CN111102600A - 一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，包括连接于火焰筒腔内壁的上方进口弯曲段和下方出口弯曲段；所述上方进口弯曲段和下方出口弯曲段一体成型，二者曲率半径之和为34mm；所述小弯管表面设有多个气膜孔，所述气膜孔呈正菱形叉排分布。本发明通过改良小弯管冷却结构，从而合理分配冷气，以降低小弯管的整体温度提高温度均匀度从而提高冷却效果，防止小弯管的烧蚀，保护燃烧室。

Description

一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构
技术领域
本发明涉及航空发动机冷却结构设计与热防护技术领域，主要涉及一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构设计。
背景技术
回流燃烧室是涡轴发动机中重要组成部分，而大曲率小弯管又是回流燃烧室火焰筒中重要构件。燃烧室火焰筒是发动机中油气混合并进行燃烧的区域，温度很高，且随着功重比的不断提高，回流燃烧室部件设计仍将向温升、热容方向发展，小弯管作为火焰筒中直接接触主流燃气的构件，曲率较大，热应力较大，极易烧蚀，因此对燃烧室小弯管冷却提出了极为苛刻的要求。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。
现有技术主要通过设置致密气膜孔来冷却燃烧室小弯管，这种方法能够在小弯管与主流燃气直接接触的表面覆盖住一层稳定的冷气膜，能够很大程度上降低小弯管壁面温度以及小弯管热应力。但孔大小、孔排数、孔排布方式以及小弯管曲率对小弯管的冷却能力影响很大。孔径过大，冷气的气膜覆盖范围过小；孔径过小，从气膜孔喷注冷气的穿透力过强，气膜覆盖效果不佳。同样，孔排布过稀，气膜并不能覆盖整个小弯管外壁面，热应力较大；孔排布过密，前排气膜将会影响后排，形成吹移，整体冷却效果不佳。
发明内容
发明目的：本发明根据涡轴发动机燃烧室内壁的传热特点，将小弯管单独考虑，公开了一种涡轴发动机燃烧室大曲率小弯管的冷却结构，从而合理分配冷气，以降低小弯管的整体温度提高温度均匀度从而提高冷却效果，防止小弯管的烧蚀，保护燃烧室。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，包括连接于火焰筒腔内壁的上方进口弯曲段和下方出口弯曲段；所述上方进口弯曲段和下方出口弯曲段一体成型，二者曲率半径之和为34mm；所述小弯管表面设有多个气膜孔，所述气膜孔呈正菱形叉排分布。
进一步地，所述气膜孔沿流向间距为4.7mm，沿法向间距为3mm。
进一步地，所述气膜孔沿流向设有12排孔，沿法向设有33排孔。
进一步地，所述气膜孔内截面为圆形，孔径为0.6mm。
进一步地，所述气膜孔法向轴线与弯曲段外壁面切线的夹角为30°。
进一步地，所述小弯管管壁厚度为1mm。
有益效果：本发明提供的涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，根据涡轴发动机回流燃烧室小弯管的流动及换热特点，设定了不同的弯曲段曲率，且充分发挥了气膜冷却的换热特点，具备以下优点：
(1)在火焰筒内壁面也就是小弯管上采用气膜冷却的方式，调整弯曲段的曲率，使流量分配更加合理，冷气由小弯管上众多的气膜孔喷出，在小弯管外壁面形成一层致密的冷气气膜，隔绝主流燃气对小弯管外壁面直接的对流换热，从而能够降低小弯管弯曲段整体温度以及热应力，保护小弯管，提高燃烧室寿命。
(2)小弯管上开设圆形气膜孔，整体结构较为简单，易于加工。
(3)弯曲段过渡平滑，流动阻力较小。
(4)需求冷气量小，小弯管温度均匀，冷却效果好。
(5)弯曲段曲率半径组合众多，适用于多种回流燃烧室火焰筒。
附图说明
图1是本发明提供的涡轴发动机回流燃烧室结构示意图；
图2是本发明提供的大曲率小弯管冷却三维结构示意图；
图3是本发明提供的大曲率小弯管气膜孔排布示意图；
图4是本发明提供的大曲率小弯管剖面图。
附图标记说明：
1-上方平直段；2-上方进口弯曲段；3-下方出口弯曲段；4-下方平直段；5-弯曲段气膜孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的涡轴发动机回流燃烧室结构，压气机后气流进入燃烧室，此气流与航空煤油于火焰筒内部前端掺混燃烧，形成主流燃气，燃气随即进入火焰筒腔内，火焰筒腔主要由内外壁组成，其内壁为小弯管，结构紧凑。冷气由小弯管腔内经小弯管上气膜孔喷出，冷却小弯管，最后掺混气再共同经由火焰筒出口流出。
如图2-4所示为本发明所述大曲率小弯管冷却结构具体示意图。
一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，包括连接于火焰筒腔内壁的上方进口弯曲段2和下方出口弯曲段3。上方进口弯曲段2与和下方出口弯曲段3一体成型，分别连接上方平直段1和下方平直段4。小弯管表面设有多个气膜孔5，气膜孔呈正菱形叉排分布。
其中上方进口弯曲段2和下方出口弯曲段3过渡平滑，曲率半径不同各不相同，上方进口弯曲段曲率半径R1与下方出口弯曲段曲率半径R2之和为固定值。根据实验，当满足：R1+R2＝34mm时，冷空气流量分配最为合理。
表面气膜孔采用菱形叉排分布，气膜孔优选为圆形气膜孔，孔径为0.6mm。如图3所示，第一排孔中心位于上方平直段与上方进口弯曲段交接处。沿流向分布12排孔，沿法向分布33排孔，流向两排孔中心之间的间距为4.7mm，法向两排孔中心之间的间距为1.5mm。如图4所示，气膜孔法向轴线与弯曲段外壁面切线的夹角为30°。
本发明通过在火焰筒内壁面也就是小弯管上采用气膜冷却的方式，调整弯曲段的曲率，使流量分配更加合理，冷气由小弯管上众多的气膜孔喷出，在小弯管外壁面形成一层致密的冷气气膜，隔绝主流燃气对小弯管外壁面直接的对流换热，从而能够降低小弯管弯曲段整体温度以及热应力，保护小弯管，提高燃烧室寿命。
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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：包括连接于火焰筒腔内壁的上方进口弯曲段和下方出口弯曲段；所述上方进口弯曲段和下方出口弯曲段一体成型，二者曲率半径之和为34mm；所述小弯管表面设有多个气膜孔，所述气膜孔呈正菱形叉排分布。
2.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：所述气膜孔沿流向间距为4.7mm，沿法向间距为3mm。
3.根据权利要求2所述的一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：所述气膜孔沿流向设有12排孔，沿法向设有33排孔。
4.根据权利要求2或3所述的一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：所述气膜孔内截面为圆形，孔径为0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：所述气膜孔法向轴线与弯曲段外壁面切线的夹角为30°。
6.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机回流燃烧室内部大曲率小弯管冷却结构，其特征在于：所述小弯管管壁厚度为1mm。
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