CN114165812B - 燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及减振方法。其中，所述燃油喷嘴，包括：杆芯；集油环，具有油路，所述集油环的一端与所述杆芯固定连接，所述集油环的另一端具有燃油喷口；以及环形阻尼套筒，所述环形阻尼套筒的内壁贴附于所述集油环的外壁。由于在集油环贴附阻尼套筒结构，发生振动时集油环与阻尼套筒之间发生相对运动，产生干摩擦，干摩擦将集油环油路的振动能量转换为摩擦热能，降低振动位移，以降低振动应力，最终提高燃油喷嘴高周疲劳寿命。

Description

燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及减振方法

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种燃油喷嘴、燃烧室、燃气涡轮发动机以及减振方法。

背景技术

燃气涡轮发动机中燃油喷嘴位于燃烧室内，工作时处于高温高压环境。燃油喷嘴外部受热主要有两个热源，一是经由压气机进入燃烧室的高温燃气直接吹扫燃油喷嘴，导致杆部和头部受热，二是由于喷嘴的燃油喷口喷射燃料在火焰筒内进行燃烧，燃烧产生的高温火焰对燃油喷嘴产生热辐射，在两处热源的综合作用下燃油喷嘴头部最高温度可以达到900-1000K。另外燃油喷嘴也处于复杂的振动环境之中，一是燃气涡轮发动机整机振动时传递到燃油喷嘴上的振动载荷，二是燃烧室内发生燃烧振荡时，不稳定燃烧产生的脉动压力作用于燃油喷嘴表面。高量级的振动载荷会使得喷嘴结构产生较大的振动应力，减少寿命。

燃油喷嘴结构设计复杂，一般为了防止燃油结焦，内部油路设计在内称为杆芯，外部设计壳体，使得油路不直接暴露在高温气体中。由于结构复杂导致喷嘴固有振型低频较多，包括喷嘴整体振动和喷嘴内部振动。喷嘴内部杆芯振动模态频率与喷嘴震荡燃烧频率较为接近，容易形成共振，降低喷嘴高周疲劳寿命。因此有必要设计减振结构，降低喷嘴振动应力，提高喷嘴高周疲劳寿命。

具体可以参考图1至图4所示的，参考图1，扩压器机匣4、燃烧室外机匣3、内机匣5和火焰筒2均为环形结构，来流空气经由燃烧室上游部件扩压器机匣4进入燃烧室，来流空气100进入燃烧室分为三股，中间一路为第一流路200进入燃烧室火焰筒2，另外两股为第二流路300、第三流路400，分别进入燃烧室火焰筒2与燃烧室外机匣3、内机匣5组成的涵道。燃油喷嘴1安装在燃烧室外机匣3之上，例如可以通过安装座固定连接于燃烧室外机匣3。燃油喷嘴1包括保护罩10、杆芯11，燃油喷嘴1的端部结构为喷嘴头部12。

图2所示为喷嘴头部结构，喷嘴主喷口15围绕集油环16的中心线13环向分布，并通过集油环外壳14上的开孔伸出。

图3所示为喷嘴头部12结构局部剖面图，集油环16位于集油环外壳14内部，为环形结构，为防止集油环16中油路通道106、107内燃油温度超过结焦温度，一般而言，集油环16的内壁面104与集油环外壳内壁面105之间，设计一定间隙，集油环16的外壁面103与集油环外壳14的外壁面102之间也设计一定间隙，集油环16与集油环外壳14之间无直接接触，以减少外部的高温燃气热量传导到集油环外壳14后对集油环16的热传导。集油环16通过端部110与杆芯11结构相连一体，集油环外壳14通过端部108、109与保护罩10焊接连接。

燃油喷嘴1也承受着振动载荷，在航空发动机工作时喷嘴主喷口15喷出燃油在燃烧室火焰筒2内燃烧，火焰筒2内燃烧时产生脉动压力作用于燃油喷嘴1，同时燃烧室外机匣3也传递转子不平衡产生的振动激励至燃油喷嘴1。

发明人完成本发明的过程中发现，由于集油环16与集油环外壳14之间无接触，集油环16与杆芯11连接结构刚度较弱，造成集油环16振动约束较小，会在不同方向产生振动响应，特别是在集油环16发生共振时，由于集油环16与集油环外壳14之间存在较大间隙，使得集油环16可以积累较大振动能量，在集油环16与杆芯11的连接部位产生较高应力集中，由此导致的疲劳损伤大大的降低了喷嘴1疲劳寿命。

因此本领域需要一种燃油喷嘴，延长燃油喷嘴1的疲劳寿命，使得燃烧室、燃气涡轮发动机及其燃烧室稳定可靠地运行。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种燃油喷嘴。

本发明的一个目的是提供一种燃烧室。

本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮发动机。

本发明的一个目的是提供一种减振方法。

根据本发明一个方面的一种燃油喷嘴，包括杆芯；集油环，具有油路，所述集油环的一端与所述杆芯固定连接，所述集油环的另一端具有燃油喷口；以及环形阻尼套筒，所述环形阻尼套筒的内壁贴附于所述集油环的外壁。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述燃油喷嘴还包括集油环外壳，所述集油环与所述集油环外壳之间具有间隙，所述环形阻尼套筒的外壁与所述集油环外壳之间具有间隙。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述集油环包括本体部、第一凸伸部以及第二凸伸部，所述第一凸伸部从所述本体部的一端凸伸，所述第一凸伸部与所述杆芯固定连接；所述第二凸伸部从所述本体部的另一端凸伸，所述第二凸伸部的另一端具有燃油喷口。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述集油环的所述本体部的外壁具有径向凸伸的第一凸台，所述环形阻尼套筒具有与所述第一凸台匹配的凸部。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述环形阻尼套筒在周向分布有多个锯齿，相邻的所述锯齿之间具有周向间隙，形成开口。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述锯齿的形状为矩形，相邻的所述锯齿之间形成U型开口。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述燃油喷嘴还包括保护罩，所述保护罩围绕所述杆芯，所述保护罩与所述集油环外壳固定连接。

在所述燃油喷嘴的一个或多个实施例中，所述环形阻尼套筒的周向具有至少两个缺口，相邻的所述缺口之间具有环形阻尼套筒的间断部，所述集油环具有在径向凸伸的第二凸台，所述第二凸台伸出所述缺口，形成紧配合结构。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括火焰筒，外机匣以及以上任意一项所述的燃油喷嘴，所述集油环的所述油路输出燃油至所述火焰筒，所述杆芯固定连接于所述外机匣。

根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括转子，以及所述的燃烧室。

根据本发明一个方面的一种减振方法，用于集油环，包括：

设置贴附于所述集油环的外壁的阻尼件，所述集油环振动时，所述集油环与所述阻尼件发生相对运动，产生干摩擦，将振动能量转换为摩擦热能。

综上，本发明的进步效果包括但不限于以下之一或组合：

(1)由于在集油环贴附阻尼套筒结构，发生振动时集油环与阻尼套筒之间发生相对运动，产生干摩擦，干摩擦将集油环油路的振动能量转换为摩擦热能，降低振动位移，以降低振动应力，最终提高燃油喷嘴高周疲劳寿命；

(2)阻尼套筒直接与集油环结构接触，但与集油环外壳之间具有间隙，防止外部燃气的热量传递到集油环上，以达到对集油环内的油路起到热防护的效果；

(3)阻尼套筒结构初始与集油环结构有预紧装配，使二者在振动过程中不会发生分离，形成一个预紧的接触系统；

(4)阻尼套筒结构与集油环有较大的接触面，可以在更宽的频率范围内提供更大的接触刚度与干摩擦阻尼，吸收更多的集油环的振动能量。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是燃油喷嘴结构在航空发动机中的安装结构示意图。

图2是集油环与集油环外壳的外部视角结构图。

图3是根据图2的剖视结构示意图。

图4是集油环的外部视角结构图。

图5是一实施例的集油环与环形阻尼套筒组合的结构图。

图6是根据图5的局部剖视图。

图7是根据图6的A-A向剖视图。

附图标记：

1-燃油喷嘴

2-火焰筒

3-燃烧室外机匣

4-扩压器机匣

5-内机匣

10-保护罩

11-杆芯

12-喷嘴头部

13-集油环中心线

14-集油环外壳

15-燃油喷口

16-集油环

17-环形阻尼套筒

18-第一凸台

19-凸部

20-第二凸台

21-间断部

22-缺口

23-开口

24-锯齿

102-集油环外壳外壁面

103-集油环外壁面

104-集油环内壁面

105-集油环外壳内壁面

106-油路通道

107-油路通道

108-端部

109-端部

110-端部

111-接触面

201-表面

202-表面

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。

另外，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图1至图5，在燃气涡轮发动机中，燃烧室的火焰筒2内发生燃烧反应，带动燃气涡轮发动机的转子旋转，以提供动力。在一些实施例中，燃油喷嘴1包括杆芯11、集油环16以及环形阻尼套筒17。集油环16具有油路，如图1、3所示，燃油从燃油喷嘴1的杆芯11输送至集油环16的油路106、107，并从燃油喷口15直接喷入火焰筒2。如图5至图7所示的，环形阻尼套筒17的内壁贴附与集油环16的外壁。为了实现在初始装配状态下阻尼套筒17的内壁与集油环16的外壁面103具有初始压力，阻尼套筒17紧密地贴附于集油环16，可以采用类似过盈配合的尺寸公差设计，即阻尼套筒17的内壁的尺寸公差带在集油环16的外壁面103的尺寸公差带之下，在装配过程中，采用热装配，即阻尼套筒17加热达到一定膨胀量后，套到集油环16上，阻尼套筒17降温后，阻尼套筒17与集油环16紧密贴紧，并在接触面111上有一定的压紧力，如此使得两者在装配后在接触面111有初始压力的作用力。并且，环形阻尼套筒17的材料应满足在工作温度下的线膨胀系数应低于集油环16，使得在热态下集油环16热膨胀多，而环形阻尼套筒17膨胀少，以达到两者处于持续的紧密配合状态，在集油环16振动时提供足够的摩擦阻尼。通过环形阻尼套筒17的设置，使得在发生振动时集油环与阻尼套筒之间发生相对运动，产生干摩擦，干摩擦将集油环油路的振动能量转换为摩擦热能，降低振动位移，以降低振动应力，避免集油环16与杆芯11的连接部位产生较高应力集中，最终提高燃油喷嘴1的高周疲劳寿命，使得燃烧室以及燃气涡轮发动机可以可靠地运行。尤其是对于集油环16一端与杆芯11固定连接，受到燃烧室外机匣3传递的转子不平衡产生的振动激励，以及集油环16另一端具有燃油喷口15，受到火焰筒2内燃烧时产生脉动压力作用的燃油喷嘴1而言，采用阻尼套筒17对集油环16进行减振，可以提高燃油喷嘴1的高周疲劳寿命的。而阻尼套筒17初始与集油环16具有预紧装配，使二者在振动过程中不会发生分离，形成一个预紧的接触系统。

继续参考图5至图7，在一实施例中，集油环16的具体结构可以包括本体部160、一处第一凸伸部161以及多处第二凸伸部162，一处第一凸伸部161从本体部160的轴向一端凸伸，第一凸伸部161与杆芯11固定连接，如图3所示，具体的连接结构可以是第一凸伸部161通过端部110与杆芯11相连。多处第二凸伸部162从本体部160的轴向另一端凸伸，第二凸伸部160的轴向另一端具有燃油喷口15，第二凸伸部162的数量根据实际喷油需要而设置的燃油喷口15的数量决定。如此结构的集油环16结构简单紧凑，也易于加工。

继续参考图6，在一些实施例中，集油环16与环形阻尼套筒17的贴附结构还可以包括，集油环16的本体部160的外壁具有径向凸伸的第一凸台18，环形阻尼套筒17具有与第一凸台18匹配的凸部19，第一凸台18为整周360°分布，环形阻尼套筒17的凸部19，同样沿套筒圆周向连续分布，装配后环形阻尼套筒17的凸部19包裹于集油环16的第一凸台18表面，可以约束阻尼套筒17在集油环16的轴向301上的位置。

参考图7，在一个或多个实施例中，集油环16与环形阻尼套筒17的贴附结构还可以包括，环形阻尼套筒17的周向具有至少两个缺口22，相邻的缺口22之间具有环形阻尼套筒17的间断部21，即阻尼套筒17在此处间断不连续，而集油环16具有在径向凸伸的第二凸台20，装配后第二凸台20伸出缺口22，第二凸台20不宜高出缺口22较大高度导致难以装配，装配后第二凸台20与缺口22形成紧配合结构，约束了环形阻尼套筒17在圆周方向的转动。继续参考图7，第二凸台20靠近间断部21一侧的表面201与第一凸台18的表面202形成锐角，且缺口22与第二凸台20在表面201紧密贴合并有一定的过盈装配量，防止环形阻尼套筒17在装配后脱出掉落。而间断部22的设置，其有益效果在于，对集油环16上装配阻尼套筒17时采用上述热装配方法时，可以使用工具适当增大开口21以方便装配装配。可以理解到，第二凸台20、缺口22的数量不限于图7所示的两个，可以在集油环16的整周设计多于两个的第二凸台20，对应环形阻尼套筒17设计相应数量的缺口22，第二凸台20与缺口22位置一一对应，如此可以更好的在集油环16振动时环形阻尼套筒17与集油环16之间保持紧密贴附并有一定的贴紧力。

参考图5，在一些实施例中，环形阻尼套筒17的具体结构还可以是，环形阻尼套筒17在周向分布有多个锯齿24，如图5所示的整周地分布，相邻的锯齿24之间具有周向间隙，形成开口23。锯齿24的具体形状可以是矩形，相邻锯齿之间形成U形开口，如此易于设计加工，但不以此为限。锯齿24的密度可以是在环形阻尼套筒17整周均匀布置约20至30个，如此设置的有益效果在于，阻尼套筒17在U型开口23边缘刚度减弱，易于变形，有利于在集油环16振动变形后，锯齿24可紧贴集油环16的外壁面103变形，增加接触摩擦面积，能更有效的将集油环的振动能量转换为摩擦热量，降低集油环16的振幅。参考图5以及图6，环形阻尼套筒17的轴向宽度相对于集油环16的本体部160的轴向宽度而言，在不影响其它部件的分布的前提下，环形阻尼套筒17的轴向宽度应尽可能地接近本体部160的轴向宽度，如此使得阻尼套筒17与集油环16具有更大的接触面，可以在更宽的频率范围内提供更大的接触刚度与干摩擦阻尼，吸收更多的集油环16的振动能量。

如图2、图3所示，燃油喷嘴1还包括集油环外壳14，集油环16位于集油环外壳14内部，集油环16与集油环外壳14之间具有间隙，环形阻尼套筒17的外壁与集油环外壳14之间具有间隙，如此可以防止外部燃气的热量传递到集油环16，以达到对集油环16内的油路起到热防护的效果。参考图1，燃油喷嘴1还包括保护罩10围绕杆芯11，以对杆芯11内的油路起到热防护的效果，保护罩10与集油环外壳14固定连接，例如集油环外壳14通过端部108、109与保护罩10焊接连接，如此使得燃油喷嘴1的整体结构紧凑。

承上所述，对于集油环16在燃气涡轮发动机运行时的减振方法可以包括：设置贴附于集油环16的外壁的阻尼件，例如环形阻尼套筒17，集油环16振动时，集油环16与阻尼件发生相对运动，产生干摩擦，将振动能量转换为摩擦热能。

综上，采用上述实施例的燃油喷嘴1的有益效果至少包括：

(1)由于在集油环贴附阻尼套筒结构，发生振动时集油环与阻尼套筒之间发生相对运动，产生干摩擦，干摩擦将集油环油路的振动能量转换为摩擦热能，降低振动位移，以降低振动应力，最终提高燃油喷嘴高周疲劳寿命；

(2)阻尼套筒直接与集油环结构接触，但与集油环外壳之间具有间隙，防止外部燃气的热量传递到集油环上，以达到对集油环内的油路起到热防护的效果；

(3)阻尼套筒结构初始与集油环结构有预紧装配，使二者在振动过程中不会发生分离，形成一个预紧的接触系统；

(4)阻尼套筒结构与集油环有较大的接触面，可以在更宽的频率范围内提供更大的接触刚度与干摩擦阻尼，吸收更多的集油环的振动能量。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃油喷嘴，其特征在于，包括：

杆芯；

集油环，具有油路，所述集油环的一端与所述杆芯固定连接，所述集油环的另一端具有燃油喷口；以及

环形阻尼套筒，所述环形阻尼套筒的内壁贴附于所述集油环的外壁；

其中，所述燃油喷嘴还包括集油环外壳，所述环形阻尼套筒的外壁与所述集油环外壳之间具有间隙；所述集油环与所述集油环外壳之间具有间隙

所述集油环的本体部的外壁具有径向凸伸的第一凸台，所述环形阻尼套筒具有与所述第一凸台匹配的凸部。

2.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述集油环包括本体部、第一凸伸部以及第二凸伸部，所述第一凸伸部从所述本体部的一端凸伸，所述第一凸伸部与所述杆芯固定连接；所述第二凸伸部从所述本体部的另一端凸伸，所述第二凸伸部的另一端具有燃油喷口。

3.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述环形阻尼套筒在周向分布有多个锯齿，相邻的所述锯齿之间具有周向间隙，形成开口。

4.如权利要求3所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述锯齿的形状为矩形，相邻的所述锯齿之间形成U型开口。

5.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，还包括保护罩，所述保护罩围绕所述杆芯，所述保护罩与所述集油环外壳固定连接。

6.如权利要求1所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述环形阻尼套筒的周向具有至少两个缺口，相邻的所述缺口之间具有环形阻尼套筒的间断部，所述集油环具有在径向凸伸的第二凸台，所述第二凸台伸出所述缺口，形成紧配合结构。

7.一种燃烧室，其特征在于，包括火焰筒，外机匣以及如权利要求1-6任意一项所述的燃油喷嘴，所述集油环的所述油路输出燃油至所述火焰筒，所述杆芯固定连接于所述外机匣。

8.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括转子，以及如权利要求7所述的燃烧室。

9.一种减振方法，用于集油环，其特征在于，所述集油环具有油路，所述集油环的一端与杆芯固定连接，所述集油环的另一端具有燃油喷口；环形阻尼套筒的内壁贴附于所述集油环的外壁；其中，环形阻尼套筒的外壁与所述集油环外壳之间具有间隙；所述集油环与集油环外壳之间具有间隙；所述集油环的本体部的外壁具有径向凸伸的第一凸台，所述环形阻尼套筒具有与所述第一凸台匹配的凸部；其中，所述减振方法包括：

设置贴附于所述集油环的外壁的阻尼件，所述阻尼件与集油环外壳之间具有间隙，所述集油环振动时，所述集油环与所述阻尼件发生相对运动，产生干摩擦，将振动能量转换为摩擦热能。

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