一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构。

背景技术

随着世界科技水平不断发展，不断追求高、精、尖技术研发已成为每个国家发展工业的战略部署。而航空发动机作为近代以来不断发展起来的新兴产业，被誉为工业上的“明珠”，也成为一个国家的工业水平和科技实力的重要体现。航空发动机是一种十分复杂而且精密的机械，为航空器提供必须的飞行动力，所以也被成为飞机的心脏，它直接影响着飞机的可靠性和安全性，且有着很高的技术门槛。航空发动机结构主要分为进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。其中燃烧室又被称为发动机的心脏，燃烧室作为航空发动机核心部件之一，其主要功能是将化石燃料(如航空煤油)进行燃烧，将其中的化学能转化为热能释放出来，形成高温高压燃气，燃气再通过燃烧室后涡轮将热能转化为机械能，为发动机向前推进提供巨大的能量。

如何尽可能多的为航空发动机提供所需的能量、提高发动机推重比，一直是燃烧室设计不断追求的核心。要想使发动机获得更大的推力，增大实际循环的热效率，增大发动机的推重，就必须提高涡轮前的进口温度，这相应地也提高了航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件抗高温能力的要求。

目前提高热端部件的抗高温能力的方法主要有两种(1)提高材料的耐热性能，研发高性能高温合金，在热端部件表面喷涂热障涂层；(2)采用先进的冷却技术。其中材料的改善占40％，冷却技术的发展占60％，可见冷却技术对解决热端部件的高温问题起着重要的作用。

目前燃烧室火焰筒常用的冷却结构包括气膜冷却、发散冷却、冲击冷却、冲击+发散冷却、强对流冷却等结构。层板冷却结构集合了多种冷却技术，包括冲击冷却、对流冷却、气膜冷却于一体，并具有冷气消耗量少，冷却效率高的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构，该层板冷却结构，具有冲击孔壁、带风扇的扰流柱、发散孔壁，其中冲击孔壁上带有圆形小孔，发散孔壁上带有异形气膜孔。在扰流柱上增加风扇后，由于风扇的旋转带动周围气流的旋转，使得层板环腔内的流场与仅有扰流柱相比更加复杂，增加环腔内换热面积的同时，增强了对流换热，异形气膜孔结构可以降低出口气流平均速度，增强扩散能力。

技术方案

本发明所要解决的技术问题是提出一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构，它能够有效降低火焰筒高温壁面的温度，提高火焰筒的使用寿命，满足燃烧室性能要求。

本发明技术方案如下：

一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构，包括冲击孔壁、带风扇的扰流柱、发散孔壁、冲击孔和异形气膜孔，其特征在于：冷却气体通过冲击孔壁面上的圆形小孔(冲击孔)进入带有扰流柱的层板结构内部，一部分气体带动扰流柱上的风扇旋转，另一部分气体冲击发散孔壁表面，紧接着冷气在冲击驻点区形成壁面射流，最后由于溢流作用气流从发散孔壁表面的异形气膜孔流出。

所述一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构，其特征在于：该扰流柱下端为圆柱形，根据风扇所在位置的不同，共有两种类型的扰流柱，一种正对冲击孔分布，另一种沿冲击孔中心线对称分布。正对冲击孔的扰流柱的风扇沿扰流柱呈周向分布，沿冲击孔中心线对称分布的扰流柱的风扇与扰流柱平行分布，且一个扰流柱带有两个风扇。两种类型的扰流柱的风扇叶片均为直叶片，正对冲击孔的风扇叶片数量为8片，冲击孔两侧的风扇叶片数量为12片，叶片厚度均为0.5mm～1mm，风扇均由气流带动旋转。发散孔壁表面上的异形气膜孔，上端为圆柱形孔，沿径向倾斜，倾斜角度为30度；下端出口处为一横向槽，该横向槽以圆柱形孔的出口圆心为形心。横向槽为正方形设计，边长约为5/4倍圆柱形孔的出口直径，深度约为发散孔壁厚度的1/10。异形气膜孔沿冲击孔中心线对称分布。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构，与现有火焰筒壁冷却结构相比，本发明的优点是该结构集合了冲击冷却、对流冷却、气膜冷却三种冷却技术于一体，且带风扇的扰流柱，由于风扇带动气流的旋转，与圆形扰流柱相比使得层板环腔内的流场变得更加复杂，增大环腔内换热面积的同时，增强了对流换热。异形气膜孔结构与传统圆柱形气膜孔结构相比，气膜更加贴壁，覆盖面积更大，具有更高的气膜冷却效率。本发明可以有效降低火焰筒高温壁面的温度，提高火焰筒的使用寿命。

附图说明

图1：本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构三维示意图

图2：本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构俯视图

图3：本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构仰视图

图4：本发明的带风扇的扰流柱A结构示意图

图5：本发明的带风扇的扰流柱B结构示意图

图中：1-冲击孔壁，2-冲击孔，3-带风扇的扰流柱A，4-带风扇的扰流柱B，5-发散孔壁，6-异形气膜孔，7-带风扇的扰流柱A的叶片，8-带风扇的扰流柱B的叶片。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图1、图2、图3、图4以及图5，本发明提供一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构的技术方案。图1为本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构三维示意图，图2为本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构俯视图，图3为本发明的一种扰流柱带风扇的燃烧室火焰筒壁层板冷却结构仰视图，图4为本发明的带风扇的扰流柱A结构示意图，图5为本发明的带风扇的扰流柱B结构示意图。

冷却气流通过冲击孔壁(1)的圆形冲击孔(2)进入带有带风扇的扰流柱A(3)和带风扇的扰流柱B(4)的层板内部，冲击发散孔壁(5)表面并与之进行强烈的冲击换热同时带动带风扇的扰流柱A的叶片(7)转动，使得层板内部流场的紊乱程度加剧，紧接着冷却气体在冲击驻点区四周形成壁面射流同时带动带风扇的扰流柱B的叶片(8)转动，与环腔内的带风扇的扰流柱A(3)和带风扇的扰流柱B(4)进行对流换热，风扇的旋转对流场紊乱程度的加剧与扰流柱的共同作用使得层板环腔内的流场变得非常复杂，增大环腔内换热面积的同时，强化了对流换热。最后，由于溢流作用，气流经过发散孔壁(5)表面的异形气膜孔(6)流出，异形气膜孔(6)由倾角为30度的圆柱形孔和正方形横向槽组成，倾斜的圆柱形孔和正方形横向槽的引入可以提供比传统圆柱形气膜孔更高的冷却效率，同时由于横向槽的存在，使出口扩大，使得出口气流平均速度下降，增加气流与异形气膜孔(6)壁的接触时间，提高对流换热热量，最终在热壁面形成一层薄薄的气膜，对火焰筒内壁面起到隔热和冷却的作用。