CN111503660B - 排气弯管和回流燃烧室 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种排气弯管，包括：弯管外壁和弯管内壁，弯管外壁开设有多个冲击孔；弯管外壁与弯管内壁之间形成壁腔，弯管内壁包括间隔排布的多个凸台，相邻的凸台之间形成凹腔，每个凸台包括顶面及相对的第一侧面和第二侧面，且每个凸台的所述第二侧面相对于第一侧面更靠近气体出口，第二侧面设有多个冷却孔；其中，弯管外壁的一侧通过冷气流，弯管内壁的一侧通过热气流，冷气流通过弯管外壁的多个冲击孔进入所述壁腔，并经多个冷却孔与热气流接触。本公开的排气弯管应用于回流燃烧室时具有良好的高温燃气冷却效果，可有效改善壁温分布周向不均匀的问题，提高排气弯管的寿命，具有良好的应用前景。

Description

排气弯管和回流燃烧室

技术领域

本公开涉及航空发动机领域，具体涉及一种排气弯管及应用该排气弯管的回流燃烧室。

背景技术

当前的小型燃气轮机主要采用回流燃烧室，回流燃烧室的显著特点就是气流经两个180°转弯从燃烧室流入涡轮。因此，排气弯管是回流燃烧室火焰筒所特有的结构。

图1为现有某小型燃气轮机的回流燃烧室的结构示意图，由火焰筒筒体B和排气弯管A组成。由于排气弯管正对着高温燃气，为减少高温燃气热辐射和对流冲刷的影响，在排气弯管上加工了大量的冲击或发散冷却孔，以减低排气弯管的壁面温度。图2为某小型燃气轮机的排气弯管示意图。该排气弯管由弯管内壁3和弯管外壁4组成，其中在弯管内壁3上加工了大量的发散冷却孔301。图3为该型排气弯管的改进型，为进一步提高排气弯管的冷却效果，在排气弯管外壁4上增加了冲击冷却小孔401。冷却气体经冷却孔301流入到排气弯管内，会在弯管内壁的内表面形成一层气膜，气膜主要有两个作用：一是避免高温燃气与弯管壁面直接接触；二是与壁面进行对流换热，降低弯管壁面附近燃气温度，减少高温燃气的热辐射。气膜的这两个作用可以保证排气弯管具有足够的使用寿命。

然而，现有的这种冷却结构一方面会导致壁温周向分布不均匀，容易形成“高温带”，会造成弯管壁温梯度较大，影响弯管使用寿命；另一方面，由于高温燃气与冷却气流换热面积较小，对进一步提升冷却效率有较大困难。

因此，需要设计一种新的回流燃烧室排气弯管复合冷却结构，以解决现有技术出现的上述种种问题。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种排气弯管及应用该排气弯管的回流燃烧室，以解决现有回流燃烧室的排气弯管冷却结构寿命短、冷却效率低等问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开提供一种排气弯管，包括：弯管外壁和弯管内壁，弯管外壁开设有多个冲击孔；弯管外壁与弯管内壁之间形成壁腔，弯管内壁包括间隔排布的多个凸台，相邻的凸台之间形成凹腔，每个凸台包括顶面及相对的第一侧面和第二侧面，且每个凸台的第二侧面相对于第一侧面更靠近气体出口，第二侧面设有多个冷却孔；其中，弯管外壁的一侧通过冷气流，弯管内壁的一侧通过热气流，冷气流通过弯管外壁的多个冲击孔进入壁腔，并经多个冷却孔与热气流接触。

根据本公开的一个实施方式，凹腔的个数为5～20个。

根据本公开的一个实施方式，凹腔的深度为0.5mm～2mm，凸台的高度为0.5mm～2mm。

根据本公开的一个实施方式，相邻的凹腔之间的间距为2mm～10mm。

根据本公开的一个实施方式，凸台的顶面分别与两个侧面通过圆弧面过渡连接，圆弧面的半径为0.5mm～2mm。

根据本公开的一个实施方式，凹腔和与其相邻的凸台为垂直连接或圆弧连接。

根据本公开的一个实施方式，冷却孔的孔径为0.4mm～1mm。

根据本公开的一个实施方式，多个冷却孔呈阵列间隔排布，其中阵列中的行数为1～3，行间距为冷却孔孔径的1～2倍。

根据本公开的一个实施方式，多个冲击孔呈阵列间隔排布。

本公开提供一种回流燃烧室，包括火焰筒和前述的排气弯管。

由上述技术方案可知，本公开的有益效果在于：

本公开提出的排气弯管应用于回流燃烧室时具有良好的高温燃气冷却效果，可有效改善壁温分布周向不均匀的问题，提高排气弯管的寿命，具有良好的应用前景。

附图说明

为了让本公开实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。应该注意，根据工业上的标准范例，各个部件未必按照比例绘制，且仅用于图示说明的目的。

图1是一种现有的回流燃烧室的结构示意图；

图2是一种现有的排气弯管的结构示意图；

图3是另一种现有的排气弯管的结构示意图；

图4是本公开一个实施方式的排气弯管的结构示意图；

图5是图4的弯管外壁的结构示意图；

图6是图4的排气弯管的截面示意图；

图7是图6的局部放大图；

图8是图4的凸台的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

100：弯管外壁；

101：冲击孔；

200：弯管内壁；

201：凸台；

2011：顶面；

2012：第一侧面；

2013：第二侧面；

2014：圆弧面；

202：凹腔；

203：冷却孔；

300：壁腔；

C：气体出口。

具体实施方式

体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。

在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。

参阅图4，其代表性地示出了本公开提出的一示例性实施方式的排气弯管的结构示意图。本公开提出的排气弯管是以应用于中小型燃气涡流发动机的回流燃烧室为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于其他类型的回流燃烧室或其他发动机中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的排气弯管原理的范围内。

如图4所示，在本实施方式中，本公开提出的排气弯管主要包括弯管外壁100、弯管内壁200和壁腔300。需说明的是，图4仅示出了排气弯管的部分示意图。配合参阅图5至图8所示，图5是图4的弯管外壁的结构示意图；图6是图4的排气弯管的截面示意图；图7是图6的局部放大图；图8是图4的凸台的结构示意图。下面将结合上述附图，对本公开提出的排气弯管的一示例性实施方式的各主要组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。

如图4所示，在本实施方式中，排气弯管包括：弯管外壁100和弯管内壁200，其中，弯管外壁100与弯管内壁200之间形成壁腔300。结合图4和图5所示，该弯管外壁100为冲击外壁，其设有多个冲击孔101，冲击孔101可以呈阵列间隔排布，也即多排多列分布，本公开不限于此。

结合图4、图6～图8所示，该排气弯管的弯管内壁200为复合冷却壁，可以通过多种加工方式一体制造。该弯管内壁200包括沿气流通过方向间隔排布的多个凸台201，相邻的凸台201之间形成凹腔202。如图4和图7所示，该凸台201包括顶面2011及相对的第一侧面2012和第二侧面2013，其中每个凸台的第二侧面2013相对于第一侧面2012均更靠近气体出口C，第二侧面设有多个冷却孔203，而相对一侧的第一侧面2012不设孔，以保证冷气流进入壁腔300后可以通过该冷却孔203顺着下游方向流动。

如图6和图7所示，凹腔202和与其相邻的凸台201可以为垂直连接或圆弧连接。也即该凹腔202切面构型可为方形，也可为弧形，当然，其也可为多种形状组合构型，本公开不限于此。凹腔202在周向方向为环形分布形式，在径向方向为多个凹腔等距或非等距排布，相邻的凹腔之间的间距为2mm～10mm，例如2mm、5mm、7mm、8mm、10mm等，优选为等距分布。凹腔的个数可以为5～20个，例如5个、10个、12个、15、18个等；凹腔的深度为0.5mm～2mm，例如0.5mm、0.7mm、1mm、1.5mm、2mm等。一般地，与凹腔相对应的凸台的布置方式基本一致，也即凸台的高度也基本为0.5mm～2mm。当然，具体凹腔和凸台的布置方式、尺寸可根据排气弯管实际结构需要来选择。

如图6～图8所示，在一些实施例中，凸台201的顶面2011分别与第一侧面2012和第二侧面2013通过圆弧面2014过渡连接，该圆弧面2014的半径为0.5mm～2mm，例如0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、2mm等。通过采用圆弧面过渡连接的方式可减小气流通过时的流动损失。

如图8所示，前述的第二侧面2013设有多个冷却孔203，该冷却孔的孔径一般为0.4mm～1mm，例如，0.4mm、0.6mm、0.8mm、1mm等。孔的形状没有限制，可以为直孔或斜孔，其中斜孔的角度可以为0～180度，本公开不限于此。

在一些实施例中，多个冷却孔203可呈阵列间隔排布，其中阵列中的行数为1～3，行间距一般为冷却孔孔径的1～2倍。当行数大于1时，也即凸台侧面2013设有多排冷却孔时，不同排之间的冷却孔可以采取叉排或顺排的排列方式，保证气流均匀分布即可。

本公开还提供一种回流燃烧室，包括火焰筒和前述的排气弯管。

具体地，当该回流燃烧室在工作状态时，来自压气机的低温冷却气流从弯管外壁100上的冲击孔101进入壁腔300，进而从弯管内壁200上的冷却孔203进入凹腔202。当冷却气流灌满凹腔202时，会由于自身的流动方向和受到高温燃气的冲击而铺满整个下游弯管内壁200的内侧壁面，直至进入下一个凹腔结构，从而实现冷却气流均匀部分在整个弯管内壁200上。与此同时，高温燃气直接冲击弯管内壁200，与均匀分布在整个弯管内壁200上的冷却气流相互作用，极大地缓解了高温燃气对弯管内壁200的影响，减小了弯管内壁200的温升和温度梯度，进而改善了壁温分布周向不均匀性的问题。

可见，本公开通过对排气弯管的弯管内壁进行重新设计，使得排气弯管冷却气流进入并灌满了整个凹腔，进一步均匀覆盖在整个弯管内壁内侧壁面，有效改善弯管壁面周向分布不均匀性；环形凹腔结构的引入增加了弯管内壁内侧壁面的面积，增加了冷却气流与高温燃气的换热面积，对降低弯管内壁壁温有一定的效果；此外，弯管内壁具有的环形凸台结构增加了弯管内壁外侧壁面的面积，增加了壁腔内的低温气流与弯管内壁外侧壁面的换热面积，对降低弯管内壁壁温有一定的效果。

综上，本公开的排气弯管应用于回流燃烧室时具有良好的高温燃气冷却效果，可有效改善壁温分布周向不均匀的问题，提高排气弯管的寿命，具有良好的应用前景。

本领域技术人员应当注意的是，本公开所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本公开的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本公开不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种排气弯管，其特征在于，包括：

弯管外壁，所述弯管外壁开设有多个冲击孔；

弯管内壁，所述弯管外壁与所述弯管内壁之间形成壁腔，所述弯管内壁包括间隔排布的多个凸台，相邻的所述凸台之间形成凹腔，每个所述凸台包括顶面及相对的第一侧面和第二侧面，且每个所述凸台的所述第二侧面相对于所述第一侧面更靠近气体出口，所述第二侧面设有多个冷却孔；

其中，所述弯管外壁的一侧通过冷气流，所述弯管内壁的一侧通过热气流，所述冷气流通过所述弯管外壁的多个所述冲击孔进入所述壁腔，并经所述多个冷却孔与所述热气流接触。

2.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述凹腔的个数为5～20个。

3.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述凹腔的深度为0.5mm～2mm，所述凸台的高度为0.5mm～2mm。

4.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，相邻的所述凹腔之间的间距为2mm～10mm。

5.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述凸台的顶面分别与所述第一侧面和第二侧面通过圆弧面过渡连接，所述圆弧面的半径为0.5mm～2mm。

6.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述凹腔和与其相邻的所述凸台为垂直连接或圆弧连接。

7.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述冷却孔的孔径为0.4mm～1mm。

8.根据权利要求7所述的排气弯管，其特征在于，所述多个冷却孔呈阵列间隔排布，其中所述阵列中的行数为1～3，行间距为所述冷却孔孔径的1～2倍。

9.根据权利要求1所述的排气弯管，其特征在于，所述多个冲击孔呈阵列间隔排布。

10.一种回流燃烧室，包括火焰筒和权利要求1～9中任一项所述的排气弯管。

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