CN103115381A - 一种火焰筒的筒壁结构 - Google Patents

Abstract

一种火焰筒的筒壁结构，其包括：外壁部分，呈环形，其上布置有第一阵列孔；内壁部分，呈环形，与外壁部分共同限定环形空腔，内壁部分上布置有第二阵列孔且形成有向外壁部分延伸的凸台阵列；其中，第一阵列孔逆向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，第二阵列孔与第一阵列孔交错地布置并顺向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，第一阵列孔、第二阵列孔和凸台阵列被布置为当冷却气经过外壁部分的外表面时，一部分冷却气经第一阵列孔进入环形空腔，并冲击到凸台阵列的边缘，再从第二阵列孔流出。应用本发明，能够增强换热。

Description

一种火焰筒的筒壁结构

技术领域

本发明涉及火焰筒，尤其涉及火焰筒的筒壁结构。

背景技术

众所周知，燃气轮机既在发电领域中广泛应用，也广泛用于驱动喷气式飞机。在燃气轮机中，空气和燃料的混合物在燃烧室中被点燃，而由燃烧产生的炽热气流在涡轮机空间内膨胀，在那里热气流与包括各导向叶片和涡轮叶片的结构相接触，并推动配置在轴上的涡轮叶片转动，因此轴本身转动。

对于飞机的燃气轮机而言，燃烧室是将压气机出来的高压空气与燃料混合并进行燃烧的装置。在燃烧室里，燃料(如航空煤油)中的化学能经燃烧转变为热能，使气体温度大大增加。由燃烧室流出的高温、高压(基本与压气机出口压强相同)燃气，具有很高的能量，用以在燃烧室后的涡轮和尾喷管中膨胀作功。火焰筒是飞机的发动机的燃烧室所不可缺少的核心部件，一般由高温合金材料制成，其作用在于将燃料与压气机送来的一部分空气在火焰筒内进行有效燃烧，为其在燃气涡轮中膨胀做功准备条件。对于环形燃烧室来说，火焰筒一般由两个围绕发动机轴线的同心圆壳体所组成，形成一个环形腔道，内、外壳体分别称为火焰筒内、外壳。火焰筒外壳被一个环形的外机匣所围绕，火焰筒内壳里面还装有一个环形的内机匣，换言之，内外机匣在其间限定了火焰筒。

因为空气和燃料的混合物的燃烧导致火焰筒经受很高的温度，而且随着对低污染要求的不断提升，用于冷却的空气减少，对火焰筒的结构及其冷却方案提出了新的挑战。

如图1所示，其示出了一种现有技术的火焰筒10的结构，该火焰筒10具有机匣1、外火焰筒2、内火焰筒3(内外按距离发动机中轴线的距离而言)以及燃烧室头部4。外火焰筒2和内火焰筒3形成燃烧室5，其上布置有气膜孔6和掺混孔7。火焰筒体采用整体结构且与机匣1之间形成扩压器8。实际运行中，一部分高压空气直接进入燃烧室5内，另一部分高压空气会流经扩压器8并经过气膜孔6和掺混孔7再进入到燃烧室5内从而实现对火焰筒体的冷却。由于该火焰筒体承受交变热载荷，在排气转接段轴向和周向很可能会出现严重的低循环疲劳裂纹，且其可修复性差，不能满足航空发动机的越来越高的要求。

在冷却方案的布置方面，比较有代表性的是GE(GeneralElectric，通用电气)公司的冲击加气膜冷却和PW(Pratt & Whitney，普拉特·惠特尼)公司的逆向平行流翅壁冷却。然而，上述的这两种结构共同存在的问题是冷却结构繁多且加工工艺复杂。

授权公告号为CN 101526228B的中国发明专利公开了一种折返式复合冷却结构。该冷却结构主要包括端壁、外侧壁、内侧壁，在外侧壁和内侧壁之间设有中间壁，外侧壁、中间壁和内侧壁组成三层壁结构，并通过端壁将内侧壁与外侧壁两端封闭，中间壁后端与后端壁相连；外侧壁的后段设有冲击孔，冷却空气在外侧壁的后段以冲击气流的形式进入该冷却结构；中间壁的前端与端壁之间设置一定间隔的冷却空气槽，中间壁与外侧壁间形成一定间隔的上冷却通道，中间壁与内侧壁间形成一定间隔的下冷却通道；中间壁的外侧面上布置有陷窝状丁胞坑；内侧壁为多斜孔孔壁冷却结构，采用缩扩气膜孔，冷却气体在孔内呈先收缩后扩张的流动方式。这种结构虽然具有很好的冷却效果，然而，由于其增设了中间壁，所以冷却气流动路径较长导致流动损失较大从而压力损失较大，并且其结构复杂、重量较大，另外，其加工也比较复杂。

发明内容

一种火焰筒的筒壁结构，其包括：外壁部分，呈环形，其上布置有第一阵列孔；内壁部分，呈环形，与所述外壁部分共同限定环形空腔；所述内壁部分上布置有第二阵列孔且形成有向所述外壁部分延伸的凸台阵列；其中，所述第一阵列孔逆向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，所述第二阵列孔与所述第一阵列孔交错地布置并顺向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，所述第一阵列孔、第二阵列孔和凸台阵列被布置为当冷却气经过所述外壁部分的外表面时，一部分冷却气经所述第一阵列孔进入所述环形空腔，并冲击到所述凸台阵列的边缘，再从所述第二阵列孔流出。其中，所述冷却气从所述筒壁结构穿过时其运行轨迹大体为S形。

较优地，所述外壁部分是一体的，所述内壁部分是多个单元构成。

较优地，所述外壁部分为一体的，所述内壁部分由多个内壁单元构成，所述外壁部分的内表面和所述内壁单元的外表面上分别相对地设置有卡钩以将所述内壁单元钩挂在所述外壁部分上。

较优地，所述内壁单元通过搭接结构连接成所述内壁部分，所述搭接结构之间形成搭接间隙，耐火密封材料附设于所述搭接间隙处。

选择性地，所述凸台阵列中的凸台是菱形的或矩形的。

选择性地，所述凸台是精铸成型或精密铣削形成的。

较优地，所述第二阵列孔均为椭圆孔，且椭圆孔的当量直径为0.4-1.5mm。

较优地，所述内壁部分的内表面涂设有热障涂层。

可选择地，所述外壁部分和所述内壁部分是由高温合金材料制成的，其中，所述内壁部分是由无余量精密铸造并两端磨削而成。

较优地，所述第一阵列孔的延伸方向与所述冷却气的流动方向呈20°～45°的倾斜角。

较优地，所述第二阵列孔的延伸方向与所述冷却气的流动方向呈-70°～-20°的倾斜角。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术中的一种火焰筒的结构；

图2示意性地示出了本发明的一种优选的实施方式中的火焰筒的筒壁结构的局部结构图；

图3示意性地示出了本发明的一种优选的实施方式中的火焰筒的筒壁结构的局部剖面图；

图4示意性地示出了本发明的一种优选的实施方式中的火焰筒的筒壁结构的内壁部分的俯视图；

图5示意性地示出了本发明的一种优选的实施方式中的火焰筒的筒壁结构的内壁部分的仰视图；

图6示意性地示出了本发明的一种优选的实施方式中的火焰筒的筒壁结构的单元块的搭接和钩挂结构。

具体实施方式

如背景技术部分所述，火焰筒一般均具有外火焰筒(或称火焰筒外壳)和内火焰筒(或称火焰筒内壳)，燃烧室形成于外火焰筒和内火焰筒的中间。在此需要说明的是，下文所述的火焰筒的筒壁结构并不是指具有外火焰筒和内火焰筒的整个火焰筒的结构，而是指外火焰筒的结构或内火焰筒的结构本身。较优地，本发明所述的火焰筒的筒壁结构可以同时应用于内火焰筒和外火焰筒。另外，所谓内壁部分和外壁部分的内外区分是按照距离燃烧室中心的距离而言，具体而言，靠近燃烧室中心的壁部分称为内壁部分，远离燃烧室中心的壁部分称为外壁部分。

如图2所示，火焰筒的筒壁结构100分为两层。筒壁结构100的一层为外壁部分102，基本呈环形，其材料较优地为高温合金；筒壁结构的另一层为内壁部分104，基本呈环形，其材料较优地为高温合金，以诸如近无余量精密铸造并两端磨削而成；外壁部分102和内壁部分104在两者中间形成空腔106。

在如图所示的本发明较优的实施方式中，火焰筒由环形外火焰筒和环形内火焰筒构成，其中，外火焰筒和内火焰筒均具有下文将要详述的双壁式的筒壁结构100。其中，双壁式的筒壁结构100由外壁部分102和内壁部分104构成。具体地，外壁部分102为一体式结构，内壁部分104为分块式结构。更具体地，内壁部分104在轴向上分为三段，其中，对于外火焰筒来说，外火焰筒的内壁部分104在周向上由20个单元块构成；对于内火焰筒来说，内火焰筒的内壁部分104在周向由15个单元块构成；即，对于整个火焰筒而言，一个一体式的外壁部分102与60个单元块构成的内壁部分104形成了外火焰筒，一个一体式的外壁部分102与45个单元块构成的内壁部分104形成了内火焰筒。。本领域的技术人员很容易可以理解，段划分以及单元块划分并不局限于此。这样，单元块之间在轴向方向上彼此搭接在一起形成“瓦片”型布局。更具体地，如图6所示，内壁部分104的每一单元块在周向和轴向均具有“Z”字形结构，各单元块之间采用搭接式连接，从而形成其一端将相邻的单元块支撑于其上，其另一端支撑于相邻的单元块上的承力结构。优选地，彼此搭接处118可以附设有少量的耐火密封材料以减少搭接处的漏气。外壁部分102和内壁部分104上均具有彼此对应的挂钩120以将内壁部分104的每一单元块悬挂在外壁部分102上。这样，藉由内壁部分104的“Z”字形结构以及外壁部分102和内壁部分104彼此对应的挂钩120，外壁部分102和内壁部分104就被结合为一个整体。相互钩挂的挂钩120之间以及“Z”字形结构的相互搭接处118之间均留有少量间隙，从而允许内壁部分104在轴向、周向和径向上均可以具有少量的自由膨胀的余地。

参考图3，外壁部分102均布有孔108，形成了孔的阵列，优选地，为了实现较优的冲击特性，该孔108在从内壁部分104向外壁部分102延伸的方向上与从外壁部分102外流过的气流方向110呈一锐角角度。较优地，该锐角角度为20°～45°。可以理解，孔108只要布置成逆向于气流方向110倾斜地延伸即可。

同时参考图4和图5，内壁部分104均布有孔112，形成了孔的阵列，较优地，该孔112的开设方向与外壁部分102的孔108的方向相反。可以理解，孔112只要布置成顺向于气流方向110倾斜地延伸即可。内壁部分104在面向外壁部分102的一侧上还均匀地设有凸台114，该凸台114被设置为使得凸台114的一个边缘诸如角部恰好对应于孔108从而使得经过孔108的冲击气流能够冲击到该凸台114的边缘(诸如角部)。这样，多个凸台114形成了导流槽116。其中，该凸台114较优地为菱形。可以理解，这些孔112可以以诸如电火花或激光加工而成，这些凸台114也可以为矩形并可以经由精铸成型或采用精密铣削形成。较优地，孔112的开设角度为-70°～-20°。在本发明的较优的实施方式中，这些孔112为椭圆孔，且椭圆的当量直径为0.4-1.5mm。

较优地，外壁部分102上的孔108和内壁部分104上的孔112一一对应且交错布置。

热侧表面喷涂热障涂层从而形成均匀的气膜保护层。

这种火焰筒的筒壁结构形成的外火焰筒的冷却过程如下所述：

附图标记110、122分别代表在外壁部分102外表面流经的冷却气和在内壁部分104的内表面流经的高温燃气的流向，冷却过程中冷却气从筒壁结构穿过时其行进轨迹大体为S形，如附图标记124所示。空气由外壁部分102上布置的孔108流入空腔106，冲击冷却凸台114，气流分散后在导流槽116中流动，再经内壁部分104上的孔112进入到外火焰筒和内火焰筒之间的燃烧室，进而在内壁部分104的内侧形成均匀的气膜层从而对内壁部分内侧(或称热侧)进行保护。

本发明应用逆向冲击-对流-发散(含气膜冷却)三种冷却方式的组合，至少具有以下优点：

其一、因为外壁部分102上均布有供冷却气逆向冲击的孔108，且该孔108与内壁部分104上均布的孔112交错布置，所以高速冷却气流会逆向冲击凸台114的前沿，然后气流经凸台114前沿分散后在导流槽116之间进行对流换热。

其二、孔108和孔112的交错布置方式使冷却气流沿“S”形路径进入燃烧室，增加了气流行进路程及时间，从而达到更好的冷却效果；这种交错布置方式还使得冷却气流交替地收缩及扩张，增大气流扰动，进而增强换热。

其三、由于与外壁部分102面对的内壁部分104的表面(可称为冷侧表面)形成有导流槽116，使内壁部分104的表面积远远超过常规的冷却结构，同时增加气流扰动，从而充分提高对流换热冷却效果。

其四、挂钩120与“Z”形搭接结构取代常规的螺栓连接，可以允许内壁部分104具有少量的自由膨胀，并且周向间隔地布置挂钩120能够有效降低火焰筒的重量。

其五、内壁部分104的热障涂层可以形成均匀的气膜保护层从而能够大大减少热燃气与内壁部分104的内表面(即热侧表面)之间的对流换热。

为了验证本发明的换热效果，选定了两种运行工况参数，分别对常规冷却结构和本发明的冷却结果进行三维CFD流固耦合计算，计算结果见下表1。

壁面温度(K)	工况1	工况2
			常规的冷却结构	1157.1	1124.6
本发明的冷却结构	1142.7	1095.6

从表1可以看出，利用本发明的冷却结构的火焰筒和常规的火焰筒相比，在两种状态下分别降低14.4K和29K，传热效果改善明显。

上述描述虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些只是对本发明说明性的，而不是对本发明的限制，任何未超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种火焰筒的筒壁结构，其包括：

外壁部分，呈环形，其上布置有第一阵列孔；

内壁部分，呈环形，与所述外壁部分共同限定环形空腔，所述内壁部分上布置有第二阵列孔且形成有向所述外壁部分延伸的凸台阵列；

其中，所述第一阵列孔逆向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，所述第二阵列孔与所述第一阵列孔交错地布置并顺向于冷却气的流动方向倾斜地延伸，所述第一阵列孔、所述第二阵列孔和所述凸台阵列被布置为当冷却气经过所述外壁部分的外表面时，一部分冷却气经所述第一阵列孔进入所述环形空腔，并冲击到所述凸台阵列的边缘，再从所述第二阵列孔流出。

2.根据权利要求1所述的筒壁结构，其中，所述冷却气从所述筒壁结构穿过时其运行轨迹大体为S形。

3.根据权利要求1所述的筒壁结构，其中，所述外壁部分为一体的，所述内壁部分是多个单元构成。

4.根据权利要求1所述的筒壁结构，其中，所述外壁部分是一体的，所述内壁部分由多个内壁单元构成，所述外壁部分的内表面和所述内壁单元的外表面上分别相对地设置有卡钩以将所述内壁单元钩挂在所述外壁部分上。

5.根据权利要求4所述的筒壁结构，其中，所述内壁单元通过搭接结构连接成所述内壁部分，所述搭接结构之间形成搭接间隙，耐火密封材料附设于所述搭接间隙处。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的筒壁结构，其中，所述凸台阵列中的凸台是菱形的或矩形的。

7.根据权利要求6所述的筒壁结构，其中，所述凸台是精铸成型或精密铣削形成的。

8.根据权利要求1-7任一项所述的筒壁结构，其中，所述第二阵列孔均为椭圆孔，且椭圆孔的当量直径为0.4-1.5mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的筒壁结构，其中，所述内壁部分的内表面涂设有热障涂层。

10.根据权利要求1所述的筒壁结构，其中，所述外壁部分和所述内壁部分是由高温合金材料制成的，其中，所述内壁部分是由无余量精密铸造并两端磨削而成。

11.根据权利要求1-10任一项所述的筒壁结构，其中，所述第一阵列孔的延伸方向与所述冷却气的流动方向呈20°～45°的倾斜角。

12.根据权利要求1-11任一项所述的筒壁结构，其中，所述第二阵列孔的延伸方向与所述冷却气的流动方向呈-70°～-20°的倾斜角。

13.一种火焰筒，其具有如权利要求1-12任一项所述的筒壁结构。

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