一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型是关于航空发动机主燃烧室浮动壁式火焰筒大孔的结构。一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，该结构主要由导流边、搭接密封凸台、大孔边缘气膜孔构成。通过瓦片搭接密封凸台与承力壁进行搭接配合实现冷却气密封，大孔搭接密封凸台有利于保证大孔的刚性，大大减小瓦片大孔在热态中的变形量，不会影响燃烧室的工作性能；同时导流边与承力壁之间的预留间隙也能保证工作中浮动瓦片由于热膨胀与承力壁产生的相对位移，便于瓦片在热态下膨胀释放热应力，瓦片的导流边的引流作用能保证射流气体的穿透深度与射流角度，同时温度低、速度快的射流气有利于大孔壁面冷却；瓦片大孔周边单独排列了一圈气膜孔，进一步降低大孔边缘温度。
【专利说明】一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及航空发动机领域，主要涉及主燃烧室浮动壁式火焰筒结构方案。【背景技术】
[0002]随着发动机推重比不断提高，燃烧室的温升也不断提高，但火焰筒的冷却气量却明显降低，新一代发动机燃烧室的冷却空气量比上代发动机燃烧室大幅下降，而温升却显著提高，同时寿命、可靠性及全寿命周期维护成本控制等要求更加严格。为了进一步降低火焰筒壁温，传统单一的冷却形式已经不能满足使用需求，浮动壁结构由于其采用了将承热与承力件分开的独特思想，有利于采用先进的复合冷却结构，能有效降低了火焰筒壁温，提高火焰筒寿命，在军、民发动机上都获得了广泛应用。美国普惠(P&W)公司于上世纪七十年代开始使用浮动壁冷却结构，浮动壁结构的典型代表机型有V2500、PW4084、PW6000等主燃烧室火焰筒。同时随着发动机性能的不断提升，涡轮部件的工作环境更趋恶劣，对燃烧室出口温度场品质的要求将更为严格和苛刻。
[0003]为了要获得好的燃烧性能及出口温度分布，现有火焰筒主要按分区进行设计，分为头部、主燃区、掺混区，为实现主燃区及掺混区的良好混合，火焰筒的主燃孔、掺混孔必需经过精心布局与设计才能改善主燃烧室性能及出口温度分布品质，提高涡轮寿命。传统的大孔设计主要采用带翻边的套管结构形式，该结构能保证射流空气的穿透深度与穿透角度确保燃烧室性能。由于浮动壁结构特点，在实际使用过程中由于瓦片热膨胀引起与承力壁相对滑移，导致配合间隙变化不均致使瓦片局部过热，出现局部氧化、烧蚀及烧穿等现象，这些现象在瓦片大孔边缘出现的概率更高，严重影响浮动瓦片使用寿命。因此充分高效的利用冷却空气，降低配合间隙变化对瓦片温度的影响已经成为火焰筒冷却设计的难点。目前我国的浮动壁技术起步阶段，尚未深入研究，目前也面临上述同样的问题。
[0004]为了降低瓦片大孔的温度，最初在浮动壁大孔周边增加扰流柱或者散热肋，随着冷却形式的发展采用在大孔周边增加气膜孔的方式。虽然通过增加大孔周边的换热面积与气膜孔有利于降低大孔边缘温度，但该结构大孔内气流通道长度相对于大孔内径过短，会影响大孔射流空气的穿透深度与射流角度，直接影响到燃烧室性能，特别是出口温度分布，不利于涡轮冷却设计。
[0005]为了保证主燃烧室性能的同时还要降低孔边缘的温度，同时需考虑瓦片大孔与火焰筒承力壁的配合问题，保证其受热后能自由浮动，在设计中采用将导流边、搭接密封凸台与瓦片大孔进行一体化设计，在搭接密封凸台周围布置气膜孔，既能保证燃烧室的性能要求，又能有效降低间隙对瓦片温度的影响，并且进一步降低瓦片大孔边缘温度。
【发明内容】
[0006]本发明专利的目的:克服现有浮动壁式火焰筒大孔结构缺陷，提供一种浮动壁大孔结构方案。这种浮动壁大孔结构采用带导流边的搭接凸台结构，并在搭接密封凸台周围布置气膜孔，在装配中通过搭接密封凸台与承力壁进行搭接，既能保证大孔的射流穿透深度又能保证瓦片受热膨胀不影响冷却气的密封性能，可以实现保证燃烧室性能的同时，较大幅度降低大孔边缘温度。
[0007]本发明专利的技术方案是:本发明专利浮动壁式火焰筒大孔结构主要由导流边、搭接密封凸台、大孔边缘气膜孔构成，其中导流边和搭接密封凸台与瓦片可以通过铸造、焊接等方式连为一体。通过瓦片搭接密封凸台与承力壁的搭接配合实现冷却气密封，大孔搭接密封凸台有利于保证大孔的刚性，使其工作中不会因为大孔变形引起燃烧室性能变化；导流边与承力壁之间的预留间隙也能保证工作中浮动瓦片由于热膨胀与承力壁产生的相对位移，便于瓦片在热态下膨胀释放热应力，由于该间隙处于燃烧室冷却气一侧，瓦片热膨胀不影响其冷却气密封性，消除了由于瓦片热变形导致间隙不可控产生的冷却漏气。
[0008]一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，包括导流边21、搭接密封凸台22、大孔边缘气膜孔23、浮动瓦片24、火焰筒承力壁32，导流边21采用将孔边缘增加倒圆26的方式做成进气斗的形式，导流边21的高度28为搭接密封凸台22的密封面30到导流边21气流入口之间的距离，为了保证热态下瓦片24能自由膨胀，导流边21壁面与承力壁32孔边之间留有间隙38。搭接密封凸台22位于瓦片24与承力壁32之间，搭接密封凸台高度33与瓦片24和承力壁32间的冲击高度相同，为保证热态下的搭接密封性，搭接凸台22的宽度34需满足瓦片24在最大的热态变形时与承力壁32的相对位移量需求。大孔内径35与燃烧室的流量分配有关，大孔29的气流通道高度31由导流边高度28、搭接密封凸台高度33与瓦片厚度36组成；大孔29周围的气膜孔23均布在大孔搭接密封凸台22周围
[0009]气膜孔23可以是垂直于板面的直孔也可以是斜孔，孔型不受限制，可以是圆形、椭圆形及菱形。
[0010]导流边21边缘倒圆26做成进气斗的形式,倒圆26半径在R0.5mm?Rl.5mm之间，壁厚27在Imm?2.3mm之间，导流边高度28在Imm?2mm,导流边21外径与承力壁32大孔之间的间隙38在0.7mm?1.2mm。
[0011]搭接密封凸台高度33在0.5mm?2.2mm之间；搭接凸台宽度34为搭接凸台22外径与大孔内径35差，在3mm?6mm。
[0012]大孔29内气流通道高度31，由导流边通道高度28、搭接密封凸台高度33与瓦片厚度36组成，大孔气流通道的高度31与大孔内径35之比不能小于0.25。
[0013]大孔29周围的气膜孔23孔数8?16个，该气膜23孔当量直径取0.5mm?1.6mm。
[0014]本发明专利的有益效果是:
[0015]由于导流边的作用可以保证射流空气的射流深度与射流角度，保证燃烧室性能；
[0016]该结构由于将瓦片大孔的搭接间隙设计在承力壁上，并通过瓦片搭接凸台与承力壁进行配合对冷却气进行密封，消除由于瓦片热变形导致间隙不可控产生的冷却漏气量，提高冷却空气的利用率；瓦片大孔周边单独排列了一圈气膜孔，该气膜孔流出的冷却气由于大孔射流气的影响向大孔边缘汇集，进一步降低大孔边缘温度；
[0017]瓦片大孔密封凸台有利于保证大孔的刚性，能有效减少大孔热变形，在工作中不会引起燃烧室性能变化；
[0018]充分利用已有浮动壁结构特点，降低了技术风险；
[0019]预留的导流边与承力壁间隙也能保证工作中浮动瓦片由于热膨胀与承力壁产生的相对位移；[0020]取消了大孔套筒结构，减少了我国现有浮动壁火焰筒零件数量，有利于提高维修效率，降低维修成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1描述了气流在由燃烧室机匣、浮动瓦片、承力壁组成的流路中流动示意图；图2一种带导流边的浮动壁火焰筒大孔结构。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。
[0023]本发明专利浮动壁式火焰筒大孔结构，在工作时二股通道气流通过大孔29形成射流气体进入火焰筒，导流边21的引流作用能保证射流气体的穿透深度与射流角度，同时温度低、速度快的射流气有利于大孔29壁面冷却；当射流气流进入火焰筒时由于突扩的作用壁面附近的气体发散对大孔边缘起到保护作用；瓦片大孔29周边单独排列了一圈气膜孔23，该气膜孔流出的冷却气由于大孔射流气的影响向大孔边缘汇集，进一步降低大孔边缘温度。
[0024]导流边21采用内环边缘倒圆26的方式做成进气斗的形式，该结构可以有效增加大孔29的流量系数，倒圆26半径R0.5mm?Rl.5mm，倒圆26太小不能起到导流作用，太大可能需要增厚导流边21的壁厚，不利于搭接密封凸台22的设计，导流边21的高度28受到装配限制，太高的可能会影响装配，太低可能会降低整个大孔29的通道高度31影响大孔射流气体的角度与深度。
[0025]搭接密封凸台高度33，一般在0.5?2.2mm之间；搭接密封凸台的宽度35需满足瓦片在最大的热态变形时与承力壁32的相对位移量需求，具体尺寸需计算浮动瓦片的最大热态变形量，一般取3mm?6mm。
[0026]大孔29具体直径35与燃烧室的流量分配有关，大孔的气流通道高度31由导流边通道28、搭接密封凸台高度33与瓦片厚度36组成，为了保证大孔29的射流穿透深度与角度，大孔气流通道的高度31与直径35之比不能小于0.25 ;大孔周围的气膜孔23均布在大孔密封凸台22周围，为了起到良好的冷却效果大概布置8?16个，该气膜23孔当量直径一般取0.5mm?1.6_可以是垂直于板面的直孔也可以是斜孔，孔型也不受限制。
[0027]图1是带有导流边的浮动壁火焰筒大孔结构工作时气流流路示意图，从燃烧室扩压器出口来的冷却空气19，经过燃烧室机匣14与火焰筒承力壁32组成的燃烧室二股通道，在经过二股通道时部分冷却空气19经过承力壁32上的冲击孔17，对浮动瓦片24形成冲击冷却，并经过承力壁32与瓦片24形成的冷却通道，部分冷却气充瓦片大孔29周围的气膜孔流出，形成气膜13将火焰筒内的高温燃气18与浮动瓦片24大孔边缘隔离；一部分冷却空气19经过瓦片大孔导流边21的导流作用，通过大孔29形成射流空气16进入火焰筒内。
[0028]图2带导流边的浮动壁火焰筒大孔的结构细节，主要由导流边21、搭接密封凸台22、大孔边缘气膜孔23构成，其中导流边21和搭接密封凸台22与瓦片24通过铸造、焊接等方式连为一体。
【权利要求】
1.一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，包括导流边(21)、搭接密封凸台(22)、大孔边缘气膜孔(23)、浮动瓦片(24)、火焰筒承力壁(32)，其特征在于，导流边(21)采用将孔边缘增加倒圆(26)的方式做成进气斗的形式，导流边(21)的高度(28)为搭接密封凸台(22)的密封面(30)到导流边(21)气流入口之间的距离，导流边(21)壁面与承力壁(32)孔边之间留有间隙(38);搭接密封凸台(22)位于瓦片(24)与承力壁(32)之间，搭接密封凸台高度(33)与瓦片(24)和承力壁(32)间的冲击高度相同，搭接凸台(22)的宽度(34)需满足瓦片(24)在最大的热态变形时与承力壁(32)的相对位移量需求；大孔内径(35)与燃烧室的流量分配有关，大孔(29)的气流通道高度(31)由导流边高度(28)、搭接密封凸台高度(33)与瓦片厚度(36)组成；大孔(29)周围的气膜孔(23)均布在大孔搭接密封凸台(22)周围。
2.根据权利要求1所述的一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，其特征在于，气膜孔(23)可以是垂直于板面的直孔也可以是斜孔。
3.根据权利要求1所述的一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，其特征在于，导流边(21)边缘倒圆(26)做成进气斗的形式，倒圆(26)半径在R0.5mm?Rl.5mm之间，壁厚(27)在Imm?2.3mm之间，导流边高度(28)在Imm?2mm之间，导流边(21)外径与承力壁(32)大孔之间的间隙(38)在0.7mm?1.2_之间。
4.根据权利要求1所述的一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，其特征在于，搭接密封凸台高度(33)在0.5_?2.2_之间；搭接凸台宽度(34)为搭接凸台(22)外径与大孔内径(35)差,在3mm?6mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，其特征在于，大孔(29)内气流通道高度(31)，由导流边通道高度(28)、搭接密封凸台高度(33)与瓦片厚度(36)组成，大孔气流通道的高度(31)与大孔内径(35)之比不能小于0.25。
6.根据权利要求1所述的一种带导流边的浮动壁式火焰筒大孔结构，其特征在于，大孔(29)周围的气膜孔(23)孔数8?16个，该气膜(23)孔当量直径取0.5mm?1.6mm之间。
【文档编号】F23R3/42GK203757767SQ201320809271
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】周孙宇, 黎武, 徐华胜, 汪庆, 王培 , 邱俊源, 刘新生 申请人:中国燃气涡轮研究院