CN111207412A - 一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，当冷却气体从火焰筒外壁的冲击孔进入火焰筒后，对浮动瓦块进行冲击冷却，之后冷却气流通过浮动瓦块上的冲击孔进入浮动瓦块内部，对浮动瓦块内的冷却气流通道壁面进行冲击冷却，随后经过冷却气流通道流通至浮动瓦块各个部位，此过程进行了对流换热冷却，并在此过程中，冷却气流通过冷却气流通道的气膜孔进入火焰筒，在浮动瓦块的内壁面形成一层气膜，作为气膜冷却，通过多重冷却方式的组合，在现有的浮动瓦块基础上，能够进一步减少冷却气流量，提高火焰筒冷却结构的冷却效率。

Description

一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒的高效冷却方式。

背景技术

燃烧室的主燃区燃气温度可高达2400K,是燃气轮机的最高温度区，而目前火焰筒壁金属材料正常工作温度不超过1300K,材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作,因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却,以防止火焰筒被烧坏而降低燃烧室寿命,进而降低发动机寿命。为了保证燃烧室有足够长的使用寿命与可靠性，通常采用两种解决方法：其一是提高火焰筒材料的许用工作温度，即选用性能更优的耐高温材料；其二是加强火焰筒的热保护，采用先进的冷却技术和冷却结构，对火焰筒壁面进行有效的热保护。由于开发新耐高温材料的速度远远不能满足需求，使得人们越来越重视先进火焰筒冷却结构形式和冷却技术的研究、发展。因此，未用于燃烧的空气，大约占60％的总空气流量，被逐渐引入火焰筒。这部分空气大约有三分之一用来在稀释区降低燃气的温度，然后再进入涡轮，而其余的空气则用来冷却火焰筒的壁面。目前用于燃气轮机火焰筒的基本冷却方式主要有气膜冷却、发散冷却、冲击发散组合冷却、层板冷却等。随着航空发动机性能的不断提高，火焰筒冷却技术也面临着两大难点：一个难点是，随着航空发动机性能提升，要求直接参与燃烧的空气量逐渐增加；另一个难点是，航空发动机增压比也在逐步提高，压气机出口空气温度，即可用于冷却火焰筒壁面的空气温度也在逐步上升，所以燃烧室进口空气作为冷却剂的冷却能力在逐渐下降。因此，如何在冷却空气温度提高的情况下减少冷却空气的用量，且能够对燃烧室火焰筒进行有效冷却的技术问题成为非常迫切需要解决的关键技术问题。

在燃烧室中采用浮动壁结构就是解决上述问题的先进技术之一。国外的预研和应用经验表明，浮壁式火焰筒结构能够在减少冷却气用量的情况下，降低火焰筒壁面温度梯度和结构热应力水平，延长其使用寿命。因此浮壁式火焰筒是未来燃烧室的主要结构形式，具有良好的发展前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，在现有的浮动瓦块基础上，能够进一步提高火焰筒冷却结构的冷却效率，减少冷却气流量，能够在火焰筒内壁面生成一层流动稳定，压力损失小，与火焰筒内壁面贴附好，分布更加均匀，湍流强度低的冷却气膜，同时还能更好的减小壁面的热应力，防止局部过热，在实际涡轮发动机中具有很高的应用价值。

技术方案

本发明技术方案如下：

所述采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述浮动瓦块与火焰筒外壁连接方式为螺栓连接，瓦块通过螺栓杆及螺栓在一定的安装预紧力作用下连接到外套上，浮动瓦块结构中含有冲击孔、气膜孔、冷却气流通道和扰流柱等冷却结构，在冲击孔与气膜孔的排列方式中，采用叉排排列方式(正菱形排列)。

所述采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述火焰筒外壁上具有冲击冷却孔，冲击冷却孔整体呈菱形均匀分布，浮动瓦块的内部具有冷却气流通道，冷却气流通道呈菱形分布，在每条冷却气流通道都均匀分布有气膜孔。

所述采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述浮动瓦块中的冲击孔、气膜孔、冷却气流通道和扰流柱，冲击孔直径大于气膜孔，且冲击孔轴线垂直于火焰筒壁面，气膜孔轴线与浮动瓦块壁面夹角为30°，扰流柱横截面为流线形，冷却气流通道截面为长方形。

本发明具有以下有益效果：

该发明的优点是这种浮动瓦块的燃烧室火焰筒的冷却用气量小，冷却效率高，当冷却气体从火焰筒外壁的冲击孔进入火焰筒后，对浮动瓦块进行冲击冷却，之后冷却气流通过浮动瓦块上的冲击孔进入浮动瓦块内部，对浮动瓦块内的冷却气流通道壁面进行冲击冷却，随后经过冷却气流通道流通至浮动瓦块各个部位，此过程进行了对流换热冷却，并在此过程中，冷却气流通过冷却气流通道的气膜孔进入火焰筒，在浮动瓦块的内壁面形成一层气膜，作为气膜冷却，通过多重冷却方式的组合，在减少冷却气流用气量的条件下，提高了冷却效率。

附图说明

图1：燃烧室火焰筒浮动瓦块平板结构的整体图

图2：浮动瓦块平板结构的整体图

图3：浮动瓦块平板结构的内部冷却气流通道图

图4：浮动瓦块平板结构的气膜孔截面图

图中：1-燃烧室火焰筒壁，2-浮动瓦块，3-冷却气流通道，4-浮动瓦块冲击孔， 5-扰流柱，6-连接螺栓，7-冲击孔，8-气膜孔

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1至图4，本发明提供了一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒的冷却结构设计。图1为燃烧室火焰筒浮动瓦块平板结构的整体图，图2为浮动瓦块平板结构的整体图，图3为浮动瓦块平板结构的截面图，图4为浮动瓦块平板结构的气膜孔截面图，结合图3可以看出，浮动瓦块内部的冷却气流通道截面为长方形，整体呈菱形分布，在冷却气流通道上均匀分布有气膜孔。

根据图1所示的具有冲击孔(7)的燃烧室火焰筒壁(1)，浮动瓦块(2)通过连接螺栓(6)与燃烧室火焰筒壁(1)相连，冷却气流通过冲击孔(7)进入燃烧室火焰筒壁(1)与浮动瓦块(2)的夹层，通过冲击冷却方式对浮动瓦块(2)进行冷却，气流被浮动瓦块(2)截面为流线形的扰流柱(5)均匀分散至各处，随后气流通过浮动瓦块冲击孔(4)进入到浮动瓦块(2)内部的冷却气流通道(3)，冷却气流通道(3) 截面为长方形，整体呈菱形分布，在冷却气流通道(3)上均匀分布有气膜孔(8)，此过程为层板冷却，在冷却气流通道(3)内的冷却气流通过分布于冷却气流通道(3) 内的气膜孔(8)，进入火焰筒内部，在浮动瓦块(2)的内壁面形成一层冷却气膜，将高温燃气与浮动瓦块内壁面隔绝开。

在本实施例中，浮动瓦块通过螺栓与火焰筒壁面相连，使用键槽等方式连接浮动瓦块与火焰筒壁面的技术方案也在本发明专利的保护范围之内。

在本实施例中，扰流柱截面形状为流线形，目的是为了将冷却气流均匀分布至各处，并更好地组织流动，使用其他截面形状的扰流柱的技术方案也在本发明专利的保护范围之内。

在本实施例中，浮动瓦块内部的冷却气流通道整体布局为菱形，截面形状为长方形，其目的是将冷却气流运送至浮动瓦块内部各处，使用其它形式的冷却气流通道的技术方案也在本发明专利的保护范围之内。

最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明专利的技术方案的较佳实施例，对本发明专利的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换而不脱离本发明专利技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述浮动瓦块与火焰筒外壁连接方式为螺栓连接，瓦块通过螺栓杆及螺栓在一定的安装预紧力作用下连接到外壁上，浮动瓦块结构中含有冲击孔、气膜孔、冷却气流通道和扰流柱等冷却结构，在冲击孔、气膜孔和扰流柱的排列方式中，采用叉排排列方式(正菱形排列)。

2.根据权利要求1所述的采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述火焰筒外壁上具有冲击冷却孔，冲击冷却孔整体呈菱形均匀分布，浮动瓦块的扰流柱横截面为流线形，浮动瓦块的内部具有冷却气流通道，冷却气流通道呈菱形分布，在每条冷却气流通道都均匀分布有气膜孔。

3.根据权利要求1所述的采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述浮动瓦块中的冲击孔、气膜孔、冷却气流通道和扰流柱，冷却气流通道截面为长方形，冲击孔直径大于气膜孔，且冲击孔轴线垂直于火焰筒壁面，每个冲击孔都位于菱形冷却气流通道放入交叉线中心处，这样冷却气流进入冷却气流通道后能够均匀进入各条冷却气流通道。

4.根据权利要求1所述的采用浮动瓦块的燃烧室火焰筒，其特征在于：所述浮动瓦块中的气膜孔轴线与浮动瓦块壁面夹角为30°-60°，气膜孔的入口处于冷却气流通道轴线上，且均匀分布于每条冷却气流通道，气膜孔的中轴线与火焰筒中轴线平行。

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