本发明涉及，燃气涡轮发动机燃烧室领域，特别地，涉及一种回流燃烧室机匣头部结构。此外，本发明还涉及一种包括上述回流燃烧室机匣头部结构的制造方法和发动机燃烧室。
背景技术：
在中小型航空发动机领域，燃气涡轮发动机燃烧室中，燃烧室机匣作为燃烧室部件的外壳，其作用主要为包容并支撑火焰筒，形成发动机内部流道，同时承接压气机机匣和涡轮机匣。燃烧室机匣作为发动机的重要承力部件，不仅承担燃烧室部件自身高压气压，同时也需传递发动机各部件产生的气动和机动载荷，作为热端机匣其工作条件十分严酷。由于发动机转速非常高，为了缓解转子动力学问题，常常采用回流燃烧室结构，以缩短轴系长度。燃烧室机匣头部是回流燃烧室机匣的特有结构，主要因为在回流燃烧室中，涡轮部件一般包裹在燃烧室部件内部，燃烧室机匣和涡轮机匣连接位置形成径向落差，而火焰筒头部则位于燃烧室的后方，所以，连接燃烧室机匣和涡轮机匣，并包裹火焰筒头部的机匣结构称为燃烧室机匣头部，如图1所示。
发动机正常工作时，燃烧室机匣内部可能达到十几个大气压，并且燃烧室机匣还将承受高压气体在发动机内流动时内对各零部件施加的气动载荷、螺旋桨正常工作时产生的扭矩、拉力和1p载荷(涡桨发动机)，以及飞机在机动飞行时，对发动机各零部件造成的惯性载荷。而另一方面，燃烧室机匣处于发动机热端部位，燃烧室机匣壁温可达400℃～500℃，在高温条件下工作材料的屈服极限将会下降，燃烧室机匣强度设计面临较大挑战。采用回流燃烧室结构的发动机，涡轮部件一般包裹在燃烧室部件内部，径向高度上两部件存在一定的落差，燃烧室机匣必须克服燃烧室与涡轮的高度落差与涡轮机匣连接。燃气涡轮发动机工作时燃烧室机匣头部所受应力、载荷很大，对于回流燃烧室机匣而言，极容易在径向尺寸剧烈变化的部位形成应力集中，超过材料允许使用的应力极限，且在应力集中部位容易造成局部变形，影响发动机的安全。
技术实现要素：
本发明提供了一种回流燃烧室机匣头部结构及其制造方法和发动机燃烧室，以解决现有的燃烧室机匣头部所受应力、载荷大，超过材料允许使用的应力极限，容易发生局部变形，影响发动机安全的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种回流燃烧室机匣头部结构，处于燃烧室机匣与涡轮机匣之间，用于包裹火焰筒的头部，回流燃烧室机匣头部结构采用环形基体构造，回流燃烧室机匣头部结构的一端与燃烧室机匣连接，回流燃烧室机匣头部结构的另一端与涡轮机匣连接；回流燃烧室机匣头部结构包括沿环形基体构造的周线方向交替布设的弓形承力梁和喷嘴部，弓形承力梁与喷嘴部采用圆弧面平滑过渡连接；弓形承力梁采用横截面为弓字形基体构造，弓形承力梁的径向尺寸由燃烧室机匣向涡轮机匣方向逐渐减小，以形成连接燃烧室机匣与涡轮机匣的倾斜段；喷嘴部包括处于相邻两个弓形承力梁之间并与火焰筒的头部平行的喷嘴安装面，喷嘴安装面可实现燃油喷嘴以直插方式安装，处于喷嘴安装面底端并与喷嘴安装面垂直布设的连接面，喷嘴安装面与连接面圆滑过渡连接；弓形承力梁、喷嘴安装面和连接面组合形成向内凹陷的凹槽结构。
进一步地，喷嘴安装面设有用于燃油喷嘴以水平直线方式插入火焰筒的头部内部的喷嘴安装凸台，喷嘴安装凸台上设有用于燃油喷嘴穿设于喷嘴安装凸台以插入火焰筒头部内部的喷嘴安装孔，用于燃油喷嘴安装固定的螺纹孔。
进一步地，弓形承力梁与涡轮机匣之间的连接段采用光滑圆弧过渡连接，圆弧的半径r大于10mm。
进一步地，燃烧室机匣与涡轮机匣之间的轴向距离为l，燃烧室机匣与涡轮机匣之间的径向高度落差为h，弓形承力梁的倾斜角度a为
进一步地，喷嘴安装面与弓形承力梁之间的最大轴向距离落差为d，由弓形承力梁的倾斜角度a、径向高度落差h以及燃油喷嘴长度k共同决定，
关系式为：
进一步地，弓形承力梁从燃烧室机匣向涡轮机匣方向的宽度w1逐渐增加，喷嘴安装面从燃烧室机匣向涡轮机匣方向的宽度w2逐渐减小；w1∶w2为1∶0.25～5。
进一步地，凹槽结构的槽口面拐角处采用圆角光滑过渡。
根据本发明的另一方面，还提供了一种回流燃烧室机匣头部结构的制造方法，采用精密铸造或三维快速成型打印技术加工制备回流燃烧室机匣头部结构的毛坯，采用精密组合机加方式加工喷嘴安装凸台端面，获得回流燃烧室机匣头部结构获得回流燃烧室机匣头部结构。
根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机燃烧室，包含上述回流燃烧室机匣头部结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明的回流燃烧室机匣头部结构，回流燃烧室机匣头部结构采用环形基体构造，包括弓形承力梁和喷嘴部，弓形承力梁位于两个相邻的喷嘴部之间，为了满足燃烧室出口温度分布均匀，将弓形承力梁和喷嘴部沿环形基体构造的周线方向交替布设，即周向均布方式，及满足了燃油喷嘴安装的需求，又使得回流燃烧室机匣头部结构受到的载荷和应力尽量沿周向均匀分散，避免应力集中。在发动机正常工作时，各种载荷(如气动力、机动载荷等)经过回流燃烧室机匣传递至发动机主安装节上，各种载荷传递至回流燃烧室机匣头部结构处主要作用于弓形承力梁上，弓形承力梁作为承力梁向前端、后端传递。此外，回流燃烧室机匣头部结构还受到燃烧室机匣内、外压差产生的压力。由于弓形承力梁、喷嘴安装面和连接面组合形成向内凹陷的凹槽结构，类似于框架式结构，框架式结构的整体刚性显著优于平面式结构，能够保证回流燃烧室机匣头部结构受到各种载荷、压力作用时，不发生变形，始终保证发动机转、静子同心，避免转子刮磨、振动等问题，保证发动机的运行安全。
本发明的发动机燃烧室，采用上述回流燃烧室机匣头部结构，在不增加机匣重量、保持喷嘴定位精准性和维护性的前提下，旨在解决回流燃烧室机匣头部结构应力集中、头部结构刚性不足的问题，提高发动机的安全性。上述发动机燃烧室已通过强度、刚度、寿命计算评估，计算结果表明回流燃烧室机匣头部结构不存在应力集中现象，发动机燃烧室机匣强度储备系数符合相关规定，回流燃烧室机匣头部结构变形量很小，满足发动机各个状态下的使用要求，并且在额定的发动机载荷谱条件下，工作循环寿命满足设计指标要求。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是回流燃烧室示意图；
图2是斜面式燃烧室机匣头部结构示意图；
图3是台阶式燃烧室机匣头部结构示意图；
图4是本发明优选实施例的回流燃烧室机匣头部结构图；
图5是本发明优选实施例的a-a剖面图；
图6是本发明优选实施例的b-b剖面图
图7是本发明优选实施例的c-c剖面图。
附图标号说明：
1、弓形承力梁；2、喷嘴部；21、喷嘴安装面；211、喷嘴安装凸台；212、喷嘴安装孔；213、螺纹孔；22、连接面；
100、燃烧室机匣；200、涡轮机匣；300、火焰筒；400、燃油喷嘴。
ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ分别代表凹槽结构的四个槽口拐角；r代表圆弧半径；l代表燃烧室机匣与涡轮机匣之间的轴向距离；h为燃烧室机匣与涡轮机匣之间的径向高度落差；a代表弓形承力梁的倾斜角度，d代表喷嘴安装面与弓形承力梁之间的最大轴向距离落差，k代表燃油喷嘴长度，w1代表弓形承力梁的宽度，w2喷嘴安装面的宽度。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是回流燃烧室示意图；图2是斜面式燃烧室机匣头部结构示意图；图3是台阶式燃烧室机匣头部结构示意图；图4是本发明优选实施例的回流燃烧室机匣头部结构图；图5是本发明优选实施例的a-a剖面图；图6是本发明优选实施例的b-b剖面图；图7是本发明优选实施例的c-c剖面图。
如图4所示，本实施例的回流燃烧室机匣头部结构，处于燃烧室机匣100与涡轮机匣200之间，用于包裹火焰筒300的头部，回流燃烧室机匣头部结构采用环形基体构造，回流燃烧室机匣头部结构的一端与燃烧室机匣100连接，回流燃烧室机匣头部结构的另一端与涡轮机匣200连接；回流燃烧室机匣头部结构包括沿环形基体构造的周线方向交替布设的弓形承力梁1和喷嘴部2，弓形承力梁1与喷嘴部2采用圆弧面平滑过渡连接；弓形承力梁1采用横截面为弓字形基体构造，弓形承力梁1的径向尺寸由燃烧室机匣100向涡轮机匣200方向逐渐减小，以形成连接燃烧室机匣100与涡轮机匣200的倾斜段；喷嘴部2包括处于相邻两个弓形承力梁1之间并与火焰筒300的头部平行的喷嘴安装面21，喷嘴安装面21可实现燃油喷嘴400以直插方式安装，处于喷嘴安装面21底端并与喷嘴安装面21垂直布设的连接面22，喷嘴安装面21与连接面22圆滑过渡连接；弓形承力梁1、喷嘴安装面21和连接面22组合形成向内凹陷的凹槽结构。
本发明的回流燃烧室机匣头部结构，回流燃烧室机匣头部结构采用环形基体构造，包括弓形承力梁1和喷嘴部2，弓形承力梁1位于两个相邻的喷嘴部2之间，为了满足燃烧室出口温度分布均匀，将弓形承力梁1和喷嘴部2沿环形基体构造的周线方向交替布设，即周向均布方式，及满足了燃油喷嘴400安装的需求，又使得回流燃烧室机匣头部结构受到的载荷和应力尽量沿周向均匀分散，避免应力集中。在发动机正常工作时，各种载荷(如气动力、机动载荷等)经过回流燃烧室机匣传递至发动机主安装节上，各种载荷传递至回流燃烧室机匣头部结构处主要作用于弓形承力梁1上，弓形承力梁1作为承力梁向前端、后端传递。此外，回流燃烧室机匣头部结构还受到燃烧室机匣100内、外压差产生的压力。由于弓形承力梁1、喷嘴安装面21和连接面22组合形成向内凹陷的凹槽结构，类似于框架式结构，框架式结构的整体刚性显著优于平面式结构，能够保证回流燃烧室机匣头部结构受到各种载荷、压力作用时，不发生变形，始终保证发动机转、静子同心，避免转子刮磨、振动等问题，保证发动机的运行安全。
如图2所示，如果采用平缓过渡的斜面式燃烧室机匣头部结构，在火焰筒300头部径向尺寸剧烈变化部位，燃烧室机匣100直径平缓过渡，通过缓慢收缩机匣直径，达到与涡轮机匣200相连的目的，也即仅采用弓形承力梁1的倾斜段，在倾斜段上开设喷嘴安装座。这种燃烧室机匣头部结构，能够一定程度避免机匣直径突变带来的应力集中问题，但是燃烧室机匣头部变为斜面后，机匣头部与火焰筒300头部不平行，燃油喷嘴400必须采用斜插方式才能满足喷嘴的安装要求，斜插方式使得燃油喷嘴400的喷嘴杆较长，定位精度相对于直插方式低，且燃油喷嘴400安装比直插方式较为繁琐，影响了发动机的维护性。而且，在相同的轴向长度内，斜面式燃烧室机匣头部结构平均直径更大，且需配套使用体积更大的斜插式喷嘴，所以发动机的重量将会增加。
如图3所示，如果采用台阶式燃烧室机匣头部结构，燃烧室机匣100在火焰筒300头部位置形成台阶式落差，燃烧室机匣100直径迅速收缩，与涡轮机匣200相连，可采用直插方式安装燃油喷嘴400。但是台阶式的燃烧室机匣头部结构的直径变化过为剧烈，容易在机匣型面剧烈变化的拐角部位造成应力集中，产生高应力区域，长期处于高应力工作条件，高应力部位将会缓慢发生塑性变形，从而影响机匣的定心功能，造成转、静子不同心而产生振动或刮磨，影响发动机的安全。
因此，本发明的回流燃烧室机匣头部结构，综合了斜面式机匣头部结构和台阶式机匣头部结构的各自优点，采用斜面形式的弓形承力梁1的结构和平行于火焰筒300的头部的喷嘴安装面21，也即喷嘴安装面21保持与火焰筒300的涡流器中心线垂直，从而一方面保证了发动机载荷能在燃烧室机匣头部均匀过渡，不会造成应力集中；另一方面也便于燃油喷嘴400采用直插式的方式安装，方便喷嘴的拆装，保证了喷嘴的定位精准性和装拆的维护性。而且，在不增加燃烧室机匣100重量的前提下，采用弓形承力梁1与喷嘴部2交错布置的框架式结构，能够提高燃烧室机匣头部整体刚性，防止机匣头部变形。
如图4所示，本实施例中，喷嘴安装面21设有用于燃油喷嘴400以水平直线方式插入火焰筒300的头部内部的喷嘴安装凸台211，喷嘴安装凸台211上设有用于燃油喷嘴400穿设于喷嘴安装凸台211以插入火焰筒300头部内部的喷嘴安装孔212，用于燃油喷嘴400安装固定的螺纹孔213。
本实施例中，喷嘴安装面21设有用于燃油喷嘴400以水平直线方式插入火焰筒300的头部内部的喷嘴安装凸台211，喷嘴安装凸台211上设有用于燃油喷嘴400穿设于喷嘴安装凸台211以插入火焰筒300头部内部的喷嘴安装孔212，用于燃油喷嘴400安装固定的螺纹孔213。在喷嘴安装面21上设置有喷嘴安装凸台211，并包含喷嘴安装孔212和螺纹孔213，凸台平面精度要求较高，主要是喷嘴安装定位、密封的需要，可采取组合机加方式加工成型。组合机加方式为在组件中对精度要求高的平面进行单独机加，以保证平面位置度、粗糙度等要求。
如图4和图5所示，本实施例中，弓形承力梁1与涡轮机匣200之间的连接段采用光滑圆弧过渡连接。弓形承力梁1与涡轮机匣200之间的连接段采取光滑圆弧过渡，并且圆弧的半径r值越大，弓形承力梁1与涡轮机匣200的过渡越平坦，圆弧部位的应力水平越低。优选地。圆弧的半径r大于10mm。
如图4和图5所示，本实施例中，燃烧室机匣100与涡轮机匣200之间的轴向距离为l，燃烧室机匣100与涡轮机匣200之间的径向高度落差为h，弓形承力梁的倾斜角度a为
如图5和图6所示，本实施例中，喷嘴安装面21与弓形承力梁1之间的最大轴向距离落差为d，由弓形承力梁的倾斜角度a、径向高度落差h以及燃油喷嘴长度k共同决定，
关系式为：
如图7所示，本实施例中，弓形承力梁1从燃烧室机匣100向涡轮机匣200方向的宽度w1逐渐增加，喷嘴安装面21从燃烧室机匣100向涡轮机匣200方向的宽度w2逐渐减小；w1∶w2为1∶0.25～5。弓形承力梁1的宽度w1与喷嘴安装面21的宽度w2的关系。弓形承力梁1的宽度w1与喷嘴安装面21的宽度w2有关，喷嘴安装面21的宽度w2必须能够保证燃油喷嘴400的可装配性，在满足燃油喷嘴400可自由拆装的前提下，尽量减小喷嘴安装面21的宽度w2，以使弓形承力梁1的宽度w1尽可能大，从而增大了传力面积，有利降低应力峰值。
如图4所示，本实施例中，凹槽结构的槽口面拐角处采用圆角光滑过渡。发动机所受载荷主要通过回流燃烧室机匣头部结构的斜面式弓形承力梁1传递，斜面式结构使应力在沿着机匣壁面传递时能够平缓过渡，避免应力集中。为了保证弓形承力梁1所受载荷能够沿四周均匀分散，弓形承力梁1与喷嘴安装面21、连接面22相连组合成的凹槽结构的四个槽口拐角(分别为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ)必须采取圆角光滑过渡方式，通过圆弧面的平滑过渡，弓形承力梁1四个拐角上的载荷能够平缓的沿周围部位释放。
根据本发明的另一方面，还提供了一种回流燃烧室机匣头部结构的制造方法，采用精密铸造或三维快速成型打印技术加工制备回流燃烧室机匣头部结构的毛坯，采用精密组合机加方式加工喷嘴安装凸台211端面，获得回流燃烧室机匣头部结构。上述回流燃烧室机匣头部结构的制造方法，可先采用精密铸造或三维快速成型打印技术加工制备回流燃烧室机匣头部结构的毛坯，再采用组合机加的加工方式加工喷嘴安装凸台211的端面，完成回流燃烧室机匣头部结构的制造，可以节省大量的机加工时间，提高机匣成型效率，在大规模的批量生产中，铸造方式的经济性和效率更加明显。
根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机燃烧室，包含上述回流燃烧室机匣头部结构。本发明的发动机燃烧室，采用上述回流燃烧室机匣头部结构，在不增加机匣重量、保持喷嘴定位精准性和维护性的前提下，旨在解决回流燃烧室机匣头部结构应力集中、头部结构刚性不足的问题，提高发动机的安全性。上述发动机燃烧室已通过强度、刚度、寿命计算评估，计算结果表明回流燃烧室机匣头部结构不存在应力集中现象，发动机燃烧室机匣强度储备系数符合相关规定，回流燃烧室机匣头部结构变形量很小，满足发动机各个状态下的使用要求，并且在额定的发动机载荷谱条件下，工作循环寿命满足设计指标要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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