[发明专利]火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机

说明书

本发明公开了一种火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机，包括安装于火焰筒入口端上的用于隔绝内部燃气与外部空气的头部壁体以及安装于头部壁体的入口端上的用于使气流形成旋流后引入头部壁体内的旋流结构，头部壁体上设有多个发散孔，且发散孔的中轴线向旋流的旋向倾斜，通过发散孔引导头部壁体外的一部分空气射入头部壁体内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，使头部壁体内的射流和旋流相互作用在头部壁体的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体的内壁面上的壁面旋转气膜，从而实现对头部壁体的保护。本发明的火焰筒头部结构，通过壁面旋转气膜隔绝热燃气与头部壁体直接接触并吸收头部壁体的热量，从而对头部壁体的进行冷却防护。

技术领域

本发明涉及燃气轮机发动机技术领域，特别地，涉及一种火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机。

背景技术

火焰筒是燃气涡轮发动机燃烧室的关键部件，燃油在火焰筒内部燃烧，靠近火焰筒头部的主燃区燃气平均温度高达(2000-2500)K，而目前普遍采用的高温合金最高工作温度在1300K左右，因此，如何对火焰筒头部进行高效冷却是燃烧室设计中需解决的重要技术问题之一。

现有技术中，一般采用导流板对火焰筒头部进行热防护，导流板固定在头部壁体内侧，起到隔绝主燃区高温辐射的作用，头部壁体上设有用于冷却空气冲击冷却的冲击孔，从而保护火焰筒头部壁体。导流板一侧与冲击孔射流接触，以降低导流板本身温度，另一侧直接与高温燃气接触。但随着燃烧室的发展，主燃区的温度越来越高，由于冷却结构的局限性，导致火焰筒头部结构不可避免地出现变形、烧蚀、裂纹等问题。变形将恶化头部流场，影响燃烧室性能；烧蚀和裂纹将可能进一步形成掉块击伤涡轮部件。此外，为延长火焰筒使用寿命，导流板在工作一段时间后需进行更换，提高了维护成本。

发明内容

本发明提供了一种火焰筒头部结构、火焰筒及燃气轮机发动机，以解决现有的火焰筒头部结构容易高温变形受损而影响火焰筒头部的流场，且维护成本高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种火焰筒头部结构，包括安装于火焰筒入口端上的用于隔绝内部燃气与外部空气的头部壁体以及安装于头部壁体的入口端上的用于使气流形成旋流后引入头部壁体内的旋流结构，头部壁体上设有多个发散孔，且发散孔的中轴线向旋流的旋向倾斜，通过发散孔引导头部壁体外的一部分空气射入头部壁体内形成朝旋流的旋向倾斜的射流，使头部壁体内的射流和旋流相互作用在头部壁体的内壁面处旋转形成贴合于头部壁体的内壁面上的壁面旋转气膜，从而实现对头部壁体的保护。

进一步地，发散孔的中轴线在发散孔的法截面上向旋流的旋向倾斜，发散孔的中轴线与发散孔处头部壁体的法线之间的夹角为50度-70度。

进一步地，多个发散孔从头部壁体与旋流结构的边界处沿头部壁体的延伸方向均匀排列至头部壁体的边缘；多个发散孔在头部壁体呈周向均匀分布，且多个发散孔法截面内切圆半径为发散孔中轴线距旋流结构中心的距离。

进一步地，发散孔为圆孔或沿射流的发射方向孔径逐渐变大的喇叭形孔。

进一步地，旋流结构包括一级涡流器，一级涡流器包括多个沿周向间隔设置的一级叶片，多个一级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第一旋流通道，以使气流形成第一旋流后引入头部壁体内。

进一步地，旋流结构还包括安装于一级涡流器的出气端与头部壁体之间二级涡流器，二级涡流器包括多个沿周向间隔设置的二级叶片，多个二级叶片朝同一旋向顺次旋扭形成第二旋流通道，以使气流形成第二旋流后引入头部壁体内；第二旋流比第一旋流靠近头部壁体内壁面。

进一步地，第二旋流的旋向与第一旋流的旋向相反，发散孔的中轴线向第二旋流的旋向倾斜。

进一步地，旋流结构还包括安装于一级涡流器与二级涡流器之间的文氏管，用于引导第一旋流通道产生的第一旋流向头部壁体内的中心区域输送以及第二旋流向头部壁体内的边缘区域输送，以使第二旋流通道产生的第二旋流更贴合于头部壁体的内壁面。