CN112228903A - 一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，在火焰筒热壁面与冷壁面之间布置以三个通道为一个单元的循环结构。冷却气流通过冷壁面上均匀布置的冲击孔进入火焰筒壁内部，在通道1内与通道壁面实现对流换热与冲击换热，通道2内两侧壁面上均布置有交错分布的纵向涡发生器，当冷却气流流经时，可通过增大气流的紊流度达到强化换热的目的，最后冷却气流可从通道3热壁面上的开孔流出并实现气膜冷却。该发明极大地增加了火焰筒壁面的换热面积，并通过增加气流紊流度的方式强化换热，有效降低了气流的动能，减弱了射流在主流中的穿透，有利于冷却气流附着在热壁面上，使气膜分布更加均匀，提高火焰筒表面的耐热强度和使用寿命。

Description

一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构。
背景技术
燃烧室的基本功能是在十分恶劣的环境条件下组织高效燃烧，把燃油的化学能转变为热能，燃烧过程发生在燃烧室的功能单元—火焰筒内部。通常情况下，燃烧室内火焰温度很高，火焰筒壁面承受着高温引起的热应力、热腐蚀，为了防止过热、烧蚀和延长寿命，必须对火焰筒进行有效地冷却，以保证燃烧室在较长的寿命期内安全可靠地工作。
现代航空发动机的发展要求燃烧室具有高温升的特性，未来先进航空发动机会进一步提高涡轮前温度，在油气比固定的情况下，必须增加参与燃烧的用气量，而在燃烧室进气量一定的条件下，燃烧室火焰筒壁面热负荷日趋增加，冷却用气量却愈来愈少，这使得火焰筒壁温问题显得越来越突出，为了保证火焰筒的寿命和可靠性，发展高效的冷却技术刻不容缓。解决该问题的主要途径是通过提高火焰筒材料的许用工作温度、改进火焰筒壁面结构以提高空气冷却效率。而目前使用的高温合金材料的许用温度已很难提高，因此提高火焰筒性能的唯一可靠的方法，是改进火焰筒壁结构，提高空气的冷却效率。
目前，国内外的燃烧室火焰筒已由纯气膜冷却发展为冲击、气膜、层板等多种冷却方式或多种冷却方式相结合的复合冷却方式，冷却结构也由最初的单层壁发展到双层壁、浮动壁等。国内对于火焰筒壁面结构的研究尚无使用带纵向涡发生器的三通道型火焰筒壁面冷却技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，与现有的技术相比，本方案的优点是在传统火焰筒双层壁冷却结构的基础上，在冷壁面和热壁面之间布置多个循环的带有纵向涡发生器的三通道型结构，在一个循环单元中，冷却气流通过相邻两个通道壁面上均匀排布的大量的小孔流动从而进行对流换热，同时在通道2内有交错排布的纵向涡发生器强化火焰筒壁内部换热，该通道结构有效降低了冷却气流的动能，减弱了射流在主流中的穿透，同时减弱了射流贴近壁面附近的对涡强度，有利于冷却气流附着在热壁面上，使气膜分布更加均匀，也极大增加了冷却气流与火焰筒壁面的换热面积，最大程度利用了冷却气流，提高了火焰筒表面的耐热强度与使用寿命。
技术方案
本发明的目的在于提供一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构。
本发明技术方案如下：
一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：火焰筒壁板内部均匀分布有多个循环的带有纵向涡发生器的三通道型结构。该结构是一个循环结构，循环单元则由三个通道构成，冷却气流通过冷壁面上均匀布置的冲击孔进入火焰筒壁面内部，在通道1内与通道壁面实现对流换热与冲击换热，冲击孔在火焰筒壁面上形成的圆孔直径的大小范围为0.5～1.5mm，通道1的宽度范围为1～3mm。
当冷却气流到达通道1底部时可通过通道左侧壁面下方均匀排布的大量小孔进入到通道2内，该圆形小孔直径的大小范围为0.2～1.2mm。通道2内两侧壁面上均布置有大量交错分布的纵向涡发生器，纵向涡发生器的高度范围为0.2～0.8mm，弦长范围为0.4～1.6mm，两纵向涡发生器间的距离范围为0.5～3mm，纵向涡发生器与横流方向的夹角范围为0°～60°。
冷却气流流经通道2时，可通过增大冷却气流的紊流度从而达到冷却气流与两侧壁面之间强化换热的目的，同时也可以减少冷却气流的动能，减弱了射流在主流中的穿透，降低射流贴近壁面附近的对涡强度，有利于冷却气流附着在热壁面上，使气膜分布更加均匀，通道2的宽度范围为1～3mm。
此时，冷却气流可通过通道2左侧壁面上方均匀布置的大量小孔进入通道3内，最后从热壁面上的开孔流出并在热壁面上实现气膜冷却，通道2左侧壁面上方均匀布置的圆形小孔直径的大小范围为0.2～1.2mm，通道3的宽度范围为1～3mm，热壁面上的开孔直径大小范围为0.5～1.5mm。
本发明具有以下有益效果：
该方案设计的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其优点在于通过在火焰筒壁面内部布置大量循环的带纵向涡发生器的三通道型冷却结构，不仅可以获得更好的火焰筒内壁面气膜的性能，使得气膜分布更加均匀形成气膜冷却，同时在纵向涡发生器的作用下可强化冷却气流与火焰筒的换热，通道型结构也极大地增加了冷却气流与火焰筒壁面的换热面积，充分利用冷却气流，提高了火焰筒表面的耐热强度和使用寿命。
附图说明
图1：一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构整体示意图
图2：沿火焰筒轴向方向上的火焰筒壁板横截面图
图3：循环单元结构示意图
图4：沿火焰筒轴向方向上循环单元的横截面图
图5：火焰筒外壁上气流孔分布示意图
图6：火焰筒内壁上气膜孔分布示意图
图7：通道2右侧壁板结构示意图
图8：通道2左侧壁板结构示意图
图中：1－冷壁面，2－冷壁面气流孔，3－通道1，4－通道1气流孔，5－通道2，6－纵向涡发生器，7－通道2气流孔，8－通道3，9－热壁面气膜孔，10－热壁面
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
图1为以带纵向涡发生器的三通道型冷却结构为循环单元的火焰筒壁板三维图，图2为沿火焰筒轴向方向上的火焰筒壁板横截面图，由此可以看出该冷却结构的布局方式，图3和图4分别为一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构的循环单元结构示意图和沿火焰筒轴向方向上循环单元的横截面图，用来确定通道形状和排布方式以及纵向涡发生器的高度和分布方式，图5和图6分别为火焰筒外壁上气流孔和内壁上气膜孔的分布示意图，可用来确定内壁和外壁上气膜孔的排布方式以及孔的直径大小、排间距和孔间距，图7和图8为通道2右侧何左侧壁板结构示意图，用来确定纵向涡发生器的大小、分布方式以及间距。
冷却气流从气膜孔2，流经冷壁面1进入火焰筒壁板内部，对热壁面10产生冲击换热，同时与通道两侧的壁面进行对流换热，冷却气流到达热壁面后，通过气流孔4进入通道2中，在两侧交错排布的纵向涡发生器6的作用下，增大冷却气流的紊流度，进而增大换热量，同时也耗散冷却气流的动能，冷却气流通过气流孔7进入通道3中，最终从通道3中的气膜孔9流出并对热壁面10内侧进行气膜冷却。该发明中，冷却气流在进行气膜冷却前，流经了结构内布置的带纵向涡发生器的三通道型冷却结构，极大地增加了冷却气流与火焰筒壁面的换热面积，同时也有效地降低了冷却气流的动能，减弱了射流在主流中的穿透，降低了射流贴近壁面附近的对涡强度，有利于冷却气流附着在热壁面上，使气膜分布更加均匀，最大程度利用了冷却气流，有效地增加了冷却气流的利用率，可实现进一步降低航空发动机冷却用气量，并获得更好的冷却效果，提高了火焰筒表面的耐热强度与使用寿命，有利于燃烧室实现高温升。

Claims (7)

1.一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，包括通道的尺寸与布置，通道壁面上气流孔和纵向涡发生器的尺寸与布置，冷壁面气流孔的尺寸与布置以及热壁面气膜孔的尺寸与布置。
2.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：该结构是由多个带纵向涡发生器的三通道型冷却结构循环排布形成，且循环单元的布置个数范围为236～559。
3.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：火焰筒外壁上气流孔直径的大小范围为0.5～1.5mm，孔间距为3～6mm，其连通冷壁面外侧与火焰筒壁板内部带纵向涡发生器的三通道型冷却结构之间的气流通道，冷壁面气膜孔与水平方向的夹角范围为30°～90°。
4.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：通道1的宽度范围为1～3mm，通道两侧壁面厚度为0.2～0.5mm，且通道1与通道2之间会布置大量单排气流孔，孔的直径为0.2～1.2mm，孔间距为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：通道2的宽度范围为1～3mm，通道两侧壁面厚度为0.2～0.5mm，通道2内两侧壁面上均布置有大量交错分布的纵向涡发生器，纵向涡发生器的高度范围为0.2～0.8mm，弦长范围为0.4～1.6mm，两纵向涡发生器间的距离范围为0.5～3mm，纵向涡发生器与横流方向的夹角范围为0°～60°，且通道2与通道3之间会布置大量单排气流孔，孔的直径为0.2～1.2mm，孔间距为1～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：通道3的宽度范围为1～3mm，通道两侧壁面厚度为0.2～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种带纵向涡发生器的三通道型燃烧室火焰筒壁面结构，其特征在于：热壁面上气膜孔的直径大小范围为0.5～1.5mm，孔间距为3～6mm，其连通热壁面内侧与火焰筒壁板内部带纵向涡发生器的三通道型冷却结构之间的气流通道，热壁面气膜孔与水平方向的夹角范围为30°～90°。
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