CN113483354B - 用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏及气膜形成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，包括气膜孔板和冲击孔板，所述气膜孔板内侧为加力燃烧室主燃气涵道，所述冲击孔板与加力燃烧室的外壁面共同构成冷气外涵道；在所述气膜孔板与冲击孔板之间的空腔内设有矩阵排列的多个弯折单体桁架；在所述的气膜孔板上设有气膜孔；在所述冲击孔板上设有冲击孔；冷却气流通过冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔，在空腔内形成的混合气流进入气膜孔形成气流射流，形成了气膜板上的气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触，强化内部的对流换热，降低冷气利用量，且具有较好的力学性能，增强了双层壁隔热屏结构性能，提高加力燃烧室的寿命和可靠性。

Description

用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏及气膜形成的方法

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种加力燃烧室的双层壁结构及双层壁形成气膜的方法。

背景技术

航空发动机在加力状态下，流经加力燃烧室的燃气温度超过2000K，已远远超过可用高温材料的耐热极限，因此，必须对加力燃烧室的承力结构进行有效的热防护。

此前公开了几种加力燃烧室隔热屏，包括一种多孔波纹板加力燃烧室隔热屏(US005465572A)，其波纹状结构的伸缩性可以有效防止振动核筒体热变形造成的影响，又通过波纹板上离散气膜孔的冷却射流对隔热屏的高温燃气侧进行气膜冷却。然而，正是由于波纹状结构，冷却气膜射流难以覆盖整个表面，使其局部壁温过高，无法形成有效的气膜覆盖和换热；另外一种为带扰流柱的发散冷却隔热屏结构(US 20140096527A1)，通过发散的冷却形式在壁面形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的直接接触，同时，隔热屏冷气侧壁面上的扰流柱结构可以对冷气进行扰动混合，强化对流换热，使冷气带走更多的热量而降低壁温。然而，单纯的发散冷却形式难以使扰流柱发挥更好的作用，冷却流动混合不够强烈，无法提升其冷却效率。

基于以上的经验，结合传统的气膜冷却、冲击冷却等方式，专利(CN 103968418A)公开了一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏。此结构包括靠近燃气侧带有气膜孔的壁面、靠近冷气侧带有冲击孔的壁面以及气膜孔板和冲击孔板之间的梯形强化框，这样就形成了冷气侧冲击冷却、内部对流换热和燃气测气膜覆盖的复合冷却形式。此种结构可以通过对流换热带走传入的热量，提高冷气利用率，同时具有较好的力学性能，然而，此结构并未考虑梯形强化框在内部对流换热的过程中带来的流动阻力。

随着先进高性能燃气涡轮发动机的发展，流经加力燃烧室的燃气温度不断提高。另外，随着主流燃烧需要的空气流量的增大，导致用于冷却的空气流量减少，因此，必须应用具有高效冷却能力的隔热屏结构，即以尽可能少的冷气空气达到更好的冷气效果。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种结构简单，使用方便的弯折桁架夹芯结构的双层壁隔热屏。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，包括用于构成加力燃烧室筒体内壁的气膜孔板和在所述气膜孔板外侧的冲击孔板，所述气膜孔板内侧为加力燃烧室主燃气涵道，所述冲击孔板与加力燃烧室的外壁面共同构成冷气外涵道；在所述气膜孔板与冲击孔板之间的空腔内设有夹芯弯折桁架；所述的气膜孔板、冲击孔板和夹芯弯折桁架共同构成双层壁隔热屏；

在所述的气膜孔板上设有气膜孔；在所述冲击孔板上设有冲击孔；夹芯弯折桁架为矩阵排列在气膜孔板与冲击孔板之间的多个弯折单体桁架，多个弯折单体桁架的两端分别以点阵形式固连在所述的气膜孔板和冲击孔板上；

所述多个弯折单体桁架的矩阵排列具体为：以S_x为弯折单体桁架的轴向排布间距，S_z为弯折单体桁架的周向排布间距，H为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，d为弯折单体桁架的桁架杆直径，则所述S_x和S_z形成的矩阵单元大小为：

H≥S_x≥0.5H、0.5H＞S_z＞d；

多个弯折单体桁架依据S_x和S_z形成的矩阵单元在所述气膜孔板与冲击孔板之间轴向和周向延展排布，且在所述S_x和S_z形成的矩阵单元内，至少设有三个弯折单体桁架。

进一步的，所述的冲击孔是冲击孔板的法向通孔；所述冲击孔设置在所述弯折单体桁架与冲击孔板的连接点沿气流方向的前方，且冲击孔的轴线经过弯折单体桁架在气膜孔板的连接点，所述的冲击孔的直径为1～2mm。

进一步的，所述的气膜孔为与气膜孔板的法向夹角为20～60°的通孔，气膜孔设置在弯折单体桁架与气膜孔板的连接点沿气流方向的后方，气膜孔的直径为0.3～10mm。

进一步的，在所述S_x和S_z形成的矩阵单元内设有三个弯折单体桁架，分别为第一弯折单体桁架、第二弯折单体桁架和第三弯折单体桁架，其中，第一弯折单体桁架和第二弯折单体桁架分别设置在周向排布的矩阵单元的两个角点上，第三弯折单体桁架设置在矩阵单元另外两个角点的连线中点上；

所述的第一弯折单体桁架、第二弯折单体桁架和第三弯折单体桁架交替设置在轴向排布的矩阵上。

进一步的，所述桁架杆直径d与冲击孔板和气膜孔板间距H的比值变化范围为：0.05～0.25；同时，桁架杆直径d是气膜孔直径D的5-10倍。

进一步的，所述的弯折单体桁架是由两个直线形桁架杆焊接组成的L状弯折单体桁架；且弯折单体桁架与所述的气膜孔板的壁面法向角度为θ，θ角为30～60°。

本发明还提供一种用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏在气膜孔板上形成气膜的方法，

在所述冷气外涵道中的冷却气流的部分垂直与冲击孔板的冲击射流，经所述冲击孔板上的冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔；

进入气膜孔板和冲击孔板之间空腔的冲击射流，一部分为直接对所述的气膜孔板内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流，另一部分冲击所述的弯折单体桁架，并与弯折单体桁架表面碰撞形成环绕弯折单体桁架的绕流，

由所述弯折单体桁架环绕下降的绕流对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击，并与所述冲击冷却气流混合后形成混合气流；

所述的混合气流进入气膜孔板的气膜孔中形成气流射流，由气膜孔板的外壁面流出的气流射流形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道内主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。

本发明的有益效果是：本发明即在冲击孔板和气膜孔板之间布置迎风弯折桁架结构，一方面，可以通过冲击-气膜的复合冷却方式在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触；另一方面，可以通过流动阻力较小的迎风弯折桁架阵列结构，强化内部的对流换热，降低冷气利用量；再一方面，迎风弯折桁架结构可以将冲击孔板和气膜孔板有效固定，具有较好的力学性能，增强了双层壁隔热屏结构性能，提高加力燃烧室的寿命和可靠性。

附图说明

图1为本发明即带有迎风弯折桁架夹芯结构的双层壁隔热屏示意图；

图2为迎风弯折桁架单体及阵列结构图；

图3为带双层壁轴向剖视图；

图4为本发明的结构耦合作用示意图。

其中，1、气膜孔板；2、冲击孔板；3、弯折单体桁架；4、加力燃烧室的外壁面；5、气膜孔；6、冲击孔；7、冷气外涵道；8、加力燃烧室主燃气涵道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：如图1，图2，图3所示，一种用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，包括用于构成加力燃烧室筒体内壁的气膜孔板1和在所述气膜孔板1外侧的冲击孔板2，所述气膜孔板1内侧为加力燃烧室主燃气涵道8，所述冲击孔板2与加力燃烧室的外壁面4共同构成冷气外涵道7；在所述气膜孔板1与冲击孔板2之间的空腔内设有夹芯弯折桁架；所述的气膜孔板1、冲击孔板2和夹芯弯折桁架共同构成双层壁隔热屏。

在气膜孔板1上设有气膜孔5；在所述冲击孔板2上设有冲击孔6；夹芯弯折桁架为矩阵排列在气膜孔板1与冲击孔板2之间的多个弯折单体桁架3，多个弯折单体桁架3的两端分别以点阵形式固连在所述的气膜孔板1和冲击孔板2上。

多个弯折单体桁架的矩阵排列具体为：以S_x为弯折单体桁架的轴向排布间距，S_z为弯折单体桁架的周向排布间距，H为气膜孔板1与冲击孔板2之间的距离，d为弯折单体桁架的桁架杆直径，则所述S_x和S_z形成的矩阵单元大小为：

H≥S_x≥0.5H、0.5H＞S_z＞d。

多个弯折单体桁架3依据S_x和S_z形成的矩阵单元在所述气膜孔板1与冲击孔板2之间轴向和周向延展排布，且在所述S_x和S_z形成的矩阵单元内，至少设有三个弯折单体桁架。

在S_x和S_z形成的矩阵单元内设有三个弯折单体桁架，分别为第一弯折单体桁架31、第二弯折单体桁架32和第三弯折单体桁架33，其中，第一弯折单体桁架31和第二弯折单体桁架32分别设置在周向排布的矩阵单元的两个角点上，第三弯折单体桁架33设置在矩阵单元另外两个角点的连线中点上；所述的第一弯折单体桁架31、第二弯折单体桁架32和第三弯折单体桁架33交替设置在轴向排布的矩阵上。

冲击孔6是冲击孔板2的法向通孔；所述冲击孔6设置在所述弯折单体桁架3与冲击孔板2的连接点沿气流方向的前方，且冲击孔6的轴线经过弯折单体桁架3在气膜孔板1的连接点，所述的冲击孔6的直径为1～2mm。

气膜孔5为与气膜孔板1的法向夹角为20～60°的通孔，气膜孔5设置在弯折单体桁架3与气膜孔板1的连接点沿气流方向的后方，气膜孔5的直径为0.3～10mm。

桁架杆直径d与冲击孔板2和气膜孔板1间距H的比值变化范围为：0.05～0.25；同时，桁架杆直径d是气膜孔直径D的5-10倍。

弯折单体桁架3是由两个直线形桁架杆焊接组成的L状弯折单体桁架；且弯折单体桁架与所述的气膜孔板1的壁面法向角度为θ，θ角为30～60°。即是通道的孔隙率，桁架杆直径不能太小，太小起不到强化传热的作用；直径也不能太大，太大会内通道堵塞，流阻增大。

参阅图1、图3，本实施例为用于加力燃烧室的双层壁隔热屏，包括气膜孔板1、冲击孔板2、迎风弯折桁架夹芯结构3，燃气侧气膜孔板1为构成加力燃烧室筒体内壁，内侧为加力燃烧室主燃气涵道8，即加力燃烧室主流高温燃气A的流动通道；冷气侧冲击孔板2与外壁面4共同构成冷气涵道7；冲击孔板2与气膜孔板1之间设置有迎风弯折桁架夹芯结构3，共同形成双层壁隔热屏；冲击孔板2、气膜孔板1和迎风弯折桁架结构3在轴向为多个单元周期结构，每个单元的冲击孔板2壁面周向和径向均布有冲击孔6，气膜孔板1壁面周向均布有气膜孔5，由于迎风弯折桁架结构3为典型的点阵结构，其与气膜孔板1和冲击孔板2采用点接触的焊接形式固定，构成结构性完整的一体化结构。气膜孔5与主流高温燃气A之间的具有一定的倾斜角度以提高气膜冷气效果。

图2中展示了迎风弯折桁架单体和阵列结构的排列方式。弯折单体桁架与所述的气膜孔板1的壁面法向角度为θ，随着角度的变化，桁架杆长度变化，导热能力变化，对流体的流动阻力也发生变化；直径的增加或减小影响了固体率以及与流体接触面积的变化，直径影响了流动阻力和换热性能的变化。单体的排列可以用单体的间隔来表示，通常S_x为流体流动方向的单体间距，S_z为展向的单体间距，间距的变化可以直接调整通道内固体率的变化，也可以是沿流动方向非均匀的布置，即S_x沿x方向为非恒定值，而是具有一定的变化规律。

本发明提供的弯折桁架夹芯结构的双层壁隔热屏，在实施时，一般用于高性能航空发动机的加力燃烧室，用于替换加力燃烧室腔体隔热内壁，尤其是本技术方案更适合加力燃烧器的高温段，因为其采用了迎风弯折桁架结构，可以通过冲击-气膜的复合冷却方式在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触，强化内部的对流换热，提高了冷却气流在隔热层内的冷却效率；同时，该结构增强了冷却气流在隔热屏的气膜孔板1、冲击孔板2之间的混合效果；气膜孔板1上的气膜孔5的结构更有利于隔热屏内气流通过气膜孔5对气膜孔板1的气膜出流的贴壁效果，有效保护了加力燃烧室的腔体内、外壁。

实施例2：如图3、图4所示，本发明还提供一种弯折桁架夹芯结构的双层壁隔热屏在气膜孔板上形成气膜的方法，

在所述冷气外涵道7中的冷却气流B的部分垂直与冲击孔板2的冲击射流C1，经所述冲击孔板2上的冲击孔6进入气膜孔板1和冲击孔板2之间的空腔；

进入气膜孔板1和冲击孔板2之间空腔的冲击射流C1，一部分为直接对所述的气膜孔板1内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流C3，另一部分冲击所述的弯折单体桁架，并与弯折单体桁架表面碰撞形成环绕弯折单体桁架的绕流C2，

由所述弯折单体桁架环绕下降的绕流C2对气膜孔板1的内壁面进行扫掠和斜冲击，并与所述冲击冷却气流C3混合后形成混合气流C4；

所述的混合气流C4进入气膜孔板的气膜孔5中形成气流射流C5，由气膜孔板1的外壁面流出的气流射流C5形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道8内主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。

图4中展示了冲击-气膜双层壁结构与通道内的迎风弯折桁架的耦合作用，即冷却气流C1经冲击孔6进入双层壁结构，一部分气流对其正对面的气膜孔板内壁面形成冲击冷却，另一部分气流C2直接冲击桁架单体表面形成绕流结构，以不同的角度对气膜孔内壁面进行扫掠或斜冲击，或与直接冲击壁面的部分冲击射流混合作用，形成气流C3；气流C3与桁架单体间的扰流C2混合，形成气流C4；桁架单体表面扰流C2、混合气流C3、C4进入到与气膜孔板具有一定角度的气膜孔中，流出后形成气流射流C5，对气膜孔板1外壁进行有效的气膜覆盖，形成冷气隔热层，降低主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，其特征在于，包括用于构成加力燃烧室筒体内壁的气膜孔板（1）和在所述气膜孔板（1）外侧的冲击孔板（2），所述气膜孔板（1）内侧为加力燃烧室主燃气涵道（8），所述冲击孔板（2）与加力燃烧室的外壁面（4）共同构成冷气外涵道（7）；在所述气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的空腔内设有夹芯弯折桁架；所述的气膜孔板（1）、冲击孔板（2）和夹芯弯折桁架共同构成双层壁隔热屏；

在所述的气膜孔板（1）上设有气膜孔（5）；在所述冲击孔板（2）上设有冲击孔（6）；夹芯弯折桁架为矩阵排列在气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的多个弯折单体桁架（3），多个弯折单体桁架（3）的两端分别以点阵形式固连在所述的气膜孔板（1）和冲击孔板（2）上；

所述多个弯折单体桁架的矩阵排列具体为：以S_x为弯折单体桁架的轴向排布间距，S_z为弯折单体桁架的周向排布间距，H为气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间的距离，d为弯折单体桁架的桁架杆直径，则所述S_x和S_z形成的矩阵单元大小为：

H≥S_x≥0.5H、0.5H＞S_z＞d；

多个弯折单体桁架（3）依据S_x和S_z形成的矩阵单元在所述气膜孔板（1）与冲击孔板（2）之间轴向和周向延展排布，且在所述S_x和S_z形成的矩阵单元内，至少设有三个弯折单体桁架；

在所述S_x和S_z形成的矩阵单元内设有三个弯折单体桁架，分别为第一弯折单体桁架（31）、第二弯折单体桁架（32）和第三弯折单体桁架（33），其中，第一弯折单体桁架（31）和第二弯折单体桁架（32）分别设置在周向排布的矩阵单元的两个角点上，第三弯折单体桁架（33）设置在矩阵单元另外两个角点的连线中点上；

所述的第一弯折单体桁架（31）、第二弯折单体桁架（32）和第三弯折单体桁架（33）交替设置在轴向排布的矩阵上；

所述的弯折单体桁架（3）是由两个直线形桁架杆焊接组成的L状弯折单体桁架；且弯折单体桁架与所述的气膜孔板（1）的壁面法向角度为θ，θ角为30～60°。

2.如权利要求1所述的用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，其特征在于，所述的冲击孔（6）是冲击孔板（2）的法向通孔；所述冲击孔（6）设置在所述弯折单体桁架（3）与冲击孔板（2）的连接点沿气流方向的前方，且冲击孔（6）的轴线经过弯折单体桁架（3）在气膜孔板（1）的连接点，所述的冲击孔（6）的直径为1～2mm。

3.如权利要求1所述的用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，其特征在于，所述的气膜孔（5）为与气膜孔板（1）的法向夹角为20～60°的通孔，气膜孔（5）设置在弯折单体桁架（3）与气膜孔板（1）的连接点沿气流方向的后方，气膜孔（5）的直径为0.3～10mm。

4.如权利要求1所述的用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏，其特征在于，所述桁架杆直径d与冲击孔板（2）和气膜孔板（1）间距H的比值变化范围为：0.05～0.25；同时，桁架杆直径d是气膜孔直径D的5-10倍。

5.如权利要求1-4任一所述的用于加力燃烧室的弯折桁架式结构隔热屏在气膜孔板上形成气膜的方法，其特征在于，

在所述冷气外涵道（7）中，垂直于冲击孔板（2）的部分冷却气流（B）形成冲击射流（C1），冲击射流（C1）经所述冲击孔板（2）上的冲击孔（6）进入气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间的空腔；

进入气膜孔板（1）和冲击孔板（2）之间空腔的冲击射流（C1），一部分为直接对所述的气膜孔板（1）内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流（C3），另一部分冲击所述的弯折单体桁架，并与弯折单体桁架表面碰撞形成环绕弯折单体桁架的绕流（C2），

由所述弯折单体桁架环绕下降的绕流（C2）对气膜孔板（1）的内壁面进行扫掠和斜冲击，并与所述冲击冷却气流（C3）混合后形成混合气流（C4）；

所述的混合气流（C4）进入气膜孔板的气膜孔（5）中形成气流射流（C5），由气膜孔板（1）的外壁面流出的气流射流（C5）形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道（8）内主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。

Images