[實用新型]一種火焰筒及包括該火焰筒的燃氣輪機燃燒室

有效

• 申請號: 201320812690.1
• 申請日: 2013-12-10
• 公開（公告）號: CN203671657U
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 何躍龍;張晶楊;薈楠;陳毓卿
• 申請（專利權）人: 中航商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F23R3/42
• 分類號: F23R3/42
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 朱立鳴

技術領域

本實用新型涉及一種火焰筒及包括該火焰筒的燃燒室，特別地，本實用新型的燃燒室適用于燃氣輪機，例如航空發動機所使用的燃燒室。

背景技術

在航空發動機中目前通常采用的是燃氣輪機，其包括壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。圖1中示出了一種典型的燃氣輪機燃燒室的示意性縱截面圖。其中，在燃燒室100中設置有火焰筒200，火焰在火焰筒200中燃燒。火焰筒200中的空間可分為兩個區域，即位于上游的主燃區110和位于下游的摻混區120。在摻混區的下游設置有導向器300，以將燃燒所形成的燃氣導入位于下游的渦輪（未示出）中并推動渦輪轉動。

燃燒室是燃氣輪機中溫度最高的部件，特別地，主燃區110中的燃氣溫度可達2400K。而火焰筒200的筒壁所采用的金屬材料的正常工作溫度一般不超過1300K。可見，火焰筒200中的燃氣溫度遠遠超過火焰筒的正常工作溫度。因此，必須對燃燒室中的火焰筒進行冷卻，以避免火焰筒因長時間在遠超其正常工作溫度的條件下工作而被燒壞。

目前，燃燒室火焰筒的冷卻方式主要有如下幾種：氣膜冷卻、對流氣膜冷卻、沖擊氣膜冷卻、發散冷卻和層板冷卻。這些冷卻方式的一個基本共同點在于，它們都是將冷卻氣體引入火焰筒中，并在火焰筒內壁的表面上形成一層冷卻氣膜，該冷卻氣膜緊貼火焰筒的內壁流動，在對火焰筒的筒壁進行冷卻的同時，還能起到將火焰筒的筒壁與火焰筒中的燃氣隔離開的作用。

圖2中示出了將火焰筒200展開為平板形式的示意圖，其中，箭頭C表示火焰筒的周向，箭頭L表示火焰筒的縱向或軸向。如圖2所示，在火焰筒的筒壁上形成有多個孔，從而冷卻空氣可以經這些孔從火焰筒的外壁和燃燒室的內壁之間的環向空間流入火焰筒中的空間中，以形成冷卻氣膜，其中，這些孔被稱為“氣膜孔”。

圖3～5示出了現有技術中的層板冷卻結構的示意圖。其中，圖3示出了火焰筒的筒壁的一部分的立體圖，圖4是圖3所示筒壁部分的俯視圖，而圖5則示出了圖3和圖4所示筒壁部分的截面圖。從圖3～5中可見，該層板結構包括進氣板230a和出氣板230b，至少在進氣板230a上設置有多個氣膜孔210。進一步地，在出氣板230b上形成有多個擾流柱220，在擾流柱之間形成氣流通道，供來自氣膜孔210的冷卻氣流通過。這些擾流柱通常呈圓柱形，且均勻布置。

圖6示出了圖5所示雙層冷卻結構的火焰筒筒壁的工作原理。從圖6中可見，進氣板230a呈階梯狀，與之相對應，出氣板230b由多個板件相連而形成同樣的階梯狀，且每個板件在其沿著火焰筒軸向的端部處與火焰筒的內部連通。在圖6中，實線箭頭所示的冷卻空氣從進氣板230a一側經進氣板230a上的多個氣膜孔流入進氣板230a和出氣板230b之間的空間中，并在擾流柱220之間所形成的氣流通道流動。隨后，冷卻空氣在出氣板230b的各板件沿軸向的端部處流入火焰筒的內部，并且沿著火焰筒的內壁流動，從而形成氣膜，將火焰筒的內壁與虛線所示的熱燃氣隔離開。

隨著航空發動機技術的發展，上述火焰筒筒壁的冷卻結構的局限性也日益顯現。具體來說，當前的航空發動機隨技術的發展，其壓氣機的增壓比大幅提高，而燃燒室的進出口溫度也大幅提高。具體來說，隨著設計參數的提高，壓氣機出口處的空氣溫度可達800～900K，若要將如此高溫的空氣用作冷卻氣體，其冷卻能力將有所下降，因而需要加大冷卻氣體量的供應。而與此同時，燃燒室的進出口溫度也大幅提高，如燃燒室出口的燃氣溫度可高達1300～1800K。為此，渦輪葉片冷卻所需的冷卻氣體用量也增加。由于渦輪葉片冷卻氣體是直接進入渦輪，而沒有通過火焰筒，因此這導致用作火焰筒氣膜冷卻的空氣流量降低。目前的燃燒室冷卻空氣的氣量只占總空氣量的20～30％。火焰筒冷卻所需冷卻空氣量的上升以及實際可供冷卻空氣量的下降構成了一對矛盾。

此外，傳統的氣膜冷卻結構在冷卻效率方面也存在一些問題。以圖1所示的火焰筒筒壁為例。沿著火焰筒的軸向、即氣流方向，從火焰筒上的氣膜孔進入火焰筒的氣流會逐漸疊加，從而引起火焰筒的筒壁附近冷卻氣膜沿火焰筒的軸向逐漸變厚。這一方面使火焰筒沿軸向的下游部分聚集較多的冷卻空氣，造成冷卻空氣的浪費，降低火焰筒的整體冷卻效率，另一方面，火焰筒下游的冷卻氣膜變厚，導致該部分中的有效燃燒容積減小。同時。上述兩種因素相結合，導致沿火焰筒軸向的筒壁溫度迅速下降，從而產生較高的火焰筒溫度梯度，引起較高的熱應力，從而影響火焰筒的使用壽命。而且，為了形成氣膜，在火焰筒的筒壁上設置多個氣膜孔，這會導致火焰筒筒壁的結構強度降低，而加工成本則上升。

實用新型內容