发动机结构件以及发散冷却结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种发动机结构件以及发散冷却结构，涉及能源与动力燃烧【技术领域】。解决了现有技术存在拔模过程中型芯相互干涉，导致浮动瓦块整体铸造难度较大的技术问题。该发动机结构件包括板体以及贯穿板体的至少两个导流通孔，导流通孔为斜孔，且导流通孔的出流方向彼此相平行。该发散冷却结构，包括内层壳体以及外层壳体，内层壳体为本实用新型提供的发动机结构件；外层壳体上设置有至少两个冲击孔，由冲击孔流出的冷却气流能流入导流通孔并从导流通孔流出后在内层壳体接近高温气体的一侧表面形成冷却气膜；冲击孔沿竖直方向落在内层壳体上的投影位于相邻的两个导流通孔之间。本实用新型用于降低设置有导流通孔的发动机结构件的制造难度。
【专利说明】发动机结构件以及发散冷却结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及能源与动力燃烧【技术领域】，尤其涉及一种发动机结构件以及设置该发动机结构件的发散冷却结构。
【背景技术】
[0002]燃烧室(英文为=Combustor)是燃气轮中用于组织燃料发生燃烧反应的装置，火焰筒是燃烧室中用于安排参加燃烧、掺混和冷却空气的组件。
[0003]航空发动机燃烧室的火焰筒一般都在温度高达2000K甚至更高温度的燃气(燃气指燃料燃烧之后产生的气体)中工作。目前任何材料都不能长时间在如此恶劣的环境下工作，因此必须对航空发动机燃烧室的火焰筒进行冷却，以防止其被高温燃气烧坏而减少燃烧室或发动机的寿命。
[0004]现有技术中，用于航空发动机燃烧室火焰筒基本的冷却方式有气膜冷却、冲击冷却(英文为:impingement cooling)、发散冷却(英文为:effusion cooling)等,其中:冲击冷却是一种通过高速气流冲击壁面来降低壁面温度的方式。
[0005]双层壁(英文为:double wall)冷却结构可以同时引入两种或几种基本的冷却方式，其中:冲击-发散冷却形式是将冲击冷却、发散冷却技术与双层壁结构相结合的一种高效冷却方式。发散冷却中较为多见的冷却方式为多斜孔发散冷却，多斜孔发散冷却是指在火焰筒壁面打出大量直径很小的斜孔，冷却气流(简称:冷却气或冷气)通过小孔入射到高温燃气形成的高温主流中去，将高温主流与壁面隔离，起到保护壁面的作用的冷却结构。
[0006]冲击-多斜孔发散冷却结构是一种同时应用了冲击冷却以及多斜孔发散冷却技术的结构，如图1?图3所示，现有技术中燃烧室内的冲击-多斜孔发散冷却结构中的火焰筒包括浮动瓦块I和承力壳体2两层结构，其中:外层的承力壳体2采用整体为环状的结构(简称为:整环结构)，内层如图2所示的浮动瓦块1，其通过螺钉与承力壳体2连接。若干块浮动瓦块I拼接形成整环结构。
[0007]如图2所示，冲击-多斜孔发散冷却结构中外层的承力壳体2上分布着垂直于内层壁面的冲击孔21，内层的浮动瓦块I与高温燃气接触，浮动瓦块I上密集分布着多个斜孔(简称:多斜孔)。燃烧室工作时，冷却气流通过冲击孔21形成高速气流冲击浮动瓦块I后由多斜孔110流出，在浮动瓦块内侧(该侧为浮动瓦块接近高温燃气的一侧)130形成冷却气膜。
[0008]现有技术中，为了缩短加工周期，降低加工成本,火焰筒的浮动瓦块需要通过整体铸造的方式加工成型。
[0009]现有技术至少存在以下技术问题:
[0010]在实现浮动瓦块上的多斜孔与浮动瓦块整体铸造成型的尝试中本领域技术人员发现:由于如图2所示浮动瓦块带有弧度，导致各个多斜孔110轴线互相不平行，造成拔模过程中型芯相互干涉，最终影响浮动瓦块整体铸造，导致浮动瓦块整体铸造难度较大。实用新型内容
[0011]本实用新型的其中一个目的是提出一种发动机结构件以及设置该发动机结构件的发散冷却结构，解决了现有技术存在拔模过程中型芯相互干涉，导致浮动瓦块整体铸造难度较大的技术问题。本实用新型优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
[0012]为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案:
[0013]本实用新型实施例提供的发动机结构件，包括板体以及贯穿所述板体的至少两个导流通孔，其中:
[0014]所述导流通孔为斜孔，所述导流通孔的出流方向彼此互相平行。
[0015]在一个优选或可选地实施例中，所述发动机结构件为发动机的浮动瓦块。
[0016]在一个优选或可选地实施例中，每个所述导流通孔的入流方向均与其出流方向相重合，且所述导流通孔的横截面外轮廓为圆形、椭圆形或多边形。
[0017]在一个优选或可选地实施例中，所述导流通孔的横截面外轮廓为圆形或椭圆形，且不同的所述导流通孔的轴心线彼此相平行。
[0018]在一个优选或可选地实施例中，所述导流通孔的孔径为0.5mm?3mm。
[0019]在一个优选或可选地实施例中，所述导流通孔沿所述浮动瓦块的厚度方向贯穿所述浮动瓦块的内侧表面以及外侧表面，所述浮动瓦块的内侧表面以及外侧表面均为曲面；
[0020]所述内侧表面为所述浮动瓦块接近高温燃气的一侧表面。
[0021 ] 在一个优选或可选地实施例中，所述导流通孔的入流方向与所述导流通孔所在的所述浮动瓦块的外侧表面的切面的最小夹角为15°?60°。
[0022]在一个优选或可选地实施例中，所述夹角为30°。
[0023]本实用新型提供的发散冷却结构，包括内层壳体以及外层壳体，其中:
[0024]所述内层壳体为本实用新型任一技术方案提供的发动机结构件；
[0025]所述外层壳体上设置有至少两个冲击孔，由所述冲击孔流出的冷却气流能流入所述导流通孔并从所述导流通孔流出后在所述内层壳体接近高温气体的一侧表面形成冷却气膜；
[0026]所述冲击孔沿竖直方向落在所述内层壳体上的投影位于相邻的两个所述导流通孔之间。
[0027]在一个优选或可选地实施例中，所述外层壳体以及所述内层壳体之间的间距为Imm?5mm,所述冲击孔的孔径为0.5mm?3mm。
[0028]在一个优选或可选地实施例中，所述冲击孔的入流方向与所述冲击孔所在的所述外层壳体远离所述内层壳体的一侧表面的切面的最小夹角为80°?100°。
[0029]在一个优选或可选地实施例中，所述内层壳体为浮动瓦块，所述外层壳体为承力壳体，
[0030]在一个优选或可选地实施例中，所述导流通孔的横截面外轮廓为圆形或椭圆形，且所述导流通孔的轴心线与所述浮动瓦块的轴向方向之间存在夹角。
[0031]基于上述技术方案，本实用新型实施例至少可以产生如下技术效果:
[0032]采用整体铸造成型工艺制造本实用新型提供的发动机结构件(优选为浮动瓦块)时，由于导流通孔(该导流通孔数目较多且均为斜孔，故而也可以称为多斜孔)的出流方向彼此互相平行，所以拔模时，只要沿着导流通孔的出流方向或与导流通孔的出流方向相平行的方向拔模，就可以顺利地将位于每个导流通孔内且支撑每个导流通孔的膜体(例如:蜡膜)嵌在导流通孔内的部分(该部分也称为:型芯)从导流通孔内拔出，避免了拔模过程中型芯相互干涉的现象发生，故而降低了浮动瓦块等发动机结构件整体铸造的难度，所以解决了现有技术存在拔模过程中型芯相互干涉，导致浮动瓦块整体铸造难度较大的技术问题。
[0033]同时，由于导流通孔为斜孔，故而当冷却气流从导流通孔流过时，流出的气流更贴近发动机结构件的表面，更易在发动机结构件的表面形成冷却气膜，故而可以改善冷却气流的冷却效率，提高发动机结构件的可靠性。
[0034]本实用新型提供的优选技术方案与现有技术相比至少可以产生如下技术效果:
[0035]1、所有的导流通孔轴向方向一致，不影响蜡模从模具中顺利拔出，可以实现浮动瓦块乃至所有应用本技术方案的发动机结构件整体铸造加工，从而缩短加工周期，降低加工成本。
[0036]2、浮动瓦块具有一定的弧度，为了保证所有多斜孔轴线互相平行，多斜孔的轴心线与浮动瓦块轴向产生一个夹角，该夹角的存在一方面可以增加壁面换热面积，另一方面可以提高气膜贴壁效果，进而增强对壁面的冷却效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0038]图1为现有技术中提供的火焰筒与机匣之间位置关系的示意图；
[0039]图2为现有技术中火焰筒的承力壳体以及浮动瓦块之间位置关系的示意图；
[0040]图3为现有技术中冲击孔沿竖直方向落在浮动瓦块上的投影与浮动瓦块上的多斜孔之间位置关系的示意图；
[0041]图4为本实用新型实施例的一种实施方式提供的发散冷却结构的内层壳体以及外层壳体之间位置关系的示意图；
[0042]图5为本实用新型实施例提供的浮动瓦块上导流通孔的示意图；
[0043]附图标记:1、浮动瓦块；11、板体；110、多斜孔；12、导流通孔；130、内侧；13、内侧表面；14、外侧表面；2、承力壳体；21、冲击孔；22、投影；L1、轴心线；L2、轴心线；L3、轴心
线；α、夹角。
【具体实施方式】
[0044]下面可以参照附图图1?图5以及文字内容理解本实用新型的内容以及本实用新型与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本实用新型的一些可选实施例的方式，对本实用新型的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。需要说明的是:本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本实用新型的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓:可以将本实用新型提供的任一技术手段进行替换或将本实用新型提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本实用新型提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。
[0045]本实用新型实施例提供了一种便于拔模、制造难度小的发动机结构件以及设置该发动机结构件的发散冷却结构。
[0046]下面结合图4?图5对本实用新型提供的技术方案进行更为详细的阐述。
[0047]如图4?图5所示，本实用新型实施例所提供的发动机结构件，该发动机结构件优选为发动机的浮动瓦块1，其包括板体11以及贯穿板体11的至少两个导流通孔12，导流通孔12的具体数目可以根据需要来设定，其中:
[0048]导流通孔12为斜孔，导流通孔12的出流方向即流体流出的方向彼此互相平行。导流通孔12的入流方向即流体流入的方向优选为彼此也互相平行。
[0049]当采用整体铸造成型工艺制造本实用新型提供的发动机结构件(优选为浮动瓦块O时，由于导流通孔12的出流方向彼此互相平行，所以拔模时，只要沿着导流通孔12的出流方向或与导流通孔12的出流方向相平行的方向拔模，就可以顺利地将位于每个导流通孔12内且支撑每个导流通孔12的膜体(例如:蜡膜)嵌在导流通孔12内的部分(该部分也称为:型芯)从导流通孔12内拔出，避免了拔模过程中型芯相互干涉的现象发生，故而降低了浮动瓦块I等发动机结构件整体铸造的难度，所以解决了现有技术存在拔模过程中型芯相互干涉，导致浮动瓦块I整体铸造难度较大的技术问题。
[0050]同时，由于导流通孔12为斜孔，故而当冷却气流从导流通孔12流过时，流出的冷却气流更贴近发动机结构件(例如:浮动瓦块I)的表面，更易在发动机结构件的表面形成冷却气膜，故而可以提高冷却气流的冷却效率，改善发动机结构件的可靠性。
[0051]作为一种优选或可选地实施方式，每个导流通孔12的入流方向均与其出流方向相重合，且导流通孔12的横截面外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，导流通孔12的横截面外轮廓优选为圆形，且不同的导流通孔12的轴心线彼此如图4所示相平行即LI Il L2 Il L3。
[0052]由于导流通孔12为斜孔，故而其入流端口以及出流端口均为椭圆形，但其横截面(横截面为与旋转体的轴心线垂直的截面)为圆形。
[0053]当然，每个导流通孔12的入流方向与其出流方向之间也可以存在夹角。此时，不仅需要沿着导流通孔12的入流方向的反方向拔一次模，而且需要沿着导流通孔12的出流方向拔一次模。
[0054]导流通孔12的横截面的形状也可以为正方形、长方形或者五边形等形状。
[0055]作为一种优选或可选地实施方式，导流通孔12的横截面外轮廓为圆形时，导流通孔12的孔径为0.5mm?3mm,例如可以为1.75_。
[0056]冷却气流通过上述孔径的导流通孔12后，更容易在浮动瓦块I的表面形成冷却气膜。
[0057]作为一种优选或可选地实施方式，导流通孔12沿浮动瓦块I的厚度方向贯穿浮动瓦块I的内侧表面(内侧表面为浮动瓦块I接近高温燃气的一侧表面)以及外侧表面，浮动瓦块I的内侧表面以及外侧表面均为曲面。
[0058]上述形状的浮动瓦块I与承力壳体2配合使用时，其内侧表面与承力壳体2之间会形成一定间隙，有利于从承力壳体2进入的冷却气流流动一定距离后更为分散、均匀地进入导流通孔12。承力壳体2以及浮动瓦块I之间的间距可以为Imm?5mm,优选为1.5mm。作为一种优选或可选地实施方式，如图5所示，导流通孔12的入流方向与导流通孔12所在的浮动瓦块I的外侧表面的切面的最小夹角α (如果将进入导流通孔12的冷却气流当作光线的话，该夹角α可以视为:入射角)当导流通孔12为圆孔或椭圆孔时，该夹角α优选为导流通孔12的轴心线与该轴心线在浮动瓦块I上的投影的切线的夹角。该夹角α为15°?60°，例如:该夹角α可以为30°。
[0059]上述夹角α可以保证冷却气流以较小的阻力进入导流通孔12，避免冷却气流的气动损失。
[0060]由于每个导流通孔12的入流方向均与其出流方向相重合，故而导流通孔的出流方向与导流通孔所在的浮动瓦块的内侧表面的切面的最小夹角α也可以为15°?60°。
[0061]本实用新型实施例提供的发散冷却结构包括内层壳体以及外层壳体，夕卜层壳体优选为承力壳体2,内层壳体优选为浮动瓦块1，其中:
[0062]浮动瓦块I为本实用新型任一技术方案提供的发动机结构件。
[0063]承力壳体2上设置有至少两个冲击孔21，该冲击孔21优选为圆柱形孔，其孔径可以为0.5mm?3mm。由冲击孔21流出的冷却气流能流入导流通孔12并从导流通孔12流出后在浮动瓦块I接近高温气体(例如:高温燃气)一侧表面形成冷却气膜。
[0064]冲击孔21沿竖直方向落在浮动瓦块I上的投影位于相邻的两个导流通孔12之间。
[0065]承力壳体2设置冲击孔21的区域以及浮动瓦块I设置导流通孔12的区域之间的间距优选为Imm?5mm。
[0066]图4和图5中高温燃气以及冷却气主要沿浮动瓦块I以及承力壳体2的轴向方向流动。
[0067]上述结构可以使冲击孔21流出的冷却气流较为分散、均匀的进入不同的多个导流通孔12，进而在浮动瓦块I接近高温燃气的一侧表面形成厚度均一，连续性更好的冷却气膜，进而有助于提高冷却气流的冷却效率以及浮动瓦块I的耐热性、可靠性。
[0068]为实现承力壳体2以及浮动瓦块I两者的固定连接，可以在浮动瓦块I铸造过程中一并形成连接柱，将连接柱加工出外螺纹之后，让连接柱上存在外螺纹的部分穿过承力壳体2上的安装孔并与定位螺母相配合，从而可以实现承力壳体2以及浮动瓦块I的固定连接。当然，承力壳体2以及浮动瓦块I的固定连接方式并不仅限于采用前文公开的方式(例如:可以采用焊接或螺钉、螺柱连接)。
[0069]作为一种优选或可选地实施方式，冲击孔21的入流方向与冲击孔21所在的承力壳体2远离浮动瓦块I的一侧表面的切面的最小夹角为80°?100° ,优选为90°。
[0070]上述结构冷却气流进入冲击孔21的过程中阻力小，气动损失少，故而有利于冷却气流顺畅、快速的进入冲击孔21。
[0071]当然，发动机结构件也可以为发动机的浮动瓦块I之外的其他发动机零部件。
[0072]上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解:优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。
[0073]如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓:“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明夕卜，上述词语并没有特殊的含义。
[0074]同时，上述本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为:能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为:不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
[0075]另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
[0076]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
【权利要求】
1.一种发动机结构件，其特征在于，包括板体以及贯穿所述板体的至少两个导流通孔，其中: 所述导流通孔为斜孔，所述导流通孔的出流方向彼此互相平行；所述发动机结构件为发动机的浮动瓦块；每个所述导流通孔的入流方向均与其出流方向相重合，且所述导流通孔的横截面外轮廓为圆形或椭圆形；不同的所述导流通孔的轴心线彼此相平行； 所述导流通孔沿所述浮动瓦块的厚度方向贯穿所述浮动瓦块的内侧表面以及外侧表面，所述浮动瓦块的内侧表面以及外侧表面均为曲面； 所述内侧表面为所述浮动瓦块接近高温燃气的一侧表面； 所述导流通孔的入流方向与所述导流通孔所在的所述浮动瓦块的外侧表面的切面的最小夹角为15°?60°。
2.根据权利要求1所述的发动机结构件，其特征在于，所述导流通孔的孔径为0.5mm?3mm ο
3.根据权利要求1所述的发动机结构件，其特征在于，所述夹角为45°。
4.一种发散冷却结构，其特征在于，包括内层壳体以及外层壳体，其中: 所述内层壳体为权利要求1一 3任一所述发动机结构件； 所述外层壳体上设置有至少两个冲击孔，由所述冲击孔流出的冷却气流能流入所述导流通孔并从所述导流通孔流出后在所述内层壳体接近高温气体的一侧表面形成冷却气膜； 所述冲击孔沿竖直方向落在所述内层壳体上的投影位于相邻的两个所述导流通孔之间。
5.根据权利要求4所述的发散冷却结构，其特征在于，所述外层壳体以及所述内层壳体之间的间距为Imm?5mm,所述冲击孔的孔径为0.5mm?3mm。
6.根据权利要求4所述的发散冷却结构，其特征在于，所述冲击孔的入流方向与所述冲击孔所在的所述外层壳体远离所述内层壳体的一侧表面的切面的最小夹角为80°?100。。
7.根据权利要求4或5或6所述的发散冷却结构，其特征在于，所述外层壳体为承力壳体。
【文档编号】F02C7/00GK203769943SQ201320859407
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】李校培, 李玉龙, 范仁钰, 李敏 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司