CN203147824U - 涡轮发动机燃烧室的环形壁，涡轮发动机的燃烧室及涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了涡轮发动机燃烧室(10)环形壁，包括冷侧(16a，18a)和热侧(16b，18b)，沿周向排分布的多个初级洞和稀释洞(30)，使环形壁冷侧(16a，18a)循环空气进入热侧(16b，18b)，确保空气和燃料混合物稀释；多个冷却孔(32)，使环形壁冷侧(16a，18a)循环空气进入热侧(16b，18b)，沿环形壁形成冷却空气层；冷却孔分布成互相轴向间隔的多个周向排，每个冷却孔的几何轴线在燃烧气体流出的轴向方向D是倾斜的，相对于环形壁法线N的倾斜角为θ1；该壁还包括在紧邻稀释洞下游设置和分布成互相轴向间隔的多个周向排的多个补充冷却孔(34)；每个补充冷却孔的几何轴线设置在与所述轴向方向D垂直的平面上，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角为θ2。

Description

涡轮发动机燃烧室的环形壁,涡轮发动机的燃烧室及涡轮发动机

技术领域

本实用新型涉及涡轮发动机燃烧室的通常领域。更特别地，本实用新型涉及通过一种叫做“多重穿孔”的工艺冷却的顺流或逆流燃烧室的环形壁。 

背景技术

通常来说，环形涡轮发动机的燃烧室由环形内壁和环形外壁组成，该环形内壁和环形外壁在上游通过形成燃烧室底部的横壁连接。 

该内环形壁和外环形壁均设有许多不同的孔洞，以便环燃烧室的循环空气可以进入燃烧室。 

在这种方式中，在这些环形壁中形成被称为“初级”和“稀释”的洞，将空气输送到燃烧室中。使用“初级”洞的空气用于形成在燃烧室中燃烧的空气和燃料的混合气体；而从“稀释”洞进入的空气则有助于稀释该相同的空气和燃料的混合气体。 

该内环形壁和外环形壁承受空体和燃料混合气体燃烧产生的气体高温。 

为保证它们的冷却，在这些环形壁的所有表面上均有穿透这些环形壁的，补充的称为多重穿孔的孔。这种多重穿孔的孔通常有60°的倾斜，使燃烧室外的空气可以进入室内，并沿壁形成冷却空气层。 

然而，在实践中，已经注意到在紧邻每个初级洞或稀释洞下游的内环形壁和外环形壁的区域，特别是因使用的激光穿孔工艺缺陷造成没有孔的情况下，会产生冷却不足并造成裂纹风险。 

为解决这个问题，专利文献US6,145,319建议在紧邻每个初级洞和稀释洞下游的壁上使用过渡洞。这些过渡洞的倾斜度小于多重穿孔的孔。然而，因为这是一种局部处理，非常遗憾地证明这种技术方案生产壁的成本昂贵，生产周期延长。 

实用新型内容

本实用新型的目的是通过提出一种确保对位于紧邻初级洞和稀释洞下游的区域进行充分冷却的燃烧室的环形壁，来克服所述缺陷。 

为此，本实用新型提供了一种涡轮发动机燃烧室的环形壁，其包括冷侧和热侧，所述环形壁包括： 

·沿周向排分布的多个初级洞，使所述环形壁冷侧的循环空气进入热侧，以产生空气和燃料的混合物； 

·沿周向排分布的多个稀释洞，使所述环形壁冷侧的循环空气进入热侧，以确保空气和燃料混合物的稀释； 

·多个冷却孔，使所述环形壁冷侧的循环空气进入到热侧从而沿所述环形壁形成一层冷却空气；这些冷却孔分布成互相轴向间隔的多个周向排，且每个所述冷却孔的几何轴线在燃烧气体流出的轴向方向D都是倾斜的，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ1； 

其特征在于：它进一步包括一方面设置在紧邻所述初级洞下游，另一方面设置在紧邻所述稀释洞下游的分布成互相轴向间隔的多个周向排的多个补充的冷却孔； 

每个所述补充的冷却孔的几何轴线设置在与所述轴向方向D垂直的平面上，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ2。 

紧邻初级洞和稀释洞下游以及其附近，在与燃烧气体的流动方向垂直的平面上以倾斜方式分布的补充的冷却孔的存在，与传统的轴向多重穿孔相比保证了有效的冷却，而且不会在初级区改变气体的流动。传统的轴向多重穿孔的气体层会受初级洞和稀释洞影响中断。 

优选地，它进一步包括在所述多排补充的冷却孔下游所形成的过渡区水平上，至少两排孔，每个所述孔的几何轴线相对于与所述轴向方向D垂直的平面是倾斜的，所述两排中每排所确定的倾斜角不同。 

根据另一个实施方式，包括冷侧和热侧的环形涡轮发动机燃烧室壁也可以包括： 

·沿周向排分布的多个初级洞或稀释洞，使所述环形壁冷侧的循环空气进入热侧，以分别地产生空气和燃料混合物或确保空气和燃料混合物的稀释；和 

·多个冷却孔，使所述环形壁冷侧的循环空气进入到热侧从而沿所述环形壁形成一层冷却空气；所述冷却孔分布成互相轴向间隔的多个周向排，且每个所述冷却孔的几何轴线在燃烧气体流出的轴向方向D是倾斜的，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ1； 

其特征在于：它进一步包括在紧邻所述初级洞或稀释洞下游设置的和分布成互相轴向间隔的多个周向排的多个补充的冷却孔；每个所述补充的冷却孔的几何轴线 设置在与所述轴向方向D垂直的平面上，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ2；它在所述多排补充的冷却孔下游所形成的过渡区水平上，还进一步包括至少两排孔，每个所述孔的几何轴线相对于与所述轴向方向D垂直的平面是倾斜的，所述两排中每排所确定的倾斜角不同。 

通过平缓流动，这种回旋轴向多重穿孔过渡区降低了在裂纹发生起点的热梯度。由于所得到的更有效的混合物，改善了燃烧室输出的平均温度分布。 

根据本实用新型有利的实施方式，所述补充的冷却孔相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度θ2与所述冷却孔的θ1相同。 

有利地，所述补充的冷却孔的直径d2与所述冷却孔的直径d1相同，所述补充的冷却孔的间距p2与所述冷却孔的间距p1相同，并且所述补充的冷却孔在紧邻初级洞和稀释洞下游可以具有更大的密度。 

当它包括这两排孔时，所述倾斜角分别是30°和60°。所述两排孔是设置在紧邻一排冷却孔上游的两排补充的冷却孔或者设置在紧邻一排补充的冷却孔下游的两排冷却孔，或者是一排补充的冷却孔和相邻一排的冷却孔。 

当它包括几排孔时，所述倾斜角有规律地分布在0°和90°之间。 

有利地，所述补充的冷却孔的倾斜方向受所述燃烧室下游的空气和燃料混合物流动方向的限制。 

本实用新型的另一个目的是包括前述环形壁的燃烧室和涡轮发动机（具有燃烧室）。 

附图说明

通过示例没有任何限制特征的实施方式的参考附图的下面说明，将呈现本实用新型的其它特征及优点，在图中： 

图1是涡轮发动机燃烧室在运行环境中的纵截面图； 

图2是按照本实用新型的一种实施方式完成的，图1中燃烧室的一个环形壁的局部展开视图； 

图3是图2中一部分环形壁的局部透视图； 

具体实施方式

图1表示在其运行环境中的涡轮发动机的燃烧室10。这种涡轮发动机首先包括 压缩区（图上未显示），在压缩区中空气压缩后被喷入燃烧室外壳12，然后再喷入安装在壳内的燃烧室10中。压缩空气进入燃烧室并与燃料混合后燃烧。此燃烧产生的气体被输送到位于燃烧室出口的高压涡轮机14。 

燃烧室为环形。它由内环形壁16和外环形壁18组成，这两个环形壁在上游通过构成燃烧室底部的横壁20连接。它可以是如所示的直流或逆流。在这种情况下，也可以被多钻孔冷却的回弯头放置在燃烧室和涡轮分配器之间。 

内环形壁16和外环形壁18沿着相对于涡轮发动机的纵轴线22略有倾斜的纵轴线延伸。燃烧室底部20设有多个开口20A，内设燃料喷嘴24。 

燃烧室10外壳12由内壳12a和外壳12b组成，与燃烧室10之间形成环形空间26，存放用于燃烧、稀释及冷却燃烧室的压缩空气。 

内环形壁16及外环形壁18均有位于环形空间26侧面的冷侧16a，18a；压缩空气在此间循环；另有朝向燃烧室内部的热侧16b，18b（图3）。 

燃烧室10分为“初级区域”（或燃烧区）和“次级区域”（或稀释区），后者在前者的下游。（下游是指燃烧室内空气和燃料混合物燃烧而产生的气体流动的通常的轴向方向，通过箭头D表示） 

向燃烧室初级区域供气通过沿燃烧室内环形壁16和外环形壁18整个周长排列成周向排的初级洞28进行。这些初级洞包括与相同的线28A对齐的下游边缘。至于对燃烧室次级区域的供气是通过多个稀释洞30进行的，稀释洞30也沿内外环形壁16及18全周长形成于其中。这些稀释洞30沿周向排进行排列，相对于成排的初级洞28向下游轴向偏移，它们可以具有不同的直径，特别是具有交替的大洞和小洞。在图2中所示的结构中，然而，这些不同直径的稀释洞具有与相同线30A对齐的下游边缘。 

为冷却受燃烧气体高温影响的燃烧室的内环形壁16和外环形壁18，提供了多个冷却孔32（见图2和图3所示） 

这些通过多个穿孔确保对壁16，18进行冷却的冷却孔32分布成互相轴向间隔的多个周向排。除了形成精确限定本实用新型目标的特定区域和形成上游过渡轴线和下游过渡轴线的线28A、30A之间的特定区域外，这些排的多个穿孔的孔分布在燃烧室环形壁的整个表面上，所述特定区域相对于该上游轴线轴向地向下游偏移，并且实际上在稀释洞前面（对于下游轴向28B而言）或者实际上在燃烧室出口平面的前面（对于下游轴线30B而言）。 

每排中冷却孔32的数量和直径d1是相同的。同一排中两个孔之间的间距p1为常量；对所有排来说，p1可以是相同的，也可以是不同的。此外，相邻排的冷却孔32交错排列，如图2所示。 

如图3显示，穿透环形壁16和18的冷却孔32通常有一个相对于环形壁法线N的θ1倾斜角度。此θ1倾斜使透过这些小孔的空气沿环形壁热侧16b,18b形成一层空气层。相对于无倾斜的小孔，此倾斜增加了被冷却的环形壁面积。此外，这些冷却孔32的θ1倾斜导引所产生的空气层在燃烧室内燃烧气体的流动方向流动（图中用箭头D表示） 

举例说明，对于金属或陶瓷材质所制成的，厚度包括或在0.6到3.5mm间的环形壁16，18，冷却孔32的直径d1可以包括或在0.3和1mm间，孔间距包括或在1和10mm之间，倾斜角度包括或在+30°和+70°之间，+60°最为典型。比较而言，对于具有相同特征的环形壁，初级洞28和稀释洞30的直径从4到20mm。 

根据本实用新型，燃烧室的每个环形壁16，18都包括在紧邻初级洞28和稀释洞30下游设置的，且分布成几个周向排的从上游过渡轴线28A，30A远到下游过渡轴线28B，30B的通常至少5排多个补充的冷却孔34。然而，与以前输送在轴向方向D上流动的一层空气的冷却孔比较，由这些补充的冷却孔所输送的空气层在垂直方向流动，因为这些补充的冷却孔位于与燃烧气体流动的该轴向方向D垂直的平面上。垂直于涡轮发动机轴线所形成的这种多个穿孔（下边的描述中将会谈到与冷却孔的轴向多个穿孔相对的回旋多个穿孔）使初级洞或稀释洞的补充的冷却孔在一起，并且改善了空气和燃料混合物的效率。 

同一排的补充的冷却孔34具有相同的直径d2，最好与冷却孔32的直径d1相同，补充的冷却孔34之间的间距p2为定量，与冷却孔32之间距p1可以相同也可以不同；补充的冷却孔34的倾斜角度θ2最好与冷却孔32的倾斜角度θ1相同，但分布在垂直面上。然而，在前边规定的数值范围内，这些补充的冷却孔34的特征可与冷却孔32的特征有明显差异，即同一排的补充的冷却孔相对于环形壁16，18的法线N的倾斜角度θ2可与冷却孔的θ1不同，同一排的补充的冷却孔直径d2可与冷却孔32的直径d1不同。 

然而，根据优选的冷却需要，成排初级洞28后面的补充的冷却孔34也可以有利地在倾斜角度、直径或间距方面具有不同于在成排稀释洞30后面所设置的那些补充的冷却孔34的特征，更特别地，在相同的区域内，直径d2和间距p2方面可以 存在差异以致密在最热限制的部件中的这种冷却，即，如图2中所示，当通过交替的大洞和小洞形成稀释洞时，紧邻初级洞和大稀释洞下游的这些补充的冷却孔。 

在成排初级洞和成排稀释洞之间，引入回旋多个穿孔，这样可以通过限制热梯度的上升防止在初级洞28的下游形成裂纹。因为从下游过渡轴线28B的稀释洞30的上游多个穿孔是轴式类型，所以必须提供过渡区，例如两排以上有一个过渡区，其中每个补充的冷却孔34设置在相对于轴向方向D成一个30°，另一个60°的倾斜角度的平面中，在这些倾斜平面中这些补充的冷却孔的其它参数，特别是直径d2，间距p2和倾斜角度θ2保持不变。 

相似地，在燃烧室输出处，更精确地从下游过渡轴线30B（图2），轴向多个穿孔的引入满足了局部水平的回旋，这样就不会损失燃烧室高压涡轮机（TuHP）的输出功率。优选地，也建议提供轴线回旋的多个穿孔过渡区，以使得流量平缓来降低在裂纹开始起始的热梯度。由于所得到的更有效的混合物，改善了在燃烧室输出的平均温度分布。例如，对于两排以上的补充的冷却孔可以制造该过渡区，其中每个补充的冷却孔设置在相对于轴向方向D成一个30°，另一个60°的倾斜角度的平面中，在这些倾斜平面中这些补充的冷却孔的其它参数，特别是直径d2，间距p2和倾斜角度θ2保持不变。在逆流燃烧室的情况下，从轴线30B开始的区域不存在或者整合在回弯头中。 

显然，如果在回旋多个穿孔的水平上已经描述过过渡区，将它放置在轴向多个穿孔的水平上，甚或以30°倾斜角度放置在一排轴向穿孔侧，以60°倾斜角度放置在一排回旋多个穿孔侧，也没有问题。相似地，该过渡区可以包括两排以上在0°（轴向多个穿孔）和90°（回旋多个穿孔）之间均匀分布的孔倾斜。例如，三排孔，孔的倾斜角度分别是22.5°、45°和67.5°。 

在本实用新型中，初级区的流量没有改变，回旋不会影响稀释喷射的方向，省略热障带来了质量及费用方面的益处。显然，为了考虑HPD中的流向和避免空气动力学分层以及保持高压涡轮机的输出功率，回旋多个穿孔的钻孔方向由燃烧室下游的高压分配器（HPD）的翼型方向固定。 

Claims (12)

1.涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），包括冷侧（16a，18a）和热侧（16b，18b），所述环形壁包括： 

·沿周向排分布的多个初级洞（28），使所述环形壁冷侧（16a，18a）的循环空气进入热侧（16b，18b），以产生空气和燃料的混合物； 

·沿周向排分布的多个稀释洞（30），使所述环形壁冷侧（16a，18a）的循环空气进入热侧（16b，18b），以确保空气和燃料混合物的稀释；和 

·多个冷却孔（32），使所述环形壁冷侧（16a，18a）的循环空气进入到热侧（16b，18b）从而沿所述环形壁形成一层冷却空气；所述冷却孔分布成互相轴向间隔的多个周向排，且每个所述冷却孔的几何轴线在燃烧气体流出的轴向方向D是倾斜的，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ1； 

其特征在于：它进一步包括一方面设置在紧邻所述初级洞下游，另一方面设置在紧邻所述稀释洞下游的分布成互相轴向间隔的多个周向排的多个补充的冷却孔（34），每个所述补充的冷却孔的几何轴线设置在与所述轴向方向D垂直的平面上，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ2。 

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：所述补充的冷却孔相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度θ2与所述冷却孔的倾斜角度θ1相同。 

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：所述补充的冷却孔的直径d2与所述冷却孔的直径d1相同，所述补充的冷却孔的间距p2与所述冷却孔的间距p1相同。 

4.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：所述补充的冷却孔在紧邻初级洞和稀释洞下游显示了更大的密度。 

5.根据权利要求1所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：它进一步包括在过渡区（28B，30B）水平，所述多排补充的冷却孔的下游所形成的至少两排孔，其中每个所述孔的几何轴线相对于与所述轴向方向D垂直的平面是倾斜的，所述两排中每排所确定的倾斜度不同。 

6.涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），包括冷侧（16a，18a）和热侧（16b，18b），所述环形壁包括： 

·沿周向排分布的多个初级洞（28）或稀释洞（30），使所述环形壁冷侧（16a， 18a）的循环空气进入热侧（16b，18b），以分别地产生空气和燃料混合物或确保空气和燃料混合物的稀释；和 

·多个冷却孔（32），使所述环形壁冷侧（16a，18a）的循环空气进入到热侧（16b，18b）从而沿所述环形壁形成一层冷却空气；所述冷却孔分布成互相轴向间隔的多个周向排，且每个所述冷却孔的几何轴线在燃烧气体流出的轴向方向D是倾斜的，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ1； 

其特征在于：它进一步包括在紧邻所述初级洞或稀释洞下游设置的和分布成互相轴向间隔的多个周向排的多个补充的冷却孔（34）；每个所述补充的冷却孔的几何轴线设置在与所述轴向方向D垂直的平面上，相对于所述环形壁的法线N的倾斜角度为θ2；它还进一步包括在所述多排补充的冷却孔下游所形成的过渡区水平上的至少两排孔，每个所述孔的几何轴线相对于与所述轴向方向D垂直的平面是倾斜的，所述两排中每排所确定的倾斜角不同。 

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：它包括两排孔，并且所述倾斜角分别是30°和60°。 

8.根据权利要求7所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：所述的两排孔是设置在紧邻一排冷却孔上游的两排补充的冷却孔或者设置在紧邻一排补充的冷却孔下游的两排冷却孔，或者是一排补充的冷却孔和相邻一排的冷却孔。 

9.根据权利要求6所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：它包括几排孔，并且所述倾斜角均匀分布在0°和90°之间。 

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的涡轮发动机燃烧室（10）的环形壁（16，18），其特征在于：所述补充的冷却孔的倾斜方向受所述燃烧室下游的空气和燃料混合物流动的方向限制。 

11.涡轮发动机的燃烧室（10），其包括如权利要求1至10中至少任一权利要求所述的至少一个环形壁（16，18）。 

12.涡轮发动机，其包括燃烧室（10），该燃烧室（10）具有如权利要求1至10中至少任一权利要求所述的至少一个环形壁（16，18）。 

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