燃烧室、火焰筒、火焰筒头部及其冷却方法与流程

本发明涉及燃烧室领域，尤其涉及燃烧室、火焰筒、火焰筒头部及其冷却方法。

背景技术：

1、航空发动机燃烧室是组织燃烧的区域，经过压气机的压缩空气进入燃烧室与喷嘴喷出的燃料混合后在火焰筒内燃烧产生高温燃气，带动涡轮做功，产生推力。火焰筒是燃气涡轮发动机燃烧室的关键部件，燃料在火焰筒内部燃烧，靠近火焰筒头部的主燃区燃气平均温度高达2000k-2500k，而目前普遍采用的高温合金最高工作温度在1300k左右，火焰筒头部结构易出现变形、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，因此需要对火焰筒头部进行冷却，防止出现上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种火焰筒头部。

2、本发明的另一目的是提供一种火焰筒。

3、本发明的又一目的是提供一种燃烧室。

4、本发明的又一目的是提供一种火焰筒头部的冷却方法。

5、根据本发明一方面的一种火焰筒头部，包括：第一壁，所述第一壁的下游侧提供一燃烧空间，所述第一壁包括第一孔，所述第一孔开设于所述第一壁，以构成第一气流流路在所述第一壁的下游壁面形成冷却气膜；第二壁，位于所述第一壁的轴向上游侧，并围绕连接于所述第一壁构成一封闭空间，所述第二壁包括第二孔，所述第二孔开设于所述第二壁，以构成第二气流流路穿过所述封闭空间与所述第一气流流路连通。

6、本申请的技术方案通过设置第一壁、第二壁双层壁形成封闭空间，使整体的有效流通面积小于单层的第一壁的有效流通面积，即相比于单层的第一壁可以在本方案的第一壁上开设更多的第一孔，形成更大的气膜覆盖面积，加强冷却效果。其原理在于，有效流通面积是根据两侧压降和气体的流量计算得到的，双层壁形成的封闭空间，总有效流通面积a取决于第二壁的有效流通面积a1和第一壁的有效流通面积a2，即如此总有效流通面积a小于第一壁的有效流通面积a2，若是单层结构，则总有效流通面积a等于第一壁的有效流通面积a2’。当火焰筒头部冷却气相同的情况下，即总有效流通面积a相同，本方案双层壁形成封闭空间的第一壁的有效流通面积a2大于对比方案单层壁结构的第一壁的有效流通面积a2’，也就是说本方案的第一孔数量大于对比方案单层壁结构的第一孔数量，进而本方案的第一壁的下游壁面形成的冷却气膜覆盖面积要大于单层壁结构的冷却气膜覆盖面积，具有更强的冷却效果，或者也可以说，在相同冷却气膜覆盖面积的情况下，可分配更少的冷却气量。如此便实现在头部冷却气量少的情况下，依然能够达到较好的头部冷却效果。同时，封闭空间还对冷却气进行汇集，使其经过第二气流流路对第一壁的上游壁面冲击冷却后经过第一气流流路全部用于在第一壁面的下游壁面形成冷却气膜，进一步提升冷却效果。

7、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第一壁包括第一外壁、第一内壁，所述第一外壁位于所述第一内壁的径向外侧并与所述第一内壁在径向之间具有一安装空间；所述火焰筒头部还包括第三壁，所述第三壁位于所述安装空间内，所述第三壁为扩张结构，所述第三壁与所述第一壁在径向之间具有第三孔，以构成第三气流流路在所述第一壁的下游壁面形成冷却气膜。

8、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第三壁与所述第一壁的径向之间的距离h为5mm～8mm，所述第三壁的扩张结构的下游端距与其相邻的所述第一孔的出口端的轴向距离l为h～h/sin(θ)，所述第三壁的扩张结构的扩张角θ为70°～100°。

9、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第一壁的下游壁面设置有防热层，所述防热层的厚度为0.1～1mm。

10、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第二孔的中心线垂直于所述第一壁。

11、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第一孔的出口端位于所述第一孔的入口端的下游，所述第一孔的中心线与所述第一壁的夹角为15°～30°。

12、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第一壁包括直段及扩口段，所述直段位于所述扩口段的上游；所述第二壁平行于所述扩口段，所述第二壁的上游端与所述直段固定连接，所述第二壁的下游端与所述扩口段的下游端固定连接；所述第二壁的下游壁面距所述第一壁的上游壁面的距离为1～3mm。

13、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述第二孔构成的流通面积是所述第一孔构成的流通面积的1～1.5倍。

14、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述火焰筒头部还包括涡流器，所述涡流器位于所述第一壁的所述安装空间内，所述涡流器的下游端与所述第三壁的上游端固定连接。

15、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述涡流器包括入口部、出口部，所述入口部位于所述出口部的轴向上游，所述入口部与所述出口部的轴向之间设置有径向旋流结构，所述入口部设置有轴向旋流结构。

16、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述入口部包括渐缩段、平直段，所述平直段位于所述渐缩段的下游；所述轴向旋流结构为吹扫孔，所述吹扫孔设置于所述平直段，贯穿所述平直段的轴向尺寸；所述径向旋流结构的径向内侧设置有文氏管；所述文氏管的喉部位于所述吹扫孔在轴向的延伸空间内，以使所述吹扫孔构成的第四气流流路流经所述文氏管的喉部。

17、在所述的火焰筒头部的一个或多个实施例中，所述出口部与所述文氏管径向之间构成第五气流流路，与所述径向旋流结构连通。

18、根据本发明另一方面的一种火焰筒，包括如上所述的火焰筒头部以及火焰筒环壁，所述火焰筒头部连接于所述火焰筒环壁的轴向上游侧，所述火焰筒环壁与所述火焰筒头部的第一壁共同提供燃烧空间，所述火焰筒头部用于向所述燃烧空间提供混合气进行燃烧。

19、根据本发明又一方面的一种燃烧室，包括如上所述的火焰筒以及喷嘴，所述喷嘴置于所述火焰筒的火焰筒头部的涡流器中，所述喷嘴的下游端与所述涡流器的入口部的下游端位于同一轴向位置。

20、根据本发明又一方面的一种火焰筒头部的冷却方法，包括：设置第一壁与第二壁构成封闭空间；在所述第一壁上开设第一孔构成第一气流流路，在所述第二壁上开设第二孔构成第二气流流路；所述第二气流流路穿过所述封闭空间与所述第一气流流路连通，在所述第一壁的下游壁面形成冷却气膜。

21、在所述的冷却方法的一个或多个实施例中，所述第一孔的入口端位于所述第一孔的出口端的上游，所述第二孔的中心线垂直于所述第一壁。

技术特征：

1.一种火焰筒头部，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第一壁包括第一外壁、第一内壁，所述第一外壁位于所述第一内壁的径向外侧并与所述第一内壁在径向之间具有一安装空间；所述火焰筒头部还包括第三壁，所述第三壁位于所述安装空间内，所述第三壁为扩张结构，所述第三壁与所述第一壁在径向之间具有第三孔，以构成第三气流流路在所述第一壁的下游壁面形成冷却气膜。

3.根据权利要求2所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第三壁与所述第一壁的径向之间的距离h为5mm～8mm，所述第三壁的扩张结构的下游端距与其相邻的所述第一孔的出口端的轴向距离l为h～h/sin(θ)，所述第三壁的扩张结构的扩张角θ为70°～100°。

4.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第一壁的下游壁面设置有防热层，所述防热层的厚度为0.1～1mm。

5.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第二孔的中心线垂直于所述第一壁。

6.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第一孔的出口端

7.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第一壁包括直段及扩口段，所述直段位于所述扩口段的上游；所述第二壁平行于所述扩口段，所述第二壁的上游端与所述直段固定连接，所述第二壁的下游端与所述扩口段的下游端固定连接；所述第二壁的下游壁面距所述第一壁的上游壁面的距离为1～3mm。

8.根据权利要求1所述的火焰筒头部，其特征在于，所述第二孔构成的流通面积是所述第一孔构成的流通面积的1～1.5倍。

9.根据权利要求2或3任意一项所述的火焰筒头部，其特征在于，所述火焰筒头部还包括涡流器，所述涡流器位于所述第一壁的所述安装空间内，所述涡流器的下游端与所述第三壁的上游端固定连接。

10.根据权利要求9所述的火焰筒头部，其特征在于，所述涡流器包括入口部、出口部，所述入口部位于所述出口部的轴向上游，所述入口部与所述出口部的轴向之间设置有径向旋流结构，所述入口部设置有轴向旋流结构。

11.根据权利要求10所述的火焰筒头部，其特征在于，所述入口部包括渐缩段、平直段，所述平直段位于所述渐缩段的下游；所述轴向旋流结构为吹扫孔，所述吹扫孔设置于所述平直段，贯穿所述平直段的轴向尺寸；所述径向旋流结构的径向内侧设置有文氏管；所述文氏管的喉部位于所述吹扫孔在轴向的延伸空间内，以使所述吹扫孔构成的第四气流流路流经所述文氏管的喉部。

12.根据权利要求11所述的火焰筒头部，其特征在于，所述出口部与所述文氏管径向之间构成第五气流流路，与所述径向旋流结构连通。

13.一种火焰筒，其特征在于，包括如权利要求1-12任意一项所述的火焰筒头部以及火焰筒环壁，所述火焰筒头部连接于所述火焰筒环壁的轴向上游侧，所述火焰筒环壁与所述火焰筒头部的第一壁共同提供燃烧空间，所述火焰筒头部用于向所述燃烧空间提供混合气进行燃烧。

14.一种燃烧室，其特征在于，包括如权利要求13所述的火焰筒以及喷嘴，所述喷嘴置于所述火焰筒的火焰筒头部的涡流器中，所述喷嘴的下游端与所述涡流器的入口部的下游端位于同一轴向位置。

15.一种火焰筒头部的冷却方法，其特征在于，包括：

16.根据权利要求15所述的冷却方法，其特征在于，所述第一孔的入口端位于所述第一孔的出口端的上游，所述第二孔的中心线垂直于所述第一壁。

技术总结本发明提供燃烧室、火焰筒、火焰筒头部及其冷却方法。其中，火焰筒头部包括第一壁，第一壁的下游侧提供一燃烧空间，第一壁包括第一孔，第一孔开设于第一壁，以构成第一气流流路在第一壁的下游壁面形成冷却气膜；第二壁，位于第一壁的轴向上游侧，并围绕连接于第一壁构成一封闭空间，第二壁包括第二孔，第二孔开设于第二壁，以构成第二气流流路穿过封闭空间与第一气流流路连通。实现较佳的冷却效果。技术研发人员：杨继虎,宋国倩,陈浩受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5