CN114135901A - 一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，所述射流套筒设置于燃烧室中的火焰筒壁上，所述射流套筒包括外侧的支撑臂和内侧的流道臂，所述支撑臂和所述流道臂之间设有环形集气腔，所述支撑臂与火焰筒壁固定连接，且所述支撑臂上开设多个进气孔，所述流道臂与火焰筒壁之间设有间隔，形成出气环缝。本发明的大孔射流套筒结构，可对流道臂形成保护气膜，防止主流燃气对流道臂的烧蚀，有效达到了设计目的。

Description

一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒
技术领域
本公开涉及航空发动机及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒。
背景技术
早期航空发动机及燃气轮机燃烧室火焰筒上的主燃孔、中间孔和掺混孔等大孔均采用简单平孔、镶边孔、(内/外)翻边孔、局部翻边孔和进气斗等结构形式，其目的主要是增大射流穿透深度以及加强进气稳定性。当采用各种结构形式的平孔或镶边孔时，孔的长径比L/D均非常小，这样气流经过L/D小的孔时，气流的流管收缩严重，即孔的流量系数就很小，一般在0.5-0.6之间；且从主燃孔/掺混孔流入的空气很快就会被主流燃气“吹偏”，射流就不会很深，很难达到与主流燃气充分掺混；同时，平孔进气很容易受二股环腔空气流场结构的变化而影响，使得大孔射流变的不稳定，进而引起燃烧性能(出口温度场、点熄火等)的变化。Spey等发动机主燃烧室采用的是进气斗结构形式的主燃孔/掺混孔，L/D增大了很多，这有效增加了大孔的射流穿透深度，但进气斗是沿着径向向火焰筒内伸进去的，如果冷却措施不到位的话，很容易把进气斗烧蚀了；进气斗的应用亦增强了大孔射流穿透的稳定性。随着主燃烧室沿着高温升方向发展，主燃烧室头部进气越来越多，主燃区的设计更显得尤为重要，主燃孔/掺混孔与主流燃气之间的强掺混作用也显得非常重要。常规进气斗在高温升燃烧区中极易被烧蚀，所以非常有必要发展一种既能增强射流穿透和稳定性，又能防止烧蚀的进气射流套筒结构形式。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，该结构中，来自于二股环腔的冷却空气通过支撑臂上的进气孔流入环形集气腔，空气在环形集气腔内减速增压，最后通过流道臂与火焰筒之间的环缝，这样既可以保证环缝气流垂直射入主流燃气，又对流道臂形成了一层保护气膜，防止主流燃气对流道臂的烧蚀，有效达到了设计目的。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，所述射流套筒设置于燃烧室中的火焰筒壁上，所述射流套筒包括外侧的支撑臂和内侧的流道臂，所述支撑臂和所述流道臂之间设有环形集气腔，所述支撑臂与火焰筒壁固定连接，且所述支撑臂上开设多个进气孔，所述流道臂与火焰筒壁之间设有间隔，形成出气环缝。
进一步地，所述射流套筒筒口的所述支撑臂和流道臂的连接处采用倒圆过渡，且倒圆半径不大于所述射流套筒的厚度。
进一步地，所述流道臂的壁厚为0.5-1.5mm，且所述支撑臂的壁厚为所述流道臂壁厚的1.5-2倍。
进一步地，所述流道臂的出口端面可伸出/缩进所述火焰筒壁，且伸出/缩进的距离不大于所述火焰筒壁厚的一半。
进一步地，所述环形集气腔的宽度比所述出气环缝的宽度大至少0.5mm。
进一步地，所述环形集气腔的宽度为2-3.5mm。
进一步地，所述出气环缝的宽度为0.5-1.0mm。
进一步地，所述支撑臂包括迎风面和背风面，所述迎风面上的所述进气孔的直径为2.5-4mm，且为所述背风面上的所述进气孔直径的1.5-2倍。
进一步地，所述支撑臂包括迎风面和背风面，所述迎风面上的所述进气孔的数量大于所述背风面上的所述进气孔的数量，并且，所述支撑臂上的所述进气孔的面积总和大于所述出气环缝的几何面积的至少1.5倍。
进一步地，所述支撑臂的底端嵌入所述火焰筒的侧壁内部，嵌入尺寸为0.5-1.0mm，且通过焊接固定在所述火焰筒壁上。
本发明的大孔射流套筒由支撑臂和流道臂组成，支撑臂焊接在火焰筒上，流道臂悬空未与火焰筒接触，之间存在一定的环缝。一方面当空气通过支撑臂上的进气孔进入环形集气腔后，气流在环形集气腔内沿着出气环缝射流而出；另一方面空气从流道臂流入火焰筒内燃烧区与主流掺混；当流道臂伸出火焰筒时，悬空端壁很容易被高温燃气烧蚀，因此本发明中通过控制燃烧室的内外压差，使得进入燃烧室的冷气可在流道臂侧壁，以及流道臂的悬空端壁形成保护气膜，可以有效保护悬空端壁不被烧蚀，并且不会影响燃烧室内的正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例中一种燃烧室结构示意图；
图2为本发明实施例中一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒结构示意图；
图3为本发明实施例中沿进气孔剖视的射流套筒结构示意图；
图4为本发明实施例中环形集气腔局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒。
参考图1，一种燃烧室10结构示意图，包括扩压器11，外机匣12，内机匣13，喷嘴14，头部15，火焰筒16，点火电嘴17，主燃孔18，掺混孔19，燃烧室外二股环腔20，燃烧室内二股环腔21，主燃区41，燃烧室出口24。燃烧室10中的工作是：空气从扩压器11进入燃烧室10，一定比例的空气从头部15进入火焰筒16，其余空气通过燃烧室外二股环腔20和燃烧室内二股环腔21进入火焰筒16，燃油通过喷嘴14进入火焰筒16，在火焰筒16内，点火电嘴17产生火花后，点燃靠近电嘴端壁附近的可燃油气混合物，然后高温燃气流入主燃区41，引燃主燃区41内混合均匀的油气混合气，并在火焰筒16内高效燃烧，最后燃烧完全的高温燃气从燃烧室出口24排出。
参考图2，本实施例是一种能够有效防止火焰筒内高温燃气对火焰筒上的大孔射流套筒的烧蚀。该射流套筒由双层结构构成，包括支撑臂25和流道臂26，其中支撑臂25焊接在火焰筒16壁上，支撑臂25上开设有N(≥1)个进气孔27；流道臂26与支撑臂25连接，之间存在环形集气腔36；流道臂26面临火焰筒内燃烧区端悬空，与火焰筒壁之间存在出气环缝37，避免与火焰筒壁直接接触。
具体地，为在火焰筒16壁面上布置了一种防烧蚀的大孔射流套筒24；大孔射流套筒24由支撑臂25和流道臂26连接，支撑臂25和流道臂26共轴线，且支撑臂25比流道臂26短，其焊接在火焰筒16壁上，两者之间形成一个空腔，即为环形集气腔36；火焰筒16与流道臂26之间有一个出气环缝37，当气流从进气孔27进入环形集气腔36后，再通过出气环缝37流入火焰筒燃烧区40。其中，流道臂26与支撑臂25连接处采用倒圆过渡，倒圆半径38最大不超过大孔射流套筒24的厚度。
进一步的，大孔射流套筒24的流道臂26伸出火焰筒16壁面的A尺寸32，必须根据环缝气量对伸出火焰筒16壁面的部分冷却效果而定，因此所述流道臂26出口端面距离火焰筒尺寸可正可负，其绝对值不超过火焰筒壁厚的一半；因此当流道臂26缩进火焰筒16壁面时，其A尺寸32不大于火焰筒16壁厚的一半。支撑臂25比流道臂26厚，用于焊接支撑在火焰筒16壁上，其厚度约为流道臂厚度的1.5倍。
进一步的，流道臂26与火焰筒16之间的出气环缝37，其出气环缝宽度33大于0.5mm，并根据射流套筒防烧蚀冷却空气流量的需求而定。冷却空气流量计算公式为W＝ACd√(2ρΔP)，其中A为出气环缝37几何面积，Cd为流量系数，ρ为空气密度，ΔP为环形集气腔36与火焰筒燃烧区40之间的压降，各参数单位采用IS制。
进一步的，支撑臂25在火焰筒壁16在下沉一定B尺寸31，该B尺寸31在0.5-1.0mm之间，最后通过焊接方式将支撑臂25固定在火焰筒16壁上。
进一步的，支撑臂25上开设直径不等的进气孔27，大孔射流套筒24迎风面的进气孔直径35要大于其背风面的，一般是1.5-2倍之间；或者大孔射流套筒24背风面不开设进气孔27或只开设若干(≤3)个进气孔27；支撑臂25上的进气孔27的几何面积要大于出气环缝37的几何面积，一般是1.5倍以上。
进一步的，环形集气腔宽度34一般大于出气环缝宽度33，即环形集气腔宽度34大于出气环缝宽度33至少0.5mm。
优选地，所述流道臂的壁厚为0.5-1.5mm，且所述支撑臂的壁厚为所述流道臂壁厚的1.5-2倍。出气环缝宽度33优选为0.5-1.0mm，环形集气腔宽度34优选为2-3.5mm。
参考图3，为沿进气孔剖视的射流套筒结构示意图；显示了大孔射流套筒24的进气孔27布局示意图，可以是进气孔直径35相等的进气孔27均布，也可以迎风面的进气孔27直径大，背风面的小，优选地，迎风面上的所述进气孔27的直径为2.5-4mm，且为背风面上的所述进气孔27直径的1.5-2倍；或迎风面的进气孔27布局的数目多，而背风面的少，优选地，支撑臂25上的所述进气孔27的面积总和大于所述出气环缝37的几何面积的至少1.5倍，一般可以通过三维数值仿真分析空气流动的情况而定。
参考图4，为环形集气腔36局部放大示意图；来自二股环腔20的气流从进气孔27进入环形集气腔36，在集气腔进行减速增压获得一个相对稳定均匀的压力环境，之后通过出气环缝37进入火焰筒燃烧区40，与主流进行掺混。
本发明中，通过对大孔射流套筒的结构的设计，以及对环形集气腔、出气环缝、进气孔等，其宽度、直径、数量等参数的精准优化，从而控制燃烧室的内外压差，使得进入燃烧室的冷气可在流道臂侧壁，以及流道臂的悬空端壁形成保护气膜，防止主流燃气对流道臂的烧蚀，并且不会影响燃烧室内的正常工作。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，所述射流套筒设置于燃烧室中的火焰筒壁上，其特征在于，所述射流套筒包括外侧的支撑臂和内侧的流道臂，所述支撑臂和所述流道臂之间设有环形集气腔，所述支撑臂与火焰筒壁固定连接，且所述支撑臂上开设多个进气孔，所述流道臂与火焰筒壁之间设有间隔，形成出气环缝。
2.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述射流套筒筒口的所述支撑臂和流道臂的连接处采用倒圆过渡，且倒圆半径不大于所述射流套筒的厚度。
3.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述流道臂的壁厚为0.5-1.5mm，且所述支撑臂的壁厚为所述流道臂壁厚的1.5-2倍。
4.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述流道臂的出口端面可伸出/缩进所述火焰筒壁，且伸出/缩进的距离不大于所述火焰筒壁厚的一半。
5.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述环形集气腔的宽度比所述出气环缝的宽度大至少0.5mm。
6.根据权利要求1或5所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述环形集气腔的宽度为2-3.5mm。
7.根据权利要求1或5所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述出气环缝的宽度为0.5-1.0mm。
8.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述支撑臂包括迎风面和背风面，所述迎风面上的所述进气孔的直径为2.5-4mm，且为所述背风面上的所述进气孔直径的1.5-2倍。
9.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述支撑臂包括迎风面和背风面，所述迎风面上的所述进气孔的数量大于所述背风面上的所述进气孔的数量，并且，所述支撑臂上的所述进气孔的面积总和大于所述出气环缝的几何面积的至少1.5倍。
10.根据权利要求1所述的防烧蚀的火焰筒大孔射流套筒，其特征在于，所述支撑臂的底端嵌入所述火焰筒的侧壁内部，嵌入尺寸为0.5-1.0mm，且通过焊接固定在所述火焰筒壁上。
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