[实用新型]一种冲击发散扰流冷却火焰筒及燃烧室

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种能源与动力燃烧装置，特别是涉及一种冲击发散扰流冷却火焰筒及燃烧室。

背景技术

作为发动机的热端部件，燃烧室是决定发动机寿命和可靠性的关键部件之一。火焰筒在高温、剧烈震动和热冲击等恶劣条件下工作要承受很大的热应力、蠕变应力和疲劳应力，常产生裂纹、变形、掉块、烧蚀、脱焊和腐蚀等故障，是燃烧室故障率最高的组件，因而燃烧室的寿命和可靠性主要取决于火焰筒的寿命和可靠性。

同时随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对航空发动机污染物排放的限制要求日趋严格，甚至到了苛刻的地步。根据目前民用航空发动机研发趋势与市场需求，到2026年左右，氮氧化物（NOx）的排放量比现行国际民航组织（ICAO）规定CAEP6标准还要减少45%～60%左右。为了满足日益严格的航空发动机污染排放标准，低污染排放已成为现代航空发动机燃烧室的一项重要性能要求。

众多低排放燃烧室中以LPP（Lean Premix Preevaporation，贫油预混预蒸发）燃烧技术发展的燃烧室在降低NOx排放上更具发展潜力，LPP组织燃烧方式为适应燃烧室温升增加或污染排放降低的需求需要头部大量进气，因而参与燃烧的空气量随之增加，进而导致用于火焰筒壁面冷却的空气量大幅度减少；另一方面，压气机出口空气温度的不断提高，又使得用于冷却火焰筒壁面的空气温度上升，从而导致冷却品质下降，因此给火焰筒冷却带来了极大的挑战。

因此国外针对民用航空发动机低污染燃烧室的先进冷却方式开展了大量基础性的研究，一些先进火焰筒的复合冷却技术应运而生，如冲击、强制对流及气膜复合冷却技术，浮动瓦块式冷却结构，层板冷却和多孔全覆盖气膜冷却等。上世纪八十年代中期以来，冲击与发散气膜复合冷却方式又引起了人们的高度重视。它是一种双层壁火焰筒结构，冲击孔壁为外层承力壁，多斜孔壁为内层浮动壁，这种高效的复合冷却方式具有冷却效率高，压力损失小等优点。目前，PW6000、V2500等发动机火焰筒已经采用这种先进的冷却方式。

随着进入燃烧室头部参与燃烧空气的增加和冷却空气品质的下降，提高冷却空气的冷却效率就显得尤为重要，同时由于火焰筒寿命影响主要来源于热应力对其的影响，在降低火焰筒壁面最高温度的同时也应该降低火焰筒壁面的温度梯度，防止由于温度梯度过大导致火焰筒热应力过大而出现裂纹、掉块等故障。

冲击发散冷却结构及双层壁结构燃烧室在实际发动机中已有应用。图1示出的是专利号为US5461866的双层浮动壁燃烧室的结构示意图，其火焰筒采用冲击和扰流柱相结合的组合冷却结构，该方案采用了双层浮动壁结构形式，即包括浮动壁和承力壁，其中的浮动壁用于承热，承力壁用于承力，将受力和受热部件分开，从而可以给予浮动壁一定的浮动量，进而减小了热应力，提高了火焰筒寿命。但是，浮动壁热边气膜覆盖效果不好，冷却效率还有进一步提升的空间和潜力。

图2示出的是专利号US20070125093的冲击发散双层壁冷却结构燃烧室的结构示意图，其火焰筒采用的冷却结构为冲击发散双层壁冷却结构，该方案采用了冲击-发散冷却形式，气膜覆盖效果好，冷却效率高。但是，没有采用浮动壁结构形式，热应力较大，冷却效率有进一步提升的空间和潜力。

图3为典型冲击发散冷却结构发散孔壁面温度示意图，图3中的发散孔A的排布方式采用的是叉排长菱形，三角形虚线区A均为测得的高温区域，箭头指示火焰筒中燃气的流动方向。由图中可以看出：由发散孔A形成的长菱形的燃气行程的下游侧三角形虚线区域B的温度明显高于周围其它区域，该区域即为火焰筒发散孔所在壁面上的高温区域，造成火焰筒温度梯度大。所述燃气行程指的是燃气所流动的路径。通过发散孔A对所述下游侧区域进行说明：图中的发散孔A具有M侧和N侧，燃气会先到达M侧，再到达N侧，此时的M侧即为发散孔A的上游侧，N侧即为发散孔A的下游侧。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种冲击发散扰流冷却火焰筒及燃烧室，其在提高冷却效率的同时，能够降低火焰筒壁面整体温度，还能使火焰筒壁面温度分布更加均匀，降低火焰筒壁面温度梯度。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种冲击发散扰流冷却火焰筒，包括承力壁及设置在承力壁内侧的浮动壁；承力壁与浮动壁之间具有间隙；承力壁开设有离散布置的冲击孔；浮动壁与承力壁相向的侧面设置有扰流柱；浮动壁开设有离散布置的发散孔；扰流柱设置在发散孔的燃气行程下游侧。

进一步地，发散孔呈叉排布置。