外的突出部210，突出部上有圆孔220。该凹槽140和圆孔220通过销钉700连接，提供对弧形件的周向定位和径向限位，同时具有径向向内和轴向的自由度。凸缘130和突出部210在安装时轴向留有一定间隙，提供弧形件100热膨胀的轴向预留空间。
本实施例中，弧形件100内部具有径向向内的凸块150，位于扇形段的右侧，凸块根部具有凹槽结构160；连接件200前侧具有径向向外凸块230，同样位于扇形段的右侧；安装时连接件凸块230从弧形件凸块150左侧嵌入随后右旋至图3所示位置，连接件凸块嵌入弧形件凸块后侧，提供对弧形件的轴向定位，同时凹槽结构160确保弧形件具有热膨胀的径向预留空间。凸块面积应在保证能够顺利安装的前提下尽量大，增大连接件凸块230和弧形件凸块150的接触面积有利于减缓接触位置的磨损。
本实施例中，连接件200前端面上设有冷却孔240，用于向燃烧室排气弯管内提供冷却空气。弧形件前侧内向面170和连接件前侧外向面250共同配合形成向下开口的狭缝800。冷却气流从冷却孔240进入狭缝800时，气流在周向分布不均匀，如果直接进入排气弯管会引起燃烧室出口温度分布的周向不均匀，狭缝800的作用是使冷却气流在进入排气弯管尾部时周向均匀分布。
本实施例中，连接件200后端具有厚壁结构260，与燃烧室内机匣端端面贴合，通过螺钉固定在燃烧室内机匣上，提供对连接件的支撑。
本实施例中，连接件200下侧具有局部弧形结构270，与弧形件前侧外向的光滑圆弧面120、涡轮导向器400共同构成排气弯管内壁流道型面A。其中火焰筒300和弧形件100的衔接通过局部圆柱面110完成，弧形件100和连接件200的衔接通过气流通道狭缝完成，连接件200与涡轮导向器400的衔接通过密封圈500进行密封连接。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，包括衔接火焰筒内壁的弧形件，以及连接弧形件和燃烧室内机匣的连接件，所述弧形件和连接件相对于燃烧室和涡轮导向器分离构造；
所述弧形件在上侧具有局部圆柱面，用于和燃烧室火焰筒内壁配合搭接；
所述连接件右侧固定在燃烧室内机匣上，所述连接件下侧与涡轮导向器通过密封圈密封连接；
所述连接件下侧具有局部弧形结构，与弧形件前侧、涡轮导向器共同配合，构成弯管内壁流道型面A。
2.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述弧形件后侧具有径向向内的凸缘，凸缘上有径向向内开口的凹槽；所述连接件中部有径向向外的突出部，突出部上有孔；所述凸缘和所述突出部在安装时在轴向留有一定间隙，凹槽和孔通过销钉连接，提供对弧形件的周向定位和径向限位，同时具有径向向内和轴向的自由度。
3.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述弧形件内具有径向向内的凸块，凸块根部具有凹槽结构；所述连接件前端具有径向向外的凸块；安装时连接件凸块通过旋转嵌入弧形件凸块后侧，提供对弧形件的轴向定位，同时凹槽结构确保弧形件具有径向向外自由度和周向自由度。
4.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述连接件前端面上设有一排小孔，用于提供冷却空气。
5.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述连接件前端面和所述弧形件内部端面配合形成狭缝，用于将来自于小孔的不均匀冷却空气均匀化后通入排气弯管尾部。
6.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述连接件后端具有厚壁结构，用螺钉固定在燃烧室内机匣上。
7.根据权利要求1所述的回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构，其特征在于，所述弧形件在前端具有光滑圆弧面，用于防止气流分离降低总压损失。
8.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括燃烧室和涡轮导向器，其特征在于，所述燃烧室和涡轮导向器通过权利要求1-8所述的包括燃烧室和涡轮导向器实现连接。
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