CN202203988U - 涡轴发动机的回流燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种涡轴发动机的回流燃烧室，其在直管段火焰筒壁面采用冲击+发散冷却结构，充分利用此冷却结构壁面温度梯度小的优点，使得燃烧室壁面温度保持均匀；而在弯曲段火焰筒壁面采用冲击+同向对流+气膜冷却结构，充分利用冷却气流对燃烧室弯曲壁面的冲击冷却强化换热作用以及冷却气膜对高温燃气的阻隔作用，达到对壁面的冷却；在直管段和弯曲段的交汇处，两种冷却结构自然过度，使得此区域的温度变化不大，温度分布均匀。因此：本实用新型针对回流燃烧室不同部位流动与换热特性的特点，对涡轴发动机回流燃烧室壁面不同部位采用不同的复合冷却结构，从而获得回流燃烧室壁面最佳的冷却效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种涡轴发动机的回流燃烧室，尤其是一种火焰筒冷却效果得到极大改善的涡轴发动机的回流燃烧室。
背景技术
回流燃烧室是涡轴发动机的重要组成部分。一般而言，回流燃烧室主要由扩压器、壳体、火焰筒、燃油喷嘴以及点火器等组成。其主要功能就是通过燃油与空气的充分混合燃烧，产生高温高压的燃气来推动涡轮做功，从而达到产生轴功的目的。在回流燃烧室中，火焰筒作为最重要的构件，是组织燃烧的场所，它由火焰筒体和涡流器等部分组成。涡轴发动机回流燃烧室火焰筒由于主燃区容积小，热辐射对火焰筒壁面的影响大，且进口气流速度和二股通道流速低，对流冷却效果差，单位轴向长度的温差很大，容易产生变形和裂纹，特别是在火焰筒的弯曲段，不仅受到高温气体的辐射加热，同时由于气流对弯曲段壁面强烈地冲刷使得此处燃气与壁面的对流换热异常强烈，因此可以说对于回流燃烧室而言，如何能够对火焰筒壁面有效冷却是一个十分棘手的问题，是制约涡轴发动机的一项关键技术。
目前，回流燃烧室火焰筒壁面的冷却结构主要是纯气膜冷却结构。其有以下不足：（1）由于冷却效果差使得火焰筒燃烧效率低，燃烧室出口温度低；（2）冷却空气流量大，导致参与燃烧的空气量少，使得燃烧不充分，燃烧温度低，污染严重；（3）冷却效果差，导致火焰筒壁面温度过高，壁面温度梯度大，容易造成火焰筒断裂，使用寿命减少。为了进一步提高回流燃烧室火焰筒的壁面冷却效果，国外的研究人员开发了多种冷却方式，并申请了一些专利，其核心思想和采取的措施均是围绕提高回流燃烧室内壁气膜的均匀性开展的。例如：技术（文献1）提出了在回流燃烧室火焰筒壁面直管段和弯曲段均采用纯发散冷却结构，使得在回流燃烧室直管段和弯曲段壁面均能够形成均匀的气膜，从而可以有效降低燃烧室壁面温度。但该技术的冷却效果不高，尤其是在弯曲段由于内壁面受到高温气流的冲刷而使得气膜不够稳定均匀，造成弯曲段壁面温度过高。技术2（美国专利US7451600B2）对回流燃烧室火焰筒头部的冷却结构进行了改进，优化了火焰筒头部发散孔的结构及布置方式，从而提高了对火焰筒头部的冷却。但该技术仅是从提高回流燃烧室头部的冷却效果而言，并未对火焰筒整体的冷却结构形式进行改进。技术3（美国专利US7624577B2）针对采用全发散冷却结构的回流燃烧室火焰筒掺混孔处的发散孔进行了优化，提高了掺混孔附近发散孔气流的流量，从而有效降低了掺混孔周围燃烧室壁面的温度。但该结构也是仅对于回流燃烧室发散冷却结构的局部进行了改进。技术4（美国专利US7509809B2）对回流燃烧室主燃区火焰筒发散冷却结构进行了优化，提高了主燃区发散冷却空气量，从而有效降低了主燃区的壁面温度。但该结构也是仅对发散冷却结构的回流燃烧室局部进行了改进。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供一种涡轴发动机的回流燃烧室，其在直管段火焰筒壁面采用冲击+发散冷却结构，充分利用此冷却结构壁面温度梯度小的优点，使得燃烧室壁面温度保持均匀；而在弯曲段火焰筒壁面采用冲击+同向对流+气膜冷却结构，充分利用冷却气流对燃烧室弯曲壁面的冲击冷却强化换热作用，达到对壁面的冷却；在直管段和弯曲段的交汇处，两种冷却结构自然过度，使得此区域的温度变化不大，温度分布均匀。因此：本实用新型针对回流燃烧室不同部位流动与换热特性的特点，对涡轴发动机回流燃烧室壁面不同部位采用不同的复合冷却结构，从而获得回流燃烧室壁面最佳的冷却效果。
为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案：
一种涡轴发动机的回流燃烧室，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于输送冷却空气的进气口，所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁连接的直管段发散孔内壁；所述直管段冲击壁与直管段发散孔内壁通过联结隔板的连接以形成直管段冲击腔，而弯曲段冲击壁则与弯曲段火焰筒内壁通过两个以上的联结隔板的连接以对应地形成一个以上的弯曲段冲击腔；所述直管段冲击壁上开设直管段冲击孔，而直管段发散孔内壁上则开设发散孔；每一个弯曲段冲击腔相对应的弯曲段冲击壁上开设一组弯曲段壁面冲击孔，而每一块联结隔板上贯通地开设气膜孔，气膜孔的一端与弯曲段冲击腔或者直管段冲击腔连通，另一端则与火焰筒的气膜狭缝连通，气膜孔中心线与火焰筒舌片壁面呈300夹角；另外，所述火焰筒内壁与联结隔板的连接端部延伸以形成舌片。
所述直管段发散孔呈正菱形分布；所述直管段冲击孔在直管段火焰筒内壁投影的中心恰与由直管段发散孔组成的正菱形的中心重合。
所述直管段冲击孔为三排。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
直管段火焰筒壁面承受强烈的发光火焰辐射加热以及高温燃气对壁面的对流换热，此区域壁面所受热流密度分布极不均匀，壁面承受很大的热应力，为了解决这个难题，本实用新型在直管段火焰筒壁面采用冲击+发散冷却结构，充分利用此冷却结构壁面温度梯度小的优点，使得燃烧室壁面温度保持均匀；在弯曲段，火焰筒内部承受高温燃气强烈的冲刷，燃气与壁面间的对流换热极为强烈。为此，本实用新型在弯曲段采用冲击+同向对流+气膜冷却结构，充分利用冷却气流对燃烧室弯曲壁面的冲击冷却强化换热作用，达到对壁面的冷却。在直管段和弯曲段的交汇处，两种冷却结构自然过度，使得此区域的温度变化不大，温度分布均匀。该回流燃烧室冷却结构的具体工作过程为：对于直管段冲击+发散冷却结构，冷却气流首先由位于冲击孔板上的冲击孔进入冲击腔，在火焰筒内壁面的冷侧形成冲击射流，对冷却壁面进行强化换热冷却壁面，然后冷却空气进入位于火焰筒内壁面上的发散小孔，并在其内部形成对流换热，随后由发散小孔流出，在火焰筒内壁面燃气侧形成稳定的气膜层。对于弯曲段冲击+同向对流+气膜冷却结构，冷却空气首先由冲击孔进入冲击腔，并在火焰筒内壁面冷侧形成冲击射流对壁面进行强化对流换热，然后冷却气流沿着高温燃气的流动方向在冲击腔中流动，并与火焰筒内壁面进行对流换热，随后由位于火焰筒内壁面上的气膜孔流入到气膜狭缝，在舌片的作用下在火焰筒燃气侧壁面形成气膜层。
综上所述，本实用新型根据回流燃烧室火焰筒内部燃气与壁面间流动与换热特点，充分利用了冲击+发散冷却结构以及冲击+同向对流+气膜冷却结构的流动与换热优势，因而可以有效减低火焰筒内壁面的温度分布以及温度梯度，对提高火焰筒使用寿命有明显的效果。该实用新型的优点在于：（1）火焰筒温度梯度小，壁面温度低；（2）冷却效率高，冷却空气量少；（3）冷却空气流动损失小；（4）结构简单，易于实现。
附图说明
图1是先进冷却结构回流燃烧室结构图。
图2是本实用新型所述回流燃烧室直管段冲击-发散冷却结构展开示意图。
图3是本实用新型所述回流燃烧室弯曲段冲击+同向对流+气膜冷却结构展开示意图。
以上图中，（1）喷油嘴；（2）涡流器；（3）燃烧室壳体；（4）直管段冲击壁；（5）火焰筒直管段冲击孔；（6）火焰筒直管段发散孔内壁；（7）发散孔；（8）气膜孔；（9）舌片；（10）弯曲段壁面冲击孔；（11）弯曲段火焰筒内壁；(12)弯曲段冲击壁；（13）直管段冲击腔；（14）气膜狭缝；（15）腔体；（16）弯曲段冲击壁。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
如图1至3所示：本实用新型所述涡轴发动机的回流燃烧室，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于输送冷却空气的进气口，所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁连接的直管段发散孔内壁；所述直管段冲击壁与直管段发散孔内壁通过联结隔板的连接以形成直管段冲击腔，而弯曲段冲击壁则与弯曲段火焰筒内壁通过两个以上的联结隔板的连接以对应地形成一个以上的弯曲段冲击腔；所述直管段冲击壁上开设直管段冲击孔，而直管段发散孔内壁上则开设发散孔；每一个弯曲段冲击腔相对应的弯曲段冲击壁上开设一组弯曲段壁面冲击孔，而每一块联结隔板上贯通地开设气膜孔，气膜孔的一端与弯曲段冲击腔或者直管段冲击腔连通，另一端则与火焰筒气膜狭缝连通，气膜孔中心线与火焰筒舌片壁面呈300夹角；另外，所述火焰筒内壁与联结隔板的连接端部延伸以形成舌片。
如图2所示，其公开了本实用新型所述回流燃烧室直管段冲击-发散冷却结构展开示意图，图中，所述直管段发散孔呈正菱形分布；所述直管段冲击孔在直管段火焰筒内壁投影的中心恰与由直管段发散孔组成的正菱形的中心重合。即位于火焰筒内壁上的发散孔呈正菱形排布，而位于冲击壁上的冲击孔居于六个发散孔的中间。
如图3所示，其公开了本实用新型所述回流燃烧室弯曲段冲击+同向对流+气膜冷却结构展开示意图，其中：所述直管段冲击孔为三排。即在弯曲段冲击壁上布置有3排冲击孔，位于弯曲段内壁上的气膜孔采用总压进气方式，气膜孔中心线与火焰筒舌片壁面呈300夹角。在火焰筒出口采用纯气膜冷却方式。
Claims (3)
1.一种涡轴发动机的回流燃烧室，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于输送冷却空气的进气口，其特征在于：所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁连接的直管段发散孔内壁；所述直管段冲击壁与直管段发散孔内壁通过联结隔板的连接以形成直管段冲击腔，而弯曲段冲击壁则与弯曲段火焰筒内壁通过两个以上的联结隔板的连接以对应地形成一个以上的弯曲段冲击腔；所述直管段冲击壁上开设直管段冲击孔，而直管段发散孔内壁上则开设发散孔；每一个弯曲段冲击腔相对应的弯曲段冲击壁上开设一组弯曲段壁面冲击孔，而每一块联结隔板上贯通地开设气膜孔，气膜孔的一端与弯曲段冲击腔或者直管段冲击腔连通，另一端则与火焰筒的内腔连通，气膜孔中心线与火焰筒舌片壁面呈300夹角；另外，所述火焰筒内壁与联结隔板的连接端部延伸以形成舌片。
2.根据权利要求1所述涡轴发动机的回流燃烧室，其特征在于：所述直管段发散孔呈正菱形分布；所述直管段冲击孔在直管段火焰筒内壁投影的中心恰与由直管段发散孔组成的正菱形的中心重合。
3.根据权利要求1所述涡轴发动机的回流燃烧室，其特征在于：所述直管段冲击孔为三排。
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