CN114046538A - 一种扰流式的高效火焰筒冷却结构 - Google Patents

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张军峰
张成凯
万斌
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Abstract

本申请属于航空发动机燃烧室领域，特别涉及一种扰流式的高效火焰筒冷却结构。包括：冲击扰流板(1)以及气膜板(2)。所述冲击扰流板(1)上开设有多个冲击孔(3)，所述冲击扰流板(1)的一侧设置有多个呈周期排布的扰流柱(4)，相邻所述扰流柱(4)之间具有扰流空间，所述冲击孔(3)与所述扰流空间连通；所述气膜板(2)设置在所述冲击扰流板(1)具有扰流柱(4)的一侧，所述气膜板(2)上开设有气膜孔(5)，所述气膜孔(5)与所述扰流空间连通。本申请的扰流式的高效火焰筒冷却结构，结构内部包含冲击冷却、对流冷却以及气膜冷却，内部流动复杂，极大提高了冷却效果，可满足高温升主燃烧室冷却需求。

Description

一种扰流式的高效火焰筒冷却结构
技术领域
本申请属于航空发动机燃烧室领域，特别涉及一种扰流式的高效火焰筒冷却结构。
背景技术
对于高温升燃烧室而言，由于在组织燃烧所需的空气流量大幅增加的同时，还必须保留适量的掺混空气以确保出口温度场品质，因此火焰筒可用的冷却空气量大幅降低。此外，随着压气机增压比的增加，高温升燃烧室的进口空气总温将有所提高，这意味着冷却空气冷却潜力的降低和燃气温度的提高。当其它条件不变时，火焰筒最高壁温随着进口空气总温的提高而线性增加。同时，高的温升决定了燃气对火焰筒辐射传热和对流传热的增强，导致火焰筒热负荷增加。冷却空气量的减少、进口空气总温的提高以及热负荷的增加，使得高温升燃烧室火焰筒的工作条件更为恶劣，从而导致热应力增大，对火焰筒的耐久性不利。因此，如何利用很有限的冷却空气量来保证火焰筒的耐久性成为高温升燃烧室设计技术的一项难点。
目前研究较多的燃烧室火焰筒冷却结构为多斜孔壁复合冷却结构以及浮动壁冷却结构。多斜孔壁复合冷却结构作为一种准发散冷却结构，主要结构形式是在壁面排布大量密集的小直径气膜孔阵，其工作原理是利用火焰筒内外压差将冷却空气通过小孔引入火焰筒内，最终在火焰筒燃气侧壁面实现全气膜覆盖。该冷却方式冷却效果有限，难以在更高温升主燃烧室应用。浮动壁冷却结构主要特点是对火焰筒壁进行分块，分得的块称为“浮壁，采用浮壁冷却结构的火焰筒实为双层结构，浮壁位于内层，外层则为支承壳体，冷却空气通过支承壳体上的孔冲击至浮壁背侧，在引入冷却空气的同时又可对浮壁的高温区域进行重点冷却，浮壁通过螺桩等固定在支承壳体上，该冷却方式由于采用大量螺栓连接使得燃烧室重量大大增加，对于发动机而言重量作为重要的技术指标，近年来各国均以减重作为优化设计方向。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种扰流式的高效火焰筒冷却结构，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种扰流式的高效火焰筒冷却结构，包括：
冲击扰流板，所述冲击扰流板上开设有多个冲击孔，所述冲击扰流板的一侧设置有多个呈周期排布的扰流柱，相邻所述扰流柱之间具有扰流空间，所述冲击孔与所述扰流空间连通；
气膜板，所述气膜板设置在所述冲击扰流板具有扰流柱的一侧，所述气膜板上开设有气膜孔，所述气膜孔与所述扰流空间连通。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击扰流板通过照相电解一体成形。
在本申请的至少一个实施例中，所述气膜板与所述冲击扰流板通过扩散焊焊接为一体。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔的截面积小于所述气膜孔的截面积。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔以及所述气膜孔的直径为0.5mm～1mm。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔为直孔或斜孔，所述气膜孔为直孔或斜孔。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔、所述扰流柱、所述气膜孔的数目比例为1：2：1、1：4：1或1：4：2。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔与所述气膜孔分别与不同的扰流空间连通。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的扰流式的高效火焰筒冷却结构，结构内部包含冲击冷却、对流冷却以及气膜冷却，内部流动复杂，极大提高了冷却效果，可满足高温升主燃烧室冷却需求。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的扰流式的高效火焰筒冷却结构剖视图；
图2是本申请一个实施方式的冲击扰流板内部结构示意图；
图3是本申请一个实施方式的气膜板内部结构示意图；
图4是本申请一个实施方式的扰流式的高效火焰筒冷却结构高度示意图。
其中：
1-冲击扰流板；2-气膜板；3-冲击孔；4-扰流柱；5-气膜孔。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种扰流式的高效火焰筒冷却结构，包括：冲击扰流板1以及气膜板2。
具体的，如图1所示，冲击扰流板1上开设有多个冲击孔3，冲击扰流板1的一侧设置有多个呈周期排布的扰流柱4，相邻扰流柱4之间具有扰流空间，冲击孔3与扰流空间连通；气膜板2设置在冲击扰流板1具有扰流柱4的一侧，气膜板2上开设有气膜孔5，气膜孔5与扰流空间连通。冷却气经过冲击孔3进入带扰流柱4的密闭扰流空间后向四周快速流动，最后经气膜孔5流入火焰筒内，和燃气混合，降低火焰筒燃气侧壁面温度。
本申请的扰流式的高效火焰筒冷却结构，为双层结构，冲击扰流板1设计为一层，气膜板2为一层。
在本申请的优选实施例中，冲击扰流板1通过照相电解一体成形。另外，冲击扰流板1通过照相电解一体成形后和气膜板2通过扩散焊焊接为一体，最终实现该高效冷却结构的工程应用。
在本申请的优选实施例中，为了增强冲击换热设计冲击孔3的截面积小于气膜孔5的截面积。本实施例中，优选冲击孔3、气膜孔5直径设计在0.5mm～1mm左右，考虑防堵塞，直径在合理范围内取较大值为宜。此外，本实施例中，冲击孔3可选择直孔或斜孔，气膜孔5页可选择直孔或斜孔。
本申请的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其中冲击扰流板1内部结构如图2所示，气膜板2结构如图3所示。设计扰流柱4对进入冲击扰流板1内的冷却气进行扰动，增强换热，通过调整结构尺寸冲击孔排距、冲击孔间距、扰流柱直径、冲击孔直径、气膜孔排距、气膜孔间距、气膜孔直径、冲击孔高度、扰流柱高度、气膜孔高度，最终得到冷却效果较好的冷却结构形式。在本申请的优选实施方案中，扰流柱4呈四边形排布，冲击孔3以及气膜孔5均与相邻四个扰流柱4的中心对应，其中，冲击孔3、扰流柱4、气膜孔5的数目比例为1：2：1。本实施例中，优选冲击孔3与气膜孔5分别与不同的扰流空间连通，增加结构内部冷却气流的流动复杂性，提高冷却气流的利用率，极大提高了冷却效果。此外，冲击孔3、扰流柱4、气膜孔5的数目比例还可以设置为1：4：1或1：4：2。
本申请的扰流式的高效火焰筒冷却结构，基于高温升主燃烧室火焰筒压降、先进高效冷却结构流量系数进行设计，该结构内部包含冲击冷却、对流冷却和气膜冷却，内部流动复杂，极大提高了冷却效果，可满足高温升主燃烧室冷却需求；同时将冲击孔和扰流柱设计为一层，通过照相电解一体成形，再通过扩散焊将带扰流柱的冲击孔板和气膜孔板焊接为一体，避免使用大量螺栓进行固定，大大降低了火焰筒重量。本申请冷却用气量较常规气膜冷却减小50％，冷却效率大于80％，解决高温升燃烧室火焰筒冷却空气量减少、进口空气总温提高以及热负荷增加带来的冷却技术难题。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，包括：
冲击扰流板(1)，所述冲击扰流板(1)上开设有多个冲击孔(3)，所述冲击扰流板(1)的一侧设置有多个呈周期排布的扰流柱(4)，相邻所述扰流柱(4)之间具有扰流空间，所述冲击孔(3)与所述扰流空间连通；
气膜板(2)，所述气膜板(2)设置在所述冲击扰流板(1)具有扰流柱(4)的一侧，所述气膜板(2)上开设有气膜孔(5)，所述气膜孔(5)与所述扰流空间连通。
2.根据权利要求1所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击扰流板(1)通过照相电解一体成形。
3.根据权利要求2所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述气膜板(2)与所述冲击扰流板(1)通过扩散焊焊接为一体。
4.根据权利要求1所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)的截面积小于所述气膜孔(5)的截面积。
5.根据权利要求4所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)以及所述气膜孔(5)的直径为0.5mm～1mm。
6.根据权利要求5所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)为直孔或斜孔，所述气膜孔(5)为直孔或斜孔。
7.根据权利要求1所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)、所述扰流柱(4)、所述气膜孔(5)的数目比例为1：2：1、1：4：1或1：4：2。
8.根据权利要求7所述的扰流式的高效火焰筒冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(3)与所述气膜孔(5)分别与不同的扰流空间连通。
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