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冲击-发散冷却火焰筒浮动瓦片三维壁温计算分析
numerical analysis of 3d temperature field of an impingement-effusion cooled flame tube floating tile
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冲击-发散冷却火焰筒浮动瓦片三维壁温计算分析
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3秒自动关闭窗口更多公众号：gh_7b航改燃气轮机从业人员交流的平台，提供行业内最新资讯，专业知识，研究前沿，最新产品及服务信息最新文章相关作者文章搜狗：感谢您阅读GE公司G/H级燃烧室的研发 本文版权归原作者所有，本文由网友投递产生，如有侵权请联系 ，会第一时间为您处理删除。目前来看这是解决燃烧室壁温问题的最佳套路
燃烧室（火焰筒）是发动机的重要热端部件。在工作中，由于经受急热、急冷的热应力和燃气冲击力，火焰筒易发生裂纹等故障。随着航空发动机向更新一代发展，采用原有的火焰筒结构，燃烧室进口温度、压力和出口温升将出现大幅度提高，使火焰筒壁温问题越发突出。&解决该问题主要通过2种途径：一是，提高火焰筒材料的许用温度，提高火焰筒对高温的耐受程度；二是，改进火焰筒壁面结构，以提高空气冷却效率，从而在提高燃烧室进口温度、压力和出口温升的同时，还能保证火焰筒壁面的温度不致升高。&但是，目前火焰筒所使用的高温合金材料的许用工作温度很难提高，虽然新型陶瓷基复合材料（如C/SiC)可以替代高温合金材料，但是目前关于其实用性的研究还比较少，尚处于实验室阶段，研究仅限于这种材料的传热行为等。&在火焰筒材料许用工作温度难以提高的前提下，要提高火焰筒的性能，唯一的方法就是改进火焰筒壁面结构，提高空气冷却效率。冲击-对流-气膜复合冷却的浮壁式壁面结构有效地解决了新一代火焰筒的冷却问题，同时还改善了壁面的受力状态，大大提高了火焰筒的性能。但结构的改变，给浮壁式结构火焰筒的制造带来了诸多技术难题，主要包括：（1）浮动壁火焰筒由原来的双层气膜结构变成了薄壁单层结构，整个内外环筒体的结构刚性和强度急剧降低，而其加工精度要求却提高了一个数量级，这对于整个工艺流程提出了更高的要求；（2）薄壁结构更容易产生焊接变形，且变形难于控制；（3）冲击-对流的冷却效果取决于浮动瓦冲击小孔与筒体上的对流孔能否形成对流效应，也就是冲击孔和对流孔的位置不能重叠，这一方面要求浮动瓦型面、定位螺栓、对流孔和扰流柱精铸的相对位置要非常精确，另一方面要求筒体上的浮动瓦装配定位孔和冲击孔的相互位置也要非常精确，这对刚性极差的薄壁件难以做到。&针对该火焰筒结构刚性差，薄壁易变形，尺寸稳定性极差，尺寸精度要求非常高，结构复杂等难点，本文基于焊接结构力学理论，进行结构工艺规划，通过工艺优化设计、预留余量、刚性固定、分区激光打小孔等方法实现了火焰筒结构高精度制造，为新型战机的批量化生产、制造提供了一定的技术保障，本文提出的方法对于其他类似结构也具有指导意义。&火焰筒工艺路线的制定&通过对组件结构、联结方式、设计精度、热表处理等特殊要求及各个组成零件的结构和尺寸的综合分析，结合火焰筒在发动机上的装配关系和使用要点，规划工艺路线为：以头部转接段作为装配焊接的基础件，首先将主燃孔短管掺混孔短管装配焊接在火焰筒外环上，将火焰筒外环和内环转接段同时装配定位焊到头部转接段上，形成火焰筒的骨架；其次往头部转接段装配钎焊涡流器安装座和挡溅盘，形成火焰筒的头部；再次装配焊接点火电嘴和射流喷嘴，往内环转接段和外环上装配并电子束焊接整体帽罩，完成火焰筒外环筒体的装配和焊接；最后进行真空热处理，校形，加工头部和吊挂，清洗、标印、终检（图1）。火焰筒焊接及变形控制&焊接热源的局部性特点，都会使焊接产生应力和变形。焊接应力和变形直接影响焊接的强度、刚性、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等[8]。焊接应力与变形的分布及大小受下列因素控制：材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服点，焊件的形状、尺寸和温度场。而温度场又与材料的导热系数、比热、密度以及焊接工艺参量和条件密切相关。这些情况使焊接应力变形问题十分复杂[9]，因此在实践中往往采用理论和数值分析与实验相结合的方法来掌握焊接应力变形的规律和影响因素，最终达到预测、控制和调控的目的。&1头部转接段的焊接和变形控制& &头部转接段是整个火焰筒的核心，起到承上启下的作用。该火焰筒的头部转接段与其他机种火焰筒的头部转接段不同。由平板料激光加工出的圆环件，整个零件刚性很低，抵抗变形的能力相对更差。与转接段直接相焊接的有内环转接段、火焰筒外环、涡流器安装座和挡溅盘。前两者与头部转接段之间为大的对接环形电子束焊缝，后两者与头部转接段之间为真空钎焊缝。在这些焊缝中引起头部转接段变形最大的是2条电子束焊缝。&焊接头部转接段时主要的焊接变形有：（1）宏观变形：包括收缩变形、失稳变形和扭曲变形，其中收缩变形又包括纵向收缩变形（沿焊缝方向的收缩）和横向收缩变形（垂直于焊缝方向的收缩）；（2）微观变形：包括屈服应变、弹性应变和塑性应变。其中收缩变形和失稳变形表现最为明显。&为保证头部转接段和火焰筒外环及内环转接段3者之间正确的相互位置关系和减小焊接变形，采取以下控制措施：&（1）在火焰筒外环和内环转接段的待焊处的背面预留锁底，锁底宽4mm，锁底突出主体2mm。预留锁底的作用为防止电子束焊接穿透产生的细微颗粒飞溅污染到火焰筒主体，起到保护的作用。由于火焰筒外环为薄壁零件，预留的锁底增加了待焊对接处零件的刚性，减小对接处的椭圆变形，从而使得对接处间隙比较均匀，预留的锁底起到轴向定位作用，使得内环转接段与外环之间的轴向相互位置不致差得太大。&（2）配车头部转接段的待焊配合面。由于火焰筒外环为薄壁环形件，刚性非常差，与转接段对接处椭圆严重，如果转接段按照设计图尺寸加工，将无法装配到火焰筒外环上，即使强行装上，则因转接段在3个件中刚性最差会产生失稳变形，那么焊接后装配变形就转化为焊接变形。为了最大程度的控制焊接变形，转接段必须按台配车，才能保证装配局部间隙和局部过盈都趋于最小。&（3）控制变形最重要的手段是采用夹具装配定位焊，并在夹具限制状态下焊接。装配焊接时定位基准以转接段上头部孔中的几个均布孔定周向额度位置和径向定心，夹具辅助支撑转接段的下表面，压紧上表面，防止转接段在焊接受热时挠曲失稳变形；外环以出口处的止口定中心，出口端面定轴向；内环转接段以内口定中心，以螺栓孔定角向，以下端面辅助定轴向位置； 3个定中心处严格同轴，从而保证3个件的轴向、径向和角向位相关系。&2涡流器安装座和挡溅盘的装配和焊接&&& &装配涡流器安装座和挡溅盘时最重要的是挡溅盘具有方向性，要严格向心，挡溅盘的内外弧装配后各构成一整圆，与头部转接段同轴。其次，挡溅盘与头部转接段之间的间隙要保持均匀。由于挡溅盘和涡流器安装座与头部转接段之间为真空钎焊，在高温下整个组件失去强度，所以内环转接段和整个头部会因重力作用倾斜下沉。为了保证真空钎焊后内环转接段、头部和外环3者之间的轴向相对位置正确，钎焊时必须用夹具支撑头部挡溅盘处和内环转接段处，并用止口限制内环转接段内孔和外环出口的止口，并保证两者同轴。&3帽罩的焊接和变形控制&& &该火焰筒的头部帽罩与其他机种火焰筒的帽罩结构不同，其他机种的火焰筒帽罩都是两体式的，分为内环帽罩和外环帽罩，分别焊接或装配到内环和外环上。而该火焰筒的帽罩为整体式，帽罩的内环焊接在内环转接段上，帽罩的外环焊接在外环上。之所以设计成整体帽罩，目的是让帽罩起到使整个火焰筒刚性加强的作用，弥补因平板式头部转接段所带来的刚性太差易变形的缺点。但是整体式帽罩为组件制造带来很大麻烦，帽罩的内止口与内环转接段的止口配合，帽罩的外止口与外环的止口配合，而帽罩的两侧边都带一定的锥度，让两个止口同时配合，还要保证帽罩的高度尺寸符合公差，几乎不可能做到，而且配合面与料厚方向成一定角度的锥面，各保留尖边。为了保证电子束焊接的配合间隙要求，采用配车帽罩的方法，配车时要综合考虑内外环的椭圆变形，使局部的配合间隙和局部的配合过盈大致相当，保证稍微敲修后过盈处能够装配进去，同时间隙处的间隙不致过大，能够满足电子束焊要求，另外装配时不能损伤零件的尖边，否则电子束容易穿透，造成焊漏。定位焊后要加密定位焊点，焊点间距不大于10mm，保证定位焊具有一定的连接强度，不致于在正式焊时零件因受热应力使定位焊点崩开而无法形成焊缝。焊接帽罩时因内外2条焊缝都产生焊接收缩，外圈焊缝的收缩使得外环具有缩短和变小的趋势，焊接应力压迫头部转接段直径缩小；内圈焊缝的收缩使得内环转接段直径缩小，同时将头部转接段内圆向内拉伸，最终的结果就是头部分度圆直径变小，涡流器安装座向内位移，帽罩的高度变短，同时因应力不平衡，内外环的轴向相对位置尺寸发生变化，涡流器安装座和挡溅盘发生倾斜，内外不在一个水平面上。帽罩焊接有利的一面是因焊接应力的作用，使整个零件的刚性加强；不利的一面是产生的焊接变形影响组件的尺寸精度和尺寸稳定性，内外环的高低差必须加以校正。否则，一方面影响火焰筒大组件的装配尺寸和火焰筒的部装，另一方面影响组合后加工余量的分布，另外还影响火焰筒的使用性能，喷嘴相对于涡流器安装座歪斜。&冲击孔及瓦片加工火焰筒内环组件的外表面和外环组件的内表面各装配几层多块浮动瓦片。每个瓦片都是锥扇形段，瓦片上铸出几个螺桩，螺纹机加工。其中中间一个螺柱为定位螺柱。对应的筒体壁上有几个光孔，中间定位孔为圆孔，其余几个孔为长孔。瓦片的内表面上密布着小扰流注，冲击孔位于扰流注之间。&为保证冲击孔与对流孔的位置不重叠，筒体上冲击孔和瓦片装配定位孔的位置度要非常精。但火焰筒筒体，尤其是外环筒体直径尺寸很大，壁薄，刚性差，如果一排一排地加工冲击孔，极难保证几万个冲击孔的位置度要求。所以，采取特殊加工方式，将整个外环筒体按照瓦片的装配关系划分成多个扇形区域，每个区域内均以瓦片装配定位孔为基准，激光切割冲击孔，因为每个扇形区域都比较小，冲击孔的偏离就不会太严重。虽然增加了加工周期，需要找正几十次才能加工出一个零件，但却保证了质量，提高了精度，满足了新一代航空发动机对火焰筒性能的要求。&结论&（1）通过背面预留锁底、刚性固定等技术方法成功的控制了电子束焊接变形，通过配车装配面实现了火焰筒头部转接段、外环及内环转接段3者之间高精度连接；（2）通过夹具支撑方法可以避免高温钎焊过程中的薄壁结构下榻、同心度变差等问题；（3）预留余量与配车相结合可以补偿帽罩的焊接变形；（4）提出了分区打孔技术，可以保证结构良好的冷却效果。(end)作者：邵天巍 , 杨秀娟 , 任萍&
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火焰筒多斜孔冷却方式壁温梯度和冷却效率试验
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火焰筒多斜孔冷却方式壁温梯度和冷却效率试验
官方公共微信火焰筒壁板及其冷却孔的加工方法
火焰筒壁板及其冷却孔的加工方法
【专利摘要】本发明涉及火焰筒壁板，属于航空发动机【技术领域】。该火焰筒壁板上具有沿高温燃气气流流线方向均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个冷却孔。通过这种设置，能够在火焰筒壁上形成高效均匀的冷却气膜并保证气膜不被高温燃气所撕裂。本发明还涉及一种燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法。
【专利说明】火焰筒壁板及其冷却孔的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明总地涉及燃气轮机工业领域，特别涉及火焰筒壁板结构、由该壁板形成的火焰筒和包括该火焰筒的燃烧室、以及燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法。
【背景技术】
[0002]随着航空发动机技术的发展，航空发动机燃烧室的温度不断提高，现今在燃烧室燃气温度高达1900K以上，常规的高温合金远无法满足燃烧室火焰筒壁的温度要求。为此，人们通常通过加强火焰筒壁的冷却来解决这一问题。目前用于燃烧室火焰筒冷却的方式有气膜冷却、对流气膜冷却、冲击气膜冷却、发散冷却和层板冷却等，其基本冷却原理都是冷气从燃烧室内外环腔进入火焰筒内，在火焰筒壁板热侧表面形成一层气膜，气膜紧贴火焰筒壁板热侧面流动，气膜起到冷却壁面和隔离燃气冲刷火焰筒壁面的作用。气膜品质的好坏直接影响了冷却气的冷却效率。
[0003]图1a-1c示出了一种采用传统冷却结构的火焰筒壁I’。火焰筒壁I’的壁面冷却孔2’采用简单的均匀分布的形式，其优点是结构较为简单，加工成本低，但也存在不足。主要原因是:在燃烧室内，燃气经旋流器喷出的空气作用后具有一定的周向速度，在这一周向速度的作用下，高温燃气在火焰筒壁板热侧面以一个较大的角度对冷却气进行冲击，容易导致火焰筒壁I’的热侧面上的冷却气膜被撕裂，从而影响了气膜的品质，并导致了局部热点，降低了气膜的冷却效率。
【发明内容】
[0004]因此，提供一种能够在火焰筒壁上形成高效均匀的冷却气膜并保证气膜不被撕裂的火焰筒壁板将是有利的。
[0005]为此，根据本发明的一个方面，提供一种火焰筒壁板，其适用于燃气轮机燃烧室，所述火焰筒壁板上具有沿高温燃气气流流线方向均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个冷却孔。
[0006]优选地，冷却孔可以是斜孔。
[0007]进一步优选地，所述斜孔的掺混角在0?5°之间。
[0008]进一步优选地，所述斜孔的入射角在15?45°之间。
[0009]进一步优选地,所述斜孔沿着在火焰筒周向方向每隔4?15mm确定的两条相邻的所述流线方向均匀分布。
[0010]进一步优选地，所述斜孔在所述流线方向上的分布间距为5?20mm。
[0011]进一步优选地，所述斜孔的横截面是圆形的，且孔径在0.1?2mm之间。
[0012]优选地，冷却孔可以是冲击孔。
[0013]进一步优选地，所述冲击孔的掺混角在0?10°之间。
[0014]进一步优选地，所述冲击孔的入射角在80?90°之间。
[0015]进一步优选地，所述冲击孔沿着在火焰筒周向方向每隔4?20mm确定的两条相邻的所述流线方向均匀分布。
[0016]进一步优选地，所述冲击孔在所述流线方向上的分布间距为5?30mm。
[0017]进一步优选地，所述冲击孔的横截面是圆形的，且孔径在0.5?4mm之间。
[0018]根据本发明的另一个方面，提供一种单层壁火焰筒，其适用于燃气轮机燃烧室，所述火焰筒包括单层如上所述的火焰筒壁板。
[0019]优选地，单层壁火焰筒由单层的多斜孔火焰筒壁板或单层的多冲击孔火焰筒壁板形成。
[0020]根据本发明的再一个方面，提供一种双层壁火焰筒，其适用于燃气轮机燃烧室，所述火焰筒包括双层如上所述的火焰筒壁板。
[0021]优选地，双层壁火焰筒由两层多斜孔火焰筒壁板或两层多冲击孔火焰筒壁板形成，或者，双层壁火焰筒由一层多斜孔火焰筒壁板和一层多冲击火焰筒壁板形成。
[0022]进一步优选地，靠近火焰筒内高温燃气的火焰筒壁板为多斜孔火焰筒壁板，而另一火焰筒壁板为多冲击孔火焰筒壁板。
[0023]进一步优选地，两层所述火焰筒壁板之间的间隙为I?10mm。
[0024]根据本发明的又一个方面，提供一种燃气轮机燃烧室，其中，所述燃烧室内设有如上所述的单层壁火焰筒或双层壁火焰筒。
[0025]根据本发明的再又一个方面，提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，该方法包括如下步骤:1)加工一个火焰筒上无冷却孔的扇形或全环形燃烧室；2)确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；3)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤2)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；4)沿着流线方向每隔一定距离选取一点来加工冷却孔。
[0026]优选地，所述步骤2)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过PIV示踪方法获得。
[0027]优选地，所述步骤2)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过三维数值模拟的方法，建立所述无冷却孔的扇形或全环形火焰筒计算模型，并通过数值计算得到。
[0028]根据本发明的仍旧再又一个方面，提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，包括如下步骤:1)确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；2)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤I)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；3)沿着流线方向每隔一定距离选取一点确定冷却孔位置；4)加工一个火焰筒的扇形或全环形燃烧室，所述火焰筒上具有多个冷却孔，冷却孔的位置与步骤3)中确定的位置一致。
[0029]采用本发明的上述方案，可以在多个方面使火焰筒的应用状况得到改善:1)由于冷却孔沿高温燃气气流流线方向均匀分布，因而在火焰筒壁板热侧壁面上形成一层均匀连续的气膜，增强了冷却气对火焰筒壁的冷却效果，提高了火焰筒壁板的寿命；2)由于冷却孔沿高温燃气气流流线方向均匀分布，因而消除了现有技术中气膜易被撕裂的缺陷；3)在保证火焰筒壁冷却效果的前提下，减少了火焰筒的冷却气用量，提高了整机效率；同时，为今后进一步提高火焰筒内燃烧温度，留出了更多的可用冷却气量；4)由于提高了冷却效果，间接地减少了孔的数量，从而避免火焰筒壁强度降低过多，降低了加工成本。[0030]通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件:
[0032]图1a为传统火焰筒壁板的立体图；
[0033]图1b为图1a中火焰筒壁板的俯视图；
[0034]图1c为图1b中火焰筒壁板沿A-A的剖视图；
[0035]图2为典型的燃气涡轮燃烧室示意图；
[0036]图3示出了图2中火焰筒壁板上的冷却气孔的掺混角P和入射角a ；
[0037]图4a为根据本发明的优选实施方式的冲击孔火焰筒的外环火焰筒壁板的立体图；
[0038]图4b为图4a中冲击孔火焰筒的外环火焰筒壁板的俯视图；
[0039]图4c为根据本发明的优选实施方式的冲击孔火焰筒饿内环火焰筒壁板的立体图；
[0040]图4d为图4c中冲击孔火焰筒的内环火焰筒壁板的俯视图；
[0041]图5a为根据本发明的优选实施方式的多斜孔火焰筒的外环火焰筒壁板的立体图；
[0042]图5b为图5a中多斜孔火焰筒的外环火焰筒壁板的俯视图；
[0043]图5c为根据本发明的优选实施方式的多斜孔火焰筒的内环火焰筒壁板的立体图；
[0044]图5d为图5c中多斜孔火焰筒内环火焰筒壁板的俯视图；
[0045]图6a为根据本发明的优选实施方式的冲击-多斜孔火焰筒的外环火焰筒壁板的立体图；
[0046]图6b为根据本发明的优选实施方式的冲击-多斜孔火焰筒的内环火焰筒壁板的立体图；
[0047]图7为图6a所示冲击-多斜孔火焰筒的外环火焰筒壁板沿流线方向的一段剖面图。
【具体实施方式】
[0048]根据要求，这里将披露本发明的【具体实施方式】。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
[0049]本文中提到的术语“高温壁”是指靠近高温燃气的火焰筒壁；“低温壁”是指双层壁中区域于“高温壁”的另一层火焰筒壁；“射流驻点区”是指冷却气流在火焰筒壁板上直接冲击形成的区域，此处冷却气流的方向与冷却孔的轴向没有太大的变化；“掺混角”是指冷却孔的轴线在火焰筒壁板上的投影与高温燃气气流流线的夹角；“入射角”是指冷却孔轴线与火焰筒壁板的夹角；“火焰筒壁板的热侧”是指火焰筒壁板上紧挨高温燃气的一侧。
[0050]下面结合附图详细描述本发明的火焰筒壁板的优选实施方式，图中以及下面描述中的周向是指火焰筒的圆周方向。
[0051]图2为典型的燃气涡轮燃烧室示意图，示出了典型的燃气涡轮燃烧室10。燃烧室10通过在密闭空间内燃烧空气和燃料来产生驱动涡轮转动所需的燃气。在运行中，来自压缩机中的压缩空气和燃料通过燃烧室头部的旋流器60旋转雾化，以一定的速度和角度进入火焰筒20中。火焰筒20可以是由单层火焰筒壁板构成，也可以是由包括低温壁40和高温壁50的双层火焰筒壁板构成。火焰筒20是火焰筒壁以发动机轴心X为中心旋转成的近似圆环结构，其中靠近发动机轴心X的火焰筒壁为内环火焰筒壁80，远离发动机轴心X的火焰筒壁为外环火焰筒壁90。燃料燃烧产生的燃气温度大约在K，这些高温燃气与来自火焰筒壁的冷却气混合后温度降至K，接着燃气从导向器30以高速流入涡轮并推动涡轮转动。由于燃烧产生的高温燃气温度远高于火焰筒壁的正常工作温度，因此需要对火焰筒壁面进行冷却。
[0052]图3示出了图2中火焰筒壁板上的冷却气孔的入射角a和掺混角P。入射角a是指冷却孔轴线m与火焰筒壁板的夹角。掺混角P是指冷却孔轴线m在火焰筒壁板上的投影n与高温燃气气流流线z的夹角。
[0053]图4a_4b示出了根据本发明的冲击孔单层壁火焰筒的外环火焰筒壁板的一个优选实施方式。在该优选实施方式中，火焰筒壁板11上具有贯穿火焰筒壁板11的多个冲击孔21，这些冲击孔的布置可以这样安排:通过数值模拟或试验的方法得到无冷却孔时火焰筒壁面附近在大工况下的大致流场，沿火焰筒周向方向每隔4?20_确定一条流线Z1，在每条流线上每隔5?30mm确定一个冲击孔21,其孔径在0.5?4mm之间。冲击孔21的掺混角在0?10°之间，入射角在80°?90°之间。这里，入射角同样是指冲击孔轴线与火焰筒壁板的夹角，掺混角是指冲击孔轴线在火焰筒壁板上的投影与高温燃气气流流线Z1的夹角。优选地，相邻流线Z1沿周向距离为5.5mm，沿流线Z1方向孔的间距为6mm，孔径为
1.1mm,掺混角为0° ,入射角为90°。
[0054]图4c_4d示出了根据本发明的冲击孔单层壁火焰筒的内环火焰筒壁板的一个优选实施方式。在该优选实施方式中，火焰筒壁板12上具有贯穿火焰筒壁板12的多个冲击孔22。同理，得到无冷却孔时火焰筒壁面附近在大工况下的大致流场之后，沿火焰筒周向方向每隔4?20mm确定一条流线Z2,在每条流线Z2上每隔5?30mm确定一个冲击孔22,其孔径在0.5?4mm之间。冲击孔22的掺混角在0?10°之间，入射角在80°?90°之间。优选地，相邻流线Z2沿周向距离为5.5mm,沿流线Z2方向孔的间距为6mm,孔径为1.1mm,掺混角为0°，入射角为90°。
[0055]图5a_5b示出了根据本发明的多斜孔单层壁火焰筒的外环火焰筒壁板的一个优选实施方式。在该优选实施方式中，火焰筒壁板13上具有贯穿火焰筒壁板的多个斜孔23，这些冲击孔的布置可以这样安排:通过数值模拟或试验的方法得到无冷却孔时火焰筒壁面附近在大工况下的大致流场，沿火焰筒周向方向每隔4?15mm确定一条流线Z3，在每条流线Z3上每隔5?20mm确定一个斜孔23,其孔径在0.1?2mm之间。斜孔23的掺混角在0?5°之间，入射角在15°?45°之间。优选地，相邻流线Z3沿周向的距离为5.5mm，这些斜孔23沿流线Z3方向上的间距为6mm，孔径为1.1mm，掺混角为0°，入射角为20°。
[0056]图5c_5d示出了根据本发明的多斜孔单层壁火焰筒的内环火焰筒壁板的一个优选实施方式。在该优选实施方式中，火焰筒壁板14上具有贯穿火焰筒壁板的多个斜孔24,同理，这些冲击孔在沿火焰筒周向方向每隔4?15mm确定一条的流线Z4的方向上均匀分布。在每条流线Z4上每隔5?20mm确定一个斜孔24,其孔径在0.1?2mm之间。斜孔24的掺混角在0?5°之间，入射角在15°?45°之间。优选地，相邻流线Z4沿周向的距离为5.5mm,这些斜孔24沿流线Z4方向上的间距为6mm，孔径为1.1mm,掺混角为0°，入射角为 20。。
[0057]图6a示出了根据本发明的冲击-多斜孔双层壁火焰筒的外环火焰筒壁板一个优选实施方式。如图6a所不,并结合图4a_4b和图5a_5b,双层壁火焰筒由作为低温壁的冲击孔火焰筒壁板11和作为高温壁的多斜孔火焰筒壁板13组成，火焰筒壁板11上具有贯穿火焰筒壁板11的多个冲击孔21，火焰筒壁板13上具有贯穿火焰筒壁板13的多个斜孔23，斜孔23布置在偏离冲击孔21的射流驻点区，两块火焰筒壁板通过螺栓或其他方式固定，两块火焰筒壁板的间隙在I?IOmm之间。通过数值模拟或试验的方法得到无冷却孔时火焰筒壁面附近在大工况下的大致流场，在低温壁11上，沿火焰筒周向方向每隔4?20mm确定一条流线Z1,在每条流线Z1上每隔5?30mm确定一个冲击孔21,其孔径在0.5?4mm之间。冲击孔21的入射角在0?10°之间，掺混角在80°?90°之间；在高温壁13上，沿火焰筒周向方向每隔4?15mm确定一条流线Z3,在每条流线Z3上每隔5?20mm确定一个斜孔23，其孔径在0.1?2mm之间。斜孔23的掺混角在0?5°之间，入射角在15°?45°之间。
[0058]实际上，在图6a所示的双层壁火焰筒的外环火焰筒壁板的实施方式中，该外环火焰筒壁板由图4a-4b所示冲击孔火焰筒壁板11和图5a-5b所示多斜孔火焰筒壁板13组成。优选地，低温壁11上相邻流线Z1沿周向的距离为5.5mm，沿流线Z1方向冲击孔21的间距为6mm，孔径为1.5mm，入射角为3°，掺混角为90° ;高温壁13上相邻流线Z3沿周向的距离为
5.5mm,沿流线Z3方向斜孔23的间距为6mm,孔径为1.0mm,掺混角为0° ,入射角为20°。
[0059]图6b示出了根据本发明的冲击-多斜孔双层壁火焰筒的内环火焰筒壁板的一个优选实施方式。如图6b所不，并结合图4c-4d和图5c-5d,双层壁火焰筒由作为低温壁的冲击孔火焰筒壁板12和作为高温壁的多斜孔火焰筒壁板14组成，火焰筒壁板12上具有贯穿火焰筒壁板12的多个冲击孔22，火焰筒壁板14上具有贯穿火焰筒壁板14的多个斜孔24，斜孔24布置在偏离冲击孔22的射流驻点区，两块火焰筒壁板通过螺栓或其他方式固定，两块火焰筒壁板的间隙在I?IOmm之间。通过数值模拟或试验的方法得到无冷却孔时火焰筒壁面附近在大工况下的大致流场，在低温壁12上，沿火焰筒周向方向每隔4?20mm确定一条流线Z2,在每条流线Z2上每隔5?30mm确定一个冲击孔22,其孔径在0.5?4mm之间。冲击孔22的入射角在0?10°之间，掺混角在80°?90°之间；在高温壁14上，沿火焰筒周向方向每隔4?15mm确定一条流线Z4,在每条流线Z4上每隔5?20mm确定一个斜孔24，其孔径在0.1?2mm之间。斜孔24的掺混角在0?5°之间，入射角在15°?45°之间。
[0060]实际上，在图6b所示的双层壁火焰筒的内环火焰筒壁板的实施方式中，该内环火焰筒壁板由图4c-4d所示冲击孔火焰筒壁板12和图5c-5d所示多斜孔火焰筒壁板14组成。优选地，低温壁12上相邻流线z2沿周向的距离为5.5mm，沿流线z2方向冲击孔22的间距为6mm，孔径为1.5mm，入射角为3°，掺混角为90° ;高温壁14上相邻流线z4沿周向的距离为5.5mm,沿流线z4方向斜孔24的间距为6mm，孔径为1.0mm,掺混角为0°，入射角为 20。。
[0061]图7示出了图6a所示冲击-多斜孔火焰筒的外环火焰筒壁板的冷却工作原理:冲击孔火焰筒壁板11上设有冲击孔21，多斜孔火焰筒壁板13上有斜孔23，冲击孔21和斜孔23沿着流线方向布置多个，两层火焰筒壁板之间的间隙H为I?IOmm之间。作为低温壁的冲击孔火焰筒壁板11外侧为冷却气流a，作为高温壁的多斜孔火焰筒壁板13内侧为高温燃气主流b。冷却气流a通过多个冲击孔21穿过冲击孔火焰筒壁板11形成多股冷却气流％，对多斜孔火焰筒壁板13形成冲击冷却的作用，对多斜孔火焰筒壁板13进行初步的冷却。接着冷却气流B1沿着多斜孔火焰筒壁板13上的多个斜孔23以冷却气流a2的方式进入火焰筒内，在火焰筒壁板的热侧形成连续均匀的气膜保护，将多斜孔火焰筒壁板13与火焰筒内的高温燃气主流b隔开，并对多斜孔火焰筒壁板13的热侧形成对流冷却，从而降低火焰筒壁的温度。
[0062]尽管上述图6a和图6b所示的实施方式中，低温壁都设置成冲击孔火焰筒壁板，高温壁都设置成多斜孔火焰筒壁板，但应当理解的是，高温壁设置成冲击孔火焰筒壁板以及低温壁设置成多斜孔火焰筒壁板也是可行的。
[0063]另外，需要注意的是，单层壁火焰筒的冷却原理与双层壁火焰筒类似，都是在火焰筒壁板的热侧形成贴壁气膜，只是单层壁火焰筒只有一层冲击火焰筒壁或一层多斜孔火焰筒壁。
[0064]根据本发明的再又一个方面，提供一种确定燃气轮机燃烧室火焰筒壁冷却气孔排布的方法。在一优选实施方式中，该方法包括步骤:1)加工一个火焰筒上无冷却孔的扇形或全环形燃烧室；2)通过PIV示踪方法确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；3)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤2)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；4)沿着流线方向每隔一定距离选取一点来加工冷却孔。应当理解的是，步骤2)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场也可以通过三维数值模拟的方法，建立所述无冷却孔的扇形或全环形火焰筒计算模型，并通过数值计算得到。
[0065]根据本发明的仍旧再又一个方面，提供一种燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，包括如下步骤:1)确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；2)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤I)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；3)沿着流线方向每隔一定距离选取一点确定冷却孔位置；4)加工一个火焰筒的扇形或全环形燃烧室，所述火焰筒上具有多个冷却孔，冷却孔的位置与步骤3)中确定的位置一致。
[0066]上述步骤I)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过三维数值模拟的方法，建立上述无冷却孔的扇形或全环形火焰筒计算模型，并通过数值计算得到；上述步骤4)中使用精密铸造工艺加工上述火焰筒的扇形或全环形燃烧室。
[0067]本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的【技术领域】内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种火焰筒壁板，其适用于燃气轮机燃烧室，所述火焰筒壁板上具有沿高温燃气气流流线方向均匀分布且贯穿所述火焰筒壁板的多个冷却孔。
2.如权利要求1所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冷却孔为斜孔。
3.如权利要求2所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的掺混角在O~5°之间。
4.如权利要求2或3所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的入射角在15~45°之间。
5.如权利要求4所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔沿着在火焰筒周向方向每隔4~15mm确定的两条相邻的所述流线方向均匀分布。
6.如权利要求5所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔在所述流线方向上的分布间距为5~20臟。
7.如权 利要求6所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述斜孔的横截面是圆形的，且孔径在0.1~2mm之间。
8.如权利要求1所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冷却孔为冲击孔。
9.如权利要求8所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冲击孔的掺混角在0~10°之间。
10.如权利要求8或9所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冲击孔的入射角在80~90°之间。
11.如权利要求10所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冲击孔沿着在火焰筒周向方向每隔4~20mm确定的两条相邻的所述流线方向均匀分布。
12.如权利要求11所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冲击孔在所述流线方向上的分布间距为5~30mm。
13.如权利要求12所述的火焰筒壁板，其特征在于，所述冲击孔的横截面是圆形的，且孔径在0.5~4mm之间。
14.一种单层壁火焰筒，其适用于燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒包括单层如前述权利要求1-13任一项所述的火焰筒壁板。
15.一种双层壁火焰筒，其适用于燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒包括双层如前述权利要求1-13任一项所述的火焰筒壁板，或包括一层如前述权利要求2-7任一项所述的火焰筒壁板和一层如前述权利要求8-13任一项所述的火焰筒壁板。
16.如权利要求15所述的双层壁火焰筒，其特征在于，靠近火焰筒内高温燃气的火焰筒壁板具有斜孔，而另一火焰筒壁板具有冲击孔。
17.如权利要求16所述的双层壁火焰筒，其特征在于，两层所述火焰筒壁板之间的间隙为I~10_。
18.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内设有根据权利要求14至17任一项所述的单层壁火焰筒或双层壁火焰筒。
19.燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，包括如下步骤:
1)加工一个火焰筒上无冷却孔的扇形或全环形燃烧室；
2)确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；
3)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤2)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；4)沿着流线方向每隔一定距离选取一点来加工冷却孔。
20. 根据权利要求19所述的燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，其特征在于，所述步骤2)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过PIV示踪方法获得。
21.根据权利要求19所述的燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，其特征在于，所述步骤2)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过三维数值模拟的方法，建立所述无冷却孔的扇形或全环形火焰筒计算模型，并通过数值计算得到。
22.燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，包括如下步骤:
1)确定大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场；
2)在火焰筒壁板热侧壁面处沿火焰筒周向方向每隔一定距离选取一点，并根据步骤I)中得到的流场确定火焰筒壁面流经这些点的流线；
3)沿着流线方向每隔一定距离选取一点确定冷却孔位置；
4)加工一个火焰筒的扇形或全环形燃烧室，所述火焰筒上具有多个冷却孔，所述冷却孔的位置与步骤3)中确定的位置一致。
23.根据权利要求22所述的燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，其特征在于，所述步骤I)中在大工况下火焰筒壁板热侧壁面附近的大致流场是通过三维数值模拟的方法，建立所述无冷却孔的扇形或全环形火焰筒计算模型，并通过数值计算得到。
24.根据权利要求22或23所述的燃气轮机燃烧室火焰筒壁的冷却孔的加工方法，其特征在于，步骤4)中使用精密铸造工艺加工所述火焰筒的扇形或全环形燃烧室。
【文档编号】F23R3/42GKSQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】何跃龙, 陈毓卿, 张晶, 范仁钰, 李校培
申请人:中航商用航空发动机有限责任公司