火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机的制作方法

本发明涉及燃气轮机发动机技术领域，特别地，涉及一种火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机。

背景技术：

火焰筒是燃气涡轮发动机燃烧室的关键部件，燃油在火焰筒内部燃烧，靠近火焰筒头部的主燃区燃气平均温度高达(2000-2500)k，而目前普遍采用的高温合金最高工作温度在1300k左右，因此，如何对火焰筒头部进行高效冷却是燃烧室设计中需解决的重要技术问题之一。

现有技术中，一般采用导流板对火焰筒头部进行热防护，导流板固定在头部壁体内侧，起到隔绝主燃区高温辐射的作用，头部壁体上设有用于冷却空气冲击冷却的冲击孔，从而保护火焰筒头部壁体。导流板一侧与冲击孔射流接触，以降低导流板本身温度，另一侧直接与高温燃气接触。但随着燃烧室的发展，主燃区的温度越来越高，由于冷却结构的局限性，导致火焰筒头部结构不可避免地出现变形、烧蚀、裂纹等问题。变形将恶化头部流场，影响燃烧室性能；烧蚀和裂纹将可能进一步形成掉块击伤涡轮部件。此外，为延长火焰筒使用寿命，导流板在工作一段时间后需进行更换，提高了维护成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机，以解决现有的火焰筒头部结构容易高温变形受损而影响火焰筒头部的流场，且维护成本高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种火焰筒头部结构，包括安装于火焰筒入口端上的用于隔绝内部燃气与外部空气的头部壁体以及安装于头部壁体的入口端上的用于使气流形成旋流后引入头部壁体内的旋流结构，头部壁体上设有多个发散孔，且发散孔的中轴线向旋流的旋向倾斜，通过发散孔引导头部壁体外的一部分空气射入头部壁体内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，使头部壁体内的射流和旋流相互作用在头部壁体的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体的内壁面上的壁面旋转气膜，从而实现对头部壁体的保护。

进一步地，发散孔的中轴线在发散孔的法截面上向旋流的旋向倾斜，发散孔的中轴线与发散孔处头部壁体的法线之间的夹角为50度-70度。

进一步地，多个发散孔从头部壁体与旋流结构的边界处沿头部壁体的延伸方向均匀排列至头部壁体的边缘；多个发散孔在头部壁体呈周向均匀分布，且多个发散孔法截面内切圆半径为发散孔中轴线距旋流结构中心的距离。

进一步地，发散孔为圆孔或沿射流的发射方向孔径逐渐变大的喇叭形孔。

进一步地，旋流结构包括一级涡流器，一级涡流器包括多个沿周向间隔设置的一级叶片，多个一级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第一旋流通道，以使气流形成第一旋流后引入头部壁体内。

进一步地，旋流结构还包括安装于一级涡流器的出气端与头部壁体之间二级涡流器，二级涡流器包括多个沿周向间隔设置的二级叶片，多个二级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第二旋流通道，以使气流形成第二旋流后引入头部壁体内；第二旋流比第一旋流靠近头部壁体内壁面。

进一步地，第二旋流的旋向与第一旋流的旋向相反，发散孔的中轴线向第二旋流的旋向倾斜。

进一步地，旋流结构还包括安装于一级涡流器与二级涡流器之间的文氏管，用于引导第一旋流通道产生的第一旋流向头部壁体内的中心区域输送以及第二旋流向头部壁体内的边缘区域输送，以使第二旋流通道产生的第二旋流更贴合于头部壁体的内壁面。

根据本发明的另一方面，还提供一种火焰筒，包括上述火焰筒头部结构。

根据本发明的另一方面，还提供一种燃气轮机发动机，包括权上述火焰筒。

本发明具有以下有益效果：

本发明的火焰筒头部结构，通过旋流结构将气流引入头部壁体内并形成旋流，通过在头部壁体上设置发散孔且发散孔的中轴线向旋流的旋向倾斜，使头部壁体外的一部分空气射入头部壁体内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，进而使头部壁体内的射流和旋流相互作用在头部壁体的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体的内壁面上的壁面旋转气膜，通过壁面旋转气膜隔绝热燃气与头部壁体直接接触并吸收头部壁体的热量，从而对头部壁体的进行冷却防护，避免主燃烧区的高温辐射直接作用于头部壁体上而造成头部壁体高温变形受损而影响火焰筒头部流场，此外，还能减少由于头部壁体温度过高而使燃油滴落于头部壁体的内壁面上碳化的发生，并且通过壁面旋转气膜的一部分旋流或发散孔射出形成朝旋流的旋向倾斜的射流将头部壁体的内壁面上的积碳冲刷掉，并且吸收完热量的壁面旋转气膜的大部分旋流则在离开头部壁体的外壁面后与头部壁体内的燃油油滴均匀混合后发生燃烧反应，提高了气流的利用率，避免气流聚集于头部壁体的中心区域而头部壁体的边缘区域形成高油气比区域，有利于降低污染排放。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的火焰筒头部结构的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的头部壁体的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的发散孔在头部壁体的法截面上的结构示意图。

图例说明：

100、火焰筒；200、燃油喷嘴；1、头部壁体；11、发散孔；2、旋流结构；21、一级涡流器；22、二级涡流器；3、文氏管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的火焰筒头部结构的结构示意图；图2是本发明优选实施例的头部壁体的结构示意图；图3是本发明优选实施例的发散孔在头部壁体的法截面上的结构示意图。

如图1所示(部分发散孔11未示出)，本实施例的本实施例的火焰筒头部结构，包括安装于火焰筒100入口端上的用于隔绝内部燃气与外部空气的头部壁体1以及安装于头部壁体1的入口端上的用于使气流形成旋流后引入头部壁体1内的旋流结构2，头部壁体1上设有发散孔11，且发散孔11的中轴线向旋流的旋向倾斜，通过发散孔11引导头部壁体1外的一部分空气射入头部壁体1内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，使头部壁体1内的射流和旋流相互作用在头部壁体1的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体1的内壁面上的壁面旋转气膜，从而实现对头部壁体1的保护。本发明的火焰筒头部结构，通过旋流结构2将气流引入头部壁体1内并形成旋流，通过在头部壁体1上设置发散孔11且发散孔11的中轴线向旋流的旋向倾斜，使头部壁体1外的一部分空气射入头部壁体1内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，进而使头部壁体1内的射流和旋流相互作用在头部壁体1的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体1的内壁面上的壁面旋转气膜，通过壁面旋转气膜隔绝热燃气与头部壁体直接接触并吸收头部壁体1的热量，从而对头部壁体1的进行冷却防护，避免主燃烧区的高温辐射直接作用于头部壁体1上而造成头部壁体1高温变形受损而影响火焰筒100头部流场，此外，还能减少由于头部壁体1温度过高而使燃油滴落于头部壁体1的内壁面上碳化的发生，并且通过壁面旋转气膜的一部分旋流及发散孔11射出形成朝旋流的旋向倾斜的射流将头部壁体的内壁面上的积碳冲刷掉，并且吸收完热量的壁面旋转气膜的大部分旋流则在离开头部壁体1的壁面后与头部壁体1内的燃油油滴均匀混合后发生燃烧反应，提高了气流的利用率，避免气流聚集于头部壁体1的中心区域而头部壁体1的边缘区域形成高油气比区域，有利于降低污染排放。

如图3所示，发散孔11的中轴线在发散孔11的法截面上向旋流的旋向倾斜，发散孔11的中轴线与发散孔11处头部壁体1的法线之间的夹角为50度-70度。发散孔11处头部壁体1的法截面为以旋流结构2为中心的过发散孔11的中心点处的切线和过发散孔11的中心点处的头部壁体1的法线形成的平面。射流方向可分为沿头部壁体1切向分向量和垂直头部壁体1轴向分向量，射流方向的切向分向量与旋流的旋向一致，射流方向的轴向分向量与旋流的前进方向一致。可选地，发散孔11的中轴线在头部壁体1的径向截面上向旋流的旋向倾斜。

如图2所示，多个发散孔11从头部壁体1与旋流结构2的边界处沿头部壁体1的延伸方向均匀排列至头部壁体1边缘；多个发散孔11在头部壁体1呈周向均匀分布，且多个发散孔11法截面内切圆半径为发散孔11中轴线距旋流结构2中心的距离。发散孔11分布中心为旋流结构2的中心。多个发散孔11以旋流结构2的中心均匀分布于头部壁体1上。头部壁体1外的空气从多个发散孔11进入头部壁体1内形成的射流与头部壁体1内的旋流相互作用下旋转形成的壁面旋转气膜，均匀地包裹于头部壁体1的整个内壁面上。可选地，发散孔11为圆孔。由于发散孔11在头部壁体1的法截面上向旋流的旋向倾斜，因此发散孔11的进气口和出气口均为椭圆形。可选地，发散孔11为沿射流的发射方向孔径逐渐变大的喇叭形孔。可选地，发散孔11的布设间距从头部壁体1的入口端到头部壁体1的出口端逐渐变小。可选地，头部壁体1各区域开孔率(单位面积内发散孔11的数量)均为3％～6％。可选地，发散孔11孔径为0.35mm～0.65mm。

如图1所示，旋流结构2包括一级涡流器21，一级涡流器21包括多个沿周向间隔设置的一级叶片，多个一级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第一旋流通道，以使气流形成第一旋流后引入头部壁体1内。旋流结构2还包括安装于一级涡流器21的出气端与头部壁体1之间二级涡流器22，二级涡流器22包括多个沿周向间隔设置的二级叶片，多个二级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第二旋流通道，以使气流形成第二旋流后引入头部壁体1内；第二旋流比第一旋流靠近头部壁体1内壁面。旋流结构2还包括安装于一级涡流器21与二级涡流器22之间的文氏管3，用于引导第一旋流通道产生的第一旋流向头部壁体1内的中心区域输送以及第二旋流向头部壁体1内的边缘区域输送，以使第二旋流通道产生的第二旋流更贴合于头部壁体1的内壁面。通过发散孔11进入头部壁体1内的射流与贴合于头部壁体1的内壁面的第二旋流相互作用旋转形成壁面旋转气膜。

如图2所示，第二旋流的旋向与第一旋流的旋向相反，发散孔11的中轴线向第二旋流的旋向倾斜。燃油喷嘴200沿旋流结构2的轴向插入且插入深度不超过文氏管3，燃油喷嘴200将燃油雾化后向火焰筒头部结构内喷射形成锥形油雾，中心区域的油雾随第一旋流直接进入头部壁体1内的中心区域发生燃烧反应；外围区域的油雾则被第一旋流带动沿文氏管3的内侧壁面旋转流动形成油膜，然后流动至文氏管3的出口端时被旋向相反的第二旋流高速剪切，进一步破碎成细小的油滴并随第二旋流进入头部壁体1内的边缘区域，从而头部壁体1内的整个空间内形成更均匀的油雾分布。壁面旋转膜的一部分旋流在吸收完头部壁体1的热量后与头部壁体1内边缘区域的油滴混合均匀发生燃烧反应。

如图1和图2所示，图2中部分火焰筒头部结构未示出，本实施例的火焰筒100，包括上述火焰筒头部结构。多个火焰筒头部结构沿周向均匀布设于火焰筒100内环与火焰筒100外环形成的环形内腔的入口端上。通过壁面旋转气膜吸收头部壁体1的热量，隔绝热燃气与头部壁体1直接接触，从而对头部壁体1的进行冷却防护，避免头部壁体1变形。本实施例的燃气轮机发动机，包括上述火焰筒100。火焰筒头部结构不易变形，无需频繁更换，使用寿命长，维护成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。