航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒；特別是涉及一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)；屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，燃燒室設(shè)計(jì)向著高溫升、高熱容方向發(fā)展，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒溫度高達(dá)2000攝氏度以上，壓力高達(dá)30個(gè)大氣壓?；鹧嫱沧鳛榻M織燃燒的場(chǎng)所，它的火焰筒體長期在高溫高壓的環(huán)境下工作，要承受很大的熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，因而火焰筒的壽命和可靠性成為決定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和可靠性的關(guān)鍵部件之一。火焰筒體一般采用耐高溫合金制成，但是目前的金屬材料耐溫能力在1000攝氏度以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃?xì)鉁囟龋欢腋鶕?jù)近幾十年金屬材料的耐溫水平提升速度遠(yuǎn)低于燃?xì)鉁囟鹊奶嵘俣?，單純依賴材料進(jìn)行熱防護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求，勢(shì)必要對(duì)火焰筒進(jìn)行有效的冷卻。
[0003]目前，火焰筒壁面的常用冷卻技術(shù)主要是氣膜冷卻、對(duì)流冷卻(含沖擊冷卻)、氣膜冷卻等。但是在高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫升、高熱容燃燒室壁面的強(qiáng)化冷卻面臨著非常突出的矛盾:一方面，燃燒室溫升的增加，使得參與燃燒的空氣量隨之增加而導(dǎo)致用于冷卻的空氣量減少；另外，壓氣機(jī)出口溫度的提高又使得用于冷卻火焰筒壁面的空氣溫度上升而導(dǎo)致冷卻潛力下降，從而對(duì)火焰筒壁面冷卻技術(shù)提出了更高的要求，提高冷卻空氣的冷卻效率就顯得尤為重要且迫切需要解決，該問題必須通過采取創(chuàng)新性的技術(shù)來解決。
[0004]另外，對(duì)火焰筒壽命影響較大的因素主要來源于熱應(yīng)力大小。因此，在實(shí)施冷卻技術(shù)時(shí)，不僅僅要考慮降低火焰筒壁面溫度，還要降低火焰筒壁面的溫度梯度，防止由于溫度梯度過大而導(dǎo)致火焰筒熱應(yīng)力過大從而造成火焰筒出現(xiàn)裂紋、掉塊、變形等故障。為了進(jìn)一步提高燃燒室火焰筒的壁面冷卻效果，國內(nèi)外的研究人員開發(fā)了多種冷卻方式，如全覆蓋氣膜冷卻、多斜孔發(fā)散冷卻、浮動(dòng)壁冷卻等，這些冷卻技術(shù)無疑都帶來了冷卻效果的改善，但是這些冷卻結(jié)構(gòu)存在的一個(gè)共性問題就是冷氣量的消耗過大，火焰筒整體溫度分布不夠均勻從而導(dǎo)致熱應(yīng)力較大。因此，如何細(xì)致挖掘冷氣的冷卻能力并且減小火焰筒板的熱應(yīng)力成為現(xiàn)有技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)，用于改善傳統(tǒng)火焰筒壁冷卻結(jié)構(gòu)，在不增加冷氣量的前提下充分挖掘其冷卻潛力，提高冷卻效率，同時(shí)避免火焰筒壁面溫度過高以及分布不均造成的熱應(yīng)力過大。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)，包括火焰筒壁板，所述火焰筒壁板包括外壁板和內(nèi)壁板，且內(nèi)壁板上設(shè)置若干發(fā)散孔，而外壁板上則設(shè)置若干沖擊孔，各發(fā)散孔、沖擊孔均以叉排方式分布，同時(shí)內(nèi)壁板和外壁板之間通過若干擾流柱連接；所述火焰筒壁板沿軸向分成兩部分，分別為與燃燒室高溫區(qū)域接近的前段火焰筒壁板、與燃燒室高溫區(qū)域遠(yuǎn)離的后段火焰筒壁板；處于前段火焰筒壁板上的前段沖擊孔孔徑大于處于后段火焰筒壁板上的后段沖擊孔孔徑，同時(shí)處于前段火焰筒壁板上的前段發(fā)散孔孔徑大于處于后段火焰筒壁板上的后段發(fā)散孔孔徑。
[0007]前段火焰筒壁板的軸向長度為整個(gè)火焰筒壁板軸向長度的30%_40%。
[0008]所述發(fā)散孔的軸線傾斜于內(nèi)壁板設(shè)置。
[0009]所述沖擊孔的截面形狀為圓形，孔徑在0.8?1.2mm之間，孔傾斜角度為0°。
[0010]所述發(fā)散孔的截面形狀為圓形，孔徑在1.0?2mm之間，孔傾斜角度為0°?30。。
[0011]擾流柱的橫截面形狀為圓形、橢圓形、水滴形或者紡錘形。
[0012]所述擾流柱的直徑在0.5?1.5mm之間；擾流柱的高度為0.5?1.2mm,分布間距為2?6mm。
[0013]前段沖擊孔的孔徑為后段沖擊孔的孔徑的1.2?2倍；前段發(fā)散孔的孔徑為后段發(fā)散孔的孔徑的1.2?2倍。
[0014]前段沖擊孔在前段火焰筒壁板的軸向上呈正菱形分布，孔徑為1.0mm?1.6mm、軸向排列間距為3.6倍孔徑。
[0015]后段沖擊孔在后段火焰筒壁板的軸向上呈長菱形分布，孔徑為0.8mm?1.2mm，軸向排列間距與周向排列間距比為1.5?3，軸向排列間距沿著火焰筒軸向逐漸變大，為4?6倍孔徑。
[0016]根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):
火焰筒壁面一方面要承受高溫燃?xì)鈱?duì)壁面的對(duì)流換熱，另一方面要承受發(fā)光火焰的強(qiáng)烈輻射加熱，因此，此區(qū)域壁面所受熱流密度分布極不均勻，壁面承受很大的熱應(yīng)力。為了解決這個(gè)難題，采用沖擊+發(fā)散+擾流柱復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，壁板本體上接近前端區(qū)域上的沖擊孔和發(fā)散孔的內(nèi)徑尺寸大于壁板接近后端區(qū)域上的沖擊孔和發(fā)散孔的內(nèi)徑尺寸，會(huì)使與火焰筒溫度較高的區(qū)域進(jìn)行熱交換的冷卻氣體的量大于與火焰筒溫度較低的區(qū)域進(jìn)行熱交換的冷卻氣體的量，由此可以使冷卻氣體更充分吸收火焰筒上的熱量，避免了冷卻氣體的浪費(fèi)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在冷卻氣體的利用效率比較低的技術(shù)問題。另外，冷卻氣流首先由位于沖擊孔板上的沖擊孔進(jìn)入沖擊腔，在內(nèi)壁板面的冷側(cè)形成沖擊射流，對(duì)冷卻壁面進(jìn)行強(qiáng)化換熱冷卻壁面，然后冷卻空氣進(jìn)入位于內(nèi)壁板面上的發(fā)散小孔，并在其內(nèi)部形成對(duì)流換熱，隨后由發(fā)散小孔流出，在火焰筒內(nèi)部面燃?xì)鈧?cè)形成穩(wěn)定的氣膜層。另外，沖擊腔內(nèi)的擾流柱在增加換熱面積的同時(shí)，提高了火焰筒壁板的受力強(qiáng)度。因而這一技術(shù)方案可以有效減低內(nèi)壁板面的溫度分布以及溫度梯度，使得燃燒室壁面溫度保持均勻。
[0017]綜上所述，該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)火焰筒溫度梯度小，壁面溫度低；(2)冷卻空氣量少，冷卻效率高；(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0018]圖1為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)中沖擊孔、發(fā)散孔和擾流柱的相對(duì)排布方式示意圖；
圖3為圖1的剖面示意圖； 圖4為沖擊孔的排布示意圖；
圖5為發(fā)散孔的排布示意圖；
圖6為擾流柱的排布示意圖；
圖7a為圓形擾流柱的結(jié)構(gòu)形式示意圖；
圖7b為橢圓形擾流柱的結(jié)構(gòu)形式示意圖；
圖7c為水滴形擾流柱的結(jié)構(gòu)形式示意圖；
圖7d為紡錘形流柱的結(jié)構(gòu)形式示意圖；
圖中，I為火焰筒外機(jī)匣、2為火焰筒、3為冷氣、4為燃?xì)狻?為前段火焰筒壁板、6為后段火焰筒壁板、7為前段沖擊孔、8為前段發(fā)散孔、9為后段發(fā)散孔、10為擾流柱、11為后段沖擊孔、12為外壁板、13為內(nèi)壁板、14為沖擊腔、15為圓形擾流柱、16為橢圓形擾流柱、17為水滴形擾流柱、18為紡錘形擾流柱。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述【具體實(shí)施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。需要說明的是，這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0020]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，