專利名稱：多斜孔火焰筒壁板、火焰筒及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃?xì)廨啓C(jī)エ業(yè)領(lǐng)域，特別涉及一種多斜孔火焰筒壁板和由該多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括該火焰筒的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)的最高溫度區(qū)是燃燒室，燃燒室的主燃區(qū)燃?xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)2400K，而目前火焰筒壁金屬材料正常工作溫度不超過(guò)1300K，材料無(wú)法承受在遠(yuǎn)超過(guò)其正常工作溫度的惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，因此必須對(duì)燃燒室火焰筒進(jìn)行冷卻，以防止火焰筒被燒壞而降低燃燒室壽命，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。目前用于燃燒室火焰筒冷卻的基本冷卻方式有氣膜冷卻、對(duì)流氣膜冷卻、沖擊氣膜冷卻、發(fā)散冷卻和層板冷卻等，其基本冷卻原理都是冷氣從燃燒室內(nèi)外環(huán)腔進(jìn)入火焰筒內(nèi)，在火焰筒內(nèi)壁表面形成ー層氣膜，氣膜緊貼火焰筒內(nèi)壁面流動(dòng)，氣膜起到冷卻壁面和隔離燃?xì)鉀_刷火焰筒壁面的作用。高品質(zhì)的氣膜可以有效地利用冷卻氣，并獲得高的氣膜冷卻效率，其中氣膜接近ニ維流的程度即氣膜的貼壁效果是表征·氣月旲品質(zhì)的王要指標(biāo)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓比和燃燒室進(jìn)出口溫度均大幅提高。先進(jìn)燃燒室的工作壓カ和溫度不斷増加，這必然導(dǎo)致燃燒室火焰筒所受到的熱負(fù)荷急劇增加。隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的提高，壓氣機(jī)出口空氣溫度可高達(dá)800 900K。用這種高溫壓縮空氣作為冷卻氣，其潛在的冷卻能力已經(jīng)下降，因而所需冷卻氣流量増加。為了使燃?xì)廨啓C(jī)獲得更高的效率，通常要盡可能提高燃燒室的出口溫度，現(xiàn)今在燃燒室出口的燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1300K至1800K。燃燒室的出ロ溫度的提高，使得渦輪葉片冷卻氣的用量増加，這部分冷卻氣直接進(jìn)入渦輪，沒(méi)有通過(guò)火焰筒，因而降低了火焰筒氣膜冷卻的可用空氣流量。目前的高溫升燃燒室的可用冷卻氣量只有總空氣量的20% 30%，先進(jìn)燃燒室火焰筒冷卻所需冷卻氣量的増加與可用冷卻氣量的減少之間存在矛盾。為解決這個(gè)問(wèn)題，除了不斷發(fā)展新材料和新エ藝外，決定性因素之一就是對(duì)火焰筒采用先進(jìn)的高效冷卻技木，實(shí)用新型、應(yīng)用更好的氣膜冷卻幾何結(jié)構(gòu)。通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在達(dá)到預(yù)期冷卻效果的同時(shí)，有效降低冷卻氣的流量。氣膜冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)力求氣膜分布均勻，湍流強(qiáng)度低，沿火焰筒軸向冷卻效果均勻，減小熱應(yīng)力，以避免在高溫狀態(tài)下火焰筒出現(xiàn)裂紋和彎曲變形。圖Ia-Ic示出了采用傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁板100，火焰筒壁板100上的氣膜孔200有序排列并垂直于火焰筒壁面，從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的氣流不斷疊加，引起火焰筒內(nèi)壁面附近的冷卻氣膜不斷疊加變厚，影響火焰筒內(nèi)的燃燒組織，同時(shí)導(dǎo)致沿軸向火焰筒冷卻效果不均。具體來(lái)說(shuō)，存在以下幾方面問(wèn)題I.傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁消耗冷卻氣量相對(duì)較多，沿火焰筒軸向下游冷卻氣浪費(fèi)嚴(yán)重，導(dǎo)致整機(jī)效率降低較大；2.從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的氣流不斷疊加，引起火焰筒內(nèi)壁面附近的冷卻氣膜不斷疊加變厚，氣膜厚度沿軸向逐漸增加，占用了燃燒室較多的燃燒容積，使有效燃燒容積變??；[0007]3.傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁開(kāi)孔數(shù)量較多，導(dǎo)致火焰筒壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，同時(shí)導(dǎo)致加工成本較高；4.傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁壁溫沿火焰筒軸向迅速下降，導(dǎo)致較高的火焰筒壁溫梯度，產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，過(guò)大的熱應(yīng)カ會(huì)引起壁面的翹曲和裂紋等故障，影響火焰筒使用壽命，降低火焰筒使用的可靠性?？傊?，為了改進(jìn)火焰筒冷卻效果和延長(zhǎng)火焰筒的使用壽命，還需要開(kāi)發(fā)優(yōu)化的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，提高氣膜冷卻的效率和冷卻均勻性，改善氣膜的貼壁效果，減小所需冷卻氣流量、降低火焰筒壓カ損失。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供ー種新型火焰筒壁結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)化的氣膜 冷卻結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實(shí)用新型的第一個(gè)方面，提供一種多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有均勻分布且貫穿所述火焰筒壁板的多個(gè)斜孔，所述斜孔的摻混角沿著所述火焰筒壁板的長(zhǎng)度方向逐漸減小。其中，所述斜孔的摻混角在O 90°之間。其中，所述斜孔的孔徑在O. I 2mm之間。根據(jù)本實(shí)用新型的第二個(gè)方面，提供一種火焰筒，所述火焰筒采用前面所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的摻混角沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向逐漸減小。其中，所述斜孔在所述火焰筒的軸向上劃分成第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域，所述火焰筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)I = O. 2L、L2 = O. 2L、L3 = O. 1L、L4 = O. 5し在所述第一區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從90°遞減到65° ;在所述第二區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從65°遞減到45° ;在所述第三區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從45°遞減到5° ；在所述第四區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角為0°。根據(jù)本實(shí)用新型的第三個(gè)方面，提供ー種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，所述燃燒室內(nèi)設(shè)有根據(jù)前面所述的火焰筒。采用本實(shí)用新型所述方案，可以在多個(gè)方面使火焰筒的應(yīng)用狀況得到改善I.在保證火焰筒壁冷卻效果的前提下，減少了火焰筒的冷卻氣用量，提高了整機(jī)效率。同時(shí)，為今后進(jìn)ー步提高火焰筒內(nèi)燃燒溫度，留出了更多的可用冷卻氣量；2.減小了氣膜厚度沿軸向的逐漸增長(zhǎng)，提高了燃燒室的容積利用率；3.提高了冷卻效果，間接地減少了斜孔的數(shù)量，從而避免火焰筒壁強(qiáng)度降低過(guò)多，降低了加工成本；4.改善了火焰筒壁面附近氣膜厚度不均導(dǎo)致的壁面冷卻效果不均的問(wèn)題，使火焰筒壁面溫度分布更加均勻，減小了火焰筒壁溫梯度，避免了過(guò)高的熱應(yīng)力，避免引起壁面的翹曲和裂紋等故障，提高了火焰筒使用壽命。

[0026]圖Ia為傳統(tǒng)的火焰筒壁板的立體圖；圖Ib為圖Ia中火焰筒壁板的俯視圖；圖Ic為圖 Ib中火焰筒壁板沿A-A的剖視圖；圖2為典型的燃?xì)鉁u輪燃燒室的示意圖；圖3示出了火焰筒壁板上的斜孔的摻混角β ；圖4a為根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的火焰筒壁板的立體圖；圖4b為圖4a中火焰筒壁板的俯視圖；圖4c為圖4b中火焰筒壁板的C部的局部放大圖；圖5為多斜孔火焰筒壁的工作原理不意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述根據(jù)本實(shí)用新型的火焰筒壁板的優(yōu)選實(shí)施例，圖中以及下面描述中的軸向是指火焰筒的軸線方向，周向是指火焰筒的圓周方向。圖2為典型的燃?xì)鉁u輪燃燒室的示意圖，示出了典型的燃?xì)鉁u輪燃燒室10。燃燒室10通過(guò)在密閉空間內(nèi)燃燒空氣和燃料來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的燃?xì)?。在運(yùn)行中，來(lái)自壓縮機(jī)中的壓縮空氣和燃料在火焰筒20中燃燒，燃燒產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟却蠹s在1800 2400K。這些高溫燃?xì)馀c來(lái)自火焰筒壁的冷卻氣混合后溫度降至1400 1800K，接著燃?xì)鈴膶?dǎo)向器30以高速流入渦輪并推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)鉁囟冗h(yuǎn)高于火焰筒壁的正常工作溫度，因此需要對(duì)火焰筒壁面進(jìn)行冷卻。圖3示出了火焰筒壁板上的斜孔的摻混角β。圖4a_4c示出了根據(jù)本實(shí)用新型的火焰筒壁板的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例?；鹧嫱脖诎錓上具有均勻分布且貫穿火焰筒壁板I的多個(gè)斜孔2，斜孔2的摻混角β沿著火焰筒壁板I的長(zhǎng)度方向逐漸減小。這里，摻混角β是指斜孔2的軸線在火焰筒壁板I上的投影與X方向(即軸向)的夾角，長(zhǎng)度方向與形成的火焰筒的軸線方向相同。根據(jù)本實(shí)用新型，斜孔2可為圓柱形通孔，其孔徑在O. I 2_之間，斜孔2的摻混角β在O 90°之間。在圖4a_4c所示的實(shí)施例中，摻混角β的大小沿著火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向逐漸減小，即，β1> β2> β3。當(dāng)然，也可以存在部分區(qū)域內(nèi)的摻混角β相同的情形，但是大體上沿著火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向成減小的趨勢(shì)。在本實(shí)施例中，火焰筒沿軸向總長(zhǎng)為L(zhǎng)，可沿軸向分為L(zhǎng)I、L2、L3、L4長(zhǎng)度不等的4段，LI、L2、L3、L4各段的長(zhǎng)度均在(O O. 5)L之間，LI、L2、L3、L4各段上斜孔的摻混角分別為β I、β 2、β 3、β 4，β I、β 2、β 3、β 4角度大小可在O 80°之間；沿平行于軸向的主流方向，上游孔排的摻混角大于下游孔排的摻混角，即β1>β2>β3>β4。優(yōu)選地，斜孔的軸向間距為3. 5mm，斜孔的周向間距為5. 5mm，LI = O. 2L, L2 = O. 2L, L3 = O. 1L, L4 = O. 5し其中，在 LI 段，β I 沿軸向從 90°線性減小到65° ;在し2段，β2從65°線性減小到45° ;在し3段，β3從45°線性減小到5°，在L4段，β4 = 0°。采用這種布置方式可以沿軸向逐漸降低從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的冷卻氣的摻混效果，降低從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的氣流的湍流強(qiáng)度，減少冷卻氣膜厚度，從而減小火焰筒壁的熱應(yīng)力。圖5為多斜孔火焰筒壁的工作原理示意圖。由火焰筒壁板I形成的火焰筒的壁兩側(cè)分別為高溫燃?xì)庵髁骱屠鋮s氣流，冷卻氣流通過(guò)火焰筒壁上的斜孔2進(jìn)入燃?xì)庵髁?。氣流在貼近主流區(qū)域的火焰筒壁附近形成ー層溫度較低的氣膜，使火焰筒壁與燃?xì)獠恢苯咏佑|，降低燃?xì)庵髁鲗?duì)火焰筒壁的加熱效果。對(duì)于傳統(tǒng)的冷卻壁結(jié)構(gòu)，從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的氣流不斷疊加，引起火焰筒內(nèi)壁面附近的冷卻氣膜不斷疊加變厚，氣膜厚度沿軸向逐漸增カロ，沿軸向冷卻效果不均，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響火焰筒壽命。而本實(shí)用新型改善了火焰筒壁面附近氣膜厚度不均導(dǎo)致的壁面冷卻效果不均的問(wèn)題，使火焰筒壁面溫度分布更加均勻，減小了火焰筒壁溫梯度，避免了過(guò)高的熱應(yīng)力，避免引起壁面的翹曲和裂紋等故障，提高了火焰筒使用壽命。 本實(shí)用新型中所述具體實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。即凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，所述火焰筒壁板上具有均勻分布且貫穿所述火焰筒壁板的多個(gè)斜孔，所述斜孔的摻混角沿著所述火焰筒壁板的長(zhǎng)度方向逐漸減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的摻混角在O 90°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的孔徑在O.I 2mm之間。
4.一種火焰筒，其特征在于，所述火焰筒采用權(quán)利要求I到3中任一項(xiàng)所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的摻混角沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向逐漸減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的火焰筒，其特征在干，所述斜孔在所述火焰筒的軸向上劃分成第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域，所述火焰筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)I = O. 2L、L2 = O. 2L、L3 = O. 1L、L4 = O. 5し
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的火焰筒，其特征在干， 在所述第一區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從90°遞減到65° ; 在所述第二區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從65°遞減到45° ; 在所述第三區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角從45°遞減到5° ； 在所述第四區(qū)域內(nèi)，所述斜孔的摻混角為0°。
7.ー種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，其特征在于，所述燃燒室內(nèi)設(shè)有根據(jù)權(quán)利要求4到6中任ー項(xiàng)所述的火焰筒。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有均勻分布且貫穿所述火焰筒壁板的多個(gè)斜孔，所述斜孔的摻混角沿著所述火焰筒壁板的長(zhǎng)度方向逐漸減小。本實(shí)用新型還提供一種由所述多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括該火焰筒的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。本實(shí)用新型改善了火焰筒壁面附近氣膜厚度不均導(dǎo)致的壁面冷卻效果不均的問(wèn)題，使火焰筒壁面溫度分布更加均勻，同時(shí)減小了火焰筒壁面的熱應(yīng)力，提高了火焰筒壁面的壽命。
文檔編號(hào)F23R3/42GK202419699SQ20112055831
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者何躍龍, 張晶, 申珊平, 陳毓卿, 高藍(lán)宇 申請(qǐng)人:中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司