专利名称：涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种涡轴发动机的回流燃烧室，尤其是该涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构。
背景技术：
回流燃烧室是涡轴发动机的重要组成部分。一般而言，回流燃烧室主要由扩压器、 壳体、火焰筒、燃油喷嘴以及点火器等组成。其主要功能就是通过燃油与空气的充分混合燃烧，产生高温高压的燃气来推动涡轮做功，从而达到产生轴功的目的。在回流燃烧室中，火焰筒作为最重要的构件，是组织燃烧的场所，它由火焰筒体和涡流器等部分组成。涡轴发动机回流燃烧室火焰筒由于主燃区容积小，热辐射对火焰筒壁面的影响大，且进口气流速度和二股通道流速低，对流冷却效果差，单位轴向长度的温差很大，容易产生变形和裂纹，特别是在火焰筒的弯曲段，不仅受到高温气体的辐射加热，同时由于气流对弯曲段壁面强烈地冲刷使得此处燃气对壁面的对流换热异常强烈，因此可以说对于回流燃烧室而言，如何能够对火焰筒壁面有效冷却是一个十分棘手的问题，是制约涡轴发动机的一项关键技术。目前，回流燃烧室火焰筒壁面的冷却结构主要是纯气膜冷却结构。其有以下不足 (1)由于冷却效果差使得火焰筒燃烧效率低，燃烧室出口温度低；(2)冷却空气流量大，导致参与燃烧的空气量少，使得燃烧不充分，燃烧温度低，污染严重；(3)冷却效果差，导致火焰筒壁面温度过高，壁面温度梯度大，容易造成火焰筒断裂，使用寿命减少。为了进一步提高回流燃烧室火焰筒的壁面冷却效果，国外的研究人员开发了多种冷却方式，并申请了一些专利，其核心思想和采取的措施均是围绕提高回流燃烧室内壁气膜的均勻性开展的。例如技术(文献1)提出了在回流燃烧室火焰筒壁面直管段和弯曲段均采用纯发散冷却结构，使得在回流燃烧室直管段和弯曲段壁面均能够形成均勻的气膜，从而可以有效降低燃烧室壁面温度。但该技术的冷却效果不高，尤其是在弯曲段由于内壁面受到高温气流的冲刷而使得气膜不够稳定均勻，造成弯曲段壁面温度过高。技术2 (美国专利US7451600B2) 对回流燃烧室火焰筒头部的冷却结构进行了改进，优化了火焰筒头部发散孔的结构及布置方式，从而提高了对火焰筒头部的冷却。但该技术仅是从提高回流燃烧室头部的冷却效果而言，并未对火焰筒整体的冷却结构形式进行改进。技术3 (美国专利US7624577B2)针对采用全发散冷却结构的回流燃烧室火焰筒掺混孔处的发散孔进行了优化，提高了掺混孔附近发散孔气流的流量，从而有效降低了掺混孔周围燃烧室壁面的温度。但该结构也是仅对于回流燃烧室发散冷却结构的局部进行了改进。技术4 (美国专利US7509809B2)对回流燃烧室主燃区火焰筒发散冷却结构进行了优化，提高了主燃区发散冷却空气量，从而有效降低了主燃区的壁面温度。但该结构也是仅对发散冷却结构的回流燃烧室局部进行了改进。
实用新型内容本实用新型针对回流燃烧室不同部位流动与换热的特点，对涡轴发动机回流燃烧室壁面不同部位采用不同的复合冷却结构，从而获得回流燃烧室壁面最佳的冷却效果。[0005]为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案一种涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于与冷却空气输送管道连接的进气口，所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁光滑连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁光滑连接的直管段火焰筒内壁；弯曲段火焰筒内壁与弯曲段冲击壁联结以形成弯曲段冲击腔，而直管段冲击壁则与直管段火焰筒内壁通过两个以上的联结部位以对应地形成两个以上的直管段冷却腔；所述直管段火焰筒内壁在与直管段冲击壁相联结的联结部位均设置有舌口背向喷油嘴喷射口的舌片，舌片与直管段火焰筒内壁之间存在气膜狭缝；所述弯曲段冲击壁的壁面开设弯曲段冲击孔，而弯曲段火焰筒内壁的壁面则开设发散孔；组成各直管段冷却腔的直管段冲击壁均设置直管段冲击孔，而组成各直管段冷却腔的直管段火焰筒内壁则开设气膜孔，且气膜孔靠近舌片设置。所述发散孔呈正菱形分布；所述弯曲段冲击孔在弯曲段火焰筒内壁投影的中心恰与由发散孔组成的正菱形的中心重合。所述直管段冲击孔为三排。根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果在回流燃烧室中，火焰筒壁面承受强烈的火焰辐射加热以及高温燃气对壁面强烈的冲刷、撞击作用，使得燃气与壁面间的对流换热大大加强，沿回流燃烧室火焰筒壁面所受热流密度分布极不均勻，壁面承受很大的热应力。传统的纯气膜冷却结构冷却效果差，温度分布不均勻，壁面热应力大。为了解决这个难题，在火焰筒直管段采用冲击+逆向对流+气膜冷却结构，通过冷却空气与直管段壁面冷侧的冲击换热以及冷却空气在冲击腔内部与壁面的对流换热等方式强化了冷却空气与壁面的换热，然后冷却空气再由气膜狭缝流出在火焰筒内壁形成冷却气膜；在弯曲段采用冲击+发散冷却结构，冷却空气首先由冲击孔进入冲击腔，在弯曲段壁面冷侧形成冲击射流，对壁面进行冷却，然后冷却空气通过弯曲壁面上大量的细小发散孔，在里面形成冷却空气与壁面间的对流换热，最后由发散孔流出在弯曲壁面热侧形成均勻稳定的气膜层。两种冷却结构形式在火焰筒直管段和弯曲段的交汇处自然过度，从而保证了此区域壁面温度的均勻。该实用新型根据回流燃烧室火焰筒内部燃气与壁面间流动与换热特点，充分利用了冲击+发散冷却结构以及冲击+逆向对流+气膜冷却结构的流动与换热优势，因而可以有效降低火焰筒壁面的温度以及温度梯度，对提高火焰筒使用寿命有明显的效果。该实用新型的优点在于(1)火焰筒温度梯度小，壁面温度低；(2)冷却效率高，冷却空气量少； (3)冷却空气流动损失小；(4)结构简单，易于实现。
图1是本实用新型所述冷却结构回流燃烧室结构图。图2是本实用新型所述回流燃烧室弯曲段冲击-发散冷却结构展开示意图。图3是本实用新型所述回流燃烧室直管段冲击+逆向对流+气膜冷却结构展开示意图。[0015]以上图中，(1)喷油嘴；(2)涡流器；(3)燃烧室壳体；(4)腔体；(5)直管段冲击壁；(6)弯曲段冲击孔；(7)发散孔；(8)弯曲段冲击壁；(9)弯曲段火焰筒内壁；(10)弯曲段冲击腔；(11)气膜狭缝；(12)直管段火焰筒内壁；(13)舌片；(14)气膜孔；(15)直管段冲击腔；(16)直管段冲击孔。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。如图1至3所示，本实用新型所述涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于与冷却空气输送管道连接的进气口，所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁光滑连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁光滑连接的直管段火焰筒内壁；弯曲段火焰筒内壁与弯曲段冲击壁联结以形成弯曲段冲击腔，而直管段冲击壁则与直管段火焰筒内壁通过两个以上的联结部位以对应地形成两个以上的直管段冷却腔；所述直管段火焰筒内壁在与直管段冲击壁相联结的联结部位均设置有舌口背向喷油嘴喷射口的舌片，舌片与直管段火焰筒内壁之间存在气膜狭缝；所述弯曲段冲击壁的壁面开设弯曲段冲击孔，而弯曲段火焰筒内壁的壁面则开设发散孔；组成各直管段冷却腔的直管段冲击壁均设置直管段冲击孔，而组成各直管段冷却腔的直管段火焰筒内壁则开设气膜孔，且气膜孔靠近舌片设置。如图2所示，其公开了本实用新型所述回流燃烧室弯曲段冲击-发散冷却结构展开示意图，其中所述发散孔呈正菱形分布；所述弯曲段冲击孔在弯曲段火焰筒内壁投影的中心恰与由发散孔组成的正菱形的中心重合。即位于火焰筒内壁上的发散孔呈正菱形排布，而位于冲击壁上的冲击孔居于六个发散孔的中间。如图3所示，其公开了本实用新型所述回流燃烧室直管段冲击+逆向对流+气膜冷却结构展开示意图，其中所述直管段冲击孔为三排。即本实用新型在直管段冲击壁上布置有3排冲击孔，位于直管段内壁上的气膜孔采用静压进气方式。在火焰筒出口采用纯气膜冷却方式。本实用新型在火焰筒头部和直管段采用冲击+逆向对流+气膜冷却结构，弯曲段采用冲击+发散冷却结构。两种冷却结构在直管段与弯曲段的交界处自然过度，从而保证火焰筒内部的气动性能和温度分布的均勻。
权利要求1.一种涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，包括燃烧室壳体、火焰筒以及喷油嘴，喷油嘴支撑在燃烧室壳体上，且喷油嘴的喷射口通过涡流器与火焰筒连接，燃烧室壳体与火焰筒之间设置腔体，该腔体设置有用于与冷却空气输送管道连接的进气口，其特征在于所述火焰筒包括火焰筒外壁以及火焰筒内壁；该火焰筒外壁包括直管段冲击壁以及与直管段冲击壁光滑连接的弯曲段冲击壁，而火焰筒内壁则包括弯曲段火焰筒内壁以及与弯曲段火焰筒内壁光滑连接的直管段火焰筒内壁；弯曲段火焰筒内壁与弯曲段冲击壁联结以形成弯曲段冲击腔，而直管段冲击壁则与直管段火焰筒内壁通过两个以上的联结部位以对应地形成两个以上的直管段冷却腔；所述直管段火焰筒内壁在与直管段冲击壁相联结的联结部位均设置有舌口背向喷油嘴喷射口的舌片，舌片与直管段火焰筒内壁之间存在气膜狭缝；所述弯曲段冲击壁的壁面开设弯曲段冲击孔，而弯曲段火焰筒内壁的壁面则开设发散孔；组成各直管段冷却腔的直管段冲击壁均设置直管段冲击孔，而组成各直管段冷却腔的直管段火焰筒内壁则开设气膜孔，且气膜孔靠近舌片设置。
2.根据权利要求1所述涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，其特征在于，所述发散孔呈正菱形分布；所述弯曲段冲击孔在弯曲段火焰筒内壁投影的中心恰与由发散孔组成的正菱形的中心重合。
3.根据权利要求1所述涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，其特征在于，所述直管段冲击孔为三排。
专利摘要本实用新型公开了一种涡轴发动机的回流燃烧室火焰筒冷却结构，其在燃烧室火焰筒的直管段采用冲击+逆向对流+气膜冷却结构，通过冷却空气与直管段壁面冷侧的冲击换热以及冷却空气在冲击腔内部与壁面的对流换热等方式强化了冷却空气与壁面的换热，然后冷却空气再由气膜狭缝流出在火焰筒内壁形成冷却气膜；在弯曲段采用冲击+发散冷却结构，冷却空气首先由冲击孔进入冲击腔，在弯曲段壁面冷侧形成冲击射流，对壁面进行冷却，接着通过弯曲壁面上大量的细小发散孔，在里面形成冷却空气与壁面间的对流换热，最后由发散孔流出在弯曲壁面热侧形成均匀稳定的气膜层。两种冷却结构形式在火焰筒直管段和弯曲段的交汇处自然过度，以保证此区域壁面温度的均匀。
文档编号F23R3/58GK202203987SQ201120259349
公开日2012年4月25日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者孙德芹, 杨卫华, 郝旭生 申请人:南京航空航天大学