[发明专利]一种具有复合异型槽气膜冷却结构的燃烧室

说明书

本发明提供一种具有复合异型槽气膜冷却结构的燃烧室，包括火焰筒，火焰筒的内壁具有若干内凹的槽体，槽体为复合异型槽，沿深度方向至少由两部分组成，自槽体底部深度为H₁的部分为第一部分，剩余部分为第二部分，并且第二部分的至少一侧壁是由第一部分的同侧壁横向扩张形成。冷却气体自离散孔A喷出后在槽体的第一部分充分发展，形成连续、均匀的正压气体，然后经第二部分传输至开口端偏向火焰筒内壁面一侧流出，在火焰筒内壁面形成连续、均匀、贴附的冷却气膜，可以实现高效冷却，对提高燃烧室的耐高温能力具有重要意义。

技术领域

本发明涉及航空发动机、燃气轮机等动力领域的燃烧室，具体涉及一种具有复合异型槽气膜冷却结构的燃烧室。

背景技术

燃烧室是将燃油的化学能转变为热能的装置，是航空发动机和燃气轮机的核心部件之一，产生的高温燃气可用于推动涡轮叶片等的工作。

燃烧室的燃烧过程主要发生在燃烧室的火焰筒内，火焰筒壁面需承受高温火焰引起的热应力和热腐蚀，苛刻的使用环境对其使用寿命和可靠性提出了巨大挑战。通常，采用耐高温材料提高燃烧室的许用工作温度，除此之外，还采取高效冷却技术对火焰筒进行有效冷却。

目前，燃烧室的冷却方式主要包括层叠环带狭缝气膜冷却、多斜孔气膜冷却、层板多孔冷却等。早期的气膜冷却是由壁面狭缝或者小孔吹出的冷流来阻隔主燃气，如美国专利US4896510所示，具有整体机构刚性好、冷却流量可控性好等优势，但存在冷气需求量大，对火焰筒壁面冷却不均匀等问题。多斜孔气膜冷却通过斜孔结构以一定的角度射出冷气，在火焰筒壁面形成隔离气膜，起到保护壁面的作用。早期斜孔多为直圆孔，存在单孔保护面积偏小，吹风比大时气膜剥离严重等问题，需要很密集的气膜孔。更为先进的扩散孔和复杂三维异型孔已被用于燃烧室的气膜冷却，相对于简单直圆孔可以大幅度增加单孔降温保护面积和在各种吹风比下的气膜贴附度，如美国专利US 2008/0271457 A1所示。但是，使用气膜孔时，火焰筒壁面的表面气膜均匀度与孔的分布和形状密切相关，气膜覆盖的均匀性不足是制约燃烧室最大降温防护的主要技术瓶颈。

结合先进气膜冷却孔技术的双层壁冷却或多层壁冷却是目前燃烧室前沿的冷却技术，如美国专利US4109459，US 2002/0174658 A1，中国专利CN 103968418 B以及文献：商体松，赵明，涂冰怡.航空发动机燃烧室冷却结构的发展及浮动壁结构的关键技术，航空工程进展，2013,4(4):407～413.。目前的多层壁冷却结构采用“冲击冷却+致密气膜孔冷却+叠层间隙冷却”结合的复合冷却结构，文献中有多种结构的变化，如扰流柱、微织构、中间层等等。用双层或多层壁结构，面向燃气的一面(内层)一般为多斜孔壁，面向冷气的一面(外层)为直孔壁。从外层壁开孔进入的冷却空气冲击到内层壁进行冲击冷却，然后进入扰流腔或斜孔内，内层壁先经受冷却的内部对流换热防护，再尽可能地通过斜孔形成保护气膜，和阶梯状层叠环带结构缝隙喷出的冷气气膜一起，降低燃烧室壁面温度。这类技术方案存在的不足是：阶梯状结构间隙气流喷射耗气量大；燃烧室内壁上的气膜形成需要冷却孔，而离散的冷却孔很难保证冷却效率的均匀性；双层或多层壁结构复杂，导致燃烧室制造成本高昂，进一步减重困难。

随着航空发动机和燃气轮机性能的提升，工作温度需要进一步提升，上述燃烧室的冷却能力面临挑战。业内急需具有能够形成连续、均匀气膜的冷却结构的燃烧室。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种燃烧室，其火焰筒内壁面能够形成连续、均匀的冷却气膜，可以实现高效冷却，对提高燃烧室的耐高温能力具有重要意义。

为了实现上述技术目的，本发明人经过长期的研究探索，在燃烧室的火焰筒的筒壁设置包括离散孔与槽体的气膜冷却结构，并且将槽体设计为由两部分形成的复合异型槽，即，沿着槽体深度方向，第一部分为中间扩展槽，用于将来自离散孔进入的冷却气体充分发展，形成连续、均匀的正压气体；第二部分为横向扩张槽，用于使该正压气体偏向基体表面一侧流出，在火焰筒的内壁面形成连续的均匀贴附的冷却气膜。