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)工業(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1300K，材料無法承受在遠(yuǎn)超過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)壁表面形成一層氣膜，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，其中氣膜接近二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)燃燒室的工作壓力和溫度的不斷增加，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增加。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。燃燒室的出口溫度的提高，使得渦輪葉片冷卻氣的用量增加，這部分冷卻氣直接進(jìn)入渦輪，沒有通過火焰筒，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增加與可用冷卻氣量的減少之間存在矛盾，為解決這個(gè)問題，除了不斷發(fā)展新材料和新工藝外，決定性因素之一就是對(duì)火焰筒采用先進(jìn)的高效冷卻技術(shù)，實(shí)用新型、應(yīng)用更好的氣膜冷卻幾何結(jié)構(gòu)。通過幾何結(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)力要求氣膜分布均勻，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。如圖la、lb和Ic所示，示出了采用傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁的示意圖。火焰筒壁面氣膜孔200有序排列并垂直于火焰筒壁面100，從氣膜孔200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。具體來說，存在以下幾方面問題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，使有效燃燒容積變小;[0007]3.傳統(tǒng)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的火焰筒壁開孔數(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，過大的熱應(yīng)力會(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。總之，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、降低火焰筒壓力損失
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型主要針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒壁結(jié)構(gòu)，用于改善傳統(tǒng)火焰筒壁結(jié)構(gòu)，由于從氣膜孔進(jìn)入火焰筒的氣流沿火焰筒軸向不斷疊加，火焰筒壁面附近的冷卻氣膜不斷變厚，影響火焰筒內(nèi)的燃燒組織，沿軸向冷卻效果不均的問題。本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型火焰筒壁板，其具有優(yōu)化的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型還提供由上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。根據(jù)本實(shí)用新型的多斜孔火焰筒壁板，其中，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排斜孔，每排斜孔可以分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度依次遞減。其中，相同區(qū)域內(nèi)的斜孔具有相同的傾斜角度。本實(shí)用新型還提供一種火焰筒，其由上述的多斜孔火焰筒壁板形成，所述斜孔沿所述火焰筒的軸向分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向依次遞減。其中，所述斜孔在所述火焰筒的軸向上的間距為3 4mm。其中，所述斜孔在所述火焰筒的周向上的間距為5 6mm。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)度依次為L(zhǎng)I = 0. 2L、L2 = 0. 2L、L3 = 0. 1L、L4 = 0. 5L。其中，沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向，第一區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從90°依次遞減到70° ;第二區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從70°依次遞減到45° ;第三區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從45°依次遞減到20° ;以及第四區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度為20°。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供一種包括上述火焰筒的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。本實(shí)用新型通過沿軸向改變斜孔的傾斜角的大小，可以在多個(gè)方面使火焰筒的應(yīng)用狀況得到改善I.減少了火焰筒內(nèi)的冷卻氣用量，提高了整機(jī)效率。同時(shí)，為今后進(jìn)一步提高火焰筒內(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；[0028]3.減少了氣孔的數(shù)量，降低了火焰筒的制造成本，增強(qiáng)了火焰筒壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；4.改善了火焰筒壁面附近氣膜厚度不均而導(dǎo)致的壁面冷卻效果不均的問題，使火焰筒壁面溫度分布更加均勻，并減小了火焰筒壁溫梯度，避免了過高的熱應(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。

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3a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3b為圖3a中火焰筒壁板的俯視圖；圖3c為圖3b中火焰筒壁板沿B-B的剖視圖；圖3d為圖3c中C部分的局部放大圖；圖4為多斜孔火焰筒壁的工作原理示意圖。
具體實(shí)施方式
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通過在密閉空間內(nèi)燃燒空氣和燃料來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的燃?xì)狻Ｔ谶\(yùn)行中，來自壓縮機(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3a_3d示出了根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的火焰筒壁板的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3a為立體圖，圖3b為俯視圖，圖3c為沿B-B的剖視圖，圖3d為C部分的局部放大圖。根據(jù)本實(shí)用新型的火焰筒壁板I具有均勻分布且貫穿火焰筒壁板I的多排多列的斜孔2，斜孔2與火焰筒壁板I之間具有傾斜角a，即冷卻氣流進(jìn)入火焰筒的入射角，其角度大小在0 90°之間，并沿著圖3a中所示軸向依次減小。斜孔2可為圓柱形通孔，孔徑在0.1 2mm之間。斜孔2可沿火焰筒的軸向分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度沿著軸向即火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向依次遞減。相同區(qū)域的斜孔的傾斜角度可以相同，也可以依次遞減。例如，火焰筒沿軸向總長(zhǎng)為L(zhǎng)，可分為L(zhǎng)I、L2、L3、L4等長(zhǎng)度不等的多段，LI、L2、L3、L4等段的長(zhǎng)度均在(0 0.5)L之間，各段筒壁上的斜孔具有大小不同的入射角。L1、L2、L3、L4等段上斜孔的入射角分別為a I、a 2、a 3、a 4, a I、a 2、a 3、a 4的角度大小均在0 90°之間。沿平行于軸向的主流方向，主流上游孔排的入射角大于下游孔排的入射角，即al> a 2 > a 3 > a 4。斜孔的軸向間距為3 4mm,斜孔的周向間距為5 6mm。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，斜孔的軸向間距為3. 5mm，斜孔的周向間距為5. 5mm, LI = 0. 2L，L2 =0. 2L，L3 = 0. 1L，L4 = 0. 5L。其中，在LI段，a I沿軸向從90°線性減小到70° ;在L2段，a 2從70°線性減小到45° ;在L3段，a 3從45°線性減小到20° ;在L4段，a4為20°。本實(shí)用新型只限于斜孔的傾斜角在沿軸向的方向上逐漸變小，至于沿周向方向可以相同，也可以不同。圖4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)分別是主燃燒氣流(簡(jiǎn)稱主流)和冷卻氣流，兩股氣流方向相同。沿氣流方向，冷卻氣流分別通過各個(gè)斜孔2進(jìn)入主流區(qū)域，斜孔2的軸線與氣流方向具有一定的夾角；氣流通過斜孔2依次進(jìn)入火焰筒內(nèi)主流區(qū)域，貼近火焰筒壁面流動(dòng)，在火焰筒壁面形成ー層溫度較低的氣膜，用來冷卻火焰筒壁面，降低火焰筒壁面的溫度。斜孔2表現(xiàn)為其軸線與主流方向夾角依次減小，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入射角，減少冷卻氣膜厚度，增強(qiáng)冷卻氣膜的貼壁效果，從而使火焰筒內(nèi)壁面氣膜層更接近ニ維流效果，可以顯著提高冷卻效果，從而減小火焰筒壁的熱應(yīng)力，防止火焰筒產(chǎn)生裂紋和翹曲變形。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?！?br> 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排斜孔，每排斜孔可以分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度依次遞減O
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，相同區(qū)域內(nèi)的斜孔具有相同的傾斜角度。
3.一種火焰筒，其特征在于，所述火焰筒由權(quán)利要求I所述的多斜孔火焰筒壁板形成，所述斜孔沿所述火焰筒的軸向分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向依次遞減。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔在所述火焰筒的軸向上的間距為3 4mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的火焰筒，其特征在于，所述斜孔在所述火焰筒的周向上的間距為5 6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4到5中任一項(xiàng)所述的火焰筒，其特征在于，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.5L0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的火焰筒，其特征在干， 沿著所述火焰筒內(nèi)氣流的流動(dòng)方向， 第一區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從90°依次遞減到70° ; 第二區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從70°依次遞減到45° ; 第三區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度從45°依次遞減到20° ;以及 第四區(qū)域內(nèi)的所述斜孔的傾斜角度為20°。
8.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3到7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排斜孔，每排斜孔可以分成多個(gè)區(qū)域，相鄰區(qū)域內(nèi)的斜孔的傾斜角度依次遞減。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)用新型通過沿軸向改變斜孔的傾斜角度的大小，改善了由于火焰筒壁面附近氣膜厚度不均而導(dǎo)致的壁面冷卻效果不均的問題。
文檔編號(hào)F23R3/42GK202419701SQ20112056033
公開日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