CN115507391A - 一种陶瓷基火焰筒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷基火焰筒，包括火焰筒组件，其中，火焰筒组件包括外环、内环、内环外壁、连接部和外环外壁，然后外环外壁设置在外环外侧，且与外环固定连接；另外，连接部一端与外环外壁固定连接，内环外壁设置在内环外侧，且一端与连接部固定连接；而且内环一端设置有斜面、轴向安装面和径向安装面，其中，斜面与连接部连接，轴向安装面和径向安装面均与内环外壁连接。本发明通过使用连接部、内环和内环外壁之间的配合，使得火焰筒的内环沿轴向安装面、径向安装面和斜面径向安装，保持了陶瓷基火焰筒的内环在火焰筒回转中心线上的径向和轴向的自由度，避免高温环境下不同材料热膨胀系数差异大导致内环外壁与陶瓷基火焰筒的内环干涉。

Description

一种陶瓷基火焰筒

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种陶瓷基火焰筒。

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，当前国外涡轴发动机燃烧室的进口平均温度及温升已经分别达到800K和1100K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，在火焰筒的冷却效率一定的情况下，需要提高火焰筒材料的耐温能力；目前陶瓷基复合材料的耐温能力可比高温合金高出200℃以上，但陶瓷基复合材料的热膨胀系数与高温合金的差异较大，导致陶瓷基火焰筒存在安装、定位困难及漏气问题。

现有高温升燃烧室火焰筒使用的材料以高温合金为主，主要通过提高火焰筒冷却效率、增加火焰筒冷却气量及喷涂热障涂层的途径应对燃烧室温升增加带来的火焰筒冷却问题。少部分燃烧室火焰筒使用了整体或分体式陶瓷基复合材料火焰筒，火焰筒外环与内环为不同材料的混合使用高温合金与陶瓷基复合材料的火焰筒较少。因此现有技术中陶瓷基火焰筒存在火焰筒上的涡流器或喷嘴、点火电嘴座与燃烧室机匣热膨胀量不匹配导致的燃烧室性能改变、电嘴与电嘴座干涉问题，另外陶瓷基火焰筒出口与涡轮搭接处漏气问题影响发动机性能及可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种陶瓷基火焰筒，解决陶瓷基火焰筒材料热膨胀系数与高温合金燃烧室机匣及涡轮材料热膨胀系数不匹配带来的火焰筒安装、定位、密封设计问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基火焰筒，包括火焰筒组件；

所述火焰筒组件包括外环、内环、内环外壁、连接部和外环外壁；

所述外环外壁设置在外环外侧，且与外环固定连接；

所述连接部一端与外环外壁固定连接；

所述内环外壁设置在内环外侧，且一端与连接部固定连接；

所述内环一端设置有斜面、轴向安装面和径向安装面；

所述斜面与连接部连接，所述轴向安装面和径向安装面均与内环外壁连接；

所述轴向安装面与径向安装面的夹角为90°。

优选地，所述火焰筒组件外部设置有机匣，所述火焰筒组件和机匣均为回转体结构。

优选地，所述机匣包括外机匣和内机匣，所述外机匣和内机匣一端固定连接。

优选地，所述外机匣与外环外壁之间连接有点火电嘴，所述点火电嘴一端延伸至火焰筒组件内部。

优选地，所述外机匣与连接部之间连接有燃油喷嘴，所述燃油喷嘴的中心线与火焰筒组件的回转中心线的夹角大于30°。

优选地，所述内环外壁与连接部通过螺栓固定连接。

优选地，所述内机匣一端螺栓连接有涡轮导叶支撑架。

优选地，所述涡轮导叶支撑架远离内机匣的一端设置有配合面，所述配合面与内环连接。

优选地，所述配合面上还开设有密封槽，所述密封槽插设有密封舌片，所述密封舌片一端与内环外壁固定连接。

优选地，所述内环外壁上设置有支撑面，所述支撑面与密封舌片固定连接，所述内环外壁远离连接部的一端还依次设置有支撑段和连接段；

所述支撑段以支撑面和密封舌片的连接处为起点弯曲，朝向涡轮导叶支撑架；

所述连接段以支撑段的尾部为起点，插设在内机匣与涡轮导叶支撑架之间；

所述内机匣、连接端和涡轮导叶支撑架通过螺栓连接。

优选地，所述支撑面与火焰筒组件的回转中心线的夹角大于2°。

优选地，所述机匣、外环、内环外壁和外环外壁均采用高温合金，所述高温合金包括GH3536、GH3230、GH625或GH3044，所述内环采用陶瓷基材料。

优选地，所述外环远离连接部的一端固定连接有支撑壁，所述支撑壁一端与外机匣固定连接。

本发明的有益效果：

1、本发明通过使用连接部、内环和内环外壁之间的配合，使得火焰筒的内环沿轴向安装面、径向安装面和斜面径向安装，保持了陶瓷基火焰筒的内环在火焰筒回转中心线上的径向和轴向的自由度，避免高温环境下不同材料热膨胀系数差异大导致内环外壁与陶瓷基火焰筒的内环干涉；

2、本发明将与燃烧室机匣连接的燃油喷嘴、点火电嘴设置在火焰筒的外环，火焰筒外环使用膨胀系数与燃烧室机匣接近的高温合金材料，可实现良好的火焰筒安装、定位及密封；

3、本发明的内环使用陶瓷基材料，内环外壁使用高温合金材料，火焰筒的内环的密封、安装及定位靠内环外壁实现，火焰筒的内环被夹在火焰筒外环和内环外壁之间，使陶瓷基火焰筒的内环在发动机的径向和轴向均匀有自由度，自身只实现隔离火焰筒内高温燃气的功能，分离出安装定位、密封等功能，从而充分利用了陶瓷基复合材料耐高温能力，并解决了不同材料热膨胀系数差别大带来的火焰筒安装、漏气等难题；

4、本发明的火焰筒的陶瓷基部分，结构简单，适合于陶瓷基复合材料纤维编织、火焰筒结构成型等工艺。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1示出了本发明的一种陶瓷基火焰筒的剖面结构示意图；

图2示出了本发明的陶瓷基火焰筒的内环与内环外壁及连接部的连接结构剖面图；

图3示出了本发明的陶瓷基火焰筒的内环与内环外壁及涡轮导叶支撑架的连接结构剖面图。

图中：1、燃油喷嘴；2、点火电嘴；3、外机匣；4、外环；5、内机匣；6、内环；601、斜面；602、轴向安装面；603、径向安装面；7、内环外壁；701、支撑面；702、支撑段；703、连接段；8、连接部；9、外环外壁；901、隔套；10、密封舌片；11、涡轮导叶支撑架；1101、配合面；12、密封槽；13、支撑壁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种陶瓷基火焰筒，如图1所示，包括火焰筒组件和机匣，均为回转体结构，而且火焰筒组件为分体结构，安装在机匣内部，其中，火焰筒组件包括外环4、内环6、内环外壁7、连接部8和外环外壁9，外环外壁9设置在外环4外侧，且与外环4固定连接，连接部8一端与外环外壁9固定连接，内环外壁7设置在内环6外侧，且一端与连接部8固定连接。

另外，在图1中，设置在火焰筒组件外部的机匣包括外机匣3和内机匣5，外机匣3和内机匣5一端固定连接；其中，外机匣3与外环外壁9之间连接有点火电嘴2，点火电嘴2一端延伸至火焰筒组件内部，然后外机匣3与连接部8之间连接有燃油喷嘴1，燃油喷嘴1的中心线与火焰筒组件回转中心线的夹角(图1中的夹角A)大于30°，这样可以减小火焰筒的内环6与外环4的径向相对活动对燃烧室性能的影响。

需要说明的是在火焰筒组件的回转中心线与发动机轴重合，夹角A也指燃油喷嘴1的中心线与发动机轴线的夹角。

另外，在图1中，点火电嘴2周侧设置有隔套901，隔套901与外壁9固定连接，用来保护点火电嘴2，而且点火电嘴2延伸至外环4内部，隔套901是起密封作用，因为点火电嘴2与火焰筒外环4有加工偏差、热膨胀不同等影响，需要在外环4上开一个比点火电嘴2外径更大的孔，以便让电嘴伸进火焰筒实现点火，隔套901就是密封这个间隙，防止漏气。

需要说明的是，外机匣3与外环4均为高温合金材料，其热膨胀系数接近，热膨胀量差异不大，高温合金包括GH3536、GH3230、GH625或GH3044等。另外内环6使用陶瓷基材料，火焰内环外壁7和外环外壁9均使用高温合金材料。

如图2所示，内环外壁7与连接部8通过螺栓固定连接，内环6一端设置有斜面601、轴向安装面602和径向安装面603，斜面601与连接部8连接，轴向安装面602和径向安装面603均与内环外壁7连接，轴向安装面602与径向安装面603垂直，见图2中的夹角B为90°。

需要说明的是，内环外壁7与轴向安装面602和径向安装面603配合处也是相互垂直的面，然后轴向安装面602与内环外壁7相抵，径向安装面603则与内环外壁7之间留有间隙t，类似于间隙配合，其目的是保持内环6的在火焰筒组件径向的自由度，避免高温环境下不同材料热膨胀系数差异大导致内环外壁7与内环6干涉；另外，连接部8与内环外壁7连接处有开叉结构，其中开叉结构的左侧与内环外壁7螺栓连接，开叉结构的右侧与斜面601相抵，在图2中，开叉结构和内环外壁7之间会形成一个腔室结构，然后内环6通过斜面601、轴向安装面602和径向安装面603卡设在这个腔室结构中；连接部8的另一端则与外环外壁9搭接，而燃油喷嘴1设置在连接部8的中间位置。

进一步地，如图3所示，内机匣5一端螺栓连接有涡轮导叶支撑架11，然后涡轮导叶支撑架11远离内机匣5的一端与内环6固定连接，而且涡轮导叶支撑架11靠近内环6的一端设置有配合面1101，配合面1101与内环6一端抵接，而且配合面1101上开设有密封槽12，密封槽12插设有密封舌片10，这样可以良好的密封性，密封舌片10一端与内环外壁7固定连接；同时内环外壁7上设置有支撑面701，支撑面701与密封舌片10固定连接，内环外壁7远离连接部8的一端还依次设置有支撑段702和连接段703，而且支撑段702以支撑面701和密封舌片10的连接处为起点弯曲，朝向涡轮导叶支撑架11，另外连接段703以支撑段702的尾部为起点，插设在内机匣5与涡轮导叶支撑架11之间，然后内机匣5、支撑段703和涡轮导叶支撑架11通过螺栓连接。

需要说明的是，内环外壁7是一体式结构，支撑面701为朝向内环6的一面，然后连接段702主要用来抵住支撑面701和密封舌片10连接处，保持稳定，最后连接段703从图3中来看与涡轮导叶支撑架11的末端平行，使得内机匣5、连接段703和涡轮导叶支撑架11可以堆叠在一起，通过螺栓固定连接，另外配合面1101与内环6连接处相当于间隙配合，由于内环6的头部被斜面601和轴向安装面602夹住，随着温度升高，由于陶瓷基材料膨胀系数小，高温合金材料膨胀系数大，所以在火焰筒组件回转中心线的方向，内环6是自由的，不会与其他零件干涉。

本发明实现内环6与涡轮导叶支撑架11的连接和安装，并通过螺栓将二者固定，通过密封舌片10插入涡轮导叶支撑架11上的密封槽12实现火焰筒与涡轮导叶的密封。密封舌片10与支撑段702通过一个倾斜支撑面701连接为一体，为提高连接可靠性，支撑面701与火焰筒组件的回转中心线的夹角(图3中的夹角C)大于2°。

需要说明的是，夹角C也指发动机轴线与支撑面701的夹角，由于密封舌片10和支撑段702都是薄壁件，焊接容易变形，两件的温度差异较大，即使焊接上也容易产生裂纹、脱开等可靠性差的问题。本发明给出一个夹角C，使密封舌片10和支撑段702不发生轴向移动而产生漏气问题，且工艺简单。

进一步地，外环4远离连接部8的一端固定连接有支撑壁13，支撑壁13一端与外外机匣3固定连接。

需要说明的是，本发明在同一个火焰筒上混合使用常规高温合金材料和陶瓷基复合材料，将与燃烧室机匣连接的燃油喷嘴1、点火电嘴2设置在连接部8和外环4上，由于火焰筒外环4使用了膨胀系数与燃烧室机匣接近的高温合金材料，可实现良好的火焰筒安装、定位及密封；火焰筒的内环6使用陶瓷基材料，火焰筒的内环外壁7使用高温合金材料，火焰筒的内环6的密封、安装及定位靠内环外壁7实现，火焰筒的内环6被夹在火焰筒外环4和内环外壁7之间，陶瓷基火焰筒的内环6在发动机的径向和轴向均有自由度，自身只实现隔离火焰筒内高温燃气的功能，分离出安装定位、密封等功能，从而充分利用了陶瓷基复合材料耐高温能力，并解决了不同材料热膨胀系数差别大带来的火焰筒安装、漏气等难题。本发明目前进行过数值模拟分析和陶瓷基材料工艺试样的试验验证，数值模拟分析结果表明燃烧室温升超过1200K，陶瓷基材料耐温能力达到1473K。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，包括火焰筒组件；

所述火焰筒组件包括外环(4)、内环(6)、内环外壁(7)、连接部(8)和外环外壁(9)；

所述外环外壁(9)设置在外环(4)外侧，且与外环(4)固定连接；

所述连接部(8)一端与外环外壁(9)固定连接；

所述内环外壁(7)设置在内环(6)外侧，且一端与连接部(8)固定连接；

所述内环(6)一端设置有斜面(601)、轴向安装面(602)和径向安装面(603)；

所述斜面(601)与连接部(8)连接，所述轴向安装面(602)和径向安装面(603)均与内环外壁(7)连接；

所述轴向安装面(602)与径向安装面(603)的夹角为90°。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述火焰筒组件外部设置有机匣，所述火焰筒组件和机匣均为回转体结构。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述机匣包括外机匣(3)和内机匣(5)，所述外机匣(3)和内机匣(5)一端固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述外机匣(3)与外环外壁(9)之间连接有点火电嘴(2)，所述点火电嘴(2)一端延伸至火焰筒组件内部。

5.根据权利要求3所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述外机匣(3)与连接部(8)之间连接有燃油喷嘴(1)，所述燃油喷嘴(1)的中心线与火焰筒组件的回转中心线的夹角大于30°。

6.根据权利要求2所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述内环外壁(7)与连接部(8)通过螺栓固定连接。

7.根据权利要求3所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述内机匣(5)一端螺栓连接有涡轮导叶支撑架(11)。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述涡轮导叶支撑架(11)远离内机匣(5)的一端设置有配合面(1101)，所述配合面(1101)与内环(6)连接。

9.根据权利要求8所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述配合面(1101)上还开设有密封槽(12)，所述密封槽(12)插设有密封舌片(10)，所述密封舌片(10)一端与内环外壁(7)固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述内环外壁(7)上设置有支撑面(701)，所述支撑面(701)与密封舌片(10)固定连接，所述内环外壁(7)远离连接部(8)的一端还依次设置有支撑段(702)和连接段(703)；

所述支撑段(702)以支撑面(701)和密封舌片(10)的连接处为起点弯曲，朝向涡轮导叶支撑架(11)；

所述连接段(703)以支撑段(702)的尾部为起点，插设在内机匣(5)与涡轮导叶支撑架(11)之间；

所述内机匣(5)、连接端(703)和涡轮导叶支撑架(11)通过螺栓连接。

11.根据权利要求10所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述支撑面(701)与火焰筒组件的回转中心线的夹角大于2°。

12.根据权利要求2-11任一项所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述机匣、外环(4)、内环外壁(7)和外环外壁(9)均采用高温合金，所述高温合金包括GH3536、GH3230、GH625或GH3044，所述内环(6)采用陶瓷基材料。

13.根据权利要求3所述的一种陶瓷基火焰筒，其特征在于，所述外环(4)远离连接部(8)的一端固定连接有支撑壁(13)，所述支撑壁(13)一端与外机匣(3)固定连接。

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