CN111059575B - 涡喷发动机火焰筒外壳 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了涡喷发动机火焰筒外壳。该火焰筒外壳的一具体实施方式包括：外壳前段，外壳中段和外壳后段；外壳前段上设置有冷却气膜孔；在涡喷发动机工作时，冷却气膜孔用于导入来自压气机出口的冷却气流，外壳前段的靠近压气机出口的一侧也导入来自压气机出口的冷却气流；涡喷发动机火焰筒外壳借助于这两股冷却气流来降低火焰燃烧的高温对外壳前段，外壳中段和外壳后段的内壁的影响；外壳中段设置在外壳前段和外壳后段之间，外壳前段和外壳中段通过焊接来连接；外壳后段和外壳中段通过焊接来连接；外壳前段，外壳中段和外壳后段通过钣金工艺加工成型并经过应力退火处理。该实施方式实现了一种工作寿命改善的火焰筒外壳。

Description

涡喷发动机火焰筒外壳

技术领域

本申请实施例涉及涡喷发动机技术领域，具体涉及涡喷发动机火焰筒外壳。

背景技术

航空喷气式发动机中的火焰筒属于燃烧室的一部分，是经过特殊设计的腔体，用以包裹火焰，形成稳定的燃烧环境，是航空喷气式发动机的主要部件之一。

发明内容

本申请实施例提出了涡喷发动机火焰筒外壳。

第一方面，本申请实施例提出了一种涡喷发动机火焰筒外壳，包括：外壳前段，外壳中段和外壳后段；所述外壳前段上设置有冷却气膜孔；在涡喷发动机工作时，所述冷却气膜孔用于导入来自压气机出口的冷却气流，并且所述外壳前段的靠近压气机出口的一侧也导入来自压气机出口的冷却气流；所述涡喷发动机火焰筒外壳借助于这两股冷却气流来降低火焰燃烧的高温对所述外壳前段，外壳中段和外壳后段的内壁的影响；所述外壳中段设置在所述外壳前段和所述外壳后段之间，所述外壳前段和所述外壳中段通过焊接来连接；所述外壳后段和所述外壳中段通过焊接来连接；其中，所述外壳前段，外壳中段和外壳后段通过钣金工艺加工成型并经过应力退火处理。

在一些实施例中，所述外壳中段和所述外壳后段通过对接焊来连接。

在一些实施例中，所述外壳前段和所述外壳中段通过熔融焊来连接，所述外壳中段和所述外壳后段通过熔融焊来连接。

在一些实施例中，所述焊接的焊接方式为以下之一：气体保护焊、低熔点钎料钎焊。

在一些实施例中，所述外壳后段套装在所述外壳中段上并通过角焊缝连接在一起。

本申请实施例提出的涡喷发动机火焰筒外壳，通过冷却气流的导入设计，实现了一种工作寿命改善的火焰筒外壳。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请提供的涡喷发动机火焰筒外壳的一个实施例的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的火焰筒外壳内的气流示意图；

图3是本申请提供的涡喷发动机火焰筒外壳的另一个实施例的结构示意图；

图4是根据本申请实施例的焊缝位置改进的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请的原理和特征作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参见图1所示，其示出了本申请提供的涡喷发动机火焰筒外壳的一个实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例中的涡喷发动机火焰筒外壳可以包括外壳前段11、外壳中段12和外壳后段13。

外壳前段11、外壳中段12和外壳后段13都为钣金件。钣金成型后，可以在焊接工装上分别对外壳前段11与外壳中段12，外壳中段 12与外壳后段13，进行焊接，形成成品的火焰筒外壳。作为示例，上述焊接的焊接方式可以为但不限于以下之一：气体保护焊、低熔点钎料钎焊。焊接后，在外壳前段11和外壳中段12之间，形成第一焊缝 14；而在外壳中段12和外壳后段13之间，形成第二焊缝15。

可选的，所述外壳前段11和所述外壳中段12也可以通过熔融焊来连接，所述外壳中段12和所述外壳后段13也可以通过熔融焊来连接。

可选的，上述焊接可以是对接钎焊。

钣金件，例如外壳前段11、外壳中段12和外壳后段13，在成形时会有加工应力，一般在加工完成后需要在模具上经过失效处理，必要时需经过去应力退火，使残余应力达到标准。钣金件在焊接后，由于局部高温引起热应力，导致零件形变，在焊接工装的保持下，会产生焊接应力，焊接应力也应经过退火去应力处理。但此时，因钎焊属于熔融焊，温度远高于退火温度，使焊缝周围材料产生变化，在物理上表现为材料的结晶结构和微观组织在小范围内产生剧烈变化，在化学上表现为焊缝周围区域材料本体的化学成分发生改变。物理变化会引起此处应力集中，化学变化会导致材料强度、刚度、韧性等的异变，这种异变往往都是坏的，会加剧物理特性的变化，降低焊接的可靠性。为此，焊接工程师可以采取如气体保护焊、低熔点钎料钎焊、冷却保护等预防改进措施，以减小焊接缺陷的影响。

在本实施例中，所述外壳前段11上设置有至少一个冷却气膜孔 111。进一步参见图2，在涡喷发动机工作时，上述冷却气膜孔111用于导入来自涡喷发动机的压气机出口的冷却气流112，并且所述外壳前段的靠近压气机出口的一侧也导入来自涡喷发动机的压气机出口的冷却气流113。所述涡喷发动机火焰筒外壳借助于这两股气流(即，冷却气流112和冷却气流113)来降低火焰燃烧的高温对所述外壳前段，外壳中段和外壳后段的内壁的影响。

如图1和图2所示，在本实施例中，第一冷却气流112和第二冷却气流113来自涡喷发动机的压气机出口，温度通常约200℃。火焰在主燃区燃烧，形成高温区和高温热气流114，温度约1300℃。作为示例，第一冷却气流112可以形成低温区，以保护外壳前段11的前壁面，第二冷却气流113可以形成低温区，以保护冷却气膜孔111后的外壳前段11的后壁面、外壳中段12和外壳后段13。三股气流(即，第一冷却气流112、第二冷却气流113和高温热气流114)最终形成掺混气流出，温度通常可以为1000℃～1100℃。在第一冷却气流112和第二冷却气流113的保护下，火焰筒外壳的壁面温度得以降低，使得壁面温度在其可以正常承受的范围内，从而有助于延长火焰筒外壳的寿命。

上述冷却气流保护模式在正常稳态工作情况下是有效的，其有效性经过了试验验证。然而在试验中同时发现，火焰筒外壳中段的实际寿命比计算寿命减少了10％～20％，而外壳前段和外壳后段的实际寿命与计算寿命相差不大。在几次试验中，火焰筒外壳中段在设计寿命周期内出现了预期之外的裂纹、掉块，这属于零件非正常工作故障。在火焰筒外壳中段内壁上涂抹高温试温漆，经过试验后拆解观察发现，内壁局部出现温度接近1300℃的区域。

在反复实验后，对该非正常工作故障的原因例举如下：

1)发动机在正常稳态工作时，燃油在主燃区内稳定、完全燃烧，冷却气流稳定，冷却措施有效；

2)在发动机启动、加速等非稳态调节时，发动机供油量在短时间内迅速增大，此时油气比增大，燃烧不充分，主燃区扩展，冷却气流不能很好地压缩燃烧热气流，使部分未燃烧完全的燃油液滴穿过第二冷却气流形成的气膜，黏附在火焰筒外壳中段，形成挂壁燃烧，造成内壁局部温度异常；该异常在发动机进入稳定调节后消失；

3)发动机在加载使用时，为平衡功率，燃油供油量增大，但转速和气流量并未增加，造成主燃区扩展，部分未燃烧完全的燃油液滴穿过第二冷却气流形成的气膜，黏附在火焰筒外壳中段，形成挂壁燃烧，造成内壁局部温度异常；该异常在大负载时长时间出现，在无负载或小负载时不出现。

火焰筒外壳中段局部温度异常，会使该零件因温度分布不均和超设计高温产生热应力。在高温高压环境下工作时，零件的强度会下降，使热应力接近强度极限；而在发动机小负载或无负载稳定工作时，热应力又会降低，这样的工作循环使火焰筒外壳中段极易产生疲劳。火焰筒外壳中段由于设计原因，在较短的轴向尺寸上安排了第一、第二两道焊缝，两道焊缝的影响区域几乎占据了全部的中段，降低了该零件的固有强度和抗疲劳性能；在高温高压环境下，这样的降低会使该区域产生疲劳裂纹，并随着发动机的使用，造成疲劳裂纹扩展，进而产生故障而失效。

针对上述问题，为了进一步改进火焰筒的设计和生产工艺，从而避免火焰筒外壳的故障失效。参见图3，本申请提供了涡喷发动机火焰筒外壳的另一个实施例。在本实施例中，主要通过改进焊接方式，来减小焊接造成的强度损失，从而达到避免火焰筒外壳故障失效的目的。

继续参见图3，其示出了本申请提供的涡喷发动机火焰筒外壳的另一个实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例中的涡喷发动机火焰筒外壳可以包括外壳前段31、外壳中段32和外壳后段33。

外壳前段31、外壳中段32和外壳后段33都为钣金件。钣金成型后，可以在焊接工装上分别对外壳前段31与外壳中段33，外壳中段 32与外壳后段33，进行焊接，形成成品的火焰筒外壳。

在本实施例中，所述外壳前段31上设置有冷却气膜孔311。在涡喷发动机工作时，所述冷却气膜孔311用于导入来自涡喷发动机的压气机出口的冷却气流，并且所述外壳前段31的靠近压气机出口的一侧也导入来自涡喷发动机的压气机出口的冷却气流。

在本实施例的设计中，将火焰筒的外壳中段32延长。在一些可选的实现方式中，延长后的外壳中段32长度上是延长前的外壳中段32 的1.1-2.5倍。作为示例，原外壳中段长度约为47.56mm，外壳后段长度约为44.57mm，延长后外壳中段长度约为92.13mm，长度延长了约一倍。随着外壳中段32的延长，在外壳前段31和外壳中段32之间的第一焊缝34与图1所示的实施例中的位置相比，位置通常不变。在外壳中段32和外壳后段33之间的第二焊缝35与图1所示的实施例中的位置相比，位置后移。在本实施例中，外壳后段33与外壳中段32套装在一起，即将所述外壳后段33套装在所述外壳中段32上。在焊接工装中用较宽的角焊缝将外壳后段33和外壳中段32连接在一起。

在本实施例中，改变了第二焊缝35的焊接方式，从对接焊改为角焊，降低了焊接难度，提高了焊接精度。

在本实施例中，在维持了火焰筒外壳气动外形的情况下，调整了焊缝的位置，降低了焊缝之间的相互影响。继续参见图4，图4给出了根据本申请实施例的焊缝位置改进的效果示意图。由图4可以看出，改进前，两个焊缝(第一焊缝和第二焊缝)的影响区域(图中所示为大致影响区域)几乎占据了火焰筒外壳中段的全部。而改进后，焊缝则对原来易出裂纹的区域(参见图2的裂纹出现区域)几乎无影响。本申请实施例通过减少焊缝对于中段本身的强度影响，相当于提高了高温下中段的结构强度。

在生产方面，外壳中段的模具和焊接模具根据零件详细设计进行了改动。重新设计的工艺(例如从对接焊改为角焊，以及外壳后段与外壳中段的套装连接)使第二焊缝的焊接更为简单。除去模具和工装，生产成本几乎没有增加。

依照本实施例，已经生产出了火焰筒外壳零件。选取生产的火焰筒外壳随发动机进行了全寿命长试，在长试后，中段部位未发现裂纹。测试显示，本实施例提供了涡喷发动机火焰筒外壳的更优实现方案。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (2)

1.一种涡喷发动机火焰筒外壳，包括：外壳前段，外壳中段和外壳后段；

所述外壳前段上设置有冷却气膜孔；在涡喷发动机工作时，所述冷却气膜孔用于导入来自压气机出口的冷却气流，并且所述外壳前段的靠近压气机出口的一侧也导入来自压气机出口的冷却气流；

所述涡喷发动机火焰筒外壳借助于这两股冷却气流来降低火焰燃烧的高温对所述外壳前段，外壳中段和外壳后段的内壁的影响；

所述外壳中段设置在所述外壳前段和所述外壳后段之间，所述外壳前段和所述外壳中段通过焊接来连接；

所述外壳中段与所述外壳后段连接，其特征在于：所述外壳中段长度延长，将焊缝位置向所述外壳后段方向移动，并通过角焊缝与所述后段使用焊接来连接。

2.根据权利要求1所述的涡喷发动机火焰筒外壳，其中，所述外壳后段套装在所述外壳中段上并通过角焊缝连接在一起。

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