一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室的製作方法

2023-05-15 06:50:16 1

專利名稱：一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及駐渦型渦輪級間燃燒室的技術領域，具體涉及一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室，在燃燒室內的葉片上開設十字型凹槽結構，此設計方案在不增大壓力損失的前提下，能夠有效改善燃燒室出口溫度分布。
背景技術：
航空發動機是對航空飛行器性能 和發展中起決定性作用的部件。提高發動機推重t匕、擴大發動機工作範圍一直是航空發動機設計的目標追求，對軍用發動機尤其重要。從低的燃料消耗以及增大材料耐受度的角度出發，需要極其短小、緊湊、高性能的推力系統，這些要求對發動機的設計是一個新的挑戰。傳統的發動機建立在布雷頓循環基礎之上，單純地增加渦輪前溫度和增加壓氣機增壓比等方法已經很難滿足現代航空發動機對推力系統的需要，因此需要尋求新的出路。由美國空軍實驗室提出在高壓渦輪和低壓渦輪之間放置一個超緊湊型燃燒室，能夠通過再熱循環提高布雷頓循環的熱效率，渦輪級間燃燒室的概念由此產生。渦輪級間燃燒室是先進燃燒室之一，其最主要的優勢就是能提高推力，減少NOX的排放。相對於傳統發動機，渦輪燃燒器發動機能夠在只增加少量單位推力燃油消耗的前提下，顯著提高比推力。渦輪燃燒發動機還能擴大飛行馬赫數的操作範圍，以及增加壓氣機的壓比。渦輪燃燒室發動機在壓氣機壓比，風扇涵道比以及飛行馬赫數方面要優於傳統發動機。渦輪級間燃燒室又叫第二燃燒室，因此它的作用不僅能使發動機的性能得到提高，而且它能提高發動機的安全性，當一個燃燒室熄火後另一燃燒還能繼續工作，提高了發動機的可靠性。目前在設計渦輪級間燃燒室中採用兩種技術，一種是稱為g-loading技術，另一種是TVC (駐渦燃燒)技術。由於運用g-loading技術要受到實際發動機尺寸的限制，因此從2009年開始運用駐渦燃燒技術設計渦輪級間燃燒室。在吸取駐渦燃燒室的設計經驗上，目前在設計駐渦型渦輪級間燃燒室時主要對葉片的開槽形式進行結構改進。

發明內容
本發明要解決的技術問題為針對駐渦型渦輪級間燃燒室目前面臨的出口溫度分布不均的問題，在燃燒室內的葉片上進行結構改型，將葉片上的開槽改為十字型凹槽結構，該結構能夠在基本不影響其他性能參數的前提下，有效改善燃燒室出口溫度分布，降低燃燒室後面渦輪葉片的熱負荷。本發明所採用的技術方案是一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室，所述燃燒室包括燃燒室內機匣、燃燒室外機匣、燃燒室外機匣上的周向槽和開槽後的葉片；開槽後的葉片與燃燒室內機匣與燃燒室外機匣相連。燃燒室外機匣上的周向槽其寬度為15mm，深度為12mm，其兩側開設有空氣噴射孔，空氣噴射孔的直徑為2mm，位於周向槽前壁面的空氣噴射孔其圓心距離周向槽底端為2mm,位於周向槽後壁面的空氣噴射孔其圓心距離周向槽底端為IOmm,空氣噴射孔之間的偏轉角度為O. 667度；燃燒室外機匣上的周向槽前壁面開設有燃油噴射孔，燃油噴射孔距離周向槽底端為6mm,距離葉片上的十字凹槽最前端為4mm。所述葉片4的一端與燃燒室內機匣I相連，另一端與燃燒室外機匣2相連；葉片4上開有十字型凹槽8，該十字型凹槽8的豎槽12為開在葉片4上從上之下的通槽，其寬度為15mm,開槽深度c為2. 5mm_3. 5mm ;該十字型凹槽8的橫槽13上端到燃燒室外機匣2的距離B1佔葉片4高度b的4/13-6/13，該十字型凹槽8的橫槽13開槽高度a2佔葉片高度b的 1/13-3/13。本發明與現有技術相比的優點在於傳統的駐渦型渦輪級間燃燒室通常採用矩形凹槽的結構設計，本發明採用獨特的十字型凹槽結構，能夠有效改善目前駐渦型渦輪級間燃燒室面臨的出口溫度分布不均問題，同時還不會影響燃燒室其他性能參數。


圖I為發動機整體結構示意圖；圖2為本發明的駐渦型渦輪級間燃燒室整體示意圖；圖3為本發明的駐渦型渦輪級間燃燒室局部放大圖；圖4為本發明簡化的燃燒室結構說明示意圖；圖5為本發明的葉片結構示意圖，圖5 (a)為葉片側面示意圖，圖5 (b)為葉片正視圖意圖，圖5 (c)為葉片俯視意圖；圖6為傳統矩形槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室與本發明的燃燒室結構簡化圖以及出口溫度分布雲圖，圖6 (d)為傳統矩形槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室結構簡化圖，圖6 (e)本發明簡化的燃燒室結構示意圖，圖6 (f)為傳統矩形槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室出口溫度分布雲圖，圖6 (g)為本發明簡化的燃燒室出口溫度分布雲圖。上述示意圖中部件的標號說明I.燃燒室內機匣，2.燃燒室外機匣，3.燃燒室外機匣上的周向槽，4.葉片，5.空氣噴射孔，6.燃油噴射孔，7.燃燒室燃氣進口，8.十字凹槽，9.周向槽後壁面，10.周向槽底端，11.周向槽前壁面，12.十字凹槽的豎槽，13.十字凹槽的橫槽，14.燃燒室出口，15.低壓壓氣機，16.高壓壓氣機，17.主燃燒室，18.高壓渦輪，19.駐渦型渦輪級間燃燒室，20.低壓渦輪。
具體實施方案下面結合附圖，對本發明一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室對改 善燃燒室出口溫度分布的技術方案做進一步說明。圖I是發動機的總體不意圖。發動機包括低壓壓氣機15,高壓壓氣機16,主燃燒室17，高壓渦輪18，駐渦型渦輪級間燃燒室19和低壓渦輪20。發動機工作時，空氣經過低壓壓氣機15壓縮後，再進入高壓壓氣機16，高壓空氣進入主燃燒室17中燃燒，形成的高溫高壓燃氣，進入到高壓渦輪18中膨脹做功，從高壓渦輪18出口的燃氣進入到本發明所述的駐渦型渦輪級間燃燒室19中，並向駐渦型渦輪級間燃燒室19中噴入空氣和燃油使之繼續燃燒，提高燃氣溫度，隨後燃氣進入低壓渦輪20中，繼續膨脹做功。
圖2是本發明的駐渦型渦輪級間燃燒室整體示意圖，圖3是本發明的駐渦型渦輪級間燃燒室局部放大圖，駐渦型渦輪級間燃燒室19由燃燒室內機匣I、燃燒室外機匣2、燃燒室外機匣上的周向槽3、葉片4組成。圖4是本發明簡化的燃燒室結構說明示意圖，對於駐渦型渦輪級間燃燒室19來說，從高壓渦輪出口的燃氣全部由燃燒室主進口 7進入，空氣和燃油分別由燃燒室外機匣2上的空氣噴射孔5和燃油噴射孔6噴入燃燒室外機匣上的周向槽3內，並在燃燒室外機匣上的周向槽3內燃燒，燃燒後的高溫氣體從燃燒室出口 14中流出；燃燒室外機匣上的周向槽3為環繞機匣上的一個環形凹槽，其寬深比為O. 8，功能相當於燃燒室的主燃區，由於在周向槽內燃燒的停留時間要比在軸向方向的長，所需的化學反應時間比較短，因此燃燒室的長度將會縮短；在燃燒室外機匣上的周向槽3兩側開設有空氣噴射孔5，其半徑均為2mm，兩孔之間的偏轉角度約為O. 667度，位於周向槽前壁面11的空氣噴射孔5其圓心距離周向槽底端10為I Omm,位於周向槽後壁面9的空氣噴射孔5其圓心距離周向槽底端10為2mm ;周向槽前壁面11開設有燃油噴射孔6，燃油噴射孔6距離周向槽底端10為6mm,距離葉片上的十字凹槽8最前端為4mm。圖5為葉片4結構示意圖，葉片4為彎曲型葉片並於軸向平行布置，所述葉片4的一端與燃燒室內機匣I相連，另一端與燃燒室外機匣2相連；葉片4上開有十字型凹槽8，該十字型凹槽8的豎槽12為開在葉片4上從上之下的通槽,其寬度為15mm,開槽深度c為2. 5mm_3. 5mm ;該十字型凹槽8的橫槽13上端到燃燒室外機匣2的距離佔葉片4高度b的4/13-6/13，該十字型凹槽8的橫槽13開槽高度a2佔葉片高度b的1/13-3/13。十字型凹槽8的功能主要有兩個方面一方面處於中間的豎槽12可以將周向槽中的燃燒產物導出去，另一方面橫槽13可以將導出的燃燒產物截流一部分至燃燒室的中部區域進行燃燒，擴大燃燒室中間區域的燃燒範圍，並且降低燃燒室底部區域的溫度，有效改善燃燒室出口溫度分布。十字凹槽8的橫槽13開槽位置對燃燒出口溫度分布的改進有著極其重要的影響，若橫槽13的上端到燃燒室外機匣2的距離^與葉片高度b的比值不在4/13-6/13之間，那麼橫槽13的作用將會減弱；若橫槽13的開槽高度a2與葉片高度的比值不在1/13-3/13之間，橫槽13的作用也會減弱。圖6為傳統矩形槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室與本發明的燃燒室結構簡化圖、出口溫度分布雲圖以及兩燃燒室出口處沿徑向方向的溫度分布曲線圖。圖6 (f)為傳統矩形槽結構的燃燒室出口溫度分布雲圖，圖6 (g)為本發明簡化的燃燒室出口溫度分布雲圖，為了更加清晰地反應出兩者出口處溫度分布的差異，作圖6 (h)兩燃燒室出口處沿徑向方向的溫度分布曲線圖來說明。從圖中可以看出，傳統矩形槽結構的燃燒室出口高溫區集中在燃燒室上部以及底部區域，中間區域的燃燒範圍相對較小，這對燃燒室後面的渦輪葉片是很不利的；而本發明能夠有效的擴大燃燒室中部區域的燃燒範圍，提高燃燒室中部區域的燃氣溫度，並且能夠有效降低燃燒室底部區域(靠近內機匣)燃氣的溫度，這樣就會減輕燃燒室後面渦輪葉片葉跟部位的熱負荷。本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1.一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室，其特徵在於所述燃燒室包括燃燒室內機匣(I)、燃燒室外機匣(2)、燃燒室外機匣上的周向槽(3)和開槽後的葉片(4)；開槽後的葉片(4)與燃燒室內機匣(I)與燃燒室外機匣(2)相連； 燃燒室外機匣上的周向槽(3)其寬度為15mm，深度為12mm，其兩側開設有空氣噴射孔(5)，空氣噴射孔(5)的直徑為2mm，位於周向槽前壁面(11)的空氣噴射孔(5)其圓心距離周向槽底端(10)為2mm,位於周向槽後壁面(9)的空氣噴射孔(5)其圓心距離周向槽底端(10)為10mm，空氣噴射孔(5)之間的偏轉角度為O. 667度；燃燒室外機匣上的周向槽(3)前壁面開設有燃油噴射孔(6)，燃油噴射孔(6)距離周向槽底端(10)為6mm，距離葉片上的十字凹槽(8)最前端為4mm ； 所述葉片(4)的一端與燃燒室內機匣(I)相連，另一端與燃燒室外機匣(2)相連；葉片(4)上開有十字型凹槽(8)，該十字型凹槽(8)的豎槽(12)為開在葉片(4)上從上之下的通槽，其寬度為15mm，開槽深度c為2. 5mm-3. 5mm ;該十字型凹槽(8)的橫槽(13)上端到燃燒室外機匣(2)的距離ai佔葉片(4)高度b的4/13-6/13，該十字型凹槽的的橫槽開槽高度a2佔葉片高度b的1/13-3/13。
全文摘要
本發明提供一種帶有十字型凹槽結構的駐渦型渦輪級間燃燒室，該燃燒室位於高壓渦輪和低壓渦輪之間，該燃燒室主要由內機匣、外機匣、外機匣上的周向槽以及開槽後的葉片組成，所述的開槽後的葉片的槽為十字型凹槽，從高壓渦輪出來的燃氣全部進入燃燒室主進口，空氣和燃料以一定的方式噴入外機匣上的周向槽內，並在槽內形成一個穩定的駐渦，此駐渦可以充當一個穩定的點火源。周向槽中的燃燒產物可以通過葉片上的開槽進一步導出，並繼續燃燒，同時與主流進行混合。針對駐渦型渦輪級間燃燒室出口分布不均的問題，本發明在葉片上設計了十字型凹槽結構，能夠有效改善燃燒室出口溫度分布。
文檔編號F23R3/00GK102818285SQ20121027932
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者李鋒, 宋耀穎, 尚守堂, 劉殿春, 高家春, 程明 申請人:北京航空航天大學