燃油喷嘴及航空发动机的制作方法

1.本公开涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种燃油喷嘴及航空发动机。


背景技术：

2.增材制造技术的引入，使得航空发动机零部件结构不再受到传统加工工艺约束的限制，有了更加广阔的设计空间。增材制造技术已经非常广泛的应用在发动机的诸多部件上，包括喷嘴、叶片、叶片包边、叶盘、燃烧室壁等等。
3.燃油喷嘴是燃气轮机燃烧室中的核心部件之一，其设计除考虑燃烧效率以外，还存在燃油温度控制问题，如燃油结焦、燃油温度与壳体温差过大而导致的材料屈服等，因此如何通过燃油喷嘴的结构设计，主动控制燃油温度值得设计人员关注。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开实施例提供一种燃油喷嘴及航空发动机，能够通过控制燃油在喷嘴出口处的温度，提高燃烧效率，并通过外壳传递给燃油管以热量，从而提高燃油喷嘴的可靠性。
5.在本公开的一个方面，提供一种燃油喷嘴，固定连接于燃烧室外机匣，用于将燃油喷入火焰筒的内部，包括：
6.壳体；
7.燃油管，设置于壳体的内部，用于将燃油从燃烧室外机匣以外导通至火焰筒的内部；以及
8.导热环，设置于壳体和燃油管之间，并被配置为具有设定热阻，导热环的内环面与燃油管的外表面相接触连接，外环面与壳体的内表面相接触连接。
9.在一些实施例中，壳体、导热环和燃油管通过增材制造逐层地创建为一体结构。
10.在一些实施例中，燃油喷嘴还包括：
11.燃油进口，位于燃烧室外机匣的外侧，并连通燃油管的一端；以及
12.喷嘴头部，位于燃烧室外机匣的内侧，部分地伸入火焰筒的内部，并连通燃油管的另一端。
13.在一些实施例中，导热环沿燃油管的轴线方向位于燃烧室外机匣与火焰筒之间，并靠近于燃油管的燃油进口一端。
14.在一些实施例中，导热环的数量为至少三个，至少三个导热环沿燃油管的轴线方向等间隔排列，且至少三个导热环整体具有设定热阻。
15.在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈波浪型，且波浪型的导热环连接于燃油管的一端和连接于壳体的一端经过同一设定平面，设定平面垂直于燃油管的轴线方向。
16.在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈树杈型，且树杈型的导热环的收束端连接于壳体，分杈端连接于燃油管。
17.在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈栅格型，栅格型的导热环的上下底面垂直于燃油管的轴线方向。
18.在一些实施例中，栅格型的导热环包括多个互相平行的第一栅条和多个互相平行的第二栅条，第一栅条和第二栅条均呈直线结构且互相垂直。
19.在一些实施例中，栅格型的导热环包括多个互不相交的第三栅条和多个互不相交的第四栅条，第三栅条与第四栅条均呈曲线结构且互相相交，且第三栅条和第四栅条的拓扑构型由设定热阻确定。
20.在一些实施例中，燃油管的内壁面采用磨粒流加工，燃油喷嘴采用热等静压热处理加工。
21.在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例的燃油喷嘴。
22.因此，根据本公开实施例，能够通过控制燃油在喷嘴出口处的温度，提高燃烧效率，并通过外壳传递给燃油管以热量，从而提高燃油喷嘴的可靠性。
附图说明
23.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
24.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
25.图1是根据本公开一些实施例的航空发动机的燃烧室的剖视角度的结构示意图；
26.图2是根据本公开一些实施例的具有波浪型导热环的燃油喷嘴的剖视角度的结构示意图；
27.图3是根据本公开一些实施例的波浪型导热环的剖视角度的结构示意图；
28.图4是根据本公开一些实施例的具有树杈型导热环的燃油喷嘴的剖视角度的结构示意图；
29.图5是根据本公开一些实施例的树杈型导热环的剖视角度的结构示意图；
30.图6是根据本公开一些实施例的具有栅格型导热环的燃油喷嘴的剖视角度的结构示意图；
31.图7是根据本公开一些实施例的栅格型导热环的剖视角度的结构示意图；
32.图8是根据本公开另一些实施例的具有栅格型导热环的燃油喷嘴的剖视角度的结构示意图；
33.图9是根据本公开另一些实施例的栅格型导热环的剖视角度的结构示意图；
34.图中：
35.1，燃烧室外机匣；2，火焰筒；3，燃油喷嘴；31，壳体；32，燃油管；33，导热环；331，波浪型导热环；332，树杈型导热环；333，栅格型导热环；333a，第一栅条；333b，第二栅条；333c，第三栅条；333d，第四栅条；34，燃油进口；35，燃油头部；
36.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
37.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
38.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
39.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
40.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
41.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
42.申请人研究发现，典型涡扇发动机的燃油喷嘴采用铸造、机械加工等工艺制造，受加工工艺和设计空间的限制，燃油流路设计无法过于复杂，通常燃油在燃油喷嘴中由进油口流入，并直接从喷嘴处喷出。因此燃油喷嘴出口处的燃油温度无法进行有效控制，容易存在燃油结焦问题或限制燃烧效率的提升空间的问题。尤其是燃油喷嘴头部和油管出口之间的温度梯度容易导致热应力集中，从而降低燃油喷嘴的可靠性。
43.针对于此，如图1～9所示：在本公开的一个方面，提供一种燃油喷嘴，固定连接于燃烧室外机匣，用于将燃油喷入火焰筒的内部，包括：
44.壳体；
45.燃油管，设置于壳体的内部，用于将燃油从燃烧室外机匣以外导通至火焰筒的内部；以及
46.导热环，设置于壳体和燃油管之间，并被配置为具有设定热阻，导热环的内环面与燃油管的外表面相接触连接，外环面与壳体的内表面相接触连接。
47.如图1所示，燃油喷嘴的壳体因为部分伸入至火焰筒的内部，因此在火焰筒的高温影响下温度较高，而燃油管则直接与分油环及油箱相连，相应的温度较低。相关的燃油喷嘴中的壳体和燃油管互为独立的结构件，且两者之间存在间隙，因此难以产生热量交换。而本公开通过在燃油喷嘴的壳体和燃油管之间增加导热环作为中间传热结构，使具有较高温度的壳体的热量向具有较低温度的燃油管传导，从而提升了燃油管及其内部燃油的温度，进
而在一定程度上提高了燃烧效率。
48.当然，燃油温度的提高也会带来一定的负面效果，典型的燃油结焦就是由于燃油温度过高所引起的。针对于此，本技术通过对导热环进行形状和尺寸设计，通过限定导热环的热阻，从而在典型工况下，将由导热环传导给燃油管的热量控制在燃油结焦温度以下，以避免燃油喷嘴出现结焦而影响燃油流动与喷出效果。
49.需要说明的是，受航空发动机所处工况的影响，燃烧室内的温度会随之变化，进而导致燃油喷嘴的壳体温度在不同工况下并不一致。而燃油系统，包括油箱、分油环及燃油管等的温度受航空发动机工况变化影响不大。因此，受壳体与燃油管之间温差的影响，导热环在不同工况下将具有不同的热流密度。而由于热阻为导热环的一个固定的物理参数，不会随外界环境变化二变化，因此，为了控制燃油管的温度在燃油结焦温度以下，就需要将导热环的热阻配置为：在航空发动机的最大工况下，也即在壳体与燃油管之间温差最大的情况下，由壳体传导给燃油管的热量使燃油管的温度不超过燃油结焦温度。
50.在一个典型的导热环传传热场景下，忽略空气的热对流效应，并将导热环作为一个整体，假设燃油管的温度为t1，壳体的温度为t2，导热环的内径为r1，外径为r2，导热环材料的导热系数为λ，则有：
51.导热环的温度随半径的变化为：
[0052][0053]
进一步计算导热环的热流密度为：
[0054][0055]
由此，导热环的热阻被相应地配置为：
[0056][0057]
其中，为导热环的热流密度相对于半径的平均平均值：
[0058][0059]
基于上述计算，以航空发动机的最大工况设定壳体的温度t2，并以不高于燃油结焦的温度设定燃油管的温度t1，加之燃油管和壳体的几何参数和材料参数已知，即可根据上式得到导热环热阻的一个近似解析解，再考虑相应的工程影响因素和安全系数，即可相应地配置导热环的热阻。
[0060]
基于上述对导热环的说明，燃油通过燃油进口进入燃油喷嘴后，导热环将燃油喷嘴的壳体温度部分传递给燃油管和燃油，从而使用燃油喷嘴的外部高温对燃油进行预先加热，提高燃油喷嘴出口处的燃油温度，进而提高燃烧效率。而为防止燃油喷嘴中的燃油在高温下发生焦化等不良影响，依据传热计算对导热环进行形状和尺寸设计，以控制壳体传递给燃油管的热量，进而提高喷嘴的可靠性。
[0061]
为了减少导热环与壳体和燃油管之间的接触热阻，并使燃油喷嘴中的壳体、导热环和燃油管可被加工，在一些实施例中，壳体、导热环和燃油管通过增材制造逐层地创建为一体结构。
[0062]
增材制造使得燃油喷嘴不再依赖于铸造件的相互装配，使加工出的产品无须过多考虑装配方面的结构影响，而可以更多地关注产品本技术的物理特性，从而达到材料的更大的利用效率。
[0063]
在一些实施例中，燃油喷嘴还包括：
[0064]
燃油进口，位于燃烧室外机匣的外侧，并连通燃油管的一端；以及
[0065]
喷嘴头部，位于燃烧室外机匣的内侧，部分地伸入火焰筒的内部，并连通燃油管的另一端。
[0066]
上述燃油进口和喷嘴头部可以同燃油喷嘴中的壳体、导热环和燃油管一起由增材制造技术加工而成，也可以被设置为单独的装配件，以便于维修更换。
[0067]
为了在一定程度上限制导热环传递给燃油管的热量，在一些实施例中，导热环沿燃油管的轴线方向位于燃烧室外机匣与火焰筒之间，并靠近于燃油管的燃油进口一端。
[0068]
由于燃油喷嘴靠近于喷嘴头部一端伸入至火焰筒中，其温度较高，而靠近于燃油进口一端的温度则经历了壳体自身的导热影响而降低，因此在靠近于燃油管的燃油进口一端设置导热环，可以更好地限制传递给燃油管的热量。
[0069]
为了提高导热环传递给燃油管的热量沿燃油管中燃油流动方向的均匀性，在一些实施例中，导热环的数量为至少三个，至少三个导热环沿燃油管的轴线方向等间隔排列，且至少三个导热环整体具有设定热阻。
[0070]
当然，考虑到加工难度，导热环的数量可以更多，以进一步提高导热环传递给燃油管的热量沿燃油管中燃油流动方向的均匀性，如图2～3所示，在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈波浪型，且波浪型的导热环连接于燃油管的一端和连接于壳体的一端经过同一设定平面，设定平面垂直于燃油管的轴线方向。
[0071]
波浪型的导热环可以由硬质材料制成，也可以由较软的材料制成，以形成弹簧状的结构，从而更加适应在不同温度下燃油喷嘴内部结构尺寸的热胀冷缩现象。而在增材制造技术下，波浪型的导热环与燃油喷嘴主体可以采用相同材料，而波浪型的导热环的厚度和圈数则由需要传递给燃油管路的温度计算得到。
[0072]
而为了提高燃油管所接收到的热量的均匀性，如图4～5所示，在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈树杈型，且树杈型的导热环的收束端连接于壳体，分杈端连接于燃油管。其中，树杈结构的形状和圈数由需要传递给燃油管路的温度计算得到。
[0073]
如图6～9所示，在一些实施例中，导热环经过燃油管的轴线方向的截面形状呈栅格型，栅格型的导热环的上下底面垂直于燃油管的轴线方向。其中，栅格型的导热环的栅条包括但不限于圆杆、方杆，而圆杆或方杆的直径、密度、数量等参数可由需要传递给燃油管路的温度计算得到。
[0074]
为了使热量在导热环上分布较为均匀，以减少导热环的自身形变，如图6～7所示，在一些实施例中，栅格型的导热环包括多个互相平行的第一栅条和多个互相平行的第二栅条，第一栅条和第二栅条均呈直线结构且互相垂直。
[0075]
而为了更加适应于燃油管的传热需要，如图8～9所示，在一些实施例中，栅格型的导热环包括多个互不相交的第三栅条和多个互不相交的第四栅条，第三栅条与第四栅条均呈曲线结构且互相相交，且第三栅条和第四栅条的拓扑构型由设定热阻基于数值仿真方法计算确定。
[0076]
在一些实施例中，为了提高燃油喷嘴流路表面质量，改善燃油流动特性，燃油管的内壁面采用磨粒流加工，而为了提高零件的综合力学性能，燃油喷嘴可采用热等静压热处理加工。
[0077]
在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例的燃油喷嘴。
[0078]
因此，根据本公开实施例，能够通过控制燃油在喷嘴出口处的温度，提高燃烧效率，并通过外壳传递给燃油管以热量，从而提高燃油喷嘴的可靠性。
[0079]
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
[0080]
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。