CN114777157B - 一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用，属于燃气轮机燃烧室领域；包括扩压器、火焰筒、机匣和内外环腔，气流从压气机流入内外环腔和火焰筒头部，之后流入火焰筒参与燃烧冷却和掺混；扩压器包括内扩压器和外扩压器，外扩压器包括外扩压器板、扩压器进口控制部分和扩压器出口连接部分；外扩压器板由多块弧形扩压板沿周向均布构成，相邻扩压板的边缘相互重叠；扩压器进口控制部分安装于外扩压器板的前端，通过调整各扩压板前端的径向位置，实现外扩压器进气口的内径变化；扩压板的后端通过扩压器出口连接部分沿周向铰接于火焰筒的头部法兰板外缘。本发明调节扩压器在不同工况下环腔和头部的进气比例，使其在不同工况下均具有较优的效果。

Description

一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用。

背景技术

航空发动机是飞机的“心脏”，为飞机提供飞行所需的动力，而航空发动机燃烧室是飞机“心脏”的“心脏”，将燃油的化学能转化为热能，推动涡轮做功，最终将燃油的化学能转化为发动机的机械能。

扩压器是燃烧室最重要的部件之一，它是燃烧室进口的第一个部件，主要将进入燃烧室的气流进行减速增压，使燃烧可以稳定发生。因为一般情况下航空发动机燃烧室进口的空气马赫数会达到0.3左右，绝对速度可能达到120-220m/s，并且随着先进航空发动机的发展，压气机压比不断提高，这会造成燃烧室进口速度更高，而在这么高的速度下无法组织稳定可靠的燃烧，即使可以稳定压力损失也会很大，而燃烧室内压力损失每增大1％，单位燃油消耗率增大0.5％，所以扩压器内压力损失过大对飞行成本等是十分不利的。

扩压器主要类型有流线型扩压器和突扩扩压器等，流线型扩压器因其在气流分成不同流路之后不能再得到平衡所以对加工误差等十分敏感，并且随着工况的变化扩压器性能也有较大改变，但是流线型扩压器扩压性能较好。为了解决流线型扩压器气流无法再次平衡的问题学者们提出了突扩扩压器，但突扩扩压器因突扩区的存在必然会产生较大的旋涡，所以压力损失相对较大。而本文所提出的可变几何扩压器可以在进口根据不同的工况要求和不同加工工艺调节气流分配比例，解决了流线型扩压器气流分配固定不能改变的问题，所以不再存在其固有的一系列缺点，同时也不存在突扩扩压器总压损失太大的问题，并且可以对其扩压板的壁面造型进行优化，进一步降低压损，提高静压恢复，同时改善扩压器出口气流的均匀性。

可变几何扩压器的使用可以按流量需求分配进入内外环腔和火焰筒头部的气流流量，使燃烧室在小工况下头部进气降低，环腔进气增多，在大工况下头部进气增多，环腔进气减少，使燃油与空气在不同油气比下达到不同的匹配效果，从而提高燃烧室的性能。

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，本发明提出一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用，外扩压器包括八块扩压板，每块扩压板中心与推拉杆固定，推拉杆被移动块带动移动，齿轮进行旋转运动，通过轨道一圈径向尺寸发生变化从而使移动块带动推拉杆发生径向位移，气流从进口由内外两个通道分别流入环腔和火焰筒头部，流入内外环腔的气流从火焰筒上的冷却孔进入火焰筒内参与冷却过程，流入火焰筒头部的气流与喷嘴喷出的燃油雾化进行燃烧，使用上述的调节机构使环腔和头部气流比例发生变化，从而满足燃烧室慢车、起飞等不同工况下的气流分配要求。

本发明的技术方案是：一种可变几何的燃烧室扩压器结构，包括扩压器1、火焰筒2、机匣3和内外环腔4，气流从压气机流出后分别流入内外环腔4和火焰筒头部16，之后流入火焰筒2参与燃烧冷却和掺混；所述扩压器1包括内扩压器5和外扩压器6，外扩压器6包括外扩压器板、扩压器进口控制部分8和扩压器出口连接部分9；

所述外扩压器板由多块弧形扩压板7沿周向均布构成，相邻扩压板7的边缘相互重叠、并为间隙配合；所述扩压器进口控制部分8安装于外扩压器板的前端，通过调整各扩压板7前端的径向位置，实现外扩压器6进气口的内径变化；所述扩压板7的后端通过扩压器出口连接部分9沿周向铰接于火焰筒2的头部法兰板17外缘。

本发明的进一步技术方案是：所述火焰筒2包括火焰筒头部16、头部法兰板17、内火焰筒19、外火焰筒20和冷却孔21；机匣3包括内机匣22和外机匣23；内外环腔4包括内环腔24和外环腔25，内机匣22和内火焰筒19之间的环形腔体为内环腔24，外机匣23和外火焰筒20之间的环形腔体为外环腔25；

所述头部法兰板17的外缘处沿周向均布多个键槽18，键槽18两侧槽壁均开有销孔，用于安装扩压器出口连接部分9。

本发明的进一步技术方案是：所述扩压器出口连接部分9包括销钉14和键块15，键块15固定于扩压板7的后端中部，两个销钉14固定于键块15的相对两侧壁面上，分别插装于键槽18的销孔内；使得所述扩压板7的后端能够绕销钉14转动。

本发明的进一步技术方案是：所述外扩压器板由八块扩压板7组成，每块板所占圆心角为60°，相邻两块扩压板7中点之间的角度为45°，相邻两块扩压板7重叠部分的径向距离为1mm。

本发明的进一步技术方案是：所述扩压器进口控制部分8包括推拉杆10、移动块11、齿轮12和轨道13；齿轮12为环形板结构，同轴设置于机匣3入口处的外围，其端面上设置有环形轨道13；轨道13周向各点的径向半径不同；多个推拉杆10沿周向均布，并与扩压板7一一对应，其一端通过移动块11与轨道13连接，另一端均沿径向穿过机匣3入口处的外机匣、并固定于扩压板7前端的中部；通过电机驱动齿轮12转动，由轨道13径向位置的变化带动移动块11产生径向位移，将旋转运动转为直线运动，进而通过推拉杆10带动扩压板7前端做径向运动，实现外扩压器6进气口的内径调节。

本发明的进一步技术方案是：所述外扩压器6适用于火焰筒头部16进气面积占燃烧室总进口面积比例的变化范围为30％～80％。

本发明的进一步技术方案是：所述外扩压器6的壁面为直壁，内扩压器5的壁面为相切双圆弧。

本发明的进一步技术方案是：所述内环腔24与外环腔25的进气比例为0.8～1.3。

一种可变几何的燃烧室扩压器结构的应用，所述可变几何的燃烧室扩压器结构适用于中心分级多点直喷燃烧室、传统燃烧室或其他分级分区组织方式的燃烧室。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明涉及一种可变几何的燃烧室扩压器结构及其应用，主要由扩压器、火焰筒、机匣和内外环腔组成。气流从压气机流出后分别流入内环腔、环腔和火焰筒头部，之后内外环腔气流从冷却孔流入火焰筒参与冷却过程，流入头部的气流通过火焰筒头部与燃油混合进行燃烧。外扩压器由八块扩压板组成，类似火鸡羽毛互相掺在一起，通过电机驱动齿轮旋转，带动移动块径向移动，块带动推拉杆沿径向内外移动，每块扩压板进口中心与推拉杆固定，所以在运动过程中扩压板进口径向位置发生变化，从而使流入头部的进气面积占进口总面积的比例改变，调节扩压器在不同工况下环腔和头部的进气比例，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.外扩压器由八块扩压板组成，相邻板之间有叠加重合部分。当扩压器进口径向位置变大时，重合部分减少，当进口径向位置变小时，重合部分增大，其工作原理类似于火鸡羽毛的展开。相邻两块板之间径向距离较小，使其不漏气的同时运动时互相不干涉影响，达到径向位置可变的效果。

2.扩压器进口处将旋转运动转化为扩压器进口沿径向的直线运动。电机驱动齿轮旋转，齿轮上的轨道为沿螺旋线扫掠而成，所以其一周径向距离不同，齿轮转动时移动块沿轨道运动的径向位置也在发生变化，所以其上连接的推拉杆会产生径向位移，而推拉杆与每块扩压板进口中心固定。所以当齿轮旋转时，扩压板就会产生径向位置的变化，从而改变内外通道的面积，使内外通道的进气比例得到调节，可以满足慢车和起飞等不同大小工况下的气流分配要求，根据试验和数值模拟结果可以发现使用变几何扩压器的燃烧室在不同油气比下的性能更优，出口温度分布均匀性更高，并且温度峰值也更高。

3.扩压器出口处使用键连接。每块扩压板出口都带有键块和销钉，火焰筒头部法兰板上留有键槽，这样当扩压板进口产生径向位移时，出口处可以与法兰板连接，同时也不对进口的运动产生影响。

4.火焰筒头部进气面积占燃烧室总进口面积比例的变化范围为30％～80％。可以满足火焰筒头部与内外环腔气流分别占1/3的传统燃烧室，也可以满足大部分气流都从头部进入，内外环腔仅占20％左右的先进燃烧室。同时火焰筒头部可更换。此变几何扩压器不仅适用于图中所示的中心分级多点直喷燃烧室，也适用于传统燃烧室或其他分级分区组织方式的燃烧室。

附图说明

图1本发明的可变几何燃烧室扩压器的结构示意图；

图2本发明的外扩压器结构示意图；

图3本发明的可变几何燃烧室扩压器的左视图和剖面图；

图4本发明的扩压器出口连接方式示意图。

附图标记说明：1-扩压器，2-火焰筒，3-机匣，4-内外环腔，5-内扩压器，6-外扩压器，7-扩压板，8-扩压器进口控制部分，9-扩压器出口连接部分，10-推拉杆，11-移动块，12-齿轮，13-齿轮上的轨道，14-销钉，15-键块，16-火焰筒头部，17-头部法兰板，18-键槽，19-内火焰筒，20-外火焰筒，21-冷却孔，22-内机匣，23-外机匣，24-内环腔，25-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，本发明提供了一种可变几何的燃烧室扩压器结构，包括扩压器1、火焰筒2、机匣3和内外环腔4。扩压器1包括内扩压器5和外扩压器6；火焰筒2包括火焰筒头部16、头部法兰板17、内火焰筒19、外火焰筒20和冷却孔21；机匣3包括内机匣22和外机匣23；内外环腔4包括内环腔24和外环腔25，内机匣22和内火焰筒19之间的环形腔体为内环腔24，外机匣23和外火焰筒20之间的环形腔体为外环腔25。其中气流从压气机流出后在燃烧室进口分别流入内外环腔4和火焰筒头部16，之后通过环腔的气流从冷却孔21进入火焰筒2参与冷却过程，通过火焰筒头部16的气流和喷嘴喷出的燃油雾化混合之后燃烧。

所述外扩压器6包括外扩压器板、扩压器进口控制部分8和扩压器出口连接部分9；所述外扩压器板由多块弧形扩压板7沿周向均布构成，相邻扩压板7的边缘相互重叠、并为间隙配合；所述扩压器进口控制部分8安装于外扩压器板的前端，通过调整各扩压板7前端的径向位置，实现外扩压器6进气口的内径变化；所述扩压板7的后端通过扩压器出口连接部分9沿周向铰接于火焰筒2的头部法兰板17外缘。

实施例：

如图1所示，外扩压器6包括八块扩压板7，每块扩压板7所占的角度为60°，初始相邻两块扩压板7之间的角度为45°，随着燃烧室的工作该角度会发生变化，也就是相邻两块扩压板7之间重合的部分会改变，当火焰筒头部气流需求量增大时，扩压板7之间重合部分减少，当头部气流需求量减小时，扩压板7之间重合部分增大，相邻两块扩压板7之间的径向距离为1mm，该距离保证每块扩压板7的移动不相互干涉影响的同时漏气量可以忽略。

如图1和图3所示，扩压器进口控制部分8包括推拉杆10、移动块11、齿轮12和齿轮上轨道13。使用步进电机驱动齿轮12旋转，齿轮上带有轨道13，轨道13一周径向尺寸会发生变化，所以齿轮12旋转带动移动块11产生径向位移，将旋转运动转为直线运动，块11带动推拉杆10，推拉杆10与每块扩压板7的中心固定，所以当齿轮12转动时外扩压器6进口会沿径向内外移动，从而实现进口径向位置的变化，从而改变内外通道的进气比例，以满足不同工况下的要求。

如图2和图4所示，每块扩压板7后端安装销钉14和键块15，火焰筒头部法兰板17上留有键槽18，扩压板出口与火焰筒使用此方式进行连接与固定，满足扩压器进口移动的要求同时达到固定支撑的目的。

本发明的工作过程如下：

本发明设计了一种可变几何的燃烧室扩压器结构及应用。气流从压气机流出后分别进入内外环腔和火焰筒头部，之后进入环腔的气流通过冷却孔进入火焰筒参与冷却过程，通过火焰筒头部的气流与燃油混合进行燃烧。外扩压器由八块扩压板组成，每块板进口中心与推拉杆相连，当头部流量需求减少时，齿轮旋转带动块、推拉杆和每块板沿径向向内移动，每块板之间重合部分增多，相反地当头部流量需求增多时，齿轮旋转带动块、推拉杆和每块板沿径向向外移动，每块板之间重合部分减少。使用步进电机驱动齿轮旋转，齿轮上带有轨道，轨道一周径向发生变化，所以齿轮旋转带动块产生径向位移，块带动推拉杆，推拉杆与外扩压器进口中心相连，所以当齿轮转动时外扩压器进口会沿径向移动，通过这种方式实现外扩压器进口径向位置的变化，从而使进气面积比例改变，进而改变流入内外环腔和火焰筒头部的空气量，使气流分配比例可调。

本发明采用的可变几何的燃烧室扩压器结构及应用，可以使进入环腔和火焰筒头部的进气比例具有可变性，通过调节外扩压器进口的径向位置使其满足不同大小工况的要求，同时对加工误差不敏感，并可以通过合理设计壁面造型，达到在最大的扩张比下流动不分离的同时使速度降低，静压提高，满足不同工况下的气动要求，为先进燃烧室的进一步发展奠定基础。

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)

1.一种可变几何的燃烧室扩压器结构，包括扩压器(1)、火焰筒(2)、机匣(3)和内外环腔(4)，气流从压气机流出后分别流入内外环腔(4)和火焰筒头部(16)，之后流入火焰筒(2)参与燃烧冷却和掺混；其特征在于：所述扩压器(1)包括内扩压器(5)和外扩压器(6)，外扩压器(6)包括外扩压器板、扩压器进口控制部分(8)和扩压器出口连接部分(9)；

所述外扩压器板由多块弧形扩压板(7)沿周向均布构成，相邻扩压板(7)的边缘相互重叠、并为间隙配合；所述扩压器进口控制部分(8)安装于外扩压器板的前端，通过调整各扩压板(7)前端的径向位置，实现外扩压器(6)进气口的内径变化；所述扩压板(7)的后端通过扩压器出口连接部分(9)沿周向铰接于火焰筒(2)的头部法兰板(17)外缘；

所述扩压器进口控制部分(8)包括推拉杆(10)、移动块(11)、齿轮(12)和轨道(13)；齿轮(12)为环形板结构，同轴设置于机匣(3)入口处的外围，其端面上设置有环形轨道(13)；轨道(13)周向各点的径向半径不同；多个推拉杆(10)沿周向均布，并与扩压板(7)一一对应，其一端通过移动块(11)与轨道(13)连接，另一端均沿径向穿过机匣(3)入口处的外机匣、并固定于扩压板(7)前端的中部；通过电机驱动齿轮(12)转动，由轨道(13)径向位置的变化带动移动块(11)产生径向位移，将旋转运动转为直线运动，进而通过推拉杆(10)带动扩压板(7)前端做径向运动，实现外扩压器(6)进气口的内径调节。

2.根据权利要求1所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述火焰筒(2)包括火焰筒头部(16)、头部法兰板(17)、内火焰筒(19)、外火焰筒(20)和冷却孔(21)；机匣(3)包括内机匣(22)和外机匣(23)；内外环腔(4)包括内环腔(24)和外环腔(25)，内机匣(22)和内火焰筒(19)之间的环形腔体为内环腔(24)，外机匣(23)和外火焰筒(20)之间的环形腔体为外环腔(25)；

所述头部法兰板(17)的外缘处沿周向均布多个键槽(18)，键槽(18)两侧槽壁均开有销孔，用于安装扩压器出口连接部分(9)。

3.根据权利要求2所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述扩压器出口连接部分(9)包括销钉(14)和键块(15)，键块(15)固定于扩压板(7)的后端中部，两个销钉(14)固定于键块(15)的相对两侧壁面上，分别插装于键槽(18)的销孔内；使得所述扩压板(7)的后端能够绕销钉(14)转动。

4.根据权利要求1所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述外扩压器板由八块扩压板(7)组成，每块板所占圆心角为60°，相邻两块扩压板(7)中点之间的角度为45°，相邻两块扩压板(7)重叠部分的径向距离为1mm。

5.根据权利要求1所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述外扩压器(6)适用于火焰筒头部(16)进气面积占燃烧室总进口面积比例的变化范围为30％～80％。

6.根据权利要求1所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述外扩压器(6)的壁面为直壁，内扩压器(5)的壁面为相切双圆弧。

7.根据权利要求1所述可变几何的燃烧室扩压器结构，其特征在于：所述内环腔(24)与外环腔(25)的进气比例为0.8～1.3。

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