本发明专利技术公开了一种涡轴回流发动机回流燃烧室火焰筒的冷却结构，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔。本发明专利技术通过改变起始气膜板开孔(槽)的总面积占总开孔面积的比例来调节冷却气流在起始气膜板与外弧壁斜发散孔和内弧壁垂直斜发散孔之间冷气流量的分配比例。外弧壁上的斜发散孔的排布特点在于沿着主流流动方向前段分布密度大于中段密度，中段密度小于尾段密度，尾段密度大于前段密度。本发明专利技术在不增加冷气量的条件下，改善了传统火焰筒弯曲壁面的冷却结构，使回流燃烧室火焰筒的温度梯度减小，从而减小了壁面的热应力，提高了火焰筒的使用寿命。本发明专利技术同时提供具有该冷却结构的涡轴发动机回流燃烧室。
A Compound Cooling Structure on the Wall of Combustion Chamber and a Turboshaft Engine Reflux Combustor
【技术实现步骤摘要】
一种燃烧室壁面的复合冷却结构及涡轴发动机回流燃烧室
本专利技术涉及一种可调式起始气膜-发散复合冷却结构；属于航空发动机冷却结构设计与热防护
本专利技术还涉及一种涡轴发动机燃烧室设计
技术介绍
回流燃烧室由于其轴距较短，因此广泛应用于小型航空发动机上。回流燃烧室火焰筒独有的大曲率火焰筒结构在承受高温燃气的冲击的同时也会出现弯曲段温度梯度大，温度分布不均匀，因此容易产生变形和裂纹，影响回流燃烧室火焰筒的使用寿命。为提高大曲率火焰筒的冷却效果和可靠性，必须采取有效的冷却手段来提高火焰筒整体的温度均匀性。但是涡轴发动机回流燃烧室火焰筒型面曲率大、结构复杂，在冷却结构设计上具有一定的难度。国内外的研究人员针对这一结构开展了多种冷却结构研究，如纯发散冷却结构、冲击加发散冷却等。但是研究发现大弯管的前段冷却效率低，尾段冷却效果也不理想；在此基础上，研究人员提出了新的复合冷却方式：冲击+对流+气膜冷却结构、气膜发散复合冷却结构，虽然一定程度解决了大弯管前段效率低的问题，但没有解决起始气膜流量和大弯管斜发散孔的冷气流量分配问题，起始气膜流量过多会使得大弯管前端壁面气膜厚度太厚，从而让部分冷气被浪费，过少导致冷却效果降低；而且对大弯管尾段冷却效果较差的问题没有改善。因此，以上这些冷却结构依然存在这一个问题就是大弯管整体温度分布不均匀，这样壁板的温度梯度大，产生较高的热应力，从而降低了火焰筒的寿命。随着功重比的不断提高，回流燃烧室部件设计将向高温升、高热容方向发展，由此对燃烧室火焰筒壁面冷却提出了更为苛刻的要求。一方面燃烧所需的空气量增大、燃烧温度升高，另一方面用于冷却的空气量减少，而且由于压缩比的增大导致冷却空气的品质下降。因此，传统的涡轴发动机火焰筒冷却方法已经无法满足设计需求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术公开的是一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，用以提高回流燃烧室壁面的冷却效率和温度均匀性，在不增加冷气量的前提下合理分配冷气并充分挖掘其冷却潜力，可以增加燃烧室的使用寿命，延长涡轴发动机的安全运行时间。本专利技术同时提供一种含有可调式冷却结构的涡轴发动机燃烧室。技术方案：为达到上述目的，本专利技术涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构可采用如下技术方案：一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁；筒体的筒壁上具有起始气膜板、安装在筒壁内部的舌片；舌片和筒壁之间形成一个狭缝通道；起始气膜板位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔的连通处；外弧壁上布置若干斜发散孔，斜发散孔作为弯管内外弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处；内弧壁上布置若干垂直发散孔；垂直发散孔作为弯管内弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处。有益效果：燃烧室火焰筒独有的大曲率弯管结构在高温燃气的冲击下造成弯曲段温度梯度大，容易产生变形和裂纹，降低了火焰筒的使用寿命。为了提高外弧壁的冷却效果和温度分布均匀性，采用可调起始气膜+发散冷却(斜发散孔与垂直发散孔作为发散冷却通道)复合冷却结构。可以通过改变起始气膜板上开孔或开槽的面积占总开孔面积的比例来调节起始气膜与外弧壁斜发散孔和内弧壁垂直斜发散孔之间冷气流量的分配比例。起始气膜的出流通道由舌片和火焰筒直管段壁板构成。安装舌片时通过调节弹簧垫片可以控制起始气膜出流通道的高度，从而调节出流气膜的速度和高度。综上所述，该专利技术的优点在于：可调起始气膜结构简单，便于调节起始气膜的流量，易于实现流量的有效分配，对火焰筒外弧壁前端部分降低温度梯度、提高冷却效率有明显作用；火焰筒外弧壁部分采用非均匀、非等距斜发散孔排布，在不增加冷气量的情况下可以提高大弯管整体的冷却效率。进一步的，斜发散孔的孔轴线与外弧壁壁面的夹角为20°～40°；垂直发散孔的孔轴线与内弧壁垂直。进一步的，所述的外弧壁根据受热情况的不同分为3段，前段是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的30％；尾段是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的40％；中段是外弧壁中除了所述前段和尾段剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30％。进一步的，舌片的一端和筒壁通过螺栓连接，舌片与筒壁之间有弹簧垫片；舌片与筒壁之间的间距通过弹簧垫片调节。进一步的，所述斜发散孔的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁上呈非均匀分布，斜发散孔在前段上的排布密度大于斜发散孔在中段上的排布密度，斜发散孔在中段上的排布密度小于斜发散孔在尾段上的排布密度，斜发散孔在尾段上的排布密度大于斜发散孔在前段上的排布密度；在前段，所述斜发散孔沿主流流向间距沿逐渐变大，为4～8倍发散孔孔径；在中段，所述斜发散孔流向间距不变，为前段的最大流向间距；在尾段，所述斜发散孔流向间距从前段的最大流向间距按等比递减，为2～8倍发散孔孔径；斜发散孔在外弧壁上的周向排布间距不变，其间距根据冷气调节为2～4倍发散孔孔径。进一步的，内弧壁上布置的垂直发散孔排列方式为叉排排布，垂直发散孔孔径为0.5～0.8mm，在轴向和周向上等间距排列，间距为1.5～3倍垂直发散孔孔径。进一步的，所述起始气膜板上开孔或槽；如选择开孔，开孔为圆形孔，孔径在0.5～3mm之间，孔间距为2～5倍孔径，等间距排列，孔倾斜角度为0°；如选择开槽，开槽的宽度为0.5～2mm。本专利技术提供的涡轴发动机燃烧室可采用如下技术方案：一种涡轴发动机回流燃烧室，包括筒体、位于筒体一端弯折形成的弯管、位于筒体另一侧的头部、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔；所述头部作为燃气的进口；弯管的出口为燃烧室的出口；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁；筒体的筒壁上具有起始气膜板、安装在筒壁内部的舌片；舌片和筒壁之间形成一个狭缝通道；起始气膜板位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔的连通处；外弧壁上布置若干斜发散孔，斜发散孔作为弯管内外弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处；内弧壁上布置若干垂直发散孔；垂直发散孔作为弯管内弧壁位置与火焰筒冷却腔的连通处。进一步的，斜发散孔的孔轴线与外弧壁壁面的夹角为20°～40°；垂直发散孔的孔轴线与内弧壁垂直；所述的外弧壁根据受热情况的不同分为3段，前段是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的30％；尾段是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁弧长的40％；中段是外弧壁中除了所述前段和尾段剩下的部分，其长度为整个大弯管弧长的30％。进一步的，舌片的一端和筒壁通过螺栓连接，舌片与筒壁之间有弹簧垫片；舌片与筒壁之间的间距通过弹簧垫片调节。进一步的，所述斜发散孔的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁上呈非均匀分布，斜发散孔在前段上的排布密度大于斜发散孔在中段上的排布密度，斜发散孔在中段上的排布密度小于斜发散孔在尾段上的排布密度，斜发散孔在尾段上的排布密度大于斜发散孔在前段上的排布密度；在前段，所述斜发散孔沿主流流向间距沿逐渐变大，为4～8倍发散孔孔径；在中段，所述斜发散孔流向间距不变，为前段的最大流向间距；在尾段，所述斜发散孔流向间距从前段的最大流向间距按等比递减，为2～8倍发散孔孔径。本专利技术提供的涡轴发动机回流燃烧室采用了可调式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，包括筒体、位于筒体(2)一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔(4)；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁(3)、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁(6)；筒体的筒壁(2)上具有起始气膜板(13)、安装在筒壁内部的舌片(5)；舌片(5)和筒壁(2)之间形成一个狭缝通道；起始气膜板(13)位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔(4)的连通处；外弧壁(3)上布置若干斜发散孔(7)，斜发散孔(7)作为弯管内外弧壁(3)位置与火焰筒冷却腔(4)的连通处；内弧壁(6)上布置若干垂直发散孔(8)；垂直发散孔(8)作为弯管内弧壁(6)位置与火焰筒冷却腔(4)的连通处。
【技术特征摘要】
1.一种涡轴发动机燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，包括筒体、位于筒体(2)一端弯折形成的弯管、包裹筒体及弯管的火焰筒冷却腔(4)；该弯管的外侧形成弯曲的外弧壁(3)、弯管的内侧形成弯曲的内弧壁(6)；筒体的筒壁(2)上具有起始气膜板(13)、安装在筒壁内部的舌片(5)；舌片(5)和筒壁(2)之间形成一个狭缝通道；起始气膜板(13)位于该狭缝通道外侧并作为该狭缝通道与火焰筒冷却腔(4)的连通处；外弧壁(3)上布置若干斜发散孔(7)，斜发散孔(7)作为弯管内外弧壁(3)位置与火焰筒冷却腔(4)的连通处；内弧壁(6)上布置若干垂直发散孔(8)；垂直发散孔(8)作为弯管内弧壁(6)位置与火焰筒冷却腔(4)的连通处。2.根据权利要求1所述回流燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，斜发散孔的孔轴线与外弧壁(3)壁面的夹角为20°～40°；垂直发散孔(8)的孔轴线与内弧壁(6)垂直。3.根据权利要求1所述回流燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，所述的外弧壁(3)根据受热情况的不同分为3段，前段(9)是火焰筒的高温燃气入口处最近的一端，其长度为整个外弧壁(3)弧长的30％；尾段(11)是火焰筒的高温燃气出口处最近的一端，其长度为整个外弧壁(3)弧长的40％；中段(10)是外弧壁(3)中除了所述前段(9)和尾段(11)剩下的部分，其长度为整个大弯管(3)弧长的30％。4.根据权利要求1所述回流燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，舌片(5)的一端和筒壁(2)通过螺栓(12)连接，舌片(5)与筒壁(2)之间有弹簧垫片(14)；舌片(5)与筒壁(2)之间的间距通过弹簧垫片(14)调节。5.根据权利要求3所述回流燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，所述斜发散孔(7)的排布沿着所述火焰筒内气流流动方向在整个外弧壁(3)上呈非均匀分布，斜发散孔(7)在前段(9)上的排布密度大于斜发散孔(7)在中段(10)上的排布密度，斜发散孔(7)在中段(10)上的排布密度小于斜发散孔(7)在尾段(11)上的排布密度，斜发散孔(7)在尾段(11)上的排布密度大于斜发散孔(7)在前段(9)上的排布密度；在前段(9)，所述斜发散孔(7)沿主流流向间距沿逐渐变大，为4～8倍发散孔(7)孔径；在中段(10)，所述斜发散孔(7)流向间距不变，为前段(9)的最大流向间距；在尾段(11)，所述斜发散孔(7)流向间距从前段(9)的最大流向间距按等比递减，为2～8倍发散孔(7)孔径；斜发散孔(7)在外弧壁(3)上的周向排布间距不变，其间距根据冷气调节为2～4倍发散孔(7)孔径。6.根据权利要求2所述回流燃烧室火焰筒的冷却结构，其特征在于，内弧壁(6)上布置的垂直发散孔(8)排列方式为叉排排布，垂直发散孔(8)孔径为0.5～0.8mm，...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭晓茗，赵一霖，张靖周，杨卫华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。