CN113154453A - 一种切向倾斜式环膜发散冷却结构 - Google Patents

一种切向倾斜式环膜发散冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种切向倾斜式环膜发散冷却结构,包括火焰筒壁面、气膜片和进气斗，火焰筒壁面上开设有若干个使冷却空气进入火焰筒内的气膜孔，火焰筒壁面内侧设置有若干个使冷却空气沿着火焰筒壁面切向流动的气膜片，火焰筒壁面上设置有若干个进气斗，进气斗位于所述气膜片的一侧。本发明属于燃烧室冷却技术领域，在火焰筒壁面设置气膜片，将冷却气膜布置在火焰筒的切向，一道道切向环形气膜首尾相连，覆盖整个火焰筒壁面，尤其是在大孔为斗结构时，能够很好地解决其壁面难以冷却的问题；在大孔(主燃孔、掺混孔)下游形成强有力的冷却气膜，保证壁面温度的合理性；冷却气膜沿火焰筒切向运动，延长其冷却覆盖时间。

Description

一种切向倾斜式环膜发散冷却结构
技术领域
本发明属于燃烧室冷却技术领域，涉及一种切向倾斜式环膜发散冷却结构。
背景技术
轴向气膜冷却(顺气流方向)是火焰筒常用的冷却形式，冷却气通过一定 数量的小孔或者环形缝隙贴壁喷出，在火焰筒内壁与燃气间形成一层沿轴向的 保护气膜。气膜冷却适合各种压降的工作环境和火焰筒不同部位的冷却，其进 气方式有总压进气、静压进气、总静压混合进气和介于总压进气和静压进气之 间的进气等4种形式。气膜冷却可以单独用于火焰筒冷却，也可以与对流冷却、 冲击冷却等构成复合冷却。纯气膜冷却在现役、在研发动机燃烧室中应用最多， 在先进发动机燃烧室中也有应用。
现有技术方案冷却的典型结构，主要由悬臂舌片、气膜孔、大孔和壁板组 成，如图4所示。该设计主要有以下作用：一是在气膜孔中带走壁面中的热量； 二是在火焰筒内壁与高温燃气间形成一层保护气膜。
现有技术方案主要存在的缺点：1.主燃孔燃气射流将覆盖壁面的冷却气膜 截断，主燃孔下游局部位置缺乏冷却气膜；2.主燃孔燃气射流下游通常会形成 一低速区，在低速区内一般是高温区域，从而极有可能造成壁面的烧蚀；3.若 主燃孔使用的是进气斗结构，通常斗的壁面温度较高，使用现有冷却方式不能 很好地冷却其壁面；4.若在主燃孔下游使用发散冷却孔，通常冷却能力有限， 不能很好解决烧蚀问题；为解决上述缺陷，现提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，沿火焰筒壁面 切向形成高效的冷却气膜，以防止或减小进气斗、掺混斗及主燃孔射流后的壁 面烧蚀问题,且在气膜片上形成发散冷却气流，冷却其壁面。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种切向倾斜式环膜发散冷却结构,包括火焰筒壁面，所述火焰筒壁面上开 设有若干个使冷却空气进入火焰筒内的气膜孔，所述火焰筒壁面内侧设置有若 干个使冷却空气沿着所述火焰筒壁面切向流动的气膜片，所述火焰筒壁面上设 置有若干用于增强气流射流深度与强度的进气斗，所述进气斗开设有主燃孔， 所述进气斗位于所述气膜片的一侧。
进一步地：所述气膜片呈Z字形结构，一端用于焊接固定在火焰筒内壁面， 其另一端用于使冷却空气沿着火焰筒壁面切向流动。
进一步地：所述气膜片上开设有若干个用于降低所述气膜片温度的发散孔； 冷却空气从气膜孔进入火焰筒内壁，在气膜片的作用下，一部分沿着火焰筒壁 面切向在进气斗表面形成环形气膜包裹进气斗，一道道切向环形气膜首尾相连， 覆盖整个火焰筒壁面；另一部分冷却空气经过所述气膜片上的发散孔，降低所 述气膜片温度。
进一步地：所述发散孔中心线与所述气膜片的夹角为20～29度或者61～90 度。
进一步地：所述气膜片与所述火焰筒壁面切向的夹角为0～30度。
进一步地：所述气膜片上的发散孔均匀分布数量为10～40个，且发散孔孔 径小于气膜孔孔径的一半。
进一步地：所述气膜片Z字形结构的一端与所述火焰筒壁面焊接固定连接。
进一步地：所述气膜片与火焰筒壁面固定连接的一端开设有半圆形缺口， 所述半圆形缺口与所述进气斗外壁紧密贴合并焊接固定连接。
进一步地：所述气膜片采用GH3536或者GH4169耐高温合金材料制成。
本发明的有益效果：
本发明技术下的冷却结构设计与传统气膜冷却结构不同，在火焰筒壁面设 置气膜片，将冷却气膜布置在火焰筒的切向，一道道切向环形气膜首尾相连， 覆盖整个火焰筒壁面，尤其是在大孔为斗结构时，能够很好地解决其壁面难以 冷却的问题；在大孔(主燃孔、掺混孔)下游形成强有力的冷却气膜，保证壁 面温度的合理性；冷却气膜沿火焰筒切向运动，延长其冷却覆盖时间；在气膜 片上开有发散孔，避免气膜片的烧蚀问题。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为一种切向倾斜式环膜发散冷却结构示意图；
图2为一种切向倾斜式环膜发散冷却结构的气膜片结构示意图；
图3为一种切向倾斜式环膜发散冷却结构的气膜片结构俯视图；
图4为火焰筒现有冷却结构典型设计示意图。
图中：1、气膜孔；2、气膜片；3、发散孔；4、火焰筒壁面；5、进气斗； 6、斗壁面；7、总冷气；8、切向环膜；9、发散冷气；11、悬臂舌片；21、现 有技术气膜孔；31、大孔；41、壁板。
具体实施方式
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清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 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。
参照图1所示，本发明的优选实施例提供了一种切向倾斜式环膜发散冷却 结构，该冷却结构包括包括火焰筒壁面4、气膜片2和进气斗5，火焰筒壁面4 上开设有若干个使冷却空气进入火焰筒内的气膜孔1，火焰筒壁面4内侧设置有 若干个使冷却空气沿着所述火焰筒壁面4切向流动的气膜片2，火焰筒壁面4上 设置有若干个进气斗5，进气斗5位于所述气膜片2的一侧。
在本实施例中，气膜孔1均匀的分布于火焰筒壁面4，且每个气膜孔1孔径 相同使冷却空气在火焰筒壁面4形成的冷却气膜均匀一致，Z字形气膜片2的数 量与气膜孔1的排数相同，冷却空气在Z字形气膜片2的作用下形成沿火焰筒 壁面4切向冷却气流，并在斗壁面6形成切向环膜8，带走进气斗5热量，防止 进气斗5烧蚀，同时在火焰筒内壁与高温燃气间形成一层保护气膜，火焰筒壁 面4、进气斗5和气膜片2采用相同的GH3536耐高温合金材料制成，气膜片2 上开设有若干个用于降低所述气膜片2温度的发散孔3，总冷气7部分通过发散 孔3的为发散冷气9有效降低气膜片2温度，避免气膜片2的烧蚀问题。
优选地，气膜片2通过锻造成型为Z字形结构，一端用于焊接固定在火焰 筒内壁面，其另一端用于使冷却空气沿着火焰筒壁面4切向流动，并在火焰筒 内壁与燃气间形成一层保护气膜，其中，气膜片2与火焰筒壁面4切向平行， 即气膜片2与火焰筒壁面4切向夹角为0度；气膜片2上开设有若干个用于降 低气膜片2温度的发散孔3；总冷气7从气膜孔1进入火焰筒内壁，在气膜片2 的作用下，一部分沿着火焰筒壁面4切向运动，一道道切向环形气膜首尾相连， 在进气斗5表面和火焰筒壁面4形成气膜保护层；另一部分总冷气7经过气膜 片2上的发散孔3为发散冷气9，降低气膜片2温度，防止高温将气膜片2烧蚀， 优选地，发散孔3中心线与所述气膜片2的夹角为29度。
在本实施例中，气膜片2上的发散孔3均匀分布数量为24个，且发散孔3 孔径小于气膜孔1孔径；如图3所示，气膜片2与火焰筒壁面4固定连接的一 端开设有半圆形缺口，半圆形缺口与进气斗5外壁紧密贴合并焊接固定连接， 有利于加强气膜片2的焊接强度。
优选地，根据航空发动机或者燃气轮机设计要求，采用自动化车床镗刀镗 孔的方法在气膜片2上开设发散孔3，发散孔3呈三列九行27个均匀分布，且 发散孔3孔径小于气膜孔1孔径。
另一实施例，气膜孔1均匀的分布于火焰筒壁面4，且每个气膜孔1孔径相 同使冷却空气在火焰筒壁面4形成的冷却气膜均匀一致，Z字形气膜片2的数量 与气膜孔1的排数相同，冷却空气在Z字形气膜片2的作用下形成沿火焰筒壁 面4切向冷却气流，带走进气斗5的斗壁面6上的热量，防止进气斗5烧蚀， 同时在火焰筒内壁与高温燃气间形成一层保护气膜，火焰筒壁面4、进气斗5和 气膜片2采用相同的GH4169耐高温合金材料制成，气膜片2上开设有若干个用 于降低所述气膜片2温度的发散孔3，总冷气7部分通过发散孔3的为发散冷气 9有效降低气膜片2温度，避免气膜片2的烧蚀问题。
可选地，气膜片2通过钣金冲压成型为Z字形结构，一端焊接固定在火焰 筒内壁面，其另一端用于使冷却空气沿着火焰筒壁面4切向流动，形成切向环 膜8，在火焰筒内壁与高温燃气间形成一层保护气膜，其中，气膜片2与火焰筒 壁面4切向夹角为10度；气膜片2上开设有若干个用于降低气膜片2温度的发 散孔3；总冷气7从气膜孔1进入火焰筒内壁，在气膜片2的作用下，一部分沿 着火焰筒壁面4切向在进气斗5表面形成环形气膜包裹进气斗5，一道道切向环 形气膜首尾相连，覆盖整个火焰筒壁面4；另一部分总冷气7经过气膜片2上的 发散孔3，降低气膜片2温度，防止高温将气膜片2烧蚀，可选地，发散孔3中 心线与所述气膜片2的夹角为90度；可选地，发散孔3中心线与所述气膜片2 的夹角为20度。
在本实施例中，气膜片2上的发散孔3均匀分布数量为28个，且发散孔3 孔径小于气膜孔1孔径；气膜片2与火焰筒壁面4固定连接的一端呈矩形。
可选地，根据航空发动机或者燃气轮机设计要求，采用自动化车床打孔或 者激光打孔的方法在气膜片2上开设发散孔3，发散孔3呈三列七行24个均匀 分布，且发散孔3孔径小于气膜孔1孔径。
可选地，根据航空发动机或者燃气轮机设计要求，采用自动化车床打孔或 者激光打孔的方法在气膜片2上开设发散孔3，发散孔3呈四列九行36个均匀 分布，且发散孔3孔径小于气膜孔1孔径。
通过以上的描述可以得知，本技术方案提供了一种切向环膜匹配发散冷却 结构，如图1、如图2和图3所示，冷却结构主要由火焰筒壁面4、气膜片2、气膜 孔1、发散孔3组成。射流(冷却空气)通过气膜孔1进入冷却结构，大部分气体 由于气膜片2的存在，沿火焰筒的切向流动，形成保护火焰筒壁面4的切向环膜8； 小部分气体从气膜片2上的发散孔3流出，保护气膜片2。
本发明技术下的冷却结构设计与传统气膜冷却结构不同，将冷却气膜布置 在火焰筒的切向，一道道切向环形气膜首尾相连，覆盖整个火焰筒壁面4；在进 气斗5下游形成强有力的冷却气膜，保证壁面温度的合理性；冷却气膜沿火焰 筒切向运动，延长其冷却覆盖时间；在气膜片2上开有发散孔3，避免气膜片2 的烧蚀问题；与进气斗5、主燃孔、掺混孔等组合设计，冷却其下游的壁面，避 免烧蚀。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术 人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代， 只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明 的保护范围。

Claims (9)

1.一种切向倾斜式环膜发散冷却结构,包括火焰筒壁面(4)，其特征在于，所述火焰筒壁面(4)上开设有若干个使冷却空气进入火焰筒内的气膜孔(1)，所述火焰筒壁面(4)内侧设置有若干个使冷却空气沿着所述火焰筒壁面(4)切向流动的气膜片(2)，所述火焰筒壁面(4)上设置有若干用于增强气流射流深度与强度的进气斗(5)，所述进气斗(5)位于所述气膜片(2)的一侧。
2.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)呈Z字形结构。
3.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)上开设有若干个用于降低所述气膜片(2)温度的发散孔(3)。
4.根据权利要求3所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述发散孔(3)中心线与所述气膜片(2)的夹角为20～29度或者61～90度。
5.根据权利要求2所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)与所述火焰筒壁面(4)切向的夹角为0～30度。
6.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)上的发散孔(3)均匀分布数量为10～40个，且发散孔(3)孔径小于气膜孔(1)孔径的一半。
7.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)Z字形结构的一端与所述火焰筒壁面(4)焊接固定。
8.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)与火焰筒壁面(4)固定连接的一端开设有半圆形缺口，所述半圆形缺口与所述进气斗(5)外壁紧密贴合并焊接固定。
9.根据权利要求1所述一种切向倾斜式环膜发散冷却结构，其特征在于，所述气膜片(2)采用GH3536或者GH4169耐高温合金材料制成。
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