专利名称：多斜孔火焰筒壁板、火焰筒及燃气轮机燃烧室的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃气轮机エ业领域，特别涉及一种多斜孔火焰筒壁板和由该多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。
背景技术：
燃气轮机的最高温度区是燃烧室，燃烧室的主燃区燃气温度可高达2400K，而目前火焰筒壁金属材料正常工作温度不超过1300K，材料无法承受在远超过其正常工作温度的恶劣环境下长时间工作，因此必须对燃烧室火焰筒进行冷却，以防止火焰筒被烧坏而降低燃烧室寿命，进而降低发动机寿命。目前用于燃烧室火焰筒冷却的基本冷却方式有气膜冷却、对流气膜冷却、冲击气膜冷却、发散冷却和层板冷却等，其基本冷却原理都是冷气从燃烧室内外环腔进入火焰筒内，在火焰筒内壁表面形成ー层气膜，气膜紧贴火焰筒内壁面流动，气膜起到冷却壁面和隔离燃气冲刷火焰筒壁面的作用。高品质的气膜可以有效地利用冷却气，并获得高的气膜冷却效率，其中气膜接近ニ维流的程度即气膜的贴壁效果是表征·气月旲品质的王要指标。随着航空发动机技术的发展，航空发动机压气机增压比和燃烧室进出口温度均大幅提高。先进燃烧室的工作压カ和温度不断増加，这必然导致燃烧室火焰筒所受到的热负荷急剧增加。随着设计參数的提高，压气机出口空气温度可高达800 900K。用这种高温压缩空气作为冷却气，其潜在的冷却能力已经下降，因而所需冷却气流量増加。为了使燃气轮机获得更高的效率，通常要尽可能提高燃烧室的出口温度，现今在燃烧室出口的燃气温度高达1300K至1800K。燃烧室的出ロ温度的提高，使得涡轮叶片冷却气的用量増加，这部分冷却气直接进入涡轮，没有通过火焰筒，因而降低了火焰筒气膜冷却的可用空气流量。目前的高温升燃烧室的可用冷却气量只有总空气量的20% 30%，先进燃烧室火焰筒冷却所需冷却气量的増加与可用冷却气量的減少之间存在矛盾。为解决这个问题，除了不断发展新材料和新エ艺外，决定性因素之一就是对火焰筒采用先进的高效冷却技木，实用新型、应用更好的气膜冷却几何结构。通过几何结构的改进，在达到预期冷却效果的同时，有效降低冷却气的流量。气膜冷却结构应力求气膜分布均匀，湍流強度低，沿火焰筒轴向冷却效果均匀，减小热应力，以避免在高温状态下火焰筒出现裂纹和弯曲变形。图Ia-Ic示出了采用传统气膜冷却结构的火焰筒壁板100，火焰筒壁板100上的气膜孔200有序排列并垂直于火焰筒壁面，从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，影响火焰筒内的燃烧组织，同时导致沿轴向火焰筒冷却效果不均。具体来说，存在以下几方面问题I.传统气膜冷却结构的火焰筒壁消耗冷却气量相对较多，沿火焰筒轴向下游冷却气浪费严重，导致整机效率降低较大；2.从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，气膜厚度沿轴向逐渐增加，占用了燃烧室较多的燃烧容积，使有效燃烧容积变小；[0007]3.传统气膜冷却结构的火焰筒壁开孔数量较多，导致火焰筒壁结构强度降低，同时导致加工成本较高；4.传统气膜冷却结构的火焰筒壁壁温沿火焰筒轴向迅速下降，导致较高的火焰筒壁温梯度，产生较高的热应力，过大的热应カ会引起壁面的翘曲和裂纹等故障，影响火焰筒使用寿命，降低火焰筒使用的可靠性。总之，为了改进火焰筒冷却效果和延长火焰筒的使用寿命，还需要开发优化的气膜冷却结构，提高气膜冷却的效率和冷却均匀性，改善气膜的贴壁效果，减小所需冷却气流量、降低火焰筒压カ损失。
实用新型内容为了解决上述问题，本实用新型提供ー种新型火焰筒壁结构，其具有优化的气膜 冷却结构。根据本实用新型的第一个方面，提供一种多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐减小。其中，所述斜孔的掺混角在O 90°之间。其中，所述斜孔的孔径在O. I 2mm之间。根据本实用新型的第二个方面，提供一种火焰筒，所述火焰筒采用前面所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐减小。其中，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述火焰筒的长度为L，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的长度分别为LI = O. 2L、L2 = O. 2L、L3 = O. 1L、L4 = O. 5し在所述第一区域内，所述斜孔的掺混角从90°递减到65° ;在所述第二区域内，所述斜孔的掺混角从65°递减到45° ;在所述第三区域内，所述斜孔的掺混角从45°递减到5° ；在所述第四区域内，所述斜孔的掺混角为0°。根据本实用新型的第三个方面，提供ー种燃气轮机燃烧室，所述燃烧室内设有根据前面所述的火焰筒。采用本实用新型所述方案，可以在多个方面使火焰筒的应用状况得到改善I.在保证火焰筒壁冷却效果的前提下，減少了火焰筒的冷却气用量，提高了整机效率。同时，为今后进ー步提高火焰筒内燃烧温度，留出了更多的可用冷却气量；2.减小了气膜厚度沿轴向的逐渐增长，提高了燃烧室的容积利用率；3.提高了冷却效果，间接地減少了斜孔的数量，从而避免火焰筒壁強度降低过多，降低了加工成本；4.改善了火焰筒壁面附近气膜厚度不均导致的壁面冷却效果不均的问题，使火焰筒壁面温度分布更加均匀，减小了火焰筒壁温梯度，避免了过高的热应力，避免引起壁面的翘曲和裂纹等故障，提高了火焰筒使用寿命。
[0026]图Ia为传统的火焰筒壁板的立体图；图Ib为图Ia中火焰筒壁板的俯视图；图Ic为图 Ib中火焰筒壁板沿A-A的剖视图；图2为典型的燃气涡轮燃烧室的示意图；图3示出了火焰筒壁板上的斜孔的掺混角β ；图4a为根据本实用新型的优选实施例的火焰筒壁板的立体图；图4b为图4a中火焰筒壁板的俯视图；图4c为图4b中火焰筒壁板的C部的局部放大图；图5为多斜孔火焰筒壁的工作原理不意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述根据本实用新型的火焰筒壁板的优选实施例，图中以及下面描述中的轴向是指火焰筒的轴线方向，周向是指火焰筒的圆周方向。图2为典型的燃气涡轮燃烧室的示意图，示出了典型的燃气涡轮燃烧室10。燃烧室10通过在密闭空间内燃烧空气和燃料来产生驱动涡轮转动所需的燃气。在运行中，来自压缩机中的压缩空气和燃料在火焰筒20中燃烧，燃烧产生的燃气温度大约在1800 2400K。这些高温燃气与来自火焰筒壁的冷却气混合后温度降至1400 1800K，接着燃气从导向器30以高速流入涡轮并推动涡轮转动。由于燃烧产生的高温燃气温度远高于火焰筒壁的正常工作温度，因此需要对火焰筒壁面进行冷却。图3示出了火焰筒壁板上的斜孔的掺混角β。图4a_4c示出了根据本实用新型的火焰筒壁板的ー个优选实施例。火焰筒壁板I上具有均勻分布且贯穿火焰筒壁板I的多个斜孔2，斜孔2的掺混角β沿着火焰筒壁板I的长度方向逐渐减小。这里，掺混角β是指斜孔2的轴线在火焰筒壁板I上的投影与X方向(即轴向)的夹角，长度方向与形成的火焰筒的轴线方向相同。根据本实用新型，斜孔2可为圆柱形通孔，其孔径在O. I 2_之间，斜孔2的掺混角β在O 90°之间。在图4a_4c所示的实施例中，掺混角β的大小沿着火焰筒内气流的流动方向逐渐减小，即，β1> β2> β3。当然，也可以存在部分区域内的掺混角β相同的情形，但是大体上沿着火焰筒内气流的流动方向成减小的趋势。在本实施例中，火焰筒沿轴向总长为L，可沿轴向分为LI、L2、L3、L4长度不等的4段，LI、L2、L3、L4各段的长度均在(O O. 5)L之间，LI、L2、L3、L4各段上斜孔的掺混角分别为β I、β 2、β 3、β 4，β I、β 2、β 3、β 4角度大小可在O 80°之间；沿平行于轴向的主流方向，上游孔排的掺混角大于下游孔排的掺混角，即β1>β2>β3>β4。优选地，斜孔的轴向间距为3. 5mm，斜孔的周向间距为5. 5mm，LI = O. 2L, L2 = O. 2L, L3 = O. 1L, L4 = O. 5し其中，在 LI 段，β I 沿轴向从 90°线性减小到65° ;在し2段，β2从65°线性减小到45° ;在し3段，β3从45°线性减小到5°，在L4段，β4 = 0°。采用这种布置方式可以沿轴向逐渐降低从气膜孔进入火焰筒的冷却气的掺混效果，降低从气膜孔进入火焰筒的气流的湍流强度，減少冷却气膜厚度，从而减小火焰筒壁的热应力。图5为多斜孔火焰筒壁的工作原理示意图。由火焰筒壁板I形成的火焰筒的壁两侧分别为高温燃气主流和冷却气流，冷却气流通过火焰筒壁上的斜孔2进入燃气主流。气流在贴近主流区域的火焰筒壁附近形成ー层温度较低的气膜，使火焰筒壁与燃气不直接接触，降低燃气主流对火焰筒壁的加热效果。对于传统的冷却壁结构，从气膜孔进入火焰筒的气流不断叠加，引起火焰筒内壁面附近的冷却气膜不断叠加变厚，气膜厚度沿轴向逐渐增カロ，沿轴向冷却效果不均，产生较大的热应力，影响火焰筒寿命。而本实用新型改善了火焰筒壁面附近气膜厚度不均导致的壁面冷却效果不均的问题，使火焰筒壁面温度分布更加均匀，减小了火焰筒壁温梯度，避免了过高的热应力，避免引起壁面的翘曲和裂纹等故障，提高了火焰筒使用寿命。 本实用新型中所述具体实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种多斜孔火焰筒壁板，其特征在于，所述火焰筒壁板上具有均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐减小。
2.根据权利要求I所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的掺混角在O 90°之间。
3.根据权利要求I所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的孔径在O.I 2mm之间。
4.一种火焰筒，其特征在于，所述火焰筒采用权利要求I到3中任一项所述的火焰筒壁板形成，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒内气流的流动方向逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的火焰筒，其特征在干，所述斜孔在所述火焰筒的轴向上划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述火焰筒的长度为L，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域的长度分别为LI = O. 2L、L2 = O. 2L、L3 = O. 1L、L4 = O. 5し
6.根据权利要求5所述的火焰筒，其特征在干， 在所述第一区域内，所述斜孔的掺混角从90°递减到65° ; 在所述第二区域内，所述斜孔的掺混角从65°递减到45° ; 在所述第三区域内，所述斜孔的掺混角从45°递减到5° ； 在所述第四区域内，所述斜孔的掺混角为0°。
7.ー种燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内设有根据权利要求4到6中任ー项所述的火焰筒。
专利摘要本实用新型提供一种多斜孔火焰筒壁板，所述火焰筒壁板上具有均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个斜孔，所述斜孔的掺混角沿着所述火焰筒壁板的长度方向逐渐减小。本实用新型还提供一种由所述多斜孔火焰筒壁板形成的火焰筒以及包括该火焰筒的燃气轮机燃烧室。本实用新型改善了火焰筒壁面附近气膜厚度不均导致的壁面冷却效果不均的问题，使火焰筒壁面温度分布更加均匀，同时减小了火焰筒壁面的热应力，提高了火焰筒壁面的寿命。
文档编号F23R3/42GK202419699SQ20112055831
公开日2012年9月5日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者何跃龙, 张晶, 申珊平, 陈毓卿, 高蓝宇 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司