CN113819492B - 一种导流板、火焰筒及燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导流板、火焰筒及燃气涡轮发动机，导流板包括：涡流器安装环、限位凸台、安装凸台、发散孔和基板；基板为双翻边环形结构；基板包括环形板和卷边；多个涡流器安装环周向均匀设置于环形板；多个限位凸台设置于基板冷却侧的上端和下端；多个安装凸台设置于基板冷却侧；多个发散孔设置于环形板。本发明采用整体式导流板，避免因分体式导流板间隙过大破坏火焰筒头部主燃区流场或因分体式导流板间隙过小带来的加工精度高，装配难度大的问题；采用冲击加发散的冷却方式，强化火焰筒头部的热防护效果；通过螺杆将导流板固定到头部，便于拆装；导流板冷却侧设置有限位凸台，保证导流板与头部的间隙。

Description

一种导流板、火焰筒及燃气涡轮发动机

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种导流板、火焰筒及燃气涡轮发动机。

背景技术

火焰筒是燃气涡轮发动机燃烧室中的关键部件，随着先进燃气涡轮发动机性能的提升燃烧室温升越来越高，高油气比使得参与燃烧的空气量增加而用于冷却的空气量减少，从而导致火焰筒壁温也越来越高，燃油在火焰筒内部燃烧，靠近火焰筒头部的主燃区燃气平均温度高达2000～2500K，目前普遍采用的高温合金最高工作温度仅在1300K左右，而且目前火焰筒头部烧蚀问题是燃烧室研制过程中出现的主要问题之一，因此，如何对火焰筒头部进行高效地冷却是燃烧室设计中需解决的重要技术问题之一。

现有的火焰筒一般都采用型面为回转形式的导流板对火焰筒头部进行热防护，导流板直接焊接在火焰筒头部，每个涡流器安装孔对应一个导流板，采用冲击冷却方式，燃气面无气膜覆盖，燃气可直接与导流板接触。这种导流板在主燃区油气比高的燃烧室上使用，该结构容易出现局部温度过高、烧蚀、变形以及积碳。而导流板开裂则会导致火焰筒头部暴露在主燃区的燃气中，从而烧蚀火焰筒头部。

现有火焰筒头部安装的导流板一般采取纯冲击冷却，冷却效率较低，并且导流板燃气面缺乏冷却气保护，使其直接与高温燃气接触，导致导流板容易出现变形、烧蚀等问题。同时在火焰筒头部焊接多个导流板，其加工工艺较为复杂，相邻导流板之间的间隙将影响燃烧室的性能，若相邻导流板之间存在较大缝隙，火焰筒头部冷气将通过导流板之间缝隙进入火焰筒参与燃烧，造成冷却气浪费，同时该气流垂直火焰筒头部壁面进入火焰筒内，将影响火焰筒头部的回流区流场；若相邻导流板之间间隙小，将会大大提高火焰筒头部及导流板的加工要求，否则将带来导流板之间干涉的问题。故需要采用更为有效的导流板和火焰筒以满足先进高温升燃烧室的设计要求。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种导流板，包括：涡流器安装环、限位凸台、安装凸台、发散孔和基板；

所述基板为双翻边环形结构；所述基板包括环形板和卷边；

多个所述涡流器安装环周向均匀设置于环形板；

多个所述限位凸台设置于基板冷却侧的上端和下端；

多个所述安装凸台设置于基板冷却侧；

多个所述发散孔设置于环形板，位于涡流器安装环四周。

更进一步地，所述安装凸台的高度为L；

所述安装凸台，用于轴向定位；

其中，L的取值范围为2～4倍的冲击孔直径。

更进一步地，所述限位凸台的高度低于所述安装凸台的高度。

更进一步地，所述发散孔为多圈同心圆阵列，发散孔的切向角取值范围为45°～90°；所述发散孔的倾角取值小于30°；所述发散孔的孔径范围为Φ0.5mm～Φ0.8mm；所述发散孔用于形成全覆盖的冷却气膜。

更进一步地，还包括冷却孔；

多个所述冷却孔均匀设置于所述涡流器安装环上。

更进一步地，还包括螺杆；

多个所述螺杆设置于基板冷却侧的涡流器安装环之间的中心位置；

多个所述螺杆底部四周设置有安装凸台。

一种火焰筒，采用上述的导流板组成的火焰筒，包括：火焰筒外环、火焰筒内环、导流板和涡流器；

所述火焰筒外环与所述火焰筒内环连接；

所述导流板安装于所述火焰筒内环内侧；所述导流板为整体式双翻边环形结构；

所述涡流器设置于火焰筒内环和导流板之间。

更进一步地，所述火焰筒外环包括外环筒体、大弯管和外环安装边；所述火焰筒外环为一体式结构；所述外环安装边垂直于外环筒体的外壁面；所述外环安装边周向均匀设置有多个外环螺栓孔；

所述火焰筒内环包含头部、内环筒体、小弯管、内环安装边；所述火焰筒内环为一体式结构；所述内环安装边垂直于所述内环筒体的外壁面；所述内环安装边周向均匀设置有多个内环螺栓孔；

所述外环安装边与内环安装边通过螺栓或螺钉连接。

更进一步地，所述头部包括涡流器安装座、冲击孔和通孔；

多个所述涡流器安装座周向均匀设置于所述头部平直区域；

多个所述冲击孔设置于所述头部平直区域，位于涡流器安装座四周，为多圈同心圆阵列；

多个所述通孔设置于所述头部的涡流器安装座之间的中心位置。

更进一步地，所述导流板通过螺栓设置于头部的燃气侧。

更进一步地，所述导流板包括基板，所述基板包括环形板和卷边；所述环形板与所述火焰筒内环的间距为L；所述卷边与所述火焰筒内环形成环形的缝槽，缝槽宽度为H，用于引导冷却气流流动，给所述火焰筒外环和所述火焰筒内环提供稳定高效的起始冷却气膜；

其中，L为安装凸台的高度，L的取值范围为2～4倍的冲击孔直径；H取值范围为1.5～2.0mm。

更进一步地，所述涡流器活动设置于涡流器安装环和涡流器安装座之间；所述涡流器外径小于涡流器安装环和涡流器安装座的内径。

一种燃气涡轮发动机，包括上述的火焰筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)相比传统的冲击冷却，采用更为先进的冲击加发散的冷却方式，在火焰筒头部形成了全覆盖气膜，强化了火焰筒头部的热防护效果；

2)采用整体式的导流板，避免分体式导流板之间缝隙过大使得冷却气流垂直火焰筒头部进入火焰筒内主燃区，导致冷却气浪费同时破坏火焰筒头部主燃区流场的问题，而且还可避免分体式导流板之间缝隙过小时所带来的加工精度高，装配难度大等问题；

3)导流板设计有多个螺杆的结构，通过螺母使其与头部连接，减小组件加工工序，降低加工难度，减小组件加工的变形；同时该设计拆装方便，便于设计或试验人员直接更换涡流器进行火焰筒性能调试；

4)由于热态下导流板与头部的壁温存在差异，导致其膨胀量存在差异，为保证该状态下导流板与头部之间的缝槽给火焰筒外环和火焰筒内环提供稳定有效的起始冷却气膜，在导流板冷却侧设置多个限位凸台，避免在火焰筒外环和火焰筒内环起始位置设置气膜槽，简化火焰筒结构。

本发明的其他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示出了根据本发明实施例的火焰筒的局部结构示意图；

图2示出了图1中的K向视图；

图3示出了沿图2中A-A线的剖视图；

图4示出了根据本发明实施例的导流板的局部结构示意图；

图5示出了沿图4中B-B线的剖视图。

附图标记：1、火焰筒外环；11、外环筒体；12、大弯管；13、外环安装边；14、外环螺栓孔；2、火焰筒内环；21、头部；22、内环筒体；23、小弯管；24、内环安装边；25、涡流器安装座；26、内环螺栓孔；27、冲击孔；28、通孔；3、导流板；31、涡流器安装环；32、限位凸台；33、冷却孔；34、螺杆；35、安装凸台；36、发散孔；37、基板；371、环形板；372、卷边；4、涡流器；5、螺母。

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。

图1示出了根据本发明实施例的火焰筒的局部结构示意图、图2示出了图1中的K向视图。如图1、图2所示，本发明提出一种火焰筒，包括：火焰筒外环1、火焰筒内环2、导流板3和涡流器4；

所述火焰筒外环1与所述火焰筒内环2连接；

所述导流板3安装于所述火焰筒内环2内侧；所述导流板3为整体式双翻边环形结构；

所述涡流器4设置于火焰筒内环2和导流板3之间。

其中，火焰筒外环1包括外环筒体11、大弯管12和外环安装边13，火焰筒外环1为一体式结构，便于制造、安装和拆卸。外环安装边13为环形，垂直于外环筒体11的外壁面，外环安装边13周向均匀设置有多个外环螺栓孔14。

火焰筒内环2包含头部21、内环筒体22、小弯管23、内环安装边24，火焰筒内环2为一体式结构，便于制造、安装和拆卸。内环安装边24为环形，垂直于内环筒体22的外壁面，内环安装边24周向均匀设置有多个内环螺栓孔26，内环螺栓孔26与外环螺栓孔14一一对应。

头部21包括涡流器安装座25、冲击孔27和通孔28。多个涡流器安装座25周向均匀设置于头部21平直区域，多个冲击孔27设置于头部21的平直区域上，位于涡流器安装座25四周，为多圈同心圆阵列。多个通孔28设置于头部21的涡流器安装座25之间的中心位置，优选地，通孔28的数量是涡流器安装座25的4倍。

外环安装边13与内环安装边24贴合，将外环螺栓孔14和内环螺栓孔26一一对齐，通过螺栓或螺钉将火焰筒外环1和火焰筒内环2连接。或者也可在外环螺栓孔14的下侧安装扩口自锁螺母并通过螺钉进行连接固定。在另外的一些设计方式上，也可以通过快卸卡箍将火焰筒外环1和火焰筒内环2连接，便于设计拆装、维修等操作。

火焰筒头部指火焰筒的前端部位，即火焰筒除去火焰筒外环1、内环筒体22、小弯管23和内环安装边24的其他结构。

导流板3为整体式结构，在导流板3冷却侧，每两个涡流器安装环31之间设置有螺杆34，优选地，设置有4个螺杆34，通过与螺母5连接使其固定在头部21。螺杆34便于拆装和更换涡流器4。此设计能够减小组件加工工序，降低加工难度，减小组件加工的变形；同时该设计拆装方便，便于设计或试验人员直接更换涡流器4进行火焰筒性能调试。

图3示出了沿图2中A-A线的剖视图。如图3所示，导流板3安装在火焰筒内环2上头部21的燃气侧，通过螺栓连接的方式固定在火焰筒内环2上。导流板3为整体式双翻边环形结构，一个火焰筒仅需安装一件导流板3。安装时将导流板3上的所有螺杆34穿过火焰筒内环2上对应的通孔28，在螺杆34上设置有安装凸台35，起到轴向定位的作用，以保证导流板3的中心平直区域和火焰筒内环2之间的间距L，将安装凸台35紧贴头部21的燃气侧壁面，通过螺母5与螺杆34连接，将导流板3固定。采用整体式的导流板3，避免分体式导流板之间缝隙过大使得冷却气流垂直火焰筒头部进入火焰筒内主燃区，导致冷却气浪费同时破坏火焰筒头部主燃区流场的问题，而且还可避免分体式导流板之间缝隙过小时所带来的加工精度高，装配难度大等问题。

导流板3包括基板37，基板37包括环形板371和卷边372。冷态情况下，导流板3的环形板371与火焰筒内环2的间距为L。导流板3的卷边372与火焰筒内环2形成环形的缝槽，缝槽宽度为H，取值范围为1.5～2.0mm。缝槽用于引导冷却气流流动，在导流板3与头部21形成的缝隙之间形成贴壁的气膜，给火焰筒外环1和火焰筒内环2提供稳定高效的起始冷却气膜，实现对火焰筒外环1和火焰筒内环2起始端进行冷却。L为安装凸台35的高度，L的取值范围为2～4倍的冲击孔27直径。起始端指靠近导流板3的一端。

如图2所示，涡流器4活动设置于涡流器安装环31和涡流器安装座25之间，不需要焊接，设计拆装方便，便于设计或实验人员直接更换涡流器4，从而进行火焰筒性能调试。涡流器4外径小于涡流器安装环31和涡流器安装座25的内径，涡流器安装环31和涡流器安装座25形成的锥形面需与涡流器4在径向上存在一定间隙，以保证安装后涡流器4能自由活动，便于燃油喷嘴的安装。如图1所示，涡流器4包括叶片和两个气流通道。涡流器4端部锥形开口与导流板3之间形成的环形缝槽，截面为V型。

图4示出了根据本发明实施例的导流板的局部结构示意图、图5示出了沿图4中B-B线的剖视图。如图3、图4、图5所示，本发明的导流板，包括：基板37、涡流器安装环31、限位凸台32、冷却孔33、螺杆34、安装凸台35和发散孔36；

所述基板37为双翻边环形结构；所述基板37包括环形板371和卷边372；所述基板37为一体化结构；

多个所述涡流器安装环31周向均匀设置于环形板371；涡流器安装环31为环形；

多个所述限位凸台32设置于基板37冷却侧的上端和下端；

多个所述冷却孔33均匀设置于所述涡流器安装环31上；冷却孔33的中轴线与水平面之间的夹角小于90°；

多个所述螺杆34设置于基板37冷却侧的涡流器安装环31之间的中心位置；多个所述螺杆34底部四周设置有安装凸台35；

多个所述安装凸台35设置于基板37冷却侧；

多个所述发散孔36设置于环形板371，位于涡流器安装环31四周。

安装凸台35为圆柱体，高度为L，安装凸台35紧贴头部21燃气侧，用于轴向定位，其中，L的取值范围为2～4倍的冲击孔27直径，以实现最优的冲击加发散冷却效率。在另外的设计方式上，安装凸台35可以设计为长方体、正方体或圆台等其他形状。

限位凸台32的高度低于安装凸台35的高度。限位凸台32可以设计为圆柱状、长方体、正方体、条状等不同形状。导流板3的两端上设置了多个限位凸台32，保证热态变形的情况下导流板3与火焰筒内环2所形成的缝槽能给火焰筒外环1和火焰筒内环2提供稳定高效的冷却气膜。由于热态下导流板3与头部21的壁温存在差异，导致其膨胀量存在差异，为保证该状态下导流板3与头部21之间的缝槽给火焰筒外环1和火焰筒内环2提供稳定有效的起始冷却气膜，在导流板3冷却侧设置多个限位凸台32，避免在火焰筒外环1和火焰筒内环2起始位置设置气膜槽，简化火焰筒的结构。

导流板3上设置有多个变切向角α的发散孔36，为多圈同心圆阵列，发散孔36用于形成全覆盖的冷却气膜。发散孔36结构见图4和图5，发散孔36的切向角α取值范围为45°～90°，发散孔36的孔径范围Φ0.5mm～Φ0.8mm，倾角β的取值需小于30°。优选地，发散孔36的切向角α从最内圈到最外圈依次减小。发散孔36的上述设置有利于提高冷却效率。切向角α指发散孔36中心轴线投影到导流板3平面与发散孔36圆心和涡流器安装环31中心连线的夹角，倾角β指发散孔36的中轴线与打孔水平面之间的夹角。相比传统的冲击冷却，采用更为先进的冲击加发散的冷却方式，在火焰筒头部形成了全覆盖气膜，强化了火焰筒头部的热防护效果。

火焰筒头部冷却气的流动过程如下：

冷却气从二股通道通过头部21的冲击孔27进入到火焰筒内环2与导流板3所构成的双层壁腔体中，分为三部分冷却气，第一部分冷却气通过导流板3上的发散孔36进入到火焰筒内，在头部21燃气侧形成全覆盖的冷却气膜，实现对导流板3的热防护，防止出现局部温度过高、烧蚀、变形以及积碳。第二部分冷却气经过导流板3的卷边372与火焰筒内环2形成环形的缝槽进入火焰筒，在导流板3与头部21之间的缝隙形成贴壁的气膜，实现对火焰筒外环1和火焰筒内环2的高效冷却，防止火焰筒内环2、火焰筒外环1前端烧蚀。第三部分冷却气经过冷却孔33进入到涡流器4与涡流器安装环31之间所形成的环形缝槽中，该部分冷却气实现对涡流器4出口处的热防护，防止涡流器4烧蚀或积碳。二股通道指火焰筒与机匣之间的气流通道。

本发明还提出了一种燃气涡轮发动机，包括上述的火焰筒。

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 (12)

1.一种导流板，其特征在于，包括：涡流器安装环(31)、限位凸台(32)、安装凸台(35)、发散孔(36)和基板(37)；

所述基板(37)为双翻边环形结构；所述基板(37)包括环形板(371)和卷边(372)；

多个所述涡流器安装环(31)周向均匀设置于环形板(371)；

多个所述限位凸台(32)设置于基板(37)冷却侧的上端和下端；

多个所述安装凸台(35)设置于基板(37)冷却侧；

多个所述发散孔(36)设置于环形板(371)，位于涡流器安装环(31)四周；

所述发散孔(36)为多圈同心圆阵列，发散孔(36)的切向角取值范围为45°～90°；所述发散孔(36)的倾角取值小于30°；所述发散孔(36)的孔径范围为Φ0.5mm～Φ0.8mm；所述发散孔(36)用于形成全覆盖的冷却气膜。

2.根据权利要求1所述的导流板，其特征在于，所述安装凸台(35)的高度为L；

所述安装凸台(35)，用于轴向定位；

其中，L的取值范围为2～4倍的冲击孔(27)直径。

3.根据权利要求2所述的导流板，其特征在于，所述限位凸台(32)的高度低于所述安装凸台(35)的高度。

4.根据权利要求1所述的导流板，其特征在于，还包括冷却孔(33)；

多个所述冷却孔(33)均匀设置于所述涡流器安装环(31)上。

5.根据权利要求1所述的导流板，其特征在于，还包括螺杆(34)；

多个所述螺杆(34)设置于基板(37)冷却侧的涡流器安装环(31)之间的中心位置；

多个所述螺杆(34)底部四周设置有安装凸台(35)。

6.一种火焰筒，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的导流板组成的火焰筒，包括：火焰筒外环(1)、火焰筒内环(2)、导流板(3)和涡流器(4)；

所述火焰筒外环(1)与所述火焰筒内环(2)连接；

所述导流板(3)安装于所述火焰筒内环(2)内侧；所述导流板(3)为整体式双翻边环形结构；

所述涡流器(4)设置于火焰筒内环(2)和导流板(3)之间。

7.根据权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，

所述火焰筒外环(1)包括外环筒体(11)、大弯管(12)和外环安装边(13)；所述火焰筒外环(1)为一体式结构；所述外环安装边(13)垂直于外环筒体(11)的外壁面；所述外环安装边(13)周向均匀设置有多个外环螺栓孔(14)；

所述火焰筒内环(2)包含头部(21)、内环筒体(22)、小弯管(23)、内环安装边(24)；所述火焰筒内环(2)为一体式结构；所述内环安装边(24)垂直于所述内环筒体(22)的外壁面；所述内环安装边(24)周向均匀设置有多个内环螺栓孔(26)；

所述外环安装边(13)与内环安装边(24)通过螺栓或螺钉连接。

8.根据权利要求7所述的火焰筒，其特征在于，所述头部(21)包括涡流器安装座(25)、冲击孔(27)和通孔(28)；

多个所述涡流器安装座(25)周向均匀设置于所述头部(21)平直区域；

多个所述冲击孔(27)设置于所述头部(21)平直区域，位于涡流器安装座(25)四周，为多圈同心圆阵列；

多个所述通孔(28)设置于所述头部(21)的涡流器安装座(25)之间的中心位置。

9.根据权利要求7所述的火焰筒，其特征在于，所述导流板(3)通过螺栓设置于头部(21)的燃气侧。

10.根据权利要求6所述的火焰筒，其特征在于，所述导流板(3)包括基板(37)，所述基板(37)包括环形板(371)和卷边(372)；所述环形板(371)与所述火焰筒内环(2)的间距为L；所述卷边(372)与所述火焰筒内环(2)形成环形的缝槽，缝槽宽度为H，用于引导冷却气流流动，给所述火焰筒外环(1)和所述火焰筒内环(2)提供稳定高效的起始冷却气膜；

其中，L为安装凸台(35)的高度，L的取值范围为2～4倍的冲击孔(27)直径；H取值范围为1.5～2.0mm。

11.根据权利要求8所述的火焰筒，其特征在于，所述涡流器(4)活动设置于涡流器安装环(31)和涡流器安装座(25)之间；所述涡流器(4)外径小于涡流器安装环(31)和涡流器安装座(25)的内径。

12.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求6-11任一项所述的火焰筒。

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