用于冷却富油/淬熄/贫油燃烧室头部的复合冷却装置的制作方法

本实用新型涉及复合冷却领域，尤其涉及用于冷却富油/淬熄/贫油燃烧室头部的复合冷却装置。

背景技术：

国际民航组织不断提高对航空发动机污染排放的要求，2010年召开的CAEP/8标准的会议，针对不同压比、不同推力量级的发动机做出了不同的污染排放的规定。从CAEP/2到 CAEP/8，对CO、UHC和颗粒状烟的要求基本没有变化，而对NOx排放的要求越来越严格(赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[J].航空动力学报,2008,23(6):986-996.)。目前，低污染燃烧技术主要有分级燃烧技术、贫油预混预蒸发(Lean Premixed Pre-vaporized， LPP)燃烧技术、富油/淬熄/贫油(Rich burn/Quick quench/Lean burn，RQL)燃烧技术和贫油直喷 (Lean Direction Injection,LDI)燃烧技术等。其中RQL燃烧技术是一种新型低污染燃烧技术 (李杰.先进低氮氧化物排放燃烧室技术分析[J].航空科学技术,2010(4):11-13.)，它的原理是先使燃烧发生在头部富油区，此时含氧中间产物相对低温和低含量，NOx的形成过程有效地被限制，然后通过加入大量空气掺混淬熄，使燃烧快速转换到NOx生成量低的贫油状态，避开接近化学恰当比即NOx生成量高的区域，同时又保证了燃烧室出口CO和UHC的排放不至于过高，达到只降低NOx排放而不影响总燃烧效率的目的。

为保证RQL燃烧室头部为富油环境，头部进气量比常规航空发动机燃烧室少，用于头部冷却的空气量相应减少，因此必须提高RQL燃烧室头部冷却效率以适应该结构的冷却气量。一般燃烧室头部采用冲击强化对流换热技术,冷却气通过头部转接段上的冲击孔冲击冷却挡溅盘，这种单一的冷却方式对空气的利用率比较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供用于冷却富油/淬熄/贫油燃烧室头部的复合冷却装置，采用冲击孔和扰流柱的复合冷却方式，使得冷却效率高，可适应RQL 燃烧室头部进气量少的条件，改善高温工作环境。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

用于冷却富油/淬熄/贫油燃烧室头部的复合冷却装置，包括冲击孔板和扰流柱板；所述冲击孔板和扰流柱板上对应地开设有旋流通道，旋流通道的外周形成有端壁，所述冲击孔板和扰流柱板通过端壁连接；所述冲击孔板上分布有贯穿冲击孔板的冲击孔；所述扰流柱板朝向冲击孔板的一面分布有扰流柱，所述扰流柱与冲击孔交错设置；扰流柱的一端与扰流柱板连接，扰流柱的另一端与冲击孔板相接。

本实用新型还包括头部转接段，所述头部转接段用于安装燃烧室头部的旋流器，头部转接段设于冲击孔板上且与旋流通道相对应。

所述扰流柱板的上下两端还设有引流挡板，所述引流挡板相对于扰流柱向外倾斜。

所述冲击孔板的周向截面形状为扇形。

所述冲击孔板为耐高温的陶瓷基复合材料制成的冲击孔板；所述扰流柱板为耐高温的陶瓷基复合材料制成的扰流柱板。

所述冲击孔的直径为0.75～1mm，相邻的冲击孔间距为2～4mm，所述冲击孔板的厚度为 1.5～2mm。

所述扰流柱的直径为0.75～1mm，扰流柱的长度为1.5～2.5mm，相邻扰流柱的间隔为 2～2.75mm，扰流柱板的厚度为1.5～2.5mm，所述引流挡板的长度为4～4.4mm。

相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

1、一般RQL燃烧室头部未考虑冷却结构，或使用气膜冷却。本实用新型采用冲击冷却和扰流柱冷却的复合冷却方式，实现对于RQL燃烧室头部的高效快速冷却；采用冲击孔结构的冷却方式，结构简单，技术应用成熟；扰流柱能增加换热面积，极大提高对流换热系数；相同冷却气量经过单一的冲击冷却和复合冷却通道，复合冷却结构比单一冷却结构的冷却效率更高，改善了RQL燃烧室头部的工作条件；提高头部材料的热稳定性，改善高温工作环境，提高循环热效率。

2、本实用新型以在相同的空间下实现减少了冷却气用量，以更少的空气用量实现更高效的冷却，可适应RQL燃烧室头部进气量少的条件，解决了RQL燃烧室头部高油气比的需求导致冷却空气减少的问题，可有效预防RQL燃烧室头部壁面材料的烧蚀、失稳，而且有助于实现RQL燃烧室低NOx排放的特点。

附图说明

图1为装有复合冷却装置的RQL燃烧室单头部的整体结构示意图；

图2为复合冷却装置的总体结构示意图；

图3为冲击孔板的正视示意图；

图4为扰流柱板的轴测示意图；

图5为复合冷却装置的剖视结构示意图。

附图说明：冲击孔板1，旋流器2，扰流柱板3，火焰筒4，头部转接段5，冲击孔6，扰流柱7，引流挡板8，端壁9。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，RQL燃烧室单头部装有复合冷却装置，RQL燃烧室单头部包括旋流器2、火焰筒4和复合冷却装置，且复合冷却装置位于旋流器2的外围，火焰筒4设于复合冷却装置的上下两端。

如图1～5所示，在本实施例中，复合冷却装置包括冲击孔板1、扰流柱板3和头部转接段5；其中：

所述冲击孔板1和扰流柱板3上对应地开设有旋流通道，旋流通道的外周形成有端壁9，所述冲击孔板1和扰流柱板3通过端壁9连接；

所述头部转接段5用于RQL安装燃烧室头部的旋流器2，头部转接段5设于冲击孔板1 上且与旋流通道相对应。

所述冲击孔板1上分布有贯穿冲击孔板1的冲击孔6，冲击孔6避开头部转接段5均匀分布；

所述扰流柱板3朝向冲击孔板1的一面分布有扰流柱7，所述扰流柱7与冲击孔6交错设置；扰流柱7的一端与扰流柱板3连接，扰流柱7的另一端与冲击孔板1相接；扰流柱7 之间形成扰流柱通道；

所述扰流柱板3的上下两端还设有引流挡板8，所述引流挡板8相对于扰流柱7向外倾斜。

本实用新型的复合冷却方式为冲击冷却和扰流柱冷却方式，冲击孔6和扰流柱7相互交错，冷却工质经由冲击孔6进入后变成冷却射流冲击扰流柱板3的内壁面；由于端壁9存在，冷却工质汇集后沿扰流柱通道周向流动。

在本实施例中，所述冲击孔板1的周向截面形状为扇形。

所述冲击孔板1为耐高温的陶瓷基复合材料制成的冲击孔板1；所述扰流柱板3为耐高温的陶瓷基复合材料制成的扰流柱板3。本实施例中所述扰流柱板3和冲击孔板1采用硬度高、质量轻的氮化硅高温结构陶瓷材料，以平衡其带来的额外质量，且可提高复合冷却装置的工作寿命。

所述冲击孔6的直径为0.75～1mm，相邻的冲击孔6间距为2～4mm，所述冲击孔板1的厚度为1.5～2mm。

所述扰流柱7的直径为0.75～1mm，扰流柱7的长度为1.5～2.5mm，相邻扰流柱7的间隔为2～2.75mm，扰流柱板3的厚度为1.5～2.5mm，所述引流挡板8的长度为4～4.4mm。

本实施例中根据旋流器2的大小来制定旋流通道的直径为30mm，安装旋流器2的头部转接段5的圆环内径为31mm。

本实施例中，RQL燃烧室中由压气机引入的空气20％由旋流器2并经旋流通道进入富油区，由冲击孔6进入冷却装置的冷却空气量为1％～1.8％。

本实用新型的工作原理如下：

1、复合冷却装置位于旋流器2外围，沿轴向分为冲击冷却和扰流柱冷却两部分。RQL 燃烧室工作时，大部分空气经由旋流器2进入燃烧室与燃油混合，少量空气作为冷却工质经由冲击孔6直接射流冲击作用于与高温燃气直接接触的扰流柱板3的内壁面，形成冷却气膜；由于端壁9的存在，冷却工质充满后沿周向往外流动，扰流柱7极大地增强了对流换热，换热后的冷却工质由上下两侧的引流挡板8引导流出，最后沿火焰筒4向下游流动，如此避免直接进入RQL头部燃烧区，影响热侧的头部流场。

2、冲击孔6的孔径较小，保证大部分来流空气由旋流器2进入RQL燃烧室头部，保证燃烧性能；扰流柱板3上均匀密布的扰流柱7大大增加了对流换热面积，使得冷却效率提高；冲击冷却和扰流柱冷却分别对应RQL燃烧室头部高温的扰流柱板3的内壁面和旋流通道的端壁9的不同热防护的需求，使得冲击孔板1和扰流柱板3在轴向上换热均匀，避免材料在轴向产生较大温度梯度造成热应力危害；且在轴向上对端壁9也有一定的冷却换热效果，使得 RQL燃烧室头部热量分布均匀，保护旋流器2的工作寿命。

本实用新型通过冲击冷却和扰流冷却的复合冷却方式高效冷却RQL燃烧室头部，可防止燃烧室头部烧蚀；而且结构简单，占用RQL燃烧室头部的空间少。