用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏及气膜形成的方法技术

本发明专利技术具体涉及一种用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，包括气膜孔板和冲击孔板，所述气膜孔板内侧为燃烧室主燃气涵道，所述冲击孔板与燃烧室的外壁面共同构成冷气外涵道；在所述气膜孔板与冲击孔板之间设有矩阵排列的多个多面体桁架；在所述的气膜孔板上设有气膜孔；在所述冲击孔板上设有冲击孔；冷却气流通过冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔，在空腔内形成的混合气流进入气膜孔形成气流射流，形成了气膜板上的气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触，强化内部的对流换热，降低冷气利用量，且具有较好的力学性能，增强了双层壁隔热屏结构性能，提高燃烧室的寿命和可靠性。燃烧室的寿命和可靠性。燃烧室的寿命和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏及气膜形成的方法


[0001]本专利技术属于燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种带有用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏结构和成膜方法。

技术介绍

[0002]航空发动机在加力状态下，流经燃烧室与尾喷管的燃气温度超过2000K，已远远超过可用高温材料的耐热极限，因此，必须对燃烧室与尾喷管的承力结构进行有效的热防护。
[0003]此前公开了几种燃烧室隔热屏，包括一种多孔波纹板燃烧室隔热屏(US005465572A)，其波纹状结构的伸缩性可以有效防止振动核筒体热变形造成的影响，又通过波纹板上离散气膜孔的冷却射流对隔热屏的高温燃气侧进行气膜冷却。然而，正是由于波纹状结构，冷却气膜射流难以覆盖整个表面，使其局部壁温过高，无法形成有效的气膜覆盖和换热；另外一种为带扰流柱的发散冷却隔热屏结构(US 20140096527A1)，通过发散的冷却形式在壁面形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的直接接触，同时，隔热屏冷气侧壁面上的扰流柱结构可以对冷气进行扰动混合，强化对流换热，使冷气带走更多的热量而降低壁温。然而，单纯的发散冷却形式难以使扰流柱发挥更好的作用，冷却流动混合不够强烈，无法提升其冷却效率。
[0004]基于以上的经验，结合传统的气膜冷却、冲击冷却等方式，专利(CN103968418A)公开了一种用于加力燃烧室的双层壁隔热屏。此结构包括靠近燃气侧带有气膜孔的壁面、靠近冷气侧带有冲击孔的壁面以及气膜孔板和冲击孔板之间的梯形强化框，这样就形成了冷气侧冲击冷却、内部对流换热和燃气测气膜覆盖的复合冷却形式。此种结构可以通过对流换热带走传入的热量，提高冷气利用率，同时具有较好的力学性能，然而，此结构并未考虑梯形强化框在内部对流换热的过程中带来的流动阻力。
[0005]随着先进高性能燃气涡轮发动机的发展，流经燃烧室的燃气温度不断提高。另外，随着主流燃烧需要的空气流量的增大，导致用于冷却的空气流量减少，因此，必须应用具有高效冷却能力的隔热屏结构，即以尽可能少的冷气空气达到更好的冷气效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种结构简单，使用方便的用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，包括用于构成燃烧室筒体内壁的气膜孔板和在所述气膜孔板外侧的冲击孔板，在所述的气膜孔板上设有气膜孔；在所述冲击孔板上设有冲击孔；所述气膜孔板内侧为燃烧室主燃气涵道，所述冲击孔板与燃烧室的外壁面共同构成冷气外涵道；在所述气膜孔板与冲击孔板之间矩阵排列有多个多面体桁架，多面体桁架是由至少三根桁架杆组成，至少三根桁架杆一端的交叉顶点固连在冲击孔板上，在冲击孔板上形成连接点，所述连
接点以点阵形式固连在冲击孔板上；所述至少三根桁架杆的另一端也以点阵形式固连在气膜孔板上；所述的气膜孔板、冲击孔板和多面体桁架共同构成所述的隔热屏；
[0008]所述的多个多面体桁架的矩阵排列具体为：以S
x
为多面体桁架轴向排布间距，S
z
为多面体桁架周向排布间距，H为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，d为多面体桁架的桁架杆直径，则所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元大小为：
[0009]H≥S
x
≥2d、H≥S
z
≥2d；
[0010]多个多面体桁架以所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元在所述气膜孔板与冲击孔板之间周向和轴向延展排布，且在所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元内对应设有一个多面体桁架。
[0011]进一步的，所述的冲击孔为沿冲击孔板的法向方向设置的多排通孔，冲击孔位于多面体桁架与冲击孔板连接点沿气流方向的前方，所述的冲击孔的直径为1～2mm；所述的气膜孔为与气膜孔板法向呈20～60度设置的通孔，气膜孔位于多面体桁架与气膜孔板的连接点沿气流方向的后方；所述气膜孔直径为0.3～10mm。
[0012]进一步的，所述的多面体桁架是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的一端相交与一点，即为交叉顶点，形成四面体桁架，所述的三根桁架杆分别为第一桁架杆、第二桁架杆和第三桁架杆，其中第一桁架杆和第二桁架杆与气膜孔板的连接点设置在所述矩阵单元的两个角点上，第三桁架杆与气膜孔板的连接点设置在所述矩阵单元另外两个角点的连线中点上。
[0013]进一步的，所述的四面体桁架在气膜孔板与冲击孔板之间周向上，按照所述的矩阵单元依次排列，且每个交叉顶点均伸出三个桁架杆，左、右相邻两个四面体桁架之间的第一桁架杆和第二桁架杆与气膜孔板的连接点交接重合在所述矩阵单元的角点上；在所述气膜孔板与冲击孔板之间轴向上，前排四面体桁架的第三桁架杆与气膜孔板的连接点又交接重合在后排左、右相邻两个四面体桁架之间的第一桁架杆和第二桁架杆与气膜孔板的连接点的交接重合点上，并依此延展设置。
[0014]进一步的，所述的多面体桁架是由四根桁架杆组成，四根桁架杆的一端相交与一点，形成五面体桁架，所述的四根桁架杆与气膜孔板连接的连接点设置在所述矩阵单元的四个角点上。
[0015]进一步的，所述多面体桁架的直径d与冲击孔板和气膜孔板间距H的比值变化范围为：0.05～0.25。
[0016]进一步的，所述的多面体桁架与所述的气膜孔板的壁面法向角度为θ，θ为30
‑
60
°
；所述组成多面体桁架的桁架杆长度为l，H为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，则l＝H/cosθ。
[0017]本专利技术还提供一种所述的用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏在气膜孔板上形成气膜的方法，
[0018]在所述冷气外涵道中的冷却气流的部分垂直与冲击孔板的冲击射流，经所述冲击孔板上的冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔；
[0019]进入气膜孔板和冲击孔板之间空腔的冲击射流，一部分为直接对所述的气膜孔板内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流，另一部分冲击所述的多面体桁架，并与多面体桁架表面碰撞形成环绕多面体桁架的绕流，
[0020]由所述多面体桁架环绕下降的绕流对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击，并与
所述冲击冷却气流混合后,在所述的多面体桁架的各个桁架杆之间形成混合气流；
[0021]所述的混合气流进入气膜孔板的气膜孔中形成气流射流，由气膜孔板的外壁面流出的气流射流形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道内主流高温燃气A对燃烧室壁面的热负荷。
[0022]本专利技术的有益效果是：一种带有用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，即在冲击孔板和气膜孔板之间布置多面体桁架结构，一方面，可以通过冲击
‑
气膜的复合冷却方式在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触；另一方面，可以通过多面体桁架结构对冲击射流进行扰动混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，其特征在于，包括用于构成燃烧室筒体内壁的气膜孔板(1)和在所述气膜孔板(1)外侧的冲击孔板(2)，在所述的气膜孔板(1)上设有气膜孔(5)；在所述冲击孔板(2)上设有冲击孔(6)；所述气膜孔板(1)内侧为燃烧室主燃气涵道(8)，所述冲击孔板(2)与燃烧室的外壁面(4)共同构成冷气外涵道(7)；在所述气膜孔板(1)与冲击孔板(2)之间矩阵排列有多个多面体桁架(3)，多面体桁架(3)是由至少三根桁架杆组成，至少三根桁架杆一端的交叉顶点固连在冲击孔板(2)上，在冲击孔板(2)上形成连接点，所述连接点以点阵形式固连在冲击孔板(2)上；所述至少三根桁架杆的另一端也以点阵形式固连在气膜孔板(1)上；所述的气膜孔板(1)、冲击孔板(2)和多面体桁架(3)共同构成所述的隔热屏；所述的多个多面体桁架(3)的矩阵排列具体为：以S
x
为多面体桁架轴向排布间距，S
z
为多面体桁架周向排布间距，H为气膜孔板(1)与冲击孔板(2)之间的距离，d为多面体桁架的桁架杆直径，则所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元大小为：H≥S
x
≥2d、H≥S
z
≥2d；多个多面体桁架(3)以所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元在所述气膜孔板(1)与冲击孔板(2)之间周向和轴向延展排布，且在所述S
x
和S
z
形成的矩阵单元内对应设有一个多面体桁架(3)。2.如权利要求1所述的用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，其特征在于，所述的冲击孔(6)为沿冲击孔板(2)的法向方向设置的多排通孔，冲击孔(6)位于多面体桁架(3)与冲击孔板(2)连接点沿气流方向的前方，所述的冲击孔(6)的直径为1～2mm；所述的气膜孔(5)为与气膜孔板(1)法向呈20～60度设置的通孔，气膜孔(5)位于多面体桁架(3)与气膜孔板(1)的连接点沿气流方向的后方；所述气膜孔(5)直径为0.3～10mm。3.如权利要求1所述的用于航空发动机燃烧室的多面体桁架式结构隔热屏，其特征在于，所述的多面体桁架(3)是由三根桁架杆组成，三根桁架杆的一端相交与一点，即为交叉顶点，形成四面体桁架，所述的三根桁架杆分别为第一桁架杆(31)、第二桁架杆(32)和第三桁架杆(33)，其中第一桁架杆(31)和第二桁架杆(32)与气膜孔板(1)的连接点设置在所述矩阵单元的两个角点上，第三桁架杆(33)与气膜孔板(1)的连接点设置在所述矩阵单元另外两个角点的连线中点上...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘存良，白晓辉，刘海涌，傅松，王子文，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：