[發明專利]一種航空發動機燃燒室火焰筒壁面復合冷卻結構

有效

• 申請號: 201510362150.1
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN105276620B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 苗輝;王愛峰;劉金龍
• 申請（專利權）人: 中航空天發動機研究院有限公司
• 主分類號: F23R3/42
• 分類號: F23R3/42
• 代理公司: 中國航空專利中心11008
• 代理人: 杜永保

技術領域

本發明屬于工程傳熱傳質技術領域，具體涉及一種應用于航空發動機燃燒室火焰筒壁面復合冷卻的瓦片狀結構。

背景技術

燃燒室火焰筒是航空發動機組織燃燒的區域，該區域燃氣溫度最高。火焰筒的冷卻技術直接關系到燃燒室的壽命和可靠性，并影響整個發動機的熱效率。國內外有大量的設計研究。

早期的燃燒室火焰筒冷卻結構一般采用單層壁結構，這樣的結構總體冷卻效率不高。現有技術中較為先進的燃燒室火焰筒多采用雙層壁冷卻結構，燃燒室火焰筒的整體布局采用浮動壁燃燒室常見的“承力框架+冷卻瓦片”形式。冷卻瓦片通過螺栓和掛鉤等措施安裝在承力框架上，并具有一定的延展空間以減小熱應力的影響。

專利US2004/0050059公開了一種雙層壁火焰筒強化冷卻結構，在雙層壁面之間沿軸向有大量的冷卻通道，相鄰冷卻通道間有強化換熱的凹坑結構。

專利US2014/0033726提出了一種雙層壁火焰筒結構，雙層壁之間有冷卻空氣流道。冷卻氣從火焰筒后部進入冷卻通道，從火焰筒中前部的離散氣膜孔注入主流。

國內也有相關專利文獻。如CN202209695U提出了一種具有新型火焰筒冷卻結構的渦軸發動機回流燃燒室,其在彎曲段采用沖擊+逆向對流+氣膜冷卻結構；在直管段采用沖擊+發散冷卻結構。

CN203687097U設計了一種沖擊發散擾流冷卻火焰筒及燃燒室,包括承力壁及設置在承力壁內側的浮動壁；浮動壁與承力壁相向的側面設置有擾流柱。

CN202792105U公開了一種承力殼體以及位于承力殼體內的浮動瓦塊冷卻結構,殼體上的多個通孔的內徑尺寸沿從外到內的方向逐漸縮小。該設計用于降低流經殼體的冷卻氣流的壓力損失,進而提高火焰筒的冷卻效率。

應用沖擊/發散等復合冷卻技術的浮動瓦塊式冷卻結構被廣泛研究。在冷卻氣流形成均勻覆蓋氣膜之前，先進行沖擊冷卻以強化局部冷卻能力。但沖擊冷卻的有效換熱面積增加得不多，不能使冷卻氣流有效升溫，對冷量的利用水平不高。

發明內容

本發明克服了現有技術的不足，提供一種用于航空發動機燃燒室壁面冷卻的雙層壁復合冷卻結構，與發散氣膜冷卻相比，它能夠有效提高對冷卻空氣的利用水平，在保證冷卻效果的同時，降低對壁面冷卻氣量的需求。復合冷卻結構采用“微細通道冷卻”與“發散孔氣膜冷卻”相結合的思路，充分利用微細尺度結構強化傳熱，使冷卻氣流的冷卻能力得到發揮。該結構設計、加工簡單，易于在實際機型中實現。

考慮到現有技術的上述問題，根據本發明公開的一個方面，本發明采用以下技術方案：

一種航空發動機燃燒室火焰筒壁面復合冷卻結構，由雙層壁面組成：底板壁面(2)和蓋板壁面(3)。

所述底板壁面(2)為3mm厚的高溫合金板材，沿火焰筒流向長31mm，沿火焰筒周向長31mm，采用線切割的方法在所述底板壁面(2)內部沿火焰筒流向切割出6條并聯的微細尺度通道槽(6)，微細尺度通道槽(6)寬4mm，高1mm，長29mm；并聯的微細尺度通道槽(6)之間的肋(8)厚1mm，微細尺度通道槽(6)前后端壁厚1mm，在每條切割微細尺度通道槽(6)的中心線上，采用激光打孔方式做出6個小通孔(5)，作為冷卻氣體的出氣口，孔徑1mm，孔間距5mm。

所述蓋板壁面(3)為2mm厚的高溫合金板材，沿火焰筒流向長31mm，沿火焰筒周向長31mm，在所述蓋板壁面(3)上對應所述底板壁面(2)每條切割微細尺度通道槽(6)的中心點的位置，均設有直徑為4mm的大通孔(4)，作為冷卻氣體的進氣口，共6個大通孔(4)。

底板壁面(2)和蓋板壁面(3)使用釬焊、摩擦焊或擴散焊技術焊接成為一體，保證每個并聯的微細尺度通道槽(6)的肋(8)都和蓋板壁面(3)無縫相連，焊接完成后沿火焰筒周向進行彎曲處理，后采用熱處理手段消除殘余應力，以符合環形燃燒室火焰筒的輪廓。

底板壁面(2)的小通孔(5)側壁面噴涂有熱障涂層(7)。

本發明的一種航空發動機燃燒室火焰筒壁面復合冷卻結構，具有以下特點：

1)采用微細尺度通道/發散孔結構作為火焰筒壁面的基本冷卻結構；在已有專利文獻中未見提及。

2)將本發明的冷卻瓦片作為火焰筒壁面的單元結構，燃燒室環腔中的冷卻氣從蓋板上的進氣口進入冷卻結構，經過微細尺度通道，沿途依次通過發散孔進入火焰筒內部。微細尺度通道強化了冷卻氣對固壁材料的降溫能力，提高了對冷卻氣的利用率；而發散孔則保障了冷卻氣對火焰筒內部壁面的均勻完全覆蓋。