本发明涉及航空发动机，尤其是涉及一种用于航空发动机低污染燃烧室头部的微通道冷却方法。
背景技术：
低污染燃烧室的研发是降低航空发动机污染排放的关键，因为航空发动机的污染物主要来源于燃烧室。随着人民环保意识的增强和能源问题的日益突出，控制燃烧尾气排放已经成为航空发动机设计的重要原则。
为了减少航空发动机燃烧尾气中氮氧化物、碳氧化物等大气污染物排放，目前国内外设计低污染燃烧室主要采用分级燃烧的概念，如双环预混旋流taps技术、燃烧贫油预混预蒸发lpp技术、富油‐淬熄‐贫油技术rql等，将燃烧室分为几个燃烧区，通过控制各区燃油和空气的油气比，使燃烧室在各个工况下的污染排放均处于较低水平。但是，低污染燃烧室的正常工作却面临着头部冷却不足的问题。低污染燃烧室主要的空气用于头部燃料/空气的掺混，极少的空气可用于头部结构冷却，且头部仅靠简单的空气对流换热所能取得的冷却效果十分有限，极易烧毁头部零部件难以满足航空发动机低污染燃烧室头部的冷却需求。且随着航空发动机高推重比、高马赫数的发展，航空发动机燃烧室头部高温问题更加突出。
为了保证航空发动机低污染燃烧室头部的工作寿命，除了在其关键结构的壁面喷涂隔热涂层外，还要进行其它必要的冷却，以更好解决低污染燃烧室头部结构的冷却问题，保证燃烧室的正常工作。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于航空发动机低污染燃烧室头部的微通道冷却方法。
本发明包括以下步骤：
1)在用于航空发动机低污染燃烧室预混头部的分级扩张台阶内部开设微小冷却微通道，并采用冷却剂对燃烧室头部结构进行冷却；
在步骤1)中，所述冷却剂可采用航空发动机冷态航空煤油作为冷却剂。
2)在冷却过程中，冷却剂先流经微通道结构冷却燃烧室头部，再喷入燃烧室头部预混级与空气进行掺混，并参与燃烧室的燃烧；
3)冷却剂从冷却油路流到入口总流道，然后分散开流经环状分布的各条微通道，对燃烧室头部整圈分级扩张台阶的壁面进行冷却，接着汇总到主燃级燃油总流道再与主燃级油路的燃油汇总喷孔并喷入主混合器，最后和空气掺混参与燃烧。
在步骤3)中，所述冷却油路是为燃烧室头部结构的冷却提供冷却剂。所述入口总流道和主燃级燃油总流道的外形呈环状，入口总流道和主燃级燃油总流道与冷却微通道的两个末端相接，用于冷却剂进出汇总；所述冷却微通道内嵌于分级扩张台阶的内部，每条微通道的水力当量直径小于或等于1mm，冷却微通道的横截面形状为矩形或其它形状。每条微通道沿着分级扩张台阶与预燃级和主燃级相邻的壁面轮廓开设，整体的多条微通道环绕头部呈环状分布；各条微通道的两端上接入口总流道，下接主燃级燃油总流道，整体构成连通的流动腔体。
所述喷孔可采用环形多点喷孔，喷孔是沿着主燃级燃油总流道朝向主混合器一侧的壁面环状开设的一圈小孔，孔径0.8～2mm，相邻两点小孔的中心距离不超过5mm，孔的方向正对着主旋流器。
冷却过程一方面可对分级扩张台阶壁面进行冷却，防止头部结构因高温而损坏，另一方面使冷态航空煤油自身吸热提高温度，促进燃料蒸发、掺混，提高燃料的燃烧效率。
在燃烧室预混头部的分级扩张台阶内部开设微小冷却微通道，并采用航空发动机冷态航空煤油作为冷却剂，对燃烧室头部结构进行高效冷却。本发明的主要结构有：冷却油路、入口总流道、冷却微通道、主燃级油路、主燃级燃油总流道和环形多点喷孔。冷却过程中，冷态航空煤油先流经微通道结构冷却燃烧室头部，再喷入头部预混级与空气进行掺混，最后参与燃烧室的燃烧。
与现有的用于航空发动机低污染燃烧室头部的微通道冷却方法相比，本发明针对传统低污染燃烧室头部结构具有以下优点：
1)本发明一方面采用微通道结构增大冷却剂和壁面对流换热的比表面积，大大提高冷却剂的换热效果，对燃烧室壁面起到高效冷却的作用；另一方面采用燃气轮机冷态燃油作为冷却剂，先吸热再燃烧，促进燃油的蒸发掺混，提高燃烧效率。
2)内嵌冷却微通道的方式对燃烧室头部结构进行冷却，增大冷却剂和燃烧室壁面对流换热比表面积，高效提升冷却效果，保护低污染燃烧室头部结构不被烧蚀，避免了低污染燃烧室头部冷却不足的问题。
3)采用燃气轮机冷态燃料作为冷却系统的冷却剂，燃料在冷却燃烧室头部结构壁面的过程中吸热升温，促进其蒸发掺混，既能冷却高温升的头部结构，又能充分利用燃烧室热量，提高燃烧效率。
4)本发明采用壁面微通道冷却的方式，加大冷却换热的比表面积，对燃烧室头部结构进行高效降温，防止其由于壁面过热而带来损坏。同时采用燃料作为冷却剂，燃料先吸热再燃烧，对燃烧室热量进行回收利用，有助于提高燃烧效率，从而提升整体系统的能量利用率。
5)本发明对高温升、低污染的先进航空发动机燃烧室的研发具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的结构轴向剖视图。
图2为图1中a-a方向的剖视图。
图3为使用本发明的航空发动机低污染燃烧室头部结构图。
在图1～3中，各标记为：1是冷却油路，2是入口总流道，3是冷却微通道，4是主燃级总流道，5是主燃级油路，6是环形多点喷孔，7是分级扩张台阶，8是主混合器，9是预燃级油路，10是双级旋流器，11是预燃喷嘴，12是文氏管，13是主燃旋流器。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1～3，本发明实施例包括以下步骤：
1)在用于航空发动机低污染燃烧室预混头部的分级扩张台阶7内部开设微小冷却微通道，并采用冷却剂对燃烧室头部结构进行冷却；所述冷却剂采用航空发动机冷态航空煤油作为冷却剂。
2)在冷却过程中，冷却剂先流经微通道结构冷却燃烧室头部，再喷入燃烧室头部预混级与空气进行掺混，并参与燃烧室的燃烧；
3)冷却剂从冷却油路1流到入口总流道2，然后分散开流经环状分布的各条微通道，对燃烧室头部整圈分级扩张台阶7的壁面进行冷却，接着汇总到主燃级燃油总流道5再与主燃级油路4的燃油汇总喷孔6并喷入主混合器8，最后和空气掺混参与燃烧。所述冷却油路1是为燃烧室头部结构的冷却提供冷却剂。所述入口总流道2和主燃级燃油总流道4的外形呈环状，入口总流道2和主燃级燃油总流道4与冷却微通道3的两个末端相接，用于冷却剂进出汇总；所述冷却微通道3内嵌于分级扩张台阶7的内部，每条微通道的水力当量直径小于或等于1mm，冷却微通道3的横截面形状为矩形或其它形状。每条微通道沿着分级扩张台阶7与预燃级和主燃级相邻的壁面轮廓开设，整体的多条微通道环绕头部呈环状分布；各条微通道的两端上接入口总流道2，下接主燃级燃油总流道4，整体构成连通的流动腔体。
所述喷孔6采用环形多点喷孔，喷孔6是沿着主燃级燃油总流道4朝向主混合器8一侧的壁面环状开设的一圈小孔，孔径0.8～2mm，相邻两点小孔的中心距离不超过5mm，孔的方向正对着主旋流器13。
冷却过程一方面可对分级扩张台阶6壁面进行冷却，防止头部结构因高温而损坏，另一方面使冷态航空煤油自身吸热提高温度，促进燃料蒸发、掺混，提高燃料的燃烧效率。
在燃烧室预混头部的分级扩张台阶7内部开设微小冷却微通道，并采用航空发动机冷态航空煤油作为冷却剂，对燃烧室头部结构进行高效冷却。本发明的主要结构有：冷却油路1、入口总流道2、冷却微通道3、主燃级油路4、主燃级燃油总流道5和环形多点喷孔6。冷却过程中，冷态航空煤油先流经微通道结构冷却燃烧室头部，再喷入头部预混级与空气进行掺混，最后参与燃烧室的燃烧。
本发明实施例采用内嵌微通道结构的冷却方法对燃烧室头部壁面进行高效冷却，保证燃烧室的正常工作。
该航空发动机低污染燃烧室头部结构主要由一个中心扩散燃烧的预燃级和一个同轴预混燃烧的主燃级组成，两级通过一定高度的分级扩张台阶7隔开。预燃级主要由预燃级油路9、双级旋流器10、预燃喷嘴11和文氏管12组成，起动和低工况时通过扩散燃烧在分级扩张台阶7处获得稳定的火焰，并当燃气轮机转到适当的工况时点燃主燃级的预混燃烧。主燃级主要由主燃级油路5、主燃级总流道4、环形多点喷孔6、主混合器8和主燃旋流器13组成，对燃油和空气进行事先掺混后再进行预混燃烧，从而获得较低水平的污染排放。
但该燃烧室头部长时间工作时，假如没有适当的冷却，火焰稳定在分级扩张台阶7附近易造成燃烧室头部高温，最大温度可达2000k左右，极易烧毁零部件。本发明在分级扩张台阶7内嵌微通道结构，对其进行冷却，
本发明的主要结构有：冷却油路1、入口总流道2、冷却微通道3、主燃级油路4、主燃级燃油总流道5和环形多点喷孔6。六者腔体依次连通，使冷却剂在进出该冷却结构的过程中呈“汇总-分散-汇总”形式的流动。
本发明是在燃烧室头部预燃级与主燃级进行正常供油燃烧的同时，通过冷却油路供油进入微通道结构进行头部冷却。本发明以航空发动机冷态燃料作为冷却剂，冷却剂先从冷却油路1流入入口总流道2，再从入口总流道2分散流入各条细长冷却微通道3，接着汇总到另一端的主燃级燃油总流道4，与主燃级油路5进来的燃油汇总，最后通过环形多点喷孔5注入主混合器7与空气掺混，参与燃烧室内的主燃级燃烧。
冷却剂在分级扩张台阶7内部沿着微通道流动的过程中，与微通道壁面进行强制对流换热，对工作加热的高温升的头部结构进行冷却。微通道内流体边界层厚度小，扩散阻力小，且微通道增大了冷却剂和燃烧室壁面对流换热的比表面积，集成的微通道增强了对流换热系数，对壁面起到高效冷却的效果，可称为一种燃烧室先进冷却方式。
同时，航空发动机燃料作为冷却剂，先冷却头部结构，再参与主燃级燃烧。燃料流经燃烧室头部微通道的过程中，回收燃烧室多余热量，由于自身吸热升温，注入主混合器8和空气预混时可促进自身的蒸发，提高燃烧室的燃烧效率，提升了整体能量的利用率。
本发明以航空发动机冷态燃料为冷却剂，以微通道系统为冷却途径，对高温升的燃烧室头部结构进行高效冷却，防止头部结构因为过热而受到损坏，并对燃烧室余热进行回收利用，促进燃料蒸发、掺混，提高燃烧效率和整体能量的利用率，为高温升、低污染燃烧室的热防护提出了一种新思路。