CN113719862B - 回流燃烧室的分体式双层壁小弯管及与火焰筒搭接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了回流燃烧室的分体式双层壁小弯管及与火焰筒搭接结构，所述搭接结构包括小弯管配合件和火焰筒配合件；所述小弯管配合件包括U型槽，U型槽设置在小弯管上尾端的转接段；所述火焰筒配合件包括装配槽，装配槽设置在火焰筒内环内侧环段末端；所述小弯管配合件中的U型槽和火焰筒配合件中的装配槽相互配合，其中，转接段外侧环段与装配槽在径向上进行搭接配合，装配槽内侧环段与小弯管中的U型槽搭接配合；该搭接结构可增加零件的稳定性，同时使得火焰筒无需分体设计，降低零件的加工及装配难度，而且该搭接结构可使火焰筒内环约束小弯管外壁的径向膨胀，同时在小弯管受到较大轴向力时，可保证火焰筒内环不发生变形。

Description

回流燃烧室的分体式双层壁小弯管及与火焰筒搭接结构

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，特别涉及一种回流燃烧室的分体式双层壁小弯管及与火焰筒搭接结构。

背景技术

小弯管作为回流燃烧室所特有的结构，是燃烧室中的一个重要承温组件，与火焰筒内环及涡轮机匣共同构成燃烧室二股通道，与大弯管构成燃烧室出口燃气通道，其主要作用是将火焰筒内的高温燃气折转约180°后平缓引入燃气涡轮导向器。小弯管工作时承受着极高的热应力以及较高的气动力，目前先进燃烧室出口的燃气平均温度高达1700K，而目前普遍采用的高温合金最高工作温度在1300K左右。

目前小弯管包含整体式结构和分体式结构两种，整体式小弯管由于与火焰筒内环组成一个组件，使得单个零件的结构较为复杂，若由单个毛坯加工成型，由于零件结构复杂导致加工难度大；若由多个零件进行焊接组合而成，由于多个薄壁件焊接容易导致零件变形，使其型面及其他结构尺寸难以保证。

分体式小弯管均与火焰筒内环进行搭接配合，在火焰筒内环出口位置设计“鸟嘴”结构，将分体式小弯管外侧端插入至火焰筒内环的“鸟嘴”结构中，由于搭接位置位于火焰筒内侧使得火焰筒内、外环必须分体式设计，增加了零件数量，同时增加了装配难度。

现有的单层壁小弯管同时承受较高的热应力和机械应力，其结构强度难以保证；且单层壁结构小弯管基本采用传统气膜冷却或发散冷却的冷却方式，相比冲击加逆向对流加气膜的冷却方式，传统气膜冷却或发散冷却的冷却的效率较低，在承受高温时易发生烧蚀。

现有的双层壁结构小弯管均采用冲击冷却的方式，其中小弯管外壁均为长悬臂结构，在承受高温时易发生变形，导致双层壁之间的距离增大，造成冲击冷却效果急剧恶化。

因此，如何对小弯管自身进行高效冷却以及对燃气涡轮导向器提供稳定有效的冷却气，同时提高其抗热变形能力是燃烧室设计中需解决的重要技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种回流燃烧室的分体式双层壁小弯管与火焰筒搭接结构，所述搭接结构包括小弯管配合件和火焰筒配合件；

所述小弯管配合件包括U型槽，所述U型槽设置在小弯管上尾端的转接段；所述火焰筒配合件包括装配槽，所述装配槽设置在火焰筒内环内侧环段末端；

所述小弯管配合件中的U型槽和火焰筒配合件中的装配槽相互配合，

其中，所述转接段外侧环段与装配槽在径向上进行搭接配合，所述装配槽内侧环段与小弯管中的U型槽搭接配合。

所述火焰筒配合件还包括火焰筒内环，所述火焰筒内环外侧环段末端设置舌片；所述装配槽设置于火焰筒内环内侧环段末端。

所述U型槽包括U型槽顶部和设置在所述U型槽顶部两侧的U型槽长端和U型槽短端；

所述U型槽长端一侧设计有凹槽，所述凹槽与小弯管外壁安装后形成双层壁空腔；

所述U型槽顶部设有垂直于壁面的转接段气膜孔，所述U型槽靠近内侧的转角处设置有凸台。

进一步地，所述小弯管气膜槽将冷却气形成贴壁的气膜。

进一步地，所述配合组件还包括支承环上开设的燃气涡轮导向器安装槽与燃气涡轮导向器配合连接。

本发明还提出了一种回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，所述分体式小弯管包括小弯管外壁、转接段、小弯管内壁和支承环；

所述小弯管外壁和所述小弯管内壁之间形成双层壁空腔，所述小弯管外壁与所述转接段搭接，所述支承环与所述小弯管内壁弯曲段下末端连接，所述支承环与小弯管外壁弯曲段靠近末端连接。

进一步地，所述小弯管外壁设置于小弯管的外侧，所述小弯管外壁包括外壁弯曲段和外壁直段，所述外壁直段与所述弯曲段上末端成一体；

所述外侧直段上设计有小弯管外壁气膜孔，所述小弯管外壁气膜孔设置于舌片的内侧，所述舌片与小弯管外壁气膜孔不接触构成小弯管气膜槽。

进一步地，所述小弯管内壁设置于小弯管的内侧，包括内壁弯曲段和内壁直段，所述内壁直段与内壁弯曲段上末端成一体；

所述内壁直段末端与转接段中的凹槽连接；

所述内壁弯曲段上开设有多排叉排分布的第一冲击孔。

进一步地，所述支承环包括支承环弯曲段和所述支承环弯曲段末端的支承环直段；

所述支承环弯曲段靠近内壁弯曲段一端的内侧环面上设有加强环，所述加强环末端与外壁弯曲段连接；所述支承环弯曲段靠近所述加强环的一端的内侧环面上设置第二冲击孔；

所述支承环直段内侧设有燃气涡轮导向器安装槽，所述燃气涡轮导向器安装槽与燃气涡轮导向器配合连接；所述支承环直段末端与涡轮机匣配合连接，所述涡轮机匣与火焰筒内环形成二股通道。

进一步地，所述第一冲击孔和第二冲击孔中通入冷却气；所述冷却气包括冷却气一、冷却气二、冷却气三和冷却气四；

所述冷却气一通过小弯管上的转接段气膜孔进入到U形槽中；

所述冷却气二通过小弯管内壁上的第一冲击孔进入到双层壁之间的空腔中，进入空腔后的所述冷却气二逆向流动至靠近转接段部位，再从小弯管外壁气膜孔流出至小弯管气膜槽中；

所述冷却气三从支承环上的第二冲击孔进入至小弯管内侧环形缝槽中；

所述冷却气一和所述冷却气二进入到小弯管气膜槽后形成贴壁的冷却气四。

本发明有益效果：

本发明设计的小弯管中的转接段与火焰筒内环末端均设计有U型的“鸟嘴”结构，相互配合形成“双钩”的搭接结构，该搭接结构可增加零件的稳定性，同时使得火焰筒无需分体设计，降低零件的加工及装配难度，而且该搭接结构可使火焰筒内环约束小弯管外壁的径向膨胀，同时在小弯管受到较大轴向力时，可保证火焰筒内环不发生变形；

本发明设计的小弯管外壁直段位置设计有疏密分布的气膜孔，与火焰筒内环出口位置的“舌片”形成常规气膜槽结构，从小弯管内壁冲击孔中的冷却气经过双层壁之间的空腔逆向流动后，从该气膜孔流出，疏密分布设计的气膜孔将进一步强化小弯管的整体冷却效果，减小热变形，避免小弯管出现烧蚀；

本发明设计的双层壁小弯管采用一体化设计，出口处焊接为一体，可以改善出口处的热变形，防止热变形导致冲击冷却效率的恶化；同时采用冲击加逆向对流加气膜相结合的冷却方式，强化对流换热，加强了小弯管外壁的冷却效果；

本发明设计的小弯管外壁与转接段搭接处不焊接，使得可以起到释放热应力，减小热变形的作用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术的发动机整体式双层壁结构小弯管结构示意图；

图2示出了现有技术的发动机分体式单层壁结构小弯管结构示意图；

图3示出了本发明实施例中发动机中分体式双层壁小弯管结构示意图；

图4示出了本发明实施例中小弯管安装及空气流路示意图。

图中：1、小弯管外壁；11、小弯管外壁气膜孔；12、外壁弯曲段；13、外壁直段；2、转接段；21、U型槽；211、U型槽顶部；212、U型槽长端；213、U型槽短端；22、凹槽；23、转接段气膜孔；24、凸台；3、小弯管内壁；31、第一冲击孔；32、内壁弯曲段；33、内壁直段；4、支承环；41、加强环；42、燃气涡轮导向器安装槽；43、第二冲击孔；44、支承环弯曲段；45、支承环直段；10、小弯管；20、火焰筒内环；30、大弯管；40、涡轮机匣；50、燃气涡轮导向器；101、冷却气一；102、冷却气二；103、冷却气三；104、冷却气四；105、高温燃气；201、舌片；202、装配槽；203、小弯管气膜槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前小弯管包含整体式结构和分体式结构两种，图1为某发动机整体式双层壁结构小弯管，它与火焰筒内环20连接为一个整体组件结构，图2为某发动机分体式单层壁结构小弯管，它单独成一个组件，装配时先与燃气涡轮导向器50形成组合后再插入火焰筒内环20出口鸟嘴结构中，与火焰筒内环20进行搭接配合。图1中整体式小弯管采用双层壁结构，冷却方式为冲击冷却，在火焰筒内环20末端设计有传统气膜槽，该传统气膜槽形成的冷却气膜作为小弯管燃气侧壁面的起始气膜并对其进行冷却，冲击后的冷却气通过双层壁之间的缝隙流出至燃气涡轮导向器50，并对燃气涡轮导向器50上缘板进行冷却，该小弯管外壁1为悬臂结构；图2中分体式小弯管采用单层壁结构，冷却方式为气膜冷却与发散冷却的组合冷却方式，与火焰筒内环20采用鸟嘴内的搭接结构，为形成贴壁的气膜，小弯管10插入至鸟嘴内部位设计有凹凸交错布置薄壁结构的金属圆环，同时在小弯管10完全段末端设计有一段气膜槽，经过该位置的冷却气用于对燃气涡轮导向器50上缘板进行冷却。

本发明提供了提供了一种适用于回流燃烧室的分体式双层壁小弯管结构，小弯管10采用分体式双层壁，分体式双层壁小弯管的设计可以有效强化小弯管10的冷却效果以及增强机械强度，减小小弯管10的热变形；同时还设计了小弯管10与火焰筒的搭接结构，采用“双钩”搭接结构配合稳定性，降低零件的加工难度和装配难度。

本发明的分体式双层壁小弯管结构如图3所示，主要包括小弯管外壁1、转接段2、小弯管内壁3和支承环4，小弯管外壁1和小弯管内壁3之间形成双层壁空腔，通过三道焊缝将其连接形成组件，出口处焊接为一体，改善出口处的热变形，防止热变形导致冲击冷却效率的恶化。

小弯管外壁1设置于小弯管10的外侧，包括外壁弯曲段12和与外壁弯曲段12上末端成一体的外壁直段13，外壁直段13上设置有小弯管外壁气膜孔11，小弯管外壁气膜孔11与火焰筒内环20出口位置的舌片201形成小弯管气膜槽203。从小弯管内壁3的第一冲击孔31进入的冷却气二102经过双层壁空腔逆向流动后，从小弯管外壁气膜孔11流出，经小弯管气膜槽203形成紧贴小弯管外壁1燃气侧的冷却气四104，避免小弯管外壁1的烧蚀，经疏密分布设计的小弯管外壁气膜孔11将进一步强化小弯管10的整体冷却效果，减小热变形。

转接段2设置于小弯管10的外壁直段13末端；小弯管外壁1与转接段2搭接处不焊接，使得小弯管10整体能起到释放热应力，减小热变形的作用。转接段2设计成U字形，为U型槽21，用于安装小弯管外壁1以及与火焰筒内环20的搭接配合，U型槽21为不规则U型槽，U型槽21包括U型槽顶部211和设置在U型槽顶部211两侧的U型槽长端212(转接段外侧环段)和U型槽短端213；U型槽长端212一侧设计有凹槽22，凹槽22于与小弯管外壁1安装后形成双层壁空腔，从而使小弯管外壁1形成冲击冷却；U型槽顶部211设置有垂直于壁面的转接段气膜孔23，同样用于对小弯管外壁1进行冷却；在U型槽21靠近内侧的转角处设计有凸台24，用于防止热态下小弯管外壁1变形而堵住转接段气膜孔23。冷却气一101通过小弯管10上的转接段气膜孔23进入到U型槽21中，并从小弯管外壁1与装配槽202靠内侧的外壁面之间的缝隙流至小弯管气膜槽203中。

小弯管内壁3设置于小弯管10的内侧，包括内壁弯曲段32和内壁弯曲段32上末端成一体的内壁直段33；小弯管内壁3的内壁直段33末端与转接段2中的凹槽22连接，内壁弯曲段32上开设有多排叉排分布的第一冲击孔31，第一冲击孔31可以均匀分布也可以不均匀分布(图3中所示状态仅是示例性展出)，从第一冲击孔31进入的冷却气二102可以对小弯管外壁1进行冲击冷却。

内壁弯曲段32下末端连接支承环4，内壁弯曲段32末端和外壁弯曲段12末端之间设置加强环41，用于连接小弯管内壁3和小弯管外壁1，增强小弯管10整体的机械强度，避免小弯管10受高热应力时发生较大变形。支承环4包括支承环弯曲段44和支承环直段45；支承环直段45内侧设计有燃气涡轮导向器安装槽42，用于安装燃气涡轮导向器50，燃气涡轮导向器50的与燃气涡轮导向器安装槽42配合连接；支承环4直段末端与涡轮机匣40进行配合，火焰筒内环20与涡轮机匣40形成二股通道。支承环弯曲段44靠近加强环41一端的内侧环面上设置第二冲击孔43，第二冲击孔43设置一排或多排，用于对小弯管外壁1末端进行冷却，同时为燃气涡轮导向器50提供冷却气三103。本发明的小弯管10与火焰筒的搭接结构如图3和图4所示，搭接结构整体成“双钩”型。搭接结构包括小弯配合件和火焰筒配合件，“双钩”组成包括小弯管配合件中的U型槽21和火焰筒配合件中的装配槽202。U型槽21设置在小弯管10上尾端的转接段2处，装配槽202设置在火焰筒内环20内侧环段末端；U型槽21中的U型槽短端213(外侧直段)插入到火焰筒内环20末端的装配槽202中，并与其在径向上进行搭接配合，同时装配槽202内侧环段插入至U型槽21中。

具体地，燃烧室内设火焰筒，火焰筒包括火焰筒内环20，火焰筒内环20外侧环段末端设置舌片201，舌片201与小弯管外壁1共同形成小弯管气膜槽203，小弯管气膜槽203用于将冷却气形成贴壁的气膜，以对小弯管外壁1进行冷却。火焰筒内环20内侧环段末端设置装配槽202，装配槽202与转接段2外侧环段在径向上进行搭接配合。火焰筒还包括与双层壁小弯管10间隔设置的大弯管30，大弯管30设置于整个火焰筒的最下端，与小弯管10整体共同构成高温燃气105偏转及流出的通道。

具体地，通过双层壁小弯管10与火焰筒内环20之间的配合方式对搭接结构进行说明。

小弯管10先通过燃气涡轮导向器安装槽42与燃气涡轮导向器50组成一个组件，再将小弯管10中转接段2外侧直段插入到火焰筒内环20末端的装配槽202中，并与其在径向上进行搭接配合，同时装配槽202的内侧环段插入至小弯管10中的U型槽21中，从而形成稳定的“双钩”搭接结构，该搭接结构可增加零件的稳定性，同时使得火焰筒无需分体设计，降低零件的加工及装配难度，而且该搭接结构可使火焰筒内环20约束小弯管外壁1的径向膨胀，同时在小弯管10受到较大轴向力时，可保证火焰筒内环20不发生变形。

具体地，通过双层壁小弯管10与火焰筒内环20之间空气流路对分体式双层壁小弯管进行说明。

火焰筒内环20末端的舌片201与小弯管外壁1共同形成小弯管气膜槽203，小弯管气膜槽203将冷却气一101形成贴壁的气膜，以对小弯管外壁1进行冷却，小弯管10内侧的支承环4与涡轮机匣40进行配合。火焰筒内环20与涡轮机匣40所形成的二股通道中的部分冷却气一101通过小弯管10上的转接段气膜孔23进入到U型槽21中，并从小弯管外壁1与装配槽202靠内侧的外壁面之间的缝隙流至小弯管气膜槽203中；二股通道中部分冷却气二102通过小弯管内壁3上的第一冲击孔31进入到双层壁之间的空腔中，进入空腔后的冷却气二102逆向流动至靠近转接段2部位，再从小弯管外壁气膜孔11流出至小弯管气膜槽203中，与冷却气一101共同形成紧贴小弯管外壁1燃气侧的冷却气四104，冷却气四104在高温燃气105的作用下形成贴附在小弯管外壁1的外壁面上的的冷却气膜，实现对小弯管10燃气侧进行热防护；二股通道中部分冷却气三103从支承环4上的第二冲击孔43进入至小弯管10内侧环形缝槽中，用于对小弯管外壁1出口位置进行冷却，该部分冷却气三103从双层壁缝槽中流出形成气膜，用于对燃气涡轮导向器50上缘板的冷却。双层壁小弯管10采用冲击加逆向对流加气膜相结合的冷却方式，强化对流换热，加强小弯管外壁1的冷却效果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种回流燃烧室的分体式双层壁小弯管与火焰筒搭接结构，其特征在于，

所述搭接结构包括小弯管配合件和火焰筒配合件；

所述小弯管配合件包括U型槽，所述U型槽设置在小弯管上尾端的转接段；所述火焰筒配合件包括装配槽，所述装配槽设置在火焰筒内环内侧环段末端；所述U型槽包括U型槽顶部和设置在所述U型槽顶部两侧的U型槽长端和U型槽短端；所述U型槽长端一侧设计有凹槽，所述凹槽与小弯管外壁安装后形成双层壁空腔；所述U型槽顶部设有垂直于壁面的转接段气膜孔，所述U型槽靠近内侧的转角处设置有凸台；

所述小弯管配合件中的U型槽和火焰筒配合件中的装配槽相互配合，

其中，所述转接段外侧环段与装配槽在径向上进行搭接配合，所述装配槽内侧环段与U型槽搭接配合。

2.根据权利要求1所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管与火焰筒搭接结构，其特征在于，

所述火焰筒配合件还包括火焰筒内环，所述火焰筒内环外侧环段末端设置舌片；所述装配槽设置于火焰筒内环内侧环段末端。

3.根据权利要求2所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管与火焰筒搭接结构，其特征在于，

小弯管气膜槽将冷却气形成贴壁的气膜。

4.根据权利要求1所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管与火焰筒搭接结构，其特征在于，

配合件还包括支承环上开设的燃气涡轮导向器安装槽与燃气涡轮导向器配合连接。

5.一种回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，其特征在于，所述分体式双层壁小弯管采用权利要求1－4任一项所述的搭接结构与火焰筒连接；

所述分体式小弯管包括小弯管外壁、转接段、小弯管内壁和支承环；

所述小弯管外壁和所述小弯管内壁之间形成双层壁空腔，所述小弯管外壁与所述转接段搭接，所述支承环与所述小弯管内壁弯曲段下末端连接，所述支承环与小弯管外壁弯曲段靠近末端连接。

6.根据权利要求5所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，其特征在于，

所述小弯管外壁设置于小弯管的外侧，所述小弯管外壁包括外壁弯曲段和外壁直段，所述外壁直段与所述弯曲段上末端成一体；

所述外壁直段上设计有小弯管外壁气膜孔，所述小弯管外壁气膜孔设置于舌片的内侧，所述舌片与小弯管外壁气膜孔不接触构成小弯管气膜槽。

7.根据权利要求5所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，其特征在于，

所述小弯管内壁设置于小弯管的内侧，包括内壁弯曲段和内壁直段，所述内壁直段与内壁弯曲段上末端成一体；

所述内壁直段末端与转接段中的凹槽连接；

所述内壁弯曲段上开设有多排叉排分布的第一冲击孔。

8.根据权利要求5所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，其特征在于，

所述支承环包括支承环弯曲段和所述支承环弯曲段末端的支承环直段；

所述支承环弯曲段靠近内壁弯曲段一端的内侧环面上设有加强环，所述加强环末端与外壁弯曲段连接；所述支承环弯曲段靠近所述加强环的一端的内侧环面上设置第二冲击孔；

所述支承环直段内侧设有燃气涡轮导向器安装槽，所述燃气涡轮导向器安装槽与燃气涡轮导向器配合连接；所述支承环直段末端与涡轮机匣配合连接，所述涡轮机匣与火焰筒内环形成二股通道。

9.根据权利要求7所述的回流燃烧室的分体式双层壁小弯管，其特征在于，

所述第一冲击孔中通入冷却气；所述冷却气包括冷却气一、冷却气二、冷却气三和冷却气四；

所述冷却气一通过小弯管上的转接段气膜孔进入到U形槽中；

所述冷却气二通过小弯管内壁上的第一冲击孔进入到双层壁之间的空腔中，进入空腔后的所述冷却气二逆向流动至靠近转接段部位，再从小弯管外壁气膜孔流出至小弯管气膜槽中；

所述冷却气三从支承环上的第二冲击孔进入至小弯管内侧环形缝槽中；

所述冷却气一和所述冷却气二进入到小弯管气膜槽后形成贴壁的冷却气四。

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