CN112484077B - 一种火焰筒头部的高效冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火焰筒头部的高效冷却结构。该结构能够应用于燃气轮机和航空发动机燃烧室的头部冷却，其中的导流板是一体化结构，包括导流板基板、柱状凸起、冷却气流孔、左右两侧直肋、中心圆形肋和连接件等组成；导流板通过连接件安装在火焰筒头部端板上，从火焰筒进来的冷气体流过柱状凸起之间的间隙、柱状凸起与肋之间的间隙以及柱状凸起与连接件之间的间隙，气流绕过众多柱状凸起并通过这些间隙对导流板和火焰筒头部进行高效冷却，降低其壁面温度；本发明中的导流板结构简单，可采用铸造或者增材制造打印成型，相比于传统火焰筒头部导流板结构，换热面积显著增加，可明显提高火焰筒头部和导流板寿命。

Description

一种火焰筒头部的高效冷却结构

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机燃烧室技术领域，特别涉及一种火焰筒头部的高效冷却结构。

背景技术

随着环保条例的愈发严格，民用航空发动机和地面燃气轮机为了实现低排放目标，燃烧室大都采用贫燃模式，也即从火焰筒头部进入燃烧室的进气量显著增加，头部进气量占到燃烧室总气量的40％～60％，相比于传统燃烧室有显著提高；而对于高推重比军用发动机而言，随着油气比的提升，燃烧室头部进气量甚至会达到70～75％。这就意味着用于燃烧室火焰筒冷却的气量将会显著降低。

对于顺流燃烧室而言，火焰筒的冷却包括火焰筒外环、火焰筒内环和火焰筒头部的冷却，对于回流燃烧室而言，火焰筒的冷却还包括排气弯管的冷却，因此用于火焰筒头部冷却的空气量占比很小。另一方面针对火焰筒内环和外环的冷却有多种高效冷却方式，比如气膜冷却、发汗冷却和冲击冷却等。

对于高温升和低排放燃烧室而言，头部一般采用复杂且尺寸较大的分级燃烧方案，给火焰筒头部冷却带来了较大困难。为了提高火焰筒的使用寿命，传统燃烧室火焰筒头部安装导流板，用于燃烧室头部的热防护，导流板如果得不到有效冷却，易被燃烧室内高温气体烧坏烧蚀，进而影响火焰筒头部的冷却，降低火焰筒的使用寿命。

发明内容

本发明解决的技术问题：为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种火焰筒头部的高效冷却结构，这种结构通过设置导流板并利用导流板上数量较多的柱状凸起形成间隙构成冷却通道，显著提高火焰筒头部局部换热面积，从燃烧室头部进来的少量气体，也能改善导流板和火焰筒头部的冷却效果，提高火焰筒头部使用寿命。

本发明为解决其技术问题所采用的解决技术方案为：

一种火焰筒头部的高效冷却结构，包括整体呈环形的火焰筒头部端板，所述火焰筒头部端板沿周向均布有多个安装孔，每一所述安装孔中均设置一浮动环和一导流板，每一所述浮动环至少包括一筒状部件以及设置在所述筒状部件底部的环形法兰安装边，所述筒状部件内设有一燃油雾化喷射装置，其特征在于，

每一所述导流板均包括一整体呈扇形环状的基板以及一设置在所述基板轴向内侧的环形挡板，所述基板的中心处设有一与所述安装孔同轴布置的中心孔，且在所述基板的外侧壁上设有一临近所述中心孔布置的圆形凸起、一与所述中心孔同心布置并与所述圆形凸起具有一定径向间隔的圆形肋，所述基板的外侧壁上还设有位于其周向两侧边并延径向延伸的左右两侧直肋，所述左右两侧直肋与圆形肋之间的所述基板的外侧壁上阵列密布有多个柱状凸起，并且其中，各所述柱状凸起的高度不大于所述圆形肋的高度，所述圆形凸起的高度低于所述圆形肋的高度，且所述圆形肋与圆形凸起之间的高度差不小于所述浮动环的法兰安装边的厚度；所述环形挡板固定设置在所述基板的内侧壁上且二者之间具有一轴向间隔，并与所述基板的中心孔同心布置，并且其中，所述环形挡板的内径不小于所述基板上中心孔的直径、外径不小于所述基板上圆形肋的内径；

各所述导流板通过紧固件固定设置在所述火焰筒头部端板上，且各所述导流板的中心孔与各所述安装孔一一对应布置，且至少所述导流板上的左右两侧直肋、圆形肋顶抵在所述火焰筒头部端板的内侧壁上；所述浮动环底部的法兰安装边夹设在所述导流板上的圆形凸起与所述火焰筒头部端板的内侧壁之间；

所述火焰筒头部端板上设有临近火焰筒外环布置的头部外环冷却气流孔、临近火焰筒内环布置的头部内环冷却气流孔、临近安装孔布置的头部中心冷却气流孔、对应各所述导流板左右两侧直肋布置的头部两侧冷却气流孔，

各所述导流板的基板上设有在径向上位于所述圆形凸起与圆形肋之间并与所述环形挡板正对的多个基板冷却气流孔，

各所述浮动环的法兰安装边上设有浮动环冷却气流孔，

头部中心冷却气流通过所述头部中心冷却气流孔后，一部分进入所述圆形凸起与圆形肋之间的环形空间，再通过各所述基板冷却气流孔对所述环形挡板进行冲击冷却，另一部分头部中心冷却气流以及通过所述头部两侧冷却气流孔进入的头部左右两侧冷却气流孔，进入所述圆形肋与左右两侧直肋之间的空间，绕流通过各所述柱状凸起，对所述导流板的基板以及所述火焰筒头部端板进行对流冷却，

外环冷却气流通过所述头部外环冷却气流孔后对所述导流板的基板的外环边缘进行冲击冷却，之后气流沿着所述导流板的基板与火焰筒头部端板之间的间隙对下游的火焰筒外筒进行冷却；

内环冷却气流通过所述头部内环冷却气流孔后对所述导流板的基板的内环边缘进行冲击冷却，之后气流沿着所述导流板的基板与火焰筒头部端板之间的间隙对下游的火焰筒内筒进行冷却；

浮动环冷却气流通过浮动环冷却气流孔后对所述导流板的中心孔的内壁进行冷却。

优选地，所述导流板的基板的外侧面上固定设置有若干连接件，且各所述连接件位于所述圆形肋与左右两侧直肋之间，用于将所述导流板固定安装在所述火焰筒头部端板上。从火焰筒头部进入的中心冷却气流流过各柱状凸起之间的间隙、柱状凸起与圆形肋之间的间隙以及柱状凸起与连接件之间的间隙，对导流板的基板和火焰筒头部端板进行高效冷却，降低其壁面温度。

优选地，所述导流板的基板上密集布置数量较多的柱状凸起，所述柱状凸起的直径为0.8～1.2mm，相邻柱状凸起之间的距离间隙为1mm～2mm；柱状凸起之间、柱状凸起与圆形肋、左右两侧直肋之间以及柱状凸起与连接件根部之间形成的间隙构成气流冷却通道，换热面积急剧增加，从火焰筒头部冷却孔进来的气体流过上述通道对导流板和火焰筒头部高温部件进行全局域冷却，显著降低其壁面温度，提高导流板和火焰筒头部使用寿命。

优选地，所述浮动环中设有燃油雾化喷射装置，所述燃油雾化喷射装置包括空气旋流器和燃油喷嘴，所述浮动环的法兰安装边上开设圆周布置的多个浮动环冷却气流孔，从火焰筒头部进来气流通过各所述浮动环冷却气流孔后对所述导流板的中心孔内壁进行冷却，进一步降低其壁面温度。

优选地，所述导流板为一体化结构，可采用铸造或者增材制造成型。

优选地，所述导流板的基板上设有临近火焰筒外环布置的外环翻边、临近火焰筒外环布置的内环翻边，所述导流板的外环翻边、内环翻边与所述火焰筒头部端板之间形成气流倒流通道。

优选地，所述导流板的基板上还设有若干与所述圆形连接的短肋。

优选地，所述火焰筒头部端板由火焰筒头部外环和火焰筒头部内环拼接而成，且所述火焰筒头部外环的径向宽度大于所述火焰筒头部内环的径向宽度，各冷却气流孔分布在所述火焰筒头部外环和火焰筒头部内环上。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)本发明的火焰筒头部的高效冷却结构中，所述导流板的基板上密集布置数量较多的柱状凸起，柱状凸起之间、柱状凸起与圆形肋、左右两侧直肋之间以及柱状凸起与连接件根部之间形成的间隙构成冷却通道，相比于现有导流板结构，换热面积急剧增加，从火焰筒头部冷却孔进来的气体流过上述些通道对导流板和火焰筒头部端板上的高温部件进行全局域冷却，显著降低其壁面温度。

(2)本发明的火焰筒头部的高效冷却结构中，相比于已有火焰筒头部冷却结构，在保持现有导流板和火焰筒头部壁面温度水平下，能够降低火焰筒头部冷却气比例。

(3)本发明的火焰筒头部的高效冷却结构中，所述导流板通过连接件固定安装在火焰筒头部端板上，易于更换，相比于现有导流板焊接在火焰筒上，维护性得到提高。

附图说明

图1是本发明中的导流板结构示意图；

图2是导流板剖视图；

图3是导流板安装在火焰筒上的剖面图；

图4是火焰筒头部冷却孔布置方案图；

图5是火焰筒头部冷却气流示意图。

附图标记说明：1-导流板基板，2-直肋，3-圆形肋，4柱状凸起，5-螺栓，6-中心孔，7-环形挡板，8-基板冷却气流孔，9-火焰筒头部外环，10-火焰筒头部内环，11-火焰筒外筒，12-火焰筒内筒，13-空气旋流器，14-燃油喷嘴，15-自锁螺母，16-浮动环，17-头部外环冷却气流孔，18-头部内环冷却气流孔，19-头部中心冷却气流孔，20-头部左右两侧冷却气流孔，21-头部中心冷却气流，22-头部外环冷却气流，23-头部内环冷却气流，24-浮动环冷却气流孔，25-浮动环冷却气流。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

图1是本发明中火焰筒头部的导流板三维示意图，图2是其剖视图，导流板是一体化整体结构，其主体结构由导流板基板1、左右两侧直肋2、圆形肋3、密集分布的柱状凸起4和连接件螺栓5构成。

图3为导流板安装在火焰筒头部的剖视图，导流板通过4颗螺栓5安装固定在火焰筒头部外环9和火焰筒头部内环10上，方便拆装。火焰筒头部外环9与火焰筒外筒11焊接成一体，火焰筒头部内环10与火焰筒内筒12焊接成一体。在导流板与火焰筒头部端板之间的夹缝中安装有浮动环16，浮动环16包括一筒状部件以及设置在筒状部件底部的环形法兰安装边，

空气旋流器13安装在浮动环16的筒状部件内侧，燃油喷嘴14安装在空气旋流器13内侧。空气旋流器13可以是轴向或者径向结构形式，燃油喷嘴4可以是离心喷嘴或者是空气雾化喷嘴。

图4为火焰筒头部的冷却气流孔布置示意图，按照区域和冷却功能的不同，分别布置有头部外环冷却气流孔17、头部内环冷却气流孔18、头部中心冷却气流孔19、头部两侧冷却气流孔20。

图5为燃烧室头部冷却气流示意图，对燃烧室头部和导流板冷却的气流分成四路，分别为头部中心冷却气流21、头部外环冷却气流22、头部内环冷却气流23和浮动环冷却气流25。

更加具体地，参见图1～5，本发明的火焰筒头部的高效冷却结构，包括整体呈环形的火焰筒头部端板，火焰筒头部端板沿周向均布有多个安装孔，每一安装孔中均设置一浮动环16和一导流板，每一浮动环16至少包括一筒状部件以及设置在筒状部件底部的环形法兰安装边，筒状部件内设有一燃油雾化喷射装置。

如图1、2所示，每一导流板均包括一整体呈扇形环状的基板1以及一设置在基板1轴向内侧的环形挡板7，基板1的中心处设有一与安装孔同轴布置的中心孔6，且在基板1的外侧壁上设有一临近中心孔6布置的圆形凸起、一与中心孔6同心布置并与圆形凸起具有一定径向间隔的圆形肋3，基板1的外侧壁上还设有位于其周向两侧边并延径向延伸的左右两侧直肋2，左右两侧直肋2与圆形肋3之间的基板1的外侧壁上阵列密布有多个柱状凸起4，并且其中，各柱状凸起4的高度不大于圆形肋3的高度，圆形凸起的高度低于圆形肋3的高度，且圆形肋3与圆形凸起之间的高度差不小于浮动环16的法兰安装边的厚度；环形挡板7固定设置在基板1的内侧壁上且二者之间具有一轴向间隔，并与基板1的中心孔6同心布置，并且其中，环形挡板7的内径不小于基板1上中心孔6的直径、外径不小于基板1上圆形肋3的内径。

如图3、4所示，各导流板通过紧固件固定设置在火焰筒头部端板上，且各导流板的中心孔6与各安装孔一一对应布置，且至少导流板上的左右两侧直肋2、圆形肋3顶抵在火焰筒头部端板的内侧壁上；浮动环底部的法兰安装边夹设在导流板上的圆形凸起与火焰筒头部端板的内侧壁之间。

如图4、5所示，一部分头部中心冷却气流21通过头部中心冷却气流孔19后进入导流板与头部之间的缝隙，再通过导流板上的冷却孔8对环形挡板77进行冲击冷却；另一部分头部中心冷却气流21通过头部左右两侧冷却气流孔20进入导流板上密集布置的柱状凸起4之间的间隙、柱状凸起4与左右两侧直肋2、圆形肋3之间的间隙以及柱状凸起4与连接件螺钉5根部之间的间隙，气流绕过这些众多间隙对导流板基板和火焰筒头部端板进行全局域高效冷却，降低其壁面温度，换热后的气流沿着导流板内外环进入燃烧室。

外环冷却气流22通过头部外环冷却气流孔17后对导流板基板1进行冲击冷却，之后气流沿着导流板与火焰筒头部外环9之间的缝隙对火焰筒外筒11进行冷却。

内环冷却气流23通过头部内环冷却气流孔18后对导流板基板1进行冲击冷却，之后气流沿着导流板与火焰筒头部内环10之间的缝隙对火焰筒内筒12进行冷却。

浮动环冷却气流25通过浮动环冷却气流孔24后对对导流板中心孔6的内壁进行冷却，进一步降低其壁面温度。

本发明未详细阐述部分为本领域公共常识。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种火焰筒头部的高效冷却结构，包括整体呈环形的火焰筒头部端板，所述火焰筒头部端板沿周向均布有多个安装孔，每一所述安装孔中均设置一浮动环和一导流板，每一所述浮动环至少包括一筒状部件以及设置在所述筒状部件底部的环形法兰安装边，所述筒状部件内设有一燃油雾化喷射装置，其特征在于，

每一所述导流板均包括一整体呈扇形环状的基板以及一设置在所述基板轴向内侧的环形挡板，所述基板的中心处设有一与所述安装孔同轴布置的中心孔，且在所述基板的外侧壁上设有一临近所述中心孔布置的圆形凸起、一与所述中心孔同心布置并与所述圆形凸起具有一定径向间隔的圆形肋，所述基板的外侧壁上还设有位于其周向两侧边并延径向延伸的左右两侧直肋，所述左右两侧直肋与圆形肋之间的所述基板的外侧壁上阵列密布有多个柱状凸起，并且其中，各所述柱状凸起的高度不大于所述圆形肋的高度，所述圆形凸起的高度低于所述圆形肋的高度，且所述圆形肋与圆形凸起之间的高度差不小于所述浮动环的法兰安装边的厚度；所述环形挡板固定设置在所述基板的内侧壁上且二者之间具有一轴向间隔，并与所述基板的中心孔同心布置，并且其中，所述环形挡板的内径不小于所述基板上中心孔的直径、外径不小于所述基板上圆形肋的内径；

各所述导流板通过紧固件固定设置在所述火焰筒头部端板上，且各所述导流板的中心孔与各所述安装孔一一对应布置，且至少所述导流板上的左右两侧直肋、圆形肋顶抵在所述火焰筒头部端板的内侧壁上；所述浮动环底部的法兰安装边夹设在所述导流板上的圆形凸起与所述火焰筒头部端板的内侧壁之间；

所述火焰筒头部端板上设有临近火焰筒外环布置的头部外环冷却气流孔、临近火焰筒内环布置的头部内环冷却气流孔、临近安装孔布置的头部中心冷却气流孔、对应各所述导流板左右两侧直肋布置的头部两侧冷却气流孔，

各所述导流板的基板上设有在径向上位于所述圆形凸起与圆形肋之间并与所述环形挡板正对的多个基板冷却气流孔，

各所述浮动环的法兰安装边上设有浮动环冷却气流孔，

头部中心冷却气流通过所述头部中心冷却气流孔后，一部分进入所述圆形凸起与圆形肋之间的环形空间，再通过各所述基板冷却气流孔对所述环形挡板进行冲击冷却，另一部分头部中心冷却气流以及通过所述头部两侧冷却气流孔进入的头部左右两侧冷却气流孔，进入所述圆形肋与左右两侧直肋之间的空间，绕流通过各所述柱状凸起，对所述导流板的基板以及所述火焰筒头部端板进行对流冷却，

外环冷却气流通过所述头部外环冷却气流孔后对所述导流板的基板的外环边缘进行冲击冷却，之后气流沿着所述导流板的基板与火焰筒头部端板之间的间隙对下游的火焰筒外筒进行冷却；

内环冷却气流通过所述头部内环冷却气流孔后对所述导流板的基板的内环边缘进行冲击冷却，之后气流沿着所述导流板的基板与火焰筒头部端板之间的间隙对下游的火焰筒内筒进行冷却；

浮动环冷却气流通过浮动环冷却气流孔后对所述导流板的中心孔的内壁进行冷却。

2.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述导流板的基板的外侧面上固定设置有若干连接件，且各所述连接件位于所述圆形肋与左右两侧直肋之间，用于将所述导流板固定安装在所述火焰筒头部端板上。

3.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述导流板的基板上密集布置数量较多的柱状凸起，所述柱状凸起的直径为0.8mm～1.2mm，相邻柱状凸起之间的距离间隙为1mm～2mm；柱状凸起之间、柱状凸起与圆形肋、左右两侧直肋之间以及柱状凸起与连接件根部之间形成的间隙构成气流冷却通道，换热面积急剧增加，从火焰筒头部冷却孔进来的气体流过上述通道对导流板和火焰筒头部高温部件进行全局域冷却。

4.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述浮动环中设有燃油雾化喷射装置，所述燃油雾化喷射装置包括空气旋流器和燃油喷嘴，所述浮动环的法兰安装边上开设圆周布置的多个浮动环冷却气流孔，从火焰筒头部进来气流通过各所述浮动环冷却气流孔后对所述导流板的中心孔内壁进行冷却，进一步降低其壁面温度。

5.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述导流板为一体化结构，采用铸造或者增材制造成型。

6.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述导流板的基板上设有临近火焰筒外环布置的外环翻边、临近火焰筒外环布置的内环翻边，所述导流板的外环翻边、内环翻边与所述火焰筒头部端板之间形成气流倒流通道。

7.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述导流板的基板上还设有若干与所述圆形连接的短肋。

8.根据权利要求1所述的火焰筒头部的高效冷却结构，其特征在于，所述火焰筒头部端板由火焰筒头部外环和火焰筒头部内环拼接而成，且所述火焰筒头部外环的径向宽度大于所述火焰筒头部内环的径向宽度，各冷却气流孔分布在所述火焰筒头部外环和火焰筒头部内环上。

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