CN115127125A - 耐沙尘燃烧室火焰筒及含其的燃烧室、发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐沙尘燃烧室火焰筒，火焰筒为单层壁结构，所述火焰筒包括内环筒和外环筒，所述内环筒和外环筒上均设有若干排冷却孔，所述冷却孔的进口处设有能将冷却孔包覆在其内的导流舌片，所述导流舌片与火焰筒壁面围合构成腔体，该腔体靠近空气进气一端为密封结构，远离空气进气一端设有进气口或进气孔，所述内环筒和外环筒的筒壁上还均设有位于靠近燃油喷嘴端的冲击孔、位于火焰筒中部筒壁的主燃孔和位于靠近涡轮导叶端的掺混孔，所述冲击孔的孔径为0.6～2mm；本发明还公开了包括上述火焰筒的燃烧室及发动机。本发明可以解决现有的单层壁火焰筒容易发生冷却孔堵塞的技术问题。

Description

耐沙尘燃烧室火焰筒及含其的燃烧室、发动机

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室技术领域，特别地，涉及一种耐沙尘燃烧室火焰筒。此外，本发明还涉及一种包括上述耐沙尘燃烧室火焰筒的燃烧室、发动机。

背景技术

随着航空发动机技术的进步，发动机燃烧室的循环参数、设计指标越来越高，当前涡轴发动机燃烧室的进口平均温度和压力已经达到800K和2.4MPa左右，燃烧室设计寿命要求达到几千小时，未来要求将会更高。燃烧室循环参数提高导致火焰筒受到的气动热力负荷增加，火焰筒冷却日益困难，火焰筒易出现变形、裂纹等，影响燃烧室的寿命及可靠性，需要提高火焰筒的冷却效率。而我国幅员辽阔、自然环境复杂，涡轴发动机高温升燃烧室火焰筒冷却孔尺寸小，在沙漠、近地面等沙尘环境中工作面临沙尘附着或堵塞火焰筒冷却孔问题。

为了提高发动机燃烧室火焰筒的耐沙尘能力，现有做法一般从以下两个方法着手：一方面在发动机进口安装粒子分离器分离沙尘，但该种方法无法完全分离沙尘，仍然会有少量，特别是细颗粒沙尘会通过压气机进入燃烧室，随着发动机使用时间的增加，火焰筒壁面及冷却孔存在沙尘附着、积累和冷却孔堵塞问题；另一方面，通过扩大冷却孔孔径来降低冷却孔堵塞的概率，但对于高温升燃烧室火焰筒，扩大冷却孔的孔径不利于火焰筒冷却，一些沙尘中夹杂的金属混合物等复杂成分颗粒更易附着在火焰筒高温壁面上，也会引起火焰筒冷却孔堵塞。

现有的发动机燃烧室内的火焰筒一般包括单层壁火焰筒和双层壁火焰筒，对于单层壁火焰筒，一般通过扩大冷却孔孔径的办法，其存在的缺点是降低了火焰筒的冷却效率，限制了燃烧室温升的提高，同时，火焰筒壁温高也增加了沙尘在火焰筒壁面上附着的概率；而对于双层壁结构火焰筒，其缺点是沙尘容易滞留在双层壁之间的腔体内，随着发动机使用时间的增加，滞留的沙尘会堵塞冷却孔。

发明内容

本发明提供了一种耐沙尘燃烧室火焰筒及含其的燃烧室、发动机，以解决现有的单层壁火焰筒容易发生冷却孔堵塞的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种耐沙尘燃烧室火焰筒，用于设置在燃烧室机匣内，燃烧室机匣内设有朝向火焰筒方向通入空气的扩压器，所述火焰筒为单层壁结构，火焰筒的进口端连接有燃油喷嘴，火焰筒的出口端用于与涡轮导叶连通，火焰筒的筒壁连通有点火电嘴，其特征在于：

所述火焰筒包括内环筒和外环筒，所述内环筒和外环筒上均设有若干排冷却孔，所述冷却孔的进口处设有能将冷却孔包覆在其内的导流舌片，

所述导流舌片与火焰筒壁面围合构成腔体，该腔体靠近空气进气一端为密封结构，远离空气进气一端设有进气口或进气孔，

所述内环筒和外环筒的筒壁上还均设有位于靠近燃油喷嘴端的冲击孔、位于火焰筒中部筒壁的主燃孔和位于靠近涡轮导叶端的掺混孔，所述冲击孔的孔径为0.6～2mm。

进一步地，所述冷却孔为发散冷却孔和/或异形冷却孔。

进一步地，所述主燃孔的两侧均设有至少一排冷却孔。

进一步地，所述冷却孔处于所述导流舌片的包覆区域内，一个所述导流舌片内所包覆冷却孔的排数为2～5排，每排冷却孔的数量若干个。

进一步地，所述导流舌片与火焰筒壁面形成的腔体的舌片内腔高D为1.5～4mm。

进一步地，所述导流舌片的内侧面为平面型结构、弧面型结构、曲面型结构的一种。

进一步地，所述燃油喷嘴与火焰筒的连接处的火焰筒外侧设有涡流器，所述涡流器包括一级涡流器和二级涡流器。

进一步地，所述燃油喷嘴与火焰筒的连接处的火焰筒内侧的火焰筒内设有导流板，所述导流板截面形状为“S”型，导流板的两端部分别保证从燃油喷嘴、冲击孔进入到火焰筒内的空气沿着火焰筒的侧壁流动。

据本发明的另一方面，还提供了一种燃烧室，包括上述所述的耐沙尘燃烧室火焰筒、燃烧室机匣，所述火焰筒的进口端连接有燃油喷嘴，火焰筒的出口端与涡轮导叶连通，火焰筒的筒壁连通有点火电嘴，燃烧室机匣处于火焰筒的进口端的部位还设有用于向燃烧室机匣内通入空气的扩压器，所述扩压器通过支板与燃烧室机匣连接用于支撑扩压器，所述涡轮导叶设置在涡轮机匣内。

根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机，包括上述所述的燃烧室，或包括上述所述的耐沙尘燃烧室火焰筒。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在采用发散冷却或异形孔冷却的单层壁火焰筒结构的基础上，对应若干排冷却孔进口处设置导流舌片，利用沙尘和空气流动惯性差异大的特性在导流舌片处将沙尘分离，大幅降低沙尘进入冷却孔的概率，达到提高火焰筒冷却孔耐沙尘堵塞能力的目的；

(2)本发明的导流舌片与火焰筒壁面构成一个狭小腔体，进而提高腔体内气流速度和换热系数，有利于提高火焰筒的冷却效率，火焰筒的壁面温度降低，可沙尘在火焰筒壁面上附着的概率，即可减少沙尘堵塞冷却孔的几率，又利于延长火焰筒的使用寿命；

(3)本发明的导流舌片表面温度大幅低于冷却孔处火焰筒壁面温度，可降低沙尘附着在导流舌片上，也可达到提高火焰筒冷却孔耐沙尘堵塞能力的目的；

(4)本发明的冲击孔、主燃孔和掺混孔可辅助冷却孔使用，在扩压器的作用下，气流进入到燃烧室机匣内，此时火焰筒的内外壁面上均可形成用于冷却的气膜，可实现火焰筒较好的冷却效果，虽然冲击孔、主燃孔和掺混孔中会有沙尘进入，但是由于冲击孔、主燃孔和掺混孔的孔径较大，不易出现堵塞现象，而冷却孔虽然孔径较小，但是由于其外部设置有导流舌片，从冷却孔中进入的沙尘很少，也不会出现堵塞冷却孔的想象，而在气流的推动作用下，进入到火焰筒内的沙尘会最终经涡轮导叶排出，也不存在沙尘在火焰筒壁面及冷却孔内堆积的现象，火焰筒长时间使用后，其冷却孔耐沙尘堵塞能力也不会降低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的耐沙尘燃烧室火焰筒的结构剖视图；

图2是本发明优选实施例的火焰筒冷却气流动原理局部放大图；

图3是本发明优选实施例的导流舌片三种结构及与火焰筒相对位置关系示意图；

图4是本发明优选实施例的耐沙尘燃烧室的结构剖视图。

图例说明：

1、火焰筒；11、内环筒；12、外环筒；13、冷却孔；14、导流舌片；15、冲击孔；16、主燃孔；17、掺混孔；2、燃烧室机匣；3、点火电嘴；4、涡轮导叶；41、涡轮机匣；5、燃油喷嘴；6、扩压器；61、支板；7、涡流器；71、一级涡流器；72、二级涡流器；8、导流板；9、燃烧室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如附图1-4所示，一种耐沙尘燃烧室火焰筒，用于设置在燃烧室机匣2内，燃烧室机匣2内设有朝向火焰筒1方向通入空气的扩压器6，火焰筒1为单层壁结构，火焰筒1的进口端连接有燃油喷嘴5，火焰筒1的出口端用于与涡轮导叶4连通，火焰筒1的筒壁连通有点火电嘴3，

火焰筒1为圆环形结构，火焰筒1包括内环筒11和外环筒12，内环筒11和外环筒12对称设置，内环筒11和外环筒12可以是整体式结构，也可以分体式结构经焊接等方式紧密连接的结构，内环筒11和外环筒12上均设有若干排冷却孔13，冷却孔13以排为单位均匀设置在火焰筒1的侧壁上，冷却孔13的进口处设有能将冷却孔13包覆在其内的导流舌片14，

导流舌片14与火焰筒1壁面围合构成腔体，该腔体靠近空气进气一端为密封结构，远离空气进气一端设有进气口或进气孔，进气口或进气孔的设计尺寸及样式可以根据实际需求进行合理设置，

内环筒11和外环筒12的筒壁上还均设有位于靠近燃油喷嘴端的冲击孔15、位于火焰筒中部筒壁的主燃孔16和位于靠近涡轮导叶4端的掺混孔17，冲击孔15的孔径为0.6～2mm，具体尺寸根据具体设计需要进行合理选择，内环筒11和外环筒12上的冲击孔15均至少为两排若干个，，具体个数根据实际设计情况进行合理设置。主燃孔16、掺混孔17一般孔径都大于1mm，而沙尘颗粒的尺寸一般小于0.5mm，因此，虽然冲击孔15、主燃孔16、掺混孔17均会夹杂沙尘，但是不易出现堵孔现象。

本实施例的耐沙尘燃烧室火焰筒在采用发散冷却或异形孔冷却的单层壁火焰筒结构的基础上，对应若干排冷却孔13进口处设置导流舌片14，利用沙尘和空气流动惯性差异大的特性在导流舌片14处将沙尘分离，大幅降低沙尘进入冷却孔13的概率，达到提高冷却孔13耐沙尘堵塞能力的目的；导流舌片14与火焰筒1壁面构成一个狭小腔体，进而提高腔体内气流速度和换热系数，有利于提高火焰筒1的冷却效率，火焰筒1的壁面温度降低，可沙尘在火焰筒1壁面上附着的概率，即可减少沙尘堵塞冷却孔13的几率，又利于延长火焰筒1的使用寿命；导流舌片14表面温度大幅低于冷却孔13处火焰筒1壁面温度，可降低沙尘附着在导流舌片14上，也可达到提高1冷却孔13耐沙尘堵塞能力的目的。

本实施例中的冲击孔15、主燃孔16和掺混孔17可辅助冷却孔13使用，在扩压器5的作用下，气流进入到燃烧室机匣2内，此时火焰筒1的内外壁面上均可形成用于冷却的气膜，可实现火焰筒1较好的冷却效果，虽然冲击孔15、主燃孔16和掺混孔17中会有沙尘进入，但是由于冲击孔15、主燃孔16和掺混孔17的孔径较大，不易出现堵塞现象，而冷却孔13虽然孔径较小，但是由于其外部设置有导流舌片14，从冷却孔13中进入的沙尘很少，也不会出现堵塞冷却孔13的想象，而在气流的推动作用下，进入到火焰筒1内的沙尘会最终经涡轮导叶3排出，也不存在沙尘在火焰筒1壁面及冷却孔13内堆积的现象，火焰筒1长时间使用后，其冷却孔13耐沙尘堵塞能力也不会降低。本实施例中，冷却孔13为发散冷却孔，在其他实施例中也可以是异形冷却孔或发散冷却孔与异形冷却孔的结合。

本实施例中，主燃孔16的两侧均设有至少一排冷却孔13，既可避免冷却孔13的集中设置带来的冷却不均匀现象，又可保证温度较高处(一般主燃孔16处的温度相对较高)的周围设置的冷却孔13的数量较多，可进一步提高整个火焰筒1的冷却均匀性。

本实施例中，导流舌片14与火焰筒1壁面形成的腔体的舌片内腔高D为1.5～4mm，导流舌片14与火焰筒1壁面形成的腔体的内腔高D小于1.5mm时会引起导流舌片14与火焰筒1壁面所形成的通道内空气拥塞，降低气流进入冷却孔13中的概率，不利于冷却过程的正常进行，大于4mm会引起导流舌片14内通道空气流动速度较低，不利于快速降低火焰筒1壁温。

本实施例中如图3所示，冷却孔13处于所述导流舌片14的包覆区域内，一个导流舌片14内所包覆冷却孔13的排数最优为三排，每排中冷却孔13的个数若干个，具体个数根据实际设计情况进行合理设置，导流舌片14内所包覆冷却孔13的排数不能太多，太多的话会导致气流在导流舌片14与火焰筒1壁面形成的腔体内滞留时间太长，导流舌片14内所包覆冷却孔13的个数也不能太少，太少的话会导致导流舌片14的个数较多，不仅会增加制作成本，还会导致导流舌片14因过于密集而导致火焰筒1的冷却效果受到不良影响。导流舌片14的内侧面为平面型结构(如图3(a)所示)、弧面型结构(如图3(b)所示)、曲面型结构(如图3(c)所示)的一种，防沙尘效果最好的是导流舌片14为平面型结构，但是另两种导流舌片14结构也同样具有防沙尘效果，无论哪种结构的导流舌片14，均要保证导流舌片14与火焰筒1壁面形成的腔体的舌片内腔高D在1.5～4mm范围内，导流舌片14的开口方向与二股通道近壁气流的流动方向一致，只有这样才能保证导流舌片14具有防沙尘效果。

本实施例中，燃油喷嘴5与火焰筒1的连接处的火焰筒1外侧设有涡流器7，涡流器7包括一级涡流器71和二级涡流器72。

本实施例中如附图2所示，压气机的来流空气从扩压器6经过降速扩压后进入燃烧室机匣2内，分流为外二股气流和内二股气流。外二股气流沿火焰筒1外环筒12分别通过头部的冲击孔15、外环的主燃孔16、外环的掺混孔17、发散冷却孔13进入火焰筒1；内二股气流沿火焰筒1内环筒11分别通过涡流器上的一级涡流器71和二级涡流器72、头部冲击孔15、内环的主燃孔16、内环的掺混孔17、发散冷却孔13进入火焰筒1。

如附图1、2所示，内二股气流沿火焰筒1内环壁面流动，部分通过头部的冲击孔15进入火焰筒1，在火焰筒1发散壁形成内环起始气膜，部分内二股气流形成二股通道近壁气流。二股通道近壁气流在导流舌片14开口舌边位置附近分流为三股气流，一股气流回转180°，在惯性力的作用下，仅夹杂很少量的沙尘颗粒进入导流舌片14与火焰筒发散壁形成的腔体后再通过发散冷却孔13进入火焰筒1，在火焰筒1发散壁表面形成火焰筒冷却气膜；第二股气流偏转90°，在惯性力的作用下，会夹杂少量沙尘颗粒通过内环的主燃孔16进入火焰筒1形成内环主燃孔射流，由于主燃孔16孔径远大于沙尘颗粒，不会产生火焰筒堵孔；第三股气流在惯性力作用下，会夹杂较多沙尘颗粒或复杂成分混合物，形成富含沙尘颗粒气流继续朝前流动，并与周围气流混合形成下游二股气流，大幅减少了沙尘颗粒或复杂成分混合物堵塞冷却孔13。同时，整个火焰筒1大部分区域被导流舌片14保护，且导流舌片14表面温度较低，沙尘也不易附着在火焰筒1表面。外二股气流的流动过程与内二股气流的流动过程呈对称流动的形式。

本实施例中，燃油喷嘴5与火焰筒1的连接处的火焰筒1内侧的火焰筒1内设有导流板8，导流板8的截面形状为“S”型结构，在其他实施例中也可以是其他形状结构的导流板，只要可以实现导流并与冲击孔形成冲击冷却功能即可，导流板8的两端部分别保证从燃油喷嘴5、冲击孔15进入到火焰筒1内的空气沿着火焰筒1的侧壁流动。

如附图4所示，本实施例还提供了一种燃烧室9，包括上述所述的耐沙尘燃烧室火焰筒1、燃烧室机匣2，火焰筒1设置在燃烧室机匣2内，火焰筒1的进口端连接有燃油喷嘴5，火焰筒1的出口端与涡轮导叶4连通，火焰筒1的筒壁连通有点火电嘴3，燃烧室机匣2处于火焰筒1的进口端的部位还设有用于向燃烧室机匣2内通入空气的扩压器6，扩压器6通过支板61与燃烧室机匣2连接用于支撑扩压器6，涡轮导叶4设置在涡轮机匣41内。

本实施例中的燃烧室9采用单环腔结构，主要由扩压器6、燃烧室机匣2、支板61和涡轮机匣41构成了燃烧室9的外轮廓，并与涡轮导叶4连接，火焰筒1设置在外轮廓内部。

本实施例还提供了一种发动机，包括上述的燃烧室9，或包括上述的耐沙尘燃烧室火焰筒1。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐沙尘燃烧室火焰筒，用于设置在燃烧室机匣(2)内，燃烧室机匣(2)内设有朝向火焰筒(1)方向通入空气的扩压器(6)，所述火焰筒(1)为单层壁结构，火焰筒(1)的进口端连接有燃油喷嘴(5)，火焰筒(1)的出口端用于与涡轮导叶(4)连通，火焰筒(1)的筒壁连通有点火电嘴(3)，其特征在于：

所述火焰筒(1)包括内环筒(11)和外环筒(12)，所述内环筒(11)和外环筒(12)上均设有若干排冷却孔(13)，所述冷却孔(13)的进口处设有能将冷却孔(13)包覆在其内的导流舌片(14)，

所述导流舌片(14)与火焰筒壁面围合构成腔体，该腔体靠近空气进气一端为密封结构，远离空气进气一端设有进气口或进气孔，

所述内环筒(11)和外环筒(12)的筒壁上还均设有位于靠近燃油喷嘴(5)端的冲击孔(15)、位于火焰筒(1)中部筒壁的主燃孔(16)和位于靠近涡轮导叶(4)端的掺混孔(17)，所述冲击孔(15)的孔径为0.6～2mm。

2.根据权利要求1所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述冷却孔(13)为发散冷却孔和/或异形冷却孔。

3.根据权利要求1所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述主燃孔(16)的两侧均设有至少一排冷却孔(13)。

4.根据权利要求1所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述冷却孔(13)处于所述导流舌片(14)的包覆区域内，一个所述导流舌片(14)内所包覆冷却孔(13)的排数为2～5排。

5.根据权利要求1所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述导流舌片(14)与火焰筒(1)壁面形成的腔体的舌片内腔高D为1.5～4mm。

6.根据权利要求5所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述导流舌片(14)的内侧面为平面型结构、弧面型结构、曲面型结构的一种。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述燃油喷嘴(5)与火焰筒(1)的连接处的火焰筒(1)外侧设有涡流器(7)，所述涡流器(7)包括一级涡流器(71)和二级涡流器(72)。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的耐沙尘燃烧室火焰筒，其特征在于：所述燃油喷嘴(5)与火焰筒(1)的连接处的火焰筒(1)内侧的设有导流板(8)，所述导流板(8)的截面形状为“S”型，导流板(8)的两端部分别保证从燃油喷嘴(5)、冲击孔(15)进入到火焰筒(1)内的空气沿着火焰筒(1)的侧壁流动。

9.一种燃烧室，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的耐沙尘燃烧室火焰筒(1)、燃烧室机匣(2)，所述火焰筒(1)设置在燃烧室机匣(2)内，火焰筒(1)的进口端连接有燃油喷嘴(5)，火焰筒(1)的出口端与涡轮导叶(4)连通，火焰筒(1)的筒壁连通有点火电嘴(3)，燃烧室机匣(2)处于火焰筒(1)的进口端的部位还设有用于向燃烧室机匣(2)内通入空气的扩压器(6)，所述扩压器(6)通过支板(61)与燃烧室机匣(2)连接用于支撑扩压器(6)，所述涡轮导叶(4)设置在涡轮机匣(41)内。

10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求9所述的燃烧室(9)，或包括权利要求1-8中任一项所述的耐沙尘燃烧室火焰筒(1)。

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