CN114719290B - 一种放气方案可调的扩压器结构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种放气方案可调的扩压器结构及应用，属于燃气轮机燃烧室领域；主要由扩压器可转式内板、扩压器外板、机匣、火焰筒和内外环腔组成；扩压器由两层板组成，内板为可旋转式，进口段采用齿轮与电机连接，电机带动齿轮旋转，齿轮与内板进口的轮尺啮合传动，出口段采用轴承连接，通过这种方式实现扩压器内板的旋转运动，而内外板开孔方式不同，从而可以旋转内板以达到进气方案可调节的目的。本发明放气方案可调的扩压器可以使孔布局和孔面积具有可变性，同时放气方案可调的扩压器可以调节扩压器在不同工况下的进气参数，使其在不同工况下均具有较优的效果，从而拓宽稳定工作的范围，进一步满足先进燃烧室的气动需求。

Description

一种放气方案可调的扩压器结构及应用

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种放气方案可调的扩压器结构及应用。

背景技术

航空发动机的三大核心部件分别是压气机、燃烧室和涡轮，燃烧室中供入的燃油与来自压气机的高压空气混合，形成可燃混气之后进行充分有效的燃烧。燃烧室的功用就是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，从而使气体的总焓增大，提高燃气在涡轮和尾喷管中的膨胀做功能力。

随着航空工业的不断发展，民机需要满足越来越严格的污染控制条件，所以燃烧室需要在贫油状态下组织燃烧，环腔空气量需求减少；对于军机而言，燃烧室进出口温升逐步提高，导致所需燃烧空气量逐渐增多，那么大量空气需要从头部进入参与燃烧，所以根据传统空气流动特性设计的扩压器不再满足先进燃气轮机燃烧室。这是因为燃烧室火焰筒头部进入的燃烧空气量大幅增加，火焰筒的环高也会相应增大，但是扩压器出口环形高度不能有太大变化，这就带来扩压器出口到头部空气模进气的不匹配问题。另一方面压气机压比也在不断提高，燃烧室进口马赫数增大，而扩压器内总压损失大小与进口马赫数的平方成正比，那么燃烧室内总压损失会急剧增大。所以需要研究一种扩压器满足燃烧室头部进气量80％或以上的要求。

在研究扩压器的过程中如果几何参数不可调，有关几何参数敏感性的试验研究中所需要的试验件数量巨大，并且需要不断拆卸安装，并且选择最优性参数时是间断的，不能达到参数连续变化的效果。扩压器几何参数可调节减少拆卸试验件的次数完成几何参数的改变，并且试验件数量会大幅度减少，几何参数可连续调节。

另一方面，燃烧室需要在不同工况下稳定工作。本课题组提出的专利CN201710608804.3介绍的中心分级燃烧室的头部结构采用主副模分级分区燃烧的方法调节供油量使燃烧室同时满足慢车工况和起飞工况下的要求，而本发明提出的结构可以在火焰筒头部之前完成不同工况下的气流分配工作，通过改变进气方式例如进气量大小和进气位置的前后可以满足不同工况下气体动力学要求，从而在较大的工况范围内都具有较好的性能，使整个燃烧室内稳定工作范围拓宽，满足先进燃气轮机燃烧室的进一步需求。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种放气方案可调的扩压器结构，气流从进口流入后小部分通过扩压器上的孔进入内外环腔，之后从冷却孔流入火焰筒进行冷却，大部分气流通过火焰筒头部之后与燃油混合参与燃烧过程。扩压器由内外两层组成，内板可旋转，外板固定，内外板上开孔方式不同，在旋转角度较小时放气量得到变化，可以改变流入内外环腔与火焰筒头部的气流比例，从而调节燃烧室内的流量分配，使其满足不同工况的要求，当旋转至内外两板开孔再次达到重合时，放气位置向后移动，这样可以改变气流流入内外环腔的位置及冲击强度，使不同工况下的扩压器内的性能改善。

本发明的技术方案是：一种放气方案可调的扩压器结构，包括扩压器板、机匣3、火焰筒4和内外环腔5，气流从压气机流出后分别通过扩压器上的孔和火焰筒头部28流入内外环腔5和火焰筒4，之后在火焰筒4中参与燃烧冷却和掺混；所述扩压器板包括扩压器可转式内板1和扩压器外板2；

所述扩压器外板2包括同轴设置的内扩压器外板16和外扩压器外板17，形成环形通道；内扩压器外板16和外扩压器外板17的周面上均开有若干外板进气孔18；

所述扩压器可转式内板1包括同轴设置的内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7，内扩压器可转式内板6位于内扩压器外板16的外侧，外扩压器可转式内板7位于外扩压器外板17的内侧，形成环形通道；内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7的前端均沿周向设置有齿，周面上均开有若干内板进气孔8；扩压器可转式内板1的前、后端分别设置有前连接段9和后连接段10；前连接段9包括齿轮12和电机13，多个齿轮沿周向设置、并与内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7前端的齿啮合，分别通过电机13驱动旋转；后连接段10包括内滚珠14和外滚珠15，内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7后端通过内滚珠14、外滚珠15与安装火焰筒头部28的法兰29连接，达到转动和支撑的效果；通过电机13驱动齿轮12，进而通过啮合带动内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7转动，实现扩压器可转式内板1相对于扩压器外板2的转动。

本发明的进一步技术方案是：所述机匣3包括内机匣内表面19、内机匣外表面20、外机匣内表面21和外机匣外表面22；火焰筒4包括内火焰筒内表面23、内火焰筒外表面24、外火焰筒内表面25、外火焰筒外表面26、冷却孔27、火焰筒头部28和法兰29；内外环腔5包括内环腔30和外环腔31，内环腔30由内火焰筒内表面23和内机匣外表面20形成，外环腔31由外火焰筒外表面26和外机匣内表面21形成。

本发明的进一步技术方案是：所述前连接段9包括四组齿轮12和电机13，其中两组对称设置于内扩压器可转式内板6的内侧，另外两组对称设置于外扩压器可转式内板7的外侧。

本发明的进一步技术方案是：所述扩压器外板2固定，其上开有4～6排外板进气孔18，孔径2～3mm，开孔角度与轴向夹角为30°～60°，开孔方式为顺排。

本发明的进一步技术方案是：所述扩压器可转式内板1开有4～6排内板进气孔8，孔径不超过扩压器外板2孔径，开孔角度与外板保持一致，开孔方式为叉排。

本发明的进一步技术方案是：所述扩压器可转式内板1为可拆卸式结构，根据设计要求加工多个不同扩压器可转式内板1，用于不同要求的跟换。

本发明的进一步技术方案是：所述法兰29的端面上沿轴向开有两道安装槽，分别用于安装内滚珠14和外滚珠15。

一种放气方案可调的扩压器结构的应用，所述放气方案可调的扩压器结构能够适用于单旋流燃烧室、分级分区的双旋流和多旋流燃烧室。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明涉及一种放气方案可调的扩压器结构，主要由扩压器可转式内板、扩压器外板、机匣、火焰筒和内外环腔组成。气流从压气机流出进入扩压器内，小部分气流通过扩压器内外板上的孔放气至内外环腔，之后从冷却孔流入火焰筒内进行冷却，可以通过旋转内板使放气量变化，内外板的开孔方式不同，旋转内板也可以使放气位置产生轴向位移，流入燃烧室的大部分气流沿轴向通过火焰筒头部参与燃烧过程。可以看到可调几何扩压器可以使孔布局和孔面积具有可变性，研究者可以在不拆卸或者少拆卸的情况下进行几何参数敏感性研究，便于进气方案最优化选择过程，同时可调几何扩压器可以调节扩压器在不同工况下的进气参数，使其在不同工况下均具有较优的效果，从而拓宽稳定工作的范围，进一步满足先进燃烧室的气动需求。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

1.扩压器由内板和外板两层组成，内板可旋转，外板固定。目前现有的扩压器大多为固定几何，也就是在装配完成后无法再改变几何参数，所以只能保证在设计工况附近具有较好的性能。而本发明通过将扩压器分为内外两层两种方式达到可调节几何的效果。

2.扩压器内板前侧通过齿轮啮合传动，后侧通过轴承连接(滚珠结构)。扩压器内板前侧有轮齿，轮齿与齿轮啮合，电机与齿轮匹配，通过电机带动齿轮旋转，齿轮带动扩压器内板上的轮齿产生运动，从而扩压器内板具有转动效果。扩压器内板后侧无法有效安装齿轮，所以通过内外滚珠与扩压器外板和法兰连接，支持扩压器内板的运动同时达到支撑目的。

3.扩压器外板和内板开孔方式不同。扩压器外板开孔总流量为内外环腔所需进气量的两倍，孔为顺排布局，内板开孔为叉排布局，孔内径不超过外板孔内径，如果内板孔径小，内外板上孔可以组合为阶梯孔型。当内板旋转角度为零时，气流从孔中通过，当旋转角度逐渐增大时，内外板组合形成的孔面积减小，放气量也响应降低，当旋转角度为内外板周向相邻两排孔之间夹角时，零度时的放气位置已完全闭合，气流从下排孔流出，此时开孔的轴向位置发生了变化，移动的轴向距离等于内外板轴向相邻两排孔之间的距离。可以达到在不拆卸的前提下对扩压器进行几何参数敏感性分析，便于几何参数的最优化研究；同时可以满足不同工况下的气流分配要求，使燃烧室扩压器在典型工况下都能具有较好的性能；试验及数值结果表明放气方案可调的扩压器对燃烧室内的温度峰值及出口温度的均匀性都有利。

4.扩压器内板可更替。可以根据需求灵活设计内外板开孔方式，通过控制内外板孔径和间距大小达到更大范围进气量及进气位置的调节，本发明涉及的燃烧室扩压器不仅适用于中心分级主副模分区的燃烧室，同时适用于单旋流燃烧室、其他分级方式的双旋流燃烧室和多头部燃烧室等。

附图说明

图1本发明的扩压器的结构示意图；

图2本发明的扩压器的内侧结构剖视图；

图3本发明的扩压器内板前侧连接和后侧连接放大示意图；

图4本发明的扩压器内板示意图。

附图标记说明：1-扩压器可转式内板，2-扩压器外板，3-机匣，4-火焰筒，5-内外环腔，6-内扩压器可转式内板，7-外扩压器可转式内板，8-内板进气孔，9-前连接段，10-后连接段，11-扩压器内板上的齿，12-齿轮，13-电机，14-内滚珠，15-外滚珠，16-内扩压器外板，17-外扩压器外板，18-外板进气孔，19-内机匣内表面，20-内机匣外表面，21-外机匣内表面，22-外机匣外表面，23-内火焰筒内表面，24-内火焰筒外表面，25-外火焰筒内表面，26-外火焰筒外表面，27-冷却孔，28-火焰筒头部，29-法兰，30-内环腔，31-外环腔。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。

如图1所示，本发明提供了一种放气方案可调的扩压器结构，包括扩压器可转式内板1、扩压器外板2、机匣3、火焰筒4和内外环腔5。其中气流从压气机流出后分别通过扩压器上的孔和火焰筒头部28流入内外环腔5和火焰筒4，最后都在火焰筒4中参与燃烧冷却和掺混。

如图1、4所示，扩压器可转式内板1由内扩压器可转式内板6和外扩压器可转式内板7组成，都具有内板进气孔8、前连接段9和后连接段10结构；扩压器外板2包括内扩压器外板16和外扩压器外板17，都有外板进气孔18结构。内板1可以转动，具有一个沿燃烧室轴向的转动自由度，外板固定，自由度为零，气流通过内外板上的组合开孔流入内外环腔5，之后通过火焰筒上的冷却孔27进入火焰筒参与冷却过程。扩压器外板2开有4～6排孔，孔径2～3mm，开孔角度与轴向夹角为30°～60°，开孔方式为顺排，扩压器内板1开有4～6排孔，孔径不超过外板孔径，开孔角度与外板保持一致，开孔方式为叉排，通过内板转动使内板上的进气孔沿轴向产生偏移，内板与外板组合即可实现进气量和进气位置的可变。

如图1、2所示，火焰筒4包括内火焰筒内表面23、内火焰筒外表面24、外火焰筒内表面25、外火焰筒内表面26、冷却孔27、火焰筒头部28和法兰29；机匣3包括内机匣内表面19、内机匣外表面20、外机匣内表面21和外机匣外表面22。火焰筒头部28的结构主要为本课题组于2017年申请的专利CN201710608804.3介绍的中心分级燃烧室的头部结构，此处不再详细介绍，从扩压器流出的气流分别流入火焰筒内不同部分，参与燃烧冷却与掺混。内外环腔5包括内环腔30和外环腔31，内环腔30由内火焰筒内表面23和内机匣外表面20形成，外环腔31由外火焰筒外表面26和外机匣内表面21形成。气流沿扩压器内外板上的孔流入内外环腔流路，最后通过冷却孔27流入火焰筒。

如图3所示，扩压器内板前连接段9由内板上的轮齿11、齿轮12和电机13组成，扩压器内板后连接段10由内滚珠14和外滚珠15组成。电机13带动齿轮12转动，齿轮12通过啮合内板上的轮齿11传动，从而达到内板可以转动的要求，扩压器内板后连接段8通过内滚珠14和外滚珠15与头部法兰连接，达到转动和支撑的效果。

如图4所示，扩压器内板1可拆卸更换，当燃烧室设计参数发生较大范围变化，无法通过转动内板获得燃烧室较好的性能时，可根据设计流量分配结果对扩压器内板1进行重新设计，使其满足该工况下的要求，并且可以在这个工况一定范围内具有较好的性能结果。

本发明的工作过程如下：

本发明设计了一种放气方案可调的扩压器结构。气流从压气机流出后进入扩压器内，小部分气流通过扩压器内外板组合形成的孔内流道进入内外环腔，之后参与冷却，大部分气流流过火焰筒头部之后参与燃烧，扩压器由两层板组成，内板为可旋转式，进口段采用齿轮与电机连接，电机带动齿轮旋转，齿轮与内板进口的轮尺啮合传动，出口段采用轴承连接，通过这种方式实现扩压器内板的旋转运动，而内外板开孔方式不同，从而可以旋转内板以达到进气方案可调节的目的。

本发明采用的放气方案可调的扩压器结构，可以使扩压器内进气量和进气位置具有可变性，可以在不拆卸或者少拆卸的情况下进行几何参数敏感性研究，便于进气方案最优化选择过程，并且可以调节扩压器在大小不同工况下的进气参数，使其在不同工况下都有较好的减速扩压效果，满足不同工况下的流量分配需求，使整个燃烧过程更加高效，为新一代先进燃烧室的发展提供了坚实基础。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种放气方案可调的扩压器结构，包括扩压器板、机匣(3)、火焰筒(4)和内外环腔(5)，气流从压气机流出后分别通过扩压器上的孔和火焰筒头部(28)流入内外环腔(5)和火焰筒(4)，之后在火焰筒(4)中参与燃烧冷却和掺混；其特征在于：所述扩压器板包括扩压器可转式内板(10)和扩压器外板(2)；

所述扩压器外板(2)包括同轴设置的内扩压器外板(16)和外扩压器外板(17)，内扩压器外板(16)和外扩压器外板(17)之间形成环形通道；内扩压器外板(16)和外扩压器外板(17)的周面上均开有若干外板进气孔(18)；

所述扩压器可转式内板(1)包括同轴设置的内扩压器可转式内板(6)和外扩压器可转式内板(7)，内扩压器可转式内板(6)和外扩压器可转式内板(7)之间形成环形通道，内扩压器可转式内板(6)位于内扩压器外板(16)的外侧，外扩压器可转式内板(7)位于外扩压器外板(17)的内侧；内扩压器可转式内板(6)和外扩压器可转式内板(7)的前端均沿周向设置有齿，周面上均开有若干内板进气孔(8)；扩压器可转式内板(1)的前、后端分别设置有前连接段(9)和后连接段(10)；前连接段(9)包括齿轮(12)和电机(13)，多个齿轮沿周向设置、并与内扩压器可转式内板(6)和外扩压器可转式内板(7)前端的齿啮合，分别通过电机(13)驱动旋转；后连接段(10)包括内滚珠(14)和外滚珠(15)，内扩压器可转式内板(6)、外扩压器可转式内板(7)后端分别通过内滚珠(14)、外滚珠(15)与安装火焰筒头部(28)的法兰(29)连接；通过电机(13)驱动齿轮(12)，进而通过啮合带动内扩压器可转式内板(6)和外扩压器可转式内板(7)转动，实现扩压器可转式内板(1)相对于扩压器外板(2)的转动；

所述机匣(3)包括内机匣内表面(19)、内机匣外表面(20)、外机匣内表面(21)和外机匣外表面(22)；火焰筒(4)包括内火焰筒内表面(23)、内火焰筒外表面(24)、外火焰筒内表面(25)、外火焰筒外表面(26)、冷却孔(27)、火焰筒头部(28)和法兰(29)；内外环腔(5)包括内环腔(30)和外环腔(31)，内环腔(30)由内火焰筒内表面(23)和内机匣外表面(20)形成，外环腔(31)由外火焰筒外表面(26)和外机匣内表面(21)形成。

2.根据权利要求1所述放气方案可调的扩压器结构，其特征在于：所述前连接段(9)包括四组齿轮(12)和电机(13)，其中两组对称设置于内扩压器可转式内板(6)的内侧，另外两组对称设置于外扩压器可转式内板(7)的外侧。

3.根据权利要求1所述放气方案可调的扩压器结构，其特征在于：所述扩压器外板(2)固定，其上开有4～6排外板进气孔(18)，孔径2～3mm，开孔角度与轴向夹角为30°～60°，开孔方式为顺排。

4.根据权利要求3所述放气方案可调的扩压器结构，其特征在于：所述扩压器可转式内板(1)开有4～6排内板进气孔(8)，孔径不超过扩压器外板(2)孔径，开孔角度与外板保持一致，开孔方式为叉排。

5.根据权利要求1所述放气方案可调的扩压器结构，其特征在于：所述扩压器可转式内板(1)为可拆卸式结构，根据设计要求加工多个不同扩压器可转式内板(1)，用于不同要求的更换。

6.根据权利要求1所述放气方案可调的扩压器结构，其特征在于：所述法兰(29)的端面上沿轴向开有两道安装槽，分别用于安装内滚珠(14)和外滚珠(15)。

7.一种权利要求1所述放气方案可调的扩压器结构的应用，其特征在于：所述放气方案可调的扩压器结构能够适用于单旋流燃烧室、分级分区的双旋流和多旋流燃烧室。

Images