[发明专利]一种冷却结构的火焰筒

说明书

本发明公开了一种冷却结构的火焰筒，包括燃烧室机匣，所述燃烧室机匣内设有火焰筒筒体和大弯管，所述燃烧室机匣的一侧设有进口扩压器，所述燃烧室机匣的内部在所述火焰筒筒体和大弯管之间设置有搭接段，所述火焰筒筒体的外环开设有外环主燃掺混孔，所述火焰筒筒体的头部环开设有头部涡流器安装孔，所述火焰筒筒体的内环开设有内环主燃掺混孔，所述火焰筒筒体包括外环、头部环、内环和小弯管，所述火焰筒筒体的外环、头部环、内环和小弯管为一体结构，所述火焰筒筒体的外环、头部环、内环和小弯管的壁面内部及大弯管的壁面内部均开设有曲折小孔径圆形冷却通道，大大降低了壁面开孔数量，减少了孔口裂纹的产生，提高火焰筒筒体使用寿命。

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体是一种冷却结构的火焰筒。

背景技术

随着航空发动机推重比(功重比)的不断提高，未来航空发动机燃烧室将向高温升、高热容方向发展，燃烧室的热防护问题日趋严峻。一方面，高温升燃烧室要求大幅度提高参与燃烧的空气比例，可用于冷却的气量必然减少；另一方面，为了提高发动机循环效率、降低油耗，压气机的增压比也将大幅度提高，燃烧室进口温度随之升高，进而导致冷却空气的冷却潜力下降。在冷却气量愈来愈少、冷却潜力逐渐下降的条件下，进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性将是高温升燃烧室面临的一项关键技术挑战。

目前，燃烧室火焰筒常用的冷却结构包括气膜冷却、发散冷却、冲击冷却、冲击+发散冷却、强对流冷却等结构，(1)膜冷却结构包括气膜槽(机械环)、Z 型环等多种形式的结构，气膜槽冷却原理：在总压差、静压差或者两者共同作用下，将燃烧室二股通道环腔空气通过成排进气孔导入气膜槽，在气膜槽出口下游形成贴壁气膜以对下游火焰筒壁面进行冷却保护；当冷气到达气膜孔下游时，与燃气混合，温度升高，冷却气膜有效性很快降低，导致火焰筒壁温很快上升，必须引入新的冷却环，典型结构见图1所示；Z型环结构：气流在总压作用下，通过小孔形成贴壁式冷却气膜，对下游壁面进行保护，典型结构见图2 所示；

(2)发散冷却又称全覆盖气膜冷却或多斜孔冷却，多采用电火花、电子束数控打孔或激光打孔等工艺在火焰筒壁面上加工出大量密布的小孔，冷气利用火焰筒内外环的压差以一定倾斜角度入射到高温燃气中，将燃气与壁面隔离，起到保护壁面的作用，典型的发散冷却结构如图3所示；

(3)冲击冷却：早期多用于涡轮叶片冷却，属于强迫对流换热。冷却气通过小孔直接冲击到目标冷却壁面，形成极薄的局部边界层，提高了表面传热系数，冲击冷却结构简图如图4所示；

冲击+发散复合冷却常用于回流燃烧室大小弯管壁面冷却，集成了冲击冷却、对流冷却、气膜冷却、发散冷却多种冷却方式的流动特性与换热特征，其冷却机理示意图如图5所示。

而现有技术的冷却结构，主要缺点如下：

(1)这些类型的冷却结构，需要在火焰筒面的多个不同位置加工成百上千个冷却孔结构，冷却孔口位置壁面薄，易形成应力集中，是造成火焰筒裂纹的原因之一；

(2)现有的冷却结构，均需要大量的冷却气量，且基本大部分气量只用于冷却火焰筒壁面，而不参与火焰筒内部的燃烧组织，且只有少部分气量可以用于调节出口温度场分布，造成了大量的气量浪费，而无法满足参与组织燃烧的气量需求，随着温升需求的升高，油气比增加，参与燃烧的气量需求量逐步增加，用于冷却的气量越来越少，现有的结构在一定程度上较难满足需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却结构的火焰筒，在火焰筒壁面内部设计多个曲折的小孔径圆形气流通道，从燃烧室二股通道引入高压冷气进入火焰筒壁面内部，增加气流与壁面的接触面积及停留时间，强化对流换热，并最后进入火焰筒内部，参与组织燃烧及调节出口温度场分布，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：