[實用新型]一種具有復合異型槽氣膜冷卻結構的燃燒室

有效

• 申請號: 201821290448.1
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN209013233U
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 張文武;王玉峰;張天潤
• 申請（專利權）人: 寧波大艾激光科技有限公司;中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: F23R3/42
• 分類號: F23R3/42
• 代理公司: 寧波元為知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33291
• 代理人: 單英

本實用新型提供一種具有復合異型槽氣膜冷卻結構的燃燒室，包括火焰筒，火焰筒的內壁具有若干內凹的槽體，槽體為復合異型槽，沿深度方向至少由兩部分組成，自槽體底部深度為H₁的部分為第一部分，剩余部分為第二部分，并且第二部分的至少一側壁是由第一部分的同側壁橫向擴張形成。冷卻氣體自離散孔A噴出后在槽體的第一部分充分發展，形成連續、均勻的正壓氣體，然后經第二部分傳輸至開口端偏向火焰筒內壁面一側流出，在火焰筒內壁面形成連續、均勻、貼附的冷卻氣膜，可以實現高效冷卻，對提高燃燒室的耐高溫能力具有重要意義。

技術領域

本發明涉及航空發動機、燃氣輪機等動力領域的燃燒室，具體涉及一種具有復合異型槽氣膜冷卻結構的燃燒室。

背景技術

燃燒室是將燃油的化學能轉變為熱能的裝置，是航空發動機和燃氣輪機的核心部件之一，產生的高溫燃氣可用于推動渦輪葉片等的工作。

燃燒室的燃燒過程主要發生在燃燒室的火焰筒內，火焰筒壁面需承受高溫火焰引起的熱應力和熱腐蝕，苛刻的使用環境對其使用壽命和可靠性提出了巨大挑戰。通常，采用耐高溫材料提高燃燒室的許用工作溫度，除此之外，還采取高效冷卻技術對火焰筒進行有效冷卻。

目前，燃燒室的冷卻方式主要包括層疊環帶狹縫氣膜冷卻、多斜孔氣膜冷卻、層板多孔冷卻等。早期的氣膜冷卻是由壁面狹縫或者小孔吹出的冷流來阻隔主燃氣，如美國專利US4896510所示，具有整體機構剛性好、冷卻流量可控性好等優勢，但存在冷氣需求量大，對火焰筒壁面冷卻不均勻等問題。多斜孔氣膜冷卻通過斜孔結構以一定的角度射出冷氣，在火焰筒壁面形成隔離氣膜，起到保護壁面的作用。早期斜孔多為直圓孔，存在單孔保護面積偏小，吹風比大時氣膜剝離嚴重等問題，需要很密集的氣膜孔。更為先進的擴散孔和復雜三維異型孔已被用于燃燒室的氣膜冷卻，相對于簡單直圓孔可以大幅度增加單孔降溫保護面積和在各種吹風比下的氣膜貼附度，如美國專利US 2008/0271457A1所示。但是，使用氣膜孔時，火焰筒壁面的表面氣膜均勻度與孔的分布和形狀密切相關，氣膜覆蓋的均勻性不足是制約燃燒室最大降溫防護的主要技術瓶頸。

結合先進氣膜冷卻孔技術的雙層壁冷卻或多層壁冷卻是目前燃燒室前沿的冷卻技術，如美國專利US4109459，US 2002/0174658A1，中國專利CN 103968418B以及文獻：商體松，趙明，涂冰怡.航空發動機燃燒室冷卻結構的發展及浮動壁結構的關鍵技術，航空工程進展，2013,4(4):407～413。目前的多層壁冷卻結構采用“沖擊冷卻+致密氣膜孔冷卻+疊層間隙冷卻”結合的復合冷卻結構，文獻中有多種結構的變化，如擾流柱、微織構、中間層等等。用雙層或多層壁結構，面向燃氣的一面(內層)一般為多斜孔壁，面向冷氣的一面(外層)為直孔壁。從外層壁開孔進入的冷卻空氣沖擊到內層壁進行沖擊冷卻，然后進入擾流腔或斜孔內，內層壁先經受冷卻的內部對流換熱防護，再盡可能地通過斜孔形成保護氣膜，和階梯狀層疊環帶結構縫隙噴出的冷氣氣膜一起，降低燃燒室壁面溫度。這類技術方案存在的不足是：階梯狀結構間隙氣流噴射耗氣量大；燃燒室內壁上的氣膜形成需要冷卻孔，而離散的冷卻孔很難保證冷卻效率的均勻性；雙層或多層壁結構復雜，導致燃燒室制造成本高昂，進一步減重困難。

隨著航空發動機和燃氣輪機性能的提升，工作溫度需要進一步提升，上述燃燒室的冷卻能力面臨挑戰。業內急需具有能夠形成連續、均勻氣膜的冷卻結構的燃燒室。

發明內容

針對上述技術現狀，本發明旨在提供一種燃燒室，其火焰筒內壁面能夠形成連續、均勻的冷卻氣膜，可以實現高效冷卻，對提高燃燒室的耐高溫能力具有重要意義。

為了實現上述技術目的，本發明人經過長期的研究探索，在燃燒室的火焰筒的筒壁設置包括離散孔與槽體的氣膜冷卻結構，并且將槽體設計為由兩部分形成的復合異型槽，即，沿著槽體深度方向，第一部分為中間擴展槽，用于將來自離散孔進入的冷卻氣體充分發展，形成連續、均勻的正壓氣體；第二部分為橫向擴張槽，用于使該正壓氣體偏向基體表面一側流出，在火焰筒的內壁面形成連續的均勻貼附的冷卻氣膜。