CN113266849A - 气膜冷却结构及涡轮发动机燃烧室火焰筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气膜冷却结构及涡轮发动机燃烧室火焰筒，包括冷却环，所述冷却环设置于火焰筒上，所述冷却环用于气流流入并对火焰筒进行冷却；悬臂舌片，所述悬臂舌片设置于所述冷却环上，所述悬臂舌片与所述冷却环之间形成有气膜通道，所述气膜通道用于气流填充并形成保护气膜；进气部，所述进气部设置于所述冷却环上，所述进气部用于气流进入所述气膜通道；低速部，所述低速部设置于所述悬臂舌片的内壁上，所述低速部用于降低高温燃气的速度，减小舌片末端面台阶的厚度，能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题。

Description

气膜冷却结构及涡轮发动机燃烧室火焰筒

技术领域

本发明涉及火焰筒冷却的技术领域，特别地，涉及一种气膜冷却结构。此外，本发明还涉及一种包括上述气膜冷却结构的涡轮发动机燃烧室火焰筒。

背景技术

气膜冷却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前景。

现有技术方案气膜冷却的典型结构，主要由悬臂舌片、气膜孔、冷却环和壁板组成，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燃气间形成一层保护气膜。

现有技术的缺陷为：由于射流(冷却气)和主流(燃气)的流动速度不同，且舌片末端面厚度较大(台阶作用)，在该端面处通常会形成一个低速区，从而极有可能造成舌片的烧蚀。针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种气膜冷却结构。

发明内容

本发明提供了一种气膜冷却结构，以解决由于射流(冷却气)和主流(高温燃气)的流动速度不同，且舌片末端面厚度较大(台阶作用)，在该端面处通常会形成一个低速区，从而极有可能造成舌片的烧蚀的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种气膜冷却结构，包括：

冷却环，所述冷却环设置于火焰筒上，所述冷却环用于引导气流流入并利用气流流动对火焰筒进行冷却；

悬臂舌片，所述悬臂舌片设置于所述冷却环上，所述悬臂舌片与所述冷却环之间围合形成有气膜通道，所述气膜通道用于对冷却环进行气流填充并在冷却环内形成保护气膜；

进气部，所述进气部设置于所述冷却环上，所述进气部用于将冷却气流流入所述气膜通道；

低速部，所述低速部设置于所述悬臂舌片的内壁上，所述低速部用于降低高温燃气的速度并增大吹风比，以提高所述气膜通道的冷却效果，减少所述悬臂舌片烧蚀。

通过采用上述技术方案，在火焰筒壁上设置冷却环，通过冷却环与悬臂舌片连接形成气膜通道，通过冷却气流经进气部对气膜通道输入冷却气流形成冷却气膜并对悬臂舌片以及冷却环进行冷却防护，通过在悬臂舌片的内壁面设置低速部对燃气进行消除低速区，冷却气流通过进气部进入气膜通道，随后沿冷却环内壁流动形成冷却气膜，高温燃气沿悬臂舌片内壁面流动，经过悬臂舌片末端面后与冷却空气在湍流的作用下汇合并掺混；另外，由于冷却气流和高温燃气的流动速度不同，并在悬臂舌片末端面的台阶作用下，在该端面处通常会形成一个低速区，从而极有可能造成悬臂舌片的烧蚀，而本发明在低速部的设置下减小悬臂舌片末端面台阶的厚度，能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题。

进一步地，所述进气部包括气膜孔，所述气膜孔设置于所述冷却环上，所述气膜孔对准所述气膜通道设置。

通过采用上述技术方案，在冷却环上设置气膜孔，将气膜孔对准气膜通道设置，使得冷却气流经气膜孔传输至气膜通道内并在气膜通道内以及气膜通道周边形成冷却气膜，通过冷却气膜对悬臂舌片与冷却环进行冷却保护，使得悬臂舌片与冷却环的使用寿命提高进而提高了航空发动机的使用寿命。

进一步地，所述气膜孔与所述悬臂舌片的外壁呈角度设置，角度范围为5°-85°之间。

通过采用上述技术方案，将气膜孔沿着冷却环的外壁倾斜设置且贯穿冷却环的外壁沿壁厚方向连通气膜通道，通过将气膜孔与悬臂舌片的夹角设置在5°-85°，在气膜孔进行传递冷却气流时，将冷却气流沿着气膜孔传递至悬臂舌片的上端并充满气膜通道，避免冷却气流水平进入气膜通道导致冷却气流漂浮在气膜通道内使得冷却气流与悬臂舌片无法充分接触，从而导致悬臂舌片的降温效果不好，气膜孔在小于5°以及大于85°时，一方面加工困难，另一方面气膜孔的穿设位置无法满足冷却气流的流入。

进一步地，所述冷却环的外壁呈齐平设置。

通过采用上述技术方案，将冷却环的外壁呈齐平设置，将冷却环外壁上的凸起切割，可以减少冷却环的重量，本发明气膜冷却结构用于航空发动机设备，轻量化设计可以减少航空发动机的负载，提高航空发动机的推重比，并且冷却环外壁呈齐平设置，可以显著降低冷却环的高度，从而降低气膜冷却结构的流阻。

进一步地，所述悬臂舌片的端部呈竖直设置。

通过采用上述技术方案，将悬臂舌片的端部呈竖直设置，在对悬臂舌片的端部进行加工时，方便车刀进入对悬臂舌片的端部进行切割；悬臂舌片端部的竖直设置，可以更好地通过加工基准进行加工，且在成品尺寸检测计量中更加简便；将悬臂舌片的端部呈竖直设置，将悬臂舌片的端部斜边切割，减少航空发动机的重量，提高航空发动机的推重比。

进一步地，所述低速部包括第一折斜边，所述第一折斜边设置于所述悬臂舌片的内壁上。

通过采用上述技术方案，在悬臂舌片的内壁面设置第一折斜边，高温燃气传递至悬臂舌片的内壁并在第一折斜边处，通过第一折斜边处作用，能够减小高温燃气与冷却气流掺混形成的低速区，避免高温燃气在悬臂舌片的端部较长时间地停留对悬臂舌片的端部造成烧蚀，第一折斜边与悬臂舌片的内壁面的角度可选为6°，12°以及18°等。

进一步地，所述低速部还包括第二折斜边，所述第二折斜边设置于所述悬臂舌片的内壁上且所述第二折斜边位于所述第一折斜边的一侧。

通过采用上述技术方案，在悬臂舌片的内壁面沿着第一折斜边的末端设置第二折斜边，通过第二折斜边减小甚至消除低速区，避免第一折斜边处对于悬臂舌片的端部低速区的消除效果不佳，仍有部分燃气对悬臂舌片造成烧蚀，第二折斜边与悬臂舌片的内壁面的夹角为6°，12°以及18°等。

进一步地，所述低速部还包括第三折斜边，所述第三折斜边设置于所述悬臂舌片的内壁上且所述第三折斜边设置于所述第二折斜边的一侧。

通过采用上述技术方案，在悬臂舌片的内壁面沿着二斜边的末端设置三斜边，通过三斜边消除低速区，避免二斜边处对于悬臂舌片的端部低速区的消除效果不佳，仍有部分燃气对悬臂舌片造成烧蚀，三折斜边与悬臂舌片的夹角可以选为6°，12°或者18°等。

进一步地，所述第一折斜边与所述第二折斜边以及所述第三折斜边与所述悬臂舌片的内壁呈夹角设置，夹角的范围为0-45°。

通过采用上述技术方案，将第一折斜边与第二折斜边以及第三折斜边与悬臂舌片之间的夹角设置在0-45°，在进行加工时方便调整刀片的角度进行加工斜边，且将第一折斜边与第二折斜边以及第三折斜边设置的夹角范围在0-45°范围内，在消除低速区对悬臂舌片进行保护的同时，可以减少悬臂舌片的应力集中，对悬臂舌片进行防护。将斜边设置在6°时，此时悬臂舌片在斜边处的台阶作用较好，对悬臂舌片的冷却效果较佳；将斜边设置在12°时，此时悬臂舌片在斜边处的台阶作用较6°时好，且冷却效果也较6°时好，斜边的角度越大，加工难度也越大，6°时的斜边方便加工且加工时对悬臂舌片的损伤较小。

根据本发明的另一个方面，提供一种涡轮发动机火焰筒，包括如上述所述的气膜冷却结构。

通过采用上述技术方案，在火焰筒上设置气膜冷却结构，火焰筒内的高温燃气通过悬臂舌片的引导，在悬臂舌片下壁处的低速部使得高温燃气的速度降低，通过将射流冷却气流经气膜孔倾斜传递至悬臂舌片的上壁面，通过冷却气流在悬臂舌片与冷却环之间形成冷却气膜对悬臂舌片与冷却环的外壁进行防护。

本发明具有以下有益效果：

本发明气膜冷却结构通过将冷却气流沿气膜孔射入冷却通道，通过倾斜的气膜孔将冷却气流沿着悬臂舌片的外壁填充冷却通道，在冷却通道内形成一层冷却气膜，在悬臂舌片内壁上的第一折斜边与第二折斜边以及第三折斜边的作用下，较大程度的减小舌片末端面台阶的厚度，能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题；并且该斜边设计能够使得主流速度降低，增大吹风比，从而提高气膜冷却结构的冷却效率。冷却环处的直边加两边倒圆设计，可以显著降低冷却环的高度，从而降低气膜冷却结构的流阻，具有提高悬臂舌片的使用寿命，使得气膜冷却结构的冷却效果更好。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明优选实施例的低速区夹角为0°的悬臂舌片的温度仿真示意图；

图3是本发明优选实施例的低速区夹角为12°的悬臂舌片的温度仿真示意图；

图4是现有技术图。

图例说明：

1、冷却环；11、气膜通道；2、悬臂舌片；3、进气部；31、气膜孔；4、低速部；41、第一折斜边；42、第二折斜边；43、第三折斜边。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本实施例公开一种气膜冷却结构，包括冷却环1、悬臂舌片2、进气部3与低速部4，悬臂舌片2设置在冷却环1的内壁上且悬臂时舌片与冷却环1的内壁之间形成有气膜通道11。进气部3设置在冷却环1上，进气部3包括气膜孔31，气膜孔31设置在冷却环1上，且气膜孔31对准气膜通道11的一端，气膜孔31的轴向中心线与悬臂舌片2之间的夹角为120°。在气膜孔31进行传递冷却气流时，将冷却气流沿着气膜孔31传递至悬臂舌片2的上端并充满气膜通道11，避免冷却气流水平进入气膜通道11导致冷却气流漂浮在气膜通道11内使得冷却气流与悬臂舌片2无法充分接触，从而导致悬臂舌片2的降温效果不好。低速部4设置在悬臂舌片2的内壁上，冷却气流通过气膜孔31进入气膜通道11，随后沿冷却环1内壁流动形成冷却气膜，高温燃气沿悬臂舌片2内壁面流动，经过悬臂舌片2末端面后与冷却空气在湍流的作用下汇合并掺混。由于冷却气流和高温燃气的流动速度不同，并在悬臂舌片2末端面的台阶作用下，在该端面处通常会形成一个低速区，从而极有可能造成悬臂舌片2的烧蚀，在低速部4的作用下减小舌片末端面台阶的厚度，将主流燃气与射流冷却气流均匀掺混并传递出悬臂舌片的端部，能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题。

参照图1、图4，对比现有技术，将冷却环1的外壁突起端加工为平直端，可以减少冷却环1的重量，本发明气膜冷却结构用于航空发动机，轻量化设计可以减少航空发动机的负载，提高了航空发动机的推重比。将冷却环1处的圆弧设计改为直边加两边倒圆设计，可以显著降低气膜环的高度，从而降低气膜冷却结构的流阻。

参照图1，低速部4包括第一折斜边41、第二折斜边42与第三折斜边43，第一折斜边41设置在悬臂舌片2的内壁上，第一折斜边41与悬臂舌片2的内壁呈夹角设置，夹角为6°。第二折斜边42沿着第一折斜边41的末端设置，第二折斜边42与悬臂舌片2内壁的夹角为12°。第三折斜边43沿着第二折斜边42的末端设置，第三折斜边43与悬臂舌片2的夹角为18度。将低速部4与悬臂舌片2的内壁之间的夹角定义为α。

不同角度斜边处的悬臂舌片2的温度与应力变化表

由上表可知，第一折斜边，第二折斜边以及第三折斜边的最佳设计角度为12°，此时第一折斜边与第二折斜边以及第三折斜边在悬臂舌片的内壁面呈平行设置，通过将车刀调整角度直接切铣退刀重复三次即可完成低速区的加工，方便操作。

参照图1，悬臂舌片2内壁面斜边的设计会使得主流速度降低，这将增大吹风比(吹风比的定义：射流的密度与速度乘积/主流密度与速度的乘积)，从而提高气膜冷却结构的冷却效率。将悬臂舌片2末端面设计为竖直方向，可以显著降低该位置的加工难度，并且能够使得在尺寸计量时更加简便。

参照图2、图3，在α＝0°及α＝12°时流固温度分布，可以从流场角度分析悬臂舌片2切角对悬臂舌片2温度的影响原因：当α＝0°时，悬臂舌片2尾缘存在一个旋涡，旋涡处的高温燃气导致舌片温度较高；当α＝12°时，主流(高温燃气)变为渐扩流动，旋涡消失，悬臂舌片2温度显著降低。

本实施例一种气膜冷却结构的工作原理：将冷却气流沿气膜孔31射入气膜通道11，通过倾斜的气膜孔31将冷却气流沿着悬臂舌片2的外壁填充气膜通道11，在气膜通道11内形成一层冷却气膜，在悬臂舌片2内壁上的第一折斜边41与第二折斜边42以及第三折斜边43的作用下，能够较大程度的减小舌片末端面台阶的厚度，并能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题；并且该斜边设计能够使得主流速度降低，增大吹风比，从而提高气膜冷却结构的冷却效率。冷却环1处的直边加两边倒圆设计，可以显著降低冷却环1的高度，并降低气膜冷却结构的流阻。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点在于进气部3包括进气管，进气管贯穿冷却环1的外壁，且进气管的端部抵接在冷却通道内，在进气管伸入冷却通道内的一端设置有喷头，通过喷头将冷却气体均匀射入冷却通道，通过冷却气流在冷却通道内形成冷却气膜对悬臂舌片2以及冷却环1进行冷却降温。

实施例3

本实施例与实施例1的不同点在于低速部4包括缓冲槽，缓冲槽沿着悬臂舌片2的内壁面设置，将悬臂舌片2的下避免的厚度减小，在高温燃气沿着悬臂舌片2的内壁流动时，将主流燃气在缓冲槽处形成消除低速区，从而减少高温燃气在悬臂舌片2的端部对悬臂舌片2造成烧蚀。

一种涡轮发动机火焰筒，包括上述所述的气膜冷却结构，在火焰筒内进行高温燃烧，通过悬臂舌片2对高温燃气进行引导，在悬臂舌片2下壁处的低速部4使得主流速度降低，通过将冷却气流经气膜孔31倾斜传递至悬臂舌片2的上壁面，通过冷却气流在悬臂舌片2与冷却环1之间形成冷却气膜对悬臂舌片2与冷却环1的外壁进行防护，通过低速部4设置在悬臂舌片2的内壁面上，冷却气流通过气膜孔31进入气膜通道11，随后沿冷却环1内壁流动形成冷却气膜，高温燃气沿悬臂舌片2内壁面流动，经过悬臂舌片2末端面后与冷却空气在湍流的作用下掺混。由于高温燃气和冷却气流的流动速度不同，并在悬臂舌片2末端面的台阶作用下，在该端面处通常会形成一个低速区，从而极有可能造成悬臂舌片2的烧蚀，在低速部4的作用下减小舌片末端面台阶的厚度，能够极大地减小甚至消除低速区，从而避免舌片烧蚀问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气膜冷却结构，其特征在于：包括：

冷却环(1)，所述冷却环(1)设置于火焰筒上，所述冷却环(1)用于引导气流流入并利用气流流动对火焰筒壁面进行冷却；

悬臂舌片(2)，所述悬臂舌片(2)设置于所述冷却环(1)上，所述悬臂舌片(2)与所述冷却环(1)之间围合形成有气膜通道(11)，所述气膜通道(11)用于对冷却环(1)进行气流填充并在冷却环(1)内形成保护气膜；

进气部(3)，所述进气部(3)设置于所述冷却环(1)上，所述进气部(3)用于将冷却气流进入所述气膜通道(11)；

低速部(4)，所述低速部(4)设置于所述悬臂舌片(2)的内壁上，所述低速部(4)用于降低高温燃气的速度并增大吹风比，以提高所述气膜通道(11)的冷却效果，减少所述悬臂舌片(2)烧蚀。

2.根据权利要求1所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述进气部(3)包括双向贯通的气膜孔(31)，所述气膜孔(31)开设于所述冷却环(1)上，所述气膜孔(31)的输出端朝向所述气膜通道(11)设置。

3.根据权利要求2所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(31)与所述悬臂舌片(2)的外壁呈角度设置，角度范围为5°-85°之间。

4.根据权利要求1所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述冷却环(1)的外壁呈齐平设置。

5.根据权利要求1所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述悬臂舌片(2)的端部呈竖直设置。

6.根据权利要求1所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述低速部(4)包括第一折斜边(41)，所述第一折斜边(41)设置于所述悬臂舌片(2)的内壁上。

7.根据权利要求6所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述低速部(4)还包括第第二折斜边(42)，所述第二折斜边(42)设置于所述悬臂舌片(2)的内壁上且所述第二折斜边(42)位于所述第一折斜边(41)的一侧，所述第二折斜边沿着高温燃气的流动方向排布。

8.根据权利要求7所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述低速部(4)还包括第第三折斜边(43)，所述第三折斜边(43)设置于所述悬臂舌片(2)的内壁上且所述第三折斜边(43)设置于所述第二折斜边(42)的一侧，所述第三折斜边沿高温燃气的流动方向排布。

9.根据权利要求8所述的一种气膜冷却结构，其特征在于：所述第一折斜边(41)与所述第二折斜边(42)以及所述第三折斜边(43)与所述悬臂舌片(2)的内壁呈夹角设置，所述第三折斜边(43)与所述悬臂舌片(2)之间夹角的范围为0-45°。

10.一种涡轮发动机燃烧室火焰筒，其特征在于：包括如上述权利要求1-9任一项所述的气膜冷却结构。

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